光学陀螺的发展与应用论文

光学陀螺的发展与应用

摘要：通过对光学陀螺仪的基础介绍，光学陀螺具有可观的精度潜力，以其为核心构件的惯性导航系统成为惯性系统技术的重要发展方向。

根据光纤陀螺仪的工作原理和特点，光纤陀螺仪利用光路替代了传统陀螺的机械转子，陀螺无旋转和运动部件，具有传统机械陀螺不可比拟的优势。陀螺性能稳定，可靠性好；能够承受强烈的速度和振动冲击，寿命长，动态范围广；不存在马达的启动和稳定问题，启动迅速，具有很高的标度因子稳定性；输出信息数字化，方便计算机处理；相对于同精度的机械陀螺，成本低；动态测量范围大，可直接固联于载体，便于构成捷联惯性系统。

光学陀螺的发展历程介绍了国外光纤陀螺仪的现状，预测了近期和长远的发展趋势，旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。

回顾光纤陀螺仪的发展历程，从长远看，随着光纤通信技术、集成光学技术和光纤传感技术的发展，更多先进的成果将应用在光纤陀螺中，使得光纤陀螺的性能得以整体提高，应用范围更加广泛，干涉型光纤陀螺的应用领域将集中在惯性级上，有望取代静电悬浮陀螺。光纤陀螺发展的方向：一是向更高精度、更高可靠性的方向发展，为航天、航空、航海提供高精度的惯性元件；二是向体积小、高度集成、价格便宜、结构更牢固的超小型化方向发展，为战术级应用提供坚固、廉价的惯性传感器；三是朝多轴化方向发展。

关键词：光学陀螺仪；萨格纳效应；干涉型；谐振式；布里渊式

一、光学陀螺的基础介绍

惯性技术是惯性导航与惯性制导、惯性仪表、惯性测量以及相关测试设备和装置技术的总称。它是一种利用惯性原理或其他有关原理，自主地测量和控制运载体角运动及线运动参数的工程技术。惯性技术是完全自主式的测量方法，它不依赖光线、电磁波、声音、磁场等外部信息来测量运载体的线运动和角运动参数。因此惯性技术被广泛应用于国防高科技、航天科技、飞机、船舶与海洋科技领域。随着惯性技术的不断发展，它的应用领域延伸到现代化交通运输、海洋开发、大地测量与勘探、石油钻井、矿井、隧道的掘进与贯通、机器人控制、现代化医疗器械、摄影技术以及森林防护、农业播种、施肥等民用领域。因而得到了世界上技术先进国家的普遍重视。美、英、法、德、日和前苏联都投入了相当大的力量从事惯性技术及其相关装置的研究。目前，高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化成为了惯性技术领域发展的方向。激光陀螺、光纤陀螺（合称光学陀螺）的出现与发展是惯性技术朝此方向迈进不可缺少的因素。

惯性导航是一种利用安装在载体上的惯性器件来测定载体的加速度、角速率等信息，由此确定载体位置的技术。光学陀螺是20世纪60年代以后发展成熟起来的一种新型角速率敏感惯性元器件。与传统的机械转子陀螺相比，它具有全固态、性能稳定、可靠性好、耐振动冲击、寿命长、动态范围广、启动迅速等一系列优势。目前，国外的光学陀螺技术已渐趋成熟，其产品呈现多样化、系列化，并成功应用于各种军事、民用导航领域。以美国为例，从主战飞机到战略导弹，从水面舰艇到战略核潜艇都装备有光学陀螺惯性导航系统。我国在光学陀螺的研究方面发展不均衡，只有国防科学技术大学等少数单位具有高精度产品的研制能力，光学陀螺研究及应用的总体水平落后于西方发达国家。尤其在工作时间长、精度要求高的舰船惯性导航系统方面，还没有相应的产品。随着光学、测控等技术的进一步发展，光学陀螺具有可观的精度潜力，以其为核心构件的惯性导航系统成为惯性系统技术的重要发展方向。

二、光学陀螺的原理及特点

光纤陀螺由两部分组成：光学部分和信号处理电路部分。光学部分包含光电子器件和光纤器件。有时这两种器件都被纳入光电子技术。按照光纤陀螺光学系统的构成，目前进入实用的光纤陀螺主要有两类：全光纤陀螺和使用了集成光学器件的“集成光学器件光纤陀螺”。全光纤陀螺可采用开环或闭环的信号处理电路。这种陀螺的成本较低，但实现高精度的技术难度较大，因此大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光器件光纤陀螺由于波导相位调制器的调制带宽可高达几个GHz，在信号处理中可以采用数字闭环技术，易于实现高精度和高稳定性，是目前最常用的光纤陀螺构成模式。

1913年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是萨格纳克效应。萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。萨格纳克效应已经得到广泛的应用，由萨格纳克效应研制出的光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。

Sagnac 干涉仪 光路传播

当干涉仪相对惯性空间无转动，则正反绕行的 A 、B 两路光程

La = Lb = L

当干涉仪以ω相对惯性空间旋转，则会引起两路光程不等。

推导光程差

分离点的切向线速度

v 在分束点两侧光路上的投影都为

光束 a 逆行一周，回到分束点时多走了一段光程

另有

求解方程组，得到

类似地，对于光束 b ，可以求得

8/ωL c L t a -=)

8/(1c L L L a ω-=ωω2445cos 40L L v =⎪⎭⎫ ⎝⎛=ω8

45cos 0L v v n ==a a n a t L L t v L L ⋅+=+=ω8c L t a a /=

两束光回到分束点时，光程差

考虑到c 远大于 L ω，上式近似为

光程差与输入角速度成正比，该结论对其它形状的环路也成立。

光纤陀螺 Sagnac 干涉仪的改进

圆形环路 Sagnac 干涉仪，光路分析：

当干涉仪相对惯性空间无转动两束光绕

行一周的光程相等

绕行时间

当干涉仪绕法向轴以ω转动，则两束光

出现光程差

对于 a 束光

并且

求解 La 得到

类似地，对于光束 b

两束光之间的光程差

两束光之间的相位差

8/ωL c L t b +=)8/(1c L L L b ω+=b a L L L -=∆222

)8/()(1)

4/(c L c L ωω-=ωωc L c L L 22

)4/(44==∆ωc A 4=b a L L L -=∆2)/(12)/2(c R R c R ωπω-⋅

=R L L L b a π2===c R c L t t b a π2===a a t R R L ⋅+=ωπ2c

t R R t a a ⋅+=ωπ2c

R R L a /12ωπ-=c R R L b /12ωπ+=ω

πc R 24≈