光纤陀螺概述
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实际上为了提高测量精度、减小陀螺体积, 一般将总长度为L的 光纤绕制成N匝直径为D的线圈, 则(4) 式可修正为:
s
8A c
N
2 LD …………（5） c
式中: A 为R环2 形光纤回路所围的面积, K为光波波长。通过解 调相位差 ,s就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度 。
第3节光纤陀螺的工作原理
Ccw
c n
R(1
1 n2
)………………（1）
Cccw
c n
R(1
1 n2
)………………（2）
图2 光纤陀螺工作原理图
第3节光纤陀螺的工作原理
由式( 1)-( 2) 计算可得:
t
4 R2
c2
………………（3）
进而可以求得两束光之间的相位差:
s
t
8A c
………………(4)
第3节光纤陀螺的工作原理
第3节光纤陀螺的工作原理
由(6)式和图3可见, 在输入角速度很小的情况下, 光探测器输出信号
的敏感度为零, 而且不能辨别角速度 的方向。为了获得输出信号 最大敏感度, 并能分辨 的极性, 应进行 相位偏置调制, 使陀 螺工作在灵敏度和线性度均最高的区域。 2
偏置调制： 提高信号检测灵敏度
图3 干涉式光纤陀螺的响应
光纤陀螺概述
内容安排
❖光纤陀螺的定义、简介、特点； ❖光纤陀螺的分类； ❖光纤陀螺的工作原理； ❖光纤陀螺的误差分析； ❖光纤陀螺的应用与发展。
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
中文名：光纤陀螺 英文名: Fiber Optic Gyro 定 义：应用激光及光导纤维技术测量物体相对于惯
性空间的角速度或转动角度的无自转质量的新 型光学陀螺仪。
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：
(5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数， 可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；
(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无 需预热；
(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传 感器，尤其是捷联式惯导系统的传感器；
PZT相位调制
பைடு நூலகம்
4种主要的干涉式光纤陀螺结构
(1)开环全保偏光纤陀螺:精度低、成本低,早期采用模拟电路,现 已基本采用数字信号处理,漂移率也提高到1°/h左右。
(2)开环单模消偏光纤陀螺:精度低、低成本,采用消偏器,采用处 理电路基本和上一种相似,性能稍好于前一种。
(3)闭环全保偏光纤陀螺:精度高(可达到10- 4°/h) 、高成本,采用 数字电路,主要应用于空间技术、军事应用和科学研究。
(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻。
第2节纤陀螺的分类
按工作原理：干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，目
前应用最广泛；谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)； 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)
按光学系统的构成：集成光学型和全光纤型光
纤陀螺
按回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺
第3节光纤陀螺的工作原理
光纤陀螺的基本原理是基于Sagnac 效应, 如图1所示,在同一光学回 路中, 沿顺时针方向( CW) 逆时针方向( CCW) 传播的两束光, 当回 路绕垂直于自身的轴转动时将使两束光产生相位差, 该相位差的大 小与光回路的旋转速率成比例。
图1:Sagnac 效应原理图
第3节光纤陀螺的工作原理
光纤陀螺的实现如图2 所示 , 从光源发出的光经分束器后分为两束, 分别沿顺时针方向及逆时针方向进入光纤环传输。在惯性参考系中, 当环形回路以角速度作顺时针旋转时, 由Fizeau 效应有:。
与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：
(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加 速运动的能力；
(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺 仪提高了好几个数量级；
(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的 使用寿命；
(4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字 输出，并与计算机接口联接；
开环式：直接检测干涉后的Sagnac相移 主要用作角速度传感器。 结构简单，价格便宜，但是线性度差， 动态范围小。
闭环式：利用反馈回路由相位调制器引入与Sagnac相移等值反向的非互易相 移。较精密且复杂，主要用于中等精度的惯导系统。
起偏器（Polarizer）的工作原理
起偏器的工作原理：一束各向同性的光(或者部分偏振光)注入 起偏器后，从出端输出的只有沿特定方向偏振的单一线偏振光 。换言之，起偏器实际上可以看作是一个偏振模式的选择器， 即在注入而被激励的两个互为正交的光偏振模式中选择其中之 一导通，而令另一个截止。
干涉型光纤陀螺（I-FOG）在结构上就是如图2 所示的Sagnac 干涉仪,
它将角速度的测量转化为相位差 ，s 再通过相位解调技术，把光相
位的直接测量转化为光强度测量，这样就能比较方便地测量出Sagnac相 位变化。通过检测干涉光强得到光的相位变化信息。光强与相移的关系 是一个隆起的余弦函数:
I I0 1 cos(s )………………（6）
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
简介：
光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器。 陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感 角速率和角偏差的一种传感器。 光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原 理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—— 高速转子，称为固态陀螺仪。
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
(4)闭环单模光纤陀螺:成本相对前一种光纤陀螺低,精度高(可达 到0. 0035°/h) ,采用特殊消偏技术,数字电路,制作难度大。
单光纤光纤陀螺制作技术
关键技术
包括光纤环和PZT 的缠绕技术、偏振器和耦合器的拉制作技术 、发光模块和光电接收模块的制作技术等。
第3节光纤陀螺的工作原理
开环式I- FOG 直接检测干涉后的Sagnac 相移, 并通过在光纤线圈
的一端放置压电陶瓷环PZT , 作为产生 结构如图4 所示。
相位偏置
2
的调M制器。
图4 开环I- FOG 结构框图 调制之后干涉光强度为:
I I0 1 sin(s )………………（7）
光源SLD 发出的光经光源耦合 器分光后，有一半的光进入偏 振器，并产生单模单偏振态的 光。起偏后的光进入光纤环耦 合器，被分成顺时针方向和逆 时针方向的两束光满足相干条 件，并在光纤环中传播。
s
8A c
N
2 LD …………（5） c
式中: A 为R环2 形光纤回路所围的面积, K为光波波长。通过解 调相位差 ,s就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度 。
第3节光纤陀螺的工作原理
Ccw
c n
R(1
1 n2
)………………（1）
Cccw
c n
R(1
1 n2
)………………（2）
图2 光纤陀螺工作原理图
第3节光纤陀螺的工作原理
由式( 1)-( 2) 计算可得:
t
4 R2
c2
………………（3）
进而可以求得两束光之间的相位差:
s
t
8A c
………………(4)
第3节光纤陀螺的工作原理
第3节光纤陀螺的工作原理
由(6)式和图3可见, 在输入角速度很小的情况下, 光探测器输出信号
的敏感度为零, 而且不能辨别角速度 的方向。为了获得输出信号 最大敏感度, 并能分辨 的极性, 应进行 相位偏置调制, 使陀 螺工作在灵敏度和线性度均最高的区域。 2
偏置调制： 提高信号检测灵敏度
图3 干涉式光纤陀螺的响应
光纤陀螺概述
内容安排
❖光纤陀螺的定义、简介、特点； ❖光纤陀螺的分类； ❖光纤陀螺的工作原理； ❖光纤陀螺的误差分析； ❖光纤陀螺的应用与发展。
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
中文名：光纤陀螺 英文名: Fiber Optic Gyro 定 义：应用激光及光导纤维技术测量物体相对于惯
性空间的角速度或转动角度的无自转质量的新 型光学陀螺仪。
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：
(5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数， 可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；
(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无 需预热；
(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传 感器，尤其是捷联式惯导系统的传感器；
PZT相位调制
பைடு நூலகம்
4种主要的干涉式光纤陀螺结构
(1)开环全保偏光纤陀螺:精度低、成本低,早期采用模拟电路,现 已基本采用数字信号处理,漂移率也提高到1°/h左右。
(2)开环单模消偏光纤陀螺:精度低、低成本,采用消偏器,采用处 理电路基本和上一种相似,性能稍好于前一种。
(3)闭环全保偏光纤陀螺:精度高(可达到10- 4°/h) 、高成本,采用 数字电路,主要应用于空间技术、军事应用和科学研究。
(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻。
第2节纤陀螺的分类
按工作原理：干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，目
前应用最广泛；谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)； 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)
按光学系统的构成：集成光学型和全光纤型光
纤陀螺
按回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺
第3节光纤陀螺的工作原理
光纤陀螺的基本原理是基于Sagnac 效应, 如图1所示,在同一光学回 路中, 沿顺时针方向( CW) 逆时针方向( CCW) 传播的两束光, 当回 路绕垂直于自身的轴转动时将使两束光产生相位差, 该相位差的大 小与光回路的旋转速率成比例。
图1:Sagnac 效应原理图
第3节光纤陀螺的工作原理
光纤陀螺的实现如图2 所示 , 从光源发出的光经分束器后分为两束, 分别沿顺时针方向及逆时针方向进入光纤环传输。在惯性参考系中, 当环形回路以角速度作顺时针旋转时, 由Fizeau 效应有:。
与机电陀螺、激光陀螺相比，具有如下特点：
(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加 速运动的能力；
(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺 仪提高了好几个数量级；
(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的 使用寿命；
(4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字 输出，并与计算机接口联接；
开环式：直接检测干涉后的Sagnac相移 主要用作角速度传感器。 结构简单，价格便宜，但是线性度差， 动态范围小。
闭环式：利用反馈回路由相位调制器引入与Sagnac相移等值反向的非互易相 移。较精密且复杂，主要用于中等精度的惯导系统。
起偏器（Polarizer）的工作原理
起偏器的工作原理：一束各向同性的光(或者部分偏振光)注入 起偏器后，从出端输出的只有沿特定方向偏振的单一线偏振光 。换言之，起偏器实际上可以看作是一个偏振模式的选择器， 即在注入而被激励的两个互为正交的光偏振模式中选择其中之 一导通，而令另一个截止。
干涉型光纤陀螺（I-FOG）在结构上就是如图2 所示的Sagnac 干涉仪,
它将角速度的测量转化为相位差 ，s 再通过相位解调技术，把光相
位的直接测量转化为光强度测量，这样就能比较方便地测量出Sagnac相 位变化。通过检测干涉光强得到光的相位变化信息。光强与相移的关系 是一个隆起的余弦函数:
I I0 1 cos(s )………………（6）
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
简介：
光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器。 陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感 角速率和角偏差的一种传感器。 光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原 理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—— 高速转子，称为固态陀螺仪。
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
(4)闭环单模光纤陀螺:成本相对前一种光纤陀螺低,精度高(可达 到0. 0035°/h) ,采用特殊消偏技术,数字电路,制作难度大。
单光纤光纤陀螺制作技术
关键技术
包括光纤环和PZT 的缠绕技术、偏振器和耦合器的拉制作技术 、发光模块和光电接收模块的制作技术等。
第3节光纤陀螺的工作原理
开环式I- FOG 直接检测干涉后的Sagnac 相移, 并通过在光纤线圈
的一端放置压电陶瓷环PZT , 作为产生 结构如图4 所示。
相位偏置
2
的调M制器。
图4 开环I- FOG 结构框图 调制之后干涉光强度为:
I I0 1 sin(s )………………（7）
光源SLD 发出的光经光源耦合 器分光后，有一半的光进入偏 振器，并产生单模单偏振态的 光。起偏后的光进入光纤环耦 合器，被分成顺时针方向和逆 时针方向的两束光满足相干条 件，并在光纤环中传播。