光纤陀螺

Sagnac效应 2 Sagnac效应
传输相位差
4π RL ∆Φ S = Ω λ0 c
如何检测相位差？利用光的干 如何检测相位差？ 振动频率相同、 涉：振动频率相同、方向相 同、相位差恒定
I = I 0 (1 + cos ∆Φ s )
通过检测光强来检测相位差， 通过检测光强来检测相位差， 进而检测转动角速率。 进而检测转动角速率。 问题： 问题：旋转角速率产生的光程 差太小，很难被检测。 差太小，很难被检测。
4 光纤陀螺研制及应用状况
•光纤陀螺应用级别划分 光纤陀螺应用级别划分 光纤陀螺
级别
速率级 战术级 惯性级 战略级
零偏稳定性(度/ 标度因数稳 小时) 定性
10~1000 0.1~10 0.01 0.001 0.1~1% 10~1000 ppm <5 ppm <1 ppm
4 光纤陀螺研制及应用状况
t CCW = t CW =
L 2πR = c c
如(b)所示，旋转条件下， (b)所示，旋转条件下， 所示
t CCW =
2πR c − ΩR
t CW
2πR = c + ΩR
理想环形光路系统中的Sagnac Sagnac效应 图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应 (a)系统静止 (b)系统旋转 系统静止； (a)系统静止；(b)系统旋转
图3 数字闭环I-FOG结构示意图
π
干涉光强信号
调制电压信号
3 光纤陀螺基本原理及特点
•光纤陀螺实物图 光纤陀螺实物图 光纤陀螺
3 光纤陀螺基本原理及特点
•光纤陀螺实物图 光纤陀螺实物图 光纤陀螺
3 光纤陀螺基本原理及特点
•光纤陀螺优点 光纤陀螺优点 光纤陀螺
与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件， 与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固态 仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大， 仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大，精度应用覆盖 面广，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵活， 面广，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵活，生产工艺简 应用范围广。 单，应用范围广。 与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁” 与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁” 用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必非常严格的气体密封， 用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必非常严格的气体密封， 装配工艺简便，功耗低，可靠性高。 装配工艺简便，功耗低，可靠性高。 总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低， 总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低，潜在精度最高的新 型全固态惯性器件。 型全固态惯性器件。
光纤陀螺基本原理
哈尔滨工程大学 张勇刚
1 光纤陀螺的发展 2 光学基础知识 3 Sagnac效应 Sagnac效应 光纤陀螺（FOG） 4 光纤陀螺（FOG）原理 5 光纤陀螺指标
1 光纤陀螺的发展与动态
四个里程碑： 四个里程碑： 1913年法国物理学家Sagnac在物理实验中发现了旋转 年法国物理学家Sagnac 一、 1913年法国物理学家Sagnac在物理实验中发现了旋转 角速率对光的干涉现象的影响，这就启发人们， 角速率对光的干涉现象的影响，这就启发人们，利用光的干涉 现象来测量旋转角速率。 现象来测量旋转角速率。 二、1960年，美国科学家梅曼发明了激光器，产生了单色 1960年 美国科学家梅曼发明了激光器， 相干光，解决了光源的问题。 相干光，解决了光源的问题。 1966年 三、 1966年，英籍华人科学家高锟提出了只要解决玻璃纯 度和成分，就能获得光传输损耗极低的玻璃光纤的学说。 度和成分，就能获得光传输损耗极低的玻璃光纤的学说。 四、1976年，美国犹他大学两位教授利用Sagnac效应研制 1976年 美国犹他大学两位教授利用Sagnac效应研制 Sagnac 出世界上第一个光纤陀螺原理样机。 出世界上第一个光纤陀螺原理样机。
4 光纤陀螺研制及应用状况
•国外光纤陀螺发展及应用 国外光纤陀螺发展及应用 国外光纤陀螺
国外中低精度的光纤陀螺已经产品化， 国外中低精度的光纤陀螺已经产品化，被广泛用于航 航天、航海、武器系统和其它工业领域中。 空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。世界上研 制光纤陀螺的单位已有40多家， 40多家 制光纤陀螺的单位已有40多家，包括美国霍尼韦尔 (Honeywell)、利顿(Litton) 史密斯(Smith) (Litton)、 (Smith)、 (Honeywell)、利顿(Litton)、史密斯(Smith)、诺思若 (Northrops)、联信(AliedSignal) (AliedSignal)等 普(Northrops)、联信(AliedSignal)等，日本日本航空 电子工业有限公司(JAE) 日本三菱(Mitsubishi)公司， (JAE)， (Mitsubishi)公司 电子工业有限公司(JAE)，日本三菱(Mitsubishi)公司， 日立公司，德国利铁夫(LITEF)公司， (LITEF)公司 日立公司，德国利铁夫(LITEF)公司，法国法国光子 IXSEA）公司世界著名的惯导公司， （IXSEA）公司世界著名的惯导公司，精度范围覆盖了从 战术级到惯性级、战略(精密)级的各种应用。 战术级到惯性级、战略(精密)级的各种应用。
Sagnac效应 2 Sagnac效应
传输时间差
∆t = tCCW − tCW
传输光程差
4πΩR 2 = c2
4πR 2 Ω ∆L = ∆t ⋅ c = cλ0 c
理想环形光路系统中的Sagnac Sagnac效应 图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应 (a)系统静止 (b)系统旋转 系统静止； (a)系统静止；(b)系统旋转
1 光纤陀螺的发展与动态
二十多年来， 二十多年来，世界各发达国家的许多科研机构和著名大学 都投入了很多的经费来研究光纤陀螺。 都投入了很多的经费来研究光纤陀螺。随着光纤陀螺主要光 器件（保偏光纤， 型电—光调制波导 光源等） 光调制波导， 器件（保偏光纤，Y型电 光调制波导，光源等）技术及半导 体工业的飞速发展，光纤陀螺的发展已经有了突破性进展, 体工业的飞速发展，光纤陀螺的发展已经有了突破性进展, ， 高精度光纤陀螺已达到低于0.0001 /h的精度 的精度， 高精度光纤陀螺已达到低于0.0001o/h的精度，有取代传统的 机械陀螺仪的趋势。 机械陀螺仪的趋势。 光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态， 光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没 有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动， 有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动， 结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比， 结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺 仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。 仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。
理想环形光路系统中的Sagnac Sagnac效应 图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应 (a)系统静止；(b)系统旋转 (a)系统静止；(b)系统旋转 系统静止
Sagnac效应 2 Sagnac效应
如(a)所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等，为 (a)所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等， 所示
理想环形光路系统中的Sagnac Sagnac效应 图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应 (a)系统静止 (b)系统旋转 系统静止； (a)系统静止；(b)系统旋转
3 光纤陀螺基本原理及特点
•光纤陀螺实现原理 光纤陀螺实现原理 光纤陀螺本质上 就是一个环形干涉仪， 就是一个环形干涉仪， 通过采用多匝光纤线 圈来增强相对惯性空 间的旋转引起的 Sagnac效应 效应。 Sagnac效应。其实现 如图2所示。 如图2所示。
Sagnac效应 2 Sagnac效应
理想条件下， 理想条件下，环形光路 系统中的Sagnac效应如图1 Sagnac效应如图 系统中的Sagnac效应如图1所 一束光经分束器M 示。一束光经分束器M进入同 一光学回路中， 一光学回路中，分成完全相 同的两束光C 同的两束光CCW和CCCW，分别沿 顺时针方向(CW) (CW)和逆时针方 顺时针方向(CW)和逆时针方 (CCW)相向传播 相向传播， 向(CCW)相向传播，当回路绕 垂直于自身的轴转动时， 垂直于自身的轴转动时，将 使两束光产生相位差， 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。 速率成比例。
π
2
)]
干涉光强信号
图3 数字闭环I-FOG结构示意图
调制电压信号
3 光纤陀螺基本原理及特点
•光纤陀螺结构及工作原理 光纤陀螺结构及工作原理 光纤陀螺结构及工作
主要信号处理技术： 主要信号处理技术： B 闭环控制： 闭环控制： 降低光电检测器工作 范围，提高检测精度 范围，
I = I0[1+ cos( s + Φf ± )] ∆Φ 2 = I0
4πRLN ∆Φ S = Ω λ0c
图2 光纤陀螺实现原理图
3 光纤陀螺基本原理及特点
•光纤陀螺结构及工作原理 光纤陀螺结构及工作原理 光纤陀螺结构及工作
主要信号处理技术： 主要信号处理技术： A 偏置调制： 偏置调制： 提高信号检测灵敏度
I = I 0 [1 + cos( ∆Φ s ± = I 0 [1 ± sin ∆Φ s ] 相邻时间内光强差 ∆I = 2 I 0 sin ∆Φ s ≈ 2 I 0 ∆Φ s
•光纤陀螺应用级别划分 光纤陀螺应用级别划分 光纤陀螺 速率级光纤陀螺已经产业化，主要应用于机器人、 速率级光纤陀螺已经产业化，主要应用于机器人、 地下建造隧道、 地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度 要求不高的场合。日本、法国等国家研制、 要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种 精度的陀螺仪，已大批量应用到民用领域。 精度的陀螺仪，已大批量应用到民用领域。战术级光纤 陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点， 陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点，主要用于 战术导弹、近程/ 战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考 系统中。惯性级、 系统中。惯性级、战略级光纤陀螺主要是用于空间定位 和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟， 和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关 公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者， 公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者， Honeywell、Northrop等公司 等公司。 如Honeywell、Northrop等公司。
1 光纤陀螺的发展与动态
目前，光纤陀螺已经发展成为惯性技术领域具有划时代特征 的新型主流仪表，其原理、工艺及其关键技术与传统的机电式 仪表有很大的差别，我国已经将光纤陀螺列为惯性技术领域重 点发展的关键技术之一。
Sagnac效应 2 Sagnac效应
1913年 萨格奈克（Sagnac） 1913年，萨格奈克（Sagnac）论证了运用无运 动部件的光学系统同样能够检测相对惯性空间的旋 他采用了一个环形干涉仪， 转。他采用了一个环形干涉仪，并证实在两个反向 传播光路中，旋转产生一个相位差。 传播光路中，旋转产生一个相位差。
4 光纤陀螺研制及应用状况
•光纤陀螺应用领域 光纤陀螺应用领域 光纤陀螺
战略导弹系统和潜艇导航应用； 战略导弹系统和潜艇导航应用； 卫星定向和跟踪； 卫星定向和跟踪； 天体观测望远镜的稳定和调向； 天体观测望远镜的稳定和调向； 各种运载火箭应用； 各种运载火箭应用； 舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航； 舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航； 光学罗盘及高精度寻北系统； 光学罗盘及高精度寻北系统； 战术武器制导与控制系统； 战术武器制导与控制系统； 陆地导航系统(+GPS)； 陆地导航系统(+GPS)； (+GPS) 姿态／航向基准系统； 姿态／航向基准系统； 汽车导航仪、天线／摄像机的稳定、石油钻井定向、 汽车导航仪、天线／摄像机的稳定、石油钻井定向、机器 人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。 人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。