光纤陀螺的应用及其发展前景2014

1、光纤陀螺的简介
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。
光纤陀螺(FOG): 更好地适应 SINS 的需求 原理和特点: Sagnac 效应, 外部激光源, 介质为光纤. 优点: 成本低、体积小、重量轻 发展： 1967 --- 由 Pircher 和 Hepner 首次提出 1970s -- 光纤技术的发展 1976 --- Utah 大学的 Vali 教授第一次演示. 1978 --- McDonnell Douglas 制造出首批产品 自 1980s 后, 美国的 Litton, Honeywell, Draper 和英国, 法国, 德 国, 日本和前苏联也迅速跟进.
1.干涉型光纤陀螺(IFOG)
• 干涉型光纤陀螺是研究开发最 早、技术最为成熟的光纤陀螺， 属第一代光纤陀螺，它是利用 干涉测量技术把相位调制光转 变为振幅调制光，把光相位的 直接测量转化成光强度测量， 这样就能比较简单地测出萨格 纳克相位变化。干涉型光纤陀 螺的光纤元器件一般都用单模 光纤或保偏光纤制作。 • 目前，低、中性能的干涉型光 纤陀螺已经实用化，而高性能 干涉型光纤陀螺正处于研制之 中。
•光纤陀螺应用领域
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战略导弹系统和潜艇导航应用；
卫星定向和跟踪；
天体观测望远镜的稳定和调向； 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；
光学罗盘及高精度寻北系统； 战术武器制导与控制系统；
陆地导航系统(+GPS)；
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、机器 人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。
路的旋转速率成比例。
图1:Sagnac 效应原理图
3、光纤陀螺的分类
• 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)
光学系统的构成 ：集成光学型和全光纤型光纤陀螺
结构：单轴和多轴光纤陀螺
回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺
陀螺的种类
液浮陀螺仪 气浮陀螺仪 机械式陀螺 磁悬浮陀螺仪 静电陀螺仪 动力调谐陀螺仪 微机械陀螺
光学陀螺 激光陀螺仪 光纤陀螺仪
三、光纤陀螺罗经
60年代后，陀螺仪的发展 趋势呈现出两种分支： 追求更高的精度
低成本小型化 (for SINS)
对更高精度的追求 框架支撑系统的改进 – 液浮, 气浮, 磁悬浮 精度优于 10 e-7 deg/h
光纤罗经的特征
无转动部件，采用固态技术，很少维修 利用操作单元菜单操作 精度高，启动时间短 符合IMO要求有转向速率输出 结构紧凑，重量轻，耗能小 可自校基线误差，用串口输出数据 提供航向、纵摇、横摇信息
光纤陀螺采用的是光纤环，具有普通的机械陀螺所不具 有的独特优点：结构简单、耐振动、工作寿命长、响应速度 快、精度高、动态范围大、抗电磁干扰、无加速度引 起的 漂移且重量轻、成本低、可靠性优于机械陀螺等，因光纤陀 螺具有更多的优势。图为各种类型的光纤陀螺。
国内情况 1980s 早期, 原理性研究 (大学中) 1980s 后期, 产品研制 2000s, 行业应用
Precision: 国外: 0.001 0/h 国内: 0.01 0/h
2、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
2、斯伯利型陀螺罗经及主要特点
（1）早期的斯伯利型陀螺罗经均为水银器单转子摆式罗经 （2）近期的斯伯利系列罗经多属液体连接器单转子摆式罗经
• 结构特点：
• 1、灵敏部分为单转子陀螺球，采用 液浮和轴承辅助支撑。 • 2、利用液体连通器产生水平控制力 矩；陀螺房西侧阻尼重物产生垂直 轴阻尼力矩。 • 3、采用静止逆变器提供陀螺三相电， 内补尝法消除速、纬误差。 • 4、罗经小型化，可实现快速转动
组员 ： 王湛 杨军 郑浩 潘明明 黄宇航
教学目的
一、了解陀螺罗经发明的重要意义； 二、了解陀螺的起源、发展、种类； 三、了解传统机械陀螺罗经的不足； 四、了解和掌握光纤陀螺工作原理及优缺点； 五、了解光纤陀螺在实际中的应用； 六、了解光纤陀螺罗经在现代高科技领域中的重要意义；
重点：
一、安许茨型陀螺罗经、斯伯利型陀螺罗经、 阿玛一勃朗陀螺罗经及光纤陀螺罗经四种不同陀 螺罗经的发展及应用的介绍， 二、三种传统陀螺罗经的优缺点进行比较及对 光纤陀螺罗经的发展趋势， 三、讨论光纤陀螺罗经的应用及其不足。
3. 布里渊型光纤陀螺(BFOG)
• 布里渊型光纤陀螺是第三代 光纤陀螺，又称光纤环形激光陀 螺，或受激布里渊散射光纤环形 激光陀螺。 • 采用有源谐振腔的布里渊光 纤陀螺是利用高功率光在光纤中 激发布里渊散射光的光纤陀螺仪。 当光纤环中传输的光强达到一定 程度时就会产生布里渊散射，散 射光的频率由于受萨格奈克效应 的影响，顺、逆时针的两束布里 渊散射光的频差与旋转角速度成 正比。检测顺逆时针方向光波产 生的散射光的频率，并进行拍频 处理，就可以得到光纤环的旋转 角速度。
1、安许茨型陀螺罗经及主要特点
（1） 灵敏部分为双转子陀螺球，动量矩指北； （2） 陀螺球由支承液体支承，电磁上托线圈定位； （3） 陀螺球重心下移产生重力控制力矩； （4） 液体阻尼器在陀螺球水平轴产生 阻尼力矩，属于水平轴阻尼方式， 不产生纬度误差； （5） 主要误差为速度误差，采用查表计算法消除； （6） 不能进行快速启动，启动时，稳定指北的时间约为4h。
光纤陀螺应用级别划分
级别 速率级 战术级 惯性级
零偏稳定性(度/小时) 10~1000 0.1~10 0.01
标度因数稳定性 0.1~1% 10~1000 ppm <5 ppm
战略级
0.001
<1 ppm
光纤陀螺应用级别划分 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、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、生产的这种 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，主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机 的姿态对准参考系统中。 惯性级、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，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，如 Honeywell、Northrop等公司。
5、影响光纤陀螺误差的因素
(1)温度瞬态的影响。
(2)振动的影响。 (3)偏振的影响。
6、光纤陀螺的发展
(1)高精度。 (2)高稳定性和抗干扰性。 (3)产品多元化。
(4)生产规模化。
五、结论
通过对这三种传统陀螺罗经及光纤罗经比较和研 究，可以得出以下结论： 传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械 式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精 度受到了很多方面的制约。 光纤陀螺仪是新一代惯性陀螺仪,它可以保障未来现 代技术的发展和国防以及民用领域采用新的技术措施。 它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一 种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和 其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。
一、陀螺罗经与磁罗经优缺点的比较 指向精度高; 多个复示器; 有利于船舶自动化 ; 不受磁干扰影响，指向误差小; 安装位置不受限制等。 必须有电源才能工作（可靠性较差）; • 主要缺点： 工作原理、结构复杂。
• 主要优点
二、传统陀螺罗经的分类 1、安许茨型陀螺罗经 2、斯伯利型陀螺罗经 3、阿玛一勃朗陀螺罗经
机械陀螺罗经的特点
• 1、均需要液体或轴承进行支撑 • 2、均需要控制力矩，阻尼重物等，保持指北稳定， 结构较为笨重。 • 3、安许茨型主要误差为速度误差，采用查表计算法消除。
• 斯伯利型采用静止逆变器提供陀螺三相电内补偿法消除速、 纬误差。 • 阿玛一勃朗型外补偿法、内补偿法、查表计算法消除纬度 误差，速度误差。 • 4、正常启动仪器会花费很长时间。
4、光纤陀螺的应用
光纤陀螺的应用领域在立足陆用的同时, 向航空、航海和航天 领域发展, 如布撒器、制导导弹、舰载火炮以及潜艇、卫星等。将 来光纤陀螺必将在更为广泛的领域发挥重要的作用。
光纤陀螺代表着未来惯性器件的发展方向, 世界各国都在不断加 大对光纤陀螺的研究, 我国也已将其列为惯性技术领域重点发展的 技术之一。随着光纤制造技术和集成光路技术的不断发展, 光纤陀 螺产品将向着多元化、小型化、实用化方向发展, 并会在国防军事、 科学研究、以及人们的生产生活等方面拥有越来越广阔的应用前景。
目录
陀螺罗经与磁罗经优缺点的比较
传统陀螺罗经的分类及主要特点
光纤陀螺罗经
结论
长期以来，磁罗经作为测定船舶方位用的的指 向仪器，在各类船舶上得到广泛应用。然而随着 航海事业和造船技术的发展，钢船代替了木船， 特别是大中型船舶和潜水艇的出现，使船磁对罗 经指北影响剧增，另一方面随着人类对极地的探 索，在地球磁场影响巨大的两极地区，磁罗经完 全失效，其可靠性和精确度远不能满足要求，这 就促使人们寻求新的指向仪器，不久陀螺罗经问 世了。
2. 谐振型光纤陀螺(RFOG)
• 谐振型光纤陀螺是第二代 光纤陀螺，它是通过检测旋转 非互易性造成的顺、逆时针两 行波的频率差来测量角速率。 采用无源谐振腔的R—FOG的 基本结构是由光纤构成一个谐 振腔，其谐振频率随萨格纳克 效应的大小而改变，由此测量 旋转角速度。 • 谐振型光纤陀螺的研究较 晚，主要用来解决光源的波长 稳定性，对光源的要求十分苛 刻，在技术上还不太成熟，但 是很多研究人员认为它能提供 最大潜在的精度。一勃朗陀螺罗经及主要特点
1.一般电控呈双态，故称为双态罗经
（1）.恒向恒速航行时，工作于陀螺罗经状态； （2）.快速起动，机动航行，在高纬度航行时，工作于方位陀螺仪状态。 2.采用自动启动方式，罗经从启动到稳定，只需一次操作主罗经上的电源开关。（启动使 用方便，接通电源就可用）。
3采用新型电路 （1）摆信号控制电路 （2）压降保护电路：随动系统根据陀螺马达的转速自动投入和切断。