现代光纤陀螺仪设计和原理

《现代光纤陀螺仪设计和原理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、现代光纤陀螺仪的设计和原理现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，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。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。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年Vali等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等

2、等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。在这篇文章中，我们主要介绍现代光纤陀螺仪的原理和设计。现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就

3、是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在光纤陀

4、螺仪已经达到0.01度/hr。为了了解光纤干涉陀螺仪的基本结构，首先要了解光纤耦合器。光纤耦合器是一种光纤式的光能的分配元件。它是由两根平行的光纤将它们的内侧面磨平贴合在一起所形成的。不过现在制造光纤耦合器的方法已经不是这样的了。现代的方法是利用一种对光纤具有腐蚀作用的酸，在容器中将酸液的平面升高，在这个高度上正好可以将两根光纤的外层全部腐蚀掉。然后将这两根经过腐蚀的光纤加压贴紧，在相对较高的温度下对光纤进行拉伸。在拉伸的同时，利用仪器来测量输出的光能的分配情况，当光能分配满足耦合器的设计要求时，保持和固定耦合器的这一状况，这样一个合格的光纤耦合器就制成了。通过这种结构，当在一根光纤中

5、一个入口有光通过时，它会经过耦合器的分配，将光在两根光纤出口中同时输出，同时两根光纤出口中的能量分配具有恒定的比例。和光线在介质表面的反射和透射一样，这样在输出的光中，在同一根光纤出口中的光是经过连接面的反射来实现的，而在另一根光纤出口中的光是经过连接面的折射来实现的，这两个光纤出口的光之间具有９０度的相位差。如果我们用数字来表示光纤的进出口，１和２表示是进口，３和４表示是出口，其中１和３是同一根光纤，而２和４是同一根光纤，这将对后面的讨论比较方便一些。关于光纤耦合器两个输出的光之间的相位差的问题可以很简单地用一个闭合的环形干涉仪来说明：假设一束光射到一个５０％比５０％的分光片上，它的

6、透射光经过三个反射镜回到分光片后，经过反射到达光源所在的方向；而从分光片反射的光，经过相同的三个反射镜后，回到分光片，经过透射同样到达光源所在的方向。这两束光的强度均应该是入射光强度的１／４，因为光学的可逆性的原理，它们相干以后的光强应该等于入射光的强度。从这里看，它们之间的相位差应该等于零。如果考察与入射方向成直角的另一个出口的情况，根据光学的可逆性，在这个出口上，光的总能量应该等于零。也就是说，在这个出口上，两束光之间的相位差为１８０度。这两束光一束是经过两次分光片的反射，另一束是经过分光片的两次透射。所以如果仅仅考察一次反射和一次透射的两束光，它们的相位差一定是９０度。和光纤耦合

7、器具有相同作用的是光学的Ｙ形波导管，这也是一种光能分配的元件。不过它的体积更小，更具有集成性。它是这样制成的：首先在铌酸锂的晶块上利用照相制版使钛金属在晶体的表面上画出一个Ｙ形状的线条，然后利用高温使钛分子渗入铌酸锂的晶粒中，从而形成一个折射率高的Ｙ形状的光学波导管。和光纤耦合器不同，光学波导管只有一个入口，从中输出的两束光和光纤耦合器也不同，一般具有相同的相位。但是光学波导管和光纤的连接是一个很难解决的实际问题，光学波导管的截面和光纤截面的形