光纤陀螺概述

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1、光纤陀螺概述光纤陀螺的定义、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。内容安排中文名：光纤陀螺英文名:FiberOpticGyro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

2、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；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

3、，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；(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻。第1节光纤陀螺的定义、简介、特点按工作原理：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2节纤陀螺的分类光纤陀螺的基本原理是

4、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。第3节光纤陀螺的工作原理图1:Sagnac效应原理图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:。第3节光纤陀螺的工作原理图2光纤陀螺工作原理图由式(1)-(2)计算可得:第3节光纤陀螺的

5、工作原理进而可以求得两束光之间的相位差: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:第3节光纤陀螺的工作原理式中:为环形光纤回路所围的面积,K为光波波长。通过解调相位差,就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度。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，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

6、相移的关系是一个隆起的余弦函数:第3节光纤陀螺的工作原理第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。图3干涉式光纤陀螺的响应偏置调制：提高信号检测灵敏度第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,作为产生相位偏置的调制器。结构如图

7、4所示。图4开环I-FOG结构框图调制之后干涉光强度为: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。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。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。起偏器的工作原理：一束各向同性的光(或者部分偏振光)注

8、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。起偏器（Polarizer）的工作原理PZT相位调制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)