惯导 激光陀螺误差光纤陀螺.ppt

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1、惯性元件——激光陀螺惯性导航篇转子式陀螺与激光陀螺的比较转子式陀螺工作原理牛顿力学基础上动量矩定理动量矩（角动量）H机械旋转产生的问题：支承导致：成本高激光陀螺工作原理量子力学基础上特点：固体型、不需要活动部件，不存在支承问题光学陀螺概述1激光陀螺：针对捷联惯导需求基本原理：Sagnac效应，工作物质是激光束，全固态陀螺优点结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载大、可靠性高、数字输出发展1960激光器出现1963Sperry制成首台样机1970s中精度突破，达惯性级1980s初开始应用于各个领域早期研制的机构Honeywell：三角谐振

2、腔，机械抖动偏频Litton：四边形谐振腔，机械抖动偏频Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频国内研制、应用状况1970s中后期开始研制，1990前后进入实用1990s中后期应用达到高峰面临问题成本较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求光学陀螺概述2光纤陀螺仪：适应捷联系统需求基本原理：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光导纤维传播。优点：成本低、体积小重量轻。发展：1970s光纤技术发展1976年犹它大学瓦里设想和演示1978麦道研制出第一个实用产品1980s后，Littion，Honeywell，Draper等公司以及英、法、德、日、苏等国也展开了

3、研制。国内1980s初，原理研究、试验（少数大学）1980s末，实质性研制2000s，进入实用阶段精度：国外0.0010/h国内0.010/h萨格奈克(Sagnac)干涉仪——光路Sagnac干涉测量的基础提出：由Sagnac于1913年Sagnac干涉仪光路传播当干涉仪相对惯性空间无转动，则A、B两路光程La=Lb=L当干涉仪以ω相对惯性空间旋转，则会引起两路光程不等。推导光程差分离点的切向线速度v在分束点两侧光路的投影都为光束a逆行一周，回到分束点时多走了一段光程另有Sagnac干涉仪——光程差求解方程组，得到类似，对光束b，可求得两束光回到分束

4、点时光程差因c远大于Lω，上式近似为光程差与输入角速度成正比——该结论对其它形状的环路也成立。迈克尔逊实验：矩形面积A=600×300m2光源波长λ=0.7μm计算得：ΔL=0.175μm，即λ/4干涉条纹只移动了1/4条纹间距如果用来测量0.0150/h的角速度，测量精度无法保证激光陀螺——结构激光陀螺相对干涉仪的改进无源谐振腔→激光谐振腔测量光程差→谐振频率差谐振腔(ResonatingCavity)结构：激光管(光源)+反射镜(光路)激光管=氦氖气体+端面镜片谐振腔结构及原理介质受激→从基态到高能态→粒子数反转分布光通过激活物质→获得增益→环形

5、腔→获得足够大的增益反射膜厚度λ/4→获得所需波长选择环路周长→形成同相驻波端面镜片→获得偏振光设激光环绕一周光程L，是波长λ的整数倍q，即λ=L/q激光频率为Vq，则Vq·λ=c故Vq=c·q/L当谐振腔以ω绕法线旋转Va=c·q/LaVb=c·q/Lb两束激光的频差：激光频差正比于输入角速度干涉条纹以一定的速度移动激光陀螺频差（拍频）产生激光陀螺频差测量例：三角谐振腔边长=111.76mm激光波长λ=0.6328μm用来测地球转动角速度激光陀螺结构工艺激光介质：氦氖气体（频谱纯度高、反向散射小）腔体材料：熔凝石英、陶瓷腔体尺寸：周长200～450

6、mm谐振腔形状：三角、四边（优缺点：K=4A/Lλ）装配组合：分离、整体式整体式激光陀螺介绍谐振腔和光路反射镜（反射膜、凹面、半透）氦氖气体阴阳电极：双阳极控制回路：凹镜、激励电压激光陀螺三轴整体三轴整体式：适应捷联系统，集三个谐振腔于一块材料两种三轴整体式光路方案1.三角形方案（9反射镜）2.四边形方案（6反射镜）优点：体积小重量轻、结构简单、可靠性好（第二代技术）工艺改进对陀螺性能的影响：Cer-vit陶瓷取代石英，提高了稳定性并解决了氦气泄漏采用光胶和接触焊，避免了环氧树脂杂气对介质的污染。新的反射镜涂层工艺，解决了涂层变质问题激光陀螺零偏误差

7、激光陀螺误差源：异于机械式误差分类零偏误差：输入角速度为零时激光陀螺的频差输出（0/h）主要原因：郎缪尔流效应直流放电激活原子→阳极阴极←阳极激活原子综合形成郎缪尔流导致激光在介质中折射率不同，造成附加光程差补偿措施：双阳极方案激光陀螺标度因数与自锁误差标度因数误差激光陀螺频差输出公式K值不稳定，也引起误差K值大小的影响因素：谐振腔周长谐振腔形状激光波长(0.6328/1.15/3.39)K值稳定性控制途径：激光波长谐振腔周长280mm～0.010/h～5×10-6120mm～0.10/h～3×10-4自锁(Lockin)误差自锁区：-ωL～ωL典型

8、值：3600/h激光陀螺自锁原因及对策产生原因：反射镜反向散射顺时光束A的反向散射A’A’和逆时光束B耦合牵