光纤陀螺Word文件下载.docx

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美国KVH工业公司的DSP光纤陀螺系列是将KVH公司独家拥有的保偏光纤和光纤元件与集成数字信号处理结合起来，克服了模拟信号处理的限制，本质上消除了温度敏感漂移和旋转误差。

KVH公司的DSP光纤陀螺系列，如DSP-3000、DSP-4000和DSP-5000适合用于精度水平较高的军事应用和商业应用。

法国IXSEA公司主要从事光纤陀螺技术的研发，其中大突破是提出“全数字信号处理”的概念，即将数字解调与数字相位斜波结合起来。

20世纪90年代中期，军用导航级光纤陀螺（0.01/h）投入生产。

目前，IXSEA公司已研发出的ASTRIX200系列光纤陀螺测量单元中光纤陀螺精度为0.001/h。

除此之外，国外还有很多从事光纤陀螺及其系统产品的研制的单位。

俄罗斯光联公司（Optolink）的光纤陀螺产品已应用于欧洲、亚洲等地的航天、航空、船舶、兵器、电子、铁路、通信等领域；

日本航空电子工业有限公司（JAE）已经完成消偏闭环IFOG的设计与开发工作，已经研制出零偏稳定性为0.02/h、标度因数稳定性为15ppm的惯性级光纤陀螺；

日本日立公司的光纤陀螺商业应用包括了从地下到地面、从车载到机载的系统，其高灵敏度光

纤陀螺的寻北和跟踪精度均小于0.05°

。

1.1.2国内光纤陀螺的研究现状

由于国外对光纤陀螺的技术封锁，国内光纤陀螺的研究起步较晚，集成光学技术和保偏光纤技术相对落后。

直到1987年光纤陀螺技术才被列入重点研究计划之列，目前我国光纤陀螺技术的研究取得了较大进步[4-6]。

北京航空航天大学研制的保偏干涉型光纤陀螺测试精度优于1.0/h，消偏光纤陀螺检测精度约2.0/h，可望走向实用化[7]。

尽管其精度较高，并且接近于工程应用，但是抗振性能较差，若在抗振性能方面加大研究力度，将来取得较好的使用效果和可靠性数据，可采用国内研制的光纤陀螺代替国外产品。

清华大学开展了光波导陀螺的研究，把光纤敏感线圈改为光纤敏感环，使双向光束在敏感环中循环传播数次，这样光纤的长度可减少，从而使导航级光纤陀螺的光纤长度由500～l000m减小到200m以下。

这一改进可减小光纤敏感线圈在结构和绕制等方面的难度，也可减小绕制给振动特性带来的影响。

这种光纤陀螺被称为循环干涉型光纤陀螺。

1996年，航天工业总公司13所成功研制出采用Y分支多功能集成光路、零偏稳定性达0.4/h的全数字闭环保偏光纤陀螺。

浙江大学和Honeywell公司几乎同时发现利用消偏可提高精度[8]。

哈尔滨工程大学长期从事舰船惯性技术和组合导航领域的研究工作，进行“高精度全数字闭环光纤陀螺仪”项目的自行研制已经有10余年，目前已经研制出高等精度的光纤陀螺及其航姿参考系统，该陀螺采用进口的保偏光纤，结构轻巧，是一种单自由度角速率传感器。

实际的光纤陀螺捷联惯导系统由3只加速度计、3只光纤陀螺以及以DSP、FPGA为核心的硬件电路组成。

1.2光纤陀螺的工作原理

1.2.1光纤陀螺的分类

光纤陀螺按其光学工作原理可分为三类：

1.干涉式光纤陀螺（IFOG）

2.谐振式光纤陀螺（RFOG）

3.受激布里渊散射式光纤陀螺（BFOG）

其中干涉式光纤陀螺技术已经完全成熟并产业化，而谐振式陀螺和受激式布里渊散射式光纤陀螺还处在基础研究阶段，尚有许多问题需要进一步探索。

所以这里主要探讨干涉式光纤陀螺的误差分析。

1.2.2萨格奈克效应

光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，它实际上是一个基于萨格奈克效应的环形干涉仪。

萨格奈克效应是法国学者萨格奈克（G.Sagnac）提出的光学效应。

在一个任意几何形状的闭合光学环路中，从任意一点发出、沿相反方向传播的两束光波，绕行一周返回到该点时，如果闭合光路相对惯性空间沿某一方向转动，则两束光波的相位将发生变化，这种现象成为萨格奈克效应。

（0805）本质上，萨格奈克效应揭示了同一光路中沿相反方向传播的两束光之间产生的光程差与其所绕轴的旋转角速率之间的关系。

萨格奈克效应如图X所示：

从光源发出的光被分成强度相等的两束光后由M点进入光形环路，其中一束沿顺时针方向传播，另一束沿逆时针方向传播。

这两束光绕行一周后，又在M处会合。

假定环形光路中介质的折射率为1，环路相对惯性空间无旋转时，两束沿相反方向传输的光在绕行一周后所经历的光程相等，都等于环形光路的周长，即：

（X-X）

这里，为沿顺时针方向光束所经历的光程，为沿逆时针方向光束所经历的光程。

这两束光绕行一周所花时间也相等，都等于光程除以真空中的光束，即：

当环形光路以角速度绕垂直轴沿顺时针方向旋转时，这两束光绕行一周重新回到M点处所走的光程就不再相等了，同时它们所花的时间也不再相等。

沿顺时针方向传输的光绕行一周后到达（点旋转后的位置点）点多走了一段距离，其实际光程为：

绕行一周的时间为：

求解得：

沿逆时针方向传输的光绕行一周后到达点少走了的一段距离，其实际光程为：

求解得：

两束沿相反方向传输光绕行一周后到达点的时间差为：

实际上，通常情况下,所以公式（上）在工程要求的精度内可近似为：

两束光绕行一周后到达M点的光程差为：

这表明两束光的光程差与输入角速度成正比。

下面讨论光在折射率为的光路中的传播。

当环形光路静止时，两束光在光路中的传播速度均为/，当有角速度（设为顺时针方向）输入时，两束光的传输速度不再相等。

根据洛伦兹—爱因斯坦速度变换式，可得沿顺、逆时针传输的两束光的速度分别是：

在此情况下，两束沿相反方向传输的光束绕行光纤环一周的时间分别满足下列关系：

推导得：

由此可以看出，在介质中沿相反方向传输的两束光绕光纤环一周的时间差与在真空中的情况完全相同。

他们产生的光程差可推导如下：

式中为光在介质环路中的传播速度。

若光纤环的长度为，绕成半径为的圆环，则有,，的值为：

两束光之间由光程差所产生的相位差为：

这里，为波矢量。

公式（上式）是以单匝光纤环为例推导出得结果，而实际上光纤陀螺一般采用的是多匝光纤环（设为匝）的光纤线圈，则其相位差为：

这里，为光纤线圈的总长度，为光纤线圈环的直径。

可以看出，萨格奈克效应产生的相位差与旋转角速度成正比，其比例因子（及标度因子）为。

干涉式光纤陀螺的核心部分是双光束干涉仪，它是利用光电探测器检测两束光的干涉光强，光强大小可以表示为：

式中是探测器的检测光强，是光源发射出光束的光强。

公式（上式）中存在一个以零位为中心的rad的单调相位测量区域，相应的旋转速率也有一个的单值工作范围（图）

由图可以看出：

（1）输出光强不能反映转动的方向性，不论转动角速度是正还是负，探测器都有相同的输出；

（2）大多数的应用场合，萨格奈克相移很小。

在处，系统的灵敏度，也就是说在零点处。

系统的灵敏度很小；

（3）由于光功率很小，导致输出信号微弱。

以上来自（光纤陀螺建模及误差特性研究）遨游收藏

1.3互异性原理

互异性要求萨格奈克光纤干涉仪的两束反向传播光波应具有形同的传输特性，这样各种因素引起的两束光波的附加相移是相同的。

当两束光波发生干涉时，互异性结构具有很好的“共模抑制”作用，可以消除各种寄生效应，从而能够非常灵敏的测量旋转引起的“非互易”相移。

（光纤陀螺原理与技术张贵才P37）

1.3.1分束器的互异性

在IFOG系统中，除了光波传播的互异性，还存在着另一种互易效应，即分束器的互易效应。

以一个简单的环形干涉仪为例（下图），两束逆向传播的光由于传播的路径相同并同时反射和穿透，因而在通过公共输入输出端口时具有完全对应的相位。

假设分光比为50:

50（或3dB），输入光波的光强为，则返回光波的光强为。

忽略非互易效应，两束光在干涉时的相位相等（即相位差为零），这样经历完全干涉后的光波光强与输入光相同，即：

（干涉型陀螺建模及罗经技术研究遨游收藏）

1.4误差分析

惯性仪表误差是影响系统精度的主要误差源，必须采用适当的数值计算方法进行补偿。

要实现惯性仪表的误差补偿，必须建立仪表的数学模型。

惯性仪表的数学模型就是在特定的条件下惯性仪表的输出和输入之间的数学关系。

数学模型的研究是发展误差补偿技术的依据。

精确的数学模型是实现精确的误差补偿的前提。

惯性仪表的数学模型有很多种，如在飞行器的线运动下的惯性仪表的数学模型通常称作静态模型，因为这种模型可以做在静基座上反映出来。

在飞行器角运动环境下仪表输出输入的数学关系称作动态模型。

考虑仪表各种随机干扰作用下的仪表数学模型则称作随机模型。

建立惯性仪表数学模型的方法有两种，一种是解析法，根据仪表的工作原理和结构，用分析的方法推导出惯性仪表的输出和输入的关系。

用这种方法得到的数学模型物理概念清晰，所有系数都用仪表结构系数来表示的，有明确的物理意义。

但是，在推导数学模型时，不可避免的要作某些假设条件，因而这种模型存在一定的近似性；

另一种实验法，这是工程实践中的常用方法。

设计一种实验方案能够激励全部误差，然后通过大量实验取得数据，经过数据处理确定各项误差系数。

（光纤陀螺捷联惯导系统中误差分析与补偿遨游收藏）

表征光纤陀螺的主要性能指标有标度因数、零偏、零漂、随机游走系数，其中后三项用于描述光学陀螺输出中的漂移误差。

标度因数：

陀螺仪输出量与输入角速度的比值。

零偏：

当输入角速度为零时陀螺仪的输出。

零漂：

又称零偏稳定性。

通常，静态情况下光学陀螺长时间稳态输出是一个平稳随机过程，即稳态输出将围绕零偏起伏和波动，表示这种起伏和波动的标准差被定义为零漂。

零漂值的大小标志着观测值围绕零偏的离散程度。

随机游走系数：

由白噪声产生的随时间积累的输出误差系数，它反映了光学陀螺输出随机噪声的强度。

由于零偏和标度因数受环境温度影响很大，因此在测试这两项指标时需要考虑温度因素。

标度因数和零偏可以标定和测试，随机误差的分析可采用All