低成本光线陀螺(FOG)的研究课件

低成本光纤陀螺(FOG)的研究

FOG—FiberOpticalGyroscope

报告人：付永强

低成本光纤陀螺(FOG)的研究FOG—Fiber11.FOG的概述2.FOG的应用领域3.FOG的研究方向4.研究低成本FOG的主要方案1.FOG的概述2

１.FOG的概述１.１光纤陀螺的发展历程1976年美国犹他大学的Vali等人成功地制作了第一个光纤陀螺(FOG)。如今，FOG发展相当迅速。灵敏度也比原来提高了4个数量级，并且角速度的测量精度已从最初的15°／h提高到了现在小于0．001°／h的量级。１.FOG的概述１.１光纤陀螺的发展历程31.2光纤陀螺的优点与传统机电陀螺相比1）无运动部件和磨损部件。2）成本低，寿命长，体积小，质量轻。3）动态范围大，精度应用覆盖面广。4）结构设计灵活，生产工艺简单。1.2光纤陀螺的优点与传统机电陀螺相比4与激光陀螺相比1）无需几千伏的点火电压。2）无克服“自锁”用的机械抖动装置。3）无超高精度的光学加工。4）装配工艺简便，功耗低，可靠性高。与激光陀螺相比51.3光纤陀螺的分类1)按工作原理(干涉、谐振、布里渊)2)按结构（单轴、多轴）3)按回路类型（开环、闭环）1.3光纤陀螺的分类1)按工作原理(干涉、谐振、布里渊)6

1.4光纤陀螺的基本原理光源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。当光纤环绕其中心轴发生转动后，产生了Sagnac效应，从而使在光纤环耦合器处的干涉光强发生的变化。由光电探测器检测出变化的光强，经处理后便得到转动角速度。

1.4光纤陀螺的基本原理光源发出的光经光源耦合器分光后，7低成本光线陀螺(FOG)的研究课件8顺时针光程:逆时针光程:λ为激光波长，λn为激光在介质中的波长，v为激光在介质中的速度,N为线圈匝数顺时针光程:逆时针光程:λ为激光波长，λn为激光在介质中的波91.5光纤陀螺的结构型式１）全光纤陀螺２）集成光器件陀螺３）ＥＤＦＡ光纤陀螺1.5光纤陀螺的结构型式１）全光纤陀螺10１）全光纤陀螺全光纤光纤陀螺是从光源到光接收器的全部光路均由光纤构成的光纤陀螺，这种陀螺的成本较低，但实现高精度的技术难度较大，因此大多用于精度要求不高和低成本场合。１）全光纤陀螺全光纤光纤陀螺是从光源到光接收器的全部光路均由11

２）集成光器件陀螺

光纤陀螺中使用的多功能集成光器件的主要功能包含偏振、相位调制和光分路。替代用于全光纤陀螺中的偏振器、相位调制器和耦合器。

２）集成光器件陀螺

光纤陀螺中使用的多功能集成12３）ＥＤＦＡ光纤陀螺用泵浦光源激励掺饵光纤并使其工作在自发辐射状态，此时掺饵光纤的输出是波长与光功率稳定的宽带光源，这种光源的出纤光功率大，使增加光纤环圈中的光纤长度成为可能，从而实现光纤陀螺的高灵敏度。此外，光纤光源的波长稳定，改善了光纤陀螺由波长漂移所造成的不稳定性。３）ＥＤＦＡ光纤陀螺用泵浦光源激励掺饵光纤并使其工作在自发辐132.FOG的应用领域2.1高精度光纤陀螺

这一精度的光纤陀螺为惯性级,主要用于舰船、飞机的导航与定位定向；国防领域中远程导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统等。2.FOG的应用领域2.1高精度光纤陀螺这一14

2.2中低精度光纤陀螺

目前采用中/低精度光纤陀螺的项目包括：工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制、中短程导弹制导等等。还有，汽车行驶中的定位和导向；消除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，也要借助于陀螺仪。2.2中低精度光纤陀螺目前采用中/低15

3.光纤陀螺的研究方向1)高精度2)低成本3.光纤陀螺的研究方向1)高精度16高精度方向，侧重于提高分辨率和长时间的稳定性。例如为了控制光纤陀螺中由于偏振不稳定所造成的漂移，往往使用保偏光纤及保偏器件。主要用于飞机导航、卫星姿态控制、远程导弹制导等方面。高精度方向，侧重于提高分辨率和长时间的稳定性。例如为了控制17低成本方向，侧重于短时间运行和中低精度的分辨率。例如，为了火箭制导，分辨率1̊/h左右已经足够用了。这些领域比高精度领域的市场更为广阔。低成本方向，侧重于短时间运行和中低精度的分辨率。例如，为了火184.研究低成本FOG的主要方案光在单模光纤传输时，由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射，使得传输光的偏振态是沿光纤不断变化的。当以顺时针方向和以逆时针方向的椭圆偏振光在捡偏方向发生干涉时，干涉光强不稳定，造成了陀螺输出的漂移。另外，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性。4.研究低成本FOG的主要方案光在单模光纤传输时，由热应力、194.1保持偏振态的主要方案1)采用消偏技术。2)采用微小型光纤偏振控制器。3)采用特殊的调制方式或特殊的结构。4.1保持偏振态的主要方案1)采用消偏技术。204.1.1采用消偏技术如果顺时针方向或逆时针方向的椭圆偏振光分别以正交方式出现，一对正交的椭圆偏振光强在捡偏方向上是互补的，他们又是互不相关的，那末输出干涉光强将是稳定的。消偏器在光纤陀螺中就能起这样的作用。4.1.1采用消偏技术如果顺时针方向或逆时针方向的椭圆偏振光21

消偏器原理图光纤消偏器用两段长度不同的保偏光纤制成，主光轴互成45度，使出射光的相干度为0，使光在两个正交的偏振方向上等量分布。如下图所示：消偏器原理图光纤消偏器用两段长度不同的保偏光纤制成224.1.2采用偏振控制器如果能制作微小型光纤偏振控制器，且具有高偏振稳定度，则可以实现全单模光纤的光纤陀螺，甚至无需使用光纤消偏器。但是，要在光纤陀螺中实用，实现小型化和高偏振稳定度难度很大。4.1.2采用偏振控制器如果能制作微小型光纤偏振控制器，且具234.1.3采用特殊调制方式或特殊结构如果采用特殊的调制方式或特殊的仪器结构，使得（1）：检测结果对偏振漂移不敏感；或者（2）能实时检测出漂移量；或者（3）能实时补偿漂移量，则也可以实现全单模光纤的光纤陀螺。4.1.3采用特殊调制方式或特殊结构如果采用特殊的调制方式或24准备采用的方案：闭环消偏光纤陀螺准备采用的方案：闭环消偏光纤陀螺25SLD光源光纤消偏器SLD光源光纤消偏器26铌酸锂多功能集成光学器件铌酸锂多27参考文献赵仲刚，等。光纤通信与光纤传感[M]。上海：上海科学技术文献出版社，1993张桂才，杨清生．具有中等精度的全数字闭环保偏光纤陀螺仪[J]．光学精密工程，1998，6(3)：41—46．Charles

M

Davis.光纤传感器技术手册［M］。徐予生等译。北京：电子工业出版社，1987靳伟，廖延彪，张制鹏，等。导波光学传感器：原理与技术[M]。北京：科学出版社，1998李影．光纤陀螺仪应用的进展Ⅱ[J]．舰船导航，2001，1：12—48．参考文献赵仲刚，等。光纤通信与光纤传感[M]。上海：上海科学28谢谢！谢谢！29演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！30

低成本光纤陀螺(FOG)的研究

FOG—FiberOpticalGyroscope

报告人：付永强

低成本光纤陀螺(FOG)的研究FOG—Fiber311.FOG的概述2.FOG的应用领域3.FOG的研究方向4.研究低成本FOG的主要方案1.FOG的概述32

１.FOG的概述１.１光纤陀螺的发展历程1976年美国犹他大学的Vali等人成功地制作了第一个光纤陀螺(FOG)。如今，FOG发展相当迅速。灵敏度也比原来提高了4个数量级，并且角速度的测量精度已从最初的15°／h提高到了现在小于0．001°／h的量级。１.FOG的概述１.１光纤陀螺的发展历程331.2光纤陀螺的优点与传统机电陀螺相比1）无运动部件和磨损部件。2）成本低，寿命长，体积小，质量轻。3）动态范围大，精度应用覆盖面广。4）结构设计灵活，生产工艺简单。1.2光纤陀螺的优点与传统机电陀螺相比34与激光陀螺相比1）无需几千伏的点火电压。2）无克服“自锁”用的机械抖动装置。3）无超高精度的光学加工。4）装配工艺简便，功耗低，可靠性高。与激光陀螺相比351.3光纤陀螺的分类1)按工作原理(干涉、谐振、布里渊)2)按结构（单轴、多轴）3)按回路类型（开环、闭环）1.3光纤陀螺的分类1)按工作原理(干涉、谐振、布里渊)36

1.4光纤陀螺的基本原理光源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。当光纤环绕其中心轴发生转动后，产生了Sagnac效应，从而使在光纤环耦合器处的干涉光强发生的变化。由光电探测器检测出变化的光强，经处理后便得到转动角速度。

1.4光纤陀螺的基本原理光源发出的光经光源耦合器分光后，37低成本光线陀螺(FOG)的研究课件38顺时针光程:逆时针光程:λ为激光波长，λn为激光在介质中的波长，v为激光在介质中的速度,N为线圈匝数顺时针光程:逆时针光程:λ为激光波长，λn为激光在介质中的波391.5光纤陀螺的结构型式１）全光纤陀螺２）集成光器件陀螺３）ＥＤＦＡ光纤陀螺1.5光纤陀螺的结构型式１）全光纤陀螺40１）全光纤陀螺全光纤光纤陀螺是从光源到光接收器的全部光路均由光纤构成的光纤陀螺，这种陀螺的成本较低，但实现高精度的技术难度较大，因此大多用于精度要求不高和低成本场合。１）全光纤陀螺全光纤光纤陀螺是从光源到光接收器的全部光路均由41

２）集成光器件陀螺

光纤陀螺中使用的多功能集成光器件的主要功能包含偏振、相位调制和光分路。替代用于全光纤陀螺中的偏振器、相位调制器和耦合器。

２）集成光器件陀螺

光纤陀螺中使用的多功能集成42３）ＥＤＦＡ光纤陀螺用泵浦光源激励掺饵光纤并使其工作在自发辐射状态，此时掺饵光纤的输出是波长与光功率稳定的宽带光源，这种光源的出纤光功率大，使增加光纤环圈中的光纤长度成为可能，从而实现光纤陀螺的高灵敏度。此外，光纤光源的波长稳定，改善了光纤陀螺由波长漂移所造成的不稳定性。３）ＥＤＦＡ光纤陀螺用泵浦光源激励掺饵光纤并使其工作在自发辐432.FOG的应用领域2.1高精度光纤陀螺

这一精度的光纤陀螺为惯性级,主要用于舰船、飞机的导航与定位定向；国防领域中远程导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统等。2.FOG的应用领域2.1高精度光纤陀螺这一44

2.2中低精度光纤陀螺

目前采用中/低精度光纤陀螺的项目包括：工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制、中短程导弹制导等等。还有，汽车行驶中的定位和导向；消除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，也要借助于陀螺仪。2.2中低精度光纤陀螺目前采用中/低45

3.光纤陀螺的研究方向1)高精度2)低成本3.光纤陀螺的研究方向1)高精度46高精度方向，侧重于提高分辨率和长时间的稳定性。例如为了控制光纤陀螺中由于偏振不稳定所造成的漂移，往往使用保偏光纤及保偏器件。主要用于飞机导航、卫星姿态控制、远程导弹制导等方面。高精度方向，侧重于提高分辨率和长时间的稳定性。例如为了控制47低成本方向，侧重于短时间运行和中低精度的分辨率。例如，为了火箭制导，分辨率1̊/h左右已经足够用了。这些领域比高精度领域的市场更为广阔。低成本方向，侧重于短时间运行和中低精度的分辨率。例如，为了火484.研究低成本FOG的主要方案光在单模光纤传输时，由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射，使得传输光的偏振态是沿光纤不断变化的。当以顺时针方向和以逆时针方向的椭圆偏振光在捡偏方向发生干涉时，干涉光强不稳定，造成了陀螺输出的漂移。另外，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性。4.研究低成本FOG的主要方案光在单模光纤传输时，由热应力、494.1保持偏振态的主要方案1)采用消偏技术。2)采用微小型光纤偏振控制器。3)采用特殊的调制方式或特殊的结构。4.1保持偏振态的主要方案1)采用消偏技术。504.1.1采用消偏技术如果顺时针方向或逆时针方向的椭圆偏振光分别以正交方式出现，一对正交的椭圆偏振光强在捡偏方向上是互补的，他们又是互不相关的，那末输出干涉光强将是稳定的。消偏器在光纤陀螺中就能起这样的作用。4.1.1采用消偏技术如果顺时针方向或逆时针方向的椭圆偏振光51

消偏器原理图光纤消偏器用两段长度不同的保偏光纤制成，主光轴互成45度，使出射光的相干度为0，使光在两个正交的偏振方向上等量分布。如下图所示：消偏器原理图光纤消偏器用两段长度不同的保偏光纤制成524.1.2采用偏振控制器如果能制作微小型光纤偏振控制器，且具有高偏振稳定度，则可以实现全单模光纤的光纤陀螺，甚至无需使用光纤