低成本光线陀螺(FOG)的研究.ppt

低成本光纤陀螺 FOG 的研究 FOG FiberOpticalGyroscope报告人 付永强 1 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 FOG的概述 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 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 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 1 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 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 顺时针光程 逆时针光程 为激光波长 n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 1 5光纤陀螺的结构型式 全光纤陀螺 集成光器件陀螺 光纤陀螺 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 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 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 2 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 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 3 光纤陀螺的研究方向 1 高精度2 低成本 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 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1 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 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 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 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 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 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 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 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 准备采用的方案 闭环消偏光纤陀螺 SLD光源 光纤消偏器 铌酸锂多功能集成光学器件 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 CharlesMDavis