光纤陀螺仪演示幻灯片

POWERPOINT,FiberOpticGyroscope光纤陀螺仪,用于惯性导航的光纤传感器,1,2020/5/5,思考？,陀螺仪是什么？,陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指以角速率和角偏差为被测量的一种传感器,生活中常见的陀螺仪有哪些？,最常见的有手机、平衡车、四旋翼飞行器、航模飞机等等。,随着光电技术、微米纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。,2,CompanyLogo,Contents,3,CompanyLogo,光纤陀螺的发展与动态,四个里程碑：一、1913年法国物理学家Sagnac在物理实验中发现了旋转角速率对光的干涉现象的影响，这就启发人们，利用光的干涉现象来测量旋转角速率。二、1960年，美国科学家梅曼发明了激光器，产生了单色相干光，解决了光源的问题。三、1966年，英籍华人科学家高锟提出了只要解决玻璃纯度和成分，就能获得光传输损耗极低的玻璃光纤的学说。四、1976年，美国犹他大学两位教授利用Sagnac效应研制出世界上第一个光纤陀螺原理样机。,4,CompanyLogo,光纤陀螺的发展与动态,近年来，世界各发达国家的许多科研机构和著名大学都投入了很多的经费来研究光纤陀螺。随着光纤陀螺主要光器件（保偏光纤，Y型电光调制波导，光源等）、技术及半导体工业的飞速发展，光纤陀螺的发展已经有了突破性进展，高精度光纤陀螺已达到低于0.0001o/h的精度，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。,目前，光纤陀螺已经发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，其原理、工艺及其关键技术与传统的机电式仪表有很大的差别，我国已经将光纤陀螺列为惯性技术领域重点发展的关键技术之一。,5,CompanyLogo,光纤陀螺仪简介,光纤陀螺仪（fiberopticgyroscope）是一种利用萨格奈克(Sagnac)效应测量旋转角速率的新型全固态惯性仪表。因其无活动部件高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。,6,CompanyLogo,光纤陀螺仪简介,7,CompanyLogo,与机械陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：全固态无旋转部件、摩擦部件寿命长动态范围大瞬时启动机构简单、尺寸小、重量轻与激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：无闭锁问题无须在石英块内精密加工光路成本低,光纤陀螺仪简介,8,CompanyLogo,摘自中国惯性技术学报,光纤陀螺仪与其他陀螺仪比较,9,CompanyLogo,光纤陀螺仪原理-Sagnac效应,1913年，萨格奈克（Sagnac）论证了运用无运动部件的光学系统同样能够检测相对惯性空间的旋转。他采用了一个环形干涉仪，并证实在两个反向传播光路中，旋转产生一个相位差。,10,CompanyLogo,Sagnac效应,图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转,光纤陀螺仪原理-Sagnac效应,理想条件下，环形光路系统中的Sagnac效应如图1所示。一束光经分束器M进入同一光学回路中，分成完全相同的两束光CCW和CCCW，分别沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)相向传播，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。,11,CompanyLogo,Sagnac效应,如图1(a)所示，在无旋转条件下，两束光传输时间相等，为,如图1(b)所示，旋转条件下为,图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转,光纤陀螺仪原理-Sagnac效应,12,CompanyLogo,Sagnac效应,传输时间差：,传输光程差：,传输相位差：,图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转,光纤陀螺仪原理-Sagnac效应,13,CompanyLogo,Sagnac效应,传输相位差：,图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转,光纤陀螺仪原理-Sagnac效应,那么，问题来了？如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同、方向相同、相位差恒定,通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。,14,CompanyLogo,Sagnac效应,图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转,光纤陀螺仪原理-Sagnac效应,那么，问题又来了？旋转角速率产生的光程差太小，很难很难被检测肿么办？,15,CompanyLogo,光纤陀螺仪原理-Sagnac效应,光纤陀螺本质上就是一个环形干涉仪，通过采用多匝光纤线圈来增强相对惯性空间的旋转引起的Sagnac效应。其实现如右图所示。,16,CompanyLogo,光纤陀螺仪原理-Sagnac效应,主要信号处理技术：,A偏置调制：提高信号检测灵敏度,图2数字闭环I-FOG结构示意图,B闭环控制：降低光电检测器工作范围，提高检测精度,相邻时间内光程差,17,CompanyLogo,光纤陀螺仪的分类,干涉式光纤陀螺(IFOG),谐振腔光纤陀螺(RFOG),布里渊型光纤陀螺(BFOG),FiberOpticGyroscope光纤陀螺仪,18,CompanyLogo,干涉式光纤陀螺(IFOG),干涉型光纤陀螺(IFOG)是研究开发最早、技术最为成熟的光纤陀螺，属第1代光纤陀螺。它利用干涉测量技术把光位相的测量转变为光强度的测量，从而较简单地测出Sagnac位相变化。,按照位相偏置方式可以分为：位相差偏置方式、光外差方式和延时调制方式。按照光路组成可以分为消偏型、全光纤型和集成光学型。按照检测相位的方法可分为开环型（左图）和闭环型（右图）,闭环型,开环型,19,CompanyLogo,开环光纤陀螺：依据Sagnac原理，通过干涉光强的变化直接检测干涉后的Sagnac相移，从而得到旋转角速率。闭环光纤陀螺：在光纤环中人为地引入一非互易的补偿相移，以抵消由于光纤环旋转产生的Sagnac相移，补偿相移与Sagnac相移大小相等，方向相反。光纤陀螺始终工作在灵敏度最高的零位相差点附近，可以从补偿相移中获得陀螺的输出信号，这时陀螺的动态范围取决于引入补偿位相的器件性能。,干涉式光纤陀螺(IFOG),特点：电路简单，但是开环光纤陀螺输出响应存在非线性，因而动态范围较窄，检测精度低,特点：避免了陀螺输出的非线性，动态范围广，检测精度高。另外，闭环方案的使用，使得光纤陀螺能自动调整优化状态，进行动态探测追踪。,20,CompanyLogo,干涉式陀螺首次应于道尼尔328客机上，目前应用于波音777飞机的姿态和空气数据系统(SAARU)。,道尼尔328客机,干涉式光纤陀螺(IFOG),21,CompanyLogo,谐振腔光纤陀螺（R-FOG）是第2代光纤陀螺。它利用一个循环的环形谐振腔来增强旋转引起的萨格奈克效应。,谐振腔光纤陀螺结构图,谐振腔光纤陀螺(RFOG),22,CompanyLogo,与IFOG相比，RFOG具有以下特点：光纤长度短，降低了成本；采用高相干光源，波长稳定性高；检测精度高，动态范围大。,注意：R-FOG研究起步较晚，且对光源要求十分苛刻，所以目前R-FOG还处于实验室研究阶段，但是和I-FOG相比有上述优势，因此各国都投入大量人力对其进行研究，相信在不久的将来，R-FOG一定可以在惯性导航与制导等诸多领域得到广泛应用。,谐振腔光纤陀螺(RFOG),23,CompanyLogo,布里渊型光纤陀螺是第3代光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺(FRLG)，或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺(BFRLG)。采用有源谐振腔的布里渊光纤陀螺是利用高功率光在光纤中激发布里渊散射光（SBS）的光纤陀螺仪。当光纤环中传输的光强达到一定程度时就会产生布里渊散射，散射光的频率由于受萨格奈克效应的影响，顺、逆时针的两束布里渊散射光的频差与旋转角速度成正比。检测顺、逆时针方向光波产生的散射光的频率，并进行拍频处理，就可以得到光纤环的旋转角速度。由于这种光纤陀螺能直接给出频率输出，所以适合于捷联惯性导航系统，它是随着光纤式光源的发展而出现的一种新型光纤陀螺。,布里渊型光纤陀螺(BFOG),24,CompanyLogo,fibreopticgyroscope,光纤陀螺仪的应用,25,CompanyLogo,光纤陀螺仪的应用,光纤陀螺应用级别划分：速率级光纤陀螺已经产业化，主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪，已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点，主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级、战略级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。,26,CompanyLogo,光纤陀螺仪的应用状况,1.战略导弹系统和潜艇导航应用；2.卫星定向和跟踪；3.战术武器制导与控制系统；4.各种运载火箭应用；5.姿态航向基准系统；6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航；7.陆地导航系统(+GPS)；8.天体观测望远镜的稳定和调向；9.汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制置等工业和民用领域。,光纤陀螺仪的应用,27,CompanyLogo,光纤陀螺仪的应用（国外）,国外中低精度的光纤陀螺已经产品化，被广泛用于航空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。世界上研制光纤陀螺的单位有：美国：霍尼韦尔(Honeywell)、利顿(Litton)、史密斯(Smith)、诺思若普(Northrops)、联信(AliedSignal)等日本：日本航空电子工业有限公司(JAE)，日本三菱(Mitsubishi)公司，日立公司德国：利铁夫(LITEF)公司法国：法国光子（IXSEA）公司,28,CompanyLogo,光纤陀螺仪的应用（国外）,法国光子（IXSEA）公司部分光纤陀螺惯测组合产品,29,CompanyLogo,国内光纤陀螺研制状况：,据不完全统计，国内从事光纤陀螺研究的研究所、院校、民营单位共有几十家，其中比较著名的有：,光纤陀螺仪研制状况（国内）,航天时代电子公司航天三院三十三所北京航空航天大学哈尔滨工程大学浙江大学兵器205所船舶707所航空618所,30,CompanyLogo,光纤陀螺仪展望,未来光纤陀螺的发展将着重于以下几个方面：(1)高精度。更高的精度是光纤陀螺取代激光陀螺在高等导航中地位的必然要求，目前高精度的光纤陀螺技术还没有完全成熟。(2)高稳定性和抗干扰性。长期的高稳定性也是光纤陀螺的发展方向之一，能够在恶劣的环境下保持较长时间内的导航精度是惯导系统对陀螺的要求。比如在高温、强震、强磁场等情况下，光纤陀螺也必须有足够的精度才能满足用户的要求。(3)产品多元化。开发不同精度