光纤陀螺仪原理

光纤陀螺仪现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自1976年Vali本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。在这篇文章中，我们主要介绍现代光纤陀螺仪的原理和设计。好的单色性。光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在光纤陀螺仪已经达到0.01度/hr。片反射的光，经过相同的三个反射镜后，回到分光片，经过透射同样到达光源所在的方向。这两束光的强度均应该是入射光强度的１／４，因为光学的可逆性的原理，它们相干以后的光强应该等于入射光的强在这个出口上，光的总能量应该等于零。也就是说，在这个出口上，两束光之间的相位差为１８０度。这两束光一束是经过两次分光片的反射，另一束是经过分光片的两次透射。所以如果仅仅考察一次反射和一次透射的两束光，它们的相位差一定是９０度。它是这样制成的：首先在铌酸锂的晶块上利用照相制版使钛金属在晶体的表面上画出一个Ｙ形状的线条，然后利用高温使钛分子渗入铌酸锂的晶粒中，从而形成一个折射率高的Ｙ形状的光学波导管。和光纤耦合器不同，光学波导管只有一个入口，从中输出的两束光和光纤耦合器也不同，一般具有相同的相位。但是光学波导管和光纤的连接是一个很难解决的实际问题，光学波导管的截面和光纤截面的形状大不相同，因此在接口处的因为间隙，不匹配和中心偏移会引起的能量损失都相当的高。这种光纤干涉陀螺仪的原理图是这样的：一个发光二极管连接到一个光纤耦合器的结口１上，然后将耦合器的接口３和４连接到一个光纤圆环的两端，最后在接口２上接上一个光电探测器，这样应该就是一个简单的光纤陀螺仪了。因为光纤耦合器将光分解为两束，其中一束光在光纤环中沿顺时针方向传输，另一束沿逆时针方向传输。如果光纤环是静止的，那么两束光的光程完全相同，如果光纤环有各个角速度，则会产生一个光程差，从而在接收器形成光强的明暗的变化。但是应该指出在这种结构的安排中，沿顺时针方向的光在整个行程中，它经过了耦合器两次的反射，而沿逆时针方向的光在耦合器中确经过了两次的透射，所以在仪器中引进了自身存在的相位漂移现象。的变化和陀螺仪的转速具有成正比的关系。这一点对于仪器的使用是一个极大的优点。讲到这里我们还要提一下光线在光纤中传播时的极化的问题。要了解光纤首先要了解光纤的数学孔径。光纤的数学孔径是这样定义的：它是由真空中向光纤入射并使光线在光纤中实现全反射的最大入射角的正弦值。当光纤的归一后的频率在0和2.405在前面我们已经讨论了利用相位调制使陀螺仪的相位实现90式中就包括了两个部分，这两个部分中一个是因为光纤环的转动所引起的相位差，另一个则是引进的附加相位差。实际上，一般在光纤陀螺仪中引进的相位的调制量是一个交变量，它可以是一个方波，也可以是其它的波形。当仪器是静止的时候，光强信号主要是二阶的高频谐振，而当仪器存在转角时，则光强信号主要是在光纤的特征频率上的一阶的调制振动，这个调制振动的频率是系统的基本频率，而二阶的频率是这个基频的两倍。但是它的动态范围相当小，如果超出这个范围它的响应就变成非线性的了。为了提高陀螺仪的测量性能，必须采用闭环控制的干涉式的陀螺仪。闭环控制的最后目的是使得接收器所收到的信号正好为零，这样这个仪器将始终运行在线性的范围之内。采用闭环控制的好处有下面几点：１）可以大大提高仪器的灵敏度；２）可以极大地减小仪器的动态响应时间，大大提高仪器的动态响应；３）可以避免仪器的任何非线性响应特别是当转动速度较高的时候。闭环控制的干涉陀螺仪也有多种途径，有的是通过光电调频的方法，有的是通过相位等斜率锯齿形变化的方法，有的是通过相位平衡元件的控制方法，也有是通过陀螺仪反向转动的方法。前面已 经绕制方法。最常用的是从线圈的中部向两个方向同时绕制，这样温度差对仪器的影响将减少到最小。和光纤干涉陀螺仪不同，光纤谐振陀螺仪是应用谐振原理而设计的。从广义上讲光纤谐振式陀螺仪和光学中的法布里陀螺仪高得多，它要求的光源要具有很窄的频宽，从而有很长的相干距离。这种光纤谐振陀螺仪一般共包括三个光纤回路或部分回路。从频宽很小的激光二极管向一根光纤的一端发出一束光，同时这一光纤的末端通过第一个光纤耦合器藕合，在这个光纤耦合器上的反射出口连接到一个接收器上，形成谐振陀螺仪的第一个回路。在第一个光纤耦合器中，另一个入口以及它的透射入口和第二个光纤耦合器的一个入口和它相应的反射出口分别相连，形成一个完整的环路。这个环路是陀螺仪的最主要的部分，也是它的谐振腔。这个谐振腔的反射出口在第一个回路上，它连接着一个接收器。同时在这第二个光纤耦合器上，另外一个入口和它的透射出口形成陀螺仪的第三个回路。这个回路上的透射出口就是光纤谐振腔的透射出口。这个陀螺仪中的两个光纤耦合器都不是等量90至99振腔之中。第三光纤回路也是一个开环回路，它的透射出口和一个探测器相连接。在这种系统中如果谐振腔回路的长度是固定的，当系统是静止的时候，它就会对一个特定的波长的光产生谐振