低成本光线陀螺FOG的

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

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。1.2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: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1.5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））全全光光纤纤陀陀螺螺全光光纤纤光光纤纤陀陀螺螺是是从从光光源源到到光光接接收收器器的的全全部部光光路路均均由由光光纤纤构构成成的的光光纤纤陀陀螺螺，，这这种种陀陀螺螺的的成成本本较较低低，，但但实实现现高高精精度度的的技技术术难难度度较较大大，，因因此此大大多多用用于于精精度度要要求求不不高高和和低低成成本本场场合合。。２））集集成成光光器器件件陀陀螺螺光纤陀螺中使使用的多功能能集成光器件件的主要功能能包含偏振、、相位调制和和光分路。替替代用于全光光纤陀螺中的的偏振器、相相位调制器和和耦合器。３）ＥＤＦＡＡ光纤陀螺用泵浦光源激激励掺饵光纤纤并使其工作作在自发辐射射状态，此时时掺饵光纤的的输出是波长长与光功率稳稳定的宽带光光源，这种光光源的出纤光光功率大，使使增加光纤环环圈中的光纤纤长度成为可可能，从而实实现光纤陀螺螺的高灵敏度度。此外，光光纤光源的波波长稳定，改改善了光纤陀陀螺由波长漂漂移所造成的的不稳定性。。2.FOG的的应用领域2.1高精度光纤陀螺这一精度的光光纤陀螺为惯惯性级,主要要用于舰船、、飞机的导航航与定位定向向；国防领域中远程导弹的精确制制导、潜艇长长期潜伏在水水下的精确导导航、行进中中的坦克保持持火炮和瞄准准系统等。2.2中低精度光纤陀螺目前采用中/低精度光纤纤陀螺的项目目包括：工程程测量的精确确定位、石油油钻探的精确确定向、机器器人动作精确确控制、中短短程导弹制导导等等。还有，汽车行行驶中的定位位和导向；消消除车厢摆动动尤其高速转转弯时的摆动动，也要借助助于陀螺仪。。3.光纤陀螺螺的研究方向1)高精度2)低成本高精度方向，侧重于提高高分辨率和长长时间的稳定定性。例如如为了控制光光纤陀螺中由由于偏振不稳稳定所造成的的漂移，往往往使用保偏光光纤及保偏器器件。主要用用于飞机导航航、卫星姿态态控制、远程程导弹制导等等方面。低成本方向，侧重于短时时间运行和中中低精度的分分辨率。例如如，为了火箭箭制导，分辨辨率1̊/h左右右已经足够用用了。这些领领域比高精度度领域的市场场更为广阔。。4.研究低成成本FOG的的主要方案光在单模光纤纤传输时，由由热应力、机机械应力以及及纤芯的不规规则性等因素素引起的不规规则双折射，，使得传输光光的偏振态是是沿光纤不断断变化的。当当以顺时针方方向和以逆时时针方向的椭椭圆偏振光在在捡偏方向发发生干涉时，，干涉光强不不稳定，造成成了陀螺输出出的漂移。另另外，光纤中中的双折射效效应是随温度度、压力、应应力以及其它它环境因素不不断变化的，，这就大大增增加了偏振相相关损害的不不可预知性。。4.1保持偏偏振态的主要要方案1)采用消偏偏技术。2)采用微小小型光纤偏振振控制器。3)采用特殊殊的调制方式式或特殊的结结构。4.1.1采采用消偏技术如果顺时针方方向或逆时针针方向的椭圆圆偏振光分别别以正交方式式出现，一对对正交的椭圆圆偏振光强在在捡偏方向上上是互补的，，他们又是互互不相关的，，那末输出干干涉光强将是是稳定的。消消偏器在光纤纤陀螺中就能能起这样的作作用。消偏器原理图图光纤消偏器用用两段长度不不同的保偏光光纤制成，主主光轴互成45度，使使出射光的相相干度为0，，使光在两个个正交的偏振振方向上等量量分布。如下下图所示：4.1.2采采用偏振控制器如果能制作微微小型光纤偏偏振控制器，，且具有高偏偏振稳定度，，则可以实现现全单模光纤纤的光纤陀螺螺，甚至无需需使用光纤消消偏器。但是是，要在光纤纤陀螺中实用用，实现小型型化和高偏振振稳定度难度度很大。4.1.3采采用特殊调制方式式或特殊结构构如果采用特殊殊的调制方式式或特殊的仪仪器结构，使使得（1）：：检测结果对对偏振漂移不不敏感；或者者（2）能实实时检测出漂漂移量；或者者（3）能实实时补偿漂移移量，则也可可以实现全单单模光纤的光光纤陀螺。准备采用的方方案：闭环消消偏光纤陀螺螺SLD光源光纤消偏器铌酸锂多功能能集成光学器器件参考文献赵仲刚，等。。光纤通信与与光纤传感[M]。上海海：上海科学学技术文献出出版社，1993张桂才，杨清清生．具有中中等精度的全全数字闭环保保偏光纤陀螺仪[J]．．光学精密工工程，1998，6(3)：41——46．Charles

MDavis.光纤传感器器