水下航行器导航系统原理 课件 第3讲 惯性器件

惯性器件HARBINENGINEERING

UNIVERSITY目录/Contents0102陀螺仪加速度计01陀螺仪背景意义及分类陀螺仪作为惯性导航系统的核心器件，其技术发展直接影响着惯性导航系统技术水平，是各国国防军事的核心技术之一，深受世界各科研院校和研究机构的密切关注，成为目前各国的热点研究领域。在国家载人航天、深空探测、深海探测、弹药制导等重大工程需求下，要求惯性器件在确保高精度测量需求的同时，还需满足微体积、低功耗、高可靠性、低成本和抗振动冲击等特性。陀螺应用领域嫦娥卫星东风导弹大疆无人机蛟龙号背景意义及分类陀螺仪分类第一类机械陀螺仪（经典力学）第二类光学陀螺仪（波动光学）液浮、气浮陀螺仪半球陀螺仪MEMS陀螺仪半球谐振陀螺MEMS陀螺激光陀螺仪干涉式光纤陀螺谐振式光学陀螺干涉式光纤陀螺谐振式光学陀螺原子干涉陀螺仪原子自旋陀螺仪原子自旋陀螺原子干涉陀螺第三类原子陀螺仪（量子光学）液浮陀螺激光陀螺背景意义及分类背景意义及分类H

J

z

ΩH

J

z

Ω22z

i i im

(x

y

)J

陀螺起源：机械式陀螺仪背景意义及分类dtdH

MvH

M机械式陀螺仪特性：定轴性，进动性动量矩定理莱查定理FHLMVHM

L

F其中四个里程碑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。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。1966年，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。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干涉式光纤陀螺（IFOG）原理样机。特点与传统机械陀螺仪相比与激光陀螺仪相比全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。干涉式光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。干涉式光纤陀螺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。随着干涉式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，干涉式光纤陀螺的发展已经有了突破性进展，已达到低于0.0001°/h的精度。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。干涉式光纤陀螺问世不久，国外专家就曾预言：“干涉式光纤陀螺出现，机械陀螺停止旋转！”。预言发展现在干涉式光纤陀螺萨格奈克（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。他采用一个环形干涉仪证实了在两个反向传播光路中，旋转产生一个相位差。M

M

lCCWCCCWM

(a) (b)图1

Sagnac效应(a)系统静止(b)系统旋转机理：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，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。ctCCW如(a)所示，无旋转条件下两束光传输时间相等：L

2

R

tCW

c

如(b)所示，旋转条件下，传输时间分别为：tCCWc

R

2

R tCWc

R

2

R 得到传输时间差：c2

t

tCCW

tCW

4

R2得到传输光程差：c

L

t

c

4

R

2

得到传输相位差：0

c4

RL

S

增大R

或者L

可以提高测量灵敏度。干涉式光纤陀螺—Sagnac效应干涉式光纤陀螺—Sagnac效应M

M

lCCWCCCWM

(a) (b)图1

Sagnac效应(a)系统静止(b)系统旋转如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同、方向相同、相位差恒定

。I

I0

(1

cos

s

)最终，通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。干涉式光纤陀螺是基于Sagnac效应的角速率测量装置，即沿着闭合光纤光路相向传播的两束光波返回到起始点发生干涉后，干涉信号的相位差正比于闭合光路敏感轴的输入角速度。光纤基本结构光纤的结构n2n1n2n2n1纤芯包层涂覆层护套光纤基本结构n1>

n2入射角>θ光纤传光原理

——

全反射法线n1n2θ光纤基本结构互易性互易性是光纤陀螺在光路部分的结构设计中必须遵循的原则，所谓的互易性就是要保证在Sagnac

光纤干涉仪中，沿相反方向传播的两束光，不产生非转动因素引起的相移

。光纤环耦合器

2光电探测器光源耦合器

1干涉式光纤陀螺—基本原理图3

光纤陀螺基本结构组成如图3所示，从光源发出的光波经过耦合器和Y波导分为两束相干的线偏振光，其中一束沿着光纤环的顺时针传播，另外一束沿逆时针传播，最终两束载有光纤环轴向转动角速度信息的光波在Y波导中汇合发生干涉，干涉信号的强度随输入角速度变化而变化，通过探测器检测干涉信号的强度变化，可以获得输入的角速度变化。工作流程干涉型光纤陀螺由宽带光源、耦合器、Y

波导、光纤环、光电检测器、信号处理电路六个部件组装而成。干涉式光纤陀螺—结构组成干涉式光纤陀螺—结构组成光源提供产生干涉信号的光载波，为宽带光纤光源，且对平均波长稳定性要求较高；探测器用于探测干涉光信息并将其转换为电信号，并对该微弱电流信号进行跨阻抗放大成电压信号；耦合器是一种对光信号进行分束、合束的器件，用于将光信号引入光纤环，将有

Y

波导返回的干涉信号引入探测器；Y

波导（多功能集成光路）集成了单模滤波器、起偏器、分束器和相位调制器的功能，实现对输入光纤环和光纤环输出干涉光信号的起偏和单模滤波、光信号的分束和合束，以及对干涉信号的偏置调制和输入角速度信号的反馈调制；图3

光纤陀螺基本结构组成光纤环为角速度的核心敏感元件用于产生 效应中的光相位差；信号处理电路用于提取干涉后光强信号，为

Y

波导提供电压调制信号，并对外输出角速率信号。干涉式光纤陀螺—信号处理技术1偏置调制：为了提升陀螺检测灵敏度和解决旋转方向的问题，在光纤线圈的一端放置一个相位调制器，使两束光波在不同时间受到一个完全相同的相位调制，则可以产生一个时变相位差。图4

施加偏置相位0 sI

I

[1

cos(

])2

I0[1

sin

s

]

I

2I sin

0 s

2I0

s相邻时间内光强差偏频相位调制技术优势：使光纤陀螺工作在旋转速率最灵敏的工作点上干涉式光纤陀螺—信号处理技术2闭环控制：在陀螺的敏感环中加入一个电光控制元件，使两束反向传播光波之间引入一个非互易性相移响应旋转输入，并补偿旋转引起的Sagnac相移。闭环光纤陀螺的探测器输入作为反馈伺服回路的误差，由于测量的输出信号是与旋转速率成线性比例的Sagnac相移，而闭环陀螺对旋转速率的响应基本是线性的。图5

闭环陀螺输出信号闭环陀螺的优势：当误差信号保持在零位时，旋转信号的输出与光强和探测电路的增益倍数无关020 s f

II

I

[1

cos(

)]干涉式光纤陀螺—光纤环绕制技术光纤环绕制方法：柱形绕法、二极绕法、四级绕法干涉式光纤陀螺—光纤环绕制技术四极对称的绕制方法及其典型温度场分布干涉式光纤陀螺—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。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。表1

应用级别划分级别零偏稳定性(度/小时)标度因数稳定性速率级10~10000.1~1%战术级0.1~1010~1000

ppm惯性级0.01<5ppm战略级0.001<1ppm干涉式光纤陀螺—应用领域l

战略导弹系统和潜艇导航应用；l

卫星定向和跟踪；l

天体观测望远镜的稳定和调向；l

各种运载火箭应用；l

舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航；l

光学罗盘及高精度寻北系统；l

战术武器制导与控制系统；l

陆地导航系统(+GPS)；l

姿态／航向基准系统；l

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装置等工业和民用领域。谐振式光纤陀螺—基本原理图11

谐振式陀螺基本结构组成当某一频率的光波在谐振腔中循环传输时会产生多光束的干涉，只有满足某个特定频率的光波才会发生谐振现象，因此称为谐振式光学陀螺。与干涉式陀螺不同，这里用谐振频差来解读Sagnac效应。当谐振腔发生转动时，CW和CCW传播方向上的路程会发生变化，其光程差为：4S

L

Lcw

Lccw

c

c此时，CW和CCW光束方向上的谐振频率之间将产生一个频差：cw

ccw0c cnLnL2L

L

f

f

f

m

mc

L

f

nL

cwccw

结合上面两个公式，得到：

f

4S

D

0

L

0（只与谐振腔直径有关，与光纤长度无关）谐振式光纤陀螺—工作流程图11

谐振式陀螺基本结构组成如图11所示，激光器经3dB耦合器C1分成两束功率相等的光束，分别经过隔离器后进入各自的相位调制器，然后分别从CW和CCW方向耦合进入到谐振腔内，并在谐振腔内形成两个方向的谐振光波，最后分别经C2和C3耦合后输出到各自的探测器中。当陀螺静止时，CW和CCW方向传输光的谐振频率和相同；当陀螺沿CCW方向以角速度为转动时，两束光会产生正比于角速度的谐振频率差。工作流程优点：是采用很短的光纤或者集成式波导谐振腔，因此在微型化方面具有很大的优势，同时，还可以避免干涉式陀螺中的Shupe误差问题。02加速度计加速度计是测量运载体线加速度的仪表。在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件。在惯性导航系统中，高精度的加速度计是最基本的敏感元件之一。主流产品有液浮摆式加速度计、石英挠性加速度计、MEMS（微机电系统）加速度计、原子（量子）加速度计等几大类，下面以石英挠性加速度计和MEMS加速度计为例详细介绍其基本原理。加速度计概述石英挠性加速度计图

1

石英挠性加速度计的组成当沿石英挠性加速度计的输入轴方向有加速度作用时，由于检测质量的位置发生变化，从而使得差动电容传感器的电容值发生变化。这时伺服放大器检测到这一变化并向电磁力矩器产生一个再平衡电流，它产生的电磁力矩使检测质量回到原来的位置。通过测量流过采样电阻的电流，便可以间接得到石英挠性加速度计所测量的加速度石英挠性加速度计图

2

石英挠性加速度计工作原理示意图l 当运载体相对惯性空间发生加速度时，石英挠性加速度计检测质量摆将产生惯性力矩：M

g

mLail

惯性力矩使检测质量摆绕挠性枢轴产生角位移，差动电容传感器产生电容差值，电容差值经伺服电路变成电流信号，该电流输出向力矩器产生一电磁反馈力矩：Mt

Kt

Il 当力矩器反馈力矩和惯性力矩相等时，力矩器线圈中所需要的电流与输入加速度成正比I

（mL/Kt）

aim-检测质量摆质量；L-质量摆的质量中心至挠性枢轴的距离Kt-力矩器力矩系数；ai-石英加计输入轴方向的加速度MEMS加速度计-结构原理图

3

硅微摆式电容加速度计结构简图22 1(ds 0 0 01 1 2s

b)dx

lb

d

x

d

x

C

C

C

l

l 将敏感质量块一侧进行镂空使其质心偏