陀螺仪光学陀螺.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,陀螺仪光学陀螺,光纤陀螺概述,光纤陀螺仪,：适应捷联系统需求而出现,基本原理,：同激光陀螺，只是激光束来自外部，用光导纤维做传播环路。,优点,：成本低、体积小、重量轻。,发展,：,1970s 光纤技术发展,1976 年犹它大学瓦里提出设想和演示,1978 麦道研制出第一个实用光纤陀螺,1980s,后，,Littion,，,Honeywell,，,Draper,等公司以及英、法、德、日、苏等国也展开了研制。,国内,1980s初，原理研究、试验（少数大学）,1980s末，实质性研制,2000s，进入实用阶段,精度,：,国外 0.001,0,/h,国内,0.01,0,/h,Sagnac干涉仪 光路,Sagnac,干涉,激光陀螺测量的基础,提出,：由,Sagnac,于,1913,年,Sagnac 干涉仪 光路传播,当干涉仪相对惯性空间无转动，则正反绕行的,A,、,B,两路光程,La=Lb=L,当干涉仪以相对惯性空间旋转，则会引起两路光程不等。,推导光程差,分离点的切向线速度,v,在分束点两侧光路上的投影都为,光束,a,逆行一周，回到分束点时多走了一段光程,另有,Sagnac干涉仪 光程差,求解方程组，得到,类似地，对于光束,b,，可以求得,两束光回到分束点时，光程差,考虑到,c,远大于,L,，上式近似为,光程差与输入角速度成正比，该结论对其它形状的环路也成立。,迈克尔逊实验,：,矩形面积 A=600300 m,2,光源波长=0.7m,计算得：,L=0.175m，即/4,干涉条纹只移动了 1/4 条纹间距,如果用来测量 0.015,0,/h 的角速度，则干涉条纹将只移动 1/400 条纹间距,测量精度无法保证,激光陀螺 结构,激光陀螺相对干涉仪的改进,无源谐振腔 =激光谐振腔,测量光程差,=,谐振频率差,谐振腔结构,：,激光管(光源)+反射镜(光路),激光管=氦氖气体+端面镜片,谐振腔结构及原理,介质受激=从基态到高能态,=粒子数反转分布,光通过激活物质=获得增益=,环形腔=获得足够大的增益,反射膜厚度/4=获得所需波长,选择环路周长=形成同相驻波,端面镜片,=,获得偏振光,设激光环绕一周的光程为,L,，是激光波长的整数倍,q,，即,=L/q,激光频率为 Vq，则,Vq,=c,故 Vq=cq/L,当谐振腔以绕其平面法线旋转,Va=cq/La,Vb=cq/Lb,两束激光的频差,两束激光的频差正比于输入角速度,其干涉条纹以一定的速度移动,激光陀螺 频差产生,激光陀螺 频差测量,例：三角形谐振腔边长,=111.76mm,激光波长,=0.6328,m,用来测地球转动角速度,激光陀螺 结构工艺,激光介质,：氦氖气体（频谱纯度高、反向散射小）,腔体材料,：熔凝石英、,Cer-vit,陶瓷,谐振腔尺寸,：周长,200,450mm,谐振腔形状,：三角形、四边形,（优缺点：,K=4A/L,）,装配组合,：分离式、,整体式,整体式激光陀螺介绍,谐振腔和光路,反射镜的安装（反射膜、凹面、半透）,氦氖气体,阴阳电极：双阳极,控制回路：凹镜、激励电压,激光陀螺 三轴整体,三轴整体式,：用于捷联惯导系统,集三个谐振腔于一块腔体材料,两种三轴整体式光路方案,1.,三角形的光路方案（,9,反射镜）,2.四边形的光路方案（6反射镜）,优点：体积小、重量轻、结构简单、可靠性好（第二代激光陀螺技术）,工艺改进对陀螺仪性能的影响,：,Cer-vit陶瓷取代熔凝适应，提高了稳定性并解决了氦气泄漏,采用光胶和接触焊的方法，避免了环氧树脂杂气对介质的污染。,新的反射镜涂层工艺，解决了涂层变质问题,激光陀螺 零偏误差,激光陀螺误差源,：不同于转子陀螺,误差分类,零偏误差,：输入角速度为零时激光陀螺的频差输出（,0,/h,）,主要原因,：郎缪尔流效应,直流放电，激活原子移向阳极,阳极的激活原子向阴极扩散,两种作用综合，形成郎缪尔流,导致激光在介质中传播时折射率不同，造成附加光程差及频差输出,补偿措施,：双阳极方案,激光陀螺 标度因数与自锁误差,标度因数误差,激光陀螺频差输出公式,K值不稳定，也会引起输出误差,K值大小的影响因素,：,谐振腔周长,谐振腔形状,激光波长,(0.6328/1.15/3.39),K值稳定性控制途径,：,激光波长,谐振腔周长,280mm 0.01,0,/h 510,-,6,120mm,0.1,0,/h,3,10,-,4,自锁效应,自锁区：,-,LL,典型值：,360,0,/h,激光陀螺 自锁原因及对策,产生原因,：反射镜的反向散射,顺时针传播光束 A 的反向散射 A,A 和逆时针传播光束 B 相耦合,频率牵引（B 与 A 频率趋同）,类似地，A 与 B 也频率趋同,最终,A,与,B,频率趋同，无频差输出,克服自锁效应的途径,：,正面途径：尽力减小自锁区（提高光学元件质量和气体纯度）,间接途径：偏频,输出偏置量,0,，工作点移出自锁区,激光陀螺 机械抖动偏频,机械恒定偏频,：使激光陀螺绕输入 轴相对基座以足够大的,0,恒速旋转,缺点：陀螺体积重量增大，0难控,机械抖动偏频,：采用高频角振动,谐振腔按曲线 1 的相对基座振动,当基座相对惯性空间无转动时，,谐振腔按曲线 1 相对惯性空间振动,输出频差均值为零,当基座以A相对惯性空间旋转,谐振腔按曲线 2 相对惯性空间振动,正半周输出频差平均值大于负半周,陀螺输出频差均值不为零,输出均值能够反映,A,的大小和方向,激光陀螺 磁镜偏频,引入机械抖动后的输入输出曲线,机抖偏频,是目前最成熟的偏频方案，,尤其适用三轴整体式的激光陀螺,磁镜偏频,：,横向克尔磁光效应,对称入射的线偏振光,施加垂直于入射面的横向磁场,产生相位差或光程差,把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜,磁场周期性变化，产生周期性偏频,光纤陀螺 Sagnac干涉仪的改进,圆形环路,Sagnac,干涉仪，,光路分析：,当干涉仪相对惯性空间无转动,两束光绕行一周的光程相等,绕行时间,当干涉仪绕法向轴以转动，,则两束光出现光程差,对于,a,束光,并且,光纤陀螺 原理公式,求解,La,得到,类似地，对于光束,b,两束光之间的光程差,两束光之间的相位差,对于 N 匝光纤环的情况,K 称为光纤陀螺的标度因数,在光纤线圈半径一定的情况下，可通过增加线圈的匝数提高测量的灵敏度,直径,10 cm,内可缠绕,5002500,米,光纤陀螺 相位偏置,光纤陀螺原理图，光路分析：,当光纤线圈绕中心轴无旋转，,检测器上产生峰值干涉条纹,检测器输出电流最大,当光纤线圈绕中心轴旋转,产生相差，干涉条纹横移,检测器输出电流改变,在=0 附近，灵敏度最低。,对策,：增加相位偏置，工作点移至,/2,处,光纤陀螺 交流相位偏置,固定相位偏置,：幅值难以稳定控制,交流相位偏置,：交变幅值为,/2,当输入相移,=0,，检测器的输出情况（如上）,当输入相移,0,，检测器的输出情况如下,I 均值大小的改变量与成正弦,正负可由一次谐波相位判断,相位调制、相位调制器（PM）,光纤陀螺 开环干涉型,PM 相位调制器,PSD,相敏解调器,工作原理,：,发自 LR 的光被 SL 分成两束,两束光分别从光纤线圈两端进入,分别从光纤线圈另一端导出,中间都经过相位调制器 PM,两束光经 SL 汇合，,由检测器 D 接收，输出电流,经过相敏解调器 PSD 解调,得到直流分量（正比于）,开环干涉型,缺点,：存在明显非线性,测量范围较小,精度较低,光纤陀螺 闭环干涉型,引入伺服放大器 SF 和相位变换器PT，,构成闭环系统,闭环测量原理,：,检测器 D 的输出经 PSD 解调,解调信号经 SF 放大,驱动相位变换器 PT,相位变换器 PT 产生相移,和产生的相移抵消,解调器输出被控制在零位附近,PT 产生的相移作为光纤陀螺的输出,特点,：陀螺仪的工作点一直保持在线性度、灵敏度最高的位置。,光纤陀螺 闭环谐振型,来自 LR 的激光经分束器 SL 分离，从两端进入光纤线圈（谐振器）,光纤陀螺绕输入轴旋转时，两束光的谐振频率改变，,频差由两组光检测器和相敏解调器测量，与输入角速度成正比,