1、會計學1陀螺儀光學陀螺儀光學(gungxu)陀螺陀螺第一頁，共21頁。光纖陀螺儀：適應捷聯系統光纖陀螺儀：適應捷聯系統(xtng)(xtng)需求而出現需求而出現 基本原理：同激光陀螺，只是激光束來自外部，用光導纖維做傳播環路。基本原理：同激光陀螺，只是激光束來自外部，用光導纖維做傳播環路。優點：成本低、體積小、重量輕。優點：成本低、體積小、重量輕。發展：發展：1970s 光纖技術發展光纖技術發展1976 年猶它大學年猶它大學(dxu)瓦里提出設想和演示瓦里提出設想和演示1978 麥道研制出第一個實用光纖陀螺麥道研制出第一個實用光纖陀螺1980s后，后，Littion，Honeywell，Dr

2、aper 等公司以及英、法、德、日、蘇等國也展開了研制。等公司以及英、法、德、日、蘇等國也展開了研制。 國內國內1980s初，原理研究、試驗（少數大學）初，原理研究、試驗（少數大學）1980s末，實質性研制末，實質性研制2000s，進入實用階段，進入實用階段精度精度：國外國外 0.001 0/h國內國內 0.01 0/h 第1頁/共21頁第二頁，共21頁。Sagnac 干涉干涉 激光陀螺激光陀螺(tulu)測量的基礎測量的基礎 提出提出(t ch)(t ch)：由：由 Sagnac Sagnac 于于 1913 1913年年 Sagnac 干涉儀干涉儀 光路傳播光路傳播(chunb)當干涉儀相

3、對慣性空間無轉動，則正反繞行的當干涉儀相對慣性空間無轉動，則正反繞行的 A、B 兩路光程兩路光程 La = Lb = L 當干涉儀以當干涉儀以相對慣性空間旋轉，則會引起兩路光程不等。相對慣性空間旋轉，則會引起兩路光程不等。推導光程差推導光程差分離點的切向線速度分離點的切向線速度 2445cos40LLvv 在分束點兩側光路上的投影都為在分束點兩側光路上的投影都為 845cos0Lvvn光束光束 a 逆行一周，回到分束點時多走了一段光程逆行一周，回到分束點時多走了一段光程 aanatLLtvLL8另有另有 cLtaa/第2頁/共21頁第三頁，共21頁。求解求解(qi ji)(qi ji)方程組，

4、得到方程組，得到 8/LcLta)8/(1cLLLa類似類似(li s)(li s)地，對于光束地，對于光束 b b，可以求得，可以求得 8/LcLtb)8/(1cLLLb兩束光回到分束點時，光程差兩束光回到分束點時，光程差 baLLL222)8/()(1)4/(cLcL考慮到考慮到 c 遠大于遠大于 L，上式近似為，上式近似為 cLcLL22)4/(44cA4光程差與輸入角速度成正比，該結論對其它形狀的環路也成立。光程差與輸入角速度成正比，該結論對其它形狀的環路也成立。邁克爾遜實驗邁克爾遜實驗：矩形面積矩形面積 A = 600300 m2光源波長光源波長= 0.7m計算得：計算得：L=0.1

5、75m，即，即 / 4干涉條紋只移動了干涉條紋只移動了 1/ 4 條紋間距條紋間距如果用來測量如果用來測量 0.015 0/h 的角速度，則干涉條紋將只移動的角速度，則干涉條紋將只移動 1/ 400 條紋間距條紋間距測量精度無法保證測量精度無法保證 第3頁/共21頁第四頁，共21頁。激光激光(jgung)陀螺相對干涉儀的改進陀螺相對干涉儀的改進無源諧振腔無源諧振腔 = 激光激光(jgung)諧振腔諧振腔測量光程差測量光程差 = 諧振頻率差諧振頻率差 諧振腔結構：諧振腔結構：激光管激光管(光源光源) + 反射鏡反射鏡(光路光路)激光管激光管 = 氦氖氣體氦氖氣體 + 端面鏡片端面鏡片諧振腔結構及

6、原理諧振腔結構及原理(yunl)介質受激介質受激=從基態到高能態從基態到高能態=粒子數反轉分布粒子數反轉分布光通過激活物質光通過激活物質=獲得增益獲得增益=環形腔環形腔=獲得足夠大的增益獲得足夠大的增益反射膜厚度反射膜厚度/ 4 = 獲得所需波長獲得所需波長選擇環路周長選擇環路周長 = 形成同相駐波形成同相駐波端面鏡片端面鏡片 = 獲得偏振光獲得偏振光 第4頁/共21頁第五頁，共21頁。設激光環繞一周設激光環繞一周(y zhu)(y zhu)的光程為的光程為 L L，是激光波長，是激光波長的整數倍的整數倍 q q，即，即 = L / q = L / q 激光頻率為激光頻率為 Vq Vq，則，則

7、 Vq= c Vq= c 故故 Vq = cq / L Vq = cq / L當諧振腔以當諧振腔以繞其平面繞其平面(pngmin)法線旋轉法線旋轉Va = cq / LaVb = cq / Lb兩束激光的頻差兩束激光的頻差 aabaabLLqcLLVVV)(224LqccALqcLKLALAq442兩束激光的頻差正比于輸入角速度兩束激光的頻差正比于輸入角速度其干涉條紋以一定其干涉條紋以一定(ydng)的速度移動的速度移動 第5頁/共21頁第六頁，共21頁。例：三角形諧振腔邊長=111.76mm 激光(jgung)波長= 0.6328m 用來測地球(dqi)轉動角速度 LAV456021029.

8、 7106328. 011176. 032/60sin11176. 04Hz43. 7第6頁/共21頁第七頁，共21頁。激光介質：氦氖氣體激光介質：氦氖氣體(qt)(qt)（頻譜純度高、反向散射小）（頻譜純度高、反向散射小） 腔體材料腔體材料(cilio)(cilio)：熔凝石英、：熔凝石英、Cer-vitCer-vit陶瓷陶瓷 諧振腔尺寸諧振腔尺寸：周長：周長200450mm 諧振腔形狀諧振腔形狀：三角形、四邊形：三角形、四邊形 （優缺點：（優缺點： K = 4A / L） 裝配組合裝配組合：分離式、：分離式、整體式整體式 整體式激光陀螺介紹整體式激光陀螺介紹 諧振腔和光路諧振腔和光路 反射

9、鏡的安裝（反射膜、凹面、半透）反射鏡的安裝（反射膜、凹面、半透） 氦氖氣體氦氖氣體 陰陽電極：雙陽極陰陽電極：雙陽極 控制回路：凹鏡、激勵電壓控制回路：凹鏡、激勵電壓 第7頁/共21頁第八頁，共21頁。三軸整體式：用于捷聯慣導系統三軸整體式：用于捷聯慣導系統 集三個諧振腔于一塊集三個諧振腔于一塊(y kui)腔體材料腔體材料 兩種三軸整體式光路方案兩種三軸整體式光路方案(fng n)1. 三角形的光路方案三角形的光路方案(fng n)（9反射鏡）反射鏡） 2.四邊形的光路方案（四邊形的光路方案（6反射鏡）反射鏡）優點：體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好（第二代激光陀螺技術）優點：體積小、重量輕

10、、結構簡單、可靠性好（第二代激光陀螺技術） 工藝改進對陀螺儀性能的影響工藝改進對陀螺儀性能的影響：Cer-vit陶瓷取代熔凝適應，提高了穩定性并解決了氦氣泄漏陶瓷取代熔凝適應，提高了穩定性并解決了氦氣泄漏采用光膠和接觸焊的方法，避免了環氧樹脂雜氣對介質的污染。采用光膠和接觸焊的方法，避免了環氧樹脂雜氣對介質的污染。新的反射鏡涂層工藝，解決了涂層變質問題新的反射鏡涂層工藝，解決了涂層變質問題 第8頁/共21頁第九頁，共21頁。激光陀螺誤差激光陀螺誤差(wch)(wch)源：不同于轉子陀螺源：不同于轉子陀螺誤差誤差(wch)(wch)分類分類 零偏誤差零偏誤差：輸入角速度為零時激光陀螺的頻差輸出（

11、：輸入角速度為零時激光陀螺的頻差輸出（0 / h） 主要原因主要原因：郎繆爾流效應：郎繆爾流效應 直流放電，激活原子移向陽極直流放電，激活原子移向陽極陽極的激活原子向陰極擴散陽極的激活原子向陰極擴散兩種作用綜合，形成郎繆爾流兩種作用綜合，形成郎繆爾流導致激光在介質中傳播時折射率不同，造成附加光程差及頻差輸出導致激光在介質中傳播時折射率不同，造成附加光程差及頻差輸出補償措施補償措施：雙陽極方案：雙陽極方案 第9頁/共21頁第十頁，共21頁。標度因數標度因數(ynsh)(ynsh)誤差誤差 激光激光(jgung)(jgung)陀螺頻差輸出公式陀螺頻差輸出公式 KV LAK4K值不穩定，也會引起輸出

12、誤差值不穩定，也會引起輸出誤差K值大小的影響因素值大小的影響因素： 諧振腔周長諧振腔周長 諧振腔形狀諧振腔形狀 激光波長激光波長(0.6328 / 1.15 / 3.39 ) K值穩定性控制途徑值穩定性控制途徑： 激光波長激光波長 諧振腔周長諧振腔周長 280mm 0.010/h 510- -6 120mm 0.10/h 310- -4 自鎖效應自鎖效應 自鎖區：自鎖區： - -LL 典型值：典型值：3600/h 第10頁/共21頁第十一頁，共21頁。產生原因：反射鏡的反向產生原因：反射鏡的反向(fn xin)(fn xin)散射散射 順時針傳播光束順時針傳播光束 A 的反向散射的反向散射 A

13、A 和逆時針傳播光束和逆時針傳播光束 B 相耦合相耦合頻率頻率(pnl)牽引（牽引（B 與與 A 頻率頻率(pnl)趨同）趨同）類似地，類似地，A 與與 B 也頻率也頻率(pnl)趨同趨同最終最終A與與B頻率頻率(pnl)趨同，無頻差輸出趨同，無頻差輸出 克服自鎖效應的途徑克服自鎖效應的途徑： 正面途徑：盡力減小自鎖區（提高光學元件質量和氣體純度）正面途徑：盡力減小自鎖區（提高光學元件質量和氣體純度） 間接途徑：偏頻間接途徑：偏頻 輸出偏置量輸出偏置量0，工作點移出自鎖區，工作點移出自鎖區 )(0KV0/KV第11頁/共21頁第十二頁，共21頁。機械恒定偏頻：使激光陀螺繞輸入機械恒定偏頻：使激

14、光陀螺繞輸入(shr) (shr) 軸相對基座以足夠大的軸相對基座以足夠大的00恒速旋轉恒速旋轉 缺點：陀螺體積重量缺點：陀螺體積重量(zhngling)增大，增大，0難控難控機械抖動偏頻：采用高頻角振動機械抖動偏頻：采用高頻角振動 諧振腔按曲線諧振腔按曲線 1 的相對基座振動的相對基座振動當基座相對慣性空間無轉動時，當基座相對慣性空間無轉動時， 諧振腔按曲線諧振腔按曲線 1 相對慣性空間振動相對慣性空間振動 輸出頻差均值為零輸出頻差均值為零當基座以當基座以A相對慣性空間旋轉相對慣性空間旋轉 諧振腔按曲線諧振腔按曲線 2 相對慣性空間振動相對慣性空間振動 正半周輸出頻差平均值大于負半周正半周輸

15、出頻差平均值大于負半周 陀螺輸出頻差均值不為零陀螺輸出頻差均值不為零 輸出均值能夠反映輸出均值能夠反映A的大小和方向的大小和方向 第12頁/共21頁第十三頁，共21頁。引入機械抖動引入機械抖動(dudng)(dudng)后的輸入輸出曲線后的輸入輸出曲線 機抖偏頻是目前最成熟的偏頻方案機抖偏頻是目前最成熟的偏頻方案(fng n)，尤其適用三軸整體式的激光陀螺，尤其適用三軸整體式的激光陀螺 磁鏡偏頻磁鏡偏頻：橫向克爾磁光效應橫向克爾磁光效應對稱入射的線偏振光對稱入射的線偏振光施加垂直于入射面的橫向磁場施加垂直于入射面的橫向磁場產生相位差或光程差產生相位差或光程差把激光陀螺的一個反射鏡做成磁鏡把激光

16、陀螺的一個反射鏡做成磁鏡磁場周期性變化，產生周期性偏頻磁場周期性變化，產生周期性偏頻 第13頁/共21頁第十四頁，共21頁。圓形環路圓形環路(hun l) Sagnac (hun l) Sagnac 干涉儀，光路分析：干涉儀，光路分析： 當干涉儀相對慣性空間無轉動當干涉儀相對慣性空間無轉動 兩束光繞行一周的光程兩束光繞行一周的光程(un chn)相等相等 RLLLba2繞行時間繞行時間 cRcLttba2當干涉儀繞法向軸以當干涉儀繞法向軸以轉動，轉動， 則兩束光出現光程差則兩束光出現光程差 對于對于 a 束光束光 aatRRL2并且并且 ctRRtaa2第14頁/共21頁第十五頁，共21頁。求

17、解求解(qi ji) La (qi ji) La 得到得到 cRRLa/12類似地，對于類似地，對于(duy)(duy)光束光束 b b cRRLb/12兩束光之間的光程差兩束光之間的光程差 baLLL2)/(12)/2(cRRcRcR24兩束光之間的相位差兩束光之間的相位差 2L242cRcRR4)2(cRl4對于對于 N N 匝光纖環的情況匝光纖環的情況 cRlN4KK 稱為光纖陀螺的標度因數稱為光纖陀螺的標度因數在光纖線圈半徑一定的情況下，可通過增加線圈的匝數提高測量的靈敏度在光纖線圈半徑一定的情況下，可通過增加線圈的匝數提高測量的靈敏度 直徑直徑 10 cm內可纏繞內可纏繞500250

18、0米米 第15頁/共21頁第十六頁，共21頁。光纖陀螺原理圖，光路分析：光纖陀螺原理圖，光路分析：當光纖線圈當光纖線圈(xinqun)繞中心軸無旋轉，繞中心軸無旋轉， 檢測器上產生峰值干涉條紋檢測器上產生峰值干涉條紋 檢測器輸出電流最大檢測器輸出電流最大 當光纖線圈繞中心軸旋轉當光纖線圈繞中心軸旋轉 產生相差，干涉產生相差，干涉(gnsh)條紋橫移條紋橫移 檢測器輸出電流改變檢測器輸出電流改變 )cos1 (0 II 在在 = 0 附近，靈敏度最低。附近，靈敏度最低。對策對策：增加相位偏置，工作點移至：增加相位偏置，工作點移至/2處處 第16頁/共21頁第十七頁，共21頁。固定相位固定相位(x

19、ingwi)(xingwi)偏置：幅值難以穩定控制偏置：幅值難以穩定控制 交流相位交流相位(xingwi)(xingwi)偏置：交變幅值為偏置：交變幅值為/2 /2 當輸入相移當輸入相移=0，檢測器的輸出情況（如上），檢測器的輸出情況（如上） 當輸入相移當輸入相移0，檢測器的輸出情況如下，檢測器的輸出情況如下I 均值大小的改變量與均值大小的改變量與成正弦成正弦正負可由一次諧波相位判斷正負可由一次諧波相位判斷相位調制、相位調制器（相位調制、相位調制器（PMPM） 第17頁/共21頁第十八頁，共21頁。PM 相位相位(xingwi)調制器調制器PSD 相敏解調器相敏解調器 工作原理：工作原理：發自發自 LR 的光被的光被 SL 分成兩束分成兩束兩束光分別從光纖線圈兩端進入兩束光分別從光纖線圈兩端進入分別從光纖線圈另一端導出分別從光纖線圈另一端導出中間都經過相位調制器中間都經過相位調制器 PM兩束光經兩束光經 SL 匯合，匯合，