光纖陀螺概述光纖陀螺的定義、簡介、特點；光纖陀螺的分類；光纖陀螺的工作原理；光纖陀螺的誤差分析；光纖陀螺的應用與發展。內容安排中文名：光纖陀螺英文名:FiberOpticalGyro定義：應用激光及光導纖維技術測量物體相對于慣性空間的角速度或轉動角度的無自轉質量的新型光學陀螺儀。第1節光纖陀螺的定義、簡介、特點簡介：光纖陀螺是一種用于慣性導航的光纖傳感器。陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器。光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是根據近代物理學原理制成的具有陀螺效應的傳感器。因其無活動部件——高速轉子，稱為固態陀螺儀。第1節光纖陀螺的定義、簡介、特點與機電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點：(1)零部件少，儀器牢固穩定，具有較強的抗沖擊和抗加速運動的能力；(2)繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個數量級；(3)無機械傳動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；(4)易于采用集成光路技術，信號穩定，且可直接用數字輸出，并與計算機接口聯接；第1節光纖陀螺的定義、簡介、特點與機電陀螺、激光陀螺相比，具有如下特點：(5)通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環傳播次數，

可以實現不同的精度，并具有較寬的動態范圍；(6)相干光束的傳播時間短，因而原理上可瞬間啟動，無需預熱；(7)可與環形激光陀螺一起使用，構成各種慣導系統的傳感器，尤其是捷聯式慣導系統的傳感器；(8)結構簡單、價格低，體積小、重量輕。第1節光纖陀螺的定義、簡介、特點按工作原理：干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，目前應用最廣泛；諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)；受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)按光學系統的構成：集成光學型和全光纖型光纖陀螺

按回路類型：開環光纖陀螺和閉環光纖陀螺第2節纖陀螺的分類光纖陀螺的基本原理是基于Sagnac

效應,如圖1所示,在同一光學回路中,沿順時針方向(CW)逆時針方向(CCW)傳播的兩束光,當回路繞垂直于自身的軸轉動時將使兩束光產生相位差,該相位差的大小與光回路的旋轉速率成比例。第3節光纖陀螺的工作原理圖1:Sagnac效應原理圖光纖陀螺的實現如圖2所示,從光源發出的光經分束器后分為兩束,分別沿順時針方向及逆時針方向進入光纖環傳輸。在慣性參考系中,當環形回路以角速度作順時針旋轉時,由Fizeau

效應有:。第3節光纖陀螺的工作原理圖2光纖陀螺工作原理圖由式(1)-(2)計算可得:第3節光纖陀螺的工作原理進而可以求得兩束光之間的相位差:實際上為了提高測量精度、減小陀螺體積,一般將總長度為L的光纖繞制成N匝直徑為D的線圈,則(4)式可修正為:第3節光纖陀螺的工作原理式中:為環形光纖回路所圍的面積,K為光波波長。通過解調相位差,就可以利用上式求出陀螺的旋轉角速度。干涉型光纖陀螺（I-FOG）在結構上就是如圖2所示的Sagnac

干涉儀,通過檢測干涉光強得到光的相位變化信息。光強與相移的關系是一個隆起的余弦函數:第3節光纖陀螺的工作原理第3節光纖陀螺的工作原理第3節光纖陀螺的工作原理由(6)式和圖3可見,在輸入角速度很小的情況下,光探測器輸出信號的敏感度為零,而且不能辨別角速度

的方向。為了獲得輸出信號最大敏感度,并能分辨

的極性,應進行

相位偏置調制,使陀螺工作在靈敏度和線性度均最高的區域。圖3干涉式光纖陀螺的響應第3節光纖陀螺的工作原理開環式I-FOG直接檢測干涉后的Sagnac

相移,并通過在光纖線圈的一端放置壓電陶瓷環PZT,作為產生

相位偏置

的調制器。結構如圖4所示。圖4開環I-FOG結構框圖調制之后干涉光強度為:第4節光纖陀螺的誤差分析圖5光纖陀螺噪聲來源機理低精度的光纖陀螺的噪聲主要表現為白噪聲，而在中、高精度光纖陀螺的輸出噪聲中，除了高斯白噪聲外，還包含了具有自相似性的分型噪聲。分形噪聲是一種具有長程相似性、自相似性及類型普度特點的非平穩噪聲。第4節光纖陀螺的誤差分析從誤差特性的角度來分析，光纖陀螺的噪聲主要包括量化噪聲、隨機游走、偏置不穩定性和速率隨機游走。其中，隨機游走系數的主要來源是光源的的相對強度噪聲、探測器的電噪聲和散粒噪聲以及相關時間比采樣時間短的其他高頻噪聲項和光線陀螺中的二階背向散射，這些噪聲均可用白噪聲描述。零偏不穩定性源于法拉第磁場效應、溫度波動引起的飄移或其他低頻環境噪聲以光纖陀螺中的偏振演變和探測器的閃爍噪聲。第4節光纖陀螺的誤差分析由于光纖陀螺的種種優點的存在,使其取得了相當廣泛的應用。第5節光纖陀螺的應用與發展圖6陀螺的零偏穩定性陀螺的應用領域主要是由陀螺零偏穩定性決定的,由此可見光纖陀螺的應用幾乎覆蓋了目前所需要的全部領域,見表1。第5節光纖陀螺的應用與發展第5節光纖陀螺的應用與發展

光纖陀螺的應用領域在立足陸用的同時,向航空、航海和航天領域發展,如布撒器、制導導彈、艦載火炮以及潛艇、衛星等。將來光纖陀螺必將在更為廣泛的領域發揮重要的作用。光纖陀螺代表著未來慣性器件的發展方向,世界各國都在