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1、激光陀螺概述,机械陀螺：刚体转子和振动陀螺仪,捷联惯导系统：大角度大速率 转子陀螺难满足，激光光纤陀螺出现 基本原理：Sagnac效应，工作物质是激光束，全固态陀螺 优点 结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载大、可靠性高、数字输出 发展 1960 激光器出现 1963 Sperry 制成首台激光陀螺样机 1970s中 精度突破，达惯性级 1980s 初开始应用于各个领域,早期研制的机构 Honeywell：三角形谐振腔，机械抖动偏频 Litton：四边形谐振腔，机械抖动偏频 Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频 国内研制、应用状况 1970s中后期 开始研制， 1990前后 进入
2、实用 1990s中后期 应用达到高峰 面临问题 成本较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求,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/
3、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
4、它形状的环路也成立。 迈克尔逊实验： 矩形面积 A = 600300 m2 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
5、= 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= 0.6328m,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
6、,谐振腔尺寸：周长200450mm,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
7、，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
8、径： 激光波长,谐振腔周长 280mm 0.010/h 510-6 120mm 0.10/h 310-4,自锁效应,自锁区： -LL 典型值：3600/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
9、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
10、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
11、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
12、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,
