惯性元件惯性元件——激光陀螺激光陀螺惯性导航篇惯性导航篇 转子式陀螺与激光陀螺的比较转子式陀螺与激光陀螺的比较•转子式陀螺转子式陀螺•工作原理工作原理•牛顿力学根底上牛顿力学根底上•动量矩定理动量矩定理•动量矩〔角动量〕动量矩〔角动量〕H•机械旋转产生的机械旋转产生的•问题：支承问题：支承•导致：本钱高导致：本钱高•激光陀螺激光陀螺•工作原理工作原理•量子力学根底上量子力学根底上•特点：固体型、不需特点：固体型、不需要活动部件，不存在要活动部件，不存在支承问题支承问题 光学陀螺概述光学陀螺概述1 1 Ø激光陀螺：针对捷联惯导需求激光陀螺：针对捷联惯导需求Ø根根本本原原理理：：Sagnac效效应应，，工工作作物质是激光束，全固态陀螺物质是激光束，全固态陀螺Ø优点优点Ø结结构构简简单单、、性性能能稳稳定定、、动动态态范范围围宽宽、、启启动动快快、、反反响响快快、、过过载载大、可靠性高、数字输出大、可靠性高、数字输出Ø开展开展Ø1960 激光器出现激光器出现Ø1963 Sperry 制成首台样机制成首台样机Ø1970s中中 精度突破，达惯性级精度突破，达惯性级Ø1980s 初开始应用于各个领域初开始应用于各个领域 Ø早期研制的机构早期研制的机构ØHoneywell：：三三角角谐谐振振腔腔，，机械抖动偏频机械抖动偏频ØLitton：：四四边边形形谐谐振振腔腔，，机机械抖动偏频械抖动偏频ØSperry：：三三角角谐谐振振腔腔，，磁磁镜偏频镜偏频Ø国内研制、应用状况国内研制、应用状况Ø1970s中后期中后期 开始研制，开始研制，Ø1990前后前后 进入实用进入实用Ø1990s中后期中后期 应用到达顶峰应用到达顶峰Ø面临问题面临问题Ø本本钱钱较较高高、、体体积积偏偏大大、、不不能完全适应捷联系统的要求能完全适应捷联系统的要求 光学陀螺概述光学陀螺概述2 2Ø光纤陀螺仪光纤陀螺仪：适应捷联系统需求：适应捷联系统需求 Ø根根本本原原理理：：同同激激光光陀陀螺螺，，只只是是用外部激光源，用光导纤维传播。
用外部激光源，用光导纤维传播Ø优点：本钱低、体积小重量轻优点：本钱低、体积小重量轻Ø开展：开展：Ø1970s 光纤技术开展光纤技术开展Ø1976 年年犹犹它它大大学学瓦瓦里里设设想想和和演演示示Ø1978 麦麦道道研研制制出出第第一一个个实实用用产产品品Ø1980s后后 ，， Littion，， Honeywell，，Draper 等等公公司司以以及及英英、、法法、、德德、、日、苏等国也展开了研制日、苏等国也展开了研制 Ø国内国内Ø1980s初初，，原原理理研研究究、、试验〔少数大学〕试验〔少数大学〕Ø1980s末，实质性研制末，实质性研制Ø2000s，进入实用阶段，进入实用阶段Ø精度：精度：Ø国外国外 0.001 0/hØ国内国内 0.01 0/h 萨格奈克萨格奈克(Sagnac)干预仪干预仪——光路光路ØSagnac 干预干预 测量的根底测量的根底 Ø提出提出：由：由 Sagnac 于于 1913年年 ØSagnac 干预仪干预仪 光路传播光路传播Ø当当干干预预仪仪相相对对惯惯性性空空间间无无转动，那么转动，那么 A、、B 两路光程两路光程Ø La = Lb = L 当当干干预预仪仪以以ω相相对对惯惯性性空空间间旋旋转，那么会引起两路光程不等。
转，那么会引起两路光程不等推导光程差推导光程差别离点的切向线速度别离点的切向线速度 v 在分束点两侧光路的投影都为在分束点两侧光路的投影都为 光束光束 a 逆行一周，回到分束点逆行一周，回到分束点时多走了一段光程时多走了一段光程 另有另有 SagnacSagnac干预仪干预仪————光程差光程差求解方程组，得到求解方程组，得到 类似，对光束类似，对光束 b，可求得，可求得 两束光回到分束点时光程差两束光回到分束点时光程差 因因 c 远大于远大于 Lωω，上式近似为，上式近似为 光光程程差差与与输输入入角角速速度度成成正正比比——该该结结论论对对其其它它形形状状的环路也成立的环路也成立迈克尔逊实验：迈克尔逊实验：矩形面积矩形面积 A = 600×300 m2光源波长光源波长计算得：计算得：，即，即 λ/ 4干干预预条条纹纹只只移移动动了了 1/ 4 条条纹间距纹间距如如果果用用来来测测量量 0.015 0/h 的的角角速速度度，，测测量量精精度度无无法法保保证证 激光陀螺激光陀螺 频差测量频差测量例：三角谐振腔边长例：三角谐振腔边长=111.76mm 激光波长激光波长λμλμm 用来测地球转动角速度用来测地球转动角速度 激光陀螺激光陀螺 结构工艺结构工艺 Ø激光介质：氦氖气体〔频谱激光介质：氦氖气体〔频谱纯度高、反向散射小〕纯度高、反向散射小〕 Ø腔体材料腔体材料：熔凝石英、陶瓷：熔凝石英、陶瓷 Ø腔体尺寸腔体尺寸：周长：周长200～～450mm Ø谐振腔形状：三角、四边谐振腔形状：三角、四边Ø 〔〔优优缺缺点点：： K = 4A / Lλ〕〕 Ø装配组合：别离、整体式装配组合：别离、整体式 Ø整体式激光陀螺介绍整体式激光陀螺介绍Ø 谐振腔和光路谐振腔和光路Ø 反反射射镜镜〔〔反反射射膜膜、、凹凹面面、、半半透透〕〕Ø 氦氖气体氦氖气体Ø 阴阳电极：双阳极阴阳电极：双阳极Ø 控制回路：凹镜、鼓励电压控制回路：凹镜、鼓励电压 激光陀螺激光陀螺 三轴整体三轴整体Ø三三轴轴整整体体式式：：适适应应捷捷联联系系统统，， 集三个谐振腔于一块材料集三个谐振腔于一块材料 Ø两种三轴整体式光路方案两种三轴整体式光路方案Ø1. 三角形方案〔三角形方案〔9反射镜〕反射镜〕 2.四边形方案〔四边形方案〔6反射镜〕反射镜〕优优点点：：体体积积小小重重量量轻轻、、结结构构简简单、可靠性好〔第二代技术〕单、可靠性好〔第二代技术〕 Ø工艺改进对陀螺性能的影响：工艺改进对陀螺性能的影响：ØCer-vit陶陶瓷瓷取取代代石石英英，，提提高高了稳定性并解决了氦气泄漏了稳定性并解决了氦气泄漏Ø采采用用光光胶胶和和接接触触焊焊，，防防止止了了环氧树脂杂气对介质的污染。
环氧树脂杂气对介质的污染Ø新新的的反反射射镜镜涂涂层层工工艺艺，，解解决决了涂层变质问题了涂层变质问题 激光陀螺激光陀螺 零偏误差零偏误差 Ø激光陀螺误差源激光陀螺误差源：异于机械式：异于机械式误差分类误差分类 Ø零偏误差：输入角速度为零零偏误差：输入角速度为零时激光陀螺的频差输出〔时激光陀螺的频差输出〔0 / 0 / h h〕〕 Ø主要原因：郎缪尔流效应主要原因：郎缪尔流效应 Ø直流放电激活原子直流放电激活原子→阳极阳极Ø阴极阴极←阳极激活原子阳极激活原子Ø综合形成郎缪尔流综合形成郎缪尔流Ø导导致致激激光光在在介介质质中中折折射射率率不不同，造成附加光程差同，造成附加光程差Ø补偿措施：补偿措施：双阳极方案双阳极方案 激光陀螺激光陀螺 标度因数与自锁误差标度因数与自锁误差Ø标度因数误差标度因数误差 激光陀螺频差输出公式激光陀螺频差输出公式 K值不稳定，也引起误差值不稳定，也引起误差K值大小的影响因素：值大小的影响因素： 谐振腔周长谐振腔周长 谐振腔形状谐振腔形状 激光波长激光波长(0.6328 / 1.15 / 3.39 ) K值稳定性控制途径：值稳定性控制途径： 激光波长激光波长 谐振腔周长谐振腔周长0/h ～～ 5×10- -6 120mm ～～0/h ～～ 3××10- -4 Ø自锁自锁(Lock in)误差误差 自锁区：自锁区： - -ωL～～ωL 典型值：典型值：3600/h 激光陀螺激光陀螺 自锁原因及对策自锁原因及对策产生原因产生原因：反射镜反向散射：反射镜反向散射 Ø顺时光束顺时光束 A 的反向散射的反向散射 A’ØA’ 和逆时光束和逆时光束 B 耦合耦合Ø牵引〔牵引〔B 与与 A’ 频率趋同〕频率趋同〕Ø类似，类似，A 与与 B’ 也频率趋同也频率趋同ØA与与B频率趋同，无频差输出频率趋同，无频差输出 克服自锁的途径：克服自锁的途径： 正正面面：：尽尽力力减减小小自自锁锁区区〔〔提提高高光学元件质量和气体纯度〕光学元件质量和气体纯度〕 间接途径：偏频间接途径：偏频 加偏置加偏置ωω0，工作点移出自锁区，工作点移出自锁区 激光陀螺激光陀螺 机械抖动偏频机械抖动偏频机械恒定偏频机械恒定偏频：使激光陀螺绕输入：使激光陀螺绕输入 轴相对基座以足够大的轴相对基座以足够大的ωω0恒速旋转恒速旋转 缺点：陀螺体积重量增大，缺点：陀螺体积重量增大，ω0难控难控机机械械抖抖动动偏偏频频：：采采用用高高频频角角振振动动(Mechanical Dithering) 谐振腔按曲线谐振腔按曲线 1 的相对基座振动的相对基座振动Ø当基座相对惯性空间无转动时，当基座相对惯性空间无转动时， 谐振腔按曲线谐振腔按曲线 1 相对惯性空间振动相对惯性空间振动 输出频差均值为零输出频差均值为零Ø当基座以当基座以ωA相对惯性空间旋转相对惯性空间旋转 谐振腔按曲线谐振腔按曲线 2 相对惯性空间振动相对惯性空间振动 正半周输出频差平均值大于负半周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陀螺输出频差均值不为零 输出均值能够反映输出均值能够反映ωωA的大小和方向的大小和方向 激光陀螺激光陀螺 磁镜偏频磁镜偏频 引入机械抖动后的输入输出曲线引入机械抖动后的输入输出曲线 机机抖抖偏偏频频是是目目前前最最成成熟熟的的偏偏频频方方案案，，尤其适用三轴整体式的激光陀螺尤其适用三轴整体式的激光陀螺 磁镜磁镜(Magnetic Mirror)偏频偏频：：横向横向克尔磁光效应克尔磁光效应Ø对称入射的线偏振光对称入射的线偏振光Ø施加垂直于入射面的横向磁场施加垂直于入射面的横向磁场Ø产生相位差或光程差产生相位差或光程差Ø把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜Ø磁场周期性变化，产生周期性偏频磁场周期性变化，产生周期性偏频 光纤陀螺光纤陀螺 光纤陀螺光纤陀螺 Sagnac Sagnac干预仪的改进干预仪的改进环路环路 Sagnac Sagnac 干预仪，光路分析：干预仪，光路分析： Ø当干预仪相对惯性空间无转动当干预仪相对惯性空间无转动Ø 两束光绕行一周的光程相等两束光绕行一周的光程相等 绕行时间绕行时间 Ø当干预仪绕法向轴以当干预仪绕法向轴以ω转动，转动，Ø 那么两束光出现光程差那么两束光出现光程差Ø 对于对于 a 束光束光 并且并且 光纤陀螺光纤陀螺 原理公式原理公式求解求解 La 得到得到 类似地，对于光束类似地，对于光束 b 两束光之间的光程差两束光之间的光程差 两束光之间的相位差两束光之间的相位差 对于对于 N N 匝光纤环的情况匝光纤环的情况 ØK 称光纤陀螺标度因数称光纤陀螺标度因数Ø在在光光纤纤线线圈圈半半径径一一定定的的情情况况下下，，可可通通过过增增加加线线圈圈的的匝匝数提高测量的灵敏度数提高测量的灵敏度 直径直径10 cm可绕可绕500～～2500m 光纤陀螺光纤陀螺 相位偏置相位偏置 光纤陀螺原理图，光路分析：光纤陀螺原理图，光路分析：当光纤线圈绕中心轴无旋转，当光纤线圈绕中心轴无旋转， 检测器上产生峰值干预条纹检测器上产生峰值干预条纹 检测器输出电流最大检测器输出电流最大 Ø当光纤线圈绕中心轴旋转当光纤线圈绕中心轴旋转Ø 产产生生相相差差，，干干预预条条纹纹横横移移Ø 检测器输出电流改变检测器输出电流改变 在在 Δφ= 0 附近灵敏度最低。
附近灵敏度最低Ø对策对策：增加相位偏置：增加相位偏置(Phase Biasing)，工作点移至，工作点移至ππ/2处处 光纤陀螺光纤陀螺 交流相位偏置交流相位偏置 固定相位偏置固定相位偏置：幅值难控：幅值难控交流相位偏置交流相位偏置：交变幅值：交变幅值ππ/2 Ø当输入相移当输入相移Δφ=0Δφ=0，检测，检测器的输出情况〔如上〕器的输出情况〔如上〕 Ø当输入相移当输入相移Δφ≠Δφ≠0，检测器，检测器的输出情况如下的输出情况如下I 均值的改变量与均值的改变量与Δφ成正弦成正弦Δφ正负由一次谐波相位判断正负由一次谐波相位判断相位调制、相位调制器〔相位调制、相位调制器〔PM〕〕 光纤陀螺光纤陀螺 开环干预型开环干预型PM 相位调制器相位调制器PSD 相敏解调器相敏解调器 工作原理：工作原理： LR 光源被光源被 SL 分成两束分成两束两束光分别从光纤线圈两端进入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分别从光纤线圈另一端导出中间都经过相位调制器中间都经过相位调制器 PM两束光经两束光经 SL 集合，集合，由检测器由检测器 D 接收，输出电流接收，输出电流经过相敏解调器经过相敏解调器 PSD 解调解调得到直流分量〔正比于得到直流分量〔正比于Δφ〕〕开环干预型开环干预型缺点：存在明显非线性缺点：存在明显非线性 测量范围较小测量范围较小 精度较低精度较低 光纤陀螺光纤陀螺 闭环干预型闭环干预型引引入入伺伺服服放放大大器器 SF 和和相相位位变换器变换器PT，，构成闭环系统构成闭环系统 闭环测量原理闭环测量原理：：Ø检测器检测器 D 的输出经的输出经 PSD 解调解调Ø解调信号经解调信号经 SF 放大放大Ø驱动相位变换器驱动相位变换器 PTØ相位变换器相位变换器 PT 产生相移产生相移ΔθØΔθ和和ω产生的相移产生的相移Δφ抵消抵消Ø解调器输出被控制在零位附近解调器输出被控制在零位附近ØPT 产产生生的的相相移移Δθ作作为为光光纤纤陀陀螺的输出螺的输出 特特点点：：陀陀螺螺仪仪的的工工作作点点一一直直保保持性度、灵敏度最高的位置。
持性度、灵敏度最高的位置 光纤陀螺光纤陀螺 闭环谐振型闭环谐振型Ø来自来自 LR 的激光经分束器的激光经分束器 SL 别离，从两端进入光纤线圈〔谐振器〕别离，从两端进入光纤线圈〔谐振器〕Ø光纤陀螺绕输入轴旋转时，两束光的谐振频率改变，光纤陀螺绕输入轴旋转时，两束光的谐振频率改变，Ø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 。