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1、第七章 光学陀螺7.1 概述7.2干涉式光纤陀螺的基本原理7.3干涉式光纤陀螺关键技术7.4干涉式光纤陀螺性能参数7.5干涉式光纤陀螺误差源7.2.1 萨格奈克效应7.2干涉式光纤陀螺的基本原理7.2.2 光纤陀螺的互易性结构7.2.3 干涉式光纤陀螺的工作原理7.2.4 光纤陀螺的基本测量极限 7.2.1 萨格奈克效应圆形环路圆形环路 Sagnac 干涉仪，干涉仪，光路分析：光路分析： 当干涉仪相对惯性空间无转动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两束光绕行一周的光程相等 绕行时间绕行时间 当干涉仪绕法向轴以当干涉仪绕法向轴以转动，转动， 则两束光出现光程差则两束光出现光程差
2、 对于对于 a 束光束光 并且并且 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 K 称为光纤陀螺的标度因数称为光纤陀螺的标度因数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数提提高高测测量量的的灵敏度灵敏度 直径直径 10 cm内可缠绕内可缠绕5002500米米 真空中中sagnac效应逆时针传输的光的传播速度 顺时针传输的光的传播速度 环形光路的半径，单位m； 环形光路转动的角速度，单位rad/s； 光
3、路中顺时针传输光的传播的速度，单位m/s； 光路中逆时针传输光的传播的速度，单位m/s。介质中sagnac效应光纤环圈中绕行一周的时间 介质中sagnac效应7.2.2 光纤陀螺的互易性结构全数字闭环系统方案结构图ASEPIN光纤环逻辑电路A/DD/A干涉光强信号调制电压信号转速信号宽带光源光电检测器耦合器Y波导7.2.2 光纤陀螺的互易性结构全数字闭环系统方案结构图本课时主要解决的两个问题 二、光纤陀螺互易性结构需满足的条件？一、光纤陀螺互易性结构的作用？7.2.2 光纤陀螺的互易性结构一、光纤陀螺互易性结构的作用一、光纤陀螺互易性结构的作用 互易性要求萨格奈克光纤干涉仪的两束反向传播光波应
4、具有相同的传输特性，这样各种因素引起的两束光波的附加相移是相同的。当两束光波发生干涉时，互易性结构具有很好的“共模抑制”作用，可以消除各种寄生效应，从而能够非常灵敏地测量旋转引起的“非互易”相移。二、光纤陀螺互易性结构需满足的条件二、光纤陀螺互易性结构需满足的条件1、分束器的互易性2、单模互易性3、偏振互易性1、分束器互易性 (1)半透反射镜互易性(2) 22光纤耦合器互易性 1) 1) 理想半透反射镜理想半透反射镜反射光波振幅反射相位透射光波振幅透射相位反射光波振幅反射相位透射光波振幅透射相位 (1)(1)半透反射镜互易性半透反射镜互易性输入光波同相到分束器，因为因此，根据能量守恒，得到结论
5、：对于理想的分束器，反射光波与透射光波之间有结论：对于理想的分束器，反射光波与透射光波之间有相位差相位差从而，根据分光比为1:1，因此有2)2)非理想半透反射镜非理想半透反射镜厚度不为零，两侧的反射系数不同，即： 对于端口A的干涉光波顺时针光波累积相位逆时针光波累积相位光纤环的相位延迟透射光波经过分束器的相位光波在分束器A侧反射传播时产生的相位两束光波之间的相位差相长干涉对于端口B的干涉光波顺时针光波累积相位逆时针光波累积相位光波在分束器B侧反射传播时产生的相位。两束光波之间的相位差 分束器无损耗分束器有损耗相消干涉端口B与端口A干涉光强不互补(2)(2) 2 22 2光纤耦合器互易性光纤耦合
6、器互易性 直通端口（1 3、2 4）与耦合端口（1 4、2 3）之间 存在着 相位差。 有任何一个端口i（i=1,2）至另一个端口j （j=3,4）的正反方向具 有相同的传递特性，称为光纤耦合器的互易性，即：无损耗有损耗干涉光强计算干涉光波的相位差干涉光波的相位差2 2、单模互易性、单模互易性 利用一段真正的单模波导，把光通过输入/输出公共端口入射进干涉仪中；返回的干涉光波沿相反方向通过同一段单模波导时，交叉耦合模式被滤波，这确保了两束返回光波沿着完全相同的光路，及相同的模式反向传播并干涉，称为单模互易性。3 3、偏振互易性、偏振互易性 光纤陀螺的输入/输出公共端口放置一个偏振模式滤波器，即偏
7、振器，光在入射进干涉仪时被滤波，仅允许以一种线性偏振态（与偏振器的传输轴平行）入射进干涉仪中，在干涉仪中沿相反方向传播并以相同的偏振态离开的光波发生干涉，其他偏振分量被偏振器滤波掉，则两束反向传播光波不产生相位误差，从而消除光波偏振态变化对陀螺性能的影响。小结小结光纤陀螺的互易性包括以下三个方面：光纤陀螺的互易性包括以下三个方面：（1）光纤耦合器的互易性 确保干涉信号的固有相位抵消为零（2）单模互易性 确保两束反向传播光波的绝对累积相位抵消为零（3）偏振互易性 确保干涉条纹最清晰满足上述互易性条件的光纤陀螺及其光学元件必须具备下列特点：满足上述互易性条件的光纤陀螺及其光学元件必须具备下列特点：
8、（1）光纤耦合器、光纤线圈和偏振器应具有光学互易性（2）输入/输出端口放置一个单模滤波器(单一模式、单一偏振模式)三、最小互易性光路结构三、最小互易性光路结构1、全光纤形式的光纤陀螺最小互易性结构2、采用多功能集成光学器件的光纤陀螺最小互易性结构7.2.3 干涉式光纤陀螺的工作原理干涉式光纤陀螺的工作原理（1）当Sagnac相移很小时，陀螺输出对旋转速率的灵敏度接近为零（2）由于响应曲线的对称性，无法确定Sagnac相移的符号（3）响应曲线具有周期性，在两个或多个周期上测量Sagnac相移时， 陀螺输出具有多值性。7.3.1 相位偏置调制技术7.3干涉式光纤陀螺关键技术7.3.4 全数字闭环实
9、现技术7.3.2偏置解调技术7.3.3 全数字闭环处理技术7.3.5 光纤陀螺的温度特性与绕环技术1、方波偏置调制原理通过偏置调制解决了陀螺输出的灵敏度和符号问题通过偏置调制解决了陀螺输出的灵敏度和符号问题7.3.1 相位偏置调制技术2、方波偏置调制实现0tV0m0mtt光纤环的渡越时间 0It0t偏置调制偏置调制光强响应光强响应检测光强信号检测光强信号静止静止旋转旋转静止时，有旋转时，有所以7.3.2偏置解调技术一、全数字闭环原理 闭环光纤陀螺的基本原理：在陀螺的敏感线圈中加入一个反馈控制元件，使两束反向传播光波之间引入一个非互易相位误差补偿旋转引起的Sagnac相移，使光纤陀螺始终工作在最
10、佳线性区内。7.3.3 全数字闭环处理技术1、闭环反馈调制技术反馈调制：反馈调制：解决光纤陀螺输出非线性问题、动态范围问题解决光纤陀螺输出非线性问题、动态范围问题工作点，线性区工作点，线性区非线性区非线性区转速恒定时转速恒定时但但有角加速度时有角加速度时确保工作在线性区内确保工作在线性区内即即确保工作在线性区内确保工作在线性区内没有反馈，开环工作没有反馈，开环工作有反馈，闭环工作有反馈，闭环工作2、闭环反馈解调技术线性关系线性关系第一个干涉周期第一个干涉周期第二个干涉周期第二个干涉周期本征周期本征周期解调周期解调周期3、转速的获得第一个解调周期内反馈相移为第一个解调周期内反馈相移为0第第i个解
11、调周个解调周期解调结果期解调结果反馈周期等于反馈周期等于解调周期，但解调周期，但延迟一个解调延迟一个解调周期进行反馈周期进行反馈第一个解调周期第一个解调周期第二个解调周期第二个解调周期第三个解调周期第三个解调周期第第n个解调周期个解调周期等式作用相加等式作用相加7.3.4 全数字闭环实现技术全数字闭环系统方案结构图一、全数字闭环方案全数字闭环方案信号处理电路框图数字信号处理原理框图复位周期7.3.5 光纤陀螺的温度特性与绕环技术自用空间的传播常数本地变化的折射率有效折射率温度系数热膨胀系数温度变化量一、Shupe非互易性误差 在时刻t到达光纤线圈输出端的顺时针光经过某坐标z的时间t=t-(L-
12、z)/cm，其中cm=c/n为光纤中的光速，有 逆时针光在不同的时刻（t-z/cm）经过某坐标z，则通过整个光纤线圈的相位延迟为：（1）（2） 顺时针光在t=t-(L-z)/cm时刻经过z点，在时刻（t-z/cm）经过坐标（L-z）点，顺时针光相位延迟为： 为热场作用顺时针光波和逆时针光波时，二者产生的相位差。 为热场作用顺时针光波和逆时针光波时，二者产生的相位差。（3）（2）- （1）（2）- （3） 如果相对光纤中点对称（z=L-z）两段光纤经历了同样的温度变化，那么热效应将抵消。 根据时间微分定义： 得：根据 得热瞬变过程引起的旋转速率误差：二、光纤陀螺绕环技术四极对称绕法（QAD）1、
13、柱形绕法（ZYL）2、单极对称绕法（SYM）3、两极对称绕法（DIP）4、四极对称绕法（ QAD ）一 第一层和第四层光纤的长度，m一 第二层和第三层光纤的长度，m一 每层中光纤的圈数一第一层光纤的半径，m一 两层光纤之间的半径差，m7.4干涉式光纤陀螺性能参数及测试方法一、标度因数 陀螺仪输出量与输入角速率的比值。它是用某一特定直线的斜率表示，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入输出数据，用最小二乘法拟合求得。1、定义 2、测试步骤 a 转台轴平行于地垂线，陀螺输入基准轴平行于转台轴。b均匀选取输入角速率，在正、反转方向输入角速率范围内，分别不能少于 11个角速率档，包括最大输入角速率
14、 c 接通电源，预热一段时间 d 转台正转，测试陀螺仪输出，停转；转台反转，测试陀螺仪输出，停转。 转台的输入角速率按从小到大的顺序改变 e 采样若干次陀螺仪的输出量，并求得在该输入角速率下陀螺仪输出的平均值。f 在测试开始和结束时,按相同的方法分别测试当转台静止时，陀螺仪输出的平均值，并在每个输入角速率点陀螺仪输出的平均值中剔除，作为陀螺仪的输出值。3、标度因数计算 第个输入角速率时，陀螺仪输出的平均值 陀螺仪第个输出值，o/s 采样次数 转台静止时，陀螺仪输出的平均值，o/s 测试开始前，陀螺仪输出的平均值，o/s测试结束后，陀螺仪输出的平均值，o/s 第个输入角速率时，陀螺仪输出值 第i
15、次测量时，第j个转台输入角速率陀螺仪输入、输出关系的线性模型 标度因数 拟合零位，o/s 输入角速率的个数 二、标度因数非线性度 第个输入角速度所对应拟合曲线上计算的陀螺仪输出值，o/s 第个输入角速度时陀螺仪输出的非线性偏差，ppm 最大的输入角速率时，陀螺仪输出的最大值，o/s标度因数非线性度，ppm。 在输入角速率的范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大的偏差值与最大的输出量之比 。三、标度因数的不对称度 根据测得的正转、反转输入角速率范围内的陀螺仪的标度因数及其平均值，按下式来计算标度因数的不对称度。标度因数的不对称度，ppm反向输入角速率范围内陀螺仪的标度因数正向输入角速
16、率范围内陀螺仪的标度因数正、反输入角速率范围内标度因数的平均值四、标度因数的重复性 按照上面的标度因数的测试方法，重复测量若干次标度因数。两次测试 之间陀螺仪及其辅助设备关机一段时间，冷却至室温，并按下式计算标度因 数的重复性： 标度因数的重复性，ppm测试次数 第 次测试的标度因数 在同样的条件下及规定间隔时间内，重复测量陀螺仪标度因数之间的一致程度。以各次测试所得标度因数的标准偏差与平均值之比表示 。四、零偏 将陀螺仪安装在水平台上并使陀螺仪的输入基准轴指向正东方向，对准精度在若干角秒之内(这时陀螺仪的输入角速率为零)。接通陀螺仪的电源，预热一段时间，并设定采样间隔时间和测试时间，对陀螺仪
17、的输出数据进行测量，将采集数据保存，计算出所测数据的平均值，利用已经测出的标度因数，再计算陀螺仪的零偏。 陀螺仪的零偏，o/h 陀螺仪输出量的平均值,o/h五、零偏稳定性 陀螺仪的零偏稳定性，o/h 采样次数第 次测量陀螺仪的输出值， o/h六、零偏重复性 采用以上陀螺仪零偏的测量方法，重复测量陀螺仪的零偏，两次测量之间，陀螺仪及相关设备关机间隔一段时间，待陀螺仪冷却后在进行下一次的测量。每次测量前应稳定一段时间，再进行测量。重复测量若干次，并按下式计算陀螺仪的零偏重复性。 零偏重复性，o/h 第i次测量的零偏，o/h 零偏的平均值，o/h 测量次数七、阈值 1、定义 阈值表示陀螺仪所能敏感的
18、最小输入角速率 2、测试及计算方法第j次测量时转台输入角速度， o/h地球转速， 15.04o/h当地地理纬度陀螺输入轴与地理北向夹角7.5干涉式光纤陀螺误差分析一、光源误差 抑制方法：提高光源驱动电流的精度，温控 影响光纤陀螺的零偏 影响光纤陀螺的标度因数 二 、Y波导误差 抑制方法：采用新的偏置调制解调方法，四状态法 调制电场，V/m 铌酸锂晶体主轴方向的折射率 铌酸锂晶体的电-光张量系数 铌酸锂晶体光波导的长度，m 在波导中传输光波的波长，m标度因数三 、光纤环误差 光纤环的不对称性会导致温度漂移，导致光纤陀螺偏置稳定性变差 。四 、探测器误差 探测器的响应度 探测器的跨阻抗 光纤陀螺的标度因数
