低成本光纤陀螺(FOG)的研究.ppt

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低成本光纤陀螺低成本光纤陀螺（FOG）的研究的研究FOGFiberOpticalGyroscope报告人：

付永强报告人：

付永强1.FOG的概述的概述2.FOG的应用领域的应用领域3.FOG的研究方向的研究方向4.研究低成本研究低成本FOG的主要方案的主要方案.FOG的的概述概述.光纤陀螺的光纤陀螺的发展历程发展历程1976年美国犹他大学的年美国犹他大学的Vali等人成功等人成功地制作了第一个光纤陀螺地制作了第一个光纤陀螺（FOG）。

如今，。

如今，FOG发展相当迅速。

灵敏度也比原来发展相当迅速。

灵敏度也比原来提高了提高了4个数量级，并且角速度的测量个数量级，并且角速度的测量精度已从最初的精度已从最初的15h提高到了现提高到了现在小于在小于0001h的量级。

的量级。

1.2光纤陀螺的光纤陀螺的优点优点与与传统机电陀螺传统机电陀螺相比相比1）无运动部件和磨损部件。

）无运动部件和磨损部件。

2）成本低，寿命长，体积小，质量轻。

）成本低，寿命长，体积小，质量轻。

3）动态范围大，精度应用覆盖面广。

）动态范围大，精度应用覆盖面广。

4）结构设计灵活，生产工艺简单。

）结构设计灵活，生产工艺简单。

与与激光陀螺激光陀螺相比相比1）无需几千伏的点火电压。

）无需几千伏的点火电压。

2）无克服）无克服“自锁自锁”用的机械抖动装置。

用的机械抖动装置。

3）无超高精度的光学加工。

）无超高精度的光学加工。

4）装配工艺简便，功耗低，可靠性高。

）装配工艺简便，功耗低，可靠性高。

1.3光纤陀螺的光纤陀螺的分类分类1）按按工作原理工作原理（干涉、谐振、布里渊干涉、谐振、布里渊）2）按结构（按结构（单轴、多轴单轴、多轴）3）按回路类型（按回路类型（开环、闭环开环、闭环）1.4光纤陀螺的光纤陀螺的基本原理基本原理光源发出的光经光源耦合器分光后，有一半的光进光源发出的光经光源耦合器分光后，有一半的光进入偏振器，并产生单模单偏振态的光。

起偏后的光入偏振器，并产生单模单偏振态的光。

起偏后的光进入光纤环耦合器，被分成顺时针方向和逆时针方进入光纤环耦合器，被分成顺时针方向和逆时针方向的两束光满足相干条件，并在光纤环中传播。

当向的两束光满足相干条件，并在光纤环中传播。

当光纤环绕其中心轴发生转动后，产生了光纤环绕其中心轴发生转动后，产生了Sagnac效效应，从而使在光纤环耦合器处的干涉光强发生的变应，从而使在光纤环耦合器处的干涉光强发生的变化。

由光电探测器检测出变化的光强，经处理后便化。

由光电探测器检测出变化的光强，经处理后便得到转动角速度。

得到转动角速度。

顺时针光程:

逆时针光程:

为激光波长，为激光波长，n为激光在介质中的波长，为激光在介质中的波长，v为激光在介质中的速为激光在介质中的速度度,N为线圈匝数为线圈匝数1.5光纤陀螺的光纤陀螺的结构型式结构型式）全光纤陀螺）全光纤陀螺）集成光器件陀螺）集成光器件陀螺）光纤陀螺）光纤陀螺）全光纤陀螺）全光纤陀螺全光纤光纤陀螺是从光源到光接收器的全部光路均由全光纤光纤陀螺是从光源到光接收器的全部光路均由光纤构成的光纤陀螺，这种陀螺的成本较低，但实现光纤构成的光纤陀螺，这种陀螺的成本较低，但实现高精度的技术难度较大，因此大多用于精度要求不高高精度的技术难度较大，因此大多用于精度要求不高和低成本场合。

和低成本场合。

）集成光器件陀螺）集成光器件陀螺光纤陀螺中使用的多功能集成光器件的主要功能包含光纤陀螺中使用的多功能集成光器件的主要功能包含偏振、相位调制和光分路。

替代用于全光纤陀螺中的偏振、相位调制和光分路。

替代用于全光纤陀螺中的偏振器、相位调制器和耦合器。

偏振器、相位调制器和耦合器。

）光纤陀螺）光纤陀螺用泵浦光源激励掺饵光纤并使其工作在自发辐射状态，此时用泵浦光源激励掺饵光纤并使其工作在自发辐射状态，此时掺饵光纤的输出是波长与光功率稳定的宽带光源，这种光源掺饵光纤的输出是波长与光功率稳定的宽带光源，这种光源的出纤光功率大，使增加光纤环圈中的光纤长度成为可能，的出纤光功率大，使增加光纤环圈中的光纤长度成为可能，从而实现光纤陀螺的高灵敏度。

此外，光纤光源的波长稳定，从而实现光纤陀螺的高灵敏度。

此外，光纤光源的波长稳定，改善了光纤陀螺由波长漂移所造成的不稳定性。

改善了光纤陀螺由波长漂移所造成的不稳定性。

2.FOG的的应用领域应用领域2.1高精度高精度光纤陀螺光纤陀螺这一精度的光纤陀螺为惯性级这一精度的光纤陀螺为惯性级,主要用于舰船、飞机的导航与定位主要用于舰船、飞机的导航与定位定向；定向；国防领域中国防领域中远程远程导弹的精确导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统准系统等。

等。

2.2中低精度中低精度光纤陀螺光纤陀螺目前采用中目前采用中/低精度光纤陀螺的项目包低精度光纤陀螺的项目包括：

括：

工程测量的精确定位、石油钻探的精工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制、中短程导确定向、机器人动作精确控制、中短程导弹制导等等。

弹制导等等。

还有，汽车行驶中的定位和导向；消还有，汽车行驶中的定位和导向；消除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，也要除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，也要借助于陀螺仪。

借助于陀螺仪。

3.光纤陀螺的光纤陀螺的研究方向研究方向1）高精度高精度2）低成本低成本高精度方向高精度方向，侧重于提高分辨率，侧重于提高分辨率和长时间的稳定性和长时间的稳定性。

例如为了控。

例如为了控制光纤陀螺中由于偏振不稳定所制光纤陀螺中由于偏振不稳定所造成的漂移，往往使用保偏光纤造成的漂移，往往使用保偏光纤及保偏器件。

主要用于飞机导航、及保偏器件。

主要用于飞机导航、卫星姿态控制、远程导弹制导等卫星姿态控制、远程导弹制导等方面。

方面。

低成本方向低成本方向，侧重于短时间运行和中，侧重于短时间运行和中低精度的分辨率。

例如，为了火箭制低精度的分辨率。

例如，为了火箭制导，分辨率导，分辨率1/h左右已经足够用了。

左右已经足够用了。

这些领域比高精度领域的市场更为广这些领域比高精度领域的市场更为广阔。

阔。

4.研究低成本研究低成本FOG的的主要方案主要方案光在单模光纤传输时，由热应力、机械光在单模光纤传输时，由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射，使得传输光的偏振态是不规则双折射，使得传输光的偏振态是沿光纤不断变化的。

当以顺时针方向和沿光纤不断变化的。

当以顺时针方向和以逆时针方向的椭圆偏振光在捡偏方向以逆时针方向的椭圆偏振光在捡偏方向发生干涉时，干涉光强不稳定，造成了发生干涉时，干涉光强不稳定，造成了陀螺输出的漂移。

另外，光纤中的双折陀螺输出的漂移。

另外，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它射效应是随温度、压力、应力以及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性。

偏振相关损害的不可预知性。

4.1保持偏振态的主要方案保持偏振态的主要方案1）采用消偏技术。

采用消偏技术。

2）采用微小型光纤偏振控制器。

采用微小型光纤偏振控制器。

3）采用特殊的调制方式或特殊的结构。

采用特殊的调制方式或特殊的结构。

4.1.1采用采用消偏技术消偏技术如果顺时针方向或逆时针方向的椭圆如果顺时针方向或逆时针方向的椭圆偏振光分别以正交方式出现，一对正偏振光分别以正交方式出现，一对正交的椭圆偏振光强在捡偏方向上是互交的椭圆偏振光强在捡偏方向上是互补的，他们又是互不相关的，那末输补的，他们又是互不相关的，那末输出干涉光强将是稳定的。

消偏器在光出干涉光强将是稳定的。

消偏器在光纤陀螺中就能起这样的作用。

纤陀螺中就能起这样的作用。

消偏器原理图消偏器原理图光纤消偏器用两段长度不同的保偏光纤制成，主光光纤消偏器用两段长度不同的保偏光纤制成，主光轴互成轴互成45度，使出射光的相干度为度，使出射光的相干度为0，使光在两，使光在两个正交的偏振方向上等量分布。

如下图所示：

个正交的偏振方向上等量分布。

如下图所示：

4.1.2采用采用偏振控制器偏振控制器如果能制作微小型光纤偏振控制器，且如果能制作微小型光纤偏振控制器，且具有高偏振稳定度，则可以实现全单模具有高偏振稳定度，则可以实现全单模光纤的光纤陀螺，甚至无需使用光纤消光纤的光纤陀螺，甚至无需使用光纤消偏器。

但是，要在光纤陀螺中实用，实偏器。

但是，要在光纤陀螺中实用，实现小型化和高偏振稳定度难度很大。

现小型化和高偏振稳定度难度很大。

4.1.3采用采用特殊调制方式或特殊结构特殊调制方式或特殊结构如果采用特殊的调制方式或特殊的仪器结如果采用特殊的调制方式或特殊的仪器结构，使得（构，使得

（1）：

检测结果对偏振漂移不）：

检测结果对偏振漂移不敏感；或者（敏感；或者

（2）能实时检测出漂移量；）能实时检测出漂移量；或者（或者（3）能实时补偿漂移量，则也可以）能实时补偿漂移量，则也可以实现全单模光纤的光纤陀螺。

实现全单模光纤的光纤陀螺。

准备采用的方案：

闭环消偏光纤陀螺准备采用的方案：

闭环消偏光纤陀螺SLD光源光源光纤消偏器光纤消偏器铌酸锂多功能集成光学器件铌酸锂多功能集成光学器件参考文献参考文献赵仲刚，等。

光纤通信与光纤传感赵仲刚，等。

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上海科学技术。

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上海科学技术文献出版社，文献出版社，1993张桂才，杨清生具有中等精度的全数字闭环保偏光纤陀张桂才，杨清生具有中等精度的全数字闭环保偏光纤陀螺仪螺仪J光学精密工程，光学精密工程，1998，6（3）：

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