激光陀螺仪报告书.docx

1、激光陀螺仪报告书“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛激光陀螺仪报告书目录一.绪论二.研究目的和思路 2.1研究目的 2.2基本思路三.项目创新点及优势 3.1项目创新点 3.2项目优势四.技术关键五.作品设计 5.1外形设计 5.2工作原理介绍 5.3系统设计六.作品的市场前景预测第一章 绪论现代陀螺仪是一种能够精确的确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其他高科技的发展具有十分重要的战略意义，传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构有很高的要求，结构复杂，它的精准度受到很多方面的

2、制约，自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。现代激光陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据赛格尼克的理论发展起来的，赛格尼克理论要点是这样的，当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需时间要多，也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化，利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生测量环路转动速度，这样就可以制造出干涉式激光陀螺，利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整激光环路的光的谐振频率进而测

3、量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的激光陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个激光陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，激光陀螺已经发展了30多年。在30多年的发展过程中，许多基础技术如激光环绕制技术等都得到了深入地研究。 激光陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，以美、日、

4、法为主体的激光陀螺仪研究工作已取得很大的进展。激光陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在研究谐振式激光陀螺。激光陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的激光陀螺(特别是干涉式激光陀螺)己经商品化，并在多领域内应用，高精度激光陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。 我国也非常重视激光陀螺技术的研究，上世纪80年代后,许多大学和研究所相继启动激光陀螺的研发项目，如航天工业总公司所属13所和上海803所、北京航空航天大学、清华大学、浙江大学等，也取得了一定的成绩，如1996年，航天总公司13所成功研制采用Y分支多功能集成光路、零偏稳定性达 全数字闭环保偏激光陀螺，浙江大学和Ho

5、neywell公司几乎同时发现利用消偏可提高精度等。国内的激光陀螺研制水平虽然与国际水平有一定距离，但已具备或接近中、低精度要求，并在近年来开始尝试产业化。第二章 研究目的和思路研究目的 应用激光陀螺，必然要对其采集到的模拟数据进行A/D转换，得到我们分析处理所需的数字量。而激光陀螺输出信号的测量范围，决定了其输出模拟电压的范围较宽。因此，为兼顾其数据转换精度与测量范围，在A/D器件转化设计中，需要根据输入电压值来调节其增益，实现在小信号时能够保证16位的转换精度,同时又能够满足+12V-12V的输入范围。根据应用背景的要求，系统设计以高集成度的芯片为核心，采用VHDL语言进行时序控制、增益设

6、置变换，使系统灵活性强，具有通用能力好，易于开发和扩展等优点。研究思路陀螺仪通常装置在除了要定出东西南北方向，还要能判断上方跟下方的交通工具或载具上，像是飞机、飞船、飞弹、人造卫星、潜艇等等。它是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据。这是因为在高速旋转下，陀螺仪的转轴稳定的指向固定方向，将此方向与飞行器的轴心比对后，就可以精确得到飞机的正确方向。罗盘不能取代陀螺仪，因为罗盘只能确定平面的方向。另一方面，陀螺仪也比传统罗盘方便，因为传统罗盘是利用地球磁场定向，所以会受到矿物分布干扰，例如受到飞机的机身或船身含铁物质的影响；另一方面，在两极也会因为地理北极跟地磁北极的不同而出现很大偏差，所

7、以航空、航海都已经以陀螺仪以及卫星导航系统作为定向的主要仪器。作为飞行器惯导系统核心的惯性器件，在国防科学技术和国民经济的许多领域中占有十分重要的地位。激光陀螺仪花费了很长时间和大量投资解决了闭锁问题，直到80 年代初才研制出飞机导航级仪表，此后就迅速应用于飞机和直升机，取代了动力调谐陀螺和积分机械陀螺仪。已广泛用于导航、雷达和制导等领域。第三章 项目创新点和优势一项目创新点（1）激光在生活中运用愈发广泛，将激光与生活贴合。（2）保护环境，不会对生活造成任何环境污染。 二项目优势（1）零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力；（2）绕制的激光较长，使检测灵敏度和分辨率比其他陀

8、螺提高了还几个数量级；（3）无机械转动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；（4）易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；（5）通过改变激光的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；（6）相关光束的传播时间短，因而原理上可以瞬间移动，无须预热；（7）可以环形激光陀螺一并使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的传感器；（8）结构简单，价格低，体积小，重量轻。第四章 技术关键技术关键： 激光陀螺仪的好处在于，其受到外界的干扰非常小，即使是撞击，震颤，加速等动作都无法改变其对角度偏转的测定，而传统机械陀螺则不是。

9、此外激光陀螺工作稳定，误差小，体积小，便于使用，虽然现代兵器上一般会配有GPS设备进行误差修正把误差减少到一个范围内，但GPS干扰设备更加普及，而激光陀螺是个封闭设备，外界完全无法干扰。1.漂移 激光陀螺仪的飘移表现为零点偏置的不稳定度，主要误差来源有：谐振光路的折射系数具有各向异性，氦氖等离子在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等。2.噪声 激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。噪声主要来自两个方面：一是激光介质的自发发射，这是激光陀螺仪噪声的量子极限。二是机械抖动为目前多数激光陀螺仪采用的偏频技术，在抖动运动变换方向时，抖动角速率较低，在短时间内，低于闭锁阈值，将造成输入信号的漏失，并导致输

10、出信号相位角的随机变化。3.闭锁阈值 闭锁阈值将影响到激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度。闭锁阈值取决于谐振光路中的损耗，主要是反射镜的损耗激光陀螺是在光学干涉原理基础上发展起来的新型导航仪器，成为新一代捷联式惯性导航系统理想的主要部件，用于对所设想的物体精确定位。石英挠性摆式加速度计是由熔融石英制成的敏感元件，挠性摆式结构装有一个反馈放大器和一个温度传感器，用于测量沿载体一个轴的线加速度。光纤陀螺三轴惯测组合由三个光纤陀螺仪和三个石英挠性摆式加速度计组成，可以实时地输出载体的角速度、线加速度、线速度等数据，具有对准、导航和航向姿态参考基准等多种工作方式，用于移动载体的组合导航和定位，同时为随

11、动天线的机械操控装置提供准确的数据。主要性能：加表精度110-4g；光纤陀螺精度(漂移稳定性)1/h；标度固形线性度510-4 在提高精度方面输出信号的细分技术，在小型化的RLG 中，保持所需的分辨率。提高抖动偏频的频率，以提高RLG 的采样频率。小型化RLG 的惯性小，谐振频率高，在抖动偏频装置的设计上，可以提高频率。由此，可以提高RLG 的采样频率和捷联惯性导航系统SINS 的计算频率，有利于保证捷联惯性导航系统SINS 的精度。在降低成本方面利用玻璃熔结工艺来实现反射镜和电极等的密封。采用BK-7光学玻璃取代Zerodur 等零膨胀系数材料，为此需要建立光波在谐振器中谐振的条件，并对温度

12、误差采取补偿。采用GG1308 组成的一种惯导系统型号为HGl500 一IMU。采用GG1320 组成的惯导系统型号为H-764C 。第五章 作品的设计作品设计现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。 在军用领域，激光陀螺仪和光纤陀螺仪仍是主流产品，尤其在中远程导弹制导、航空、航海导航、航天等领域激光陀螺仪应用仍十分广泛。这主要是由于

13、微机电陀螺仪的精度仍不能达到激光陀螺仪的水平，包括卫星制导炸弹、短程弹道导弹等武器可以使用微机电陀螺仪进行制导，但必须通过卫星定位进行修正，而远程武器上由于积累误差过大，就难以使用微机电陀螺仪了。尤其是在潜艇上，高精度激光陀螺仪意义很大，潜艇长期在水下活动，无法通过卫星定位来修正其惯性导航系统的积累误差，其惯性测量元件必须具备极高的精度才能满足使用要求。由于技术问题，本作品将对其进行简化处理，模拟出简单的工作原理，利用铁板将一组反射镜固定，激光管连通电源放置在反射镜组中央，激光通过反射到达合光棱镜后集合光束，激光聚合后被光敏检测器所捕捉，由此测量出数据。工作原理介绍激光陀螺仪的原理是利用光程差

14、来测量旋转角速度（sagnac效应）。在闭合光路中，由一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持回路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。该装置呈圆形或者三角形，两束激光在圆中逆向传播。激光

15、的工作波长按照光圆周传播的总距离为波长的整数倍关系自动调整。这里，如果使整个装置以角速度绕圆的中心轴旋转，当旋转同方向的激光束绕圆周一周时，其传播的光程距离比静止时稍长，而旋转反方向的激光束的光程距离比静止时稍短。于是，两列波因干涉产生差拍（频率差的节拍）。通过测定该差频可知旋转角速度。差频可用f=4S/L表示 系统设计 激光陀螺仪测试系统是由基于计算机控制的自动化测试系统，通过与被测激光陀螺仪在信号的电气传输上采用光耦隔离，自动完成对其电气性能和静态属性的测试，将测试结果记录下来并进行数据的处理分析，完成参数的标定测试工作。第六章 作品的市场前景预测前景预测激光陀螺仪目前在市场还存在很大一部分盲区，人们还并没有将激光技术更多的运用至生活当中，也更不必提将激光与陀螺仪相结合。然而现今激光技术日益成熟，陀螺仪技术也运用在生活很多方面。激光陀螺仪对于我们来说发展空间还很大，所以定能在市场中取得巨大效益。参考文献 陀螺仪是惯性器件之一, 由 于陀螺在任何环境下都具有自主 导航能力的特性, 自问世以来, 就引起人们极大关注, 被广泛运 用于航海、 航空、航天、军事等 领域,而且一直是各国重点发展 的技术之一。在科学技术突飞猛 进的今天,与陀螺相关的技术,仍 然是人们关注的焦点之一。1 陀螺的发展简史 陀螺的原意为高速旋转的刚 体,而现在一般将能够测量相对 惯性空间的角速度和角位移