惯导 激光陀螺误差、光纤陀螺

惯性元件—激光陀螺惯性导航篇转子式陀螺与激光陀螺的比较转子式陀螺工作原理牛顿力学基础上动量矩定理动量矩（角动量）H•机械旋转产生的•问题：支承•导致：成本高激光陀螺工作原理量子力学基础上特点：固体型、不需要活动部件，不存在支承问题光学陀螺概述1激光陀螺：针对捷联惯导需求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1963Sperry制成首台样机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学陀螺概述2光纤陀螺仪：适应捷联系统需求基本原理：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光导纤维传播。优点：成本低、体积小重量轻。发展：1970s光纤技术发展1976年犹它大学瓦里设想和演示1978麦道研制出第一个实用产品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0.0010/h国内0.010/h萨格奈克(Sagnac)干涉仪——光路Sagnac干涉测量的基础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A、B两路光程La=Lb=L当干涉仪以ω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2445cos40LLvv在分束点两侧光路的投影都为845cos0Lvvn光束a逆行一周，回到分束点时多走了一段光程aanatLLtvLL8另有cLtaa/Sagnac干涉仪——光程差求解方程组，得到8/LcLta)8/(1cLLLa类似，对光束b，可求得8/LcLtb)8/(1cLLLb两束光回到分束点时光程差baLLL222)8/()(1)4/(cLcL因c远大于Lω，上式近似为cLcLL22)4/(44cA4光程差与输入角速度成正比——该结论对其它形状的环路也成立。迈克尔逊实验：矩形面积A=600×300m2光源波长λ=0.7μm计算得：ΔL=0.175μm，即λ/4干涉条纹只移动了1/4条纹间距如果用来测量0.0150/h的角速度，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(ResonatingCavity)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λ/4→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光程L，是波长λ的整数倍q，即λ=L/q激光频率为Vq，则Vq·λ=c故Vq=c·q/L当谐振腔以ω绕法线旋转Va=c·q/LaVb=c·q/Lb两束激光的频差：aabaabLLqcLLVVV)(224LqccALqcLKLALAq442激光频差正比于输入角速度干涉条纹以一定的速度移动激光陀螺频差（拍频）产生激光陀螺频差测量例：三角谐振腔边长=111.76mm激光波长λ=0.6328μm用来测地球转动角速度LAV456021029.7106328.011176.032/60sin11176.04Hz43.7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、陶瓷腔体尺寸：周长200～450mm谐振腔形状：三角、四边（优缺点：K=4A/Lλ）装配组合：分离、整体式整体式激光陀螺介绍谐振腔和光路反射镜（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：适应捷联系统，集三个谐振腔于一块材料两种三轴整体式光路方案1.三角形方案（9反射镜）2.四边形方案（6反射镜）优点：体积小重量轻、结构简单、可靠性好（第二代技术）工艺改进对陀螺性能的影响：Cer-vit陶瓷取代石英，提高了稳定性并解决了氦气泄漏采用光胶和接触焊，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：异于机械式误差分类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→阳极阴极←阳极激活原子综合形成郎缪尔流导致激光在介质中折射率不同，造成附加光程差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KVLAK4K值不稳定，也引起误差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值稳定性控制途径：激光波长谐振腔周长280mm～0.010/h～5×10-6120mm～0.10/h～3×10-4自锁(Lockin)误差自锁区：-ωL～ωL典型值：3600/h激光陀螺自锁原因及对策产生原因：反射镜反向散射顺时光束A的反向散射A’A’和逆时光束B耦合牵引（B与A’频率趋同）类似，A与B’也频率趋同A与B频率趋同，无频差输出克服自锁的途径：正面：尽力减小自锁区（提高光学元件质量和气体纯度）间接途径：偏频加偏置ω0，工作点移出自锁区)(0KV0/KV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ω0恒速旋转缺点：陀螺体积重量增大，ω0难控机械抖动偏频：采用高频角振动(MechanicalDithering)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ωA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ωA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(MagneticMirror)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陀螺光纤陀螺Sagnac干涉仪的改进环路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RLLLba2绕行时间cRcLttba2当干涉仪绕法向轴以ω转动，则两束光出现光程差对于a束光aatRRL2并且ctRRtaa2光纤陀螺原理公式求解La得到cRRLa/12类似地，对于光束bcRRLb/12两束光之间的光程差baLLL2)/(12)/2(cRRcRcR24两束光之间的相位差2L242cRcRR4)2(cRl4对于N匝光纤环的情况cRlN4KK称光纤陀螺标度因数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10cm可绕500～2500m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)cos1(0II在Δφ=0附近灵敏度最低。对策：增加相位偏置(PhaseBiasing)，工作点移至π/2处光纤陀螺交流相位偏置固定相位偏置：幅值难控交流相位偏置：交变幅值π/2当输入相移Δφ=0，检测器的输出情况（如上）当输入相移Δφ≠0，检测器的输出情况如下I均值的改变量与Δφ成正弦Δφ正负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：LR光源被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Δφ）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ΔθΔθ和ω产生的相移Δφ抵消解调器输出被控制在零位附近PT产生的相移Δθ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