激光测量角加速度

激光测量角加速度光电14郑斯元————光纤陀螺光纤陀螺（FOG）：一种以萨格纳克（sagnac）效应测量旋转角速率的新型全固态惯性仪表Sagnac效应：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，这就是萨格纳克效应。注：FOG：FIBEROPTICALGYROSCOPE光纤陀螺（FOG）干涉型光纤陀螺（I-FOG）谐振腔光纤陀螺（R-FOG）布里渊光纤陀螺（B-FOG）干涉型光纤陀螺结构及工作原理注：SLD：光源coupler：分束器detector：探测器fibercoil：单模光纤环光程差：∆L=2RΩt=4𝜋R2cΩ=4AcΩ相位差：∆𝜑=KN∆L=2𝜋𝜆∙4NAcΩ=8𝜋AΩ𝜆c=4𝜋LR𝜆cΩ其中：K是波数；L是绕在光纤上的光纤总长度λ是真空中的波长干涉型光纤陀螺的分类按相位偏置方式相位差偏置方式光外差方式延时调制方式检测相位方式开环光学陀螺闭环光学陀螺按光路组成消偏型光学陀螺保偏型光学陀螺集成光学型光学陀螺相位差偏置方式的光纤陀螺静态相位偏置通过固定在光纤陀螺线圈一端上的相位调制器来引入𝜋2的非互易相位差偏置，使其工作在最大斜率点上优点是灵敏度提高，但是要求相位偏置非常稳定，光源强度的微小变化会等效为相位的变化，不能满足高精度的测量注：非互易性指电磁波在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现不同的电磁损耗、相位差等特性𝑃𝐷=12𝑃01+cos∆𝜑动态相位偏置利用一个交替的正负变化的相位差±𝜋2，使工作点在AB两点交换，并用两个光电探测器分别测量光干涉条纹两侧光强变化做差动输出优点是灵敏度是静态相位的2倍，对光强的变化有较高的分辨率，缺点仍是要求对偏置点的稳定，而且要求高共模抑制比注：共模抑制比：其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比差模信号：两个大小相等、极性相反的一对信号称为差模信号。共模信号：两个大小相等、极性相同的一对信号称为共模信号。光外差方式通过声光调制器来调制相向传播的两束光的频率，以产生一个频率差，用该频率差产生的相位差来补偿由于转动产生的sagnac相位差，使总输出为0。这样只要检测调制频率就能求得旋转速率。延时调制方式通过靠近分束器处设置相位调制器来实现非互易性相位差相位调制器可用多种方式实现，例如压电晶体（PZT）调制光相位是一种常见的方法设调制驱动信号频率为𝑓𝑚，则它产生的非互易性相位差∆𝜑=2𝜑0sin2𝜋𝑓𝑚𝜏𝐷2式中𝜑0为相位调制器的产生的非互易相位差幅值；𝜏D为光纤的延时，且𝜏D=𝑛𝐿𝑐；L为绕制在PZT上的光线长度开环光纤陀螺依据sagnac原理，通过对干涉光强的变化直接检测干涉的sagnac相位差，从而测得旋转角速率优点：电路比较简单，因此性能可靠，成本低廉缺点：开环光纤陀螺输出响应存在非线性，动态范围较窄，检测精度低闭环光纤陀螺在光纤环中人为的引入一非互易性的补偿位移∆𝜑𝐹𝐵，此补偿相移受旋转引起的原始萨格奈克相位差∆𝜑𝑅反馈控制，使补偿的∆𝜑𝐹𝐵和∆𝜑𝑅大小相等，方向相反∆𝜑=∆𝜑𝐹𝐵+∆𝜑𝑅=0优点：避免了陀螺输出的非线性，动态范围广精度高缺点：光纤陀螺标度因数的线性度和稳定性受到限制，调整困难，一致性差消偏光纤陀螺（DepolarizationFiber-opticGyroscope）消偏光纤陀螺采用的是单模光纤绕制而成，在单模光纤环的两端加入消偏器，使偏振光变成非偏振光，在所有可能的偏振分布上均匀分布，再通过偏振器滤波时，总能输出一半的光功率，提高了输出的稳定性。全光纤型光纤陀螺全光纤型光纤陀螺是从光源到光接收器的光路均由光纤构成的光纤陀螺。分立元件光纤陀螺：把独立的光器件用光纤互相连接构成单光纤光纤陀螺：应用在线制作技术，在一根光纤上缠绕光纤环和制作光器件集成光学型光学陀螺集成光学型光纤陀螺是用一个集成光学多功能芯片（MIOC）替代了几个光学元件，减小了体积和光纤熔接点的数量。用Y分支波导取代了一个光纤方向耦合器谐振腔光纤陀螺（R-FOG）第二代光纤陀螺，原理与环形激光陀螺相同通过检测旋转非互易性造成的顺、逆时针的两行波的频率差来测量角速率同干涉型光纤陀螺比较光纤长度短根据测试5~10m的光纤腔就能满足飞机导航的精度要求，而I-FOG需要1000m左右可以减小温度波动对系统的影响采用了高相干光源,波长稳定性高谐振频率与旋转角速度成正比,检测精度高,动态范围大布里渊光纤陀螺（B-FOG）布里渊型光纤陀螺是第3代光纤陀螺,又称光纤环形激光陀螺(F-RLG),或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺(B-FRLG)采用有源谐振腔的布里渊光纤陀螺(B-FOG)是利用高功率光在光纤中激发布里渊散射光(SBS)的光纤陀螺仪。美国的Litton和Honey-well公司代表了国际上FOG技术的最高水平。Litton公司的闭环光纤陀螺的零偏误差已优于0.001°/h，标度因数误差＜10ppmHoneywell公司也是FOG研制的强有力竞争者，据报道其产品最高精度已达到0.00038°/h。我国从20世纪80年代初开始进行光纤陀螺研制。目前，国内FOG的研制水平已接近惯性导航系统的中低精度要求。大多数在工程实用阶段初期，没有可靠性数据。根据中航自控所和北航联合成立的中航捷锐公司的预研项目验收指标，其研制的I－FOG测试精度优于0.005°/h，具备工程应用能力现状在未来飞机、舰船以及导弹等均将装备光纤陀螺用于导航和制导，且卫星、宇宙飞船上也将装备光纤陀螺用于与地形跟踪匹配和导向。在民用上，光纤陀螺可用于汽车业、医疗和石油勘钻导向，特别在多种工业上的应用具有很大的潜力。FOG作为一种新型的角速度传感器，具有比传统陀螺更大的优势。发展感谢