陀螺仪光学陀螺

null激光陀螺概述 激光陀螺概述 机械陀螺：刚体转子和振动陀螺仪 捷联惯导系统：大角度大速率 转子陀螺难满足，激光光纤陀螺出现 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 1963 Sperry 制成首台激光陀螺样机 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：三角形谐振腔，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 光纤陀螺概述光纤陀螺概述光纤陀螺仪：适应捷联系统需求而出现 基本原理：同激光陀螺，只是激光束来自外部，用光导纤维做传播环路。 优点：成本低、体积小、重量轻。 发展： 1970s 光纤技术发展 1976 年犹它大学瓦里提出设想和演示 1978 麦道研制出第一个实用光纤陀螺 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 0.001 0/h 国内 0.01 0/h Sagnac干涉仪 光路Sagnac干涉仪 光路Sagnac 干涉 激光陀螺测量的基础 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，则正反绕行的 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 v 在分束点两侧光路上的投影都为 光束 a 逆行一周，回到分束点时多走了一段光程 另有 Sagnac干涉仪 光程差Sagnac干涉仪 光程差求解方程组，得到 类似地，对于光束 b，可以求得 两束光回到分束点时，光程差 考虑到 c 远大于 Lω，上式近似为 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 = 600×300 m2 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 0.015 0/h 的角速度，则干涉条纹将只移动 1/ 400 条纹间距 测量精度无法保证 激光陀螺 结构激光陀螺 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 激光陀螺 频差产生设激光环绕一周的光程为 L，是激光波长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绕其平面法线旋转 Va = c·q / La Vb = c·q / Lb 两束激光的频差 两束激光的频差正比于输入角速度 其干涉条纹以一定的速度移动 激光陀螺 频差产生激光陀螺 频差测量激光陀螺 频差测量例：三角形谐振腔边长=111.76mm 激光波长λ= 0.6328μm 用来测地球转动角速度 激光陀螺 结构 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、Cer-vit陶瓷 谐振腔尺寸：周长200～450mm 谐振腔形状：三角形、四边形 （优缺点： K = 4A / Lλ） 装配组合：分离式、整体式 整体式激光陀螺介绍 谐振腔和光路 反射镜的安装（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 三轴整体激光陀螺 三轴整体三轴整体式：用于捷联惯导系统 集三个谐振腔于一块腔体材料 两种三轴整体式光路 1. 三角形的光路方案（9反射镜） 2.四边形的光路方案（6反射镜） 优点：体积小、重量轻、结构简单、可靠性好（第二代激光陀螺技术） 工艺改进对陀螺仪性能的影响： Cer-vit陶瓷取代熔凝适应，提高了稳定性并解决了氦气泄漏 采用光胶和接触焊的，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 零偏误差 激光陀螺误差源：不同于转子陀螺误差分类 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，激活原子移向阳极 阳极的激活原子向阴极扩散 两种作用综合，形成郎缪尔流 导致激光在介质中传播时折射率不同，造成附加光程差及频差输出 补偿措施：双阳极方案 激光陀螺 标度因数与自锁误差激光陀螺 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 K值不稳定，也会引起输出误差 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 ～ 5×10-6 120mm ～ 0.10/h ～ 3×10-4 自锁效应 自锁区： -ωL～ωL 典型值：3600/h 激光陀螺 自锁原因及对策激光陀螺 自锁原因及对策产生原因：反射镜的反向散射 顺时针传播光束 A 的反向散射 A’ A’ 和逆时针传播光束 B 相耦合 频率牵引（B 与 A’ 频率趋同） 类似地，A 与 B’ 也频率趋同 最终A与B频率趋同，无频差输出 克服自锁效应的途径： 正面途径：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 输出偏置量ω0，工作点移出自锁区 激光陀螺 机械抖动偏频激光陀螺 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 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 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 Sagnac干涉仪的改进光纤陀螺 Sagnac干涉仪的改进圆形环路 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 绕行时间 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 并且 光纤陀螺 原理公式光纤陀螺 原理公式求解 La 得到 类似地，对于光束 b 两束光之间的光程差 两束光之间的相位差 对于 N 匝光纤环的情况 K 称为光纤陀螺的标度因数 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 10 cm内可缠绕500～2500米 光纤陀螺 相位偏置 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 在 Δφ= 0 附近，灵敏度最低。 对策：增加相位偏置，工作点移至π/2处 光纤陀螺 交流相位偏置 光纤陀螺 交流相位偏置 固定相位偏置：幅值难以稳定控制 交流相位偏置：交变幅值为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 均值大小的改变量与Δφ成正弦 Δφ正负可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： 发自 LR 的光被 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