1、光纖陀螺基本原理1 1 光纖陀螺的發(fā)展2 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)3 Sagnac效應(yīng)4 光纖陀螺（FOG）原理5 光纖陀螺指標(biāo)2 1 光纖陀螺的發(fā)展與動(dòng)態(tài) 四個(gè)里程碑： 一、 1913年法國(guó)物理學(xué)家Sagnac在物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)角速率對(duì)光的干涉現(xiàn)象的影響，這就啟發(fā)人們，利用光的干涉現(xiàn)象來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率。 二、1960年，美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了激光器，產(chǎn)生了單色相干光，解決了光源的問(wèn)題。 三、 1966年，英籍華人科學(xué)家高錕提出了只要解決玻璃純度和成分，就能獲得光傳輸損耗極低的玻璃光纖的學(xué)說(shuō)。 四、1976年，美國(guó)猶他大學(xué)兩位教授利用Sagnac效應(yīng)研制出世界上第一個(gè)光纖陀螺原理樣機(jī)。3 二十多年來(lái)，世

2、界各發(fā)達(dá)國(guó)家的許多科研機(jī)構(gòu)和著名大學(xué)都投入了很多的經(jīng)費(fèi)來(lái)研究光纖陀螺。隨著光纖陀螺主要光器件（保偏光纖，Y型電光調(diào)制波導(dǎo)，光源等）技術(shù)及半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，光纖陀螺的發(fā)展已經(jīng)有了突破性進(jìn)展, ，高精度光纖陀螺已達(dá)到低于0.0001o/h的精度，有取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀的趨勢(shì)。 光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)點(diǎn)是全固態(tài)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒(méi)有閉鎖問(wèn)題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。 1 光纖陀螺的發(fā)展與動(dòng)態(tài)4 目前，光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展成為慣性技術(shù)領(lǐng)域具有劃時(shí)代特征的新型主流儀表，其原理、工藝及其

3、關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)電式儀表有很大的差別，我國(guó)已經(jīng)將光纖陀螺列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 1 光纖陀螺的發(fā)展與動(dòng)態(tài)5 1913年，薩格奈克（Sagnac）論證了運(yùn)用無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的光學(xué)系統(tǒng)同樣能夠檢測(cè)相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)。他采用了一個(gè)環(huán)形干涉儀，并證實(shí)在兩個(gè)反向傳播光路中，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)相位差。 2 Sagnac效應(yīng)6 理想條件下，環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)如圖1所示。一束光經(jīng)分束器M進(jìn)入同一光學(xué)回路中，分成完全相同的兩束光CCW和CCCW，分別沿順時(shí)針?lè)较?CW)和逆時(shí)針?lè)较?CCW)相向傳播，當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將使兩束光產(chǎn)生相位差，該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例

4、。 圖1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn) 2 Sagnac效應(yīng)7圖1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)如(a)所示，無(wú)旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時(shí)間相等，為如(b)所示，旋轉(zhuǎn)條件下， 2 Sagnac效應(yīng)8圖1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳輸時(shí)間差傳輸光程差傳輸相位差 2 Sagnac效應(yīng)9圖1 理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳輸相位差 2 Sagnac效應(yīng)如何檢測(cè)相位差？利用光的干涉：振動(dòng)頻率相同、方向相同、相位差恒定 通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)來(lái)檢測(cè)相位差，進(jìn)而檢

5、測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速率。10 3 光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺實(shí)現(xiàn)原理光纖陀螺本質(zhì)上就是一個(gè)環(huán)形干涉儀，通過(guò)采用多匝光纖線圈來(lái)增強(qiáng)相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)引起的Sagnac效應(yīng)。其實(shí)現(xiàn)如圖2所示。圖2 光纖陀螺實(shí)現(xiàn)原理圖11 3 光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺實(shí)物圖12 3 光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺實(shí)物圖13 3 光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)機(jī)電陀螺相比，光纖陀螺無(wú)運(yùn)動(dòng)部件和磨損部件，為全固態(tài)儀表，成本低，壽命長(zhǎng)，重量輕，體積小，動(dòng)態(tài)范圍大，精度應(yīng)用覆蓋面廣，抗電磁干擾，無(wú)加速度引起的漂移，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍廣。 與激光陀螺相比，光纖陀螺無(wú)需幾千伏的點(diǎn)火電壓，無(wú)克服“自

6、鎖”用的機(jī)械抖動(dòng)裝置，無(wú)超高精度的光學(xué)加工，不必非常嚴(yán)格的氣體密封，裝配工藝簡(jiǎn)便，功耗低，可靠性高。 總之，光纖陀螺是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，潛在成本低，潛在精度最高的新型全固態(tài)慣性器件。 14 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺應(yīng)用級(jí)別劃分級(jí)別零偏穩(wěn)定性(度/小時(shí))標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性速率級(jí)1010000.11%戰(zhàn)術(shù)級(jí)0.110101000 ppm慣性級(jí)0.015 ppm戰(zhàn)略級(jí)0.0011 ppm15 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺應(yīng)用級(jí)別劃分速率級(jí)光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用于機(jī)器人、地下建造隧道、管道路徑勘測(cè)裝置和汽車導(dǎo)航等對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。日本、法國(guó)等國(guó)家研制、生產(chǎn)的這種精度的陀螺儀，已大批量

7、應(yīng)用到民用領(lǐng)域。戰(zhàn)術(shù)級(jí)光纖陀螺具有壽命長(zhǎng)、可靠性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、近程/中程導(dǎo)彈和商用飛機(jī)的姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)參考系統(tǒng)中。慣性級(jí)、戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導(dǎo)航，其開(kāi)發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國(guó)有關(guān)公司和研究機(jī)構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級(jí)別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。16 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域l 戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用；l 衛(wèi)星定向和跟蹤；l 天體觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；l 各種運(yùn)載火箭應(yīng)用；l 艦船、巡航導(dǎo)彈和軍、民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航；l 光學(xué)羅盤(pán)及高精度尋北系統(tǒng)；l 戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)；l 陸地導(dǎo)航系統(tǒng)(+GPS)；

8、l 姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)； l汽車導(dǎo)航儀、天線攝像機(jī)的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機(jī)器人控制、各種極限作業(yè)的控制裝置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。17 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況國(guó)外光纖陀螺發(fā)展及應(yīng)用 國(guó)外中低精度的光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)品化，被廣泛用于航空、航天、航海、武器系統(tǒng)和其它工業(yè)領(lǐng)域中。世界上研制光纖陀螺的單位已有40多家，包括美國(guó)霍尼韋爾(Honeywell)、利頓(Litton)、史密斯(Smith)、諾思若普(Northrops)、聯(lián)信(AliedSignal)等，日本日本航空電子工業(yè)有限公司(JAE)，日本三菱(Mitsubishi)公司，日立公司，德國(guó)利鐵夫(LITEF)公司，法國(guó)法國(guó)光子（IXSEA）公司世界著名的慣導(dǎo)公司，精度范圍覆蓋了從戰(zhàn)術(shù)級(jí)到慣性級(jí)、戰(zhàn)略(精密)級(jí)的各種應(yīng)用。 18法國(guó)光子（IXSEA）公司部分光纖陀螺慣測(cè)組合產(chǎn)品 4 光纖陀螺研制及應(yīng)用