光纤陀螺温度效应误差及其补偿技术研究 摘要：温度效应误差是目前制约光纤陀螺高精度应 用的瓶颈之一。文中分析了光纤陀螺温度效应的成因及影响机理，介绍了温度效应误差补偿技术的研究现状，重点阐述了一种基于误差建模的软件补偿方法。该方法建立了以温度、温度变化率和温度梯度为变量的误差模型，使用温循实验数据进行模型参数拟合，通过DSP技术在系统中实现了对温度效应误差的补偿。仿真试验结果表明，使用该方法可以将某型光纤陀螺的温度效应误差降低约一个数量级。 关键词：光纤陀螺；温度效应误差；误差建模 经过几十年发展，光纤陀螺加工工艺逐渐成熟，潜在优势日益显现，已经成为新一代惯性导航系统中的理想器件[1]。目前，光纤陀螺面临着高精度的发展要求。而温度效应在很大程度上增大了光纤陀螺的输出漂移，是制约其高精度工程应用的瓶颈。 文章通过对光纤陀螺温度效应误差成因与机理的分析，结合国内外温度误差补偿技术的研究现状，提出了一种基于误差建模的软件补偿方法。仿真试验表明，该方法能有效抑制温度效应对光纤陀螺精度的影响。 1 光纤陀螺温度效应误差分析
温度效应是光纤陀螺的重要误差源之一，主要是指温度条件变化导致光纤陀螺输出漂移的现象。 引发温度效应的热量来源主要有两个：一是工作时陀螺各个元器件的自身产热；二是外界温度环境的影响[2]。光纤陀螺内部（核心器件是光纤环）的温度是这两个热源综合作用的结果。开机后的一段时间内，光纤陀螺自身产热导致的升温效应较为显著，器件内部的温度持续上升，直至产生的热量与散失的热量基本相当，形成动态平衡。之后，外部温度环境的影响占主导作用。在实际的工作环境中，陀螺外部的温度环境始终在变化，陀螺内部很难形成稳定不变的温度场，温度效应误差始终存在。 光纤陀螺内部受温度影响的元器件较多，温度效应可以看成多种相关因素共同作用的结果[3]。光纤陀螺系统由光路与电路两部分组成：光路部分包括光纤环、光源、Y波导、耦合器和光电探测器；电路部分包括光源驱动电路和信号处理电路[4]。其中，光路部分的光学器件（尤其是光纤环），对于环境温度的变化更为敏感。这些器件敏感温度变化的机理不尽相同，这导致温度效应误差的成因较为复杂。如果逐一进行试验分析，工作量较大，且无法排除系统内的误差耦合。 在IEEE光纤陀螺标准[5]给出的单轴光纤陀螺输入输出模型方程中，只考虑了不同温度特征量与陀螺零偏漂移的相
2005年第24卷第6期 传感器技术(J o u r n a l o f T r a n s d u c e r T e c h n o l o g y) 综述与评论 光纤陀螺仪的发展现状 周海波,刘建业,赖际舟,李荣冰 (南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016) 摘 要:根据光纤陀螺仪的工作原理和特点,光纤陀螺仪具有不同的分类。介绍了国外光纤陀螺仪的现状,预测了近期和长远的发展趋势,旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。 关键词:光纤陀螺仪;萨格纳效应;干涉型;谐振式;布里渊式 中图分类号:T N2,T P2 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)06-0001-03 D e v e l o p m e n t s t a t u s o f f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e s Z H O UH a i-b o,L I UJ i a n-y e,L A I J i-z h o u,L I R o n g-b i n g (N a v i g a t i o nR e s C e n t e r,N a n j i n gU n i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,N a n j i n g210016,C h i n a) A b s t r a c t:T h ef i b e r-o p t i cg y r o s c o p e(F O G)i sc l a s s i f i e d i n t od i f f e r e n tt y p e sa c c o r d i n gt oi t sp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c.T h e i n t e r n a t i o n a l s t a t u so f F O G i si n t r o d u c e da n dt h es h o r t-t e r m a n dl o n g-t e r m t r e n do f F O G i s f o r e c a s t.I t w i l l b eb e n e f i t t o t h e c o u r s e o f o u r F O G. K e yw o r d s:F O G(f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e);S a g n a c e f f e c t;i n t e r f e r o m e t r i c;r e s o n a n t;B r i l l o u i n 0 引 言 光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪———光学陀螺仪的一种,其基本工作原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,汇合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差,计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光学陀螺仪———环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。 本文从光纤陀螺仪的原理和优点出发,着重对光纤陀螺仪的分类、国外研究现状及其发展趋势做了详细的介绍,希望对我国的光纤陀螺的研制和发展有所裨益。 1 光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有结构简单、价格 收稿日期:2004-11-20便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器[1]。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关[2],主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 按照光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可以采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤陀螺构成模式。 按照性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级等3个级别[3]。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者,如H o n e y w e l l,N o r t h r o p等公司。 1
光纤陀螺仪测试方法 1范围 本标准规定了作为姿态控制系统、角位移测量系统和角速度测量系统中敏感器使用的单轴干涉性光纤陀螺仪（以下简称光纤陀螺仪）的性能测试方法。 2规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB321-1980优先数和优先系数 CB998低压电器基本实验方法 GJB585A-1998惯性技术术语 GJB151军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求 3术语、定义和符号 GJB585A-1998确立的以及下列术语、定义和符号适用于本标准。
3.1术语和定义 3.1.1干涉型光纤陀螺仪interferometric fiber optic gyroscope 仪萨格奈克（Sagnac）效应为基础，由光纤环圈构成的干涉仪型角速度测量装置。当绕其光纤环圈等效平面的垂线旋转时，在环圈中以相反方向传输出的两束相干光间产生相位差，其大小正比于该装置相对于惯性空间的旋转角速度，通过检测输出光干涉强度即反映出角速度的变化。 3.1.2陀螺输入轴input axis of gyro 垂直于光纤环圈等效平面的轴。当光纤陀螺仪绕该轴有旋转角速度输入时，产生光纤环圈相对于惯性空间输入角速度的输出信号。 3.1.3标度因数非线性度scale factor nonlinearity 在输入角速度范围内，光纤陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。 3.1.4零偏稳定性bias stability 当输入角速度为零时，衡量光纤陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差相应的等效输入角速度表示，也可称为零漂。
国内外光纤传感器的发展现状 2011-6-29 8:25:44 讯石光通讯咨询网作者：iccsz 摘要:本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。 本文将分析光纤传感器国内外发展的现状。主要介绍了两方面的情况：光纤传感器原理性研究的发展现状和光纤传感器产品的应用与开发的现状。前者报道了光纤光栅、分布式光纤传感技术以及光纤传感网的发展，这些是目前的研究热点；后者介绍了光层析成像技术、智能材料、光纤陀螺及惯性导航系统、工业工程类传感器（其中包括电力工业用高电压、大电流传感器，利用光纤的弹光效应和FBG器件的应力传感器等）。最后介绍了新型光纤材料与器件、氟化物玻璃光纤，碳涂覆光纤、以及正在研究中的蜂窝型波导光纤、液晶光纤等。 一、引言 随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU ）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为0.2°/hr ；中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂
中国光纤陀螺仪行业 市场调研投资分析预测报告
正文目录 第一章光纤陀螺仪行业概述 (19) 第一节光纤陀螺仪简述 (19) 一、定义及分类 (19) 二、产品特性 (20) 三、主要应用领域 (21) 第二节光纤陀螺仪的型号及用途 (21) 第三节光纤陀螺仪行业发展现状 (22) 第四节产业链结构分析 (25) 第五节光纤陀螺仪生产技术和工艺分析 (28) 第六节光纤陀螺仪在生产中遇到的问题及其解决方法 (31) 第七节光纤陀螺仪行业的地位分析 (31) 一、行业在第二产业中的地位 (31) 二、行业在GDP中的作用 (31) 第八节2015-2020年光纤陀螺仪行业相关政策发展的影响展望 (32) 一、国家“十三五”产业政策发展的影响展望 (32) 二、相关行业政策的影响展望 (32) 第二章中国光纤陀螺仪行业政策技术环境分析 (34) 第一节光纤陀螺仪行业政策法规环境分析 (34) 一、国家“十三五”规划解读 (34)
二、行业“十三五”规划解读 (34) 三、行业税收政策分析 (35) 四、行业标准概述 (36) 五、行业环保政策分析 (36) 六、行业政策走势及其影响 (36) 第二节政策法规对光纤陀螺仪产品的影响 (37) 一、2014-2015年中国光纤陀螺仪环保政策执行影响分析 (37) 二、节能环保新政策对光纤陀螺仪市场的影响 (37) 三、新政策对光纤陀螺仪市场的影响 (37) 第三节光纤陀螺仪行业技术环境分析 (38) 一、国内技术水平现状 (38) 二、国际技术发展趋势 (38) 三、科技创新主攻方向 (39) 第三章光纤陀螺仪生产技术分析 (41) 第一节光纤陀螺仪主要生产工艺技术 (41) 一、光纤陀螺仪生产工艺原理 (41) 二、光纤陀螺仪生产工艺流程 (42) 第二节光纤陀螺仪其他生产方法 (43) 第三节光纤陀螺仪生产工艺优劣势比较 (46) 第四节光纤陀螺仪工艺技术的改进与发展趋势 (46) 第五节光纤陀螺仪工艺技术路线的选择 (46) 第六节光纤陀螺仪质量指标 (47)
光纤陀螺寻北仪的发展现状 1光纤陀螺的研究及应用现状 (1) 2 陀螺寻北仪的发展情况 (1) 1光纤陀螺的研究及应用现状 在惯性导航和惯性制导系统中，陀螺仪是极其重要的敏感元件。所谓惯性导航，就是通过测量运载体的加速度，经过计算机运算，从而确定出运载体的瞬时速度和瞬时位置。所谓惯性制导，则是在得到这些参数的基础上，控制运载体的位置以及速度的大小和方向，从而引导运载体飞向预定的目标。 以陀螺仪和加速度计为敏感元件的惯性导航和惯性制导系统，是一种完全自主式的系统。它不依赖外部任何信息，也不向外发射任何能量，具有隐蔽性、全天候和全球导航能力。因此，惯性导航成为现代飞机、大型舰只和核潜艇的一种重要导航手段，而惯性制导则成为地地战术导弹、战略导弹、巡航导弹和运载火箭的一种重要制导方法。此外，惯性导航还可陆军炮兵测位、地面战车导航以及大地测绘等领域。由此可见，陀螺仪在航空、航天、航海、兵器以致国民经济的某些部门中都有着广泛的应用。 2 陀螺寻北仪的发展情况 第一阶段，20世纪50年代在船舶陀螺罗经的基础上，研制出矿用液浮式陀螺罗盘，这是陀螺寻北仪发展的初级阶段。在这个阶段，德国的克劳斯塔尔矿业学院于1949年研制出液浮式单转子陀螺球，电磁定中心，陀螺电源频率333HZ，电压为100伏三相交流电，陀螺转速19000转/分。一次观测中误差06'' ±，定向时间4小时，仪器重量640千克。其型号为MWI，1955年和1959年相继研制出MW3和MW4a型。精度进一步提高，定向时间进一步缩短，仪器重量进一步减轻。 第二阶段，从20世纪60年代开始，利用金属悬挂带将陀螺灵敏部陀螺马达转子和陀螺房在空气中通过悬挂柱悬挂起来，悬挂带的另一端与支承外壳相固定并采用三根导流管直接向马达供电。这样构成了摆式陀螺罗盘。与第一阶段相比，仪器结构大大简化，全套仪器进一步小型化，重量大大减轻，由于电源频率稳定性大大提高，使陀螺转速稳定，减小了角动量脉动，提高了仪器观测精度。1963
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920267079.2 (22)申请日 2019.03.04 (73)专利权人 江西寻准智能科技有限责任公司 地址 332000 江西省九江市九江经济技术 开发区综合工业园区内绿冬丝科园区 5号楼 (72)发明人 冯唐荣 黄芳 祝露峰 余贤 (74)专利代理机构 北京纽乐康知识产权代理事 务所(普通合伙) 11210 代理人 苏泳生 (51)Int.Cl. G01C 19/72(2006.01) (54)实用新型名称 一种用于光纤陀螺的光纤环 (57)摘要 本实用新型公开了一种用于光纤陀螺的光 纤环，包括光纤环骨架，光纤环骨架为工字环结 构，光纤环骨架上下端面之间的外环壁为光纤绕 制环面，光纤环骨架的上端面为光纤盘装面且光 纤盘装面上设置有两个出纤螺线槽；光纤绕制环 面设有光纤环且光纤环两出纤端涂胶盘于光纤 盘装面上；光纤环外侧设有保温外层，光纤环骨 架的中心圆孔内设置有保温内层。本实用新型设 置有保温外层和保温内层，能够减少温度对于光 纤陀螺影响， 提高光纤陀螺的稳定性。权利要求书1页 说明书2页 附图3页CN 209512878 U 2019.10.18 C N 209512878 U
权 利 要 求 书1/1页CN 209512878 U 1.一种用于光纤陀螺的光纤环，包括光纤环骨架（1），其特征在于，所述光纤环骨架（1）为工字环结构，所述光纤环骨架（1）上下端面之间的外环壁为光纤绕制环面（2），所述光纤环骨架（1）的上端面为光纤盘装面（3）且所述光纤盘装面（3）上设置有两个出纤螺线槽（4）；所述光纤绕制环面（2）设有光纤环（5）且所述光纤环（5）两出纤端涂胶盘于光纤盘装面（3）上；所述光纤环（5）外侧设有保温外层（6），所述光纤环骨架（1）的中心圆孔内设置有保温内层（7）。 2.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述保温外层（6）为环带状且两边沿设有垂直于环带的延展部（61），所述延展部（61）覆盖住所述光纤环骨架（1）上下端面的外沿部分，且所述延展部（61）对应两个所述出纤螺线槽（4）开设有孔（62）。 3.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述保温内层（7）为环带状且紧贴所述光纤环骨架（1）的中心圆孔内壁。 4.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述光纤环（5）按四极对称绕制。 5.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：两个所述出纤螺线槽（4）沿所述光纤环骨架（1）的轴心对称布置。 6.根据权利要求1所述的用于光纤陀螺的光纤环，其特征在于：所述光纤环骨架（1）的下端面为封闭式结构。 2
2005年第24卷第6期 传感器技术(Journa l o f T ransducer T echno logy) 综述与评论 光纤陀螺仪的发展现状 周海波,刘建业,赖际舟,李荣冰 (南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016) 摘 要:根据光纤陀螺仪的工作原理和特点,光纤陀螺仪具有不同的分类。介绍了国外光纤陀螺仪的现状,预测了近期和长远的发展趋势,旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。 关键词:光纤陀螺仪;萨格纳效应;干涉型;谐振式;布里渊式 中图分类号:TN2,T P2 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)06-0001-03 Devel op m ent status of fiber optic gyroscopes Z HOU H a i bo,LI U Jian ye,LA I Ji zhou,LI Rong b i n g (Navi gati on Res Cen ter,Nan jing Un iversity of Aeronau tics and A stronau tics,N an ji ng210016,China) Abstract:The fi ber opti c gyroscope(FOG)is c lassified i nto different types acco rd i ng t o its pr i nc i ple and character i sti c.The i n ternati onal status of FOG is i ntroduced and the short ter m and l ong ter m trend o f FOG i s forecast.It w ill be bene fit to t he course o f our FOG. K ey word s:FOG(fi ber optic gyro scope);Sagnac e ffect;i nterfero m e tric;resonan t;B rillou i n 0 引 言 光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪 光学陀螺仪的一种,其基本工作原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,汇合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差,计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光学陀螺仪 环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。 本文从光纤陀螺仪的原理和优点出发,着重对光纤陀螺仪的分类、国外研究现状及其发展趋势做了详细的介绍,希望对我国的光纤陀螺的研制和发展有所裨益。 1 光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有结构简单、价格 收稿日期:2004-11-20便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器[1]。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关[2],主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 按照光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可以采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤陀螺构成模式。 按照性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级等3个级别[3]。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者,如H oneyw el,l N orthrop等公司。 1
导航级干涉型光纤陀螺仪的性能进展 摘 要 过去Litto n公司报导过温度范围在-55～74℃的动态环境中,曾达到0.0027(°)/ h的角随机游走,0.0092(°)/h的偏值不稳定性,9.2ppm的标度因数误差和0.381/s的输入角对准误差。这些仪器中,陀螺仪环圈外径小于7.62cm,高不到2.54cm。本文报告了Lit ton公司导航级干涉型光纤陀螺仪(I FO G)的技术新进展。叙述了利用低双折射网和保偏网的I FO G光学结构,讨论了I FO G因热感应和磁感应造成误差的主要来源,并提供了导航级IFO G的最新数据。 主题词 干涉型光纤陀螺仪(IFO G) 导航级光纤陀螺仪 误差 热偏值 角随机游走(A RW) 磁偏值误差 *偏振非互易性(PN R) 1 概述 20多年来,干涉型光纤陀螺仪已从实验室中的新产品发展成为可以投产、可靠且低成本的仪器,成为旋转传感市场上许多不同应用中的机械式和环形激光陀螺仪(RLG)的有力竞争产品。战术级干涉型光纤陀螺仪已投产若干年了。三年前报导过Litto n公司的IFOG首次达到了导航级性能。在这些报导中,我们的IFO G偏值性能达到0.01(°)/h,动态温度环境扩大到-55～71℃,温度变化率为0.5℃/min,直接从陀螺仪的传感环圈中测得。我们还第一次报 导了标度因数性能优于 1.0ppm和输入轴对准性能优于0.51 s (在同样温度范围内)。在动态 温度环境中,达到这样先进的偏值、标度因数和输入轴对准性能,是因为采用了有1km长光纤的传感环圈的仪表,它装在直径小于7.62cm的组合内。因此,与导航级应用中的机械式和环形激光陀螺仪相比,它在尺寸上很有竞争优势。 本文中,我们将报导导航级IFOG取得的进展。将首先分析IFO G在动态温度环境中性能的误差源。第二部分讨论在环圈中,随时间变化的温度扰动造成的偏值误差和“Shupe”偏值误差。第三部分讨论偏振非互易误差(PN R)。第四部分简单地讨论一下降低偏值磁灵敏度的问题。第五部分叙述导航级IFOG这种光学结构的仪器以两个网络为基础,第一个网络由低双折射光纤和低双折射器件构成;第二个网络只由保偏光纤和保偏器件构成。第六部分给出了这种仪表测得的最新数据。第七部分是结论。 2 由于随时间变化的温度扰动而造成的偏值误差 2.1 背景 自从Shupe发表论文讲述了由于传感环圈内因温度分布变化不对称而造成旋转角误差以后,许多工作人员都想方设法减少不对称性。Shupe建议采用折射指数温度系数低的玻璃纤维,他还建议采用一种环圈缠绕方法,即让光纤与相邻的环圈中点保持同样的距离。Frigo 讨论了几种偏值补偿技术,包括:保护环圈不受温度变化的影响(假设用绝缘方法),选择热膨胀和折射指数温度系数低的玻璃,在环圈中放入导热率高的材料,通过改变、温度“减短”环圈的方法减少热梯度。他证明了环圈半径上的温度为线性时,与“简单”缠绕(光纤一头位于内半径,一头位于外半径)相比,对称缠绕和四极缠绕减少偏值误差的效果好。我们定义简单缠绕的Shupe偏值与改进缠绕的偏值的比为改进比(IR)。Ruffin考虑了高频效应或温度变化 · 51 · 飞航导弹 1998年第1期
光纤陀螺仪的应用及发展 谷军，蔺晓利，何南，姜凤娇，邓长辉 （大连海洋大学信息工程学院） 摘要：本文介绍了光纤陀螺的工作原理，并根据光纤陀螺的特点介绍了在各个领域的应用，阐述了光纤陀螺在国内外的发展现状，并指出了光纤陀螺的发展趋势。从发展角度看，光纤陀螺仪将成为21世纪前期的发展重点。 关键词：光纤陀螺；现状；应用； 0 引言 萨格纳克（Sagnac）在1913年首先论证了运用无运动部件的光学系统能够检测出相对惯性空间的旋转的奇特现象，现在统称为萨格纳克效应。1976年Vali和Shorthill首次提出了光纤陀螺（Fiber optic gyro）的概念，它标志着第二代光学陀螺的诞生。光纤陀螺一问世就以其明显的优点、结构的灵活性以及诱人的前景引起了世界上许多科学家和工程师的普遍关注。国内对光纤陀螺的研究也有20多年的历史，经历开环到闭环的研究历程。在20多年的研究过程中，光纤陀螺的广泛应用前景已经得到了专家的认可，光纤陀螺作为惯性技术的核心器件，已经逐渐成为陀螺市场的主流产品。人类对光纤陀螺的需求也变得十分迫切。 光纤陀螺的应用非常广泛，是基于Sagnac效应的原理工作的。作为继激光陀螺仪之后出现的新一代陀螺，各国的研制工作已经取得了重大的进展。光纤陀螺仪的研制对惯性导航和控制领域十分重要，随着计算机、微电子和光纤技术的发展和应用，它将取代传统的机械陀螺和平台惯导系统。与机械陀螺相比，光纤陀螺无运动部件、使用寿命长；全固化结构、抗冲击能力强；测量动态范围大、无预热时问、启动时问短；不受地球吸引力影响；工艺相对简单，价格便宜；对捷联应用有先天优势。与激光陀螺相比，光纤陀螺的成本低、性价比高；体积小、功耗低、应用灵活；克服了激光陀螺闭锁带来的负效应；随着工艺和信号处理方案的发展，精度也可以和激光陀螺相当。 1 光纤陀螺仪 光纤陀螺仪是光学陀螺仪的一种。所谓光学陀螺仪就是利用萨格纳克Sagnac)效应构成的陀螺仪。利用光纤线圈构成的干涉仪效应来敏感角运动的装置称为干涉型光纤陀螺仪(IFOG)；采用光纤作为谐振器来敏感角运动的装置称为谐振型光纤陀螺仪(RFOG)；利用布里渊光纤环形激光器的频率变化原理构成的测角装置称为布里渊光纤陀螺仪(BFOG)。由于光学陀螺仪不象传统陀螺那样，依靠自转子的动量矩来敏感角运动。所以国外学术界也把这类陀螺定义为非陀螺仪角运动敏感器。 1.1光纤陀螺仪的特点 光纤陀螺仪作为一种新兴传感器件，具有许多深受欢迎的特点：（1）无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速度运动；（2）结构简单，零部件少，价格低廉；（3）启动时间短（原理上可瞬间启动）；（4）检测灵敏度和分辨率高（可达10 -7rad/s）；（5）可直接用数字输出并与计算机接口联网；（6）动态范围极宽；（7）寿命长，信号稳定可靠；（8）易于采用集成光路技术；（9）克服了激光陀螺因闭锁现象带来的负效应。 光纤陀螺最大的特点是可根据不同的用途，选择不同的光纤长度和线圈直径及不同的信息处理方法，可覆盖陆地、航空、航天、航海等所有陀螺仪应用范围。与传统陀螺仪(液浮
光纤陀螺仪 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。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。1976年Vali等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。在这篇文章中，我们主要介绍现代光纤陀螺仪的原理和设计。 现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：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要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。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干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果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，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。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。 光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在光纤陀螺仪已经达到0.01度/hr。 为了了解光纤干涉陀螺仪的基本结构，首先要了解光纤耦合器。光纤耦合器是一种光纤式的光能的分配元件。它是由两根平行的光纤将它们的内侧面磨平贴合在一起所形成的。不过现在制造光纤耦合器的方法已经不是这样的了。现代的方法是利用一种对光纤具有腐蚀作用的酸，在容器中将酸液的平面升高，在这个高度上正好可以将两根光纤的外层全部腐蚀掉。然后将这两根经过腐蚀的光纤加压贴紧，在相对较高的温度下对光纤进行拉伸。在拉伸的同时，利用仪器来测量输出的光能的分配情况，当光能分配满足耦合器的设计要求时，保持和固定耦合器的这一状况，这样一个合格的光纤耦合器就制成了。通过这种结构，当在一根光纤中一个入口有光通过时，它会经过耦合器的分配，将光在两根光纤出口中同时输出，同时两根光纤出口中的能量分配具有恒定的比例。和光线在介质表面的反射和透射一样，这样在输出的光中，在同一根光纤出口中的光是经过连接面的反射来实现的，而在另一根光纤出口中的光是经过连接面的折射来实现的，这两个光纤出口的光之间具有９０度的相位差。如果我们用数字来表示光纤的进出口，１和２表示是进口，３和４表示是出口，其中１和３是同一根光纤，而２和４是同一根光纤，这将对后面的讨论比较方便一些。关于光纤耦合器两个输出的光之间的相位差的问题可以很简单地用一个闭合的环形干涉仪来说明：假设一束光射到一个５０％比５０％的分光片上，它的透射光经过三个反射镜回到分光片后，经过反射到达光源所在的方向；而从分光片反射的光，经过相同的三个反射镜后，回到分光片，经过透射同样到达光源所在的方向。 这两束光的强度均应该是入射光强度的１／４，因为光学的可逆性的原理，它们相干以后的光强应该等于入射光的强度。从这里看，它们之间的相位差应该等于零。如果考察与入射方向成直角的另一个出口的情况，根据光学的可逆性，在这个出口上，光的总能量应该等于零。也就是说，在这个出口上，两束光之间的相位差为１８０度。这两束光一束是经过两次分光片的反射，另一束是经过分光片的两次透射。所以如果仅仅考察一次反射和一次透射的两束光，它们的相位差一定是９０度。 和光纤耦合器具有相同作用的是光学的Ｙ形波导管，这也是一种光能分配的元件。不过它的体积更小，更具有集成性。它是这样制成的：首先在铌酸锂的晶块上利用照相制版使钛金属在晶体的表面上画出一个Ｙ形状的线条，然后利用高温使钛分子渗入铌酸锂的晶粒中，从而形成一个折射率高的Ｙ形状的光学波导管。和光纤耦合器不同，光学波导管只有一个入口，从中输出的两束光和光纤耦合器也不同，一般具有相同的相位。但是光学波导管和光纤的连接是一个很难解决的实际问题，光学波导管的截面和光纤截面的形状大不相同，因此在接口处的因为间隙，不匹配和中心偏移会
光纤陀螺技术规范 Q/AG L07 ×.××－2003 光纤陀螺技术岗位规范1 范围本规范规定了光纤陀螺岗位职责和岗位标准。。 本规范适用于光纤陀螺岗位的初级.中级.高级职务人员。 2 引用标准 Q/AG L071.1－2003职工政治思想和职业道德通用标准 3 岗位职责3.1负责光纤陀螺初样.正样.和定型产品研制的全部技术工作。 3.2严格贯彻执行国标.部标.企标及有关科研技术.质量管理和安全技术法规。 3.3负责项目.技术论证.可行性研究论证.技术经济分析和项目的申报工作。 3.4根据研制合同，制定阶段和年度工作计划，并组织实施。 3.5参加本专业及相关专业的技术会议，评审本专业范围内的科研成果。 3.6贯彻全面质量管理，负责对试验中出现的各种技术问题进行分析论证.改进设计。 3.7根据工程化的实际要求，改进光纤陀螺的性能.环境适应性，不断采用新技术.新工艺改制和研究新样机，以满足武器装备的新需求。 3.8根据项目进展情况，适时编写专题技术总结.专题研究报告和鉴定申请报告。
3.9负责技术转让，技术咨询，技术服务以及资料管理和完成技术资料归档工作。 4 岗位标准4.1 政治思想与职业道德执行Q/AG L071.1－2003职工政治思想与职业道德通用规范4.2 文化程度4.3 专业理论知识4.3.1 初级职务4.3.1.1具有高等数学.物理光学.模拟和数字电路等基础理论知识。 4.3.1.2具有光纤陀螺的原理及构成等专业理论知识。 4.3.1.3掌握光纤陀螺性能指标测试的流程和试验规范。 4.3.1.4懂得光纤陀螺技术参数的含义。 4.3.1.5了解光纤陀螺的研制过程和有关技术标准。 4.3.1.6初步掌握一门外语，并能查阅本专业书刊.资料。 4.3.2 中级职务4.3.2.1具有光纤技术.信号分析.自动控制.计算机接口等基础理论知识。 4.3.2.2熟悉各种相关光学和电子仪器设备的操作，精通电路图。 4.3.2.3熟悉光纤陀螺的组装.调试以及技术指标的采样测试。 4.3.2.4掌握光纤陀螺的研究现状及存在的问题，了解关键技术。 4.3.2.5熟悉光纤陀螺各种技术参数的形成原因和改进方向。 4.3.2.6掌握一门外语，并能较熟练的查阅本专业书刊.资料。
光纤陀螺综述 摘要：从光纤陀螺诞生以来，它就以其显著的优点，灵活的结构和诱人的前景引起了世界上诸多国家的大学和科研机构的普遍重视，为此综述了光纤陀螺的基本原理和它的特点以及分类，,着重描述和总结了光纤陀螺在国内外发展的技术趋势和产业化情况。可以看到,随着现代微电子技术、光电子技术和信号处理技术的发展,光纤陀螺在未来惯性测量领域中占据越来越重要的位置。 关键词：光纤陀螺，Sagnac效应，发展 引言 自从1976年美国犹他大学的V ALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年。在30多年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都得到了深入地研究。 光纤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、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的进展。光纤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光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光纤陀螺)己经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。 在国外，l°/h至0.01°/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了l°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS．美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h ；2001年达到0.001°/h；2006年达到0.0001°/h ，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。 1、原理[1][9] 光纤陀螺的基本工作原理来自Sagnac效应。Sagnac效应是相对于惯性空间转动的闭环光路中断传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相同的光，以互为相反的方向传输并最后汇聚到同一探测点；若绕垂直于闭合光路所在平面的垂线，相对惯性空间存在着旋转角速度，则正、反两束光走过的光程不等，产生光程差。理 论上可以证明，其光程差与旋转角速度成正比，即-------------------------(1) 式中L为光纤长度；D为光纤环直径；λ为光波长；c为真空中光速；Ω为转动角速度。使用低损耗单模光纤形成环状，其总长L可达几百米甚至上千米，可大幅度地提高环形干
陀螺仪的发展历程以及现状的文献综述 摘要 概述了陀螺的发展情况，论述了光纤、静电陀螺等几种现代陀螺的基本原理、分类以及其中一些国内外的研究现状。 关键词 光纤陀螺静电陀螺激光陀螺振动陀螺
作者简介： 男，北京航空航天大学，本科生
1.陀螺的发展简史 陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。[1] 2.光纤陀螺 光纤陀螺(FOG)是一种利用萨格奈克(Sagnac)效应测量旋转角速率的新型全固态惯性仪表。自从1976年Vali和Shoahil首次提出光纤陀螺的概念以来，引起了国内外人们极大的重视和强烈的兴趣，由于光纤陀螺与机电陀螺或激光陀螺相比有一系列优点，诸如体积小，质量轻，成本低等，特别引起海、陆、空三军的高度重视。在这短短的20多年里，光纤陀螺得到了很大的发展。国外中、低精度光纤陀螺已经产业化，高精度的光纤陀螺的开发和研制也正逐步走向成熟。美国Honeywell公司的保偏型光纤陀螺的零偏稳定性已经达到0．00038°／h，是目前报道的最高精度的光纤陀螺，拟用于潜艇导航或深层空间飞行器。光纤陀螺现已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。国内光纤陀螺仪研制水平已接近惯性导航系统的中、低精度要求，但大多数未到工程实用阶段，也没有可靠性数据。光纤陀螺仪属于所谓“敏感技术”，在目前复杂的技术环境中，很难从他人那里得到更多的借鉴和参考，只有靠我们自力更生走符合。 [2] 光纤陀螺采用的是Sagnac干涉原理，用光纤绕成环形光路并检测出随转动而产生的反向旋转的两路激光束之间的相位差，由此计算出旋转的角速度。 光纤陀螺就原理与结构而言，可以将其分为干涉式光纤陀螺、谐振腔光纤陀螺、布里渊光纤陀螺、锁定模式光纤陀螺及Fabry2Perot光纤陀螺等5种；从检测相位的方法看，也可将其分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类；从其构成方式，可分为相位差偏置式光纤 陀螺、光外差式光纤陀螺及延时调制式光纤陀螺等等。[1] 3.静电陀螺 在宇宙航行中，对陀螺仪的精度要求很高，漂移误差约为0.001(°)/h，或更高。静电陀螺仪是能满足这种要求的陀螺仪之一。静电陀螺仪是利用静电引力使金属球形转子悬浮起来，是自由转子陀螺。其基本结构是一只金属球形转子，加上两只碗形电极壳体，壳体外为陶瓷，内壁上固定6只金属电极，将球形转子放在对称密封壳体内而形成陀螺组件。如图2所示。