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光纤陀螺术语及测试方法光纤陀螺是一种利用光学原理来测量角速度和方向的仪器。
其优点包括精度高、响应速度快、稳定性好等，因此在惯性导航、航天航空、自动控制等领域得到了广泛的应用。
光纤陀螺的术语主要包括以下几个方面：1.动态误差：动态误差是指光纤陀螺在运动过程中由于各种因素导致的测量误差。
例如，由于光纤陀螺的光学元件和机械部件在运动时产生的振动、材料膨胀等原因，会导致测量结果的偏差。
2.静态误差：静态误差是指光纤陀螺在静止不动时由于各种因素导致的测量误差。
例如，由于光纤陀螺的温度变化、光学元件和机械部件的松动等原因，会导致测量结果的偏差。
3.小干扰误差：小干扰误差是指光纤陀螺在受到小幅度干扰时产生的测量误差。
例如，由于光纤陀螺的机械结构和光学元件的松动等原因，会导致测量结果的不稳定性。
4.归零误差：归零误差是指光纤陀螺在归零过程中产生的测量误差。
例如，由于光纤陀螺的光纤光路中存在的偏移、偏振和偏心等原因，会导致归零结果的不准确性。
5.偏置误差：偏置误差是指光纤陀螺在测量过程中产生的零点漂移。
光纤陀螺的偏置误差可能由于温度变化、机械部件磨损等原因引起。
除了以上术语之外，光纤陀螺的测试方法主要包括以下几种：1.静态测试：静态测试是指将光纤陀螺放置在静止的环境中，通过测量其输出信号来评估其静态误差。
常用的方法包括将光纤陀螺与参考陀螺或参考仪器进行比较，以确定其零点漂移等测量误差。
2.动态测试：动态测试是指将光纤陀螺安装在运动的平台上，通过测量其输出信号来评估其动态误差。
常用的方法包括将光纤陀螺与参考陀螺或参考仪器进行比较，以确定其响应速度、线性度等测量性能。
3.带宽测试：带宽测试是指通过改变输入信号的频率，测量光纤陀螺输出信号的变化，以确定其响应频率范围。
常用的方法包括使用正弦波信号作为输入信号，测量光纤陀螺输出信号的幅值和相位变化。
4.稳定性测试：稳定性测试是指通过长时间连续测量光纤陀螺输出信号的变化，以确定其稳定性和长期稳定性。
光纤陀螺技术参数选型1.光纤陀螺工作原理光纤陀螺是一种利用回波光纤中光信号相位差变化来测量转动角速度的设备。
其基本原理是通过光纤传输光信号的相位差变化来实现转动角速度的测量。
2.光纤陀螺技术参数光纤陀螺的技术参数包括测量范围、分辨率、精度、稳定性等。
2.1测量范围光纤陀螺的测量范围是指其能够测量的转动角速度的上下限。
根据具体应用的需求，需要选用合适的测量范围，以保证光纤陀螺可以满足实际测量需要。
2.2分辨率光纤陀螺的分辨率是指其能够测量的最小角速度变化，也可以理解为陀螺仪的感知能力。
分辨率越高，表示光纤陀螺对微小的角速度变化更加敏感。
2.3精度光纤陀螺的精度是指其输出值与实际值之间的误差。
精度越高，表示光纤陀螺的测量结果与实际值之间的偏差越小。
2.4稳定性光纤陀螺的稳定性是指其在长期工作过程中输出值的稳定性能。
稳定性越好，表示光纤陀螺的测量结果在不同环境条件下的波动较小。
3.光纤陀螺技术参数选型方法在确定光纤陀螺的技术参数时，需要综合考虑实际应用需求、成本和技术可行性等因素。
以下是一些常用的光纤陀螺技术参数选型方法：3.1根据应用需求确定测量范围根据实际测量需求，确定光纤陀螺的测量范围。
需要考虑转动角速度的最大值和最小值，以保证光纤陀螺能够满足实际测量需求。
3.2根据应用场景确定分辨率根据应用场景的需求，确定光纤陀螺的分辨率。
一般来说，对于需要测量微小角速度变化的应用，需要选择具有高分辨率的光纤陀螺。
3.3根据应用精度确定精度要求根据应用的精度要求，确定光纤陀螺的精度。
对于需要高精度测量的应用，需要选择具有高精度的光纤陀螺。
3.4根据应用稳定性确定稳定性要求根据应用的稳定性要求，确定光纤陀螺的稳定性。
对于需要长期稳定工作的应用，需要选择具有良好稳定性的光纤陀螺。
4.光纤陀螺技术参数选型的注意事项在进行光纤陀螺技术参数选型时，需要注意以下几个方面：4.1应用需求的准确把握需要充分了解实际应用需求，使技术参数选型更加准确。
光纤陀螺仪原理1. 引言光纤陀螺仪（Fiber Optic Gyroscope，简称FOG）是一种利用光纤和激光干涉原理测量角位移的装置。
光纤陀螺仪工作稳定、精度高、重量轻、体积小、抗振动能力强，广泛应用于航天、航海、火箭、导弹等领域。
本文将详细解释与光纤陀螺仪原理相关的基本原理。
2. 基本原理光纤陀螺仪的工作原理基于光的干涉效应，通过测量光传播路径中的相位差来得到角位移的信息。
光纤陀螺仪主要由光源、分束器、光纤环路和光电探测器等部分组成。
2.1 光源光纤陀螺仪一般采用激光光源作为发射器。
激光具有单色性、方向性和相干性等优点，可以提供稳定的光信号用于测量。
激光源发射出的激光光束经过准直、偏振等处理后，进入光纤环路进行干涉。
2.2 分束器分束器是将激光光束分成两束的光学组件。
一束光沿着光纤环路的顺时针方向传播，称为顺时针光；另一束光沿着逆时针方向传播，称为逆时针光。
2.3 光纤环路光纤环路是光纤陀螺仪的核心部分，由多个光纤组成。
光纤环路通常采用“S”型或“Z”型布局，其目的是使光在环路中传播一定长度，以增大传播时间，提高测量精度。
在光纤环路中，顺时针光和逆时针光通过相同的光纤传输，形成光纤内壁的干涉。
2.4 光电探测器光电探测器用于测量干涉光信号的强度。
光纤环路两端分别安装有光电探测器，用于接收顺时针光和逆时针光经过干涉后的光强信号。
3. 工作过程光纤陀螺仪的工作过程可以分为两个阶段，即初级调零和运行测量。
3.1 初级调零初级调零是为了消除光纤陀螺仪中的零偏误差。
在初级调零过程中，设备会自动采集并记录下零偏误差的数值。
首先，光纤陀螺仪的光源发射激光光束，分束器将光束分成顺时针光和逆时针光，然后它们分别沿着光纤环路传播。
在传播过程中，如果光纤环路没有发生旋转，则顺时针光和逆时针光会以相同的路径传播回来。
当顺时针光和逆时针光在光纤环路两端重新合成时，它们会以特定的相位关系进行干涉。
这种干涉会导致光电探测器接收到的光强发生相应的变化。
光纤陀螺的精度和稳定性研究光纤陀螺是一种利用光纤的技术来测量角速度和角位移的设备，它在惯性导航、精密导航和航空航天等领域得到广泛的应用。
其优点在于精度高、稳定性强、寿命长、重量轻以及体积小等特点。
本文将深入探讨光纤陀螺的精度和稳定性研究，为读者带来一份的科学知识。
1. 光纤陀螺介绍光纤陀螺的工作原理是利用旋转光路效应，将激光束从光纤中传入陀螺仪，在单位时间内测量旋转角度和旋转速度，从而得到角速度和角位移的数据。
它与传统的机械陀螺相比，具有更高的精度和稳定性，并且摩擦和磨损小，减少了运动部件的故障和损坏。
2. 精度研究光纤陀螺的精度是指测量角速度和角位移的精度，在实际应用中，这是非常关键的，特别是在高精度测量中。
目前，研究人员采用了多种方法来提高光纤陀螺的精度，例如：采用更高的分辨率、适度地减小量程、优化信号处理算法和补偿噪声等，使测量的误差尽可能地减小。
3. 稳定性研究光纤陀螺的稳定性是指在变化的环境条件下，其测量精度的保持能力。
如果在复杂的环境中，光纤陀螺的稳定性较差，则会影响其应用价值。
因此，研究光纤陀螺的稳定性有着重要的意义。
研究人员通过降低环境温度、减小机械负载、研究隔振系统和优化结构设计等方法提高光纤陀螺的稳定性，并保证其在极端环境下也能够正常工作。
4. 常见应用光纤陀螺在军事、航空航天、自动驾驶等领域得到了广泛的应用。
例如，在惯性导航系统中，光纤陀螺具有更好的性能，能够提供更精确、更可靠的角度测量信息；在飞行模拟中，光纤陀螺能够实时地测量飞机的各种角度信息，从而模拟更精细的飞行过程；在智能机器人中，光纤陀螺可用于机器人运动的控制和姿态稳定等。
5. 未来发展随着技术不断的发展，光纤陀螺的应用也将会越来越广泛。
在未来，研究人员将继续致力于提高光纤陀螺的精度和稳定性，并且开发更多的应用场景。
同时，将适应新的需求和挑战，将光纤陀螺的技术发展到更高的层次。
总之，光纤陀螺的精度和稳定性是其在现实应用中的关键，对于提高光纤陀螺的精度和稳定性有着长期的研究和探索价值。
光纤陀螺及军事应用摘要：本文主要介绍了光纤陀螺，光纤陀螺的发展历史及其现状；在光纤陀螺分类的基础上分析其原理；光纤陀螺的特点；分别于陆海空三个不同的方面讲述光纤陀螺的军事应用以及光纤陀螺未来发展趋势。
关键词：光纤陀螺；发展历史；原理；分类；特点；军事应用；发展趋势Fiber Gyroscope and Military ApplicationXu Rui(School of Economy and Administration, Shanghai University, Shanghai 200444, China) Abstract: This paper mainly introduces the development history and present situation of fiber optic gyroscope, optical fiber gyroscope; analyze its principle based on the classification of the characteristics of fog; fog; military application and development trends in the future about the fiber optic gyroscope fog on three different aspects of armed respectivelyKeywords: Fiber gyroscope；History；principle；Classification；Characteristic；Military application；Development trend.1 前言现代陀螺仪是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性制导仪器，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[1]。
光纤陀螺仪作为新一代的陀螺仪，是一种利用Sagnac效应测量旋转角速度的新型全固态惯性仪表[2]，较为常见的外形如图（1）所示。
光纤陀螺因其零部件少、体积小、抗电磁辐射和冲击能力图1 光纤陀螺强、寿命长、易于集成、成本低等优点而飞速发展, 广泛用于兵工、航海、航空、航天等军事领域。
2 光纤陀螺仪的发展历史及现状自从美国犹他大学的VAL I和 SHORTHI LL等人成功研制第1个光纤陀螺以来,光纤陀螺已经发展了将近30年。
以下是光纤陀螺的主要发展历程[3~7]。
1970 年,新一代低损耗光纤推动光纤陀螺的研制; 1976年, VAL I和SHORTHI LL 等人成功研制了干涉式光纤陀螺(I-FOG);1977 年～1982年,对光纤陀螺的基本结构进行研究,提出了光纤陀螺最小结构,开环结构和闭环结构,并提出了谐振式光纤陀螺(R-FOG)和布里渊光纤陀螺(B-FOG)的思想;1980年～1990年,对光纤陀螺的误差因素和光学元件进行研究,引入了超辐射发光二极管、保偏光纤、光学铌酸锂集成芯片、绕纤技术等,对光纤陀螺提出“all digital”的概念,首次实现商业化(实用于波音777);1990 年至今,光纤陀螺的实际应用研究(特别是航天航空,工业领域),运用光电集成芯片(LiNbO质子交换光波导)、微光电机械、3信号处理技术等技术致力于降低光纤陀螺成本、小型化、高性能的研究,对I-FOG引入了消偏结构,三轴结构,EDF ASE光源,进行光纤陀螺的标准化,光纤型激光陀螺的研制。
现在,光纤陀螺的大部分关键技术问题已经得到很好的解决,灵敏度、动态范围、标度因素等技术指标已得到很大的改善,角速度探测精度已经达到0.0003°/h (相当于150年转一圈的转速)。
关键技术问题的解决和光纤陀螺独有优势有力地推动了光纤陀螺的产业化,如今全球每年生产的光纤陀螺单元已达到十万个左右。
典型的光纤陀螺仪面积为10 cm2数量级,精度 0.1°/h ～0 . 02°/h,能在强震动、温度-50℃～100 ℃的环境中全区间工作,广泛应用于航天航空,机器人系统,机车导航,天线与望远镜平台稳定,深海导航,矿物勘采甚至是地震探测技术领域。
3 光纤陀螺仪的原理及分类光纤陀螺分类有多种，若按其原理来划分，可分为：干涉型光纤陀螺（I-FOG）、谐振型光纤陀螺（R-FOG）及布里渊型光纤陀螺（B-FOG）。
但各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用Sagnac效应，只是各自所采用的位相或频率解调方式不同，或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同而已。
根据sagnac效应[8]，当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。
该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率[9]。
3.1 干涉型光纤陀螺（I-FOG）[10]I-FOG是第一代光纤陀螺,其原理如图2所示。
它是利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光;把光相位的直接测量转化成光强度测量,这样就能比较简单地测出Sagnac 相位变化。
I-FOG的光纤元器件一般都用单模光纤或保偏光纤制作。
用保偏光纤制作光纤线圈可得到高性能光纤陀螺,但是若要提高它的灵敏度就必须增加光纤的图2 干涉型光纤陀螺原理示意图长度,一般为数百米到数千米,光纤陀螺的体积相应较大。
I-FOG又分为开环I-FOG和闭环I-FOG,开环I-FOG主要用作角速度传感器。
这种光纤陀螺结构很简单,价格便宜,但是线性度差(10-3量级),动态范围小(10-6量级)。
闭环I-FOG是一种较精密且复杂的光纤陀螺,主要应用于中等精度的惯导系统。
I-FOG是光纤陀螺中研究最早的,现在其实验室精度已达10-4(°)/h ,在国内外的军用和民用方面得到了广泛的应用,目前世界各国开发的实用产品大部分都是干涉型光纤陀螺。
3.2 谐振型光纤陀螺（R-FOG）[10]R-FOG是第二代光纤陀螺,原理如图所3示。
从激光器发出的光通过光纤耦合器C4和C1分成两路进入光纤谐振器,在其中形成传播方向相反的两路谐振光。
谐振器静止时,这两束光的谐振频率相等。
但当谐振器以角速度Ω旋转时,它们的谐振频率不再相等,两束谐振光的谐振频率差为△f=（4S/ΛL）Ω (L为谐振器的光纤长度,为谐振器所包围的面积, K为光波长)。
因此,通过测量R-FOG中两谐振光束的谐振频率差△f,可以确定旋转角速度Ω。
R-FOG的研究较晚,主要用来解决光源的波长稳定性,对光源的要求十分苛刻,在技术上还不太成熟,但是很多研究图3 谐振型光纤陀螺人员认为它能提供最大潜在的精度。
国内外很多科研机构都在研究此类陀螺,目前已经有少数产品在实际中得到应用,处于由实验室向实用化过渡阶段。
与激光陀螺相比,由R-FOG的光源是在谐振器外,因此无闭锁效应;与I-FOG相比,具有光源稳定度高、所用光纤短(10m左右)、受环境影响小、成本低的优势。
3.3 布里渊型光纤陀螺（B-FOG）[10]B-FOG是第三代光纤陀螺,原理如图4所示。
此光纤陀螺是用光纤线圈代替了传统的RLG的激光谐振腔。
它与RLG在原理上都是利用谐振腔中沿相反方向传播的谐振光频差与旋转角速度成比例来测量旋转体的角速度。
它是用泵浦激光器耦合进人光纤线圈中,并产生增幅的布里渊散射,在光纤线圈中产生光学谐振。
它用光纤线圈代替了环形激光腔,不需要高反射率的反射镜和高真空封装,因图4 布里渊型光纤陀螺此结构简化、体积减小,而且生产成本降低,使陀螺全固体化。
其优势在于具有更大的动态范围。
目前尚处于实验室研究阶段,暂未有实用化的产品。
4 光纤陀螺仪的特点与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动的能力；(2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级；(3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；(4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；(5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不同的精度，并具有较宽的动态范围；(6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热；(7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的传感器；(8)结构简单、价格低，体积小、重量轻。
5 光纤陀螺仪的军事应用[11]光纤陀螺能够精确确定运动物体的方位,与传统的机械陀螺相比,具有结构简单、无旋转部件、重量轻、耐冲击、使用寿命长、消耗功率小、动态量程大等优点,广泛用于导弹制导、飞机船舰导航、军用卫星与地形跟踪导航等控制系统中,它的发展对一个国家的国防建设具有十分重要的战略意义。
5.1 光纤陀螺在陆战中的应用近年来,随着我国军事发展的需要,军事地理信息系统已进入实际研发阶段而全球定位系统GPS对军事地理信息系统的发展起到了很大推动作用。
众所周知,GPS接收器靠接收GPS 卫星信号获取定位信息, 所以在山区、隧道等卫星信号微弱甚至根本“看不到”卫星的地方, GPS就显得“力不从心”,但这些地区往往是敌我作战的主战场。
为解决上述问题,一般采用GPS与航位推算系统相结合的办法弥补GPS失去卫星定位信号而产生的数据空缺。
航位推算系统是由光纤陀螺和里程计组成的一种自主式导航系统,完全依靠车载设备自主完成导航任务,不易受周围环境的干扰和影响, 能够保证连续定位。
光纤陀螺还可用于装甲车和坦克的转塔,在车辆瞄准和射击时用于稳定炮塔。
2002年6月, KVH公司为欧洲系统集成商制造的几辆战车提供E-Core4000型光纤陀螺,其中单轴E-Core 4000型陀螺用于主战坦克转塔的升级,双轴E-Core型陀螺集成到新装甲车的转塔上,在车辆瞄准和射击时陀螺将用于稳定炮塔。
由于E-Core 4000型光纤陀螺不包括运动机件,对于那些影响机械陀螺精度和稳定性的外部振动、冲击和加速的惯性和十字线移动不敏感。
战车制造商使用后认为,其稳定性和可靠性远远超过现在军车上使用的机械陀螺,平均无故障运行时间为615万小时,在数量级上大大超过机械陀螺。
5.2 光纤陀螺在海战中的应用自19世纪后半叶出现钢制轮船以来,陀螺仪就担当了舰船导航的重要任务。
海军武器以运动平台为载体,掌握自身平台的时间、空间和姿态信息是保证大部分作战兵器充分发挥效能的基础。
在未来战争条件下,无线电、GPS、天文导航和制导都可能被对方干扰,而光纤陀螺以其牢固稳定、耐冲击、启动时间短、检测灵敏度高、寿命长、信号稳定等优点,在未来信息战环境中有着特殊地位,它在水下是唯一有效的导航手段,已普遍被各国海军认识和接受。
