光纤陀螺仪原理及其工程的应用19页PPT

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干涉式光纤陀螺基本原理
光源发出的光经过耦合器 后分为两束光，其中的一束光 进入电光相位调制器（Y波 导），经过Y波导的内部调节 后输出的两束光为满足光的相 干条件，这两束光在光纤环中 相向传播，感应外部的角速度 运动，在探测器处检测干涉信 号光强变化，经过光电信号处 理转换之后，形成闭环反馈电 压信号来调节Y波导，使Y波导 产生与外部Sagnac相移大小 相等方向相反的反馈相移，使 数字闭环光纤陀螺始终工作在 零点相移附近，在数据处理的 同时即可以获取外部的角速度 信息。
也即：
S
复位后， T 由零变为RS 。
20
闭环工作方案与实现
复位误差 为简单起见，考虑干涉仪施加偏置后的正弦响应。
当T 0 时信号为零，但在每个复位后的时间τ 内，信号变为sinRS 。
这种寄生信号可以作为一个方便的误差信号，用于在每个复位触发第二个 反馈回路，以检验相位调制器的调制效率。
J

RS
0
FB
0
J 数字相位斜波引起的相位差
t
t
J RS
b
方波偏置调制信号
0
t
24
闭环工作方案与实现
数字相位斜波的真正“魅力”，是运用数字逻辑和D/A转换器，对任何台阶值， 都能通过转换器的自动溢出，自然产生一个合适的同步复位。这样可以非常容易地实 现这项有效的技术。
A/D转换器
旋转时，则有：
I (S ,b ) I01 cos(S b ) I (S ,b ) I01 cos(S b )
两种调制态之差变为：
I (S ,b ) I0[cos(S b ) cos(S b )] 2I0 sin b sin s

注意：R-FOG研究起步较晚，且对光源要求十分苛刻，所以 目前R-FOG还处于实验室研究阶段，但是和I-FOG相比有上述
优势，因此各国都投入大量人力对其进行研究，相信在不久 的将来，R-FOG一定可以在惯性导航与制导等诸多领域得到 广泛应用。
布里渊型光纤陀螺( B— FOG)
或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺( B— FRLG) 。
干涉式光纤陀螺仪(I-fog)

开环光纤陀螺是依据Sagnac原理，通过干涉光强的
变化直接检测干涉后的Sagnac相移。
优点： 明显非线性 精度差 输入范围小 电路简单
缺点： 非线性严重 精度低 动态范围窄
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干涉式光纤陀螺仪(I-fog) 干涉式陀螺首次应于道尼尔328客机上，目前应用于波 音777飞机的姿态和空气数据系统(SAARU)
王巍 译 国防工业出版社
光纤陀螺仪的分类
干涉式光纤陀螺 ( I — FOG)
fibre optic gyroscope
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
布里渊型光纤陀螺( B— FOG)
干涉式光纤陀螺仪(I-fog)
干涉型光纤陀螺 ( I — F O G) 是研究开发最早 、 技术最为成熟的光纤陀
2
M CCW CCCW
M l
M ’
传输光程差
2 4 R L tc c

传输相位差
4 RL S 0c
(a)
(a)系统静止；(b)系统旋转
(b)
图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应
国防工业出版社年 2012 . 2
[2 ]《工程光学》 西安工业大学 韩 军、刘 钧 编著
结构简单

.
3
.
4
.
5
微分（速率）陀螺仪工作原理
• 当载体绕Y轴有角速度ω时，载体将在Y轴上产生力 矩My。在My的作用下，使陀螺仪做趋向外力矩的 进动，即陀螺仪绕X轴转过β角，此时弹簧会在X轴 产生力矩，同理弹簧力矩
又使陀螺仪产生绕Y轴的进
动。随着β角增大，弹簧力
矩也逐渐增大。稳态时，
弹簧力矩所造成的进动角人人网仅提供信息存储空间仅对用户上传内容的表现方式做保护处理对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑并不能对任何下载内容负责
陀螺仪原理
.
1
• 凡是绕回转体的对称高速旋转的物体都可称为 陀螺。
• 把高速旋转的陀螺安 装在一个悬挂装置上， 使陀螺主轴在空间具有 一个或两个转动自由度 ，就构成了陀螺仪。
• 陀螺仪有两个最主要的特征——稳定指向性和 进动性。
.
2
• 稳定指向性（定轴性）：当转子绕其主轴 高速旋转是，不论陀螺仪的底座如何倾斜 或摇摆，陀螺仪主轴将在惯性空间保持方 位不变。
• 进动性：在外力矩的作用下，陀螺仪主轴 转动方向与外力矩方向垂直，叫做陀螺仪 的进动性。即若外力矩施加于外环轴，陀 螺仪将绕内环轴转动，施加于内环轴将绕 外环轴转动。
速度和旋转角速度一致，
此时弹簧力矩kβ与陀螺力
矩Hω相平衡，可得：
H
.
6
k
积分（转角）陀螺仪工作原理
• 积分陀螺仪时用来测量运动体转角的单自由度陀 螺仪。
• 当载体绕Y轴有角速度ω时，载体将在Y轴上产生 力矩My。在My的作用下，使陀螺仪做趋向外力矩 的进动，当框架有转
.
动角速度 时，阻尼装
置将产生一个与其成正
比的阻尼力矩Mc。当

光纤线圈
光纤陀螺结构图
光纤陀螺仪原理-Sagnac效应
❖Sagnac效应[2]
如(a)所示，在无旋转条件下，两束光传输时间相等，为
tCCW
tCW
L 2R
cc
M CCW
M
l
M ’
如(b)所示，ω旋转条件下为
CCCW
tCCW
2R
c R
2R
tCW c R
(a)
(b)
图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应
机械陀螺
光纤陀螺仪
光纤陀螺
[1] 孙 丽 ， 王 德钊．光纤陀螺的最新 进展 [ J ] ． 航 天 控 制 ， 2 0 0 3， ( 3 )：7 5— 8 0 ．
fibre optic gyroscope
❖ 光纤陀螺仪与传统机械陀螺仪相比，具有以下优点： ➢ 没有旋转部件和摩擦部件 ➢ 寿命长 ➢ 动态范围大 ➢ 瞬时启动 ➢ 结构简单 ➢ 尺寸小 ➢ 重量轻 ➢ ……
为：
R
8A c
[4]
※A为光传播路径包围的面积一般的向量表达
[4]《The Fiber-Optic Gyroscope 》 HervéC.Lefèvre 著 张 贵 才 王巍 译 国防工业出版社
光纤陀螺仪的分类
干涉式光纤陀螺 ( I — FOG)
fibre optic gyroscope
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
(a)
(b)
图1 理想环形光路系统中的Sagnac效应
(a)系统静止；(b)系统旋转
[2 ]《工程光学》 西安工业大学 韩 军、刘 钧 编著 国防工业出版社年 2012 . 2
干涉式光纤陀螺仪(I-fog)