光纤陀螺仪的应用及发展
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光纤陀螺仪应用
光纤陀螺仪应用
1、航海方面的应用
罗经是船舶重要的导航设备,主要有磁罗经和电罗经两种。
随着光纤陀螺技术的发展和商业化水平的提高,光纤陀螺仪已成为船用通导设备中的新成员,在商用和军用船舶及船用设备中得到应用。
基于捷联式惯导系统的光纤陀螺仪罗经其旋转轴与船舶坐标系的三个轴相对应,它不仅可以作为高精度航向的信息源,实现自动找北、指北,而且还可以得出航向回转速率、横、纵摇角度和航向的旋转速率等可靠数据,进一步推动船舶的自动化发展,保证了船舶的操纵效果和保证航行安全。
2、航天及空间方面的应用
在航天和空间应用方面一般都采用高精度的干涉型光纤陀螺。
IFOG 为主要惯性元件的捷联惯导系统,可为飞机提供三维角速度、位置以及攻角和侧滑角,实现火箭升空发射的跟踪和测定,也可用于空间飞行器稳定、摄影/测绘、姿态测量控制、运动补偿、EO/FLIR稳定、导航及飞控等,其中高精度、可靠性高的光纤陀螺与GPS组合定姿已成为国内外航天器定姿系统的典型构型。
光纤陀螺仪的发展及应用光纤陀螺仪是一种基于光学原理的精密仪器,用于测量和检测物体的角速度和角位移。
它的工作原理是利用光纤作为传感器,在光的干涉和干扰效应下实现对角速度进行精确测量和计算。
光纤陀螺仪具有高精度、快速响应、长寿命和抗干扰性强等优点,因此在航空航天、导航、地震监测和工业控制等领域得到广泛应用。
光纤陀螺仪的发展经历了几个重要的阶段。
最早的光纤陀螺仪出现在20世纪70年代,它使用了光纤作为传感器,在光的干涉效应下实现对角速度的测量。
然而,当时的光纤陀螺仪体积庞大、价格昂贵、性能不稳定,限制了其在实际应用中的推广和应用。
随着技术的发展,光纤陀螺仪逐渐趋于小型化、高精度化和低功耗化。
在20世纪90年代,研究人员提出了一种新的光纤陀螺仪结构,即光纤环结构。
这种结构有效地实现了对光在光纤中传播时产生的微小光程差的测量,大大提高了陀螺仪的灵敏度和稳定性。
近年来,随着光纤技术的不断进步,光纤陀螺仪实现了更高的分辨率、更低的噪声和更宽的测量范围。
同时,光纤陀螺仪的体积也不断减小,造价也大大降低,使得其在大规模商业化应用中更具有竞争力。
光纤陀螺仪目前在航天航空领域有着广泛的应用。
它可以用于飞行器的导航、姿态控制和稳定系统,实时测量飞行器的角速度和绕各轴旋转角度,从而保证飞行器的安全和稳定。
光纤陀螺仪还可以用于航天器的精确定位和导航,为太空探测任务提供准确的数据支持。
此外,光纤陀螺仪还被广泛应用于民用领域。
例如,光纤陀螺仪可以用于汽车导航系统,提供准确的行驶方向和距离信息;在地震监测中,光纤陀螺仪可以实时监测地壳的变化,预警地震;还可以在工业控制系统中实现精确的角位移测量和控制,提高生产过程的自动化和智能化水平。
总的来说,光纤陀螺仪以其高精度、快速响应和抗干扰性强的特点,成为现代导航和控制系统中不可或缺的重要元件。
随着技术的进一步发展,相信光纤陀螺仪在更多领域的应用前景将更加广阔。
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。
2024年光纤陀螺仪市场前景分析1. 引言光纤陀螺仪作为一种重要的传感器,广泛应用于航空航天、导航定位、地震监测等领域。
本文将对光纤陀螺仪市场的前景进行分析,探讨其发展趋势和市场规模。
2. 光纤陀螺仪市场现状目前,光纤陀螺仪市场呈现出良好的增长势头。
光纤陀螺仪具有高精度、高稳定性和高灵敏度等特点,逐渐替代了传统机械陀螺仪和MEMS陀螺仪,成为市场上的主流产品。
在航空航天领域,光纤陀螺仪被广泛应用于导航和姿态控制系统。
同时,随着无人机和自动驾驶技术的快速发展,光纤陀螺仪在导航定位和惯性导航系统中也有广阔的市场需求。
3. 光纤陀螺仪市场驱动因素光纤陀螺仪市场的增长得益于以下几个方面的驱动因素:- 技术进步和成本下降:随着光纤传感技术的不断发展和成本的下降,光纤陀螺仪的性能得到了大幅提升,使得其在各个领域应用中具备了竞争优势。
- 航空航天行业的需求增长:随着民航和军航业的不断发展,对导航和姿态控制系统的需求持续增长,光纤陀螺仪作为关键传感器之一,将继续受到市场青睐。
- 自动驾驶技术的兴起:随着自动驾驶技术的推广与应用,光纤陀螺仪在惯性导航和姿态感知方面的需求将进一步增长。
4. 光纤陀螺仪市场挑战与机遇光纤陀螺仪市场面临着一些挑战,同时也带来了一些机遇: - 技术竞争加剧:随着市场竞争的加剧,光纤陀螺仪供应商需要不断提升技术水平,提供更加稳定可靠的产品,以获取市场份额。
- 成本压力增大:光纤陀螺仪的市场规模不断扩大,但面临着陀螺仪本身成本的下降压力。
供应商需要通过技术进步和规模效益来降低生产成本,保持竞争力。
- 新兴应用市场:除了传统领域,如航空航天和导航定位等,光纤陀螺仪在智能穿戴设备、虚拟现实和增强现实等新兴领域也有广阔的市场前景。
5. 光纤陀螺仪市场预测据市场研究公司的数据显示,光纤陀螺仪市场预计将保持稳定增长。
预计到2025年,全球光纤陀螺仪市场规模将超过XX亿美元。
其中,航空航天领域将继续是光纤陀螺仪的主要应用领域,自动驾驶技术的发展将进一步推动市场增长。
光纤陀螺用途一、引言随着科技的不断发展,光纤陀螺作为一种新型的惯性导航技术,越来越受到人们的关注。
它具有高精度、高稳定性和长寿命等优点,在航空、航天、军事、海洋等领域得到了广泛应用。
本文将详细介绍光纤陀螺的用途。
二、光纤陀螺概述光纤陀螺是利用光学原理实现惯性导航的一种装置,其基本原理是利用磁悬浮技术将旋转体浮起,通过角速度传感器检测旋转体的旋转角速度,再通过信号处理电路计算出姿态信息。
与传统机械式陀螺相比,光纤陀螺具有更高的精度和稳定性。
三、航空领域1.民用飞机导航系统在民用飞机中,光纤陀螺被广泛应用于惯性导航系统(INS)中。
INS是一种独立于地面设施的全球定位系统(GPS)辅助导航系统,可以提供飞机在三维空间中的位置、速度和姿态信息,具有高精度、高可靠性和长时间稳定性等优点。
光纤陀螺作为INS中的核心部件,可以实现飞机在空中的准确导航。
2.军用飞机导航系统在军用飞机中,光纤陀螺也被广泛应用于INS中。
与民用飞机不同的是,军用飞机需要更高的安全性和隐蔽性。
光纤陀螺具有高精度、高稳定性和防干扰能力强等特点,可以满足军用飞机对导航系统的严格要求。
四、航天领域1.卫星姿态控制在卫星上,光纤陀螺可以作为卫星姿态控制系统(ACS)中的一部分,实现卫星在轨道上的精确定位和精确控制。
ACS可以通过调整卫星各个部分的姿态来实现多种功能,如通信、遥感、导航等。
光纤陀螺具有高精度、长寿命和抗辐射能力强等特点,在卫星姿态控制方面具有重要应用价值。
2.空间望远镜空间望远镜是一种用于观测天体的装置,需要具备高精度、高稳定性和长时间稳定性等特点。
光纤陀螺可以作为空间望远镜的姿态控制系统,实现望远镜的精确定位和精确控制,提高观测精度和可靠性。
五、军事领域1.导弹制导系统在导弹制导系统中,光纤陀螺可以作为惯性导航系统(INS)中的核心部件。
利用INS可以实现导弹的准确制导和打击目标。
光纤陀螺具有高精度、高稳定性和抗干扰能力强等特点,在军事领域具有重要应用价值。
2024年光纤陀螺仪市场发展现状概述光纤陀螺仪是一种利用光的性质来检测旋转运动的仪器。
它广泛应用于航空航天、导航控制、地震仪器等领域。
本文将对光纤陀螺仪市场的发展现状进行分析和总结。
市场规模光纤陀螺仪市场在过去几年中保持了稳定的增长。
根据市场研究公司的数据显示,2019年光纤陀螺仪市场规模达到了XX亿元,预计到2025年将达到XX亿元。
市场规模的增长得益于光纤陀螺仪在各个行业中的广泛应用和不断改进的技术。
应用领域光纤陀螺仪在航空航天领域中的应用是其主要的市场驱动力之一。
航天器的导航和姿态控制需要高精度的陀螺仪来实现,光纤陀螺仪以其良好的稳定性和精确性成为了首选。
此外,光纤陀螺仪还被广泛应用于无人机、导弹、火箭等领域。
在导航控制领域,光纤陀螺仪也占据了一定的市场份额。
现代导航系统需要高精度的姿态传感器来提供准确的航向和姿态信息,光纤陀螺仪通过其快速响应、高精确度和抗干扰能力满足了这一需求。
光纤陀螺仪还被广泛应用于地震仪器领域。
地震仪器需要检测地壳的微小震动,并提供高精度的地震数据。
光纤陀螺仪具有较高的测量灵敏度和快速响应的特点,因此被广泛应用于地震监测和研究中。
除了以上领域,光纤陀螺仪还在工业控制、汽车电子等领域中有一定的应用。
随着技术的不断发展,光纤陀螺仪在更多领域将有更广泛的应用空间。
技术进展光纤陀螺仪市场的发展得益于技术的不断进步。
随着尺寸的缩小和制造工艺的改进,光纤陀螺仪的价格逐渐下降,同时性能不断提升。
新型陀螺仪产品采用了更先进的传感器和信号处理技术,具有更高的精确度、更快的响应速度和更好的抗干扰能力。
同时,光纤陀螺仪的可靠性也得到了提升。
传统的光纤陀螺仪需要复杂的光学调谐和温度补偿,容易受到环境影响。
而新一代光纤陀螺仪采用了更稳定的光源和特殊的光学结构,提高了稳定性和可靠性,降低了维护成本。
市场竞争目前,光纤陀螺仪市场竞争激烈。
国内外很多厂商都加大了在光纤陀螺仪领域的研发投入,并推出了各种新产品。
光纤陀螺仪原理及其工程应用光纤陀螺仪的基本构成由光源、光纤环、探测单元组成。
光源波长单色一致的激光,被光纤环分成两个光路,分别是顺时针和逆时针方向。
当光沿两个光路经过光纤环传播后,两束光会重合,形成干涉。
若光纤环不发生任何旋转,则两束光在探测单元中产生完全相干干涉。
但若光纤环发生了旋转,对应的光程差会发生变化,从而干涉现象也会发生变化,通过观察干涉光强的变化,就可以得到光纤陀螺仪的输出信号,进而计算出旋转角速度。
光纤陀螺仪在航空航天、导航定位、地震监测以及智能交通等领域中有着重要的应用。
在航空航天中,光纤陀螺仪可以用于飞行器的姿态控制、导航定位和惯性导航系统等,可以实现精确的飞行操作和导航定位。
在地震监测中,可以利用光纤陀螺仪对地震产生的地壳运动进行精确测量,以便及时预警和采取应急措施。
在智能交通领域中,光纤陀螺仪可以用于地铁、高铁等交通工具的导航定位和运行控制中,确保交通运行的精准和稳定。
另外,光纤陀螺仪还可以应用于油井钻井、测量仪器、无人车等领域。
在油井钻井中,可以利用光纤陀螺仪实现井深测量和定向钻井,提高钻井效率和精确度。
在测量仪器领域,光纤陀螺仪可以用于惯性测量单元、陀螺仪罗盘等设备中,实现精确的测量和定位功能。
在无人车领域,光纤陀螺仪可以用于自动驾驶系统中,提供准确的姿态和角速度信息,以实现安全稳定的驾驶。
综上所述,光纤陀螺仪具有高精度、稳定性好、抗振能力强等特点,使其在航空航天、导航定位、地震监测以及智能交通等领域中得到了广泛的应用。
随着技术的不断发展和创新,光纤陀螺仪在工程应用中将会有更广阔的前景和应用空间。
光纤陀螺仪的原理及应用光纤陀螺仪(Fiber Optic Gyroscope,FOG)是一种基于光学原理的精密惯性测量装置,用于测量和监测旋转运动。
它利用光纤的传输特性和Sagnac效应实现测量旋转运动的原理。
光纤陀螺仪的原理是基于Sagnac效应。
Sagnac效应是20世纪初法国物理学家Sagnac发现的一种光学现象,它是由于光在旋转系统中传播时,相对于旋转系统固连的坐标系,光沿顺时针和逆时针方向传播所需的时间不同而导致的。
光纤陀螺仪利用这个效应,通过测量光在光纤中的传播时间差来推测出旋转系统的旋转信息。
光纤陀螺仪的基本结构包括光源模块、光纤环和检测模块,其中光纤环是光纤陀螺仪的关键部件。
光纤环是由一个光纤来回缠绕而成的环形结构,通过环形的光纤路径,光可以顺时针和逆时针两个方向传播。
当光纤环不发生旋转时,两束光沿相同路径传播,其光程差为零;而当光纤环发生旋转时,两束光会在循环路线上产生不同程度的光程差,其大小与旋转角速度和环形光纤长度有关。
光纤陀螺仪通过光纤环中的相位差来测量旋转运动。
光纤陀螺仪通过向光纤环中注入一束激光光束,并分成顺时针和逆时针两个传输方向,经过一段一致长度的光纤后再汇合,再通过光探测器对两束光信号进行比较,并检测出相位差。
应用方面,光纤陀螺仪具有广泛的应用领域:1. 惯性导航系统:光纤陀螺仪广泛应用于航天、航海、军事等领域中的惯性导航系统中,用于测量航天器、舰船或导弹的姿态、角速度和角加速度,实现精确导航和定位。
2. 地震预警:光纤陀螺仪可以用于测量地震、地壳运动和地球自转等地球物理学参数,通过分析和监测这些数据,可以提前预警地震活动,为地震防灾提供重要信息。
3. 石油勘探:光纤陀螺仪可以应用于石油勘探领域,用于测量地下油田的地质构造、井筒位置和地震勘探过程中的旋转运动等参数,提高勘探效果和资源利用率。
4. 智能车辆导航系统:光纤陀螺仪可以用于智能车辆导航系统中,用于测量车辆的姿态和旋转运动,提供准确的车辆导航和行驶方向。
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(液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、静电陀螺仪)相比,光纤陀螺仪的特点如表一所示[1]。
表一 光纤陀螺仪与其它陀螺仪比较1.2光纤陀螺仪的基本工作原理光纤陀螺仪的基本工作原理是 Sagnac 效应,即在一闭合回路中,沿顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向传播的两束光光程差△L 与闭合回路的旋转角速度Ω及回路面积A 成正比,与真空中的光速C 0成反比,即:0C t L ⋅∆=∆ ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛Ω+-Ω-=R C R R C R C 00022ππΩ⋅=04C A (1)实际的光纤陀螺闭合回路是由N 圈光纤绕制而成的,则积累的光程差为 :Ω⋅=∆04C AN L M (2) 相应的Sagnac 相位差为: Ω⋅=∆⋅=∆Φ00082C AN L M S λπλπ(3) 式中:λ0 为真空中的波长;A 为一圈光纤所包围的面积;设光纤圈的面积;设光纤圈直径为D ;L 为光纤敏感环的光纤总长度,则:Ω⋅=Ω⋅=∆ΦS s K C LD 002λπ (4) 式中:002C LD K S λπ=被称为比例因子,它表征光纤陀螺灵敏度的大小。
所以通过检测相位差ΔΦs ,就可以确定旋转角速度Ω,这就是Sagnac 效应。
再通过角速度的时间积分即可确定旋转体的角位置或方位角。
1.3光纤陀螺仪的类型就原理与结构而言,光纤陀螺仪可以分为三大类,即干涉型光纤陀螺仪(I-FOG)、环形谐振腔光纤陀螺仪(R-FOG)、受激布里渊散射环形激光陀螺仪(B-FOG)。
干涉型光纤陀螺是迄今为止,发展比较完善的一类光纤陀螺。
广泛应用于各领域,称为第一代光纤陀螺。
它又可分为:消偏型;全保偏光纤型;集成光学器件型。
环形谐振腔光纤陀螺是采用光纤作为谐振器来敏感角运动的装置,被称为第二代光纤陀螺。
又可分为:光纤式;光波导式。
受激布里渊散射环形激光陀螺是一种利用光纤环形腔中的受激布里渊散射的方向性增益效应来实现利用Sagnac效应检测谐振速率,其原理与激光陀螺仪完全相似。
被称为第三代,正在进行理论研究,比前两代具有更大的优越性。
由于无需复杂的调制解调检测技术,国际上倍受重视。
他们具有不同的结构,决定了各自的特点及使用范围,工作原理都是采用直接检测干涉后的Sagnac相移来得到旋转角速度[2,3]。
从检测相位的方法来看,它又可分为开环与闭环两种类型。
开环陀螺直接探测干涉后的Sagnac相移,而闭环陀螺则是利用反馈回路由相位调制器引入与Sagnac相移等值反向的非互异相移。
1.4 光纤陀螺仪的关键技术光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移。
1. 灵敏度消失是指在旋转速率接近零时,灵敏度会消失。
这是由于检测器中的光密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起。
2. 光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。
为了达到低噪声,应采用小相干长度的光源。
3. 光纤双折射引起的漂移:如果两束相反传播的光波在不同的光路上,就会产生飘移。
造成光路长度差的原因是单模光纤有两正交偏振态,此两种偏振态光波一般以不同速度传播。
由于环境影响,使两正交偏振态随机变化。
光纤陀螺仪与激光陀螺仪相比,有许多突出的优点,若用于导弹制导以及飞机、舰艇导航和卫星跟踪,尚存在某些关键技术需要解决。
根据光纤陀螺仪的工作原理及其光纤环的绕制方法和绕制工艺,其核心部件光纤对温度极为敏感,加上激光源的光程差、偏振变化、光的后向散射、光纤端面的菲涅尔反射以及光接收器的散粒噪声等影响,使检测误差较大。
因此必须查明原因,找出光纤陀螺仪的误差源,提出消除误差的有效途径。
表二列出了光纤陀螺仪的误差源及其有效解决途径[4]。
表二光纤陀螺仪的误差源及其解决途径2光纤陀螺仪的发展及应用2.1光纤陀螺仪的发展现状由于光纤陀螺无以伦比的优点,使其在机动载体和军事技术的应用非常理想,因此颇受用户,特别是军方的高度重视,并在近几年进行了大量的研究和实验,其中以美、日、德、法为主体的光纤陀螺研究工作已取得很大进展。
在国内,光纤陀螺的研究起步较晚且集成光学技术和保偏光纤技术相对落后,又由于发达国家的技术封锁,所以发展较慢。
但在国外光纤陀螺的迅猛发展形势下,自1987年起光纤陀螺的研制被列入重点发展计划,北京航空航天大学、航天部13所、33所、浙江大学、哈尔滨工程大学等单位投入很大力量进行研究,并取得一定成绩,目前,国内光纤陀螺的研制水平已接近惯性导航系统的中、低精度要求。
表三、表四是目前国内外各单位光纤陀螺应用水平[5,6]。
由于光纤陀螺与传统陀螺相比具有许多重要特征,如启动时间短、重量轻、稳定可靠、宽动态范围、功耗小、成本低等,所以在航海、宇航、空中运载器、交通运输以及机器人等军用、民用的许多领域都有着广阔的应用前景[7-9]。
光纤陀螺的应用领域如表五所示:2.2.1光纤陀螺在军用领域的应用(1)军用直升飞机、运输机、战斗机和战略轰炸机,以及军用人造卫星等惯性导航系统。
要求用高性能陀螺,其容许漂移误差在(10-2~10-4)°/h的范围。
光纤陀螺不仅能满足捷联系统的大动态范围、高线性度、高稳定度和数字输出的要求,而且价格低廉。
(2)战术武器制导和飞行姿势方位基准装置用陀螺。
不少空军战术武器系统,诸如改进的中近程空对地导弹、空对空导弹、大面积扫装甲弹等都需要惯性参考系统。
(3)战略巡航导弹用陀螺.战略巡航导弹要求陀螺具有高精度性能(容许漂移误差一般为0.01°/h左右),而且要求其体积小、重量轻。
一个小而精确的捷联惯性系统将能给战略巡航导弹提供制导、自动驾驶以及其它参考功能所必须的一切惯性信息。
(4)综合孔径雷达、火力控制、高纬度姿势参考系统等都需要高精度惯性传感器。
(5)对陆军来说,陀螺主要用于陆地惯性导航系统和惯性大地测量系统。
(6)在海军方面,陀螺主要用于一般军舰、攻击型核潜艇和弹道导弹核潜艇的惯性导航系统。
2.2.2光纤陀螺在民用领域的应用(1)光纤陀螺在汽车工业中的应用[12,13]作为旋转角速度传感器之一的光纤陀螺具有适应于汽车工业应用的特征:①无可动部分,结构简单;②启动时间短;③小型,重量轻;④功耗低;⑤动态范围宽。
目前光纤陀螺在汽车工业中的应用主要是:①在汽车自动导航系统中的应用;②在汽车姿态控制系统中的应用;③在汽车控制仪器中的应用。
(2)光纤陀螺在列车导航中的应用[14]以光纤陀螺为基础的定位系统能够给出列车运行平面轨迹及列车前进过程中的速度、加速度、方位角,方位角速度、侧滚角、俯仰角等信息。
这些信息通过天线发射到漏泄波导再传输到列车指挥中心,经中心计算机综合性的实时处理,然后再传至各次列车,供司机参考执行。
从而可以增加行车的安全度,缩短行车间隔时间,提高车速和运输能力。
这就是以光纤陀螺为基础的智能化指挥系统。
(3)光纤陀螺还广泛地应用于航海航运领域,如民用运输机、客机、商船、客轮、深井钻探、隧道开掘机、机器人、农用无人驾驶直升机、自动草坪整修机以及惯性大地测量系统中。
3 光纤陀螺的发展趋势及展望光纤陀螺成本低、维护简便,正在许多已有系统上替代机械陀螺,从而大幅度提高系统的性能、降低和维护系统成本。
现在,光纤陀螺已充分发挥了其质量轻、体积小、成本低、精度高、可靠性高等优势,正逐步替代其它型陀螺。
目前,光纤陀螺的研究趋势有:(1)采用三轴测量代替单轴,研发多功能集成光学芯片、保偏技术等,加大光纤陀螺的小型化、低成本化力度;(2)深入开发中、低精度光纤陀螺的应用,特别是民用惯性导航技术;(3)加强精密级光纤陀螺的技术与应用研究,开发新型的光纤陀螺B-FOG和FRLG等。
光纤陀螺与第一代光学陀螺激光陀螺相比,最大的优点是不用在石英块或其它材料中精密的加工光学回路,制造成本低;而且光纤陀螺能根据使用对象的要求,实现高、中、低不同精度的产品,激光陀螺由于加工工艺复杂,制造成本高,只适用于制作高精度的产品。