光学陀螺仪教材

性能稳定，抗干扰能力强，精度较高，动态范围宽。 无高速转动部件，寿命长,可靠性好，启动迅速 ，不需恒温。 既是速率陀螺又是积分陀螺 ，成本较低。
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
实际上，当输入角速 度较小时，输出特性将 偏离直线，当输入角速 度小于某一临界值时输 出拍频信号为零。这时， 激光陀螺对输入角速度 无反应，输出信号被闭 锁。
正、反向行波频差 的时间积分：
可以用光学拍频的方 法检测频差和脉冲数， 求得每一瞬时的转速 和转动角度
4A 4A N dt dt L 0 L 0

t
t
L
4A


L
4A
N
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
目前在惯性技术领域已获得卓有成效实际应用的非机 电式高精度惯性敏感仪表，作为一种光电式惯性敏感器， 它无需机电式陀螺所必需的高速转子，性能优势明显。特 别适用于捷联式惯性导航系统。 与传统的机电式陀螺及其它类型的陀螺相比，具有突 出优点和性能特征：
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
tccw
L tcw L/(c RΩ ) ( 1 c t L/(c RΩ ) L ( 1 ccw c
RΩ ) c tcw RΩ ) c
R
Ω
t N (tcw tccw ) 4 NR Ω/ c (4NA / c )Ω
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§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
环形激光器是由三面或四面以上的反射镜构成的环形行 波谐振腔和置至于腔内的激光介质组成的一种激光器。反射 镜的几何位置保证行波模在环形腔内能自洽运行，其反射率 提供行波振荡所需的正反馈，激光增益介质提供受激越迁以 维持腔内的行波振荡光场。
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac干涉仪
平台旋转
ED Ecw Eccwe jΔ
分束器
反射镜 摄 像 头
ED E(1 cos Δ j sin Δ )
I D ED
2
2 I (1 cos Δ )
光源
旋转驱动 轮
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§4.2
环形激光陀螺仪
二 环形激光器
激光陀螺的核心部件，由它形成的正反向行波激光振荡 是激光陀螺实现转速测量的基础。决定激光陀螺的性能，所 有激光器中，只有环形行波激光器才可能由Sagnac效应产生 出反映角速度的差频信号。 环形激光器必须满足一定的条件才能用于激光陀螺， 并非所有的环形激光器都可以用于激光陀螺。
2 2 2
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S
ΔL cΔt 4 ANΩ / c ( Ld / c)Ω
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
Sagnac效应相位差
Δ 2 Δt / T 2 fΔt (8 AN / c)
干涉条纹移动距离
x (4 AN / c) (4dL / c) Ko

L L
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
正反向行波间的频差
cw ccw
其中：
4A L
4A L
：比例因子

cw ccw
2

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cw ccw
2
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
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§4.2
环形激光陀螺仪
1．环形激光谐振腔稳定工作条件
激光陀螺的增益介质的小信号增益系数相当小，有效增益长度较短， 因此只有用稳定谐振腔（简称稳定腔）方能稳定运转。激光陀螺标度因数 的稳定需采用主动稳频方法稳定谐振腔光程长。为此，通常也必须采用稳 定腔。所谓稳定腔是指能保持一个以上模式的光线在该腔内经过无数次周 而复始的运行后也不偏离腔体轴线而横向逸出的光学谐振腔。
灵敏度：
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dI / dΔ 2I sin Δ
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---环形谐振腔及其频差
Lcw q cw Lccw q ccw
qc cw L cw qc ccw Lccw
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2 A Lcw qcw L c 2 A Lccw qccw L c
L L L 4A(1 )
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§4.2
环形激光陀螺仪
一 性能特征与基本组成
环形激光陀螺是以双向行波激光器为核心的量子光学仪表。 由环形激光器、偏频组件、 程长控制组件、信号读出 系统、逻辑电路、电源组 件及安装结构和电磁屏蔽 罩等组成。 依靠环形行波激光器内双向 行波间的谐振频差来测量载 体相对惯性空间的角速度。
第 四 章 光学角速度敏感器
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
旋转质量和振动陀螺是以牛顿运动定律为基础的机 电式惯性器件，其基本特性在于运动物体在惯性空间中 的动量守恒。光学角速度敏感器是以光的惯性特性为基 础的另一类角速度敏感器 光学角速度敏感器-----光学陀螺仪
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理 二 基本原理---Sagnac效应
在任意几何形状的闭合光路中，从某一个观察点发出 的一对光波沿相反方向运行又回到该观察点时，这对光波 的相位（光程）将因闭合环形光路相对惯性空间的旋转而 不同。其相位差（或光程差）的大小与光路的转动速率成 正比。
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§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺
谐振型（频率式）光学陀螺
干涉型（相位式）光学陀螺 干涉式多匝光纤陀螺
有源谐振腔型光学陀螺
无源谐振腔型光学陀螺 连续波运转 调制方式运转
四频差动激光陀螺
二频差动激光陀螺
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பைடு நூலகம்
§4.1 光学角速度敏感器的一般原理
一 分类
光学陀螺与机电式陀螺有着不同的工作机理，没有机电 式陀螺中机械转子产生的机械噪声和信号器产生的电气噪声， 光学陀螺的噪声通常只处于量子效应水平。相对而言，光学 陀螺的测量阈值一般要比机电陀螺高，但光学陀螺的长期稳 定性要好于机电式陀螺。