龙源期刊网
基于Lighttools的激光陀螺光学仿真
作者：刘 军
来源：《硅谷》2010年第24期
摘要： LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，在系统初步设计、复杂系统设计规划、照明系统设计分析等方面发挥重要作用。介绍一种基于Lighttools的激光陀螺光学仿真，依靠Lighttools完成对激光陀螺光学模型的建立，并对模型可靠性进行测试，从而在实际的陀螺生产中提供设计指导。
关键词： Lighttools；激光陀螺；光学仿真
中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671-7597（2010）1220036－01
0 引言
Lighttools软件是由美国Optical Research Associates公司研制开发的一款光学系统建模软件。
Lighttools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反光镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、扫描转鼓、机械结构以及光路。由于Lighttools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，并配有“放置光源”、发射光线的非顺序面光线追击的强大功能，使它在系统初步设计、复杂系统设计规则、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交换、课题论证或产品推广等各环节中均可发挥重要的作用。
1 激光陀螺工作原理
激光陀螺的原理为萨格纳克（sagnac）效应。即在任意形状的闭合光路中，从某一观测点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观测点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同。其相位差（或光程差）的大小与闭合光路的转动速率成正比。
激光陀螺即是以萨格纳克（sagnac）效应为基础的由环形激光谐振腔构成的测量角速度及角度的装置。
文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.
1 一、什么是光纤陀螺？
光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器
陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器．光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件——高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。
二、光纤陀螺核心器件有哪些？
1.多功能集成光波导调制器MIOC(Y波导)
概述
MIOC（集成光学多功能光波导调制器）具有起偏与检偏、分束与合束以及电光相位调制等功能。理论设计保证产品具有高性能；工艺制备保证产品具有高可靠性；生产控制保证批量产品具有高一致性。
全温范围内具有插入损耗低、偏振消光比高、电光相位调制线性度高的特点。采用微电子工艺和微光学工艺制作、保偏光纤对准耦合封装技术，具有850nm、1310nm 和1550nm 等多个工作波段。也可以按照客户的要求定制不同工作波长、不同封装形式等特殊规格的器件。
应用
• 光纤陀螺
• 光纤电流传感
• 其它光纤传感 特点
• 插入损耗低
• 偏振消光比高
• 温度相关损耗变化小
• 电光相位调制线性度高
• 可靠性高
参数表
Mini 1310 系列
类别 参数 符号 单位 性能指标(典型值)
光学性能 中心波长 c nm 1290~1330
插入损耗 IL dB 4.
全温插入损耗变化 IL dB 0.5
分光比 D - 48/52~52/48
全温分光比变化率 D % 3.0
背向反射 RL dB -55
残余强度调制 RIM - 2/1000
尾纤偏振串音 PER dB -30.0
全温尾纤偏振串音 PERT dB -25.0
电学性能 半波电压 V V 5.0
光纤陀螺原理
光纤陀螺是一种利用光的干涉效应来测量角速度的仪器，它利用了光的特性和旋转的惯性原理，是一种非常精密的测量装置。光纤陀螺在惯性导航、航天器姿态控制、地震监测等领域有着广泛的应用。在本文中，我们将深入探讨光纤陀螺的原理和工作机制。
光纤陀螺的原理基于Sagnac效应，这是一种基于相对论的效应，它是由法国物理学家Sagnac在1913年首次观察到的。当光沿着一个闭合的路径传播时，如果这个路径发生了旋转，那么光的传播速度就会受到影响，从而产生了光程差。利用这个原理，光纤陀螺就可以通过测量光程差来确定旋转角速度。
光纤陀螺的基本结构包括光源、分束器、光纤环、合束器和探测器。光源发出的光经过分束器分成两束，一束沿顺时针方向，另一束沿逆时针方向通过光纤环，然后再经过合束器汇聚到探测器上。当光纤环发生旋转时，两束光的光程差就会发生变化，这种光程差的变化就可以被探测器测量出来，从而得到旋转角速度的信息。
光纤陀螺相比于传统的机械陀螺有着许多优势，首先是精度高。由于光的波长非常短，因此可以实现非常高的分辨率，从而可以测量非常微小的角速度变化。其次是灵敏度高。光纤陀螺可以测量非常小的角速度，因此在一些需要高精度测量的领域有着得天独厚的优势。此外，光纤陀螺还具有体积小、重量轻、抗干扰能力强等优点，使其在航天、航空等领域得到广泛应用。
然而，光纤陀螺也存在一些局限性，比如温度漂移、光纤损耗、非线性效应等问题，这些都需要在实际应用中加以解决。此外，光纤陀螺的制造成本较高，也限制了其在一些领域的推广应用。
总的来说，光纤陀螺作为一种高精度、高灵敏度的角速度测量装置，在航天、导航、地震监测等领域有着广泛的应用前景。随着光纤技术的不断发展和完善，相信光纤陀螺将会在更多的领域发挥重要作用，为人类的科学研究和生产生活带来更多的便利和进步。
20世纪70年代，伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术也迅速发展起来。该技术是以光波为载体，光纤为媒质，感应和传输外界被测量信号的新型传感技术，以独特的优良性能赢得极大的重视，并在各个领域中广泛应用。光纤陀螺技术是光纤传感技术的一个特例，是利用光学传输特性而非转动部件来感应角速率和角偏差的惯性传感技术。
1 光纤陀螺的结构
按照元器件类型，光纤陀螺分为分立元件型、集成光学型和全光纤型。由于分立元件型光纤陀螺存在体积较大、可靠性较差、误差较大等缺点，现在世界各国都已停止发展。集成光学型光纤陀螺将主要光学元件如耦合器、偏振器、调制器都集成在一块芯片上，将光纤线圈、光源、检测器接在芯片适当的位置，就构成了实用的集成光学型光纤陀螺。从光纤陀螺的发展方向来看，集成光学型光纤陀螺是最有发展前途的光纤陀螺形式。全光纤陀螺是将主要的光学元件都加工在一条保偏光纤上，从而可以避免因元器件连接造成的误差。目前，全光纤陀螺技术比较成熟，其性能在三种中最好，适合在现阶段研制实用的商品光纤陀螺。
根据干涉型光纤陀螺的信号检测方式的不同，可以分为开环式和闭环式两大类。开环式光纤陀螺直接检测干涉条纹的相移，因而动态范围较窄，检测精度较低。闭环式系统采取相位补偿的方法，实时抵消萨格奈克相移，使陀螺始终工作在零相移状态，通过检测补偿相位移来测量角速度，其动态范围大，检测精度高。此外，闭环式光纤陀螺对环境尤其是对振动不敏感，是研制高精度光纤陀螺仪的理想形式。开环式全光纤陀螺是中低精度、低成本光纤陀螺中比较流行的结构。目前，在中高精度光纤陀螺仪领域，最为流行的设计结构为全数字闭环式光纤陀螺仪。
光纤陀螺示意图
2 光纤陀螺的特点
光纤陀螺的主要特点是：①无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不敏感；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极高；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克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应；⑩可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感器。由于光纤陀螺的上述突出优点，使其在许多领域中得到广泛的应用。
