光纤陀螺的研究发展及其应用
光纤陀螺的研究发展及其应用
冷宗圣 上海交通大学
概要
陀螺仪可以作为一个敏感元件,为载体提供准确的方位、水平、角速度和角位移等信号,完成对航行体的姿态和运动轨迹控制。在解决运动物体的定位和控制问题方面得到了广泛的应用,特别是在航海、航空和航天技术领域。陀螺仪的应用在国防建设和国民经济建设中占有重要位置。
针(ccw)方向传播的两束光的光程差ΔL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成反比。
即:ΔL=Δt*c
=c*[2πR/(C-R*Ω)-2πR/(C+R*Ω)]
=4*C*A*Ω/(C2-R2Ω2)
=4AΩ/C 因为C2>>R2Ω2
1,陀螺的分类
陀螺仪按产生陀螺效应的原理不同,可以分为机械转子陀螺仪、振动陀螺仪、粒子陀螺仪、激光陀螺仪和光纤陀螺仪。机械转子陀螺仪又可按具体结构分为框架陀螺仪、液浮陀螺仪、气浮陀螺仪、静电陀螺仪和挠性陀螺仪。
光纤陀螺仪是基于Sagnac效应,敏感角速率和角偏差的一种传感器。自1976年Vali V和Shortill R W提出光纤陀螺的概念以来,光纤陀螺得到了很大的发展。其角速度的测量精度已从最初的15°/h提高到现在小于0.001°/h的量级,并在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。光纤陀螺与机械陀螺相比具有明显的优点,并有逐步取代机械转子陀螺仪的趋势。
光纤陀螺主要有以下优点:
1.1抗电磁辐射,体积小,成本低。1.2零部件少,结构简单,仪器牢固稳定,具有较强的抗冲击和抗加速度运动的能力。
1.3无机械传动部件,不存在摩擦问题,因而具有较长的使用寿命。
1.4易于采用集成光路技术,信号稳定可靠,且可直接用数字输出,并与计算机接口连接。
1.5具有较宽的动态范围。
1.6理论上具有瞬时启动的可能。1.7可与加速度计激光陀螺一起使用,构成捷联式贯导系统。
反向传播光波的相位和振幅在静止时完全相等,互易性结构为萨格奈克效应的干涉信号提供了理想的对比度。光功率响应是旋转引起的相位差的函数,是一个隆起的余弦函数:P(ΔΦR)=P0(1+cosΔΦR),当ΔΦR=0时取最大值。为了获得高的灵敏度,应给该信号施加一个偏置,使之工作在一个响应斜率不为零的点附近。P(ΔΦR)=P0[1+cos(ΔΦR+Φb)]式中Φb为相位偏置。图中,在光纤线圈的一端放置一个压电陶瓷环PZT,起到相位调制器的作用。由于互易性,两束光波受到完全相同的相位调制,但不同时,其时延等于调制器(PZT)和耦合器之间长,短光路的群延时时间之差Δτg这提供了一个相位差的偏置调制。ΔΦm(t)=Φm(t)-Φm(t-Δτg)
于是干涉信号变为P(ΔΦR)=P0[1+cos(ΔΦR+ΔΦm(t))]
采用余弦信号ΔΦm(t)=Φbcos(2πfm)作为调制信号,其中的Φb与除了与调制信号的幅值有关,还与PZT的响应特性有关。探测上的信号可以按调制频率fm的谐波分量展开。
采用jn阶贝塞尔函数展开后,变为
静止 转动
实际的光纤陀螺的闭合回路是由N圈光纤绕制而成的,则累积的光程差为
ΔLM =4ANΩ/C
则相应的Sagnac相位差是ΔΦ=2π*ΔLM /λR
=8π*A*N*Ω/(λ*C)
式中λ是光在真空中的波长,A是一圈光纤所包围的面积;设光纤圈的直径为D;L是光纤环的总的长度,
则ΔΦR=(2*π*L*D/λ*C)* Ω=KS*Ω
KS=2*π*L*D/λ*C 被称为比例因子,它表征光纤陀螺灵敏度的大小。
奇次谐波特别是基频信号与sin(ΔΦR)成正比。这样通过滤波可以得到
P(ΔΦR)=2P0J1(Φb)sin(ΔΦR)3.1.2闭环结构
为了提高光纤陀螺的动态范围,检测灵敏度,通常采用下图所示的闭环检测结构。
3,光纤陀螺的几种常用方案
3.1干涉型光纤陀螺3.1.1开环结构
2,光纤陀螺的原理
光纤陀螺是基于Sagnac效应,在一闭合回路中,沿顺时针(cw)方向和逆时
SLD:光源 PIN:光功率探测器PZT:压电陶瓷环
光源发出的光经过耦合器一分为二进入光纤环,这两束光经过光纤环后产生干涉,在旋转的时候从两个支路行走的光有一个相位差ΔΦR(光程差)。由于两束
LiNbO3集成光电路包含一个偏振器,
一个分路器与两个相位调制器,光纤环采用保偏光纤。闭环工作是指在开环系统的基础上,将解调出的开环信号作为一个误差信号反馈回系统中,以产生一个附加的反馈相位差ΔφFB,ΔφFB与旋转引起的相位差ΔφR大小相等、符号相反,总的相位差ΔφT=ΔφR+ΔφFB被伺服控制在零位上。由于系统总是工作在一个斜率很
大的工作点上,从而提供了很高的灵敏度。
开环机构与闭环机构的比较: 闭环 开环精度 高 低成本 高 低结构 复杂 简单动态量程 大 小工作状态 在最灵敏 非线性 零位上工作3.2共振环形腔型光纤陀螺
周长,Ω是光纤环的角速度。
受激布里渊光纤陀螺的检测信号正比于旋转角速度。并且比干涉型光纤陀螺的结构简单,采用的器件少,可直接提供频率输出,现行度好,动态范围大,检测精度高。
以上三种光纤陀螺,第一代干涉型光纤陀螺已应用于实践中,并实现了工程化。第二代光纤陀螺理论上的检测精度高于第一代光纤陀螺,现在主要在实验室中,第三代布里渊散射光纤陀螺,现在还处在理论研究阶段。
4,国内外现状分析
4.1国外的发展情况
美国是率先研制光纤陀螺的国家,Litton和Honeywell公司研究的光纤陀螺代表了国际上光纤陀螺技术的最高水平。Litton公司已具备中等精度(0.1°/h到1°/h)光纤陀螺生产能力。Heneywell公司是环形激光陀螺的先驱,也是光纤陀螺研制的有力竞争者,由Heneywell公司研制的干涉型光纤陀螺,当前最高精度是0.00038°/h。英国《防务系统日刊》2005年6月27日报道。不久前,美国KVH工业公司赢得美国军方合同,为其提供TACHAV军用车辆导航系统(车载光纤陀螺导航系统)。
日本也是光纤陀螺研究和生产的大国。有数家公司都已经开始批量生产多种级别的光纤陀螺。这些公司在干涉型光纤陀螺的实用化(陆地车辆导航系统、辆引导定位、自导引机器人、钻井路径测量、大地测量等、火箭的姿态控制系统、飞机导航、空间导航和陆地导航的导航系统),特别是中、低精度等级光纤陀螺的实用化方面走在了世界前列。
西欧国家如英国、法国、德国和意大利还有俄罗斯也相当重视开发光纤陀螺在军事上的应用。这些国家主要致力于发展漂
移率大于1(°)/h的低性能光纤陀螺装备海军和空军。
4.2国内的研究情况
我国从20世纪80年代初开始进行光纤陀螺研制。到目前为止,完成了多种光纤陀螺实验样机的研制。虽然,我国对光纤陀螺的研制比较晚,但目前有些光纤陀螺仪的技术水平已达到或超过了国外同类产品的水平。国内研究及研制光纤陀螺的有很多单位,如33所、13所、803所、浙江大学、北方交通大学、北京航空航天大学。理论和试验表明,有源和无源的IOG其精度分别可以达到10.0(°)/h和0.1(°)/h。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。
5,结束语
经过二十多年的研究和探索,国内的光纤陀螺的研究也取得了一定的进展,但是光纤陀螺的工程化应用比较落后。目前国内光纤陀螺的研究高性能陀螺的研究,还要抓紧光纤陀螺工程化研究。在不远的将来光纤陀螺技术在航空、航天、航海及陆地的军用和民用的各个领域都将得到广泛的应用。
上图为典型的共振环形腔型光纤陀螺的基本光路结构,旋转角速度通过光纤环圈引起环形腔共振频率的变化,由于是闭环工作,这种共振腔频率变化反馈回入射光波频率。根据共振特性,频率的变化斜率越大,所检测到的信号的灵敏度就高。使用5到10米长的光纤就可以产生所要求的检测灵敏度。
3.3受激布里渊散射光纤陀螺
受激布里渊散射光纤陀螺是基于光学非线性效应的受激布里渊散射而提出的有源光纤陀螺,它与共振环形腔型光纤陀螺具有相似结构。泵浦激光器发出的光被分成两束不同路径传播的光(分光比1:1),这两束光分别以一定的分光比进入光纤敏感环中沿相反的方向传播,当传输光满足受激布里渊散射的阈值条件时,分别产生后向散射光,两束以相反方向传播的散射光分别沿着与泵浦光相反的方向相遇并进行拍频。拍频由Sagnac效应决定,F=4*A*Ω/λp
式中:A是光纤环面积,λ是真空中的受激布里渊散射光的波长,p是光纤环的
迎。
表1 测量结果
3,结论
根据以上分析可知,“末端加压法”具有抗干扰能力强,减小试验工作量等优点。但有二次接线板的影响,此时可结合绝缘电阻和绝缘油微水测定来进行综合判断。这样,在现场电场干扰下也能比较容易地测出试验结果,同时可以不拆除互感器和避雷器的高压引线,因此我们在现场主要推行这一试验方法。