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光纤陀螺
阅读:8991时间:2010-12-13 00:13:35

光纤陀螺是基于光纤通信和集成光学发展而来的一种新型现代陀螺仪,常用来测量物体相对于惯性空间的角速度或转动角度的无自转质量。光纤陀螺在当今的惯性传感器领域有着特殊的重要意义,国内外都将光纤陀螺及其构成的导航系统作为惯性技术领域的主攻方向。

发展历程

  现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年Vali等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外,还有现代集成式的振动陀螺仪,集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度,体积更小,也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。

基本原理

  光纤陀螺包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种,它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。

  塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。

  利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪,如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。

  从这个简单的介绍可以看出,干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小,所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度,而谐振式的陀螺仪在实现干涉时,它的光程差较大,所以它所要求的光源必须有很好的单色性。

  光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在光纤陀螺仪已经达到0.01度/hr。

设计原则

  1 采用相干长度短的宽带光源

  2 在干涉仪的公共输入-输出端口采用单模、单偏振互易结构

  3 采用动态位相偏置调制解调方案,保证信号的检测精度

  4 采用全数字信号处理技术进行信号检测,消除电路漂移并提供数字输出。

特点及应用

  1 具有很大的设计灵活性,可以满足各种不同的应用需求

  2 全固态结构,可靠性高,是真正静音的陀螺

  光纤陀螺经过近三十年的研究历史,技术已经成熟并且具有一定的批量生产力,已在地面车辆定位定向、导弹、稳像稳瞄等场合应用,并具备卫星应用的条件,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,已经逐步取代其他类型的陀螺。

     光纤陀螺自1976年问世以来,得到了极大的发展。但是,光纤陀螺在技术上还存在一系列问题,这些问题影响了光纤陀螺的精度和稳定性,进而限制了其应用的广泛性。主要包括:
     (1)温度瞬态的影响。理论上,环形干涉仪中的两个反向传播光路是等长的,但是这仅在系统不随时间变化时才严格成立。实验证明,相位误差以及旋转速率测量值的漂移与温度的时间导数成正比.这是十分有害的,特别是在预热期间。
     (2)振动的影响。振动也会对测量产生影响,必须采用适当的封装以确保线圈良好的坚固性,内部机械设计必须十分合理,防止产生共振现象。
     (3)偏振的影响。现在应用比较多的单模光纤是一种双偏振模式的光纤,光纤的双折射会产生一个寄生相位差,因此需要偏振滤波。消偏光纤可以抑制偏振,但是却会导致成本的增加。
     为了提高陀螺的性能.人们提出了各种解决办法。包括对光纤陀螺组成元器件的改进,以及用信号处理的方法的改进等。

发展现状

     光纤陀螺的发展是日新月异的。不仅是科学家热心于此,许多大公司出于对其市场前景的看好,也纷纷加入到研究开发的行列中来。由于光纤陀螺在机动载体和军事领域的应用甚为理想,因此各国的军方都投入了巨大的财力和精力。
     目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺的研究方面取得了较大进步,一些中低精度的陀螺已经实现了产品化,而少数高精度产品也开始在军方进行装备调试。
     美国在光纤陀螺的研究方面一直保持地位。目前美国国内已经有多种型号的光纤陀螺投入使用。以斯坦福大学和麻省理工大学为代表的科研机构在研究领域中不断取得突破,而几家研制光纤陀螺的大公司在陀螺研制和产品化方面也做得十分出色。最的Litton公司和Honeywell公司代表了国际上光纤陀螺的水平。
     日本紧随美国之后,在中低精度陀螺实用化方面走在了世界前列。许多公司都开始批量生产多种中低精度的光纤陀螺。
     西欧几个国家以及俄罗斯的代光纤陀螺也已经投入生产,少数中、高精度陀螺已经装备到了空军、海军及导弹部队中。
     我国光纤陀螺的研究相对起步较晚,但是在广大科研工作者的努力下,已经逐步拉近了与发达国家间的差距。航天工业总公司、上海803所、清华、浙大、北方交大、北航等单位相继开展了光纤陀螺的研究。
     根据目前掌握的信息看,国内的光纤陀螺研制精度已经达到了惯导系统的中低精度要求,有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。但是国内的研究仍然大多停留在实验室阶段,没有形成产品,距离应用还有差距。所以我们在这方面仍然有很长的路要走。

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