光纖陀螺儀

　　光纖陀螺儀的實(shí)現(xiàn)主要基于塞格尼克理論：當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會產(chǎn)生變化。利用光程的變化，檢測出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測出光路旋轉(zhuǎn)角速度，這便是光纖陀螺儀的工作原理。

圖示：光纖陀螺儀基本結(jié)構(gòu)圖

　　Sagnac效應(yīng)

理想環(huán)形光路系統(tǒng)中sagnac效應(yīng)

(a)系統(tǒng)靜止(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)

　　理想條件下，環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)如上圖所示。一束光經(jīng)分束器M進(jìn)入同一光學(xué)回路中，分成完全相同的兩束光Ccw和Cccw，分別沿著順時(shí)針方向(CW)和逆時(shí)針方向(CCW)相向傳播，當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將使兩束光產(chǎn)生相位差，該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。

　　如圖(a)所示，在無旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時(shí)間相等為

　　如圖(b)所示，ω旋轉(zhuǎn)條件下

　　傳輸時(shí)間差

　　傳輸光程差

　　傳輸相位差

01按原理上分類

　　可以分為：干涉式、諧振式和光纖型環(huán)型激光陀螺儀。

　　干涉式光纖陀螺儀(I—FOG)，即第一代光纖陀螺儀，目前應(yīng)用最廣泛。它采用多匝光纖圈來增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng)，一個(gè)由多匝單模光纖線圈構(gòu)成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度，也勢必會使整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜;按照光路的組成干涉式光纖陀螺儀又可以分為：消偏型、全光纖型和集成光學(xué)型。

　　諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)是第二代光纖陀螺儀，采用環(huán)形諧振腔增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng)，利用循環(huán)傳播提高精度，因此它可以采用較短光纖。R—FOG需要采用強(qiáng)相干光源來增強(qiáng)諧振腔的諧振效應(yīng)，但強(qiáng)相干光源也帶來許多寄生效應(yīng)，如何消除這些寄生效應(yīng)是目前的主要技術(shù)障礙;按照光路的組成諧振式光纖陀螺儀又可以分為：全光纖型和集成光學(xué)型。

　　受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)，第三代光纖陀螺儀比前兩代又有改進(jìn)，目前還處于理論研究階段。是一種利用光纖環(huán)形腔中的受激布里淵散射的方向性增益效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)利用Sagnet效應(yīng)檢測諧振速率，其原理與激光陀螺儀完全相似。由于無需復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)檢測技術(shù)，國際上倍受重視。

02按光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成

　　集成光學(xué)型和全光纖型光纖陀螺儀。

03按結(jié)構(gòu)

　　單軸和多軸光纖陀螺儀。

04按回路類型

　　開環(huán)光纖陀螺儀和閉環(huán)光纖陀螺儀。

　　與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺儀具有如下特點(diǎn)：

　　1) 零部件少，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的能力；

　　2) 繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級；

　　3) 無機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；

　　4) 易于采用集成光路技術(shù)，信號穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)接；

　　5) 通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍；

　　6) 相干光束的傳播時(shí)間短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)，無需預(yù)熱；

　　7) 可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；

　　8) 結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低，體積小、重量輕。

　　光纖陀螺儀自1976年問世以來，得到了極大的發(fā)展。但是，光纖陀螺儀在技術(shù)上還存在一系列問題，這些問題影響了光纖陀螺儀的精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而限制了其應(yīng)用的廣泛性。主要包括

　　(1) 溫度瞬態(tài)的影響

　　理論上，環(huán)形干涉儀中的兩個(gè)反向傳播光路是等長的，但是這僅在系統(tǒng)不隨時(shí)間變化時(shí)才嚴(yán)格成立。實(shí)驗(yàn)證明，相位誤差以及旋轉(zhuǎn)速率測量值的漂移與溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成正比.這是十分有害的，特別是在預(yù)熱期間。

　　(2) 振動(dòng)的影響

　　振動(dòng)也會對測量產(chǎn)生影響，必須采用適當(dāng)?shù)姆庋b以確保線圈良好的堅(jiān)固性，內(nèi)部機(jī)械設(shè)計(jì)必須十分合理，防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

　　(3) 偏振的影響

　　現(xiàn)在應(yīng)用比較多的單模光纖是一種雙偏振模式的光纖，光纖的雙折射會產(chǎn)生一個(gè)寄生相位差，因此需要偏振濾波。消偏光纖可以抑制偏振，但是卻會導(dǎo)致成本的增加。

　　● 戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛艇導(dǎo)航應(yīng)用

　　● 衛(wèi)星定向和追蹤

　　● 戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)

　　● 各種運(yùn)載火箭應(yīng)用

　　● 姿態(tài)/航向基準(zhǔn)系統(tǒng)

　　● 艦船、導(dǎo)彈和民用飛機(jī)的慣性導(dǎo)航

　　● 陸地導(dǎo)航系統(tǒng)

　　● 天體觀測望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定和調(diào)向

　　● 汽車導(dǎo)航儀、天線/攝像機(jī)的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機(jī)器人控制、各種極限作業(yè)的控制等工業(yè)和民用領(lǐng)域

光纖陀螺技術(shù)水平和應(yīng)用狀況表

　　上表摘錄自——蔡青-保偏光纖溫度特性研究(中國光學(xué)學(xué)會光電技術(shù)委員會展望光電技術(shù)發(fā)展趨勢研討論文集)

　　未來光纖陀螺儀的發(fā)展將著重于以下幾個(gè)方面：

　　1) 高精度。更高的精度是光纖陀螺儀取代激光陀螺在高等導(dǎo)航中地位的必然要求，目前高精度的光纖陀螺儀技術(shù)還沒有完全成熟。

　　2) 高穩(wěn)定性和抗干擾性。長期的高穩(wěn)定性也是光纖陀螺儀的發(fā)展方向之一，能夠在惡劣的環(huán)境下保持較長時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)航精度是慣導(dǎo)系統(tǒng)對陀螺的要求。比如在高溫、強(qiáng)震、強(qiáng)磁場等情況下，光纖陀螺儀也必須有足夠的精度才能滿足用戶的要求。

　　3) 產(chǎn)品多元化。開發(fā)不同精度、面向不同需求的產(chǎn)品是十分必要的。不同的用戶對導(dǎo)航精度有不同的要求，而光纖陀螺儀結(jié)構(gòu)簡單，改變精度時(shí)只需調(diào)整線圈的長度直徑。在這方面具有超越機(jī)械陀螺和激光陀螺的優(yōu)勢，它的不同精度產(chǎn)品更容易實(shí)現(xiàn)，這是光纖陀螺儀實(shí)用化的必然要求。

　　4) 生產(chǎn)規(guī)模化。成本的降低也是光纖陀螺儀能夠?yàn)橛脩羲邮艿那疤釛l件之一。各類元件的生產(chǎn)規(guī)模化可以有力地促進(jìn)生產(chǎn)成本的降低，對于中低精度的光纖陀螺儀尤為如此。