光纤陀螺学术报告.ppt

光纤陀螺及应用发展学学 术术 报报 告告高可靠性的新型惯性元件光纤陀螺及应用发展1 1光纤陀螺的发展与动态光纤陀螺的发展与动态2 2光纤的基本结构及传光纤的基本结构及传3 3光纤陀螺光纤陀螺（（FOGFOG））的原理的原理光原理光原理4 4光纤陀螺的特点光纤陀螺的特点5 5光纤陀螺的研究现状光纤陀螺的研究现状6 6影响光纤陀螺精度的主要因素7 7光纤陀螺的信号调制解调光纤陀螺的信号调制解调8 光纤陀螺的应用9 光纤环温度特性光纤陀螺的发展与动态光纤陀螺的发展与动态1913年法国物理学家Sagnac在物理实验中发现了旋转角速 率对光的干涉现象的影响，这就启发人们，利用光的干涉现象 来测量旋转角速率直到1960年，美国科学家梅曼发明了激光器，产生了单色 相干光，解决了光源的问题1966年，英籍华人科学家高锟提出了只要解决玻璃纯度和 成分，就能获得光传输损耗极低的玻璃光纤的学说，取得了举 世公认的理论突破，使人们利用光通信的梦想成为可能1969 年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纤 光纤陀螺的发展与动态光纤陀螺的发展与动态1970年美康宁公司制出世界第一根20dB/KM低损耗光纤 1973年美贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制光纤 1978年对1.5μm光传输接通理论值约0.2dB/KM19761976年美国犹他大学的两位学者首创了光纤陀螺的实验装年美国犹他大学的两位学者首创了光纤陀螺的实验装 置，导致光纤陀螺仪的开发置，导致光纤陀螺仪的开发与发展。

与发展光纤陀螺的发展与动态光纤陀螺的发展与动态二十多年来，世界各发达国家的许多科研机构和著名大学 都投入了很多的经费来研究光纤陀螺随着光纤陀螺主要光 器件（保偏光纤，Y型电—光调制波导，光源（超辐射发光型 二极管（SLD），起偏器等）技术及半导体工业的飞速发展， 光纤陀螺的发展已经有了突破性进展，高精度光纤陀螺的精 度已达到0.00038/h，光纤陀螺仪已经成为惯性导航系统的重 要器件之一随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展，光纤陀螺仪已 经实现了惯性器件的突破性进展在国外，lo/h~0.01o/h的工 程样机已用于飞行器惯性测量组合装置美国利顿公司已将 0.1o/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统新型导航系统 FNA2012采用了lo/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS．美国: 美国的光纤陀螺研制单位有：利顿公司、霍尼威 尔公司、德雷泊实验室公司、斯坦福大学以及光纤传感技术公 司等光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已 经产品化 日本 :日本研制光纤陀螺的单位有东京大学尖端技术室、 日立公司、住友电工公司、三菱公司、日本航空电子工业公司 日本的干涉式光纤陀螺仪已经完成了基础研究，正进入实 用化阶段。

偏值漂移已经达到 东京大学进行研究的谐振腔光 纤陀螺仪取得了很大进展俄罗斯 : 俄罗斯的光纤陀螺有全光纤型和集成光学型 全光纤型是把所有的光纤器件都做在同一根光纤上 Fizoptika公司研制的光纤陀螺已经商品化，产品型号有： VG949、VG941B等光纤陀螺的发展与动态光纤陀螺的发展与动态光纤陀螺的发展与动态光纤陀螺的发展与动态美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01o/h ； 2001年达到0.001o/h；2006年达到0.0001o/h ，有取代传统的 机械陀螺仪的趋势光纤陀螺仪作为继激光陀螺仪之后出现的 新一代陀螺，各国的研制工作已经取得了重大的进展 光纤陀螺仪的研制对惯性导航和控制领分域十重要，随着计算 机、微电子和光纤技术的发展和应用，它将取代传统的机械陀 螺和平台惯导系统 光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没 有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结 构简单，尺寸小，重量轻与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没 有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低光纤的基本结构及传光原理光纤的基本结构及传光原理光纤的结构n1 n2 n2 n1 n2 纤芯包层涂覆层护套光纤的基本结构及传光原理光纤的基本结构及传光原理光纤传光原理 —— 全反射• • n n1 1> > n n2 2 • • 入射角入射角> >θ θ法线法线n n1 1n n2 2θ θ光纤的基本结构及传光原理光纤的基本结构及传光原理光纤传光与数值孔径 n020 0  n2 n1光纤的基本结构及传光原理光纤的基本结构及传光原理n2n1多模 阶跃光纤nr多模 梯度光纤n2 n1单模 梯度光纤光纤陀螺光纤陀螺（（FOGFOG））的原理的原理Sagnac 效应 MMM’光纤陀螺光纤陀螺（（FOGFOG））的原理的原理SLDDetectorΩCouplerPhase modulatorPolarizerCCWCWSagnac 效应 光纤陀螺的特点光纤陀螺的特点光纤陀螺是无运动部件的全固态设计的一种光学陀螺光纤陀螺是无运动部件的全固态设计的一种光学陀螺 ，具有重量轻、启动快、动态范围大，寿命长，抗冲击和，具有重量轻、启动快、动态范围大，寿命长，抗冲击和 振动的能力强。

虽然在精度上目前还不如静电陀螺和液浮振动的能力强虽然在精度上目前还不如静电陀螺和液浮 陀螺陀螺，，但是光纤陀螺具有其它陀螺不可替代的的特殊优点但是光纤陀螺具有其它陀螺不可替代的的特殊优点 ，在车辆定位导航、火箭的姿态和飞行控制、船姿系统，，在车辆定位导航、火箭的姿态和飞行控制、船姿系统， 舰船的导航、火箭的发射以及机器人的控制方面都具有广舰船的导航、火箭的发射以及机器人的控制方面都具有广 泛的应用前景目前，光纤陀螺正朝着高精度、低成本和泛的应用前景目前，光纤陀螺正朝着高精度、低成本和 实用化方面发展，而且光纤陀螺的技术日趋成熟，应用覆实用化方面发展，而且光纤陀螺的技术日趋成熟，应用覆 盖面大，实际用量逐年增多，使得光纤陀螺已成为代表当盖面大，实际用量逐年增多，使得光纤陀螺已成为代表当 前惯性仪表发展趋势的一种典型的光电惯性器件，必将成前惯性仪表发展趋势的一种典型的光电惯性器件，必将成 为为2121世纪陀螺仪市场的主导产品之一世纪陀螺仪市场的主导产品之一光纤陀螺的研究现状光纤陀螺的研究现状干涉型光纤陀螺（I-FOG）是迄今为止发展比较完善的一类光纤陀 螺，主要由光源、光电检测器、耦合器和光纤环组成，通过检测光纤环 中顺、逆时针传输光的相位差来检测光纤环的旋转角速度，也被称为第 一代光纤陀螺。

在发达国家中等精度的I-FOG已经可以批量化生产 在 国内在也已经研制出中等精度I-FOG，正在走向实用化，高精度的光纤陀 螺才刚刚起步SLDDetectorΩCouplerPhase modulatorPolarizerCCWCW光纤陀螺的研究现状光纤陀螺的研究现状全光纤光纤陀螺光纤陀螺的研究现状光纤陀螺的研究现状集成光器件光纤陀螺示意图 光纤陀螺的研究现状光纤陀螺的研究现状EDFA光纤陀螺原理图 光纤陀螺的研究现状光纤陀螺的研究现状谐振腔型光纤陀螺（R-FOG）也被称为第二代光纤陀螺，主要是由一个光纤 环型谐振腔构成，其谐振频率将随Sagnac效应的大小而变化，通过检测谐振频率 的方法来检测光纤环的旋转角速度但目前R-FOG的技术同干涉型光纤陀螺技术 相比，发展并不十分成熟，主要原因是克服影响其精度的噪声因素难度较大同 时研制R-FOG需要相干长度较长的单纵模光源，目前在国内，该种光源还不能达 到实用状态，因此在国内对R-FOG的研究还主要停留在理论研究阶段 SLDDetectorDetector光纤环光纤陀螺的研究现状光纤陀螺的研究现状SLDDetector光纤环受激布里渊散射型光纤陀螺（B-FOG）也被称为第三代光纤陀螺，是利用高 输出功率，并在光纤环中能够引起布里渊散射的激光器构成的陀螺仪，是通过检测 受激布里渊散射（SBS）的拍频来检测旋转角速率，是环型激光陀螺（RLG）的光 纤化产品。

由于B-FOG所用光器件较少，而且理论上的检测精度高，特别是比例因 子的线性度是三种光纤陀螺中最好的，因此倍受人们的关注目前B-FOG的研究还 处于基础阶段，主要集中于B-FOG中的偏振态、散射琐定、Kerr效应、Faraday效 应和各种噪声源对陀螺仪精度的影响方面同样在研制B-FOG中，大功率，且具有 较长的相干长度的光源（即光纤光源）是其关键部件目前该种光源在国内还处于 研制阶段，因此对B-FOG的研究还处于理论研究阶段 影响光纤陀螺精度的主要因素• • 互易性互易性• • 偏振态偏振态• • 寄生效应寄生效应影响光纤陀螺精度的主要因素互易性是光纤陀螺在光路部分的结构设计中必须遵循的原则，所谓的 互易性就是要保证在Sagnac 光纤干涉仪中，沿相反方向传播的两束光，不 产生非转动因素引起的相移 互易性光纤环光纤环耦合器耦合器 2 2光电探测器光电探测器光源光源耦合器耦合器 1 1影响光纤陀螺精度的主要因素在光纤中传播的光是有极化方向的，也称为偏振态，两束相干涉光 的偏振态的变化，将影响光干涉信号稳定性由于普通单模光纤具有双折射效应，会使干涉仪中传输光的偏振态在传 输中发生变化，导致干涉仪输出的干涉信号的幅度的出现波动。

双折射效 应是由于光纤所受机械应力以及其结构的非一致性所造成的，具有很强的 随机性，如果不加以控制，将严重影响干涉仪输出信号的稳定性，并最终 影响光纤陀螺的稳定性 偏振态----非互易相移----相干光的偏振态夹角影响光纤陀螺精度的主要因素熊猫型保偏光纤应力区光纤芯层（1） 采用保偏光纤方案克服 双折射效应消偏器的制作是将保偏光纤旋转45O角后对接,两 段保偏光纤的长度为2:1（2 ） 采用消偏光方案克服 双折射效应2LL在光路中加入消偏器，使光波成为完全非偏振光，相当于光强均匀分 布在所有方向的偏振态上，使输出光强各方向均匀化，最终通过偏振滤波 器到光电检测器的光强幅度是恒定的影响光纤陀螺精度的主要因素采用保偏光纤方案，则可从根本上消除光波偏振态变化对干涉信号 的影响，只是光纤环的成本上比较高采用消偏方案，虽然可使光纤环的成本降低，但考虑到消偏器对光 轴对接的角度和两段保偏光纤的长度都要求较为严格，对接角度的误差 会导致消偏器性能的下降，而实际在制作消偏器时很难保证光轴对接角 度不出现误差同时消偏器只是保证在消偏器输出端口上有较好消偏效 果，而经过一段普通光纤的传输后又会使消偏效果下降，因此在采用消 偏方案时，必须加多个消偏器才能达到较好的消偏效果。

但经过消偏器 的输出的光波信号很难马上实现干涉，必须经过一段过度光纤，送入耦 合器后才能实现两路光的干涉，这一段过度光纤的存在也会导致消偏性 能的下降总之采用消偏方案时，要实现较为理想消偏效果有较大的难 度，因此也就很难实现较高精度的光纤陀螺，在高精度的光纤陀螺中采 用保偏光纤的较多影响光纤陀螺精度的主要因素影响光纤陀螺精度的主要因素直接动态效应直接动态效应是指作用于光纤环上的温度变化和机械应力等，会引起直接动态效应是指作用于光纤环上的温度变化和机械应力等，会引起 光纤中传播常数和光纤尺寸发生变化，而且这种变化，在光纤环上的不同部光纤中传播常数和光纤尺寸发生变化，而且这种变化，在光纤环上的不同部 位是不同的，并随温度和应力的变化而变化而这种变化必将导致在干涉仪位是不同的，并随温度和应力的变化而变化而这种变化必将导致在干涉仪 中产生非互易相位噪声在光纤环中这种温度和机械应力的变化又是不可避中产生非互易相位噪声在光纤环中这种温度和机械应力的变化又是不可避 免，为减小这种噪声的影响，只能是在光纤环缠绕时，应该尽可能保持光纤免，为减小这种噪声的影响，只能是在光纤环缠绕时，应该尽可能保持光纤 环结构上的对称性，使得噪声源对干涉仪的影响能够相互抵消，因此应当注环结构上的对称性，使得噪声源对干涉仪的影响能够相互抵消，因此应当注 意光纤环的绕制技术。

通常在绕制光纤陀螺的光纤环时，首先保证光纤所。