惯性元件惯性元件激光陀螺激光陀螺惯性导航篇惯性导航篇转子式陀螺与激光陀螺的比较转子式陀螺与激光陀螺的比较转子式陀螺转子式陀螺工作原理工作原理牛顿力学根底上牛顿力学根底上动量矩定理动量矩定理动量矩角动量动量矩角动量H机械旋转产生的机械旋转产生的问题：支承问题：支承导致：本钱高导致：本钱高激光陀螺激光陀螺工作原理工作原理量子力学根底上量子力学根底上特点：固体型、不需特点：固体型、不需要活动部件，不存在要活动部件，不存在支承问题支承问题光学陀螺概述光学陀螺概述1 1 激光陀螺：针对捷联惯导需求激光陀螺：针对捷联惯导需求根根本本原原理理：Sagnac效效应应，工工作作物质是激光束，全固态陀螺物质是激光束，全固态陀螺优点优点结结构构简简单单、性性能能稳稳定定、动动态态范范围围宽宽、启启动动快快、反反响响快快、过过载载大、可靠性高、数字输出大、可靠性高、数字输出开展开展1960激光器出现激光器出现1963Sperry制成首台样机制成首台样机1970s中中精度突破，达惯性级精度突破，达惯性级1980s初开始应用于各个领域初开始应用于各个领域早期研制的机构早期研制的机构Honeywell：三三角角谐谐振振腔腔，机械抖动偏频机械抖动偏频Litton：四四边边形形谐谐振振腔腔，机机械抖动偏频械抖动偏频Sperry：三三角角谐谐振振腔腔，磁磁镜偏频镜偏频国内研制、应用状况国内研制、应用状况1970s中后期中后期开始研制，开始研制，1990前后前后进入实用进入实用1990s中后期中后期应用到达顶峰应用到达顶峰面临问题面临问题本本钱钱较较高高、体体积积偏偏大大、不不能完全适应捷联系统的要求能完全适应捷联系统的要求光学陀螺概述光学陀螺概述2 2光纤陀螺仪光纤陀螺仪：适应捷联系统需求：适应捷联系统需求根根本本原原理理：同同激激光光陀陀螺螺，只只是是用外部激光源，用光导纤维传播。用外部激光源，用光导纤维传播。优点：本钱低、体积小重量轻。优点：本钱低、体积小重量轻。开展：开展：1970s光纤技术开展光纤技术开展1976年年犹犹它它大大学学瓦瓦里里设设想想和和演演示示1978麦麦道道研研制制出出第第一一个个实实用用产产品品1980s后后 ， Littion， Honeywell，Draper等等公公司司以以及及英英、法法、德德、日、苏等国也展开了研制。日、苏等国也展开了研制。国内国内1980s初初，原原理理研研究究、试验少数大学试验少数大学1980s末，实质性研制末，实质性研制2000s，进入实用阶段，进入实用阶段精度：精度：国外国外0.0010/h国内国内0.010/h萨格奈克萨格奈克(Sagnac)干预仪干预仪光路光路Sagnac干预干预测量的根底测量的根底提出提出：由：由 Sagnac于于 1913年年Sagnac干预仪干预仪光路传播光路传播当当干干预预仪仪相相对对惯惯性性空空间间无无转动，那么转动，那么A、B两路光程两路光程La=Lb=L当当干干预预仪仪以以相相对对惯惯性性空空间间旋旋转，那么会引起两路光程不等。转，那么会引起两路光程不等。推导光程差推导光程差别离点的切向线速度别离点的切向线速度v在分束点两侧光路的投影都为在分束点两侧光路的投影都为光束光束 a逆行一周，回到分束点逆行一周，回到分束点时多走了一段光程时多走了一段光程另有另有SagnacSagnac干预仪干预仪光程差光程差求解方程组，得到求解方程组，得到类似，对光束类似，对光束 b，可求得，可求得两束光回到分束点时光程差两束光回到分束点时光程差因因c远大于远大于 L，上式近似为，上式近似为光光程程差差与与输输入入角角速速度度成成正正比比该该结结论论对对其其它它形形状状的环路也成立。的环路也成立。迈克尔逊实验：迈克尔逊实验：矩形面积矩形面积A=600300m2光源波长光源波长计算得：计算得：，即，即/4干干预预条条纹纹只只移移动动了了1/4条条纹间距纹间距如如果果用用来来测测量量0.0150/h的的角角速速度度，测测量量精精度度无无法法保保证证激光陀螺激光陀螺 频差测量频差测量例：三角谐振腔边长例：三角谐振腔边长=111.76mm激光波长激光波长m用来测地球转动角速度用来测地球转动角速度激光陀螺激光陀螺 结构工艺结构工艺 激光介质：氦氖气体频谱激光介质：氦氖气体频谱纯度高、反向散射小纯度高、反向散射小 腔体材料腔体材料：熔凝石英、陶瓷：熔凝石英、陶瓷腔体尺寸腔体尺寸：周长：周长200450mm谐振腔形状：三角、四边谐振腔形状：三角、四边优优缺缺点点：K=4A/L装配组合：别离、整体式装配组合：别离、整体式整体式激光陀螺介绍整体式激光陀螺介绍谐振腔和光路谐振腔和光路反反射射镜镜反反射射膜膜、凹凹面面、半半透透氦氖气体氦氖气体阴阳电极：双阳极阴阳电极：双阳极控制回路：凹镜、鼓励电压控制回路：凹镜、鼓励电压激光陀螺激光陀螺 三轴整体三轴整体三三轴轴整整体体式式：适适应应捷捷联联系系统统， 集三个谐振腔于一块材料集三个谐振腔于一块材料两种三轴整体式光路方案两种三轴整体式光路方案1.三角形方案三角形方案9反射镜反射镜2.四边形方案四边形方案6反射镜反射镜优优点点：体体积积小小重重量量轻轻、结结构构简简单、可靠性好第二代技术单、可靠性好第二代技术工艺改进对陀螺性能的影响：工艺改进对陀螺性能的影响：Cer-vit陶陶瓷瓷取取代代石石英英，提提高高了稳定性并解决了氦气泄漏了稳定性并解决了氦气泄漏采采用用光光胶胶和和接接触触焊焊，防防止止了了环氧树脂杂气对介质的污染。环氧树脂杂气对介质的污染。新新的的反反射射镜镜涂涂层层工工艺艺，解解决决了涂层变质问题了涂层变质问题激光陀螺激光陀螺零偏误差零偏误差 激光陀螺误差源激光陀螺误差源：异于机械式：异于机械式误差分类误差分类零偏误差：输入角速度为零零偏误差：输入角速度为零时激光陀螺的频差输出时激光陀螺的频差输出0 / 0 / h h 主要原因：郎缪尔流效应主要原因：郎缪尔流效应直流放电激活原子直流放电激活原子阳极阳极阴极阴极阳极激活原子阳极激活原子综合形成郎缪尔流综合形成郎缪尔流导导致致激激光光在在介介质质中中折折射射率率不不同，造成附加光程差同，造成附加光程差补偿措施：补偿措施：双阳极方案双阳极方案激光陀螺激光陀螺 标度因数与自锁误差标度因数与自锁误差标度因数误差标度因数误差激光陀螺频差输出公式激光陀螺频差输出公式K值不稳定，也引起误差值不稳定，也引起误差K值大小的影响因素：值大小的影响因素：谐振腔周长谐振腔周长谐振腔形状谐振腔形状激光波长激光波长(0.6328/1.15/3.39)K值稳定性控制途径：值稳定性控制途径：激光波长激光波长谐振腔周长谐振腔周长0/h510- -6120mm0/h310- -4自锁自锁(Lockin)误差误差自锁区：自锁区：- -LL典型值：典型值：3600/h激光陀螺激光陀螺 自锁原因及对策自锁原因及对策产生原因产生原因：反射镜反向散射：反射镜反向散射顺时光束顺时光束A的反向散射的反向散射AA和逆时光束和逆时光束B耦合耦合牵引牵引B与与A频率趋同频率趋同类似，类似，A与与B也频率趋同也频率趋同A与与B频率趋同，无频差输出频率趋同，无频差输出克服自锁的途径：克服自锁的途径：正正面面：尽尽力力减减小小自自锁锁区区提提高高光学元件质量和气体纯度光学元件质量和气体纯度间接途径：偏频间接途径：偏频加偏置加偏置0，工作点移出自锁区，工作点移出自锁区激光陀螺激光陀螺 机械抖动偏频机械抖动偏频机械恒定偏频机械恒定偏频：使激光陀螺绕输入：使激光陀螺绕输入 轴相对基座以足够大的轴相对基座以足够大的0恒速旋转恒速旋转缺点：陀螺体积重量增大，缺点：陀螺体积重量增大，0难控难控机机械械抖抖动动偏偏频频：采采用用高高频频角角振振动动(MechanicalDithering)谐振腔按曲线谐振腔按曲线1的相对基座振动的相对基座振动当基座相对惯性空间无转动时，当基座相对惯性空间无转动时，谐振腔按曲线谐振腔按曲线1相对惯性空间振动相对惯性空间振动输出频差均值为零输出频差均值为零当基座以当基座以A相对惯性空间旋转相对惯性空间旋转谐振腔按曲线谐振腔按曲线2相对惯性空间振动相对惯性空间振动正半周输出频差平均值大于负半周正半周输出频差平均值大于负半周陀螺输出频差均值不为零陀螺输出频差均值不为零 输出均值能够反映输出均值能够反映A的大小和方向的大小和方向激光陀螺激光陀螺 磁镜偏频磁镜偏频 引入机械抖动后的输入输出曲线引入机械抖动后的输入输出曲线机机抖抖偏偏频频是是目目前前最最成成熟熟的的偏偏频频方方案案，尤其适用三轴整体式的激光陀螺尤其适用三轴整体式的激光陀螺磁镜磁镜(MagneticMirror)偏频偏频：横向横向克尔磁光效应克尔磁光效应对称入射的线偏振光对称入射的线偏振光施加垂直于入射面的横向磁场施加垂直于入射面的横向磁场产生相位差或光程差产生相位差或光程差把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜磁场周期性变化，产生周期性偏频磁场周期性变化，产生周期性偏频光纤陀螺光纤陀螺光纤陀螺光纤陀螺 Sagnac Sagnac干预仪的改进干预仪的改进环路环路 Sagnac Sagnac 干预仪，光路分析：干预仪，光路分析： 当干预仪相对惯性空间无转动当干预仪相对惯性空间无转动两束光绕行一周的光程相等两束光绕行一周的光程相等绕行时间绕行时间当干预仪绕法向轴以当干预仪绕法向轴以转动，转动，那么两束光出现光程差那么两束光出现光程差对于对于a束光束光并且并且光纤陀螺光纤陀螺 原理公式原理公式求解求解La得到得到类似地，对于光束类似地，对于光束 b两束光之间的光程差两束光之间的光程差两束光之间的相位差两束光之间的相位差对于对于 N N 匝光纤环的情况匝光纤环的情况K称光纤陀螺标度因数称光纤陀螺标度因数在在光光纤纤线线圈圈半半径径一一定定的的情情况况下下，可可通通过过增增加加线线圈圈的的匝匝数提高测量的灵敏度数提高测量的灵敏度 直径直径10cm可绕可绕5002500m光纤陀螺光纤陀螺 相位偏置相位偏置 光纤陀螺原理图，光路分析：光纤陀螺原理图，光路分析：当光纤线圈绕中心轴无旋转，当光纤线圈绕中心轴无旋转，检测器上产生峰值干预条纹检测器上产生峰值干预条纹检测器输出电流最大检测器输出电流最大当光纤线圈绕中心轴旋转当光纤线圈绕中心轴旋转产产生生相相差差，干干预预条条纹纹横横移移检测器输出电流改变检测器输出电流改变在在=0附近灵敏度最低。附近灵敏度最低。对策对策：增加相位偏置：增加相位偏置(PhaseBiasing)，工作点移至，工作点移至/2处处光纤陀螺光纤陀螺 交流相位偏置交流相位偏置 固定相位偏置固定相位偏置：幅值难控：幅值难控交流相位偏置交流相位偏置：交变幅值：交变幅值/2当输入相移当输入相移=0=0，检测，检测器的输出情况如上器的输出情况如上 当输入相移当输入相移0，检测器，检测器的输出情况如下的输出情况如下I均值的改变量与均值的改变量与成正弦成正弦正负由一次谐波相位判断正负由一次谐波相位判断相位调制、相位调制器相位调制、相位调制器PM光纤陀螺光纤陀螺 开环干预型开环干预型PM相位调制器相位调制器PSD相敏解调器相敏解调器工作原理：工作原理：LR光源被光源被SL分成两束分成两束两束光分别从光纤线圈两端进入两束光分别从光纤线圈两端进入分别从光纤线圈另一端导出分别从光纤线圈另一端导出中间都经过相位调制器中间都经过相位调制器PM两束光经两束光经SL集合，集合，由检测器由检测器D接收，输出电流接收，输出电流经过相敏解调器经过相敏解调器PSD解调解调得到直流分量正比于得到直流分量正比于开环干预型开环干预型缺点：存在明显非线性缺点：存在明显非线性测量范围较小测量范围较小精度较低精度较低光纤陀螺光纤陀螺 闭环干预型闭环干预型引引入入伺伺服服放放大大器器SF和和相相位位变换器变换器PT，构成闭环系统构成闭环系统闭环测量原理闭环测量原理：检测器检测器D的输出经的输出经PSD解调解调解调信号经解调信号经SF放大放大驱动相位变换器驱动相位变换器PT相位变换器相位变换器PT产生相移产生相移和和产生的相移产生的相移抵消抵消解调器输出被控制在零位附近解调器输出被控制在零位附近PT产产生生的的相相移移作作为为光光纤纤陀陀螺的输出螺的输出特特点点：陀陀螺螺仪仪的的工工作作点点一一直直保保持在线性度、灵敏度最高的位置。持在线性度、灵敏度最高的位置。光纤陀螺光纤陀螺 闭环谐振型闭环谐振型来自来自LR的激光经分束器的激光经分束器SL别离，从两端进入光纤线圈谐振器别离，从两端进入光纤线圈谐振器光纤陀螺绕输入轴旋转时，两束光的谐振频率改变，光纤陀螺绕输入轴旋转时，两束光的谐振频率改变，频差由两组光检测器和相敏解调器测量，与输入角速度成正比频差由两组光检测器和相敏解调器测量，与输入角速度成正比