P08激光陀螺误差、光纤陀螺.ppt

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1、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 KV LAK4K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 280mm 0.010/h 510- -6 120mm 0.10/h 310- -4 自锁自锁(Lock in)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

2、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： 正面：尽力减小自锁区（提高正面：尽力减小自锁区（提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 )(0KV0/KV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

3、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难控难控机械抖动偏频机械抖动偏频：采用高频角振动：采用高频角振动(Mechanical Dithering) 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

4、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 机抖偏频机抖偏频是目前最成熟的偏频方案，是目前最成熟的偏频方案，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(Magnetic Mirror)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

5、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 SagnacSagnac干涉仪的改进干涉仪的改进环路环路 Sagnac 干涉仪，干涉仪，光路分析：光路分析： 当干涉仪相对惯性空间无转动当干涉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 RLLLba2绕行时间绕行时间 cRcLttba2当干涉仪绕法向轴以当干涉仪绕法向轴以转动，转动， 则两束光出现光程差则两束光出现光程差 对于对于 a 束光束光 aatRRL2并且并且 ctRRtaa2光纤陀螺光纤陀螺 原理公式原理公式求解求解 La 得到得

6、到 cRRLa/12类似地，对于光束类似地，对于光束 b cRRLb/12两束光之间的光程差两束光之间的光程差 baLLL2)/(12)/2(cRRcRcR24两束光之间的相位差两束光之间的相位差 2L242cRcRR4)2(cRl4对于对于 N N 匝光纤环的情况匝光纤环的情况 cRlN4KK 称光纤陀螺标度因数称光纤陀螺标度因数在光纤线圈半径一定的情在光纤线圈半径一定的情况下，可通过增加线圈的匝况下，可通过增加线圈的匝数提高测量的灵敏度数提高测量的灵敏度 直径直径10 cm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

7、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涉条纹检测器上产生峰值干涉条纹 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 产生相差，干涉条纹横移产生相差，干涉条纹横移 检测器输出电流改变检测器输出电流改变 )cos1 (0 II 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(Phase Biasing)，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

8、，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（PMPM） 光纤陀螺光纤陀螺 开环干涉型开环干涉型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 汇合，

9、汇合，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）开环干涉型开环干涉型缺点缺点：存在明显非线性：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 闭环干涉型闭环干涉型引入伺服放大器引入伺服放大器 SF 和相位和相位变换器变换器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

10、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 产生的相移产生的相移作为光纤陀作为光纤陀螺的输出螺的输出 特点特点：陀螺仪的工作点一直保：陀螺仪的工作点一直保持在线性度、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 分离，从两端进入光纤线圈（谐振器）分离，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 结束结束