采用全球面螺旋线的 光纤陀螺仪

技术名称

采用全球面螺旋线的

光纤陀螺仪

技术类别

机电设备

基本内容：

该方法可以成功的制造高精度的光纤陀螺仪，这种光纤陀螺仪具有极高的空间定位精度。

1. 产品描述

光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的改变，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论：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。利用光程的变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，这便是光纤陀螺仪的工作原理。它所涉及的参数主要有光矢量，它由下面的公式计算得出。

两同频率单色光在空间某一点的光矢量：＝，＝。

叠加后合成的光矢量  ,则                   

其中：

非相干叠加：对两个普通光源， =0，，即。

干涉：同一光源，相位差恒定，则

下面介绍萨格奈克效应                                            

如(a)所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等，为

如(b)所示，旋转条件下，

，传输时间差

传输光程差

传输相位差

对于光纤环采用多匝光纤增强Sagnac效应，为光波在闭合回路内传播N匝光纤环的长度。

通过检测干涉光强变化来检测相位差：

如

旋转方向模糊、相移很小时灵敏度低、响应曲线具有周期性，当测量陀螺的输出时会产生多值的情况。

下面介绍光纤陀螺信号处理技术

A 方波偏置调制

B 闭环控制：

   降低光电检测器工作范围，提高检测精度

数字闭环光纤陀螺的基本原理：在光纤陀螺的线圈中加入一个反馈元件，引入一个非互易性的相位差来补偿由旋转引起的萨格奈克相移，使相位差控制在零位，这样测量这个补偿信号就是与萨格奈克相移大小相等、方向相反，所以说补偿的相位差与萨格奈克引起的相移是线性的关系，闭环处理技术是解决非线性问题的关键。

光纤陀螺的性能指标 

A.标度因数

陀螺仪输出量与输入角速率的比值。它用某一特定直线的斜率表示，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入输出数据，用最小二乘法拟合求得。标度因数属于光纤陀螺的动态性能指标。标度因数要求测试是在一系列角速率输入下的输出值，因此做的是准动态实验。为此，需要有一定精度和速率范围的转台来带动光纤陀螺，使其有标准的角速度输入，从而获得输出一输入关系。这项指标，即标度因数，是系统应用上重要的依据。标度因数数值的大小，往往可根据需要来调整，以便适应使用要求，因此，人们所关心的是这一指标的稳定性或精确度。此外，还有它的线性度(或非线性度)、对称度(或非对称度)，以及随环境、时间而变化的重复性问题。标度因数非线性度：是指在输入角速率范围内，光纤陀螺输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。

B.零偏 

当输入角速率为零时，陀螺仪的输出量。以规定时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速率表示。零偏属于陀螺的静态性能指标，用以描述光纤陀螺的静态输出特性。

零偏的求取是对静态情况下较长时间稳态输出值多次测试的均值，习惯上是一个常值。因此，这一指标隐含所测试的随机过程是一个平稳的随机过程，其概率特性是正态分布的。在此意义下，漂移值的大小也标志观测值围绕零偏均值的离散程度。和零偏相关的性能指标还有零偏稳定性、零偏重复性。零偏稳定性：当输入角速率为零时，衡量陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差对应的角速率来表示，也可称为零漂。

C. 随机游走系数

由白噪声产生的随时间累积的陀螺仪输出误差系数。单位为随机游走的主要误差源是光源输出功率振荡、探测器及信号处理电路的噪声引起的相对亮度噪声，散粒噪声、探测器、放大器及电路噪声，D／A噪声等，可以通过Allan法拟合得到随机游走系数。

D.带宽

频带宽度即带宽，指光纤陀螺的频率特性测试中，当幅频特性中幅值降低3dB时，所对应的频率范围。该指标反映了光纤陀螺能够精确测量输入角速率的频率范围。

E.阈值

陀螺仪能敏感的最小输入角速率。由该输入角速率产生的输出量至少应该等于按标度因数所期望输出值的50％。阈值属于光纤陀螺的动态性能指标。

下面介绍光纤陀螺原理

如上图所示，宽带光源发射激光束进入耦合器，通过光纤导管，进入光纤环中，再进入光纤导管（在光纤导管中入射光和出射光的强度受调制电压信号的控制），再进入耦合器（在耦合器里入射光和出射光发生干涉），再进入光电检测器。光电检测器在检测到干涉光信号后，通过AD采样电路把信号送入逻辑电路，逻辑电路产生转速信号，输出到外部。同时，逻辑电路通过DA电路控制光纤导管中的光纤强度。但是由于光纤环的转动不是发生在一个平面的，而是发生在三维平面的立体转动，所以通过光电检测器检测到的干涉光线强度很难确定，光纤在空间中转动了多少度。通常采用三轴光纤来实现三维空间的运动定位。它所采用的光纤是3个圆形光纤，分别是X轴圆形光纤，Y周圆形光纤，Z轴圆形光纤。这三个光纤相互垂直，它们所在平面的相互的夹角都为90度。激光分别在三个光纤相交点入射或出射，最后都通过光纤导管进入耦合器中产生干涉。由于三轴光纤陀螺仪采用相互垂直的三个圆形光纤，当陀螺仪发生转动时，三个相互垂直的圆形光纤都发生转动，这就使光纤的移动反映了三维空间的位置变化，也就是激光在光纤中的移动反映了三维空间的变化，所以，三轴激光陀螺仪具有更高的空间定位精度。它的光纤结构如下图所示。

下面介绍一种采用全球面螺旋线光纤的光纤陀螺仪，它的结构和上面的光纤陀螺仪的结构类似，唯一不同的地方就是，这种全球面螺旋线光纤陀螺仪采用的光纤是全球面螺旋线光纤，这种光纤是一种沿球面螺旋线盘绕的光纤，这种光纤的结构如下图所示。

如上图所示，入射光从球面螺旋线的一端进入，从球面螺旋线的另一端射出，激光在球面螺旋线内部沿球面螺旋线的轨迹运行，最后出射光从球面螺旋线中射出，通过光纤导管进入耦合器中和入射光产生干涉，被逻辑电路采集得到陀螺仪的方位信号。上面的球面螺旋线光纤是一束螺旋形盘旋成一个圆球体的光纤，这种螺旋线叫球面螺旋线。球面螺旋线[1]  (spherical helix)一种常见的曲线，动点沿球面的子午线作等速圆弧运动，同时该子午线绕其轴线作等角速回转运动，动点的轨迹称为球面螺旋线，如图所示.球面螺旋线的导程T沿子午线度量.有左旋和右旋两种.

它的形状就像寺庙里的塔状檀香，螺旋形缠绕成一个圆球。这种特殊的形状就决定了光纤在三维空间中的移动，光纤内部的激光不只是在一个平面做圆环转动，而是在三维空间中的螺旋形圆球环内转动，所以激光所受的空间移动是三维的而不是平面的，这就确保了光纤反映的移动是三维空间中的移动，而不是一个平面的移动。同时光纤在三维空间中任何一点的移动所产生的距离都是不同的，这也就决定了当球面螺旋线移动时，光纤内部激光移动的距离不同，它所产生的干涉也就不同，这就会提高光纤陀螺仪测量的精度。

2.创作背景及动机：

全球面螺旋线光纤的光纤陀螺仪是利用环绕成球状的球面螺旋线光纤在三维空间的移动产生的光纤干涉来测量空间坐标的。

3.所引用材料：

1913年法国物理学家Sagnac发现了Sagnac效应，即旋转角速率对干涉光强的影响。