2018年11月23日

光纖陀螺儀是基於薩格奈克(Sagnac)效應的一種光學陀螺儀。光纖陀螺儀的基本原理如圖所示,它由光源、光檢測器、分束器和光纖線圈等組成。當陀螺沿著與光纖線圈平麵相垂直的軸向旋轉時,產生一個與旋轉角速度成正比的相位差:

 

式中,D為光纖線圈的直徑;L為光纖長度;λ為光波長;c為真空中的光速。由於與線圈直徑和光纖長度成正比,所以光纖越長,直徑越大,陀螺靈敏度就越高。


光纖陀螺儀主要的性能參數有以下幾種:


1、零偏和零漂

零偏是輸入角速度為零(即陀螺靜止)時陀螺儀的輸出量,用規定時間內測得的輸出量平均值對應的等效輸入角速度表示,理想情況下為地球自轉角速度的分量。零漂即為零偏穩定性,表示當輸入角速率為零時,陀螺儀輸出量圍繞其零偏均值的離散程度,用規定時間內輸出量的標準偏差對應的等效輸入角速率表示。零漂是衡量FOG(光纖陀螺)精度的最重要、最基本的指標。產生零漂的主要因素是沿光纖分布的環境溫度變化在光纖線圈內引入的非互易性相移誤差。通常為了穩定零漂,常需要對IFOG進行溫度控製或者溫度補償。另外偏振也會對零漂產生一定的影響,在IFOG中常采用偏振濾波和保偏光纖的方法消除偏振對零漂的影響。


2、標度因數

標度因數是陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值,在坐標軸上可以用某一特定直線斜率表示,它是反映陀螺靈敏度的指標,其穩定性和精確性是陀螺儀的一項重要指標,綜合反映了光纖陀螺的測試和擬合精度。標度因數的穩定性無量綱,通常用百萬分比(ppm)表示。標度因數的誤差主要來源於溫度變化和光纖偏振態的不穩定性。


3、隨機遊走係數

表征光纖陀螺儀中角速度輸出白噪聲大小的一項技術指標,它反映的是光纖陀螺儀輸出的角速度積分隨時間積累的不確定性,因此也可稱為角隨機遊走。隨機遊走係數反應了陀螺儀的研製水平,也反映了陀螺儀最小可檢測的角速率。該誤差主要來源於光子的隨機自發輻射、光電探測器和數字電路引入的噪聲和機械抖動。


4、閾值和分辨率

閾值表示光纖陀螺能感應的最小輸入速率。分辨率表示陀螺儀在規定輸入角速率下能感應的最小輸入速率增量。閾值和分辨率都表征光纖陀螺儀的靈敏度。


5、最大輸入角速度

表示陀螺正、反方向輸入速率的最大值,表征陀螺的動態範圍,即光纖陀螺可感應的速率範圍。


與此同時,光纖陀螺儀需要突破的主要技術為靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移和偏振狀態改變引起的比例因子不穩定。


光纖陀螺儀可分為幹涉型、諧振型和布裏淵型三大類,目前已經應用的是幹涉型。閉環幹涉型光纖陀螺儀產品已覆蓋了從速率級到精密級的精度範圍。光纖陀螺儀具有高可靠性、長壽命、小體積、輕質量、低功耗、力學環境適應性好、動態範圍大、線性度好、頻帶範圍寬、啟動時間短等一係列特點,是新一代全固態陀螺儀的典型代表,可廣泛應用於航天、航空、航海、兵器及多種軍民用領域。


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