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3分鐘了解光纖陀螺儀

最早的陀螺儀使用是在瞄準(zhǔn)鏡上。坦克車在運(yùn)動(dòng)過程中顛簸,運(yùn)動(dòng)中的車要瞄準(zhǔn)對方是非常困難的,如果用陀螺儀,把運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量出來,用一套伺服系統(tǒng)控制火炮角度,就可以保證坦克或裝甲車在行進(jìn)顛簸中仍能夠準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)和跟蹤攻擊目標(biāo),投彈命中率大大提高。


另外一個(gè)使用場景是天線定向系統(tǒng),車輛或者船舶在運(yùn)動(dòng)中需要接受衛(wèi)星信號,天線需要對準(zhǔn)衛(wèi)星,光纖陀螺能夠跟蹤天線的方向,使車輛或者船舶在運(yùn)動(dòng)中接受的衛(wèi)星信號功率最大。


根據(jù)陀螺儀原理,陀螺儀可分為第一代機(jī)械陀螺儀、第二代激光陀螺儀、第三代光纖陀螺儀。


第一代陀螺儀發(fā)展歷史久遠(yuǎn),可追朔到古代,形態(tài)像玩的陀螺,有機(jī)械轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),如靜電陀螺、磁浮陀螺等。隨著光電技術(shù)發(fā)展,有了激光陀螺儀、光纖陀螺儀,也就是現(xiàn)在所說的廣義主流陀螺儀,不再有機(jī)械轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),而是利用光轉(zhuǎn),沒有磨損,更抗沖擊,更加穩(wěn)定。本文將主要介紹光纖陀螺儀。


陀螺儀在戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)瞄準(zhǔn)、高樓傾斜監(jiān)測、機(jī)器人平衡、高速列車阻尼控制、長跨度大橋健康狀態(tài)監(jiān)測等都有廣泛的應(yīng)用。


光纖陀螺的原理和分類


(1)原理

光纖陀螺原理在物理上叫Sagnac效應(yīng)。在一個(gè)閉合光路中,從同一光源發(fā)出的兩束光,相對傳播,匯合到同一探測點(diǎn)將產(chǎn)生干涉,若該閉合光路存在相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn),則沿正、反方向傳播的光束將產(chǎn)生光程差,該差值與上旋轉(zhuǎn)角速度成正比。利用光電探測器測相位差計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角速度。

從公式可看出,光纖的長度越長,光行走半徑越大,光波長越短。干涉效應(yīng)越明顯。所以光纖陀螺體積越大,精度越高。Sagnac效應(yīng)本質(zhì)上是一種相對論效應(yīng),對光纖陀螺的設(shè)計(jì)非常重要。


光纖陀螺原理是一束光從光電管發(fā)出,經(jīng)過耦合器(1端進(jìn)入到3端)。通過光環(huán),兩束不同方向進(jìn)入光環(huán),繞一圈回來進(jìn)行相干疊加。返回的光回到發(fā)光二極管,通過發(fā)光二極管探測強(qiáng)度。光纖陀螺原理看起來比較簡單,但最重要的是如何把影響兩束光光程因素排除掉。這是做光纖陀螺面臨的最重要的問題。


光纖陀螺原理

光纖陀螺原理


(2)分類

光纖陀螺儀按照工作原理可分為干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)、諧振式光纖陀螺儀(R—FOG)和受激布里淵散射光纖陀螺儀(B—FOG)。目前光纖陀螺儀中最成熟的是干涉型光纖陀螺儀(即第一代光纖陀螺儀),其應(yīng)用最為廣泛。它采用多匝光纖圈來增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng),一個(gè)由多匝單模光纖線圈構(gòu)成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度,也勢必會使整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。


光纖陀螺儀按照回路類型分為開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺。開環(huán)光纖陀螺不帶反饋,直接檢測光輸出,省去許多復(fù)雜的光學(xué)和電路結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、可靠性高、消耗功率低等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是輸入一輸出線性度差、動(dòng)態(tài)范圍小,主要用作角度傳感器。開環(huán)的干涉型光纖陀螺的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)形雙光束干涉儀。主要用于對精度要求不高、體積小的場合。


光纖陀螺的性能指標(biāo)


光纖陀螺主要是測量角速度的,而任何測量都是有誤差的。


(1)噪聲

光纖陀螺中的噪聲機(jī)理主要集中在光學(xué)或光電檢測部分,這些噪聲決定了光纖陀螺的最小可檢測靈敏度。在光纖陀螺中,表征角速率輸出白噪聲大小的參數(shù)是隨機(jī)游走系數(shù),其中需考慮檢測帶寬。在僅有白噪聲的情況下,隨機(jī)游走系數(shù)的定義可以簡化為一定帶寬下測得的零偏穩(wěn)定性與檢測帶寬的平方根之比,單位為圖片。如果還存在其他類型噪聲或者漂移,要通過擬合方法得到隨機(jī)游走系數(shù),通常利用Allan方差分析。


(2)零漂(漂移)

使用光纖陀螺計(jì)算時(shí)需要角度計(jì)算,角度是通過角速度積分得到的,漂移經(jīng)過長時(shí)間的積分累積,誤差越來越大??傮w來說,對快速響應(yīng)應(yīng)用(短期),噪聲對系統(tǒng)的影響較大,而對于導(dǎo)航應(yīng)用(長期),零漂對系統(tǒng)的影響較大。


(3)標(biāo)度因數(shù)(比例因子)

比例因子誤差越小,旋轉(zhuǎn)所測得的結(jié)果就越準(zhǔn)確。


光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀


光纖陀螺發(fā)展日新月異,許多大公司特別是軍事裝備公司,都投入了巨大的財(cái)力對其進(jìn)行研究。主要研究公司為美國、日本、德國、法國、意大利、俄羅斯,中低精度陀螺儀已經(jīng)完成了產(chǎn)業(yè)化,而美國在這方面的研究一直保持一線領(lǐng)先地位。


我國光纖陀螺發(fā)展還處于相對落后的水平。按照發(fā)展水平把陀螺發(fā)展分為三個(gè)梯隊(duì):第一梯隊(duì)是美國、英國、法國,他們擁有全部陀螺和慣導(dǎo)的研發(fā)能力;第二梯隊(duì)主要是日本、德國、俄羅斯;中國目前處于第三梯隊(duì)。我國光纖陀螺的研究起步相對較晚,但是在廣大科研工作者的努力下,已經(jīng)逐步拉近了我們與發(fā)達(dá)國家間的差距。


目前,我國光纖陀螺產(chǎn)業(yè)鏈完整,產(chǎn)業(yè)鏈上下游都可以找到廠商,光纖陀螺研制精度已經(jīng)達(dá)到了慣導(dǎo)系統(tǒng)的中低精度要求。雖然性能相對遜色,但是不會像芯片一樣出現(xiàn)瓶頸。目前美國霍尼韋爾光纖陀螺儀在業(yè)內(nèi)可以說是首屈一指,零漂穩(wěn)定性10.0-0.0003(度/小時(shí)),而我國可以做到0.01,暫時(shí)還達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化的級別。美國KVH公司是光纖陀螺儀產(chǎn)業(yè)化最成功的公司之一,2009年總產(chǎn)量已達(dá)4萬臺。


美國KVH公司光纖陀螺儀依次是DSP4000、DSP1500、E-core2000

美國KVH公司光纖陀螺儀依次是DSP4000、DSP1500、E-core2000


在技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中,Sagnac相移并不是干涉式光纖陀螺中唯一存在的非互易相移,還存在著許多非互易性相移,它們構(gòu)成了干涉式光纖陀螺的誤差源。這些誤差源即便不能完全消除,也必須大大減小,才能實(shí)現(xiàn)最終的性能。


誤差源包括偏振效應(yīng)、光纖線圈的背向反射或散射、與光強(qiáng)有關(guān)的非線性折射率變化、沿光纖分布的誤差,與時(shí)間有關(guān)的溫度梯度、外部磁場、電子漂移誤差。在閉環(huán)工作中光源波長的變化、線圈直徑和光纖長度的變化對標(biāo)度因數(shù)都有影響。光纖陀螺的發(fā)展,就是一個(gè)不斷消除誤差的過程。


光纖陀螺的發(fā)展趨勢


1.高精度。更高的精度是光纖陀螺取代激光陀螺在高性能導(dǎo)航中地位的必然要求,目前高精度的光纖陀螺技術(shù)還沒有完全成熟。


2.高穩(wěn)定性和抗干擾性。長期的高穩(wěn)定性也是光纖陀螺的發(fā)展方向之一,能夠在惡劣的環(huán)境下保持較長時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)航精度是慣導(dǎo)系統(tǒng)對陀螺的要求。比如在高溫、強(qiáng)震、強(qiáng)磁場等情況下,光纖陀螺也必須有足夠的精度才能滿足用戶的要求。


3.產(chǎn)品多元化。開發(fā)不同精度、面向不同需求的產(chǎn)品是十分必要的。不同的用戶對精度有不同的要求,而光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單,改變精度時(shí)只需調(diào)整線圈的長度和直徑。在這方面具有超越機(jī)械陀螺和激光陀螺的優(yōu)勢,它的不同精度產(chǎn)品更容易實(shí)現(xiàn)。


4.生產(chǎn)規(guī)?;?。成本的降低也是光纖陀螺能夠?yàn)橛脩羲邮艿那疤釛l件之一。各類元件的生產(chǎn)規(guī)?;梢杂辛Φ卮龠M(jìn)生產(chǎn)成本的降低,對于中低精度的光纖陀螺尤為如此。

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