第3章 激光测量 2013.5.10.ppt

具体推导： Lecture 13 -- Laser Gyro * 2.3 Michelson 干涉仪试验 光程差和输入角速度成正比 ----- 上述公式对任何形状的闭合光路都成立. Michelson 的干涉仪实验(1925)： 矩形面积: A = 600×300 m2 激光的波长 λ= 0.7μm 测量地球的自转角速度，光程差为： ΔL=0.175μm，or λ/ 4 干涉条纹移动了 1/4 个明暗条纹周期间距. 起决定作用的实际上是相位差 Lecture 13 -- Laser Gyro * L M4 M4 M1 M3 M2 ω 谐振频率 假设激光谐振腔的光路长度为 L, 等于 q 倍的波长 λ 激光的频率: 因此 当谐振腔以角速度 ω 绕着谐振腔平面的法线方向旋转，则 频率差： Lecture 13 -- Laser Gyro * 3.4 谐振频率差 频率差： 频差正比于输入角速度 L M4 M4 M1 M3 M2 ω 理论上讲，陀螺在不转动时，两路光的光程、频率、振 幅均相等；当陀螺转动时，由于产生了光程差而频率不再相等，这时将产生与转动角速度Ω成比例的差频△?输出。也就是说，通过测量光频的变化△?，就可以获得精确的航向偏转角速度Ω值。关于△?的测量，目前多用外差探测方法。 上面只讨论了一个转动方向．当在三个互相垂直的平面内构成三个环形激光器时，就能对三个转动方向进行角度测量。环形激光器宜以单纵模式运转，因为多模将使差频输出中渗杂其他频率成分，形成噪言和干扰，影响了监测精度。另外还要求激光频率高度稳定，因为即使很小的频率漂移，都将给飞行器旋转角速度Q的测量计算带来很大的误差。 三、激光陀螺的特点 陀螺分为；机电陀螺、气浮陀螺、液浮陀螺、振动式陀螺、射流陀螺、静电陀螺等多种；其中机电陀螺目前应用较广。机电陀螺由于只采用了一般的滚珠轴承，没有采取特殊措施，所以它无法承受高加速度的冲击。利用气体压力来支承转子的叫气浮陀螺。它的优点是可以在高温、高加速度环境下使用，精度也较高，但加工复杂成本高。液浮陀螺与气浮陀螺类似。振动式有的又叫振梁式陀螺。它与其他陀螺的原则区别在于它的输出信号带有振动特性，它们大多数没有旋转部分，因此适合于在高加速度环境下工作。利用射流技术测量角速度的叫射流陀螺。它的优点是能抗高加速度过载，抗辐射、耐高温，简单可靠，缺点是反应迟钝、气源必须净化等。 激光陀螺的优点 (1)由于没有一股的高速转动“飞轮”，所以工作可靠性高、结构简单、牢固结实，能承受几千g以上的高加速度，比一般陀螺承受能力高50倍以上，这对适应飞行器发射瞬间的高加速度冲击作用特别有意义。另外，正因为不要转子、轴承等，所以对高角速度相当灵敏，能够测量高转速，这对宇宙导航很有意义。它可以满足用在飞船上的陀螺对高精度的要求。 (2)能测的角速度范围大，可测到12000?／秒，而机电陀螺最大仅可测到400?／秒。 (3)由于反应快，从接通到工作仅需30秒钟，只要一打开开关就能瞬时投入工作，而使用机电陀螺时，由于必须加热，热稳定及平台校淮等过程，一般需要10-30分钟准备时间。 (4)工作不受环境(比如重力加速度等)影响，因而不必对地球重力场变化作附加修正等。激光陀螺的平均无故障时间可达17000小时，而一船的陀螺仅5000小时。激光陀螺承受速度变化的能力比一般的陀螺高l0倍。 (5)在现代飞行技术中，陀螺常配以电子计算机。将陀螺监测到的数据．馈入计算机计算处理后，产生控制指令信号。激光陀螺可以直接以数字方式输出，很容易同电子计算机配合，适应现代飞行技术的需要。 (6)结构简单，成本低，适于批量生产。据统计，精度相同的激光陀螺约4万美元，液浮陀螺7—8万美元。 光纤陀螺基本原理 1 光纤陀螺的发展2 光学基础知识3 Sagnac效应4 光纤陀螺（FOG）原理5 光纤陀螺指标 1 光纤陀螺的发展与动态 四个里程碑： 一、 1913年法国物理学家Sagnac在物理实验中发现了旋转角速率对光的干涉现象的影响，这就启发人们，利用光的干涉现象来测量旋转角速率。 二、1960年，美国科学家梅曼发明了激光器，产生了单色相干光，解决了光源的问题。 三、 1966年，英籍华人科学家高锟提出了只要解决玻璃纯度和成分，就能获得光传输损耗极低的玻璃光纤的学说。 四、1976年，美国犹他大学两位教授利用Sagnac效应研制出世界上第一个光纤陀螺原理样机。 二十多年来，世界各发达国家的许多科研机构和著名大学都投入了很多的经费来研究光纤陀螺。随着光纤陀螺主要光器件（保偏光纤，Y型电—光调制波