光学惯性测量和导航系统第二章 关键惯性器件.ppt

第二章 光学惯导系统核心器件 2.1 光学陀螺概述 2.2 光学陀螺主要指标及应用 2.3 新型光学陀螺 2.4 加速度计概述 2.5 加速度计主要指标及应用 2.6 新型加速度计 2.1 光学陀螺概述 1913年，法国科学家FrenchmanG.Sagnac提出Sagnac效应 Sagnac效应是一种与物质（如果采用光纤，则也与波导）无关的纯空间延迟，用一个“时钟”－－光源的频率来测量。测量Sagnac时延的实用技术之一是相干测量相向传输光的位相差，即所谓Sagnac位相差。 严格的分析应考虑旋转系中的电磁学定律并求解该系中的传播方程。有趣的是Georges Sagnac当年是出自反驳爱因斯坦狭义相对论的目的而发现Sagnac效应的。 为了理解Sagnac效应，可以考虑一个简单的“理想”圆形光路的情形。 2.1 光学陀螺概述 2.1 光学陀螺概述 图中给出了当光回路有转动时，在光在通过闭合回路的渡越时间内，注入点M移到了M’点，这时，沿逆时针方向传播的光波沿闭合光路传播一周再回到光波注入点时，其所走过的实际光程必然小于 ，它的值为： 2.1 光学陀螺概述 2.1 光学陀螺概述 2.1 光学陀螺概述 若长度为L、直径为D的多匝光纤环，则有: 2.1 光学陀螺概述 2.1 光学陀螺概述 SAGNAC效应应用-光学陀螺 激光陀螺 光纤陀螺 MOEMS陀螺 集成光学陀螺 2.1 光学陀螺概述 实体是三角形或正方形的充满气体的腔体，在其中传播相向运动的受激光波； 包括环形谐振腔体、反射镜、增益介质和读出机构 2.1 光学陀螺概述 基本原理：三个反射镜形成谐振腔，形成闭合回路。激光管沿光轴传播的光子向两侧经过透镜M4,M5，相向传输，对每一光束来说，只有经过一圈后返回原处相位差为2π整数倍的光子才能诱发第二代，并且逐渐增强，相位差不满足条件的光子逐渐衰减，增强光子多于衰减光子，闭合光路工作在谐振状态。 2.1 光学陀螺概述 谐振腔形成谐振的条件： 2πL/λ= 2πq 即L= qλ L谐振腔长度，光程，q：整数倍。 当角速度＝0时，正反两束光形成驻波，干涉条纹不动。 当出现转动时， La= qλa Lb= qλb fa=cq/La fb=cq/Lb Δf=fa-fb ＝(4A/Lλ)ω=Sω λ ：激光源波长，A：谐振腔光路面积。 Δf拍频。 2.1 光学陀螺概述 1、激光陀螺腔体 (1)三角形： (2)正方形： 2.1 光学陀螺概述 在玻璃体上钻孔，提供光束的光路； 材料为具有零膨胀系数的石英玻璃体或特殊制造的陶瓷玻璃。腔体材料具有的特殊性质：低温度膨胀系数，减小回路长度的压电控制量，降低温度灵敏度。 整个腔体的密封性。对氦气不渗透； 2、反射镜 是最重要的部件，其作用是无损失、准确的改变光在光路中的运动方向。 由于表面不光滑或制造的光模特性不一致将引起散射；由于吸收或传递，每个反射镜都会引起部分激光能量的损失，造成闭锁。 2.1 光学陀螺概述 3、增益介质 高纯度氦和两个氖的同位素在适当压力下以一定比例混合形成的混合物，其作用一是确保在腔内产生激光，二是向腔内谐振状态提供增益，使其保持谐振状态。 4、读出及电路部分 包括放电电流控制、路径长度控制、抖动驱动、读出放大与方向判定。 两个阳极和一个阴极，施加对称的直流高压使其放电； 抖动为正弦振动，频率为100—500Hz，每一个周期抖动偏置的平均值为零。 2.1 光学陀螺概述 激光陀螺的主要误差源 闭锁效应：当输入角速度小到一定程度时，陀螺的拍频输出为零，出现非线性区（死区）。主要原因是光路的各种非均匀因素（反射镜非均匀损耗与散射、谐振腔中的灰尘微粒）是两束光耦合，频率牵引，频差消失。 2.1 光学陀螺概述 消除方法：机械抖动（二频机抖、四频差动）或磁光偏置等，使得在大部分抖动周期内敏感的角速率超过闭锁角速率。频率100－500Hz，幅值100～500arcsec。 2.1 光学陀螺概述 零偏 两束光反射的特性不一致；机抖幅值的不对称性；各向异常的不规则色散效应等； 标度因数误差 增益介质参数波动和谐振腔的参数变化，如传递光束的频率和介质的反射系数关联，导致色散效应，反映到光腔长的变化。 激光陀螺的标度因数很小，10ppm. 2.1 光学陀螺概述 2.1 光学陀螺概述 零闭锁陀螺（ZLG）:采用磁光偏频激励方案