高精度航海用光纤陀螺惯性导航技术展望

光纤陀螺基于Sagnac效应,利用环路中沿相反方向传播的两束光来检测惯性空间中的旋转速度,开辟了全固态角速度传感器之路。由于其标度因数稳定性和环境适应性较激光陀螺仪差,制约了其在高精度航海领域的应用。通过分析光纤陀螺,展望了光子晶体光纤材料、空芯微孔结构和窄线宽激光光源等技术在光纤陀螺中的应用前景,这些技术可提高光纤陀螺标度因数稳定性和环境适应性,同时还展望了基于量子纠缠光纤陀螺技术。通过分析光纤陀螺惯性导航系统发展,现阶段通过采用旋转调制、温控、温补等系统技术,有效抑制了光纤陀螺标度因数稳定性和环境适应性的影响,已具备在高精度航海领域应用条件。     

光纤陀螺正在向激光陀螺挑战

本文从光纤陀螺正在向激光陀螺挑战的观点出发，概要叙述光纤陀螺与激光陀螺的比较，以及美国两家主要的军用和民用激光陀螺供应商Ｌｉｔｔｏｎ工业公司和Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司目前已成为研制与生产光纤陀螺的领先公司。     

国际惯性器件发展现状和趋势

激光陀螺是当前惯性技术中的主流产品,但光纤陀螺正逐渐成熟,在部分应用中将逐步取代激光陀螺,微电子机械系统(MEMS)陀螺也逐渐在战术级应用中取代激光陀螺和光纤陀螺,这对于战术级激光陀螺和光纤陀螺来说都是极大的挑战。专家认为,将来有可能研发纳米微机电系统(NEMS)、光学NEMS甚至生物NEMS。     

可替代机械陀螺的光纤速率陀螺

光纤陀螺在两个方面正在取代机械陀螺：一是新设计的应用，二是已有的应用陀螺场合。光学陀螺所具有的高可靠性、对重力g的不敏感性和对振动、冲击的容限，使其特别适合于车辆、军事上的应用。基于Sagnac干涉效应，如环形激光陀螺、光纤陀螺的概论已有十十年之久了。它有闭环和开环两种结构，但由于闭环结构成本较高，目前只利用开环光纤陀螺取代机械速率陀螺。我们开发了一系列低成本光纤陀螺，它们基于全光结构，采用椭芯的保偏光纤、方向耦合器和偏振器。开环光纤陀螺是以最小结构的形式构成的。激光光束在光纤敏感相向传输，它们是完全互逆的。早期的形式采用方向耦合器隔离激光光源和光探测器，一个偏振器用来确保一个模式分布，而第二个耦合器作为与光纤环的接入口，在光纤环的一端加上一个压电陶瓷相位调制器以进行调制，以便同步检测干涉仪的输出。光源探测器处的耦合器不属于最小结构中的一部分，它可以通过用光源的反向的探测器取消。目前许多激光光源被用于这样一个探测光输出的探测器，由于陀螺转动信号是调制信号，很容易与恒定的激光输出信号分开。我们这种结构的FOG为简化最小结构（RMC），比较两种开环结构可以看出：两者之间没有明显的区别，但从性质上分，在RMC结构中，激光器工作在接近阈值的点，因而在光谱上比较窄。在光陀螺中希望有一个宽带的光谱，可以避免由于绕环导致的偏振起伏，从而引起偏置的不稳定性。这也就限定了RMC结构在一些高精度的陀螺应用。光纤陀的特性可以通过选择光纤的长度、环的直径和激光功率在一个比较大的范围内调整，以适应不同的应用要求，而不需要改变其结构。光纤陀螺从本性上为宽带的，其输出谱特性可以由简单的模拟滤波器、扩展伺服回路的动态特性加以控制。与简单的机械陀螺相比，这一宽带特性可以扩展为非常低的频率，从而改善定位精度。我们已生产了1000多套这两种结构的光纤陀，本文将提供Allan变化，随温度变化的偏置、刻度因数的线性数据，典型的特性参数如下：也许光纤陀螺应用最大的限制为刻度系数，因为Sagnac干涉仪的灵敏度领先光纤长度乘以直径，并且几何尺寸和在敏感轴垂直平面上投影使光纤陀螺改型应用的困难得以克服。在带宽限制范围内，光纤陀螺可以在众多的系统中应用。     

选用陀螺仪—动调陀螺,激光陀螺,光纤陀螺的比较

本文对现有陀螺仪技术：动调陀螺，激光陀螺和光纤陀螺作了综述。作者以一位系统工程师的观点对这些技术作了比较并列出了不同种类陀螺仪的优、缺点。     

利特夫公司提高了光纤陀螺的精度

利特夫公司(利顿公司在德国的一家子公司)在光纤陀螺(FOG)和集成光学技术研究方面的进展已使研制小型导航系统成为可能。与机械陀螺和环形激光陀螺比,精度一直是光纤陀螺的薄弱环节。但随着其精度的提高和成本的显著降低,光纤陀螺从现在仅用于姿态基准在向低精度导航系统的方向发展。利特夫公司预测,旋转质量陀螺将在几年内被淘汰,而光纤陀螺将在5～10年内代替环形激光陀螺。     

光纤陀螺热致漂移仿真分析及实验验证

外界温度场作用下,光纤环温度变化和热应力是引起光纤陀螺非互易误差的主要原因。分析了光纤陀螺热致漂移的数学模型,基于该模型仿真研究了对光纤环以恒定功率加热随后转入平稳状态扰动因素下陀螺的输出特性。为验证模型准确性,选用3个光纤环搭建光纤陀螺系统,并对陀螺零偏变化特性进行了测试。测试结果表明,各陀螺零偏测试值与模型计算值间的误差不超过8%,实验结果与模型能够较好符合,该研究结果对高精度光纤陀螺的设计具有重要指导意义。     

五陀螺冗余配置激光惯组抖动频率特性研究

激光陀螺捷联惯性测量系统多采用机械抖动式激光陀螺,系统中各陀螺之间的抖动耦合会影响陀螺测量精度。如何减小陀螺之间的抖动耦合,是激光陀螺捷联惯性测量系统设计中的关键技术之一。三个正交激光陀螺组成的捷联惯性系统其频率配置已经有了许多研究,而有冗余安装陀螺的捷联系统其频率该如何配置还未有过系统的研究。本文以某型号五陀螺冗余配置的激光捷联惯组为研究对象,通过有限元软件对不同频率配置下陀螺之间的抖动耦合特性进行仿真分析,给出了五冗余配置激光捷联系统的抖动频率配置原则,在工程实践中,对捷联系统中陀螺的频率配置具有重要指导意义。     

惯性传感器技术的发展趋势

本文概括叙述了惯性传感器技术，描述了在目前工业上的应用和它在近期及远期应用的前景。惯性传感器技术发展的趋势也在此得到详细阐述，即干涉型光纤陀螺，微机械陀螺和加速度计，还有微型光学传感器。微机械传感器和改进后的光纤陀螺预计在不远的将来会替代许多现行系统中采用的环形激光陀螺或者机械传感器。新技术成功的引进主要是由成本原因所驱使的，采用这些新技术的系统的成本项目也在此陈述。利用全球定位系统（GPS）辅助的惯性导航系统已使导航应用的领域面更扩大化，例如制导炸弹。这些新的应用场合将促使具有极其低廉价格、可批量生产的传感器的开发。     

捷联惯导系统发展及其军事应用

从20世纪80年代开始,以激光陀螺和光纤陀螺为代表的捷联惯导系统逐步进入实用阶段,为高新技术武器装备的革新改造打下了坚实技术基础。本文主要介绍捷联惯导系统的组成、原理、特点、发展趋势及其在航空军事领域中的主要应用。     

光纤陀螺技术及其发展应用

1976年,美国学者V.Vali和R.W.Shorthill首次提出光纤陀螺(Fiber-Optic Gyro,FOG)的概念,他们使用多圈光纤环形成大等效面积的闭合光路,利用萨格纳克效应(Sagnac Effect)实现了载体的角运动测量,使得这种光纤角运动传感器具备了完整的陀螺功能.光纤陀螺是全固态的陀螺,与传统的机械陀螺或激光陀螺相比,具有以下特点:     

主惯导速度误差短周期波动对子惯导传递对准影响分析

随着激光陀螺技术的发展,旋转调制式激光陀螺惯性导航系统逐渐成为舰载主惯导系统,舰载机、舰载武器系统需要旋转调制式激光惯导系统提供的姿态、速度和位置信息进行对准,即主子惯导的传递对准。由于旋转调制式系统中的姿态、速度和位置具有随旋转的短周期波动问题,势必会影响对准时间较短的子惯导对准精度。为了保证传递对准的快速性,一般采用速度匹配方法。定量分析了主子惯导传递对准过程中主惯导速度误差短周期波动对子惯导系统对准精度的影响,首先进行了数字仿真,之后利用双轴激光陀螺惯导、纯捷联光纤陀螺惯导数据进行了半实物仿真,验证了主惯导速度误差的一次项系数与子惯导初始对准水平姿态误差呈线性关系,二次项系数与子惯导初始对准航向误差呈线性关系。     

激光应用简讯——光纤陀螺和激光测长仪

一、光纤陀螺——研制中的陀螺这是继激光陀螺问世后正在研制中的崭新陀螺。众所周知激光陀螺的体积小,重量轻,而它的体积更小,重量更轻,没有转动部件,引起了世界各国的工业和军事部门的注目。有关科研部门在此研制过程中都力争上游。据报导我国上海科技大学与安徽光机所联合研制的     

基于PC／104的光纤陀螺捷联航姿系统

本文中给出了光纤陀螺捷联航姿系统的系统硬件结构组成以及软件流程。在整个系统的实现上，采用PC／104作为捷联航姿系统的导航计算机，采用低成本的VG910光纤陀螺作为角速度测量元件，采用C语言编写捷联航姿系统软件。为了检验基于PC／104的光纤陀螺捷联航姿系统的性能，对其进行了测试，测试结果表明本航姿系统的精度是可以接受的。     

广义回归神经网络在光纤陀螺零偏补偿中的应用

因测量精度高、制造工艺简单,光纤陀螺在惯性导航系统中获得了广泛应用,但是温度的变化会使光纤陀螺产生测量误差.针对光纤陀螺的零偏容易受到环境温度影响的问题,提出了使用改进的广义回归神经网络建立光纤陀螺变温零偏补偿模型的方法,有效改善了光纤陀螺的变温零偏稳定性.该模型采用果蝇算法寻找广义回归神经网络的最优光滑因子,提高了模...     

环形激光陀螺关键制造工艺

环形激光陀螺(RLG)是应用激光原理制成的一种感测角速度的装置,由于采用“无质量”的光作为敏感介质,并几乎取消了全部活动件,与采用自旋转子的机械陀螺相比,是一种全固态新型陀螺。环形激光陀螺是捷联式惯性系统的理想元件,近10年来在军机和民机用的大部分惯导系统中,激光陀螺已明显占统治地位;估计在今后20年内,它将成为在惯性系统中占优势的陀螺类型,     

低成本小型光纤陀螺惯性测量单元设计与实现

针对军用及民用惯性技术对光纤陀螺及其惯性组合低成本、轻小型化的需求,以三轴一体光纤陀螺和石英挠性加速度计为惯性敏感元件,设计并实现了光纤陀螺捷联式惯性测量单元。系统采用DSP+FPGA双微处理器结构实现数据高效采集、处理及输出。重点设计了三轴一体光纤陀螺组件、加速度计小型化数据采集电路、双微处理器设计等硬件结构及软件算法。样机测试结果表明：系统在动静态测量精度、体积、重量、实时性等方面达到了预期的设计目标。     

双轴和三轴多路开环光纤陀螺

大多数测量角速率的陀螺应用需要两个或三个轴的陀螺构成一个组合。采用光纤陀螺技术的优点之一是可以低成本地设计多轴的陀螺组合,减少不必要的体积和电源调查。本文讨论了一种三轴开环光纤陀螺的设计,及静态漂移,刻度因数和噪声的测量结果。     

瞄准级光纤陀螺

光纤陀螺是一种具有广泛用途的固态旋转传感器，而且在新的方案中，它还将成为环形激光陀螺的有力竞争对手，光纤陀螺将会大量生产，以代替有方案中的陀螺转子技术，光纤陀螺的高可靠性，输入轴高稳定性及加速度的低灵敏度，将在很长一段时间保持它的先进性，ＡｌｌｅｄＳｉｎｇｎａｌ设计瞄准光纤陀螺（ＰＧＦＯＧ）来代替它目前制造一种高性能机械陀螺仪，精细的隔热设计，陀螺组合技术，光源强度噪声抑制方法和光源波长控制已发展     

基金档案

【项目编号】2007ZC56004【项目负责人】万生鹏【依托单位】南昌航空大学受激布里渊光纤陀螺的若干关键技术研究及系统仿真完成情况简介:本项目对布里渊光纤陀螺(BFOG)的一些关键技术进行了研究,如温度对布里渊光纤陀螺的影响、克尔效应对布里渊光纤陀螺的影响等,并对布里渊光纤陀螺的具体参数和系统性能进行了分析,为BFOG的应用奠定了基础。