慣導(dǎo) 激光陀螺誤差光纖陀螺.ppt

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1、慣性元件——激光陀螺慣性導(dǎo)航篇轉(zhuǎn)子式陀螺與激光陀螺的比較轉(zhuǎn)子式陀螺工作原理牛頓力學(xué)基礎(chǔ)上動(dòng)量矩定理動(dòng)量矩（角動(dòng)量）H機(jī)械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的問(wèn)題：支承導(dǎo)致：成本高激光陀螺工作原理量子力學(xué)基礎(chǔ)上特點(diǎn)：固體型、不需要活動(dòng)部件，不存在支承問(wèn)題光學(xué)陀螺概述1激光陀螺：針對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)需求基本原理：Sagnac效應(yīng)，工作物質(zhì)是激光束，全固態(tài)陀螺優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)范圍寬、啟動(dòng)快、反應(yīng)快、過(guò)載大、可靠性高、數(shù)字輸出發(fā)展1960激光器出現(xiàn)1963Sperry制成首臺(tái)樣機(jī)1970s中精度突破，達(dá)慣性級(jí)1980s初開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域早期研制的機(jī)構(gòu)Honeywell：三角諧振

2、腔，機(jī)械抖動(dòng)偏頻Litton：四邊形諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏頻Sperry：三角諧振腔，磁鏡偏頻國(guó)內(nèi)研制、應(yīng)用狀況1970s中后期開始研制，1990前后進(jìn)入實(shí)用1990s中后期應(yīng)用達(dá)到高峰面臨問(wèn)題成本較高、體積偏大、不能完全適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)的要求光學(xué)陀螺概述2光纖陀螺儀：適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)需求基本原理：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光導(dǎo)纖維傳播。優(yōu)點(diǎn)：成本低、體積小重量輕。發(fā)展：1970s光纖技術(shù)發(fā)展1976年猶它大學(xué)瓦里設(shè)想和演示1978麥道研制出第一個(gè)實(shí)用產(chǎn)品1980s后，Littion，Honeywell，Draper等公司以及英、法、德、日、蘇等國(guó)也展開了

3、研制。國(guó)內(nèi)1980s初，原理研究、試驗(yàn)（少數(shù)大學(xué)）1980s末，實(shí)質(zhì)性研制2000s，進(jìn)入實(shí)用階段精度：國(guó)外0.0010/h國(guó)內(nèi)0.010/h薩格奈克(Sagnac)干涉儀——光路Sagnac干涉測(cè)量的基礎(chǔ)提出：由Sagnac于1913年Sagnac干涉儀光路傳播當(dāng)干涉儀相對(duì)慣性空間無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)，則A、B兩路光程La=Lb=L當(dāng)干涉儀以ω相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)，則會(huì)引起兩路光程不等。推導(dǎo)光程差分離點(diǎn)的切向線速度v在分束點(diǎn)兩側(cè)光路的投影都為光束a逆行一周，回到分束點(diǎn)時(shí)多走了一段光程另有Sagnac干涉儀——光程差求解方程組，得到類似，對(duì)光束b，可求得兩束光回到分束

4、點(diǎn)時(shí)光程差因c遠(yuǎn)大于Lω，上式近似為光程差與輸入角速度成正比——該結(jié)論對(duì)其它形狀的環(huán)路也成立。邁克爾遜實(shí)驗(yàn)：矩形面積A=600×300m2光源波長(zhǎng)λ=0.7μm計(jì)算得：ΔL=0.175μm，即λ/4干涉條紋只移動(dòng)了1/4條紋間距如果用來(lái)測(cè)量0.0150/h的角速度，測(cè)量精度無(wú)法保證激光陀螺——結(jié)構(gòu)激光陀螺相對(duì)干涉儀的改進(jìn)無(wú)源諧振腔→激光諧振腔測(cè)量光程差→諧振頻率差諧振腔(ResonatingCavity)結(jié)構(gòu)：激光管(光源)+反射鏡(光路)激光管=氦氖氣體+端面鏡片諧振腔結(jié)構(gòu)及原理介質(zhì)受激→從基態(tài)到高能態(tài)→粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光通過(guò)激活物質(zhì)→獲得增益→環(huán)形

5、腔→獲得足夠大的增益反射膜厚度λ/4→獲得所需波長(zhǎng)選擇環(huán)路周長(zhǎng)→形成同相駐波端面鏡片→獲得偏振光設(shè)激光環(huán)繞一周光程L，是波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍q，即λ=L/q激光頻率為Vq，則Vq·λ=c故Vq=c·q/L當(dāng)諧振腔以ω繞法線旋轉(zhuǎn)Va=c·q/LaVb=c·q/Lb兩束激光的頻差：激光頻差正比于輸入角速度干涉條紋以一定的速度移動(dòng)激光陀螺頻差（拍頻）產(chǎn)生激光陀螺頻差測(cè)量例：三角諧振腔邊長(zhǎng)=111.76mm激光波長(zhǎng)λ=0.6328μm用來(lái)測(cè)地球轉(zhuǎn)動(dòng)角速度激光陀螺結(jié)構(gòu)工藝激光介質(zhì)：氦氖氣體（頻譜純度高、反向散射?。┣惑w材料：熔凝石英、陶瓷腔體尺寸：周長(zhǎng)200～450

6、mm諧振腔形狀：三角、四邊（優(yōu)缺點(diǎn)：K=4A/Lλ）裝配組合：分離、整體式整體式激光陀螺介紹諧振腔和光路反射鏡（反射膜、凹面、半透）氦氖氣體陰陽(yáng)電極：雙陽(yáng)極控制回路：凹鏡、激勵(lì)電壓激光陀螺三軸整體三軸整體式：適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)，集三個(gè)諧振腔于一塊材料兩種三軸整體式光路方案1.三角形方案（9反射鏡）2.四邊形方案（6反射鏡）優(yōu)點(diǎn)：體積小重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好（第二代技術(shù)）工藝改進(jìn)對(duì)陀螺性能的影響：Cer-vit陶瓷取代石英，提高了穩(wěn)定性并解決了氦氣泄漏采用光膠和接觸焊，避免了環(huán)氧樹脂雜氣對(duì)介質(zhì)的污染。新的反射鏡涂層工藝，解決了涂層變質(zhì)問(wèn)題激光陀螺零偏誤差

7、激光陀螺誤差源：異于機(jī)械式誤差分類零偏誤差：輸入角速度為零時(shí)激光陀螺的頻差輸出（0/h）主要原因：郎繆爾流效應(yīng)直流放電激活原子→陽(yáng)極陰極←陽(yáng)極激活原子綜合形成郎繆爾流導(dǎo)致激光在介質(zhì)中折射率不同，造成附加光程差補(bǔ)償措施：雙陽(yáng)極方案激光陀螺標(biāo)度因數(shù)與自鎖誤差標(biāo)度因數(shù)誤差激光陀螺頻差輸出公式K值不穩(wěn)定，也引起誤差K值大小的影響因素：諧振腔周長(zhǎng)諧振腔形狀激光波長(zhǎng)(0.6328/1.15/3.39)K值穩(wěn)定性控制途徑：激光波長(zhǎng)諧振腔周長(zhǎng)280mm～0.010/h～5×10-6120mm～0.10/h～3×10-4自鎖(Lockin)誤差自鎖區(qū)：-ωL～ωL典型

8、值：3600/h激光陀螺自鎖原因及對(duì)策產(chǎn)生原因：反射鏡反向散射順時(shí)光束A的反向散射A’A’和逆時(shí)光束B耦合牽