2018年11月23日

光纤陀螺仪是基于萨格奈克(Sagnac)效应的一种光学陀螺仪。光纤陀螺仪的基本原理如图所示,它由光源、光检测器、分束器和光纤线圈等组成。当陀螺沿着与光纤线圈平面相垂直的轴向旋转时,产生一个与旋转角速度成正比的相位差:

 

式中,D为光纤线圈的直径;L为光纤长度;λ为光波长;c为真空中的光速。由于与线圈直径和光纤长度成正比,所以光纤越长,直径越大,陀螺灵敏度就越高。


光纤陀螺仪主要的性能参数有以下几种:


1、零偏和零漂

零偏是输入角速度为零(即陀螺静止)时陀螺仪的输出量,用规定时间内测得的输出量平均值对应的等效输入角速度表示,理想情况下为地球自转角速度的分量。零漂即为零偏稳定性,表示当输入角速率为零时,陀螺仪输出量围绕其零偏均值的离散程度,用规定时间内输出量的标准偏差对应的等效输入角速率表示。零漂是衡量FOG(光纤陀螺)精度的最重要、最基本的指标。产生零漂的主要因素是沿光纤分布的环境温度变化在光纤线圈内引入的非互易性相移误差。通常为了稳定零漂,常需要对IFOG进行温度控制或者温度补偿。另外偏振也会对零漂产生一定的影响,在IFOG中常采用偏振滤波和保偏光纤的方法消除偏振对零漂的影响。


2、标度因数

标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值,在坐标轴上可以用某一特定直线斜率表示,它是反映陀螺灵敏度的指标,其稳定性和精确性是陀螺仪的一项重要指标,综合反映了光纤陀螺的测试和拟合精度。标度因数的稳定性无量纲,通常用百万分比(ppm)表示。标度因数的误差主要来源于温度变化和光纤偏振态的不稳定性。


3、随机游走系数

表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标,它反映的是光纤陀螺仪输出的角速度积分随时间积累的不确定性,因此也可称为角随机游走。随机游走系数反应了陀螺仪的研制水平,也反映了陀螺仪最小可检测的角速率。该误差主要来源于光子的随机自发辐射、光电探测器和数字电路引入的噪声和机械抖动。


4、阈值和分辨率

阈值表示光纤陀螺能感应的最小输入速率。分辨率表示陀螺仪在规定输入角速率下能感应的最小输入速率增量。阈值和分辨率都表征光纤陀螺仪的灵敏度。


5、最大输入角速度

表示陀螺正、反方向输入速率的最大值,表征陀螺的动态范围,即光纤陀螺可感应的速率范围。


与此同时,光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移和偏振状态改变引起的比例因子不稳定。


光纤陀螺仪可分为干涉型、谐振型和布里渊型三大类,目前已经应用的是干涉型。闭环干涉型光纤陀螺仪产品已覆盖了从速率级到精密级的精度范围。光纤陀螺仪具有高可靠性、长寿命、小体积、轻质量、低功耗、力学环境适应性好、动态范围大、线性度好、频带范围宽、启动时间短等一系列特点,是新一代全固态陀螺仪的典型代表,可广泛应用于航天、航空、航海、兵器及多种军民用领域。


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