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1. 背景介绍

  陀螺仪是惯性系统到核心部件,用于测量运动载体相对惯性空间到因角运动而产生到角速度,与加速度计测量得到的线速度而产生的位移和线速度结合起来经过积分等运算即可得到载体实时的姿态、速度、位置等信息。
  光纤陀螺仪的基本原理是1913年G. Sagnac提出的Sagnac效应,即沿闭合回路相向传播的两光波之间的相位差正比于闭合光路法向的输入角速度。从1976年光纤陀螺仪的概念第一次被提出来以及实验上实现至今已经过去了将近40年的时间,光纤陀螺仪的发展也有了长足的发展,其发展也得益于近些年光纤通讯领域的迅猛发展而使光学元件的稳定性和可靠性得到的极大提升。
  相比于其它类型的陀螺仪来说,光纤陀螺仪的主要优势主要体现在体积小、重量轻、功耗低、寿命长、可靠性高、可批量化生产等方面,因此其在陀螺仪的应用中所占的比重逐年增加。光纤陀螺仪的应用主要体现在定位、姿态控制和绝对测量三个方面,具有至关重要的军事作用,同时在民用领域也具有不可替代的优势。
 
2. 光纤陀螺仪工作原理
  光纤陀螺仪根据工作原理可以分为三类,分别为干涉型、谐振型和布里渊型光纤陀螺仪,后面两种是后来提出来的,目前都尚未实用化。目前应用的光纤陀螺仪基本上都是干涉型的,由于采用特定的光纤绕制方法传感光纤的长度可以达到几千米,因此光纤陀螺仪的灵敏度也可以达到中低精度陀螺仪的需求,但是要进一步提高精度还面临很多困难,主要是受温度稳定性等的制约,还具有进一步向高精度方向发展的空间。
  光纤陀螺仪包括光学部分和信号处理部分,常见的采用集成光学波导的光纤陀螺光学部分的结构图如下所示。
图1:干涉型光纤陀螺仪的光路部分结构图。其中S:光源;D:探测器;Coupler:耦合器;P:偏振控制。
a) 光源选择
  光源为光纤陀螺提供所需的光信号,其对光纤陀螺精度的影响因素主要包括:光波长稳定性、功率稳定性及偏振稳定性。目前常用的光纤陀螺仪光源为超辐射发光二极管(Super-Luminescent Diode, SLD)和采用掺铒光纤的放大的自发辐射光源(Amplified Spontaneous Emission, ASE)
  SLD光源的平均波长稳定性较差,适宜于用在低精度的光纤陀螺中。而ASE光源则在光谱宽度和光谱稳定性方面都相比于SLD光源有了很大都提高,并且输出功率也很高。ASE光源的基本原理是将掺铒光纤在泵浦光作用下产生的自发辐射信号进行放大,采用双通后向结构的ASE光源结构图如下:具体结构如下图所示:
图2:ASE光源结构图。
b) 偏振控制
  偏振涨落是影响陀螺性能的一个关键因素之一。为了控制光纤陀螺中偏振不稳定性引起的漂移,通常光纤线圈采用保偏光纤,因而光路部分中的器件也相应的需要采用偏振器件,如保偏耦合器保偏隔离器等,集成光路中的偏振控制部分为起偏器,这样可以保证陀螺性能得到极大的提高,但是成本也较高。
  另外也可以采用消偏技术,这样光纤线圈只需使用普通的单模光纤,光路部分中的器件无需使用保偏器件,而偏振控制器件则需要采用光纤消偏器。
 
3. 注意事项

  若采用保偏方案,实际操作时很难对准保偏光纤的偏振主轴,光纤之间的熔接需采用专用的偏振光纤熔接机。

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