北航慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)課件

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1、慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)宇航學(xué)院：王新龍2014年4月9日本節(jié)的主要內(nèi)容光纖陀螺儀的原理光纖陀螺儀誤差源加速度計(jì)簡介石英撓性加速度計(jì)模型及建模方法布置大作業(yè)（一）飛機(jī)上安裝的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)光纖陀螺組合產(chǎn)品實(shí)物慣性測量單元元器件的安裝方位圖光纖陀螺（SINS）組合內(nèi)部陀螺儀陀螺儀是感測旋轉(zhuǎn)角運(yùn)動的一種裝置，其作用是為加速度計(jì)的測量提供一個(gè)參考坐標(biāo)系，以便把重力加速度和載體加速度區(qū)分開；并可為慣性系統(tǒng)、火力控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等提供載體的角位移或角速率。陀螺儀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已發(fā)現(xiàn)大約有100種以上的物理現(xiàn)象可被用來感測載體相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。從工作機(jī)理來看，陀螺儀可被分為兩

2、大類：一類是以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的陀螺儀（通常稱為機(jī)械陀螺），另一類是以非經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的陀螺儀（如振動陀螺、光學(xué)陀螺、硅微陀螺等）。光纖陀螺的工作原理（FiberOpticalGyroscope,FOG）光纖陀螺是采用薩格奈克（Sagnac）干涉原理，利用光纖繞成環(huán)形光路，并檢測出隨轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)的兩路激光束之間的相位差，從而計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角速度。光學(xué)陀螺（光纖陀螺與激光陀螺）光纖陀螺工作原理與激光陀螺相同，測量角速度的傳感器和檢測光源都是激光源。不同點(diǎn)是：光纖陀螺是將200m～2000m的光纖繞制成直徑為10cm～60cm的圓形光纖環(huán)，加長了激光束的檢測光路，使檢測靈敏度和分辨力

3、比激光陀螺提高了幾個(gè)數(shù)量級，有效的克服了激光陀螺因閉鎖產(chǎn)生的影響。薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)1913年，法國物理學(xué)家Sagnac提出了采用光學(xué)方法測量角速度的原理，稱為Sagnac效應(yīng)。由光源發(fā)出的光經(jīng)過分束器在A點(diǎn)被分解為沿順、逆時(shí)針方向傳播的兩束光進(jìn)入環(huán)形腔體。如果腔體相對慣性空間沒有轉(zhuǎn)動，則兩束光在環(huán)路內(nèi)繞一圈的光程是相等的，所需的時(shí)間為薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)當(dāng)腔體以角速度繞垂直于光路平面的中心軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，從點(diǎn)出發(fā)的兩束反向傳播光束在環(huán)路內(nèi)繞一圈的光程不再相同，因?yàn)楣馐霭l(fā)的原始位置點(diǎn)已沿順時(shí)針方向移動到點(diǎn)。沿順時(shí)針方向傳播的光束繞行一圈回到環(huán)路坐標(biāo)系原處所需時(shí)間為薩

4、格奈克(Sagnac)效應(yīng)而沿逆時(shí)針方向傳播的光束再次回到原處所需時(shí)間為因此，由于，則薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)因此，順時(shí)針、逆時(shí)針傳播光束在環(huán)路內(nèi)繞行一圈的光程差為式中，為環(huán)形光路所圍面積。上式雖然是從圓形環(huán)路推導(dǎo)得出的，但可證明對任意形狀的環(huán)路（如矩形、三角形等）都是正確的。薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)順、逆光束在環(huán)路內(nèi)傳播一周后通過半反片發(fā)生干涉，形成干涉條紋。當(dāng)光程差改變一個(gè)波長時(shí)，干涉條紋就移動一個(gè)。由于光程差與腔體轉(zhuǎn)動角速度成正比，因此干涉條紋的移動速度也與腔體轉(zhuǎn)動角速度成正比，這一現(xiàn)象被稱為Sagnac效應(yīng)。這樣，Sagnac干涉儀通過檢測干涉條紋的移動速度來確定轉(zhuǎn)

5、動角速度。1925年Michelson和Gale用一個(gè)面積為的矩形環(huán)路來測量地球自轉(zhuǎn)角速度，光波波長，巨大的環(huán)形干涉儀的干涉條紋只移動了個(gè)條紋，這樣的靈敏度是很差的。因此，初始的Sagnac干涉儀無法得到實(shí)用。薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)直到激光出現(xiàn)以后（1960年以后），使用環(huán)形諧振腔和頻差技術(shù)或使用光導(dǎo)纖維和相敏技術(shù)大大提高靈敏度，才使Sagnac效應(yīng)從原理進(jìn)入實(shí)用，前一途徑稱為激光陀螺；后一途徑稱為光纖干涉儀陀螺。光纖陀螺基本工作原理光纖是利用光的全反射原理而做成的一種光導(dǎo)纖維。光纖陀螺的理論基礎(chǔ)是Sagnac效應(yīng)。光纖陀螺儀的薩格奈克效應(yīng)可以由如圖所示的圓形環(huán)路的干涉儀來說

6、明。該干涉儀由光源、分束板、反射鏡和光纖環(huán)組成。光在點(diǎn)入射，并被分束板分成等強(qiáng)的兩束。反射光進(jìn)入光纖環(huán)，沿著圓形環(huán)路逆時(shí)針方向傳播。透射光被沿著圓形環(huán)路順時(shí)針方向傳播。這兩束光繞行一周后，在分束板匯合。光纖陀螺基本工作原理當(dāng)干涉儀相對慣性空間無旋轉(zhuǎn)時(shí)，相反方向傳播的兩束光繞行一周的光程相等，都等于圓形環(huán)路的周長，即兩束光繞行一周的時(shí)間也相等，都等于光程除以真空中的光速，即光纖陀螺基本工作原理當(dāng)干涉儀繞著與光路平面相垂直的軸以角速度（設(shè)為逆時(shí)針方向）相對慣性空間旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于光纖環(huán)和分束板均隨之轉(zhuǎn)動，相反方向傳播的兩束光繞行一周的光路就不相等，時(shí)間也不相等了。光纖陀螺基本工作原理逆時(shí)針

7、方向傳播的光束繞行一周的時(shí)間設(shè)為，當(dāng)它繞行一周再次到達(dá)分束板時(shí)多走了的距離，其實(shí)際光程為而這束光繞行一周的時(shí)間為則光纖陀螺基本工作原理順時(shí)針方向傳播的光束繞行一周的時(shí)間設(shè)為，當(dāng)它繞行一周再次到達(dá)分束板時(shí)少走了的距離，其實(shí)際光程為而這束光繞行一周的時(shí)間為由此可得光纖陀螺基本工作原理相反方向傳播的兩束光繞行一周到達(dá)分束板的時(shí)間差為由于，所以上式可近似為兩束光繞行一周到達(dá)分束板的光程差則為這表明兩束光的光程差與輸入角速度成正比。光纖陀螺基本工作原理因此，光纖陀螺儀可以說直接