光纤陀螺发展及其在制导武器中的应用

2008年第7期 科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场 1引言 光纤陀螺(FOG)是随着光纤技术迅速发展而出现的一种 新型光纤旋转传感器。由于它的相位调制传感方式具有极高灵 敏度以及精巧和高机械强度的实用性将成为航天、航空、航海等 诸多领域中最具有发展前景的惯性部件。过去的陀螺主要属机 械型的,其工作原理是基于转动轮或转动球所产生的大角度惯 量测量。光纤陀螺是应用 sagnac效应做传感原理,把旋转传感 器的灵敏度提高了几个数量级,展现出极大的开发潜力。光纤陀 螺与传统的机械陀螺相比较具有以下优点:(l)没有运动部件,不 存在磨损,因此寿命长,启动快;(2)构造简单,可靠性高;(3)耗电 小;(4)动态范围宽等。 2光纤陀螺的理论基础及工作原理 光纤陀螺是基于萨格奈克(sagnac)效应的光纤萨格奈克 (sagnac)干涉仪,如图 1所示,来自光源的光束被分/合束器分 成两束光,分别从光纤圈的两端耦合进光纤敏感线圈,沿顺、逆 时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束光,在经过分/合束器 而叠加产生干涉。当光纤圈处于静止状态时,从光纤圈两端出来 的两束光,光程差为零。而当光纤圈以角速率 Ω 旋转时,沿相反 方向传播的两束光绕行一周到达分束器的时间差为: (2-1) 由于 C>>(RΩ)2,所以两束光绕行一周到达分束器的光程 差可足够精确地近似为: (2-2) 两束光之间的相移 与光程差 ΔL有如下关系: (2-3) (2-4) 式中:R--光纤圈半径 L--光纤环周长 A--光纤光路所包含的面积,A= N--光纤圈匝数 --光的波长 C--光在介质中的传播速度 由式(2-4)可知,输出相移 与输出角速度 成正比。陀 螺的标度因数为 。 通过检测相位差 (即干涉光强)就可以获得角速率 的信息。在光纤线圈半径一定的条件下,可以通过增加线圈匝数 即增加光纤总长度来提高测量的灵敏度。 3光纤陀螺的分类及特点 图1光纤陀螺原理示意图 图2 干涉式光纤陀螺基本构成图 从结构上来看,光纤陀螺可以分为三大类,即干涉式光纤陀 螺(FOG)、谐振式光纤陀螺(R-FOG)、受激布里渊散射环形激 光陀螺(B-FOG)。 其中,干涉式光纤陀螺包括全光纤型、集成光学器件型两 种,全光纤的光纤陀螺又可按光纤使用不同分为消偏、全保偏两 种类型。它们具有的不同的结构,决定了其各自的特点及适用范 围,工作原理都是采用直接检测干涉后的 sagnac相移来得到旋 转角速度。对于低、中精度的光纤陀螺的光纤陀螺来讲,全光纤 陀螺有成本低、体积小的优点,但对于精度较高、稳定性好的还 是集成光学的光纤陀螺优越,而对于惯性级光纤陀螺来讲,采用 集成光学器件是发展方向。 当光纤环中传输的光强度达到一定的程度时就会产生受激 布里渊散射,散射光的频率由于受 sagnac效应的影响而随光纤 环的旋转角速度发生变化。检测顺时针(CW)及逆时针(CCW) 光产生的散射光的频率,并进行拍频处理,就可以得到光纤环的 旋转角速度。这就是受激布里渊散射环形激光陀螺(B-FOG)的 工作原理。它集激光陀螺和光纤陀螺的优点于一体,具有线性的 光纤陀螺发展及其在制导武器中的应用 李园晴 (中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009) 摘 要:本文分析了 sagnac效应光纤陀螺的基本理论和工作原理,介绍了其构成方式,并简单阐述了光纤陀螺的发展现 状及在制导武器中的应用。 关键词:sagnac效应;光纤陀螺;干涉式光纤陀螺;谐振式光纤陀螺;开环光纤陀螺;闭环光纤陀螺 技术平台 !" 科技经济市场 2008年第7期 科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场科技经济市场 数字输出和动态范围大等优点,但缺点是所需要的驱动光源的 功率很大,目前尚处于研究阶段。 谐振式光纤陀螺(R-FOG)包括全光纤型、集成光学型等两 种类型。当陀螺以一定的角速度转动时,环形腔的谐振频率由于 sagnac效应而发生变化,其中顺时针的谐振频率与逆时针的谐 振频率的变化是相反的,利用外加激光分别锁定顺时针和逆时 针的谐振频率,然后测量这一频率差即可获得转动角速度,这就 是谐振式光纤陀螺的工作原理。与干涉式光纤陀螺相比,达到同 样的灵敏度,谐振式光学陀螺需要的光纤或波导长度要短得多, 可以实现将环形腔、输入输出光路、调制器等在单片平面波导上 的集成,特别适合于微型光学陀螺(RMOG),代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 将来陀螺小 型化的发展趋势。 4光纤陀螺的现状及发展 纵观光纤陀螺的各种技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,干涉型光纤陀螺是目前唯 一实用的方案,而谐振腔型和受激布里渊散射型光纤陀螺由于 在成本和可能获得的性能方面目前没有明显优势,现在研究的 已经很少了,目前麻省理工学院的电子研究实验室正在进行谐 振腔式的光纤陀螺研究。 干涉型光纤陀螺信号解调包括开环和闭环两种方案。开环 方案是最早提出的光纤陀螺信号解调方案,它直接从 Sagnac干 涉仪输出信号中提取转速信号而不进行任何反馈,因而信号解 调电路简单,且所用器件成本低廉,目前主要应用于低精度低成 本的光纤陀螺。闭环方案则对沿相反方向传输光的相位差进行 反馈,使两束光保持零相差,可以大大扩展的光纤陀螺的动态范 围,同时还提高了陀螺标度因子的线性度,但闭环方案信号解调 复杂,所用关键器件成本高,所以通常此方案被用于高精度光纤 陀螺。市场是适用于对陀螺需求高性能,而对成本没有太高要求 的场合。而对一些天线、平台稳定和短时间的导航等方面的应 用,对陀螺指标要求不高,但要求低成本的陀螺。由于开环光纤 陀螺可以实现0.1°~10°的中精度和±500°/s的输人范围,能满 足军事和民用上大量应用的需求,而在成本上有明显的优势,所 以是同档次陀螺的有力竞争者。 从 1988年起,利登公司开始光纤陀螺的研制,偏值最小到 0.01°/h,标度因数线性度最小到50ppm。其低、中精度光纤陀螺, 已在军用的温度范围内应用,并可以工作在剧烈的振动环境下。 最有代表性的 LN-200型光纤陀螺(偏值 1°/h,线性度 100ppm) 已实现工程化,并成功用于多型号导弹惯性测量装置。除利登公 司外,霍尼韦尔等公司的光纤陀螺产品也都在低、中精度范围内 完成了工程化的产品,成功用于惯性测量装置。 国内光纤陀螺研究的起步较晚,目前研制单位主要包括北 京航空航天大学、航天时代电子13所、航天 33所、航空 618所、 浙江大学、北京理工大学、中国船舶707所等。由于缺少必要的 交流和合作,国内研制机构走了不少弯路,但是经过努力目前已 取得了不少成果,其中以北航、时代电子13所和航天 33所较为 显著。北京航空航天大学研制的光纤陀螺精度较高,目前其陀螺 的最高精度已达0.02°/h(实验室),目前它正向工程化应用方 向努力,并己初步在某型导弹上进行初步的实验。航天十院对光 纤陀螺的研制也作出了重大贡献,在“八五”期间其自筹资金,在 国内首次采用退火质子交换集成光学芯片研制出全数字闭环光 纤陀螺,并进行了技术鉴定。这一先进的技术方案目前已被国内 许多研制单位所采用,并在研制1～0.1°/h精度光纤陀螺方面 取得了进展。目前时代电子13所针对几种不同的型号或准型号 的光纤陀螺进行了实验性应用,己设计出基于同一方案的具有 不同精度的光纤陀螺。 航空618所也在光纤陀螺的研制上有很大进展,他们研制 的光纤陀螺组合精度已达到 10°/h,非线性度小于 500ppm,该 产品正为某型红外空空导弹配套。 5光纤陀螺在制导武器中的应用前景 一个完整的导航和制导系统通常采用:三个陀螺仪、3个加 速度计以及信号处理电路和封装元件等。目前研制的光纤陀螺 主要用于导航和制导系统中的短期制导,漂移率等于或低于 10°/h,在国际市场上这类系统仍占 70%以上,主要用于小型 舰艇、短程火箭、空对空导弹和反潜武器等系统中。而漂移率小 于 0.01°/h的高性能光纤陀螺可以用于大型舰艇、潜艇、战略 导弹制导、飞机、卫星以及宇宙飞船等系统中。表 1列出了光纤 陀螺在各类系统中的性能、主要用途及用于各类系统所占比例。 表 1光纤陀螺的主要用途 可以看出,用于短期制导的光纤陀螺开始逐渐减少,而用于 中程和远程制导的光纤陀螺开始逐渐增加;特别用于高性能的 战略导弹制导的光纤陀螺,出现了零的突破。 随着光纤技术和光电子技术的发展和应用,预计 21世纪前 20年内,光纤陀螺的主要技术指标将达到高性能惯导系统的要 求,逐步取代惯性陀螺。美国从1990年到 2000年 10年间各类 陀螺仪在军用装备中所占比例的变化:惯性陀螺由 86%下降到 35%;激光陀螺由 14%略增到 16%,并从 1995年开始未见上 升;而光纤陀螺由0%猛增到49% ,由此看出,光纤陀螺的应用 前景是相当惊人的。 预计在未来的10年内,不仅飞机、舰艇、潜艇以及导弹均将 装备光纤陀螺用于导航和制导,而且卫星、宇宙飞船上也将装备 光纤陀螺用于与地形跟踪匹配和导向。在民用上,光纤陀螺也可 用于民用飞机导航和石油钻井导向(确定下钻的位置),特别在 多种工业上的应用具有很大的潜力。 6 结束语 经过30多年的不断研究,光纤陀螺的技术已经达到了较高 的水平,随着一个个关键技术的攻破,主要技术指标已接近或达 到高性能惯性导航和制导系统的要求。相信在 21世纪内,光纤 陀螺正凭着自身的优势,将会逐步替代激光陀螺、静电陀螺等, 占据主流地位。在民用方面,随着成本的逐步降低,在强振动、高 冲击等环境的民用运载工具方面将得到广泛应用。 参考文献: [1]单英,延凤平,简水生.光纤陀螺及其发展动态,传感器技术.1999,18 (5). [2]谭宇.光纤陀螺的发展及应用前景,光电子技术与信息.1995,8(3). [3]柳贵福.光学陀螺输入输出特性建模及补偿技术研究[D].2002. [4]宋章启,谢元平,姚琼.开环光纤陀螺研究与应用进展.光学技术. 2005,9. [5]张俊杰.闭环干涉式光纤陀螺仪温度补偿技术研究 [D].燕山大学: 2005,8. 技术平台 !"