光纖陀螺
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
光纖陀螺的實例教程
一、引言
光纖陀螺和以光纖陀螺為核心的慣性測量產品已廣泛應用于航海、航空、航天、兵器、能源等各個領域。隨著技術水平的進步、光路器件性能的提升以及制造工藝的逐漸成熟，使光纖陀螺產品在近幾年得到了快速發展，實用精度顯著提升。
法國iXblue公司和美國Honeywell公司等世界上先進的光纖陀螺研制生產單位，都已將高精度光纖陀螺應用到了慣性導航系統中。隨著光纖陀螺的不斷優化，基于光纖陀螺的慣性導航系統必將在高精度慣性市場占有一席之地。
與國外先進水平相比，突破高精度光纖陀螺關鍵技術問題對國內光纖陀螺技術和相關產業發展都有十分重要的意義。
高精度光纖陀螺誤差主要包括標度因數誤差和輸出噪聲誤差。這兩方面誤差與光源光譜以及光譜在光纖光路中的傳輸規律有很大的相關性。光譜的變化導致平均波長的改變，直接導致光纖陀螺的標度因數發生偏移。光譜的變化也導致光源相對強度噪聲（RIN）分布規律變化。相對強度噪聲是高精度光纖陀螺的基本噪聲，有效的抑制方案是提高光纖陀螺精度的一條途徑。在干涉信號檢測與處理方面，閉環反饋波形對PIN探測端“串擾”會引起“死區”現象。該現象會嚴重影響陀螺標度因數指標和對極低轉速的敏感輸出。
本文針對高精度光纖陀螺的技術發展，重點描述國內外的技術現狀，闡述目前面臨的問題，分析后續發展趨勢，為高精度光纖陀螺技術的進一步發展提供參考方向。
展開 因此，本文提出光源光功率控制技術，在陀螺儀內部增加第三閉環回路反饋，以此提高SLD 光源的控制精度，滿足系統要求。
1 系統結構及原理
1.1 光源的作用與選擇
光源的主要作用是為光纖陀螺儀提供產生Sagnac效應所需的合適光信號，因此要求使用的光源可靠性高、體積小、壽命長，同時還具備短相干長度、窄的光束發散角及較高的輸出功率。SLD 光源是自發輻射的單路光放大器件，發射部分偏振光，光波輸出波長穩定、偏振度適宜，這些優點使其成為當前光纖陀螺儀使用的理想光源[4]。
1.2 SLD光源對光纖陀螺儀性能的影響
SLD 光源作為光纖陀螺儀光路結構中唯一的有源功率元件，探測器探測到的光功率取決于光源的輸出功率和整個光學系統的總損耗。散粒噪聲引起的隨機游走與返回探測器的光功率的平方根成反比，為提高光纖陀螺儀的性能，必須提高光源的輸出光功率。
干涉型光纖陀螺儀檢測器的輸出為：
式中：I 為檢測光強；K0 為比例系數；I0 為初始光強；φS為Sagnac 相移。
目前，對干涉式光纖陀螺儀的研究普遍采用方波偏置方案，對正、負半周期信號相減并化簡之后可得出：
式中：L 為光纖總長度；D 為光纖環直徑；λ 為光在真空中的波長；c 為光在真空中的速度；Ω 為陀螺轉動角速率。
由式(2) 可知：光源輸出功率I0 的不穩定將影響光纖陀螺儀的測量精度，而平均波長λ 的波動也將導致光纖環的非互易相移產生漂移，即影響光纖陀螺儀標度因數的穩定性。
展開 光纖陀螺儀系統設計：DC檢測方法[1]
使用理想元件，輸出光電流（I）為
其中φs 是薩格納克相移 ， Io 是以零角速度情況計算出的電流
P 是光源光功率， σ 是光電檢測器的響應度（在我們的案例中等于1）。在等式（2）中將光功率除以2是因為在耦合器處功率損失了一半。一旦φs 確定了， 我們可以計算
其中 L 是光線長度, D 是環直徑, λ 是光源波長，由此來確定環路Ω 的角速度。注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1 FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。對于該設置，光檢測信號
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
公式3得到角速度。我們可以重新排列找到φ_??，然后再次使用公式（3）找到角速度。注意，在這種情況下，由于等式（5）具有正弦關系，所以我們可以確定角速度的大小和方向。另外，在這種情況下, 在等式（2）中，零速電流不是??_??=????/2 而是 ??_??=????/8因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
圖2 OptiSystem設計的調制技術原理圖（資料來源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設計中）
對于以下的OptiSystem設計，角速度已設置為7.27e-5rad / s（地球的轉速）。I-FOG的設置顯示在紅色框中（在全局參數下）。通過使用相移分量來應用薩格納克相移，計算如下:
在這里，我們根據前面的方程，使用C ++組件來計算角速度。
展開 光纖陀螺儀系統設計：DC檢測方法[1]
使用理想元件，輸出光電流（I）為
(1)
其中 φs 是薩格納克相移 ， Io 是以零角速度情況計算出的電流
(2)
P 是光源光功率， σ 是光電檢測器的響應度（在我們的案例中等于1）。在等式（2）中將光功率除以2是因為在耦合器處功率損失了一半。 一旦 φs 確定了， 我們可以計算
(3)
其中 L 是光線長度, D 是環直徑, λ 是光源波長，由此來確定環路Ω 的角速度。注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1.FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。 對于該設置，光檢測信號
(4)
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
(5)
公式3得到角速度。我們可以重新排列找到φ_??，然后再次使用公式（3）找到角速度。 注意，在這種情況下，由于等式（5）具有正弦關系，所以我們可以確定角速度的大小和方向。另外，在這種情況下, 在等式（2）中，零速電流不是??_??=????/2 而是 ??_??=????/8因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
展開 光纖陀螺儀系統設計：DC檢測方法[1]
使用理想元件，輸出光電流（I）為
其中φs 是薩格納克相移 ， Io 是以零角速度情況計算出的電流
P 是光源光功率， σ 是光電檢測器的響應度（在我們的案例中等于1）。在等式（2）中將光功率除以2是因為在耦合器處功率損失了一半。一旦φs 確定了， 我們可以計算
其中 L 是光線長度, D 是環直徑, λ 是光源波長，由此來確定環路Ω 的角速度。注意，由于等式（1）具有余弦，因此直流技術無法區分正負速度。
圖1 FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。對于該設置，光檢測信號
將相位調制器幅度選擇到+/-0.9 rad ，給出最大化J1(Φm) = 0.581517 的項Φm = 1.8 。提取調制頻率ωm的余弦級數
公式3得到角速度。我們可以重新排列找到φ_??，然后再次使用公式（3）找到角速度。注意，在這種情況下，由于等式（5）具有正弦關系，所以我們可以確定角速度的大小和方向。另外，在這種情況下, 在等式（2）中，零速電流不是??_??=????/2 而是 ??_??=????/8因為在光到達光電二極管的時候，其功率已經被耦合器減半了三次。
圖2 OptiSystem設計的調制技術原理圖（資料來源：REF）（注：光纖偏振器未包含在設計中）
對于以下的OptiSystem設計，角速度已設置為7.27e-5rad / s（地球的轉速）。I-FOG的設置顯示在紅色框中（在全局參數下）。通過使用相移分量來應用薩格納克相移，計算如下:
在這里，我們根據前面的方程，使用C ++組件來計算角速度。
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圖1.FOG DC檢測布局
光纖陀螺儀系統設計：相位調制方法[2]
當嘗試測量非常低的角旋轉速率時，DC方法不是很準確，所以通常使用相位調制技術。
光纖陀螺儀系統設計：DC檢測方法[1]
使用理想元件，輸出光電流（I）為
其中φs 是薩格納克相移 ， Io 是以零角速度情況計算出的電流
P 是光源光功率， σ 是光電檢測器的響應度（在我們的案例中等于1）。在等式（2）中將光功率除以2是因為在耦合器處功率損失了一半。
其核心部件——裝載高精度光纖陀螺儀與石英撓性加速度計的精密腔體，通過實時解算角運動與線運動數據，通過數學解算獲得載體的航姿、速度和位置等導航信息，為萬噸巨輪提供厘米級定位與0.01°航姿精度。當船舶穿越無GPS信號的深海，正是這組不足方寸的器件，決定著整船的安全航跡。
光纖陀螺儀系統設計：DC檢測方法[1]
使用理想元件，輸出光電流（I）為
其中φs 是薩格納克相移 ， Io 是以零角速度情況計算出的電流
P 是光源光功率， σ 是光電檢測器的響應度（在我們的案例中等于1）。在等式（2）中將光功率除以2是因為在耦合器處功率損失了一半。
光纖陀螺儀系統設計：DC檢測方法[1]
使用理想元件，輸出光電流（I）為
(1)
其中 φs 是薩格納克相移 ， Io 是以零角速度情況計算出的電流
(2)
P 是光源光功率， σ 是光電檢測器的響應度（在我們的案例中等于1）。在等式（2）中將光功率除以2是因為在耦合器處功率損失了一半。
光纖陀螺儀系統設計：DC檢測方法[1]
使用理想元件，輸出光電流（I）為
其中φs 是薩格納克相移 ， Io 是以零角速度情況計算出的電流
P 是光源光功率， σ 是光電檢測器的響應度（在我們的案例中等于1）。在等式（2）中將光功率除以2是因為在耦合器處功率損失了一半。
光纖陀螺儀系統設計：DC檢測方法[1]
使用理想元件，輸出光電流（I）為
(1)
其中 φs 是薩格納克相移 ， Io 是以零角速度情況計算出的電流
(2)
P 是光源光功率， σ 是光電檢測器的響應度（在我們的案例中等于1）。在等式（2）中將光功率除以2是因為在耦合器處功率損失了一半。
基于Matlab的光纖陀螺隨機噪聲和信號，利用固定步長和可調步長的LMS自適應濾波、最小二乘法、滑動均值三種方法進行降噪處理，最后用阿蘭方差評價降噪效果。程序已調通，可直接運行。
目前熟知的有光纖陀螺儀、激光陀螺儀和MEMS陀螺儀。MEMS陀螺儀雖然精度不如光纖和激光陀螺儀，但其體積小、功耗低、成本低、易于批量生產等特點，使其成為自動駕駛領域非常重要的一塊拼圖。
MEMS陀螺儀的角速度測量原理便是基于一種非真實存在的力—科里奧利力。這是一種非慣性參考系下引入的慣性力，引入之后便可以應用牛頓經典力學定律。
采用光功率控制和恒流控制的光纖陀螺儀的偏值和穩定性如表3 所示。
從上述數據可以看出，采用光功率控制技術的光纖陀螺儀的光功率在全溫范圍內的穩定時間在0.437 s 左右，而采用恒流控制的光纖陀螺儀的光功率的穩定時間最大需要13.6 s。
