光纖陀螺的案例
高精度光纖陀螺技術的發展與思考
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 光纖陀螺儀第三閉環回路控制研究
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 OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
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 OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
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 
OptiSystem應用：光纖陀螺儀系統設計
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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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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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。
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）。
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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。
展開 156基于Matlab的光纖陀螺隨機噪聲和信號 ￥15.5
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。
受教了，光纖陀螺使用光子晶體光纖環相對使用普通保偏光纖環可以降低陀螺的偏振誤差，提高光纖陀螺的測量精度。
光子晶體光纖環偏振耦合強度溫度特性實驗研究
通過對光纖環內部的偏振交叉耦合強度分布的溫度穩定性的研究可知，光子晶體光纖環較普通保偏光纖環的偏振耦合強度分布具有更好的溫度穩定性。因此，光纖陀螺使用光子晶體光纖環相對使用普通保偏光纖環可以降低陀螺的偏振誤差，提高光纖陀螺的測量精度。
三坐標檢測船舶慣導系統關鍵零部件的四孔行星定位結構幾何精度
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。
慣導系統內部關鍵零部件帶4孔定位，內裝光纖陀螺儀，安裝的陀螺儀需要保障準確的位置度及角度關系，因此，該零件需要對上下頂面的平面度，前后左右圓柱的同軸度、垂直度、各孔的直徑以及4孔兩兩同軸度及4孔的孔軸線交點位置，各孔之間角度有著很高的檢測精度要求。
該核心部件采用四孔行星定位結構，其幾何精度直接決定陀螺儀測量基準的可靠性。面對多層級空間關系測量，當前檢測手段缺點：
1、量具盲區：傳統測量手段尺類無法觸及內部孔系，無法檢測到內部孔尺寸及圓度、位置度等參數；
2、影像局限：傳統測量儀器影像、輪廓等無法檢測到各內控的相對位置關系，難以捕捉孔軸線空間夾角；
3、精度壁壘：該零部件制造公差很小，大約在0.01mm左右，儀器的誤差需要控制到3.5微米以內。
高精度三坐標測量解決方案及配置
根據工件最大尺寸和最小公差去選擇，Mars Classic 686高精度移動橋式三坐標配合PowerDIMS系統，關鍵部組件用的是中圖全自主的測頭系統，創新性實現微米級空間解析：
1、五方向星型測針采集四孔數據
五方向星型測針組同步采集四孔數據，突破傳統單測針的視角局限，為慣導系統關鍵零部件的內孔各孔軸線同軸度、角度位置關系及各軸的交點高精度檢測提供了可能性。
展開 IMU, 自動駕駛定位團隊“小而美”的隊員
機械轉子陀螺儀基于角動量守恒定律的兩個重要特性來實現角速度測量：定軸性和進動性。
（1）定軸性是指陀螺轉子高速旋轉時，在沒有任何外力作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向。
（2）進動性是指陀螺轉子高速旋轉時，若外力矩作用于外環軸，陀螺主軸將繞內環轉動。若外力矩作用于內環軸，陀螺主軸將繞外環轉動。轉動角速度方向與外力矩作用方向相互垂直。
下面我們以單自由度陀螺儀解釋角速度測量原理，單自由度陀螺儀簡化模型如下圖所示，x，y，z分別為陀螺儀的三個軸。假設基座是固定在汽車上，y軸為汽車的前進方向。當汽車繞y軸或z軸旋轉時，內環具有隔離運動的作用，陀螺轉軸不會隨輪船轉動而轉動。但當汽車繞x軸轉動時，會產生一對力F作用在內環上，形成力矩mx,沿x軸方向。由于陀螺儀沒有該方向的轉動自由度，力矩mx使陀螺主軸繞內環y軸進動。因此測量y軸的角速度即可測量汽車在x軸的角速度，具體建模求解過程需要基于動量矩定理，需要買本物理書來從頭看起，筆者目前暫無精力再一點一點推導下去了。
隨著物理學的不斷進步，陀螺儀的類型也越來越多，精度也越來越高。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。我們假設一個黑色質量塊以特定的速度V沿著一個方向移動，如下圖橙紅色箭頭所示。當一個外部角速率被施加時，如綠色箭頭所示。
展開 為什么采用光纖傳感器的方式測量物理量
光纖傳感為電路和電子電路無法工作的地方提供了測量解決方案。光纖傳感器的工作完全基于光子，也就是通常所說的光。從物理學的角度看，光子沒有質量，光子不干涉電子，光子只在特定條件下干涉其他光子。因此，即使在高電磁場、高磁場、高輻射場和極端溫度的環境中，光子的行為也是可以預測和控制的。
18.jpg
隨著光纖的出現，科學界已經學會在很小的一片玻璃中以最小的損耗或干擾引導光進行長距離的傳輸。如果沒有光纖，我們所知道的互聯網就不會存在。令人難以置信的大量信息通過光纖網絡在全世界傳播。
很明顯，光子可以只用光來感知物理量。許多來自通信行業的光纖創新可以直接應用于光纖傳感。一些最早的光纖傳感器是在20世紀70年代被描述和演示的光纖旋轉傳感器(陀螺儀)。光纖陀螺是一種成熟的產品，具有極高的精度和可靠性，主要用于高端導航系統以及地球物理鉆井設備制導系統?；诠鈱W干擾的光纖聲學傳感器非常敏感，它們可以捕捉到壓力波的微小變化，并探測來自令人難以置信的距離的聲音——復雜的聲納應用是它們的主要應用。溫度、應變、位置、速度、角度、振動和聲音傳感器都已實現并投入商業使用。當然，大多數其他物理量都可以用光來感知和測量。然而，并不是所有的可能性都被探索或開發了。
根據定義，光纖傳感器完全由光控制，不包括任何電子元件。通常，光纖傳感器是使用一定數量的光來“審問”的，并且傳感器會根據被測量的物理量來改變審問光信號的特性。詢問器將接收到的光學信號轉換成模擬或數字形式的電子量，并作為附加控制設備的接口。
雖然光纖通信廣泛應用于工業網絡，但與這些網絡相連的傳感器通常是測量溫度、壓力、流量、位置、速度等的傳統電子傳感器。盡管今天的電子產品功能強大、功能多樣、錯綜復雜，但還是有局限的。溫度范圍被限制在大約-65°C到+125°C之間，電子傳感器在高電磁、磁場或輻射(x射線)下無法可靠工作。
展開 什么是集成光學？
3.其他方面的應用，如光信息處理器、光纖傳感器、光纖光柵傳感器、光纖陀螺等。
