光纖陀螺儀原理

1、光纖陀螺儀現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進入了一個全新的階段。1976年Vali等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展，與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點，所以目前光纖陀螺

2、儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動陀螺儀，集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個重要的發(fā)展方向。在這篇文章中，我們主要介紹現(xiàn)代光纖陀螺儀的原理和設(shè)計?，F(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一個環(huán)形的通道中前進時，如果環(huán)形通道本身具有一個轉(zhuǎn)動速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前

3、進方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來實現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實現(xiàn)干涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實現(xiàn)干涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。光纖陀螺儀具有很高的精度和靈敏度?，F(xiàn)在光纖陀螺儀已經(jīng)達到0.01度/hr。為了了解光

4、纖干涉陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)，首先要了解光纖耦合器。光纖耦合器是一種光纖式的光能的分配元件。它是由兩根平行的光纖將它們的內(nèi)側(cè)面磨平貼合在一起所形成的。不過現(xiàn)在制造光纖耦合器的方法已經(jīng)不是這樣的了?，F(xiàn)代的方法是利用一種對光纖具有腐蝕作用的酸，在容器中將酸液的平面升高，在這個高度上正好可以將兩根光纖的外層全部腐蝕掉。然后將這兩根經(jīng)過腐蝕的光纖加壓貼緊，在相對較高的溫度下對光纖進行拉伸。在拉伸的同時，利用儀器來測量輸出的光能的分配情況，當光能分配滿足耦合器的設(shè)計要求時，保持和固定耦合器的這一狀況，這樣一個合格的光纖耦合器就制成了。通過這種結(jié)構(gòu)，當在一根光纖中一個入口有光通過時，它會經(jīng)過耦合器的分配，將光在

5、兩根光纖出口中同時輸出，同時兩根光纖出口中的能量分配具有恒定的比例。和光線在介質(zhì)表面的反射和透射一樣，這樣在輸出的光中，在同一根光纖出口中的光是經(jīng)過連接面的反射來實現(xiàn)的，而在另一根光纖出口中的光是經(jīng)過連接面的折射來實現(xiàn)的，這兩個光纖出口的光之間具有度的相位差。如果我們用數(shù)字來表示光纖的進出口，和表示是進口，和表示是出口，其中和是同一根光纖，而和是同一根光纖，這將對后面的討論比較方便一些。關(guān)于光纖耦合器兩個輸出的光之間的相位差的問題可以很簡單地用一個閉合的環(huán)形干涉儀來說明：假設(shè)一束光射到一個比的分光片上，它的透射光經(jīng)過三個反射鏡回到分光片后，經(jīng)過反射到達光源所在的方向；而從分光片反射的光，經(jīng)過相

6、同的三個反射鏡后，回到分光片，經(jīng)過透射同樣到達光源所在的方向。這兩束光的強度均應(yīng)該是入射光強度的，因為光學(xué)的可逆性的原理，它們相干以后的光強應(yīng)該等于入射光的強度。從這里看，它們之間的相位差應(yīng)該等于零。如果考察與入射方向成直角的另一個出口的情況，根據(jù)光學(xué)的可逆性，在這個出口上，光的總能量應(yīng)該等于零。也就是說，在這個出口上，兩束光之間的相位差為度。這兩束光一束是經(jīng)過兩次分光片的反射，另一束是經(jīng)過分光片的兩次透射。所以如果僅僅考察一次反射和一次透射的兩束光，它們的相位差一定是度。和光纖耦合器具有相同作用的是光學(xué)的形波導(dǎo)管，這也是一種光能分配的元件。不過它的體積更小，更具有集成性。它是這樣制成的：首先

7、在鈮酸鋰的晶塊上利用照相制版使鈦金屬在晶體的表面上畫出一個形狀的線條，然后利用高溫使鈦分子滲入鈮酸鋰的晶粒中，從而形成一個折射率高的形狀的光學(xué)波導(dǎo)管。和光纖耦合器不同，光學(xué)波導(dǎo)管只有一個入口，從中輸出的兩束光和光纖耦合器也不同，一般具有相同的相位。但是光學(xué)波導(dǎo)管和光纖的連接是一個很難解決的實際問題，光學(xué)波導(dǎo)管的截面和光纖截面的形狀大不相同，因此在接口處的因為間隙，不匹配和中心偏移會引起的能量損失都相當?shù)母?。由于光纖耦合器的出射光的相位差問題，所以僅僅使用一個光纖耦合器的光纖干涉式陀螺儀存在自身相位漂移的現(xiàn)象。這種光纖干涉陀螺儀的原理圖是這樣的：一個發(fā)光二極管連接到一個光纖耦合器的結(jié)口上，然后將

8、耦合器的接口和連接到一個光纖圓環(huán)的兩端，最后在接口上接上一個光電探測器，這樣應(yīng)該就是一個簡單的光纖陀螺儀了。因為光纖耦合器將光分解為兩束，其中一束光在光纖環(huán)中沿順時針方向傳輸，另一束沿逆時針方向傳輸。如果光纖環(huán)是靜止的，那么兩束光的光程完全相同，如果光纖環(huán)有各個角速度，則會產(chǎn)生一個光程差，從而在接收器形成光強的明暗的變化。但是應(yīng)該指出在這種結(jié)構(gòu)的安排中，沿順時針方向的光在整個行程中，它經(jīng)過了耦合器兩次的反射，而沿逆時針方向的光在耦合器中確經(jīng)過了兩次的透射，所以在儀器中引進了自身存在的相位漂移現(xiàn)象。因此在實際上光纖干涉陀螺儀的最基本的結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含有兩個光纖耦合器。也就是說在儀器中的在第一個光纖耦

9、合器的后面還要再加上一個光纖耦合器。這樣的安排保證了從不同方向前進的光將具有完全相同的光程和相位。為了保證兩束光具有相同的極化方向，一般在兩個耦合器之間還要加上一個極化偏振片，以保證在光纖中傳輸?shù)膬H僅是在一個方向上的極化的光束。但是在這種狀態(tài)下光強和相位差的曲線的斜率值為零，因此當角速度比較小的時候，這種儀器的靈敏度很低。同時它也不能從光強的變化中識別陀螺儀的角速度的方向。為了解決這兩個問題，可以在儀器中利用閉環(huán)系統(tǒng)引進一個預(yù)設(shè)的相位誤差。這個相位誤差是這樣引進的：當逆時針方向的光剛剛進入環(huán)路的時候，利用一個壓電式的觸動器使一部分光纖的長度產(chǎn)生變化，而當順時針方向的光束進入這個觸動器時，則將這

10、個信號除去，使光纖的長度保持不變。由于引進了這個附加的預(yù)定的相位差，這樣可以使光纖干涉陀螺儀的相位零點偏置在度的位置上，在這個位置上，光強和相位差的曲線具有最大的斜率，這樣不但可以極大地提高陀螺儀的靈敏度，而且可以從光強的變化中辨別光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)方向。由于余弦函數(shù)在這個區(qū)間的斜率幾乎是一個常數(shù)，所以在一個小的區(qū)間，光強的變化和陀螺儀的轉(zhuǎn)速具有成正比的關(guān)系。這一點對于儀器的使用是一個極大的優(yōu)點。講到這里我們還要提一下光線在光纖中傳播時的極化的問題。要了解光纖首先要了解光纖的數(shù)學(xué)孔徑 。光纖的數(shù)學(xué)孔徑是這樣定義的：它是由真空中向光纖入射并使光線在光纖中實現(xiàn)全反射的最大入射角的正弦值。當光纖的歸一后的

11、頻率在0和2.405之間時，我們就稱這樣的光纖是單模光纖。單模光纖就是我們光纖陀螺儀中所使用的光纖。在理論上講單模光纖是完全軸對稱的，它不應(yīng)該存在任何極化的問題。但是由于光纖形狀的原因或者是由于應(yīng)力的原因也會使得單模光纖也有著所謂的雙折射的現(xiàn)象。這種光纖形狀的原因是指光纖的內(nèi)芯不是正園形，呈一定的橢圓形，所以光線在一個方向傳播時具有較短的光程，而在另一個方向上則具有較長的光程；而外在應(yīng)力的原因是由于不對稱的附加應(yīng)力在光纖中產(chǎn)生了同樣不對稱的彈性光學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致了光纖在不同方向上的不同的密度分布，同樣引起了光程的變化。這種外來的應(yīng)力可以來自光纖的彎曲，可以來自光纖中的溫度的變化，也可以來自外界的聲

12、音的機械振動?？傊@種雙折射的現(xiàn)象使得在光纖內(nèi)兩個互相垂直的方向上傳播的光束具有不同的傳播速度。由于這個原因，光束經(jīng)過光纖以后雖然所經(jīng)過的光纖線圈是相同的，但是由于它們的方向不同，它們會有不同的極化問題而會影響它們相干性。高的相干度是光纖陀螺儀高靈敏度的重要條件。因此在光纖儀器中要特別注意光纖的極化問題。在前面我們已經(jīng)討論了利用相位調(diào)制使陀螺儀的相位實現(xiàn)90度的偏置以增加儀器的靈敏度的問題。這樣相位差的表達式中就包括了兩個部分，這兩個部分中一個是因為光纖環(huán)的轉(zhuǎn)動所引起的相位差，另一個則是引進的附加相位差。實際上，一般在光纖陀螺儀中引進的相位的調(diào)制量是一個交變量，它可以是一個方波，也可以是其它的

13、波形。當儀器是靜止的時候，光強信號主要是二階的高頻諧振，而當儀器存在轉(zhuǎn)角時，則光強信號主要是在光纖的特征頻率上的一階的調(diào)制振動，這個調(diào)制振動的頻率是系統(tǒng)的基本頻率，而二階的頻率是這個基頻的兩倍。開環(huán)控制的干涉式的光纖陀螺儀在測量時具有相當穩(wěn)定性，在較小的轉(zhuǎn)動速度的范圍內(nèi)，它的響應(yīng)基本上是線性的。但是它的動態(tài)范圍相當小，如果超出這個范圍它的響應(yīng)就變成非線性的了。為了提高陀螺儀的測量性能，必須采用閉環(huán)控制的干涉式的陀螺儀。閉環(huán)控制的最后目的是使得接收器所收到的信號正好為零，這樣這個儀器將始終運行在線性的范圍之內(nèi)。采用閉環(huán)控制的好處有下面幾點：）可以大大提高儀器的靈敏度；）可以極大地減小儀器的動態(tài)響

14、應(yīng)時間，大大提高儀器的動態(tài)響應(yīng)；）可以避免儀器的任何非線性響應(yīng)，特別是當轉(zhuǎn)動速度較高的時候。閉環(huán)控制的干涉陀螺儀也有多種途徑，有的是通過光電調(diào)頻的方法，有的是通過相位等斜率鋸齒形變化的方法，有的是通過相位平衡元件的控制方法，也有是通過陀螺儀反向轉(zhuǎn)動的方法。前面已 經(jīng)講過在光纖陀螺儀的設(shè)計中光的極化方向的變化是一個很大的問題外，這中間溫度和聲音的振動對光纖的穩(wěn)定性都有很大的影響。據(jù)測定當光纖承受分貝的聲壓時，這相當于毫巴的氣壓的變化，在微米的裸露單模光纖上會引起相位誤差。光纖對溫度的變化也十分敏感。為了消除溫度差別的影響，現(xiàn)代光纖陀螺儀的光纖圈有著很多不同的繞制方法。最常用的是從線圈的中部向兩個

15、方向同時繞制，這樣溫度差對儀器的影響將減少到最小。和光纖干涉陀螺儀不同，光纖諧振陀螺儀是應(yīng)用諧振原理而設(shè)計的。從廣義上講光纖諧振式陀螺儀和光學(xué)中的法布里佩奴干涉儀具有相同的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)。法布里佩奴干涉儀是由兩個相互平行的表面形成一個諧振腔，由于兩個表面的反射率很高，所以光線會在諧振腔內(nèi)不斷地反射。當兩個反射表面之間的光程和光的波長整數(shù)倍相同時，就會在兩個表面上分別產(chǎn)生出頻率非常單一的反射和透射光波。光纖諧振陀螺儀的光纖環(huán)路同樣是一個光學(xué)諧振腔，當光纖環(huán)路轉(zhuǎn)動的時候，由于塞格尼克效應(yīng)，光纖環(huán)這一諧振腔的光程會發(fā)生變化，而光線在諧振腔中不斷在同一個方向運動的作用則是不斷地加強這種效應(yīng)。這樣當諧振

16、腔的光程正好是光的波長的整數(shù)倍時，光纖諧振陀螺儀就會在它的反射出口和透射出口上輸出一定的諧振信號。從理論上講諧振式的光纖陀螺儀要比干涉式的光纖陀螺儀有更好的靈敏度，但是在實際的研制中，諧振式的陀螺儀的研制有一定的難度，它對光源的相干度方面的要求要比較干涉式的光纖陀螺儀高得多，它要求的光源要具有很窄的頻寬，從而有很長的相干距離。這種光纖諧振陀螺儀一般共包括三個光纖回路或部分回路。從頻寬很小的激光二極管向一根光纖的一端發(fā)出一束光，同時這一光纖的末端通過第一個光纖耦合器藕合，在這個光纖耦合器上的反射出口連接到一個接收器上，形成諧振陀螺儀的第一個回路。在第一個光纖耦合器中，另一個入口以及它的透射入口和

17、第二個光纖耦合器的一個入口和它相應(yīng)的反射出口分別相連，形成一個完整的環(huán)路。這個環(huán)路是陀螺儀的最主要的部分，也是它的諧振腔。這個諧振腔的反射出口在第一個回路上，它連接著一個接收器。同時在這第二個光纖耦合器上，另外一個入口和它的透射出口形成陀螺儀的第三個回路。這個回路上的透射出口就是光纖諧振腔的透射出口。這個陀螺儀中的兩個光纖耦合器都不是等量的耦合器。它們有著非常不平衡的能量分配，從而使90至99的光能能夠進入并保留在第二個回路，即儀器的光纖諧振腔之中。第三光纖回路也是一個開環(huán)回路，它的透射出口和一個探測器相連接。在這種系統(tǒng)中如果諧振腔回路的長度是固定的，當系統(tǒng)是靜止的時候，它就會對一個特定的波長的光產(chǎn)生諧振。而當儀器有一個很小的轉(zhuǎn)角時，諧振回路中沿著光線傳播方向上的光程會變化，因此這個系統(tǒng)會在一個不同的光的頻率上產(chǎn)生諧