一种能够精确地确定运动物体方位的传感器—

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一种能够精确地确定运动物体方位的传感器——光纤陀螺仪

利科夫惯性导航

2022-08-19

导读：光纤陀螺仪一种能够精确地确定运动物体方位的传感器陀螺仪，简称陀螺，是用来测量、控制物体相对惯性空间角运动的惯

光纤陀螺仪

一种能够精确地确定运动物体方位的传感器

陀螺仪，简称陀螺，是用来测量、控制物体相对惯性空间角运动的惯性器件。陀螺仪技术自问世以来，发展至今已有160余年历史，在导航、制导与控制等领域得到了广泛应用。随着科学理论的进步和工艺水平的不断提高，基于不同原理的陀螺仪相继出现，各国对陀螺仪精度、稳定性、可靠性、成本、体积等性能指标的不懈追求，极大地促进了陀螺仪技术的发展。陀螺仪按照工作原理可划分为：基于旋转质量陀螺效应的转子陀螺仪；基于萨奈克效应的光学陀螺仪；基于哥氏效应的振动陀螺仪；基于现代量子力学技术的原子陀螺仪。本文将主要介绍光纤陀螺仪。

原理及分类

原理

光纤陀螺原理在物理上叫Sagnac效应。在一个闭合光路中，从同一光源发出的两束光，相对传播，汇合到同一探测点将产生干涉，若该闭合光路存在相对于惯性空间的旋转，则沿正、反方向传播的光束将产生光程差，该差值与上旋转角速度成正比。利用光电探测器测相位差计算出旋转角速度。

从公式可看出，光纤的长度越长，光行走半径越大，光波长越短。干涉效应越明显。所以光纤陀螺体积越大，精度越高。Sagnac效应本质上是一种相对论效应，对光纤陀螺的设计非常重要。

光纤陀螺原理是一束光从光电管发出，经过耦合器（1端进入到3端）。通过光环，两束不同方向进入光环，绕一圈回来进行相干叠加。返回的光回到发光二极管，通过发光二极管探测强度。光纤陀螺原理看起来比较简单，但最重要的是如何把影响两束光光程因素排除掉。这是做光纤陀螺面临的最重要的问题。

▲光纤陀螺仪原理

分类

光纤陀螺仪按照工作原理可分为干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)、谐振式光纤陀螺仪（R—FOG）和受激布里渊散射光纤陀螺仪(B—FOG)。目前光纤陀螺仪中最成熟的是干涉型光纤陀螺仪(即第一代光纤陀螺仪)，其应用最为广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高的精度，也势必会使整体结构更加复杂。

光纤陀螺仪按照回路类型分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺。开环光纤陀螺不带反馈，直接检测光输出，省去许多复杂的光学和电路结构，具有结构简单、价格便宜、可靠性高、消耗功率低等优点，缺点是输入一输出线性度差、动态范围小，主要用作角度传感器。开环的干涉型光纤陀螺的基本结构是一个环形双光束干涉仪。主要用于对精度要求不高、体积小的场合。

主要性能指标

01. 零偏（零漂）

零偏是输入角速度为零(即陀螺静止)时陀螺仪的输出量，用规定时间内测得的输出量平均值对应的等效输入角速度表示，理想情况下为地球自转角速度的分量。零漂即为零偏稳定性，表示当输入角速率为零时，陀螺仪输出量围绕其零偏均值的离散程度，用规定时间内输出量的标准偏差对应的等效输入角速率表示。零漂是衡量FOG(光纤陀螺)精度的最重要、最基本的指标。产生零漂的主要因素是沿光纤分布的环境温度变化在光纤线圈内引入的非互易性相移误差。通常为了稳定零漂，常需要对IFOG进行温度控制或者温度补偿。另外偏振也会对零漂产生一定的影响，在IFOG中常采用偏振滤波和保偏光纤的方法消除偏振对零漂的影响。

02. 标度因素（比例因子）

标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值，在坐标轴上可以用某一特定直线斜率表示，它是反映陀螺灵敏度的指标，其稳定性和精确性是陀螺仪的一项重要指标，综合反映了光纤陀螺的测试和拟合精度。标度因数的稳定性无量纲，通常用百万分比(ppm)表示。标度因数的误差主要来源于温度变化和光纤偏振态的不稳定性。

03. 噪声

光纤陀螺中的噪声机理主要集中在光学或光电检测部分，这些噪声决定了光纤陀螺的最小可检测灵敏度。在光纤陀螺中，表征角速率输出白噪声大小的参数是随机游走系数，其中需考虑检测带宽。在仅有白噪声的情况下，随机游走系数的定义可以简化为一定带宽下测得的零偏稳定性与检测带宽的平方根之比，单位为。如果还存在其他类型噪声或者漂移，要通过拟合方法得到随机游走系数，通常利用Allan方差分析。