光电信息转换组合器件 光纤陀螺是近十多年发展起来的一种组合 光电器件,它可以满足动载器从智能式制导导 米 航与控制系统发展为分布式制导/导航和控制系 统的要求,目前光纤陀螺正进一步从军用向军 民两用方向发展。 Sagnac效应 Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光 路中,从某一点观察点发出的一对光波沿相反 ☆第三章光电信息转换☆ 方向运行一周后又回到该观察点时,这对光波 的相位(或它们经历的光程)将由于该闭合环 形光路相对于惯性空间的旋转而不同,其相位 差(光程差)的大小与闭合光路的转速速率成 正比。 第三章上一页回首页下一回页结束回目录上一
第三章上一页回首页下一页回末页 结束 1 第 三 章 光 电 信 息 转 换 回目录 光纤陀螺是近十多年发展起来的一种组合 光电器件，它可以满足动载器从智能式制导导 航与控制系统发展为分布式制导/导航和控制系 统的要求，目前光纤陀螺正进一步从军用向军 民两用方向发展。 一．Sagnac 效应 Sagnac 效应是指在任意几何形状的闭合光 路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反 方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波 的相位（或它们经历的光程）将由于该闭合环 形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位 差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成 正比。 上一节
光电信息转换组合器件 光纤陀螺 光纤陀螺是基于 Sagnac效 光探测器 警口应,用光纤构成环状光路,组 米 成光纤 Sagnac干涉仪。如图 333-1所示,,来自光源的光 束被分束器BS分成两束光,分 别从光纤圈的两端藕合进光纤S 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,再经过合束器BS1而叠加 ☆第三章光电信息转换☆ 产生干涉。当光纤圈处于静止 魅纤 状态时,从光纤圈两端出来的 两束光,光程差为零。当光纤 圈以角速率9旋转时由于 Sagnac效应,顺、逆时针方向 传播的两束光产生光程差L可表833-1光纤陀螺原理圈 示为: 第三章上一回首页下一回天页结束回录
第三章上一页回首页下一页回末页 结束 2第三章光电信息转换 回目录 二．光纤陀螺 光纤陀螺是基于Sagnac 效 应，用光纤构成环状光路，组 成光纤Sagnac 干涉仪。如图 3.3.3 － 1所示，，来自光源的光 束被分束器BS 1分成两束光，分 别从光纤圈的两端藕合进光纤 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，再经过合束器BS 1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。当光纤 圈以角速率 Ω旋转时由于 Sagnac效应，顺、逆时针方向 传播的两束光产生光程差 L可表 示为：
光电信息转换组合器件 △L=cw-2cws4A,22I8·a 米 △L引起的相应的相位差为 △φ=4xLR 式中CW表示顺时针方向; CCW表示逆时针方向; R光纤圈半径; ☆第三章光电信息转换☆ L一光纤长度 A光纤光路所包含的面积,A=R; N光纤圈匝数 A光的波长; 光在介质中传播速度 第三章上一页回首页下一页回未页结束回目录
第三章上一页回首页下一页回末页 结束 3 第 三 章 光 电 信 息 转 换 回目录 式中 CW——表示顺时针方向； CCW——表示逆时针方向； R——光纤圈半径； L—一光纤长度； A——光纤光路所包含的面积，A＝R； N——光纤圈匝数； A——光的波长； C——光在介质中传播速度
光电信息转换组合器件 上式就是光纤陀螺的基本公式,通过检测相位差☆ 第 米 其中4πLR/cλ项就是陀螺的标度因数 为了对 Sagnac效应的大小有一个比较直观的认 识,我们看一个例子。假定,光纤圈面积A=100cm2 ,旋转角速率g=10-3E(E为地球自转速率150 /h),即=0.0150/h,在包围此面积的单匝光纤环 光电信 上,得到的光程差仅为△L=10-15cm。与氢原子直 径10-8cm相比较,可发现单匝光纤环的 Sagnac效应转 是很小的。显然,要提高干涉仪的灵敏度就必须大换 大增加光纤匝数,也就是说增加光纤的几何参数IR ☆ 。通常LR取值在10-100m2之间。 可绕、低损耗的细径光纤,为绕制多匝光纤圈提 供了可能性,是实现小型、高灵敏度光纤陀螺的基 础 第三章上一页回首页下一页回未页结束回目录
第三章上一页回首页下一页回末页 结束 4 第 三 章 光 电 信 息 转 换 回目录 上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差 ΔΦ（即干涉光强）就可以获得角速率Ω的信息， 其中4πLR/cλ项就是陀螺的标度因数。 为了对Sagnac效应的大小有一个比较直观的认 识，我们看一个例子。假定，光纤圈面积A＝100cm2 ，旋转角速率Ω＝10－3ΩE（ΩE为地球自转速率l 5 0 ／h)，即＝0．0150／h，在包围此面积的单匝光纤环 上，得到的光程差仅为ΔL=10－15 cm。与氢原子直 径10－8cm相比较，可发现单匝光纤环的Sagnac效应 是很小的。显然，要提高干涉仪的灵敏度就必须大 大增加光纤匝数，也就是说增加光纤的几何参数LR 。通常LR取值在10一100m2之间。 可绕、低损耗的细径光纤，为绕制多匝光纤圈提 供了可能性，是实现小型、高灵敏度光纤陀螺的基 础
光电信息转换组合器件 光纤陀螺的光路系统 光纤陀螺的光路系统如图333-2所示。除光源、探测☆ 警器(光电信息转换器件)、偏振器和传感光纤圈外, 还包括两个分束器和装在闭合回路一端的调制器。图 米 光源一般选 用半导体激 偏振器 3dB分束器 调制器 光器LD、发光源口 光二极管 3dB分束器 空间 LED和超辐 滤波器 第三章光电信息转换☆ 射发光二极 光纤圈 管SLD,由 于SLD的性 能介于LD和 图3.3.3-2光纤陀螺的光路系统 LED之间,既有较高的输出功率,又有较大的光谱宽度, 是光纤陀螺较为理想的光源。而探测器则采用PIN光敏二 极管。 第三章上一页回首页下一页回未页结束回目录
第三章上一页回首页下一页回末页 结束 5 第 三 章 光 电 信 息 转 换 回目录 三．光纤陀螺的光路系统 光纤陀螺的光路系统如图3.3.3－2所示。除光源、探测 器（光电信息转换器件）、偏振器和传感光纤圈外， 还包括两个分束器和装在闭合回路一端的调制器。图 3.3.3－2中， LED之间，既有较高的输出功率，又有较大的光谱宽度， 是光纤陀螺较为理想的光源。而探测器则采用PIN光敏二 极管。 光源一般选 用半导体激 光器LD、发 光二极管 LED和超辐 射发光二极 管SLD，由 于SLD的性 能介于LD和
光电信息转换组合器件 四.光纤陀螺的应用 导航 ☆ 导航是引导载体到达预定目的地的过程。导第 空航系统可以说是一个测量装置,所提供的导航参 数供驾驶员操作载体之用,用于人工能自由操纵 的航行体,如舰船,飞机及地面战车等。如导航 系统与自动驾驶仪联用,导航系统提供的导航信 息作为自动驾驶的输入量,由自动驾驶仪自动操 三章光电信息转 纵引导靥澹□饩褪亲远口己健D壳肮庀送勇莸航 可用于的载体有军用飞机、民用飞机、军舰、轮 船、坦克、装甲战车、自行火炮、民用火车、汽 车和机器人等。 第三章上一页回首页下一页回未页结束回目录
第三章上一页回首页下一页回末页 结束 6 第 三 章 光 电 信 息 转 换 回目录 四．光纤陀螺的应用 1．导航 导航是引导载体到达预定目的地的过程。导 航系统可以说是一个测量装置，所提供的导航参 数供驾驶员操作载体之用，用于人工能自由操纵 的航行体，如舰船，飞机及地面战车等。如导航 系统与自动驾驶仪联用，导航系统提供的导航信 息作为自动驾驶的输入量，由自动驾驶仪自动操 可用于的载体有军用飞机、民用飞机、军舰、轮 船、坦克、装甲战车、自行火炮、民用火车、汽 车和机器人等
光电信息转换组合器件 2.制导 制导是指自动控制 米 和引导飞行体按预定轨 道或飞行路线准确到达 目标的过程。 光纤陀螺用来探测 或测定导弹相对于目标 的飞行情况,供计算机 计算导弹的实际位置与 ☆第三章光电信息转换☆ 预定位置飞行偏差,形 成引导指令,并操纵导 弹改变飞行方向,使其 沿预定的轨道飞向目标 第三章上一页回首页下一回页结束回目录下一
第三章上一页回首页下一页回末页 结束 7第三章光电信息转换 回目录 2．制导 制导是指自动控制 和引导飞行体按预定轨 道或飞行路线准确到达 目标的过程。 光纤陀螺用来探测 或测定导弹相对于目标 的飞行情况，供计算机 计算导弹的实际位置与 预定位置飞行偏差，形 成引导指令，并操纵导 弹改变飞行方向，使其 沿预定的轨道飞向目标 。 下一章