光学惯性测量与导航系统第二章_关键惯性器件(20120927).ppt

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1、光学惯性测量与导航系统杨功流教授主讲：OpticInertialMeasurement&NavigationSystem9664，6542-823电话：晁代宏讲师张小跃讲师第二章光学惯导系统核心器件2.1光学陀螺概述2.2光学陀螺主要指标及应用2.3新型光学陀螺2.4加速度计概述2.5加速度计主要指标及应用2.6新型加速度计2.1光学陀螺概述1913年，法国科学家FrenchmanG.Sagnac提出Sagnac效应Sagnac效应是一种与物质（如果采用光纤，则也与波导）无关的纯空间延迟，用一个“时钟”－－光源的频率来测

2、量。测量Sagnac时延的实用技术之一是相干测量相向传输光的位相差，即所谓Sagnac位相差。严格的分析应考虑旋转系中的电磁学定律并求解该系中的传播方程。有趣的是GeorgesSagnac当年是出自反驳爱因斯坦狭义相对论的目的而发现Sagnac效应的。为了理解Sagnac效应，可以考虑一个简单的“理想”圆形光路的情形。2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应简单的“理想”圆形光路系统静止相对惯性空间没有转动的闭合光路中相向传播的两束光状态：光波在注入点M处被分成两束沿闭合光路相向传播的光波，由于其走过的光

3、程长度相同，当它们返回到注入点时，其相位相同，即相位差为“0”。沿顺时针方向传播的光波经一周回到点时所经历的实际光程必然大于，它的值为：2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应图中给出了当光回路有转动时，在光在通过闭合回路的渡越时间内，注入点M移到了M’点，这时，沿逆时针方向传播的光波沿闭合光路传播一周再回到光波注入点时，其所走过的实际光程必然小于，它的值为：系统转动2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应光波沿不同方向传播的时间差为：2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论基础是：Sagnac效

4、应时延一阶近似光程差位相差测量量转换在折射率为n的介质中，光的传播速度必须考虑介质中的光速和介质切向速度的相对论修正，同样可以得到与真空中完全相同的结果。2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应若长度为L、直径为D的多匝光纤环，则有:在检测器端，合成光的幅值是顺时针转向与有相移的逆时针转向的两束光波之和2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应光的相位差不能直接测量，可以测量的是光功率或频率差。2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论基础是：Sagnac效应SAGNAC效应应用-光学陀螺激光陀螺光纤

5、陀螺MOEMS陀螺集成光学陀螺激光陀螺的性能特征结构简单，性能稳定动态范围宽对加速度和振动不敏感具有耐冲击、抗高过载的能力启动快可靠性高，使用寿命长2.1光学陀螺概述激光陀螺的发展史一、研究起步阶段1897年英国物理学家洛奇提出了光学陀螺的概念1913年Sagnac论证了光学陀螺的工作原理及基本效应1960年激光问世1963年美国斯佩里公司宣布他们用环形行波激光器感测旋转速率获得成功，研制出第一台激光陀螺实验装置2.1光学陀螺概述二、重大突破阶段1965-1974年，世界各研究单位埋头解决激光陀螺固有的闭锁效应以及零漂误

6、差等难题，解决了许多关键技术1975年霍尼韦尔公司取得巨大突破，研制出实用的激光陀螺三、实用阶段1978年霍尼韦尔公司的激光陀螺开始小批量生产1982年霍尼韦尔公司的ARINC704激光陀螺惯性基准系统正式投入民航使用；至1983年9月，霍尼韦尔公司为波音公司研制的激光陀螺惯性基准装置已有216套，飞行时间长达50万小时世界上的大中型民航飞机基本都装备了激光陀螺惯性基准系统，用于导航和稳定2.1光学陀螺概述四、应用拓展阶段1977年12月美国斯佩里公司研制成MK16ModII捷联式激光陀螺稳定装置工程样机，为舰载火炮控制

7、系统提供舰船的纵横摇姿态参数。1982年1月霍尼韦尔公司采用GG1342激光陀螺为美国海军研制第一个专门用于水面舰艇的高精度激光陀螺导航仪。1983年法国Sfena公司为欧洲的阿利亚娜4型火箭研制33cm腔长的环形激光惯性基准装置，于1988年6月15日成功用于阿利亚娜4型火箭的发射，这是世界上运载器发射中首次采用激光陀螺惯性系统的典范。1984年开始，美军中高精度定位定向标准系统中将激光陀螺作为标准化组件。2.1光学陀螺概述激光陀螺研制和生产现状目前世界上研制和生产激光陀螺的国家主要有美、英、德、法、日本和俄罗斯。美国

8、的霍尼韦尔和利顿公司最具实力，特别是霍尼韦尔公司代表着全世界激光陀螺技术的最高水平，世界上激光陀螺主要来自霍尼韦尔公司，其次有部分产品来自利顿公司。由于现行的美国出口法限制转让全部环形激光陀螺技术，所以世界上其它国家均需自行研制开发这种惯性仪表。即使是西方发达国家也只能向美国购买成套的产品来装备自己的武器系统和民用设