浅析光纤陀螺在交通领域中的应用

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1、浅析光纤陀螺在交通领域中的应用胡晓明I廖兆曙2（1.武汉铁路职业技术学院武汉430012;2华中科技大学武汉430074）摘要光纤陀螺比机械陀螺具有更多的优点，倍受世界各国矢注。介绍光纤陀螺的原理和种类,重点讲述日本光纤陀螺的发展水平及光纤陀螺在交通和铁路上的应用。仝融词井好加礦井由土古*AAZSIU?田陀螺仪的应用在我们周围无处不存在，例如，在国民经济领域中，工程测量、石油钻探的精确定向，机器人动作精确控制等都会用到陀螺仪。即使在日常生活屮，人们在不知不觉屮已经或将得益于陀螺仪。比如在交通领域，飞机在飞行中使旅客感到十分半稳和舒适

2、是得益于陀螺仪构成的航向姿态参考系统；在铁路运输中，随着列车的提速，消除车厢摆动尤其尚速转弯时的摆动，就要借助于陀蝮仪;还有，汽车行驶中的定位和导向，在目前主要靠GPS,但GPS的使用存在着被动性的缺点，当GPS与陀螺结合在一起时，才使汽车导向和自动驾驶真7F且X了士对I枠一炉魄信的店田+令广污D1卜的1光纤陀螺的组成与优点随着科学技术的发展和光纤技术的应用，使得光纤陀螺比机械陀螺具有更多的优点。从技术构成来看,光纤陀螺主要市激光光源、光纤线圈、相位调制器、光耦合器、积分电路等组成。与旋转和共振陀螺相比，光纤陀螺具有无机械部件、起动

3、吋间短、动态范围大、可靠性好、抗振动、灵敏度高、使用范围广等优点，而且经过人们的不断深入研究和实验，弄清了光纤中的瑞利散射、克尔效应、偏振状态变化、温度变化和受地磁影响而产生的法拉第效应等问题，找到了消除噪声的方法，从而伸并纤阳螺枯术一步一步成熟紀来.并在某此收稿日期:20042012162光纤陀螺的种类21（干涉）开环式光纤陀螺在该系统中，由光源发出的两条光线沿同一光路传播（方向相反），在光接收器上产生干涉，同时用光接收器DI和D2对干涉进行测量,从而使耦合器O和6受温度变化影响的特性完全一致，于是提高了稳定性。但由于此时的输入

4、、输岀特性是旋转8的cos函数，所以在低速旋转时沒有灵敏度。因而在光纤线圈的一端设置了相位说制器，用相位调制器的调制频率同步检测光接收器Di的输出，便可得到与旋转8的cos函数成正比的信号，从而得到很高的灵敏度。该系统采用了儿种降噪技术，如在光接收器Di和D2Z间设有偏光器，用于消除光纤屮的偏振变化而产生的噪声。采用低相干光源，消除了光纤屮的后向瑞利散射和光克尔效应产生的噪声

5、o用偏振光纤消除了地磁产生的法拉第效应。已有部份厂家向市场提供这种光纤陀螺产品，其分辩率和零点稳定性图1开环式光纤陀螺原理图22共振式光纤陀螺随着干涉式光纤陀

6、螺逐步投入使用，人们对缩短光纤线圈的长度、实现小型化展开了各种硏允，其屮发展较为成熟的是共振式光纤陀螺。在该系统屮，为消除环形共振器长度受温度和机械变化的影响，采用了顺时针和逆时针的两条光束，一条光束用于模拟、补偿由于温度和机械变化而产生的光共振频率变化，另一条光束用于测量由Sagnac效应产生的光共振频率变化。由于是利用光共振，所以要用高相干光源。该系统使用的是光谱宽度约为300kHz的半导体激光激励的小型YAG激光器，用偏振光纤做光方向耦合器，由于两束光是独立传播的，共振频率直接受共振器和光纤长度变化的影响，而且频率变化很大。根

7、据一条光束折共振特性检测出这种变化反馈成光纤长度或光源频率，便对消除这种影响。采用数字反馈法，可将误差控制在±REF内$。采用消除噪声措施后，光纤陀螺精度有了很大提高，零点稳定性已达5x1()-5口山殛23光纤环型激光陀螺光纤环型激光陀螺的原理是将强度较高的光线射入光纤坏型共振器，光纤中的布里渊散射便被感应放大，于是共振器便起到激光器的作用，所得到的激光同样受Sagnac效应的影响。用光接收器检测两条振荡光束的差频，便可得到与旋转角速度成正比的信号，但在低速旋转时，存在频率同步现象，使检测精度受较大影响。系统采用光克尔效应来消除光频

8、同步现象，即用sin波调制一条光束白£强度，在克尔效应的作用下，光纤陀螺输出也受到同步调制，从而使两条光束之间保持差频°研究表明，光纤布里渊激光器振荡稳定性受偏振状态影响很大，在用偏振光纤组成的环型共振器屮，将偏拆9.t■■••・—ar—>•••>1r—J3光纤陀螺在交通领域的应用31低精度光纤陀螺的应用日本、美国从上个世纪的1979年开始研制光纤陀螺，经多年努力，光纤陀螺己实际应用于很多领域。日本某公司研制出一种JG2108F光纤陀180m,内装有积分电路，角精度为5(7X温度范围22A70°C。在无人控制地下管道挖掘机上使用的结

9、果表明，挖掘100m后的位置精度为10on。另外它具有可靠的空间稳定性•如在直升机的平台上装一架700mm远焦摄像机，便可清楚地读出高速公路上行驶的小汽车的车牌号码。32中精度光纤陀螺的应用这种层次的光纤陀螺多半采用闭环方式，并用光集