三维轨迹仪的实验报告
实验目的：１确定光纤陀螺仪的工作原理；
２熟悉掌握三维轨迹仪实验的操作步骤；
３练习数据处理软件的应用；
４学会绘制三维轨迹图．
实验仪器：光纤陀螺仪，绳子，管道，计算机，数据处理软件，秒表
实验：
一光纤陀螺仪简介
按照最初的定义, 陀螺仪是一个高速旋转的质量。

按照牛顿定律, 只要没有外力矩作用于这惯性质量上, 它的角动量矩在惯性空间是恒定的, 因此, 陀螺仪通过自身的惯性能有效地保持初始的姿态,这样在不需要借助外部参照物的情况下均可以测量飞行器的实际角位置和角速率。

这种自主式测量角度和角速率就形成了今天的陀螺仪定义的基础。

陀螺仪可以如此定义—它是一种这样的装置, 即使采用与角动量守恒定律完全不同的物理原理, 也能自主地测量出相对惯性空间的旋转运动。

由于陀螺仪的自动测量和对外界干扰的不敏感性, 不管它是在飞行控制中, 还是在导航中都是极为重要的技术问题.
光纤陀螺仪(FOG)是一种基于Sagnac 效应实现载体相对于惯性空间角速度测量光纤传感器件。

最早由美国学者V.Vali 和R.W.Shorthill 于1976 年提出，近几十年来，随着光纤通信技术和光纤传感技术的迅猛发展，光纤陀螺技术得到了快速进步，已成为惯性技术研究领域的主流陀螺，在军事、航海、空间技术和民用等领域都有较高的应用价值。

与传统陀螺仪相比，光纤陀螺仪具有许多优点: 无旋转部件, 耐冲击, 使用寿命长; 结构简单, 重量轻, 外形尺寸小; 消耗功率小; 动态量程大等。

因此, 它可以应用于更广阔的领域。

二分类与原理
光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。

按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。

按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,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,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器。

闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关,主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。

根据陀螺仪的使用情况, 以各种不同的精度要求给陀螺仪装置定等级(陀螺仪的精度可以通过陀螺仪轴相对于初始方向的漂移误差
来说明, 用每小时角度数来表示).
按照工作原理划分光纤陀螺主要有三种类型：即干涉型光纤陀螺仪(IFOG)、谐振型光纤陀螺仪(RFOG)和布里渊型光纤陀螺(BFOG)。

其中，对谐振型光纤陀螺仪和布里渊型光纤陀螺仪的研究尚不成熟，还分别处于实验室验证和基础理论研究阶段，而干涉型光纤陀螺则是研究最成熟、应用最广泛的光纤陀螺仪。

中、低精度的干涉型光纤陀螺仪已实现商品化批量生产并在许多领域得到了应用。

2.1干涉型光纤陀螺原理
光源发出的光经过分束器分成两束完全相同的光，分别以逆时针方向和顺时针方向在一闭合光路中传输，两束光在分束器处将发生干涉。

如果，闭合光路相对于惯性空间没有转动，则两束光经过的光程相同，相位差为零，如果闭合光路相对于惯性空间有一转动角速度，则两束光经历的光程则不同，有一微小光程差，同时两束光也出现一相位差，这就是Sagnac 效应。

IFOG 就是利用Sagnac 效应实现转动角速度测量的。

干涉式光纤陀螺在结构上其实就是光纤Sagnac 干涉仪，在IFOG 测量过程中并不能直接测量相位信息，而是利用干涉测量技术把相位调制转变为振幅调制，通过测量干涉光的光强信号来得到相位信息。

具有互易性的两束干涉光通过光电探测器后转变为电信号，通过对电信号进行适当的调制、解调即可获得陀螺仪相对于惯性空间的转动角速度。

对于单圈光纤构成的回路，其Sagnac 效应非常微弱，常采用增加闭合光路线圈匝数的办法来增强Sagnac 效应，通常IFOG 中的光
纤线圈中光纤长度在500m-1000m，对于有些高精度的干涉光纤陀螺仪其光纤长度会更长。

R为环形线圈的半径，L为环形线圈的周长，Ω环形回路相对于惯性空间的转动角速度，λ为入射光波在真空中的波长，c 为光波在真空中的传播速度。

通过调整光纤陀螺的结构参数就可以得到不同精度的陀螺，既可以是小体积、低精度的光纤陀螺，也可以是大体积,、高精度或者通过采用特殊的器件和高密度集成得到的高精度、小体积的光纤陀螺。

2.2 干涉型光纤陀螺结构
干涉型光纤陀螺根据解调方式的不同，分为开环IFOG 和闭环IFOG两种。

其典型结构图如下图所示。

2.3 光纤陀螺主要性能参数
ａ零偏和零漂
零偏是输入角速度为零(即陀螺静止)时陀螺仪的输出量，以规定时间内测得的输出量平均值相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，以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。

ｂ标度因数
标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值，用某一特定直线斜率表示，是反映陀螺灵敏度的量，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。

ｃ随机游走系数
表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标，它反映的是光纤陀螺仪输出的角速度积分随时间积累的不确定性，因此也可称为角随机游走。

随机游走系数反应了陀螺仪研制水平，也反映了陀螺仪最小可检测角速率。

ｄ阈值和分辨率
阈值表示光纤陀螺能感应的最小输入速率。

分辨率表示陀螺仪在规定输入角速率下能感应的最小输入速率增量。

阈值和分辨率都表征光纤陀螺仪的灵敏度。

ｅ最大输入角速度
表示陀螺正、反方向输入速率的最大值，表征陀螺的动态
范围，即光纤陀螺可感应的速率范围。

三应用
１航海方面
罗经是船舶重要的导航设备，主要有磁罗经和电罗经两种。

２航天及空间方面
在航天和空间应用方面一般都采用高精度的干涉型光纤陀螺．
３军事方面
光纤陀螺由于自身在角速率及加速度测量方面的优越性和在动态范围、灵敏度和可靠性等方面的显著优势，使其在军事方面有着广泛的应用。

４民用方面
在民用领域主要侧重于中低精度光纤陀螺的应用，主要应用有：地面车辆的自动导航、定位定向、车辆控制；对农用飞机姿态控制，进行播种、喷洒农药；在地下工程维护中,寻找损坏的电力线、管道和通信光(电)缆位置的定位工具和抢救工具；用于大地测量、矿物勘采、石油勘察、石油钻井导向、隧道施工等的定位和路径勘测，以及利用光纤陀螺转动角和线位移实现大坝测斜等．
四实验过程
1，进行准备工作，为时大约三分钟。

使绳索贯穿整个管道，调整校对光纤陀螺仪，并在陀螺仪一端绑上绳索；
2，准备工作结束后，在管道另一段的工作人员拉动绳索，同时开始用秒表计时，使光纤陀螺仪移动通过整个管道。

注意管道两端的人员
都应控制绳索的移动速度，避免陀螺仪移动过快或过慢；
3，陀螺仪到达管道另一端时停止计时，记下时间。

大约十秒后，将陀螺仪往回拉动，并计时，控制陀螺仪的移动速度；
4，光纤陀螺仪到达管道始端后，停止计时并采集数据；
5，利用计算机数据专用处理软件及AUTO-CAD 软件画出三维轨迹，得出三维轨迹图。

６，至此，完成一个工作循环．如果需要，可以重复上述步骤继续实验操作．
五 数据处理
利用测得的俯仰角α，方位角β，长度ｌ，
β
ααβ
αsin cos sin cos cos X l Y l Z l ===得出某一点的三维坐标． 利用计算机数据处理软件处理实验数据，和ＡＵＴＯ－ＣＡＤ画
出图形．最后得出三维轨迹图．
六未来与展望
回顾光纤陀螺仪的发展历程,光纤陀螺取得巨大发展的原因除了自身固有的优点外,光纤通信技术和光纤传感技术的发展,光纤陀螺成本降低和体积减小,外部辅助技术(如,多普勒、星光跟踪器、全球定位系统等技术)的发展都对光纤陀螺的发展起到十分重要的推动作用。

当对光纤陀螺的应用前景进行展望时,这些外部因素仍然是不可忽视的。

光纤陀螺与第一代光学陀螺激光陀螺相比, 最大的优点是不用在石英块或其它材料中精密的加工光学回路, 制造成本低; 而且光纤陀螺能根据使用对象的要求, 实现高、中、低不同精度的产品, 激光陀螺由于加工工艺复杂, 制造成本高, 只适用于制作高精度的产品。

光纤陀螺具有更广阔的应用领域。

比如战术导弹、制导炸弹(炮弹) 等只有几分钟甚至几秒钟的飞行时间, 对陀螺仪的精度要求不是很高,但对陀螺的尺寸大小及抗冲击性能有较高要求, 又由于它们是一次性使用, 要求陀螺仪的成本尽可能的低, 能大批量生产, 光纤陀螺是非常理想的选择。

随着我国工业现代化的发展, 各领域对光纤陀螺的需求越来越大。

北京理工大学、北京航空航天大学等都开展了光纤陀螺的研制并取得了较大的成果。

总体而言, 我国在光纤陀螺关键技术及实用化上与国外先进水平相比仍有较大差距。

光纤陀螺技术将成为21 世纪惯
性技术重点发展方向, 必将在我国获得更大发展, 在军民两用领域得到更广泛应用。