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按工作原理分类



光纤陀螺仪的分类方式有多种。依照工作原理可分为干 涉型、谐振式以及受激布里渊散射光纤陀螺仪三类。 干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪，目 前应用最广泛。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； 谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)，是第二代光纤陀螺仪，采用 环形谐振腔增强SAGNAC效应，利用循环传播提高精度， 因此它可以采用较短光纤。R—FOG需要采用强相干光源 来增强谐振腔的谐振效应，但强相干光源也带来许多寄 生效应，如何消除这些寄生效应是目前的主要技术障碍。 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)，第三代光纤陀螺 仪比前两代又有改进，目前还处于理论研究阶段。
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结构 基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角 速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴XX1上加一 内环架，那么陀螺仪就可环绕平面两轴作自由运动；然后，在内环架 外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕平面 三轴作 自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(space gyro)。 历史 1850年法国的物理学家莱昂· 傅科（J.Foucault）为了研究地球自转， 首先发现高速转动中的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴 永远指向一固定方向，他用希腊字 gyro（旋转）和skopein（看）两 字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀 螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现在，陀螺仪仍在吸引着人 们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主 要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就 发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀 螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的 一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。
应用





陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在 航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为 指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏 感元件，即可作为信号传感器。 根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和 加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船 或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载 器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完 成航行体的姿态控制和轨道控制。 作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在 风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳 定等等。 作为精密测试仪器，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地 下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由 此可见，陀螺仪器的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国 防建设和国民经济建设中均占重要的地位。 广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、 兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。
陀螺仪的发展及应用
王琛 刘恺
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装置介绍


绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对 称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何 对称轴就是它的自转轴。 与苍蝇退化的后翅（平衡棒）原理类似 在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同 时，环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进 (precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生 活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。[1]
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特点








与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点： (1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动 的能力； (2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高 了好几个数量级； (3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿 命； (4)易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出， 并与计算机接口联接； (5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实 现不同的精度，并具有较宽的动态范围； (6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热； (7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器， 尤其是捷联式惯导系统的传感器； (8)结构简单、价格低，体积小、重量轻。
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分类与原理

现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺 仪两种，它们都是根据塞格尼克理论发展起来的。
塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前 进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通 道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的 方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在 不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光 程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前 进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，就可以制造出干 涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路 中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的 谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光 纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现 干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽 度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以 它所要求的光源必须有很好的单色性。
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光纤陀螺仪

光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏 感元件， 由激光二极管发射出的光线朝两 个方向沿光导纤维传播。光传播路径的改 变，决定了敏感元件的角位移。
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工作原理

光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论：当 光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通 道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道 转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通 道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也 就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向 上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光 程都会产生变化。利用光程的变化，检测出两 条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测 出光路旋转角速度，这便是光纤陀螺仪的工作 原理。
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其他分类方式



按光学系统的构成：集成光学型和全光纤 型光纤陀螺。 按结构：单轴和多轴光纤陀螺。 按回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀 螺。
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技术难点




光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双 折射引起的漂移和偏振状态改变引起的比例因子不稳定。 1. 灵敏度消失 在旋转速率接近零时，灵敏度会消失。这是由于检测器中的光 密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起。 2. 噪声问题 光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。为了达到低噪 声，应采用小相干长度的光源。 3. 光纤双折射引起的漂移 如果两束相反传播的光波在不同的光路上，就会产生飘移。造 成光路长度差的原因是单模光纤有两正交偏振态，此两种偏振 态光波一般以不同速度传播。由于环境影响，使两正交偏振态 随机变化。 4. 偏振状态改变引起的比例因子不稳定。
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研究现状



自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1 个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展 了30多年。在30多年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕 制技术等都得到了深入地研究。 光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术 上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，以 美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的进展。 光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在 研究谐振式光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初 才陆续展开，中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光纤陀螺)己 经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研 制正走向成熟阶段。 在国外，l°/h至0.01°/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组 合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹 惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了l°/h的光纤陀螺仪和 卫星导航GPS．美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到 0.01°/h ；2001年达到0.001°/h；2006年达到0.0001°/h ， 有取代传统的机械陀螺仪的趋势。
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人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称 为陀螺仪(gyroscope)，它在科学、技术、军事等各个领域 有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、炮弹的 翻转、陀螺的章动等。 陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪 和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系 统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指 示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表 使用。 陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪和 激光陀螺仪，它们都是电子式的，并且它们可以和加速度 计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。
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展望





未来光纤陀螺的发展将着重于以下几个方面： (1)高精度。更高的精度是光纤陀螺取代激光陀螺在高等导航中 地位的必然要求，目前高精度的光纤陀螺技术还没有完全成熟。 (2)高稳定性和抗干扰性。长期的高稳定性也是光纤陀螺的发展 方向之一，能够在恶劣的环境下保持较长时间内的导航精度是 惯导系统对陀螺的要求。比如在高温、强震、强磁场等情况下， 光纤陀螺也必须有足够的精度才能满足用户的要求。 (3)产品多元化。开发不同精度、面向不同需求的产品是十分必 要的。不同的用户对导航精度有不同的要求，而光纤陀螺结构 简单，改变精度时只需调整线圈的长度直径。在这方面具有超 越机械陀螺和激光陀螺的优势，它的不同精度产品更容易实现， 这是光纤陀螺实用化的必然要求。 (4)生产规模化。成本的降低也是光纤陀螺能够为用户所接受的 前提条件之一。各类元件的生产规模化可以有力地促进生产成 本的降低，对于中低精度的光纤陀螺尤为如此。