光纖陀螺尋北實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告書(shū)-文庫(kù)吧
2025-06-08 18:58 本頁(yè)面
【正文】 ........................................................... 19 2 參 考文 獻(xiàn) ...................................................................................................................... 20 光纖陀螺尋北研究性報(bào)告 摘要 慣性技術(shù)的發(fā)展與陀螺儀的發(fā)展密切相關(guān)。陀螺儀作為一種對(duì)慣性空間角運(yùn)動(dòng)的慣性敏感器，可用于測(cè)量運(yùn)載體姿態(tài)角和角速度，是構(gòu)成慣性系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件。由于 20世紀(jì) 70年代在對(duì)電信應(yīng)用的低損耗光纖，固態(tài)半導(dǎo)體光源和探測(cè)器的研發(fā)上付出的巨大努力，用多匝光纖線圈代替環(huán)形激光器，通過(guò)多次循環(huán)來(lái)增加薩格奈克效應(yīng)已成為可能，在此背景下出現(xiàn)干涉式光纖陀螺。而干涉式光纖陀螺的出現(xiàn)為我們的這個(gè)實(shí)驗(yàn)增加了使用的設(shè)備和支持。 但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)由于受到各方面的影響誤差可能會(huì)很大，因此本文將就光纖陀螺實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行定性 和 定量的分析。 關(guān)鍵 詞 ： 慣性 光纖陀螺 誤差分析 3 光纖陀螺的工作原理 、薩格奈克效應(yīng) 光纖陀螺是基于薩格奈克（ Sagnac）效應(yīng)，即當(dāng)環(huán)形干涉儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)正比于旋轉(zhuǎn)速率的相位差 R?? 。薩格奈克的最初裝臵是由一個(gè)準(zhǔn)直光源和一個(gè)分束器組成，將輸入光分成兩束波，在一個(gè)由反射鏡確定的閉合光路內(nèi)沿相反方向傳播使一個(gè)反射鏡產(chǎn)生輕微的不對(duì)準(zhǔn)，獲得一個(gè)直觀的干涉條紋圖樣；當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，可觀察到條紋圖樣的橫向移動(dòng)。條紋的移動(dòng)對(duì)應(yīng)著兩束反相傳播光波之間產(chǎn)生的附加相位差 R?? ，與閉合光路圍成的面積 S有關(guān)。 由左側(cè)圖片可以得知光從 0M傳播到39。1M的時(shí)候，由于系統(tǒng)也隨著旋轉(zhuǎn)，則可以知道M1也轉(zhuǎn)到39。1M，因此這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角度為 ??，則可以得知： ??= 39。01MMc ? （ 1） 對(duì)這個(gè)式子，取近似可以得知： ??01 2 sinMM Rcc?? ? ? ? （ 2） 再經(jīng)過(guò)沿多邊形光路的一個(gè)邊上的賽格耐克效應(yīng)的幾何分析可以得知，在用干涉 4 儀測(cè)量的時(shí)候，這個(gè)時(shí)間可產(chǎn)生一個(gè)相位差： 24Rv c???? ? ? ??? ? ? （ 3） 我們便可以通過(guò)這個(gè)來(lái)測(cè)量它的相位差。 沿多邊形光路上一邊 Sagnac 效應(yīng)的幾何分析 當(dāng)干涉儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，一個(gè)在慣性參考系中靜止的觀察者，看到光從一點(diǎn)進(jìn)入干涉儀，并以相同的光速沿兩個(gè)相反的方向傳播；但是，經(jīng)過(guò)了光纖環(huán)的傳輸時(shí)間后，分束器的位臵發(fā)生了移動(dòng)，與旋轉(zhuǎn)同向的光波比反向的光波所經(jīng)歷的路程要長(zhǎng)。這個(gè)路程差可以通過(guò)干涉法測(cè)量。 、干涉式光纖陀螺的原理 本實(shí)驗(yàn)中使用的是干涉式的光纖陀螺，它是利用無(wú)源光纖環(huán)來(lái)代替薩格奈克干涉儀中的光路部分，此時(shí)薩格奈克效應(yīng)相位差是： 2 LDR c??? ? ?? （ 4） 這個(gè)式子中， λ 是真空中的波長(zhǎng)， D 為線圈 5 的直徑， L=N? D為光纖的長(zhǎng)度， N 為匝數(shù)。當(dāng)陀螺靜止的時(shí)候，光探測(cè)器輸出零偏為地球自轉(zhuǎn)角速度與電路共同引起的偏移，它響應(yīng)為正弦型光功率： 0[1 c os( ) ]RPP?? ?? （ 5） 、互易性的偏置調(diào)制 由于互易性原理，兩束干涉波收到完全相同的相位調(diào)制 ()mt? ，但不同時(shí)，其時(shí)延等于度越時(shí)間，則傳輸?shù)臅r(shí)間之差 g?? 。這提供了一個(gè)相位差的偏臵調(diào)制： t ( ) ( )m m gtt? ? ????? ? ? ? （ 6） 這種方法可以用一個(gè)方波調(diào)制產(chǎn)生半個(gè)相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)，這兩種狀態(tài)下的調(diào)制之差變?yōu)棣?P= 02 sin sin( )bRP ? ??。 用鎖相放大器對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，可以測(cè)量這個(gè)偏臵信號(hào)Δ P；當(dāng) 時(shí)，此時(shí)有最大靈敏度。 、閉環(huán)工作原理 調(diào)制出的偏臵信號(hào)反饋到信用之中，產(chǎn)生一個(gè)附加的反饋相位差 FB?? 在這種閉環(huán)方案中，新的測(cè)量信號(hào)總是反饋信號(hào) FB?? 。旋轉(zhuǎn)速率的測(cè)量值變?yōu)椋? 2 FBcLD?? ????? 在實(shí)際運(yùn)用中，用模擬技術(shù)有很多的困難，但是 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)字方法很容易解決模擬反饋信號(hào)的回掃時(shí)間問(wèn)題。數(shù)字相位斜波產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間為 s?? 。這些相 6 位臺(tái)階和復(fù)位可以與工作在本征頻率上的方波達(dá)到調(diào)制偏臵同步即為右圖所示，與旋轉(zhuǎn)引起的薩格奈克相位差： sR?? ???? 綜上 所述，一方面 ，陀螺需要一個(gè)偏臵調(diào)制以使陀螺獲得最佳靈敏度；另一方面，又需要施加數(shù)字階梯波使陀螺穩(wěn)定工作在零位，在實(shí)際中，閉環(huán)工作的陀螺采用的是
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