干涉型光纤陀螺仪的设计与制作
1 光纤陀螺
1.1光纤陀螺的应用方面
光纤陀螺的许多优点在许多应用领域都广泛的被应用，如在战略导弹系统和潜艇导航系统应用；卫星定向和跟踪；陆地导航，船舶、巡航导航，军用制导系统和军用飞机惯性导航。
1.2干涉式光纤陀螺
光纤陀螺按其光学的工作原理可分为三类：干涉式（IFOG）、谐振式 (RFOG)和受激布里渊散射式 (BFOG)，本课题主要阐述干涉式光纤陀螺的原理及结构。
干涉式光纤陀螺(IFOG)的最小互易性结构是个Sagnac干涉仪，它主要包括光源、探测器、耦合器、Y集成光路和光纤线圈五大部分（图1.1），干涉式光纤陀螺的原理基于Sagnac效应：当光纤陀螺旋转时，光纤线圈沿两束反方向传播的光波间会产生一个与旋转角速率Ω成正比的相位差
：
为光源平均波长；c为真空
式(1.1)中：R为光纤线圈的半径；L为光纤的长度；中的光速。
对于光纤陀螺仪的最小敏感角速率，Sagnac效应不是很好，要检测微弱的相位差，不能用干涉条纹计数的方法，而采用调制的方法测量干涉条纹的微小光强的变化来测定相移，而探测器输出的电流正比于输入的光强。
图1.1 干涉式光纤陀螺的结构
2
干涉型光纤陀螺仪的设计与制作
1.3干涉式光纤陀螺的发展动向
1.3.1光纤陀螺的小型技术 1) 光路小型化技术
光路的小型化是与光学器件的集成化相关的。无源部分集成最典型的是Y分支LiNb
集成光学芯片，它集成了一个偏振器、一个分束器和两个宽带相位调制器的功能，
其相位调制器在大的带宽内有一个平坦的响应，允许采用有效地信号处理技术使光纤陀螺在整个动态范围内获得高性能。另外一种集成光学器件是双Y型无源全集成光路，它集成了两个3dB耦合器、两个带宽相位调制器和一个高消光比的偏振器，其中两个Y分支在铌酸锂基片上并行排列，缩短了器件长度。实际上，目前国内研制的双Y集成光路和Y分支多功能集成光学芯片尺寸相同，仅为35mm10mm5mm。
图1.2 光学Y分支
光纤陀螺小型化意味着线圈的外径必须很小，同时又要保持足够的光纤长度以满足精度要求，这对光纤的结构尺寸和弯曲性能提出更高要求。①采用细小半径的保偏光纤，但由于涂覆层和直径的减少将会增加光纤中的偏振交叉耦合；②采用单模光纤光圈并辅以消偏技术，因为单模光纤受涂覆层的影响较少，对弯曲较不敏感。 2) 电路小型化技术
光纤陀螺大多采用目前国际上先进的全数字闭环技术，全部闭环处理功能在一片可编程集成逻辑电路（ASIC）上完成，减少了体积并提高了电路的可靠性。 1.3.2光纤陀螺的多路复用技术
惯性导航系统一般要3个正交安装的光纤陀螺，若每个光纤陀螺都需要光源、探测器等，势必会增加惯性导航系统的质量、成本等。由于Sagnac干涉仪具有严格的平衡干涉光路，许多复用方法很难直接适用于光纤陀螺系统。对于开环光纤陀螺，频分复用（FDM）用的较多，对于闭环光纤陀螺，由于3个陀螺通常具有相同的光纤长度和调制频率，最简单有效地办法就是采用时分复用（TDM）。多路复用通常共用一个激光源/一个探测器，可以较大程度的降低成本和减少体积。
3
干涉型光纤陀螺仪的设计与制作
2 干涉式光纤陀螺的原理
2.1 Sagnac效应
2.1.1真空中的Sagnac效应
如图2.1所示的光学环路，假设光学环路的半径为R，旋转角速率为Ω，则光学环路上任一点的切向速度=RΩ,静止时，光波经过N匝光学环路的传输时间
,其中c为真空中的光速。由于旋转，光波在闭合光路内传播N
匝又回到初射点时，初射点已经发生移动（从M到
），
M’
MCCWCCCWM?l(a)图2.1 圆形光路中的Sagnac效应
(a)系统静止 (b)系统旋转
(2.1) (2.2)
对应的传输时间分别为
(2.3) (2.4)
由于
,沿顺时针和逆时针光波之间的相位差为
(2.5)
式（2.5）中，L=N路围成的总面积。
为光波在闭合回路内传播N匝的长度；
为闭合回路光
2.1.2介质中的Sagnac效应
为了得到有效折射率式（2.5）中得到
的真实光纤中的Sagnac效应，直接将代入是不对的。光在静止介质中传播时，对于不动的监测而
言，光相对介质的传播速度;如果介质以速度运动，对于随介质一起运动的观测者来说，光仍以速度传播，光在介质中的传播速度却会由于介质的运动而变化。该情况下，产生了多普勒效应，补偿了折射率的效应，因此（2.5）仍然成立，与介质无关。
?
(b)4
干涉型光纤陀螺仪的设计与制作
2.1.3任意形状的闭合回路
图2.2 任意形状的闭合光路的Sagnac效应
Sagnac效应也适合于图2.2的任意形状的闭合光纤光路。光路上任意一点沿传播方向的线微分矢量，沿方向的线速度矢量，且
由于
,则有
,式中为切向的单位矢量，为
的矢量模。设光路系统以
,其中为
O点为中心，以垂直于纸面的角速度旋转，其在方向的线速度分量
，为由O点到任意点的径向坐标矢量。
（2.6）
(2.7)
将式（2.6）沿光路积分，得
式（2.7）中：为任意形状的闭合光路的长度。
(2.8)
式（2.8）中：S为闭合光路包围的面积；ds为面积的矢量。
式（2.8）求出的是对应CW的光的情况。对于CCW光波，同理可得
(2.9)
由式（2.8）和（2.9）得到Sagnac相移为
(2.10) 于是得到与式（2.5）相同的表达式，对于N匝的闭合光路。式（2.10）中的S为总面积。
通过以上不同介质的Sagnac效应可得以下结论：
（1）Sagnac效应是与传播介质无关的空间延迟，其折射率对相移没有影响； （2）Sagnac相移只与光纤线圈的直径成正比，与其它无关。
2.2 Sagnac光纤干涉仪的互易性
光纤陀螺仪的互易性有以下三个方面：
（1）光纤耦合器的互易性 确保两束反向传播光波经过环耦合器式经历的耦合相移和传输相移相等，从而使干涉信号的固有相位抵消为零。
（2）单模互易性 一个理想的“共模抑制”，由于两束波的反向传播将其绝对的相位累积抵消了。
5
干涉型光纤陀螺仪的设计与制作
（3）偏振互易性 光纤的双折射会产生寄生相位差，必须使两束反向传播光波为同一种偏振模式，这样为了确保干涉条纹的清晰度。
2.3干涉式光纤陀螺的主要指标
干涉式光纤陀螺仪的主要性能指标大致可以分为零偏、标度因数、噪声、动态范围和带宽五类。 1. 零偏
零偏稳定性定义为一定平均时间下光纤陀螺输出角速率的标准偏差。漂移也称为零位漂移或零偏稳定性，理解为陀螺输出围绕其均值的起伏或波动，用标准偏差或均方根差表示，因而，零偏的随机过程的概率特性是正态分布。 2. 噪声
光纤陀螺的噪声主要由光学和光电检测部分造成的，通常为白噪声。 3. 标度因数
标度因数是光纤陀螺的输出量与输入角速率的比值决定的。光纤陀螺在一个大的范围内要求具有较高的精度，因此要求有一个稳定的标度因数。 4. 动态范围
对于干涉式光纤陀螺来说，由最大输入角速率与最小可检测旋转速率的比值决定。 5. 带宽
干涉式光纤陀螺的理论带宽是很高的，可达几百千赫。为提高陀螺的灵敏度将陀螺的调制信号频率增加到光纤线圈的本征频率，例如对于中等精度的光纤陀螺，其带宽的典型值约为几百千赫或几兆赫。
2.4 干涉式光纤陀螺的各种误差源
Sagnac相移不是干涉式光纤陀螺中唯一的非互易相移，还有许多，它们共同构成了干涉式光纤陀螺的误差源。这种不需要的非互易行主要由以下原因：
（1）偏振效应 采用保偏光纤和理想的偏振器来抑制偏振效应。
（2） 线圈内的背向反射和散射 采用宽谱光源，如超发光二极管有效地消除。 （3） 沿光纤分布的与时间有关的温度梯度 通过采用特殊的光纤线圈绕制方法减小。
（4）外部磁场 通过采用磁屏蔽减小该效应。 （5）电子漂移误差 通过优化电路设计减少。 在闭环工作中对标度因数有影响的参数如下：
（1）光源波长的变化 通过温控或稳定光源波长减少。
（2）线圈直径和光纤长度的变化 通过稳定的机械设计和对陀螺环境进行温控小。
6