现代光纤陀螺仪的设计和原理(1)

现代光纤陀螺仪的设计和原理（１）（作者保留版权）

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。１９

)等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀７６年Vali(1976

螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。在这篇文章中，我们主要介绍现代光纤陀螺仪的原理和设计。

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(Sagnac)的理论发展起来的。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，这样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。

假设光路的圆环的半径为R，圆环沿顺时针方向的转动速率为，光线沿顺时针方 1

向前进一周的时间为tcw，则光线沿顺时针方向前进的总的光程为Lcw2RRtcwctcw。设光线沿逆时针方向前进一周的时间为tccw，在光线沿逆时针方向前进的总的光程为Lccw2RRtccwctccw。这样也可以计算出光线沿不同方向前进所需的时间，它们分别为：

tcw2R/(cR)

tccw2R/(cR) (1.1)

式中c是光的传播速度。这样光线沿不同方向前进一周就会产生一个时间差：

ttcwtccw4R2(2) c(1.2)

2222这里假设cR，因为R等于圆环的面积A，所以这两个方向上光的传播的光程差为：

L(4A) c(1.3)

这个光程差在干涉仪中就相当于两个相干光的相位差。在谐振式的光纤陀螺仪中，这两束相对传播的光由于光纤环路的转动会引起光的频率的改变，它们的相对频率的变化就等于光程的相对变化。谐振式的光纤陀螺仪的最基本的公式就是：

f(2R

)

(1.4) 光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在光纤陀螺仪已经达到0.01/hr。

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现代光纤陀螺仪的设计和原理（１）（作者保留版权）

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。１９

)等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀７６年Vali(1976

螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。在这篇文章中，我们主要介绍现代光纤陀螺仪的原理和设计。

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(Sagnac)的理论发展起来的。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，这样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。

假设光路的圆环的半径为R，圆环沿顺时针方向的转动速率为，光线沿顺时针方 1

向前进一周的时间为tcw，则光线沿顺时针方向前进的总的光程为Lcw2RRtcwctcw。设光线沿逆时针方向前进一周的时间为tccw，在光线沿逆时针方向前进的总的光程为Lccw2RRtccwctccw。这样也可以计算出光线沿不同方向前进所需的时间，它们分别为：

tcw2R/(cR)

tccw2R/(cR) (1.1)

式中c是光的传播速度。这样光线沿不同方向前进一周就会产生一个时间差：

ttcwtccw4R2(2) c(1.2)

2222这里假设cR，因为R等于圆环的面积A，所以这两个方向上光的传播的光程差为：

L(4A) c(1.3)

这个光程差在干涉仪中就相当于两个相干光的相位差。在谐振式的光纤陀螺仪中，这两束相对传播的光由于光纤环路的转动会引起光的频率的改变，它们的相对频率的变化就等于光程的相对变化。谐振式的光纤陀螺仪的最基本的公式就是：

f(2R

)

(1.4) 光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在光纤陀螺仪已经达到0.01/hr。

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