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3.4.3 激光陀螺仪在线视频

下一节:3.5.1 知识导授

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3.4.3 激光陀螺仪课程教案、知识点、字幕

这节课由我讲解

第3章

惯性仪表陀螺仪的第4节

光学陀螺仪中的激光陀螺仪

主要解决激光陀螺仪基本结构是什么

量测原理是什么

有什么特点以及主要误差源有哪些

下面分别进行讲解

激光陀螺基本结构

与前面的萨格奈克干涉仪有些相似

但有其自身特点

激光陀螺的光源

采用的是由He-Ne气体激光器

产生的激光光源

包括激光管和电源两部分

激光管内通过抽气管

抽真空后

再通过充气管

充以氦氖混合气体

形成工作介质

它通常由高压予以激励

另外

在激光管的两端

各装有1个满足布氏角的端面镜片

以使光束具有一定的偏振方向

从激光理论可知

激光管中的工作介质在外来激励作用下

原子将从基态被激发到高能级

使得某两个能级之间实现了粒子数的反转分布

此时的工作介质

称为激活物质或增益介质

光通过激活物质时被放大

获得增益

但激活物质的长度不可能做得很长

而且光通过它时还存在损耗

所以光在一次通过激活物质时获得的增益是有限的

为了使受激辐射的光不断放大

获得足够高的增益

并使它的频率

方向偏振

相位都相同

需要有光学谐振腔才行

激光陀螺仪采用的是环形谐振腔

激光管

反射镜

包括半透反射镜

所组成的闭环光路

构成了激光陀螺仪的环形谐振腔

在环形谐振腔内

沿光轴方向传播的光子受到反射镜的不断反射

在腔内不断绕行

这样它就不断地重复通过激活物质

而得到不断放大

激光陀螺仪要求反射镜

反向散射尽可能小

因为

反向散射是会引起误差

因此

反射镜镀有多层薄膜

每层反射膜的厚度

等于所需激光波长的1/4

可使所需波长的光得到最大限度的反射

并抑制了其他波长光的反射

同时

要求光学元件尽可能少

而要构成环形光路

至少需要3个反射镜

所以常见的是

由3个反射镜

构成的三角形激光陀螺仪

和4个反射镜的方形激光陀螺仪

激光陀螺仪的半透反射镜

为一个组合镜

其下面还有有一组

合光棱镜

合光棱镜的作用

是使腔内沿相反方向传播的两束激光

经过棱镜射出后

实现两束光束的共线

以便形成干涉条纹

干涉条纹通过光敏检测器

进行信号采集

激光陀螺仪的工作原理

是基于萨格奈克效应

但从激光陀螺仪结构来看

单纯的相位差法

是无法保证量测精度的

那激光陀螺仪是如何实现高精度量测的呢

下面一起来分析下

激光陀螺仪要求谐振腔

环路周长L

正好等于所需激光波长λ的整数倍

这里的整数记作q

λ为光波的波长

用下标a代表顺时针方向的光

下标b代表逆时针方向的光

这样就使得自镜面反射回的光

形成以镜面为波节点的驻波

于是

只有所需频率或波长的光

才能在腔内形成稳定振荡

而得到不断加强

并使相位也达到同步

由波长λ与频率V的关系可得到这个式子

顺时针方向的光a

对应的频率 Va=光速c*q/La

La为顺时针方向的光a所对应光程

逆时针方向的光b

对的应频率Vb=光速c*q/Lb

Lb为逆时针方向

光b所对应光程

静止时

顺时针方向的光程

La等于逆时针方向的光程Lb

等于环路周长L

显然

顺时针方向的频率Va

与逆时针方向的频率Vb之差

△v是等于0的

当谐振腔绕着

与环路平面相垂直的轴

以角速度ω

相对惯性空间顺时针转动时

两束激光在腔内绕行一周的光程不再相等

两束激光振荡频率之差

即频差或拍频

△v等于

谐振腔环路所包围面积A的4倍

再除以λ与L的乘积

再乘以ω

式中

输入角速度ω前面的系数

我们称为陀螺仪的标度因数

可见

激光陀螺仪的输出频率差

或称为拍频

△v与输入角速度ω成正比

激光陀螺仪

就是采用有源环形谐振腔

和测频差技术来实现高精度测量的

与前面讲过的测光程差方法相比

其测量角速度的灵敏度

大约提高了8个数量级

这是因为

具有一定光程差的两束光的干涉条纹

只是比零图像横移了一段距离

而感测这一段距离的分辨率是有限的

但具有一定频率差的

两束光的干涉条纹

却是以一定的速度

向某一侧不断移动着

感测出

单位时间内通过的条纹数目

即可确定出频差的大小

后者的分辨率

显然要比前者高得多

到这里已经分析了

激光陀螺仪的基本组成和量测原理

通过分析不难得知

与传统的机电陀螺相比

激光陀螺仪具有动态范围大

瞬时启动

精度高

耐冲击振动能力强

可靠性高

直接数字输出等一系列优点

成为惯性导航系统的理想部件

与光纤陀螺相比

激光陀螺仪的工作范围很宽

精度受温度影响较小

但如何提高激光陀螺仪的使用精度

一直是惯性技术研究的热点问题之一

激光陀螺仪的主要误差源有

零偏

闭锁效应和标度因数误差等

零偏是指输入角速度为零时

两束光之间的频差

不等于零

零偏误差的主要原因是朗缪尔流效应

对朗缪尔流效应进行补偿后

仍无法完全消除

零偏是陀螺输出中

必须考虑的一项误差

闭锁指当输入角速度小于某一临界值时

陀螺输出频差为零

即对该范围内输入角速度不敏感

输出信号被自锁或闭锁

闭锁效应会降低陀螺仪的灵敏度

从而造成角速度的量测误差

产生的主要原因是

两束光中一小部分功率发生反向散射

引起两束光之间相互耦合

能量相互渗透

它们的频差小到一定程度时

这两束光的频率

就会被牵引至同步

以致引起输出信号被自锁

通过提高制造及抛光技术可以减小该误差

但无法消除

要进一步减小该误差

需要利用外部控制的常值和时变偏频

加在实际的角速度中

可使激光陀螺仪始终工作在非锁区域内

许多技术

可以产生这种偏频

包括机械抖动偏频

速率偏频

法拉第磁光效应偏频等

机械抖动偏频激光陀螺是世界上最早进入实用的激光陀螺

标度因数误差对精度的影响

是显而易见的

欲保持标度因数不变

关键是要保持谐振腔形状和尺寸的稳定性

因此

要采取措施保证谐振腔形状和尺寸

不受外界因素变化的影响

例如

采用低膨胀系数

且具有高稳定性的材料做腔体

采用光路长度自动调整装置等

上述为本节课内容

谢谢

惯性导航原理课程列表:

第一章 概述

-1.1惯性导航基本概念

--1.1.1 知识导授

--1.1.2 惯性导航基本概念

--1.1.3 小节测试

-1.2惯性导航技术发展史

--1.2 知识导授

--1.2.1 惯性导航技术发展史(一)

--1.2.2 惯性导航技术发展史(二)

--1.2.3 小节测试

-1.3惯性导航常用坐标系

--1.3 知识导授

--1.3.1 惯性坐标系与地球坐标系

--1.3.1 小节测试

--1.3.2 地理坐标系

--1.3.2 小节测试

--1.3.3 弹体坐标系与发射坐标系

--1.3.3 小节测试

-第一章 讨论

第二章 陀螺仪基本理论

-2.1陀螺仪的定义及分类

--2.1.1 知识导授

--2.1.2 陀螺仪定义及分类

--2.1.3 小节测试

-2.2刚体转子陀螺仪的基本特性

--2.2 知识导授

--2.2.1 二自由度陀螺仪基本特性

--2.2.2 单自由度陀螺仪基本特性

--2.2.3 小节测试

-2.3陀螺仪运动方程的建立

--2.3 知识导授

--2.3.1 动静法

--2.3.1 小节测试

--2.3.2 二自由度陀螺仪运动方程

--2.3.2 小节测试

--2.3.3 单自由度陀螺仪运动方程

--2.3.3 小节测试

-2.4陀螺仪运动特性分析

--2.4 知识导授

--2.4.1 二自由度陀螺仪运动特性分析

--2.4.1 小节测试

--2.4.2 单自由度陀螺仪运动特性分析

--2.4.2 小节测试

-第二章 主观题

-第二章 讨论

第三章 惯性仪表陀螺仪

-3.1三浮陀螺仪

--3.1.1 知识导授

--3.1.2 三浮陀螺仪

--3.1.3 小节测试

-3.2静电陀螺仪

--3.2.1 知识导授

--3.2.2 静电陀螺仪

--3.2.3 小节测试

-3.3动力调谐陀螺仪

--3.3.1 知识导授

--3.3.2 动力调谐陀螺仪

--3.3.3 小节测试

-3.4光学陀螺仪

--3.4 知识导授

--3.4.1 sagnace效应

--3.4.1 小节测试

--3.4.2 光纤陀螺仪

--3.4.2 小节测试

--3.4.3 激光陀螺仪

--3.4.3 小节测试

-3.5振动陀螺仪

--3.5.1 知识导授

--3.5.2 振动陀螺仪

--3.5.3 小节测试

-3.6 原子陀螺仪

--3.6.1 知识导授

--3.6.2 原子陀螺仪

--3.6.3 小节测试

-第三章 主观题

-第三章 讨论

第四章 惯性仪表加速度计

-4.1加速度计的测量原理

--4.1.1 知识导授

--4.1.2 加速度计的基本原理

--4.1.3 小节测试

--4.1.4 比力方程

--4.1.5 小节测试

-4.2石英挠性摆式加速度计

--4.2.1 知识导授

--4.2.2 石英挠性摆式加速度计

--4.2.3 小节测试

-4.3陀螺积分加速度计

--4.3.1 知识导授

--4.3.2 陀螺积分加速度计

--4.3.3 小节测试

-第四章 主观题

-第四章 讨论

思政讨论

-思政讨论题

第五章 惯性仪表误差模型及标定

-5.1基本概念

--5.1.1 知识导授

--5.1.2 基本概念

--5.1.3 小节测试

-5.2陀螺仪静态误差模型

--5.2.1 知识导授

--5.2.2 陀螺仪静态误差模型

--5.2.3 小节测试

-5.3加速度计静态误差模型

--5.3.1 知识导授

--5.3.2 加速度计静态误差模型

--5.3.3 小节测试

-5.4惯性仪表误差标定测试

--5.4.1 知识导授

--5.4.2 惯性仪表误差标定测试

--5.4.3 小节测试

-第五章 主观题

第六章 平台式惯导系统

-6.1陀螺稳定平台功能、组成

--6.1.1 知识导授

--6.1.2 陀螺稳定平台功能组成

--6.1.3 小节测试

-6.2陀螺稳定平台工作原理

--6.2.1知识导授

--6.2.2 陀螺稳定平台工作原理

--6.2.3 小节测试

-6.3陀螺稳定平台性能分析

--6.3.1 知识导授

--6.3.2 陀螺稳定平台性能分析

--6.3.3 小节测试

-6.4平台式惯导系统导航原理

--6.4 知识导授

--6.4.1 解析式平台系统

--6.4.1 小节测试

--6.4.2半解析式平台系统

--6.4.2小节测试

-第六章 主观题

第七章 捷联式惯导系统

-7.1捷联式惯导系统工作原理

--7.1.1 知识导授

--7.1.2 捷联式惯导系统工作原理

--7.1.3 小节测试

-7.2 四元数及坐标转换

--7.2.1 知识导授

--7.2.2 四元数及坐标转换

--7.2.3 小节测试

-7.3捷联式惯导系统导航参数解算

--7.3.1 知识导授

--7.3.2 捷联惯导系统导航参数解算

--7.3.3 小节测试

-第七章主观题

-第七章 讨论

3.4.3 激光陀螺仪笔记与讨论

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