目  录

第1章 绪论 1
1.1光学陀螺的发展历史及其现状 1
1.2激光陀螺仪的发展概况 1
1.3光纤陀螺的发展概况 3
  1.3.1 国外光纤陀螺应用现状 3
  1.3.2 国内光纤陀螺研究及应用现状 4
1.4光学陀螺的前景 6
1.5 本论文的主要研究工作 7
1.6 本章小结 8
第2章 光学陀螺原理及性能指标 9
2.1 光学陀螺原理 9
  2.1.1 激光陀螺原理 9
  2.1.2 光纤陀螺原理 10
2.2 光学陀螺的性能指标 13
2.3 本章小结 15
第3章 光学陀螺测试方法 16
3.1 激光陀螺测试方法 16
3.1.1激光陀螺的结构特点 16
3.1.2 测试设备及其测试条件 17
3.1.3 激光陀螺标度因数测试 18
3.1.4 激光陀螺输入输出特性测试 20
3.2 光纤陀螺测试方法 23
 3.2.1 试验用光纤陀螺的基本特点 23
 3.2.2 测试设备及其条件 23
 3.2.3 光纤陀螺标度因数测试 24
 3.2.4 光纤陀螺输入输出特性测试 26
3.3 本章小结 27
第4章  光学陀螺随机误差模型 28
4.1  光学陀螺的误差模型 28
4.1.1 单元模型 28
4.1.2  陀螺仪模型方程 29
4.2  Allan方差法的基本原理 31
4.3 光学陀螺噪声来源 33
   4.3.1 激光陀螺噪声来源 33
   4.3.2 光纤陀螺噪声来源 33
4.4 光纤陀螺噪声特性分析 37
4.5  本章小结 40
第5章 光纤陀螺的标定技术 41
5.1 引言 41
5.2 测试设备的精度和指标 41
5.3 光纤陀螺的误差模型和试验模型 42
5.4 实验过程及数据处理 44
   5.4.1 多位置实验 44
   5.4.2 速率实验 46
5.5  本章小结 49
结论 50
参考文献 51
致谢 52
附录 53
 
第1章  绪 论
1.1 光学陀螺的发展历史及其现状
惯性技术是惯性导航与惯性制导、惯性仪表、惯性测量以及相关测试设备和装置技术的总称。它是一种利用惯性原理或其他有关原理，自主地测量和控制运载体角运动及线运动参数的工程技术。惯性技术是完全自主式的测量方法，它不依赖光线、电磁波、声音、磁场等外部信息来测量运载体的线运动和角运动参数。因此惯性技术被广泛应用于国防高科技、航天科技、飞机、船舶与海洋科技领域。随着惯性技术的不断发展，它的应用领域延伸到现代化交通运输、海洋开发、大地测量与勘探、石油钻井、矿井、隧道的掘进与贯通、机器人控制、现代化医疗器械、摄影技术以及森林防护、农业播种、施肥等民用领域。因而得到了世界上技术先进国家的普遍重视。美、英、法、德、日和前苏联都投入了相当大的力量从事惯性技术及其相关装置的研究。目前，高精度、高可*性、低成本、小型化、数字化成为了惯性技术领域发展的方向。激光陀螺、光纤陀螺（合称光学陀螺）的出现与发展正是惯性技术朝此方向迈进不可缺少的的因素。
1913年，Sagnac证明了一个没有活动部件的光学系统来检测物体相对于惯性空间的转动。他采用一个环形干涉仪（Ring Interferometer）演示了两束反向传播的光束之间由于转动而引入的相位差。1925年，Michelsion和Gale为了能够测量地球转速而使用了一个周长近2公里的巨大的环形干涉仪以增加灵敏度。但是，以后的几十年里，因为Sagnac效应不可能以一个适当紧凑的装置达到可用的性能，它依然仅仅是一种很少能被观测的物理现象。
1.2 激光陀螺仪的发展概况
以一个没有活动部件的陀螺取代机械转子陀螺一直是非常具有吸引力的。1962年，Rosenthal提出了环形激光腔体（Ring Laser Cavity）的建议，在闭合谐振回路中反向传播的两束光波可以循环往复多次，这样就可以增加灵敏度。1963年，Macek和Davis第一次证明了这一构想。1966年，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司采用石英作为环形激光陀螺的腔体，并使用机械振动偏频法来克服激光陀螺的闭锁效应，这项技术的研制成功，使得激光陀螺的适用性成为可能。1975年和1976年激光陀螺分别在战术飞机和导弹上试验成功。80年代初，由激光陀螺构成的捷联式惯性导航系统先后被波音747客机和F－20战斗机采用，这标志着激光陀螺开始进入了工程实用阶段。目前，激光陀螺的漂移最低可达 ，已能满足先进飞机导航定位精度为 的要求。经过20多年曲折历程才得以研制成功的激光陀螺极大地推动了捷联导航系统的发展。
美国霍尼韦尔公司和利顿（Litton）公司是世界上激光陀螺的主要研制者
和生产者。其中，霍尼韦尔公司的产量约占世界产量的 ［1］。该公司先后研制和生产了GG－1300、GG－1342、GG－1328、GG－1320、GG－1308等型号的激光陀螺，这些型号全部采用三角形谐振腔和机械抖动偏频技术［2］。利顿公司研制和生产的激光陀螺主要有LG－2728、LG－2717、LG－8028、LG－9040等型号，采用四边形谐振腔和机械抖动偏频技术。其中，LG－8028型号性能同霍尼韦尔公司的GG－1342型相当，它们都是标准惯导级的RLG。
激光陀螺的发展趋势之一就是采用三轴整体式结构[24]。美国基尔福特（Kearfott）公司提出一种共用6个反射镜的新颖组合方案，之后又研制和生产了T－40、T－24、T－16、T－10等型号的激光陀螺。英国宇航（BAe）公司和法国Sfena公司也竞相开展研究，分别研制和生产了Triad系列和PIXYZ系列。
我国对激光陀螺的研制起步多年,在近十年,从无到有,在关键技术（反射镜镀膜、石英腔体加工、偏频技术等）方面取得了重要进展，并研制出几种样机。有关资料报道其零偏稳定性 可以达到0.01 的精度，可以满足不同型号的捷联系统需求。
1.3 光纤陀螺的发展概况
为了满足捷联式导航系统的的成本要求，出现了光纤陀螺的研究热潮。1967年Pircher和Hepner提出了以多圈缠绕的光纤线圈代替环形激光腔体来增强Sagnac效应。1976年，Vali和Shorthill通过实验首次得以验证。这标志着光纤陀螺的诞生。1977年，Ezekiel和Balsamo报道了无源谐振腔型光学陀螺，提出了用光纤构成无源谐振器的构想。1978年，斯坦福大学（Stanford）提出了另一个新概念—再进入型方案。同年，Davis和Ezekiel首次提出了闭环零相位光纤陀螺方案。1979到1980年间，以下几项重要技术取得了进展：光纤陀螺仪互易性的概念首次提出；使用单独的相位调制器获得非互易相位调制来检测Sagnac相移的方案提出；蚀刻型、研磨型耦合器和光纤偏振器相继出现；制造保偏光纤的可行性被验证；超发光二极管的使用减少了瑞利后向散射；由热扰动引入的非互易相移被人们所认识。几乎同时，斯坦福大学和麻省理工学院分别首次验证了低噪声，低漂移陀螺。
二十多年来，世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了诸多精力来研究这个有发展前途的新型角速率传感器。从目前光纤陀螺达到的性能看，它已能满足飞行控制系统和近程战术导弹惯性制导系统的要求，要满足惯性导航系统的要求还有一段距离，但为期不再遥远。
1.3.1 国外光纤陀螺应用现状
美国是全世界光纤陀螺研究和应用最好的国家［3］，有很多著名的大学和科研机构从事这方面的研究工作。为了满足不同的应用场所，霍尼韦尔（Honeywell）公司已经形成了自己的系列化产品；美国利顿（Litton）公司利用0.1 ～1 的研制出了LN－200系列化产品。美国麦道公司继1984年把光纤陀螺用于油井钻探定位之后，1986年又研制成“德尔塔”火箭上用的光纤陀螺。德雷泊（Draper）实验室公司所演示的光纤陀螺模型样机，其性能比空间截击器所要求的还高一个数量级。
近年来，美国海军战略项目办公室承认，军方需要降低战略武器系统的成本。而在战略舰队弹道导弹潜艇用的导航仪中，最关键且最昂贵的部件是静电陀螺，但静电陀螺支付费用的逐年增长，因而海军决定用光纤陀螺来更换静电陀螺，开发一个光纤陀螺来满足弹道导弹的战略性能的要求。美国空军也在支持利顿（Litton）公司进行一项探索性开发项目，开发一种精密光纤陀螺，供具有精密攻击能力的武器平台所用。这些武器平台包括有人驾驶飞机、无人航空器以及巡航导弹。
由此可见：在美国光纤陀螺经过20年的研究已经日臻成熟，形成了能够满足各种场合应用要求的系列化产品，光纤陀螺几乎能够覆盖所有的军事应用领域，已经开始取代传统的机械陀螺，具有广阔的发展前景。
日本进行光纤陀螺研究的单位主要有航空电子公司、日立公司等，日本的光纤陀螺产品主要用于民用领域，其中日本航空电子公司研制的JG－34F曾经被日本国家宇航局选中，用于它的TR－1A火箭运载器作为姿态控制系统，火箭于1991年8月进行了第一此成功发射，至今已经成功发射4次。日立公司研制的光纤陀螺也已经用于石油钻井等高精度领域。尽管光纤陀螺在日本没有被应用于军事领域，但是其研制水平很高，军事应用潜力不可忽视。
在德国，SEL公司、Litef公司以及Teldix公司都已经研制出了0.1 ～1 的光纤陀螺系列化产品，并且用于不同的军事领域。
法国是光纤陀螺起步较早的国家之一。法国光子公司已经形成了零偏稳定性为0.01 ～1 光纤陀螺系列化产品，其中零偏稳定性为0.01 为单轴光纤陀螺，其它产品为三轴整体式光纤陀螺。该公司的产品主要用于航姿系统以及陆地导航等领域。表1.1是列举了一些国外光纤陀螺的发展水平和应用情况［4］。
1.3.2 国内光纤陀螺研究及应用现状
1987年，我国的光纤陀螺研究被列入重点预先研究计划。十多年来，我国的光纤陀螺的预先研究工作取得了可喜的进展。航天三院的33所、航天十院、北京航空航天大学、上海航天局803所、西安兵器部205所、航空618所、浙江大学、北京理工大学等都开展了光纤陀螺的研制工作。其中，航天三院的33所、航天十院、北京航空航天大学研制的光纤陀螺零偏稳定性已达0.1 ～1 ，而且将实现批量生产并投入工程应用。
在我国的军事应用领域中，光纤陀螺捷联惯导系统可以应用于各种类型的导弹中。此外，低精度的干涉型光纤陀螺（IFOG）还可应用于自动驾驶仪、坦克导航等领域。尽管我国光纤陀螺样机及其相关元器件的研究都取得了一定的进展，但距工程化及满足军事应用的需求还有相当大的差距，尚需付出艰辛的努力。

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