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            陀螺儀是姿態控制、慣性制導與導航的關鍵器件


                陀螺儀是姿態控制、慣性制導與導航的關鍵器件,它能夠檢測出載體相對于慣性空間的旋轉角速率。當它與加速度計配合使用構成慣性導航系統時,只要知道載體的初始方向和位置,通過對測量的載體加速度和旋轉角速率進行數學積分就可以得到載體的姿態和運動軌跡。由于慣性是任何質量體的基本屬性,慣性導航系統在整個工作期間可以不需要任何外來基準信息,不受任何盲區或干擾的影響,僅靠系統自身就能在全天候條件下、全球范圍以及任何介質環境中完全自主地進行三維空間的定位和定向。由于這種完全自主性使得慣性導航系統成為軍用或民用航空、航天、航海、兵器以及陸地導航系統中的一項關鍵設備,而陀螺儀正是這一系統的核心器件。

                傳統的機電式陀螺儀(如液浮陀螺、動調陀螺等)均屬于第一代陀螺技術。第一代陀螺儀體積大、制作加工困難、可靠性低,在性價比和壽命方面制約了慣性導航技術的進一步發展。早在 1913 年法國科學家薩格納克(G . Sagnac)就論證了無運動部件的光學系統同樣能夠用于檢測相對慣性空間的旋轉,并首次采用環形光學干涉儀演示了這一效應。直到激光器的發明,以光學薩格奈克效應為基礎的光學陀螺取得實質性的進展,促成了第二代陀螺技術,即環形激光陀螺(RLG)。這種陀螺精度高、長期穩定性好、可靠性高、體積和重量小,目前它的技術已經完全成熟并在許多慣性導航/制導領域中得到廣泛應用。由于環形激光陀螺在小轉速時會出現“閉鎖”現象,需要采用機械抖動裝置來避免這種現象的發生,因此它不是完全意義上的全固態慣性器件;同時它的加工制作相當困難,需要高壓點火裝置、超高精細的光學環形諧振腔和非常嚴格的無塵和氣體密封條件,所以加工制作成本高昂,裝配要求嚴格。隨著光纖通信技術的發展和低損耗光纖的應用,用多匝光纖線圈代替光學環形諧振腔,并通過多次循環來增強薩格奈克效應成為可能。1976 年美國猶他州州立大學 V.Vali 和 R.Shorthill 教授對第三代陀螺技術——光纖陀螺(FOG)成功進行了實驗演示。光纖陀螺作為一種新型的全固態慣性儀表,它具有傳統機電式陀螺和環形激光陀螺無法比擬的優點,概括起來主要有以下幾點:

            (1)  靈敏度高
                由于光纖陀螺可以通過增加光纖環圈數的方法以增大光纖環路所包圍的面積,增強了光纖環中的薩格奈克效應,使得薩格奈克相移檢測的靈敏度大大提高。

            (2) 全固態結構
                與傳統機電式陀螺相比,光纖陀螺的結構無任何轉動部件和磨損部件,所有部件都是固定安裝在陀螺的剛性骨架上,具有體積小、重量輕、壽命長、生產裝配工藝簡單的優點。

            (3) 結構設計靈活
                結構靈活是光纖陀螺的一個顯著特點:它可以不用改變陀螺結構和電路部件,僅通過改變光纖的長度和光纖環的直徑就可以適應不同動態范圍和精度等級的要求,可以涵蓋航空、航天、航海和陸地所有陀螺應用范圍。干涉式光纖陀螺精度覆蓋范圍如表 1.1 中所示:
            表 1.1 干涉式光纖陀螺的精度等級
            等級  零偏穩定性(1σ 值)(°/h) 標度因數穩定性(1σ 值)
            速率級  10~1000  0.1%~1%
            戰術級  0.1~10  10~1000ppm
            慣性級  0.01  < 5ppm
            精密級  <0.001  <1ppm
             
            由表 1.1 可以看出光纖陀螺適用的精度范圍非常寬廣。憑借其諸多優點使它在眾多軍用和民用系統中得到了廣泛的應用,并隨著其精度的不斷提高已經逐漸取代機電式陀螺和激光陀螺,成為慣性導航系統和戰略應用領域的主要儀表。 干涉式光纖陀螺作為光纖陀螺技術的一種,其基礎理論和技術上雖已成熟,然而我國光纖陀螺技術的發展水平和精度等級與國外發達國家相比還有相當大的差距。由于受到國內陀螺光學器件生產工藝和技術水平的限制以及國外對高精度光纖陀螺技術的封鎖,目前改善陀螺性能、提高陀螺的精度等級主要依靠電子學和信號處理的技術手段。因此在現有的技術條件下,開展對改善光纖陀螺性能指標相關技術的研究,對于光纖陀螺的技術發展和工程實踐具有重要的理論意義和經濟價值。

            評價光纖陀螺性能的關鍵指標主要包括:零偏穩定性、角隨機游走系數以及標度因數。因此本課題以干涉式數字閉環光纖陀螺為研究對象,重點研究這三個關鍵技術指標的影響因素以及改善技術指標的相關技術措施。
             



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