九色精品系列精品在线探花|黄色视频网页九九国产精品|国产一区国产一区国产一区国产二区|亚洲av中文无码乱人伦在线咪咕|国产精品日韩无码加勒比视频一区|午夜剧场欧美A级毛片|国产无套内射普通话|亚洲国产成人在线视频观看|日本3p群交干b|久久精品自慰

由于光纖耦合器的出射光的相位差問題，所以僅僅使用一個光纖耦合器的光纖干涉式陀螺儀存在自身相位漂移的現(xiàn)象。這種光纖干涉陀螺儀的原理圖是這樣的：一個發(fā)光二極管連接到一個光纖耦合器的結(jié)口１上，然后將耦合器的接口３和４連接到一個光纖圓環(huán)的兩端，最后在接口２上接上一個光電探測器，這樣應該就是一個簡單的光纖陀螺儀了。因為光纖耦合器將光分解為兩束，其中一束光在光纖環(huán)中沿順時針方向傳輸，另一束沿逆時針方向傳輸。如果光纖環(huán)是靜止的，那么兩束光的光程完全相同，如果光纖環(huán)有各個角速度，則會產(chǎn)生一個光程差，從而在接收器形成光強的明暗的變化。但是應該指出在這種結(jié)構(gòu)的安排中，沿順時針方向的光在整個行程中，它經(jīng)過了耦合器兩次的反射，而沿逆時針方向的光在耦合器中確經(jīng)過了兩次的透射，所以在儀器中引進了自身存在的相位漂移現(xiàn)象。

因此在實際上光纖干涉陀螺儀的最基本的結(jié)構(gòu)應該包含有兩個光纖耦合器。也就是說在儀器中的在第一個光纖耦合器的后面還要再加上一個光纖耦合器。這樣的安排保證了從不同方向前進的光將具有完全相同的光程和相位。為了保證兩束光具有相同的極化方向，一般在兩個耦合器之間還要加上一個極化偏振片，以保證在光纖中傳輸?shù)膬H僅是在一個方向上的極化的光束。在這種光纖干涉陀螺儀中相位的變化和光纖環(huán)轉(zhuǎn)動的角速度之間的關(guān)系是：

在實際的光纖陀螺儀中，光纖環(huán)路常常是由很多很多的圈的光纖構(gòu)成的，因此上式中的面積應該是各圈面積的總和。而由此引起的在接收器中光強的變化應該由下列的公式來確定：

在這個公式中當陀螺儀的角速度為零時，接收器中的光強為最大值。但是在這種狀態(tài)下光強和相位差的曲線的斜率值為零，因此當角速度比較小的時候，這種儀器的靈敏度很低。同時它也不能從光強的變化中識別陀螺儀的角速度的方向。為了解決這兩個問題，可以在儀器中利用閉環(huán)系統(tǒng)引進一個預設(shè)的相位誤差。這個相位誤差是這樣引進的：當逆時針方向的光剛剛進入環(huán)路的時候，利用一個壓電式的觸動器使一部分光纖的長度產(chǎn)生變化，而當順時針方向的光束進入這個觸動器時，則將這個信號除去，使光纖的長度保持不變。由于引進了這個附加的預定的相位差，這樣可以使光纖干涉陀螺儀的相位零點偏置在９０度的位置上，在這個位置上，光強和相位差的曲線具有最大的斜率，這樣不但可以極大地提高陀螺儀的靈敏度，而且可以從光強的變化中辨別光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)方向。由于余弦函數(shù)在這個區(qū)間的斜率幾乎是一個常數(shù)，所以在一個小的區(qū)間，光強的變化和陀螺儀的轉(zhuǎn)速具有成正比的關(guān)系。這一點對于儀器的使用是一個極大的優(yōu)點。

講到這里我們還要提一下光線在光纖中傳播時的極化的問題。要了解光纖首先要了解光纖的數(shù)學孔徑 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]--> <!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}。光纖的數(shù)學孔徑是這樣定義的：它是由真空中向光纖入射并使光線在光纖中實現(xiàn)全反射的最大入射角的正弦值。這個值就是：

式中 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}和 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}分別是光纖內(nèi)芯和光纖外層的折射率。有了光纖的數(shù)學孔徑，就可以定義光纖的歸一后的頻率 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]--> <!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}，這個頻率的表達式為：

式中 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}是光纖內(nèi)芯的半徑。當光纖的歸一后的頻率在０和２。４０５之間時，我們就稱這樣的光纖是單模光纖。單模光纖就是我們光纖陀螺儀中所使用的光纖。單模光纖中傳播的光的截止頻率為：

在理論上講單模光纖是完全軸對稱的，它不應該存在任何極化的問題。但是由于光纖形狀的原因或者是由于應力的原因也會使得單模光纖也有著所謂的雙折射的現(xiàn)象。這種光纖形狀的原因是指光纖的內(nèi)芯不是正園形，呈一定的橢圓形，所以光線在一個方向傳播時具有較短的光程，而在另一個方向上則具有較長的光程；而外在應力的原因是由于不對稱的附加應力在光纖中產(chǎn)生了同樣不對稱的彈性光學效應，導致了光纖在不同方向上的不同的密度分布，同樣引起了光程的變化。這種外來的應力可以來自光纖的彎曲，可以來自光纖中的溫度的變化，也可以來自外界的聲音的機械振動�？傊�這種雙折射的現(xiàn)象使得在光纖內(nèi)兩個互相垂直的方向上傳播的光束具有不同的傳播速度。由于這個原因，光束經(jīng)過光纖以后雖然所經(jīng)過的光纖線圈是相同的，但是由于它們的方向不同，它們會有不同的極化問題而會影響它們相干性。也就是說在前面的公式１。６中的余弦項的前面應該加上一個關(guān)于相干度的系數(shù)，這個系數(shù)的值在０和１之間。高的相干度是光纖陀螺儀高靈敏度的重要條件。因此在光纖儀器中要特別注意光纖的極化問題。

在前面我們已經(jīng)討論了利用相位調(diào)制使陀螺儀的相位實現(xiàn)９０度的偏置以增加儀器的靈敏度的問題。這樣在公式1.6中相位差的表達式中就包括了兩個部分，這兩個部分中一個是因為光纖環(huán)的轉(zhuǎn)動所引起的相位差 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}，另一個則是引進的附加相位差 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}。實際上，一般在光纖陀螺儀中引進的相位的調(diào)制量是一個交變量，它可以是一個方波，也可以是其它的波形。這里調(diào)制量的調(diào)制頻率為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}，它和陀螺儀的光纖總長度有關(guān)。調(diào)制頻率有時也稱為光纖的特征頻率 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}，這個頻率的值和光纖長度值的積大約等于 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}。當光纖長度為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}時，調(diào)制頻率應該為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}。光纖長度短，所需要的調(diào)制頻率要更高才能使儀器能夠達到最大的靈敏度。當調(diào)制波形是方波時，這時輸出光強的表達式為：

當陀螺儀處于靜止狀態(tài)，它的輸出量是一個恒定的量：

當陀螺儀有一個轉(zhuǎn)動角時，則它的輸出量會變成：

在探測中在探測器上也要對信號值進行反調(diào)制，以探測出因為光纖環(huán)轉(zhuǎn)動所引起的光強信息的變化。這個變化就是正負調(diào)制時光強之間的差值為：

現(xiàn)代光纖陀螺儀的設(shè)計和原理(3)

根據(jù)公式1.10，可以獲得這種儀器的靈敏度的表達式為：

從這個表達式也同樣說明這種陀螺儀在９０度的相位偏置時可以使儀器達到最大的靈敏度。根據(jù)這個公式，經(jīng)過相位偏置以后，在接收器上的光強的表達式為：

另外一種調(diào)制方法所使用的波形不是方波，而是一個余弦波，這個調(diào)制量的表達式為：

這時陀螺儀所接收到的信號應該為：

這個信號可以分解為：

進一步利用貝塞爾函數(shù)的級數(shù)展開可得：

在這個表達式中所有偶數(shù)階的項均正比于轉(zhuǎn)角的余弦值，而所有的奇數(shù)階的項均正比于轉(zhuǎn)角的正弦值。如果在儀器中引進同步的反調(diào)制，就會產(chǎn)生下列的偏制調(diào)制后的光強的變化：

這時為了取得儀器的最大的靈敏度，相位的最大偏置值應該為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}，而不是利用方形波調(diào)制時的９０度，即１。５弧度。這是因為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}。當儀器是靜止的時候，光強信號主要是二階的高頻諧振，而當儀器存在轉(zhuǎn)角時，則光強信號主要是在光纖的特征頻率上的一階的調(diào)制振動，這個調(diào)制振動的頻率是系統(tǒng)的基本頻率，而二階的頻率是這個基頻的兩倍。

開環(huán)控制的干涉式的光纖陀螺儀在測量時具有相當穩(wěn)定性，在較小的轉(zhuǎn)動速度的范圍內(nèi)，它的響應基本上是線性的。但是它的動態(tài)范圍相當小，如果超出這個范圍它的響應就變成非線性的了。同時它所能測量的范圍應該限制于 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}的范圍內(nèi)。對于具有１０００圈面積為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}的陀螺儀，當光的波長為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}時，這個可以測量的最大轉(zhuǎn)動速度為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}。 

為了提高陀螺儀的測量性能，必須采用閉環(huán)控制的干涉式的陀螺儀。閉環(huán)控制的最后目的是使得接收器所收到的信號正好為零，這樣這個儀器將始終運行在線性的范圍之內(nèi)。采用閉環(huán)控制的好處有下面幾點：１）可以大大提高儀器的靈敏度；２）可以極大地減小儀器的動態(tài)響應時間，大大提高儀器的動態(tài)響應；３）可以避免儀器的任何非線性響應，特別是當轉(zhuǎn)動速度較高的時候。閉環(huán)控制的干涉陀螺儀也有多種途徑，有的是通過光電調(diào)頻的方法，有的是通過相位等斜率鋸齒形變化的方法，有的是通過相位平衡元件的控制方法，也有是通過陀螺儀反向轉(zhuǎn)動的方法。前面已經(jīng)講過在光纖陀螺儀的設(shè)計中光的極化方向的變化是一個很大的問題外，這中間溫度和聲音的振動對光纖的穩(wěn)定性都有很大的影響。據(jù)測定當光纖承受８７分貝的聲壓時，這相當于４毫巴的氣壓的變化，在２５微米的裸露單模光纖上會引起 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}的相位誤差。對于有保護層的光纖，保護層的直徑為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}，當聲音的分貝數(shù)為１００時，這相當于２０毫巴的氣壓變化，這時所引起的相位誤差也是 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}。光纖對溫度的變化也十分敏感。為了消除溫度差別的影響，現(xiàn)代光纖陀螺儀的光纖圈有著很多不同的繞制方法。最常用的是從線圈的中部向兩個方向同時繞制，這樣溫度差對儀器的影響將減少到最小。

和光纖干涉陀螺儀不同，光纖諧振陀螺儀是應用諧振原理而設(shè)計的。從廣義上講光纖諧振式陀螺儀和光學中的法布里－佩奴 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}干涉儀具有相同的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)。法布里－佩奴干涉儀是由兩個相互平行的表面形成一個諧振腔，由于兩個表面的反射率很高，所以光線會在諧振腔內(nèi)不斷地反射。當兩個反射表面之間的光程和光的波長整數(shù)倍相同時，就會在兩個表面上分別產(chǎn)生出頻率非常單一的反射和透射光波。光纖諧振陀螺儀的光纖環(huán)路同樣是一個光學諧振腔，當光纖環(huán)路轉(zhuǎn)動的時候，由于塞格尼克效應，光纖環(huán)這一諧振腔的光程會發(fā)生變化，而光線在諧振腔中不斷在同一個方向運動的作用則是不斷地加強這種效應。這樣當諧振腔的光程正好是光的波長的整數(shù)倍時，光纖諧振陀螺儀就會在它的反射出口和透射出口上輸出一定的諧振信號。從理論上講諧振式的光纖陀螺儀要比干涉式的光纖陀螺儀有更好的靈敏度，但是在實際的研制中，諧振式的陀螺儀的研制有一定的難度，它對光源的相干度方面的要求要比較干涉式的光纖陀螺儀高得多，它要求的光源要具有很窄的頻寬，從而有很長的相干距離。

這種光纖諧振陀螺儀一般共包括三個光纖回路或部分回路。從頻寬很小的激光二極管向一根光纖的一端發(fā)出一束光，同時這一光纖的末端通過第一個光纖耦合器藕合，在這個光纖耦合器上的反射出口連接到一個接收器上，形成諧振陀螺儀的第一個回路。在第一個光纖耦合器中，另一個入口以及它的透射入口和第二個光纖耦合器的一個入口和它相應的反射出口分別相連，形成一個完整的環(huán)路。這個環(huán)路是陀螺儀的最主要的部分，也是它的諧振腔。這個諧振腔的反射出口在第一個回路上，它連接著一個接收器。同時在這第二個光纖耦合器上，另外一個入口和它的透射出口形成陀螺儀的第三個回路。這個回路上的透射出口就是光纖諧振腔的透射出口。這個陀螺儀中的兩個光纖耦合器都不是等量的耦合器。它們有著非常不平衡的能量分配，從而使９０至９９％的光能能夠進入并保留在第二個回路，即儀器的光纖諧振腔之中。第三光纖回路也是一個開環(huán)回路，它的透射出口和一個探測器相連接。在這種系統(tǒng)中如果諧振腔回路的長度是固定的，當系統(tǒng)是靜止的時候，它就會對一個特定的波長的光產(chǎn)生諧振。而當儀器有一個很小的轉(zhuǎn)角時，諧振回路中沿著光線傳播方向上的光程會變化，因此這個系統(tǒng)會在一個不同的光的頻率上產(chǎn)生諧振。通過測量諧振頻率的變化就可以來了解儀器轉(zhuǎn)動角速度的變化，以達到角度測量的目的。現(xiàn)代諧振式的光纖陀螺儀在透射通道上的響應可以用下式表示：

式中 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}是光的空間頻率，它是光的波長的倒數(shù)， _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}是光纖陀螺儀中的總光程， _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}， _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}是光纖耦合器分配在光纖環(huán)中的能量的比例， _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}是光在真空中的傳播速度。從這個公式出發(fā)，光纖陀螺儀的響應的頻率周期，用時間頻率表示為 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}，如果用園頻率來表示這個周期，就要在這個頻率上乘上一個 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}的數(shù)值。

假如光源的頻率和諧振腔的諧振響應的最高點正好相同，那么當光纖環(huán)具有一定的轉(zhuǎn)動角速度時，透射的能量和轉(zhuǎn)動角速度 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}之間的關(guān)系為：

式中 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}是光纖環(huán)由于轉(zhuǎn)動在一個方向上所形成的光程的變化。

諧振式的陀螺儀和相對應的干涉式的陀螺儀在條紋響應上十分相似，在干涉式光纖陀螺儀中，光強和轉(zhuǎn)動角速度的關(guān)系圖中，每一個響應瓣的半極值的瓣寬 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}為：

而對于諧振式的光纖陀螺儀，響應的瓣的半極值寬度為：

式中是諧振腔的一個參量 _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}， _{<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->}。

諧振式的陀螺儀的信號處理方法和干涉式的陀螺儀基本相同，第一步可以采用開環(huán)式的相位偏置和調(diào)制和反調(diào)制的方法。第二步再采用誤差的信號進行閉環(huán)控制。和干涉式的陀螺儀不同，當陀螺儀處于靜止狀態(tài)時，諧振式的陀螺儀并不能自動地得到最大的響應。這時光源的頻率和諧振腔的光程首先要在轉(zhuǎn)動的一個方向上匹配，這樣才會在相反的方向上有最好的響應。

和光纖陀螺儀十分相似的是激光諧振陀螺儀。它是通過激光在一個三角形的通道中構(gòu)成一個諧振腔所制成的，它的詳細結(jié)構(gòu)和特點將在另外的文章中介紹。