如何克服光纤陀螺仪在应用过程中的精度不足问题

作为测量角速率的惯性器件,光纤陀螺具有精度高、无运动部件、可靠性高等特点,同时在同精度水平的传感器中价格相对较低,其应用前景十分广阔。

  光纤陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器,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。光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件,由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播,光传播路径的改变,决定了敏感元件的角位移。

如何克服光纤陀螺仪在应用过程中的精度不足问题

某光纤陀螺惯导的内部结构示意图

光纤陀螺仪应用范围广泛

  作为测量角速率的惯性器件,光纤陀螺具有精度高、无运动部件、可靠性高等特点,同时在同精度水平的传感器中价格相对较低,其应用前景十分广阔。光纤陀螺属于全固态陀螺,无活动部件,具有启动快、检测灵敏度高、分辨率高、动态范围宽,机械环境适应性强、可靠性高等特点,是当今惯性器件发展的方向。它以其无与伦比的优势取代了机械旋转质量陀螺的繁冗操作和诸多的日常维护,也克服了环形激光陀螺的闭锁现象,更省去了为保持小转速的灵敏度所采取的防机械抖动措施,其应用领域十分广泛。

如何克服光纤陀螺仪在应用过程中的精度不足问题

光纤陀螺仪的应用

  一般来说,光纤陀螺仪可用于无人机、直升机、民用小飞机等,作为主导航系统使用。国内正在加快低空开放工作,给民用飞机、直升机和无人机提供了广阔的需求。随着国家经济的发展和人民生活水平的提高,各种民用飞机和无人机已经开始进入个人消费领域。可以预计,将来很长一段时间内,国际、国内对各种飞机的需求很大,必然带动对光纤陀螺的需求,光纤陀螺在这方面具有很好的应用前景。

  随着我国海洋活动的频繁,需要数量巨大的各类船舶,光纤陀螺的可靠性高、寿命长等优点,非常适合应用于船舶导航。光纤陀螺仪也可民用机器人领域。民用机器人是一个新兴的行业,同样需要对其进行方向和姿态的控制。而光纤陀螺体积小、重量轻、成本低的特点正好与机器人的要求一致。

  另外,国内经济持续发展,矿井开采、油井测量、石油勘探、地面车辆导航、土木工程测量和隧道开凿等,需要大量的勘探测量系统,给光纤陀螺产品带来了无限商机。

纠缠光子克服光纤陀螺仪精度不足

  不过,光纤陀螺仪在测量运动物体的旋转和方向时,如果使用普通经典光学方法,其精度会受到固有限制。

  在一项新的研究中,物理学家首次通过实验证明,使用纠缠光子可以克服这一经典极限,即“散粒噪声极限”,并达到经典光学方法无法达到的精度水平。

如何克服光纤陀螺仪在应用过程中的精度不足问题

左图为实验装置,右图为光纤陀螺仪的光学设计示意图

  光纤陀螺仪的相位差测量精度决定了旋转测量的整体精度。光纤陀螺仪的精度受到多个噪声源的限制,主要影响因素是散粒噪声。光子的量子化产生了散粒噪声。当单个光子通过器件时,其离散性意味着流动不是完全平滑的,从而产生白噪声。虽然可以通过增加功率(光子通过速率)来降低散粒噪声,但功率越大,其他噪声也越大,因此需要进行权衡。

  为了突破散粒噪声的限制,物理学家们在新的研究中使用了两对处于两种模式叠加的纠缠光子,这样纠缠光子就可以在两个方向上有效地穿过环路。纠缠会引起光子的德布罗意波长显著降低,从而实现精度超过散粒噪声极限,同样地超过了使用经典光学方式可能达到的最佳精度。

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