光纤陀螺测北实验

基础物理实验报告——光纤陀螺测北实验一、 实验目的1、解光纤陀螺的主要物理原理——Sagnac 效应。 2、理解光纤陀螺寻北的原理和消除误差的基本方法。 3、了解调制解调以及闭环工作的基本原理。 4、通过实际操作实验设备以达到寻北目的，同时获得实验室所在纬度和地球自转角速度。 5、学会数字示波器使用方法。二、实验原理 萨格奈克（Sagnac）效应光纤陀螺是基于萨格奈克（Sagnac）效应，即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率 Ω 的相位差 ΔφR。萨格奈克的最初装置是由一个准直光源和一个分束器组成，将输入光分成两束波，在一个由反射镜确定的闭合光路内沿相反方向传播。 使一个反射镜产生轻微的不对准，获得一个直观的干涉条纹图样；当整个系统旋转时，可观察到条纹图样的横向移动。条纹的移动对应着两束反相传播光波之间产生的附加相位差 ΔφR，与闭合光路围成的面积 S 有关。 这可以通过考虑一个规则的多边形光路 M0M1……MN-1M0来解释。静止时，两个反向的光路是相等的；但当围绕中心旋转时，与旋转同向的光路增加为 M’0M’1……M’N-1M’0，与旋转反向的光路减少为 M0’’M1’’……MN-1’’M0’’事实上，对于站在惯性静止参照系中的观察者来说，点 Mi沿着半径为 R 的圆周移动，光沿多边形的边 Mi’Mi+1’或Mi’’Mi+1’’而不是 MiMi+1传播。特别是，与旋转同向的多边形光路，其第一个边变为 M0M1’。用 2θ 表示角M0OM1，δθ 表示角 M1’OM1， LM表示长度 M0M1，δLM表示光路增加的长度 M0M1’-M0M1，则有干涉式光纤陀螺（I－FOG）的原理 本实验采纳的是干涉式光纤陀螺，它是利用无源光纤环代替萨格奈克干涉仪中的光路部分，使光在光纤中传播。 光源发出的光束通过分束器进入光纤，在光纤中产生两束反向的光束。正如利用多匝电感线圈增强 B 场的通量一样，由于萨格奈克效应与旋转速率的通量 Ω 成正比，采纳多匝光路也可以增强该效应。对于低损耗的单模光纤，萨格奈克效应大大增强，一个有多匝单模光纤线圈构成的双波环形干涉仪能够提供足够的灵敏度，因而无须采纳谐振腔。此时萨格奈克效应相位差为： 式中 λ 为真空中的波长，D 是线圈的直径， L=NπD 是光纤的长度，N 是匝数。恒定的速率产生一个常值的相位差，通过对相位差的测量根据公式可以求出旋转的速率。在陀螺静止时，陀螺输出零偏为地球自转角速度与电路引起的偏移。其响应为正弦（或余弦）型，光功率响应为：与...