光纖陀螺儀

現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái)，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。

光纖陀螺儀是以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)的敏感元件， 由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個(gè)方向沿光導(dǎo)纖維傳播。光傳播路徑的改變，決定了敏感元件的角位移。

光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)點(diǎn)是全固態(tài)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒(méi)有閉鎖問(wèn)題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

光纖陀螺儀的實(shí)現(xiàn)主要基于塞格尼克理論:當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說(shuō)當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用光程的變化，檢測(cè)出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出光路旋轉(zhuǎn)角速度，這便是光纖陀螺儀的工作原理。

光纖陀螺儀需要突破的主要技術(shù)為靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移和偏振狀態(tài)改變引起的比例因子不穩(wěn)定。

1. 靈敏度消失

在旋轉(zhuǎn)速率接近零時(shí)，靈敏度會(huì)消失。這是由于檢測(cè)器中的光密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起。

2. 噪聲問(wèn)題

光纖陀螺儀的噪聲是由于瑞利背向散射引起的。為了達(dá)到低噪聲，應(yīng)采用小相干長(zhǎng)度的光源。

3. 光纖雙折射引起的漂移

如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上，就會(huì)產(chǎn)生飄移。造成光路長(zhǎng)度差的原因是單模光纖有兩正交偏振態(tài)，此兩種偏振態(tài)光波一般以不同速度傳播。由于環(huán)境影響，使兩正交偏振態(tài)隨機(jī)變化。

4. 偏振狀態(tài)改變引起的比例因子不穩(wěn)定。

光纖陀螺儀的分類方式有多種。依照工作原理可分為干涉型、諧振式以及受激布里淵散射光纖陀螺儀三類。其中，干涉型光纖陀螺儀是第一代光纖陀螺儀，它采用多匝光纖線圈來(lái)增強(qiáng)薩格納克效應(yīng)，目前應(yīng)用最為廣泛;按電信號(hào)處理方式不同可分為開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀和閉環(huán)光纖陀螺儀，一般來(lái)說(shuō)閉環(huán)光纖陀螺儀由于采取了閉環(huán)控制因而擁有更高的精度;按結(jié)構(gòu)又可分為單軸光纖陀螺儀和多軸光線陀螺儀，其中三軸光纖陀螺儀由于體積小、可測(cè)量空間位置因而是光纖陀螺儀的一個(gè)重要發(fā)展方向。

自從1976年美國(guó)猶他大學(xué)的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1個(gè)光纖陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以來(lái)，光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展了30多年。在30多年的發(fā)展過(guò)程中，許多基礎(chǔ)技術(shù)如光纖環(huán)繞制技術(shù)等都得到了深入地研究。

光纖陀螺儀的突出特點(diǎn)使其在航天航空、機(jī)載系統(tǒng)和軍事技術(shù)上的應(yīng)用十分理想，因此受到用戶特別是軍隊(duì)的高度重視，以美、日、法為主體的光纖陀螺儀研究工作已取得很大的進(jìn)展。光纖陀螺儀研究工作大部分集中在干涉式，只有少數(shù)公司仍在研究諧振式光纖陀螺。光纖陀螺的商品化是在上世紀(jì)90年代初才陸續(xù)展開(kāi)，中低精度的光纖陀螺(特別是干涉式光纖陀螺)己經(jīng)商品化，并在多領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，高精度光纖陀螺儀的開(kāi)發(fā)和研制正走向成熟階段。

在國(guó)外，l°/h至0.01°/h的工程樣機(jī)已用于飛行器慣性測(cè)量組合裝置。美國(guó)利頓公司已將0.1°/h的光纖陀螺儀用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈慣導(dǎo)系統(tǒng)。新型導(dǎo)航系統(tǒng)FNA2012采用了l°/h的光纖陀螺儀和衛(wèi)星導(dǎo)航GPS.美國(guó)國(guó)防部決定光纖陀螺儀的精度1996年達(dá)到0.01°/h ;2001年達(dá)到0.001°/h;2006年達(dá)到0.0001°/h ，有取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀的趨勢(shì)。

1.美國(guó)

美國(guó)的光纖陀螺研制單位有:利頓公司、霍尼威爾公司、德雷泊實(shí)驗(yàn)室公司、斯坦福大學(xué)以及光纖傳感技1術(shù)公司等。

(1)利頓公司研制的光纖陀螺

利頓公司的光纖陀螺技術(shù)在低、中精度應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成熟，并且已經(jīng)產(chǎn)品化。1988年研制出SCIT實(shí)驗(yàn)慣性裝置，慣件器件是光纖陀螺和硅加速度計(jì)。1989年公司研制的CIGIF論證系統(tǒng)飛行試驗(yàn)裝置。1991/1992年研制出用于導(dǎo)彈和姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)的慣性測(cè)量系統(tǒng)。1992年研制出GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

(2)霍尼韋爾公司的集成光學(xué)光纖陀螺

霍尼韋爾公司研制的第一代高性能的干涉儀式光纖陀螺采用的是Ti內(nèi)擴(kuò)散集成光學(xué)相位調(diào)制器。采用的其他器件還有0.83um寬帶光源、光電探測(cè)器/前置放大器模塊、保偏光纖偏振器、兩個(gè)保偏光纖熔融型耦合器以及由1km保偏光纖構(gòu)成的傳感環(huán)圈。

為了滿足慣性級(jí)光纖陀螺的要求，霍尼韋爾公司研制的第二代高性能干涉儀式光纖陀螺采用了集成光學(xué)多功能芯片技術(shù)以及全數(shù)字閉環(huán)電路。

(3)美國(guó)德雷珀實(shí)驗(yàn)室

美國(guó)德雷珀實(shí)驗(yàn)室從1978年起為JPL空間應(yīng)用研制高精度光纖陀螺，曾研制過(guò)諧振腔

式光纖陀螺，研制了9年，由于背向散射誤差限制了精度，后來(lái)改為采用干涉儀式方案。

在研制干涉儀式光纖陀螺的過(guò)程中，采用了三大技術(shù)措施:

a.把光源、探測(cè)器和前置放大器做成一個(gè)模塊;

b.光纖傳感環(huán)圈結(jié)構(gòu)影響精度很大，采用了無(wú)骨架繞制光纖環(huán)圈的技術(shù)途徑;

c.多功能集成光學(xué)器件模塊，包括了所有其余的光纖陀螺的光纖器件。

德雷珀實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為:目前0.01°/h 的干涉儀式光纖陀螺成本較高，需要研制自動(dòng)生產(chǎn)線，降低成本，保證質(zhì)量。

對(duì)于今后的發(fā)展問(wèn)題，德雷珀實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為:

a.慣性級(jí)的干涉儀式光纖陀螺儀，可以取代動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀,并逐漸取代激光陀螺儀;

b.慣性級(jí)干涉儀式光纖陀螺儀的難點(diǎn)是必須采用1km長(zhǎng)度的保偏光纖，如果改用諧振腔式光纖陀螺儀方案，則長(zhǎng)度可減為10m左右的光纖。為此諧振腔式光纖陀螺仍在作為研制方向，使光纖陀螺儀小型化的諧振腔式光纖陀螺的難點(diǎn)在于:控制電路比干涉儀式光纖陀螺復(fù)雜。隨著ASIC技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)有可能得到滿意的解決，使諧振腔式光纖陀螺成為產(chǎn)品。采用干涉儀式和諧振腔式混合方案的光纖陀螺儀具有良好的發(fā)展前景。

2.日本

日本研制光纖陀螺的單位有東京大學(xué)尖端技術(shù)室、日立公司、住友電工公司、三菱公司、日本航空電子工業(yè)公司。

日本的干涉式光纖陀螺儀已經(jīng)完成了基礎(chǔ)研究，正進(jìn)入實(shí)用化階段。偏值漂移已經(jīng)達(dá)到 。東京大學(xué)進(jìn)行研究的諧振腔光纖陀螺儀取得了很大進(jìn)展。

日立公司研制用于汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的光纖陀螺，1991年用于日產(chǎn)汽車。

在日本，光纖陀螺作為汽車的旋轉(zhuǎn)速率傳感器已進(jìn)入市場(chǎng)。利用光纖陀螺儀進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，用車輪轉(zhuǎn)速計(jì)傳感器測(cè)移動(dòng)距離，用光纖陀螺測(cè)量車體的回轉(zhuǎn)，同時(shí)采用圖象匹配、GPS系統(tǒng)等配合計(jì)算汽車的位置和方位，顯示在信息處理器上。

3.俄羅斯

俄羅斯的光纖陀螺有全光纖型和集成光學(xué)型。全光纖型采用的是光纖技術(shù)，即所有的光纖器件都做在同一根光纖上。

Fizoptika公司研制的光纖陀螺已經(jīng)商品化，產(chǎn)品型號(hào)有:VG949、VG941B等。

4.中國(guó)

我國(guó)也非常重視光纖陀螺技術(shù)的研究，上世紀(jì)80年代后,許多大學(xué)和研究所相繼啟動(dòng)光纖陀螺的研發(fā)項(xiàng)目，如航天工業(yè)總公司所屬13所和上海803所、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等，也取得了一定的成績(jī)，如1996年，航天總公司13所成功研制采用Y分支多功能集成光路、零偏穩(wěn)定性達(dá) 全數(shù)字閉環(huán)保偏光纖陀螺，浙江大學(xué)和Honeywell公司幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)利用消偏可提高精度等。國(guó)內(nèi)的光纖陀螺研制水平雖然與國(guó)際水平有一定距離，但已具備或接近中、低精度要求，并在近年來(lái)開(kāi)始嘗試產(chǎn)業(yè)化。

我國(guó)海軍新型導(dǎo)彈配光纖陀螺儀 發(fā)射試驗(yàn)3發(fā)3中，也標(biāo)志我國(guó)的光纖陀螺儀技術(shù)取得了很大的成功 。

光纖陀螺成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便，正在許多已有系統(tǒng)上替代機(jī)械陀螺，從而大幅度提高系統(tǒng)的性能、降低和維護(hù)系統(tǒng)成本?，F(xiàn)在，光纖陀螺已充分發(fā)揮了其質(zhì)量輕、體積小、成本低、精度高、可靠性高等優(yōu)勢(shì),正逐步替代其他型陀螺。

今后光纖陀螺的研究趨勢(shì)有: (1)采用三軸測(cè)量代替單軸，研發(fā)多功能集成光學(xué)芯片、保偏技術(shù)等，加大光纖陀螺的小型化、低成本化力度;(2)深入開(kāi)發(fā)中、低精度光纖陀螺的應(yīng)用，特別是民用慣性導(dǎo)航技術(shù);(3)加強(qiáng)精密級(jí)光纖陀螺的技術(shù)與應(yīng)用研究，開(kāi)發(fā)新型的光纖陀螺B-FOG和FRLG等。