光纤陀螺仪

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，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，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。

传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。

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。

光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。

光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论:当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用光程的变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，这便是光纤陀螺仪的工作原理。

光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移和偏振状态改变引起的比例因子不稳定。

1. 灵敏度消失

在旋转速率接近零时，灵敏度会消失。这是由于检测器中的光密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起。

2. 噪声问题

光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。为了达到低噪声，应采用小相干长度的光源。

3. 光纤双折射引起的漂移

如果两束相反传播的光波在不同的光路上，就会产生飘移。造成光路长度差的原因是单模光纤有两正交偏振态，此两种偏振态光波一般以不同速度传播。由于环境影响，使两正交偏振态随机变化。

4. 偏振状态改变引起的比例因子不稳定。

光纤陀螺仪的分类方式有多种。依照工作原理可分为干涉型、谐振式以及受激布里渊散射光纤陀螺仪三类。其中，干涉型光纤陀螺仪是第一代光纤陀螺仪，它采用多匝光纤线圈来增强萨格纳克效应，目前应用最为广泛;按电信号处理方式不同可分为开环光纤陀螺仪和闭环光纤陀螺仪，一般来说闭环光纤陀螺仪由于采取了闭环控制因而拥有更高的精度;按结构又可分为单轴光纤陀螺仪和多轴光线陀螺仪，其中三轴光纤陀螺仪由于体积小、可测量空间位置因而是光纤陀螺仪的一个重要发展方向。

自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年。在30多年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都得到了深入地研究。

光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的进展。光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在研究谐振式光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光纤陀螺)己经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。

在国外，l°/h至0.01°/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了l°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS.美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h ;2001年达到0.001°/h;2006年达到0.0001°/h ，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。

1.美国

美国的光纤陀螺研制单位有:利顿公司、霍尼威尔公司、德雷泊实验室公司、斯坦福大学以及光纤传感技1术公司等。

(1)利顿公司研制的光纤陀螺

利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已经产品化。1988年研制出SCIT实验惯性装置，惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。1989年公司研制的CIGIF论证系统飞行试验装置。1991/1992年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系统。1992年研制出GPS/INS组合导航系统。

(2)霍尼韦尔公司的集成光学光纤陀螺

霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti内扩散集成光学相位调制器。采用的其他器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km保偏光纤构成的传感环圈。

为了满足惯性级光纤陀螺的要求，霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式光纤陀螺采用了集成光学多功能芯片技术以及全数字闭环电路。

(3)美国德雷珀实验室

美国德雷珀实验室从1978年起为JPL空间应用研制高精度光纤陀螺，曾研制过谐振腔

式光纤陀螺，研制了9年，由于背向散射误差限制了精度，后来改为采用干涉仪式方案。

在研制干涉仪式光纤陀螺的过程中，采用了三大技术措施:

a.把光源、探测器和前置放大器做成一个模块;

b.光纤传感环圈结构影响精度很大，采用了无骨架绕制光纤环圈的技术途径;

c.多功能集成光学器件模块，包括了所有其余的光纤陀螺的光纤器件。

德雷珀实验室的研究人员认为:目前0.01°/h 的干涉仪式光纤陀螺成本较高，需要研制自动生产线，降低成本，保证质量。

对于今后的发展问题，德雷珀实验室的研究人员认为:

a.惯性级的干涉仪式光纤陀螺仪，可以取代动力调谐陀螺仪,并逐渐取代激光陀螺仪;

b.惯性级干涉仪式光纤陀螺仪的难点是必须采用1km长度的保偏光纤，如果改用谐振腔式光纤陀螺仪方案，则长度可减为10m左右的光纤。为此谐振腔式光纤陀螺仍在作为研制方向，使光纤陀螺仪小型化的谐振腔式光纤陀螺的难点在于:控制电路比干涉仪式光纤陀螺复杂。随着ASIC技术的发展，将来有可能得到满意的解决，使谐振腔式光纤陀螺成为产品。采用干涉仪式和谐振腔式混合方案的光纤陀螺仪具有良好的发展前景。

2.日本

日本研制光纤陀螺的单位有东京大学尖端技术室、日立公司、住友电工公司、三菱公司、日本航空电子工业公司。

日本的干涉式光纤陀螺仪已经完成了基础研究，正进入实用化阶段。偏值漂移已经达到 。东京大学进行研究的谐振腔光纤陀螺仪取得了很大进展。

日立公司研制用于汽车导航系统的光纤陀螺，1991年用于日产汽车。

在日本，光纤陀螺作为汽车的旋转速率传感器已进入市场。利用光纤陀螺仪进行导航时，用车轮转速计传感器测移动距离，用光纤陀螺测量车体的回转，同时采用图象匹配、GPS系统等配合计算汽车的位置和方位，显示在信息处理器上。

3.俄罗斯

俄罗斯的光纤陀螺有全光纤型和集成光学型。全光纤型采用的是光纤技术，即所有的光纤器件都做在同一根光纤上。

Fizoptika公司研制的光纤陀螺已经商品化，产品型号有:VG949、VG941B等。

4.中国

我国也非常重视光纤陀螺技术的研究，上世纪80年代后,许多大学和研究所相继启动光纤陀螺的研发项目，如航天工业总公司所属13所和上海803所、北京航空航天大学、清华大学、浙江大学等，也取得了一定的成绩，如1996年，航天总公司13所成功研制采用Y分支多功能集成光路、零偏稳定性达 全数字闭环保偏光纤陀螺，浙江大学和Honeywell公司几乎同时发现利用消偏可提高精度等。国内的光纤陀螺研制水平虽然与国际水平有一定距离，但已具备或接近中、低精度要求，并在近年来开始尝试产业化。

我国海军新型导弹配光纤陀螺仪 发射试验3发3中，也标志我国的光纤陀螺仪技术取得了很大的成功 。

光纤陀螺成本低、维护简便，正在许多已有系统上替代机械陀螺，从而大幅度提高系统的性能、降低和维护系统成本。现在，光纤陀螺已充分发挥了其质量轻、体积小、成本低、精度高、可靠性高等优势,正逐步替代其他型陀螺。

今后光纤陀螺的研究趋势有: (1)采用三轴测量代替单轴，研发多功能集成光学芯片、保偏技术等，加大光纤陀螺的小型化、低成本化力度;(2)深入开发中、低精度光纤陀螺的应用，特别是民用惯性导航技术;(3)加强精密级光纤陀螺的技术与应用研究，开发新型的光纤陀螺B-FOG和FRLG等。