1、光纖陀螺儀的應(yīng)用及發(fā)展谷軍，藺曉利，何南，姜鳳嬌，鄧長輝（大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院）摘要：本文介紹了光纖陀螺的工作原理，并根據(jù)光纖陀螺的特點(diǎn)介紹了在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，闡述了光纖陀螺在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并指出了光纖陀螺的發(fā)展趨勢。從發(fā)展角度看，光纖陀螺儀將成為21世紀(jì)前期的發(fā)展重點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：光纖陀螺；現(xiàn)狀；應(yīng)用；0 引言薩格納克（Sagnac）在1913年首先論證了運(yùn)用無運(yùn)動(dòng)部件的光學(xué)系統(tǒng)能夠檢測出相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)的奇特現(xiàn)象，現(xiàn)在統(tǒng)稱為薩格納克效應(yīng)。1976年Vali和Shorthill首次提出了光纖陀螺（Fiber optic gyro）的概念，它標(biāo)志著第二代光學(xué)陀螺的誕生。光纖陀螺一問世就

2、以其明顯的優(yōu)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的靈活性以及誘人的前景引起了世界上許多科學(xué)家和工程師的普遍關(guān)注。國內(nèi)對(duì)光纖陀螺的研究也有20多年的歷史，經(jīng)歷開環(huán)到閉環(huán)的研究歷程。在20多年的研究過程中，光纖陀螺的廣泛應(yīng)用前景已經(jīng)得到了專家的認(rèn)可，光纖陀螺作為慣性技術(shù)的核心器件，已經(jīng)逐漸成為陀螺市場的主流產(chǎn)品。人類對(duì)光纖陀螺的需求也變得十分迫切。光纖陀螺的應(yīng)用非常廣泛，是基于Sagnac效應(yīng)的原理工作的。作為繼激光陀螺儀之后出現(xiàn)的新一代陀螺，各國的研制工作已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。光纖陀螺儀的研制對(duì)慣性導(dǎo)航和控制領(lǐng)域十分重要，隨著計(jì)算機(jī)、微電子和光纖技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，它將取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺和平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)。與機(jī)械陀螺相比，光纖陀

3、螺無運(yùn)動(dòng)部件、使用壽命長；全固化結(jié)構(gòu)、抗沖擊能力強(qiáng)；測量動(dòng)態(tài)范圍大、無預(yù)熱時(shí)問、啟動(dòng)時(shí)問短；不受地球吸引力影響；工藝相對(duì)簡單，價(jià)格便宜；對(duì)捷聯(lián)應(yīng)用有先天優(yōu)勢。與激光陀螺相比，光纖陀螺的成本低、性價(jià)比高；體積小、功耗低、應(yīng)用靈活；克服了激光陀螺閉鎖帶來的負(fù)效應(yīng)；隨著工藝和信號(hào)處理方案的發(fā)展，精度也可以和激光陀螺相當(dāng)。1 光纖陀螺儀 光纖陀螺儀是光學(xué)陀螺儀的一種。所謂光學(xué)陀螺儀就是利用薩格納克Sagnac)效應(yīng)構(gòu)成的陀螺儀。利用光纖線圈構(gòu)成的干涉儀效應(yīng)來敏感角運(yùn)動(dòng)的裝置稱為干涉型光纖陀螺儀 (IFOG)；采用光纖作為諧振器來敏感角運(yùn)動(dòng)的裝置稱為諧振型光纖陀螺儀(RFOG)；利用布里淵光纖環(huán)形激光器

4、的頻率變化原理構(gòu)成的測角裝置稱為布里淵光纖陀螺儀(BFOG)。由于光學(xué)陀螺儀不象傳統(tǒng)陀螺那樣，依靠自轉(zhuǎn)子的動(dòng)量矩來敏感角運(yùn)動(dòng)。所以國外學(xué)術(shù)界也把這類陀螺定義為非陀螺儀角運(yùn)動(dòng)敏感器。1.1光纖陀螺儀的特點(diǎn)光纖陀螺儀作為一種新興傳感器件，具有許多深受歡迎的特點(diǎn)：（1）無運(yùn)動(dòng)部件，儀器牢固穩(wěn)定，耐沖擊和抗加速度運(yùn)動(dòng)；（2）結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，價(jià)格低廉；（3）啟動(dòng)時(shí)間短（原理上可瞬間啟動(dòng)）；（4）檢測靈敏度和分辨率高（可達(dá)10 -7rad/s）；（5）可直接用數(shù)字輸出并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)網(wǎng)；（6）動(dòng)態(tài)范圍極寬；（7）壽命長，信號(hào)穩(wěn)定可靠；（8）易于采用集成光路技術(shù)；（9）克服了激光陀螺因閉鎖現(xiàn)象帶來的負(fù)效

5、應(yīng)。光纖陀螺最大的特點(diǎn)是可根據(jù)不同的用途，選擇不同的光纖長度和線圈直徑及不同的信息處理方法，可覆蓋陸地、航空、航天、航海等所有陀螺儀應(yīng)用范圍。與傳統(tǒng)陀螺儀(液浮陀螺儀、動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀、靜電陀螺儀)相比，光纖陀螺儀的特點(diǎn)如表一所示1。 表一 光纖陀螺儀與其它陀螺儀比較 種類性能液浮陀螺動(dòng)力調(diào)諧陀螺靜電陀螺環(huán)形激光陀螺光纖陀螺價(jià)格高低高低低可靠性普通普通普通高高耐環(huán)境性良普通良優(yōu)優(yōu)動(dòng)態(tài)誤差小大小小小對(duì)數(shù)字系統(tǒng)適應(yīng)性良良良優(yōu)優(yōu)啟動(dòng)慢普通慢快快精加工要求高普通高高無超精組裝室要求高普通高高無1.2光纖陀螺儀的基本工作原理 光纖陀螺儀的基本工作原理是 Sagnac效應(yīng)，即在一閉合回路中，沿順時(shí)針(CW)

6、方向和逆時(shí)針(CCW)方向傳播的兩束光光程差L與閉合回路的旋轉(zhuǎn)角速度及回路面積A成正比，與真空中的光速C0成反比，即： （1）實(shí)際的光纖陀螺閉合回路是由N圈光纖繞制而成的，則積累的光程差為 ： (2)相應(yīng)的Sagnac相位差為： (3)式中：0 為真空中的波長；A為一圈光纖所包圍的面積；設(shè)光纖圈的面積；設(shè)光纖圈直徑為D；L為光纖敏感環(huán)的光纖總長度，則： (4)式中：被稱為比例因子，它表征光纖陀螺靈敏度的大小。所以通過檢測相位差s ，就可以確定旋轉(zhuǎn)角速度，這就是Sagnac效應(yīng)。再通過角速度的時(shí)間積分即可確定旋轉(zhuǎn)體的角位置或方位角。 1.3光纖陀螺儀的類型   就原理與結(jié)構(gòu)而

7、言，光纖陀螺儀可以分為三大類，即干涉型光纖陀螺儀(I-FOG)、環(huán)形諧振腔光纖陀螺儀(R-FOG)、受激布里淵散射環(huán)形激光陀螺儀(B-FOG)。干涉型光纖陀螺是迄今為止，發(fā)展比較完善的一類光纖陀螺。廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，稱為第一代光纖陀螺。它又可分為：消偏型；全保偏光纖型；集成光學(xué)器件型。 環(huán)形諧振腔光纖陀螺是采用光纖作為諧振器來敏感角運(yùn)動(dòng)的裝置，被稱為第二代光纖陀螺。又可分為：光纖式；光波導(dǎo)式。 受激布里淵散射環(huán)形激光陀螺是一種利用光纖環(huán)形腔中的受激布里淵散射的方向性增益效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)利用Sagnac效應(yīng)檢測諧振速率，其原理與激光陀螺儀完全相似。被稱為第三代，正在進(jìn)行理論研究，比

8、前兩代具有更大的優(yōu)越性。由于無需復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)檢測技術(shù)，國際上倍受重視。他們具有不同的結(jié)構(gòu)，決定了各自的特點(diǎn)及使用范圍，工作原理都是采用直接檢測干涉后的Sagnac相移來得到旋轉(zhuǎn)角速度2， 3。從檢測相位的方法來看，它又可分為開環(huán)與閉環(huán)兩種類型。開環(huán)陀螺直接探測干涉后的Sagnac相移，而閉環(huán)陀螺則是利用反饋回路由相位調(diào)制器引入與Sagnac相移等值反向的非互異相移。1.4 光纖陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)    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。 1. 靈敏度消失是指在旋轉(zhuǎn)速率接近零時(shí)，靈敏度會(huì)消失。這是由于檢測器中的光密度正比于Sagn

9、ac相移的余弦量所引起。 2. 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。光纖陀螺儀與激光陀螺儀相比，有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，若用于導(dǎo)彈制導(dǎo)以及飛機(jī)、艦艇導(dǎo)航和衛(wèi)星跟蹤，尚存在某些關(guān)鍵技術(shù)需要解決。根據(jù)光纖陀螺儀的工作原理及其光纖環(huán)的繞制方法和繞制工藝，其核心部件光纖對(duì)溫度極為敏感，加上激光源的光程差、偏振變化、光 的后向散射、光纖端面的菲涅

10、爾反射以及光接收器的散粒噪聲等影響，使檢測誤差較大。因此必須查明原因，找出光纖陀螺儀的誤差源，提出消除誤差的有效途徑。表二列出了光纖陀螺儀的誤差源及其有效解決途徑4。 表二 光纖陀螺儀的誤差源及其解決途徑產(chǎn)生誤差源有效解決途徑兩束光間的光程差進(jìn)行溫度補(bǔ)償，用光隔離器消除回光的影響溫度漂移Shupe誤差采用溫度系數(shù)小的光纖和被覆材料，打破常規(guī)圓柱形繞法，采用國際上通用的四級(jí)對(duì)稱方法來繞制光纖環(huán)溫度相位噪聲采用溫度系數(shù)小的光纖和被覆材料，在光纖環(huán)本振頻率上進(jìn)行調(diào)制/解調(diào)偏振變化采用保偏光纖或采用偏振面補(bǔ)償裝置及退偏振鏡后向瑞利散射采用超發(fā)光二極管等低相干光源或?qū)笙蛏⑸涔馓峁╊l差并對(duì)光源進(jìn)行脈沖調(diào)

11、制光纖端面的菲涅爾反射采用消除后向瑞利散射的辦法或者采用折射率匹配的方案光接收器的散粒噪聲采用光量子效率光檢測器、低損耗保偏光纖和大功率激光光源法拉第效應(yīng)進(jìn)行電磁屏蔽和使用保偏光纖和大功率激光源克爾效應(yīng)采用低相干光源2光纖陀螺儀的發(fā)展及應(yīng)用2.1光纖陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)狀由于光纖陀螺無以倫比的優(yōu)點(diǎn)，使其在機(jī)動(dòng)載體和軍事技術(shù)的應(yīng)用非常理想，因此頗受用戶，特別是軍方的高度重視，并在近幾年進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，其中以美、日、德、法為主體的光纖陀螺研究工作已取得很大進(jìn)展。在國內(nèi)，光纖陀螺的研究起步較晚且集成光學(xué)技術(shù)和保偏光纖技術(shù)相對(duì)落后，又由于發(fā)達(dá)國家的技術(shù)封鎖，所以發(fā)展較慢。但在國外光纖陀螺的迅猛發(fā)展形

12、勢下，自1987年起光纖陀螺的研制被列入重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃，北京航空航天大學(xué)、航天部13所、33所、浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等單位投入很大力量進(jìn)行研究，并取得一定成績，目前，國內(nèi)光纖陀螺的研制水平已接近慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的中、低精度要求。表三、表四是目前國內(nèi)外各單位光纖陀螺應(yīng)用水平5，6。表三 國內(nèi)各公司光纖陀螺應(yīng)用水平單位名稱主要性能：零偏穩(wěn)定性應(yīng)用情況北京航空航天大學(xué)0.005°/h有完整的光纖陀螺生產(chǎn)線，光纖陀螺的實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)到國際水平浙江大學(xué)0.7°/h主要研究中低精度、低成本的消偏型光纖陀螺中國兵器工業(yè)系統(tǒng)總體部0.01°/h大量應(yīng)用于路用裝甲車輛、自行火炮以及布撒

13、器等彈載系統(tǒng)。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)可以取代法國的SICMA300航天時(shí)代電子公司0.01°/h應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域表四 國外各公司光纖陀螺應(yīng)用水平公司名稱主要性能:零偏穩(wěn)定性應(yīng)用情況利頓（美國）0.0081°/h1987年為美國陸軍設(shè)計(jì)火炮制導(dǎo)系統(tǒng)，能承受2000g的加速度。20世紀(jì)90年代初應(yīng)用于海軍艦載機(jī)導(dǎo)航和火控系統(tǒng)?；裟犴f爾（美國）0.0003 8°/h主要研究高精度光纖陀螺，主要用于潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)和深層空間飛行。民用方面包括波音777飛機(jī)和石油鉆井導(dǎo)向。EuroFOG（法國）10°/h到0.01°/h系列化0. 1°/h以下采用三

14、軸一體方案，0.01°/h采用單軸方案。Fizoptika(俄羅斯)0.05°/h全光纖型集成光學(xué)型光纖陀螺，以商業(yè)化。日立（日本）10°/h的中低精度民品主要用于車載導(dǎo)航如警車、高端轎車等，產(chǎn)能達(dá)到每月5000套。2.2光纖陀螺的應(yīng)用由于光纖陀螺與傳統(tǒng)陀螺相比具有許多重要特征，如啟動(dòng)時(shí)間短、重量輕、穩(wěn)定可靠、寬動(dòng)態(tài)范圍、功耗小、成本低等，所以在航海、宇航、空中運(yùn)載器、交通運(yùn)輸以及機(jī)器人等軍用、民用的許多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景7-9。光纖陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域如表五所示：表五 光纖陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域零偏穩(wěn)定性（°/h）應(yīng)用領(lǐng)域10陸地交通工具導(dǎo)航，機(jī)器人姿態(tài)控制，

15、照相機(jī)或者天線穩(wěn)定裝置110無人駕駛飛機(jī)，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)0.11.0導(dǎo)航參考系統(tǒng)（SHRS），衛(wèi)星姿態(tài)測量0.010.1火炮捷聯(lián)慣導(dǎo)，航空器導(dǎo)航，地球測量，衛(wèi)星定位0.0010.01航空航天慣導(dǎo)系統(tǒng)，航海導(dǎo)航0.001精密航天器應(yīng)用，精密瞄準(zhǔn)與跟蹤2.2.1光纖陀螺在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用10，11(1)軍用直升飛機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)和戰(zhàn)略轟炸機(jī)，以及軍用人造衛(wèi)星等慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。要求用高性能陀螺，其容許漂移誤差在(10-210-4)°/h的范圍。光纖陀螺不僅能滿足捷聯(lián)系統(tǒng)的大動(dòng)態(tài)范圍、高線性度、高穩(wěn)定度和數(shù)字輸出的要求，而且價(jià)格低廉。(2)戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)和飛行姿勢方位基準(zhǔn)裝置用陀螺。不少空軍戰(zhàn)術(shù)武

16、器系統(tǒng)，諸如改進(jìn)的中近程空對(duì)地導(dǎo)彈、空對(duì)空導(dǎo)彈、大面積掃裝甲彈等都需要慣性參考系統(tǒng)。(3)戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈用陀螺.戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈要求陀螺具有高精度性能(容許漂移誤差一般為0.01°/h左右)，而且要求其體積小、重量輕。一個(gè)小而精確的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)將能給戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈提供制導(dǎo)、自動(dòng)駕駛以及其它參考功能所必須的一切慣性信息。(4)綜合孔徑雷達(dá)、火力控制、高緯度姿勢參考系統(tǒng)等都需要高精度慣性傳感器。(5)對(duì)陸軍來說，陀螺主要用于陸地慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性大地測量系統(tǒng)。(6)在海軍方面，陀螺主要用于一般軍艦、攻擊型核潛艇和彈道導(dǎo)彈核潛艇的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。2.2.2光纖陀螺在民用領(lǐng)域的應(yīng)用 (1)光纖陀螺在汽

17、車工業(yè)中的應(yīng)用12，13 作為旋轉(zhuǎn)角速度傳感器之一的光纖陀螺具有適應(yīng)于汽車工業(yè)應(yīng)用的特征：無可動(dòng)部分，結(jié)構(gòu)簡單；啟動(dòng)時(shí)間短；小型，重量輕；功耗低；動(dòng)態(tài)范圍寬。 目前光纖陀螺在汽車工業(yè)中的應(yīng)用主要是：在汽車自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用；在汽車姿態(tài)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；在汽車控制儀器中的應(yīng)用。(2)光纖陀螺在列車導(dǎo)航中的應(yīng)用14以光纖陀螺為基礎(chǔ)的定位系統(tǒng)能夠給出列車運(yùn)行平面軌跡及列車前進(jìn)過程中的速度、加速度、方位角，方位角速度、側(cè)滾角、俯仰角等信息。這些信息通過天線發(fā)射到漏泄波導(dǎo)再傳輸?shù)搅熊囍笓]中心，經(jīng)中心計(jì)算機(jī)綜合性的實(shí)時(shí)處理，然后再傳至各次列車，供司機(jī)參考執(zhí)行。從而可以增加行車的安全度，縮短行車間隔時(shí)間，

18、提高車速和運(yùn)輸能力。這就是以光纖陀螺為基礎(chǔ)的智能化指揮系統(tǒng)。 (3)光纖陀螺還廣泛地應(yīng)用于航海航運(yùn)領(lǐng)域，如民用運(yùn)輸機(jī)、客機(jī)、商船、客輪、深井鉆探、隧道開掘機(jī)、機(jī)器人、農(nóng)用無人駕駛直升機(jī)、自動(dòng)草坪整修機(jī)以及慣性大地測量系統(tǒng)中。3 光纖陀螺的發(fā)展趨勢及展望光纖陀螺成本低、維護(hù)簡便，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。現(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，正逐步替代其它型陀螺。 目前，光纖陀螺的研究趨勢有：(1)采用三軸測量代替單軸，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)深入開發(fā)中

19、、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，開發(fā)新型的光纖陀螺B-FOG和FRLG等。光纖陀螺與第一代光學(xué)陀螺激光陀螺相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是不用在石英塊或其它材料中精密的加工光學(xué)回路，制造成本低；而且光纖陀螺能根據(jù)使用對(duì)象的要求，實(shí)現(xiàn)高、中、低不同精度的產(chǎn)品，激光陀螺由于加工工藝復(fù)雜，制造成本高，只適用于制作高精度的產(chǎn)品。因此，光纖陀螺具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。比如戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈(炮彈) 等只有幾分鐘甚至幾秒鐘的飛行時(shí)間，對(duì)陀螺儀的精度要求不是很高，但對(duì)陀螺的尺寸大小及抗沖擊性能有較高要求，又由于它們是一次性使用，要求陀螺儀的成本盡可能的低，能大批量生

20、產(chǎn)，光纖陀螺是非常理想的選擇。 4 結(jié)束語 到目前為止，光纖陀螺已從供戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的低精度型向?qū)Ш接玫闹芯群透呔刃桶l(fā)展，以光纖陀螺為基礎(chǔ)的慣性系統(tǒng)也開始在越來越多的場合得到應(yīng)用。隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)饫w陀螺的需求越來越大。北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等都開展了光纖陀螺的研制并取得了較大的成果?？傮w而言，我國在光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)用化上與國外先進(jìn)水平相比仍有較大差距。光纖陀螺技術(shù)將成為21世紀(jì)慣性技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展方向，必將在我國獲得更大發(fā)展，在軍民兩用領(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用。 參考文獻(xiàn)：1翁炬，田赤軍. 向高精度發(fā)展的干涉型光纖陀螺儀技術(shù)M. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，13(5)2Hotate K, Yamaurbi R. Impact of Advanced Optical Communication Tech