1、光纖陀螺儀的應用及發展谷軍，藺曉利，何南，姜鳳嬌，鄧長輝（大連海洋大學信息工程學院）摘要：本文介紹了光纖陀螺的工作原理，并根據光纖陀螺的特點介紹了在各個領域的應用，闡述了光纖陀螺在國內外的發展現狀，并指出了光纖陀螺的發展趨勢。從發展角度看，光纖陀螺儀將成為21世紀前期的發展重點。 關鍵詞：光纖陀螺；現狀；應用；0 引言薩格納克（Sagnac）在1913年首先論證了運用無運動部件的光學系統能夠檢測出相對慣性空間的旋轉的奇特現象，現在統稱為薩格納克效應。1976年Vali和Shorthill首次提出了光纖陀螺（Fiber optic gyro）的概念，它標志著第二代光學陀螺的誕生。光纖陀螺一問世就

2、以其明顯的優點、結構的靈活性以及誘人的前景引起了世界上許多科學家和工程師的普遍關注。國內對光纖陀螺的研究也有20多年的歷史，經歷開環到閉環的研究歷程。在20多年的研究過程中，光纖陀螺的廣泛應用前景已經得到了專家的認可，光纖陀螺作為慣性技術的核心器件，已經逐漸成為陀螺市場的主流產品。人類對光纖陀螺的需求也變得十分迫切。光纖陀螺的應用非常廣泛，是基于Sagnac效應的原理工作的。作為繼激光陀螺儀之后出現的新一代陀螺，各國的研制工作已經取得了重大的進展。光纖陀螺儀的研制對慣性導航和控制領域十分重要，隨著計算機、微電子和光纖技術的發展和應用，它將取代傳統的機械陀螺和平臺慣導系統。與機械陀螺相比，光纖陀

3、螺無運動部件、使用壽命長；全固化結構、抗沖擊能力強；測量動態范圍大、無預熱時問、啟動時問短；不受地球吸引力影響；工藝相對簡單，價格便宜；對捷聯應用有先天優勢。與激光陀螺相比，光纖陀螺的成本低、性價比高；體積小、功耗低、應用靈活；克服了激光陀螺閉鎖帶來的負效應；隨著工藝和信號處理方案的發展，精度也可以和激光陀螺相當。1 光纖陀螺儀 光纖陀螺儀是光學陀螺儀的一種。所謂光學陀螺儀就是利用薩格納克Sagnac)效應構成的陀螺儀。利用光纖線圈構成的干涉儀效應來敏感角運動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動的裝置稱為諧振型光纖陀螺儀(RFOG)；利用布里淵光纖環形激光器

4、的頻率變化原理構成的測角裝置稱為布里淵光纖陀螺儀(BFOG)。由于光學陀螺儀不象傳統陀螺那樣，依靠自轉子的動量矩來敏感角運動。所以國外學術界也把這類陀螺定義為非陀螺儀角運動敏感器。1.1光纖陀螺儀的特點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：（1）無運動部件，儀器牢固穩定，耐沖擊和抗加速度運動；（2）結構簡單，零部件少，價格低廉；（3）啟動時間短（原理上可瞬間啟動）；（4）檢測靈敏度和分辨率高（可達10 -7rad/s）；（5）可直接用數字輸出并與計算機接口聯網；（6）動態范圍極寬；（7）壽命長，信號穩定可靠；（8）易于采用集成光路技術；（9）克服了激光陀螺因閉鎖現象帶來的負效

5、應。光纖陀螺最大的特點是可根據不同的用途，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用范圍。與傳統陀螺儀(液浮陀螺儀、動力調諧陀螺儀、靜電陀螺儀)相比，光纖陀螺儀的特點如表一所示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力調諧陀螺靜電陀螺環形激光陀螺光纖陀螺價格高低高低低可靠性普通普通普通高高耐環境性良普通良優優動態誤差小大小小小對數字系統適應性良良良優優啟動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，即在一閉合回路中，沿順時針(CW)

6、方向和逆時針(CCW)方向傳播的兩束光光程差L與閉合回路的旋轉角速度及回路面積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；設光纖圈的面積；設光纖圈直徑為D；L為光纖敏感環的光纖總長度，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 ，就可以確定旋轉角速度，這就是Sagnac效應。再通過角速度的時間積分即可確定旋轉體的角位置或方位角。 1.3光纖陀螺儀的類型   就原理與結構而

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)、環形諧振腔光纖陀螺儀(R-FOG)、受激布里淵散射環形激光陀螺儀(B-FOG)。干涉型光纖陀螺是迄今為止，發展比較完善的一類光纖陀螺。廣泛應用于各領域，稱為第一代光纖陀螺。它又可分為：消偏型；全保偏光纖型；集成光學器件型。 環形諧振腔光纖陀螺是采用光纖作為諧振器來敏感角運動的裝置，被稱為第二代光纖陀螺。又可分為：光纖式；光波導式。 受激布里淵散射環形激光陀螺是一種利用光纖環形腔中的受激布里淵散射的方向性增益效應來實現利用Sagnac效應檢測諧振速率，其原理與激光陀螺儀完全相似。被稱為第三代，正在進行理論研究，比

8、前兩代具有更大的優越性。由于無需復雜的調制解調檢測技術，國際上倍受重視。他們具有不同的結構，決定了各自的特點及使用范圍，工作原理都是采用直接檢測干涉后的Sagnac相移來得到旋轉角速度2， 3。從檢測相位的方法來看，它又可分為開環與閉環兩種類型。開環陀螺直接探測干涉后的Sagnac相移，而閉環陀螺則是利用反饋回路由相位調制器引入與Sagnac相移等值反向的非互異相移。1.4 光纖陀螺儀的關鍵技術    光纖陀螺儀需要突破的主要技術為靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移。 1. 靈敏度消失是指在旋轉速率接近零時，靈敏度會消失。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。為了達到低噪聲，應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，就會產生飄移。造成光路長度差的原因是單模光纖有兩正交偏振態，此兩種偏振態光波一般以不同速度傳播。由于環境影響，使兩正交偏振態隨機變化。光纖陀螺儀與激光陀螺儀相比，有許多突出的優點，若用于導彈制導以及飛機、艦艇導航和衛星跟蹤，尚存在某些關鍵技術需要解決。根據光纖陀螺儀的工作原理及其光纖環的繞制方法和繞制工藝，其核心部件光纖對溫度極為敏感，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生誤差源有效解決途徑兩束光間的光程差進行溫度補償，用光隔離器消除回光的影響溫度漂移Shupe誤差采用溫度系數小的光纖和被覆材料，打破常規圓柱形繞法，采用國際上通用的四級對稱方法來繞制光纖環溫度相位噪聲采用溫度系數小的光纖和被覆材料，在光纖環本振頻率上進行調制/解調偏振變化采用保偏光纖或采用偏振面補償裝置及退偏振鏡后向瑞利散射采用超發光二極管等低相干光源或對后向散射光提供頻差并對光源進行脈沖調

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進行電磁屏蔽和使用保偏光纖和大功率激光源克爾效應采用低相干光源2光纖陀螺儀的發展及應用2.1光纖陀螺儀的發展現狀由于光纖陀螺無以倫比的優點，使其在機動載體和軍事技術的應用非常理想，因此頗受用戶，特別是軍方的高度重視，并在近幾年進行了大量的研究和實驗，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展。在國內，光纖陀螺的研究起步較晚且集成光學技術和保偏光纖技術相對落后，又由于發達國家的技術封鎖，所以發展較慢。但在國外光纖陀螺的迅猛發展形

12、勢下，自1987年起光纖陀螺的研制被列入重點發展計劃，北京航空航天大學、航天部13所、33所、浙江大學、哈爾濱工程大學等單位投入很大力量進行研究，并取得一定成績，目前，國內光纖陀螺的研制水平已接近慣性導航系統的中、低精度要求。表三、表四是目前國內外各單位光纖陀螺應用水平5，6。表三 國內各公司光纖陀螺應用水平單位名稱主要性能：零偏穩定性應用情況北京航空航天大學0.005°/h有完整的光纖陀螺生產線，光纖陀螺的實驗室水平達到國際水平浙江大學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系統總體部0.01°/h大量應用于路用裝甲車輛、自行火炮以及布撒

13、器等彈載系統。捷聯慣導系統已經可以取代法國的SICMA300航天時代電子公司0.01°/h應用于航空、航天領域表四 國外各公司光纖陀螺應用水平公司名稱主要性能:零偏穩定性應用情況利頓（美國）0.0081°/h1987年為美國陸軍設計火炮制導系統，能承受2000g的加速度。20世紀90年代初應用于海軍艦載機導航和火控系統。霍尼韋爾（美國）0.0003 8°/h主要研究高精度光纖陀螺，主要用于潛艇導航系統和深層空間飛行。民用方面包括波音777飛機和石油鉆井導向。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全光纖型集成光學型光纖陀螺，以商業化。日立（日本）10°/h的中低精度民品主要用于車載導航如警車、高端轎車等，產能達到每月5000套。2.2光纖陀螺的應用由于光纖陀螺與傳統陀螺相比具有許多重要特征，如啟動時間短、重量輕、穩定可靠、寬動態范圍、功耗小、成本低等，所以在航海、宇航、空中運載器、交通運輸以及機器人等軍用、民用的許多領域都有著廣闊的應用前景7-9。光纖陀螺的應用領域如表五所示：表五 光纖陀螺的應用領域零偏穩定性（°/h）應用領域10陸地交通工具導航，機器人姿態控制，

15、照相機或者天線穩定裝置110無人駕駛飛機，戰術導彈制導0.11.0導航參考系統（SHRS），衛星姿態測量0.010.1火炮捷聯慣導，航空器導航，地球測量，衛星定位0.0010.01航空航天慣導系統，航海導航0.001精密航天器應用，精密瞄準與跟蹤2.2.1光纖陀螺在軍用領域的應用10，11(1)軍用直升飛機、運輸機、戰斗機和戰略轟炸機，以及軍用人造衛星等慣性導航系統。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系統的大動態范圍、高線性度、高穩定度和數字輸出的要求，而且價格低廉。(2)戰術武器制導和飛行姿勢方位基準裝置用陀螺。不少空軍戰術武

16、器系統，諸如改進的中近程空對地導彈、空對空導彈、大面積掃裝甲彈等都需要慣性參考系統。(3)戰略巡航導彈用陀螺.戰略巡航導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。一個小而精確的捷聯慣性系統將能給戰略巡航導彈提供制導、自動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、火力控制、高緯度姿勢參考系統等都需要高精度慣性傳感器。(5)對陸軍來說，陀螺主要用于陸地慣性導航系統和慣性大地測量系統。(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彈核潛艇的慣性導航系統。2.2.2光纖陀螺在民用領域的應用 (1)光纖陀螺在汽

17、車工業中的應用12，13 作為旋轉角速度傳感器之一的光纖陀螺具有適應于汽車工業應用的特征：無可動部分，結構簡單；啟動時間短；小型，重量輕；功耗低；動態范圍寬。 目前光纖陀螺在汽車工業中的應用主要是：在汽車自動導航系統中的應用；在汽車姿態控制系統中的應用；在汽車控制儀器中的應用。(2)光纖陀螺在列車導航中的應用14以光纖陀螺為基礎的定位系統能夠給出列車運行平面軌跡及列車前進過程中的速度、加速度、方位角，方位角速度、側滾角、俯仰角等信息。這些信息通過天線發射到漏泄波導再傳輸到列車指揮中心，經中心計算機綜合性的實時處理，然后再傳至各次列車，供司機參考執行。從而可以增加行車的安全度，縮短行車間隔時間，

18、提高車速和運輸能力。這就是以光纖陀螺為基礎的智能化指揮系統。 (3)光纖陀螺還廣泛地應用于航海航運領域，如民用運輸機、客機、商船、客輪、深井鉆探、隧道開掘機、機器人、農用無人駕駛直升機、自動草坪整修機以及慣性大地測量系統中。3 光纖陀螺的發展趨勢及展望光纖陀螺成本低、維護簡便，正在許多已有系統上替代機械陀螺，從而大幅度提高系統的性能、降低和維護系統成本。現在，光纖陀螺已充分發揮了其質量輕、體積小、成本低、精度高、可靠性高等優勢，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，研發多功能集成光學芯片、保偏技術等，加大光纖陀螺的小型化、低成本化力度；(2)深入開發中

19、、低精度光纖陀螺的應用，特別是民用慣性導航技術；(3)加強精密級光纖陀螺的技術與應用研究，開發新型的光纖陀螺B-FOG和FRLG等。光纖陀螺與第一代光學陀螺激光陀螺相比，最大的優點是不用在石英塊或其它材料中精密的加工光學回路，制造成本低；而且光纖陀螺能根據使用對象的要求，實現高、中、低不同精度的產品，激光陀螺由于加工工藝復雜，制造成本高，只適用于制作高精度的產品。因此，光纖陀螺具有更廣闊的應用領域。比如戰術導彈、制導炸彈(炮彈) 等只有幾分鐘甚至幾秒鐘的飛行時間，對陀螺儀的精度要求不是很高，但對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，光纖陀螺是非常理想的選擇。 4 結束語 到目前為止，光纖陀螺已從供戰術應用的低精度型向導航用的中精度和高精度型發展，以光纖陀螺為基礎的慣性系統也開始在越來越多的場合得到應用。隨著我國工業現代化的發展，各領域對光纖陀螺的需求越來越大。北京理工大學、北京航空航天大學等都開展了光纖陀螺的研制并取得了較大的成果。總體而言，我國在光纖陀螺關鍵技術及實用化上與國外先進水平相比仍有較大差距。光纖陀螺技術將成為21世紀慣性技術重點發展方向，必將在我國獲得更大發展，在軍民兩用領域得到更廣泛應用。 參考文獻：1翁炬，田赤軍. 向高精度發展的干涉型光纖陀螺儀技術M. 中國慣性技術學報，2005，13(5)2Hotate K, Yamaurbi R. Impact of Advanced Optical Communication Tech