光纖陀螺儀

自從1976年美國猶他大學的VALI和SHORTHILL等人成功研製第1個光纖陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以來，光纖陀螺已經發展了30多年。在30多年的發展過程中，許多基礎技術如光纖環繞制技術等都得到了深入地研究。

光纖陀螺儀的突出特點使其在航天航空、機載系統和軍事技術上的應用十分理想，因此受到用戶特別是軍隊的高度重視，以美、日、法為主體的光纖陀螺儀研究工作已取得很大的進展。光纖陀螺儀研究工作大部分集中在干涉式，只有少數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90年代初才陸續展開，中低精度的光纖陀螺(特別是干涉式光纖陀螺)己經商品化，並在多領域內應用，高精度光纖陀螺儀的開發和研製正走向成熟階段。

在國外，l°/h至0.01°/h的工程樣機已用於飛行器慣性測量組合裝置。美國利頓公司已將0.1°/h的光纖陀螺儀用於戰術導彈慣導系統。新型導航系統FNA2012採用了l°/h的光纖陀螺儀和衛星導航GPS．美國國防部決定光纖陀螺儀的精度1996年達到0.01°/h ；2001年達到0.001°/h；2006年達到0.0001°/h ，有取代傳統的機械陀螺儀的趨勢。

1.美國

美國的光纖陀螺研製單位有：利頓公司、霍尼威爾公司、德雷泊實驗室公司、斯坦福大學以及光纖感測技1術公司等。

（1）利頓公司研製的光纖陀螺

利頓公司的光纖陀螺技術在低、中精度應用領域已經成熟，並且已經產品化。1988年研製出SCIT實驗慣性裝置，關鍵器件是光纖陀螺和硅加速度計。1989年公司研製的CIGIF論證系統飛行試驗裝置。1991/1992年研製出用於導彈和姿態與航向參考系統的慣性測量系統。1992年研製出GPS/INS組合導航系統。

（2）霍尼韋爾公司的集成光學光纖陀螺

霍尼韋爾公司研製的第一代高性能的干涉儀式光纖陀螺採用的是Ti內擴散集成光學相位調製器。採用的其他器件還有0.83um寬頻光源、光電探測器/前置放大器模塊、保偏光纖偏振器、兩個保偏光纖熔融型耦合器以及由1km保偏光纖構成的感測環圈。

為了滿足慣性級光纖陀螺的要求，霍尼韋爾公司研製的第二代高性能干涉儀式光纖陀螺採用了集成光學多功能晶元技術以及全數字閉環電路。

（3）美國德雷珀實驗室

美國德雷珀實驗室從1978年起為JPL空間應用研製高精度光纖陀螺，曾研製過諧振腔

式光纖陀螺，研製了9年，由於背向散射誤差限制了精度，後來改為採用干涉儀式方案。

在研製干涉儀式光纖陀螺的過程中，採用了三大技術措施：

a.把光源、探測器和前置放大器做成一個模塊；

b.光纖感測環圈結構影響精度很大，採用了無骨架繞制光纖環圈的技術途徑；

c.多功能集成光學器件模塊，包括了所有其餘的光纖陀螺的光纖器件。

德雷珀實驗室的研究人員認為：目前0.01°/h的干涉儀式光纖陀螺成本較高，需要研製自動生產線，降低成本，保證質量。

對於今後的發展問題，德雷珀實驗室的研究人員認為：

a.慣性級的干涉儀式光纖陀螺儀，可以取代動力調諧陀螺儀，並逐漸取代激光陀螺儀；

b.慣性級干涉儀式光纖陀螺儀的難點是必須採用1km長度的保偏光纖，如果改用諧振腔式光纖陀螺儀方案，則長度可減為10m左右的光纖。為此諧振腔式光纖陀螺仍在作為研製方向，使光纖陀螺儀小型化的諧振腔式光纖陀螺的難點在於：控制電路比干涉儀式光纖陀螺複雜。隨著ASIC技術的發展，將來有可能得到滿意的解決，使諧振腔式光纖陀螺成為產品。採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展前景。

2.日本

日本研製光纖陀螺的單位有東京大學尖端技術室、日立公司、住友電工公司、三菱公司、日本航空電子工業公司。

日本的干涉式光纖陀螺儀已經完成了基礎研究，正進入實用化階段。偏值漂移已經達到。東京大學進行研究的諧振腔光纖陀螺儀取得了很大進展。

日立公司研製用於汽車導航系統的光纖陀螺，1991年用於日產汽車。

在日本，光纖陀螺作為汽車的旋轉速率感測器已進入市場。利用光纖陀螺儀進行導航時，用車輪轉速計感測器測移動距離，用光纖陀螺測量車體的迴轉，同時採用圖象匹配、GPS系統等配合計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型。全光纖型採用的是光纖技術，即所有的光纖器件都做在同一根光纖上。

Fizoptika公司研製的光纖陀螺已經商品化，產品型號有：VG949、VG941B等。

4.中國

我國也非常重視光纖陀螺技術的研究，上世紀80年代后，許多大學和研究所相繼啟動光纖陀螺的研發項目，如航天工業總公司所屬13所和上海803所、北京航空航天大學、清華大學、浙江大學等，也取得了一定的成績，如1996年，航天總公司13所成功研製採用Y分支多功能集成光路、零偏穩定性達全數字閉環保偏光纖陀螺，浙江大學和Honeywell公司幾乎同時發現利用消偏可提高精度等。國內的光纖陀螺研製水平雖然與國際水平有一定距離，但已具備或接近中、低精度要求，並在近年來開始嘗試產業化。

我國海軍新型導彈配光纖陀螺儀發射試驗3發3中，也標誌我國的光纖陀螺儀技術取得了很大的成功。

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，正逐步替代其他型陀螺。

今後光纖陀螺的研究趨勢有:(1)採用三軸測量代替單軸，研發多功能集成光學晶元、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、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。

與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

陀螺儀原理上就是運用物體高速旋轉時，角動量很大，旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質，所製造出來的定向儀器。傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構複雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來，現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。Vali等提出了現代光纖陀螺儀的基本設想，到八十年代以後，現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展，由於光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。

1. 靈敏度消失

在旋轉速率接近零時，靈敏度會消失。這是由於檢測器中的光密度正比於Sagnac相移的餘弦量所引起。

2. 雜訊問題

光纖陀螺儀的雜訊是由於瑞利背向散射引起的。為了達到低雜訊，應採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。由於環境影響，使兩正交偏振態隨機變化。

4. 偏振狀態改變引起的比例因子不穩定。

現代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一個環形的通道中前進時，如果環形通道本身具有一個轉動速度，那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度，這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉，也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度，就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實現干涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實現干涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。光纖陀螺儀具有很高的精度和靈敏度。現在比較先進的光纖陀螺儀已經達到0.01度/hr.比較典型的光纖陀螺應該具有量程寬，精度高，響應快，靈敏度高,，模擬和數字輸出，堅固可靠，不受電磁，震動影響等特點。因此光纖陀螺已成為準確控制，高精度角速度測量的首選應用。

1零偏和零漂

零偏是輸入角速度為零(即陀螺靜止)時陀螺儀的輸出量，用規定時間內測得的輸出量平均值對應的等效輸入角速度表示，理想情況下為地球自轉角速度的分量。零漂即為零偏穩定性，表示當輸入角速率為零時，陀螺儀輸出量圍繞其零偏均值的離散程度，用規定時間內輸出量的標準偏差對應的等效輸入角速率表示。零漂是衡量FOG(光纖陀螺)精度的最重要、最基本的指標。產生零漂的主要因素是沿光纖分佈的環境溫度變化在光纖線圈內引入的非互易性相移誤差。通常為了穩定零漂，常需要對IFOG進行溫度控制或者溫度補償。另外偏振也會對零漂產生一定的影響，在IFOG中常採用偏振濾波和保偏光纖的方法消除偏振對零漂的影響。

2標度因數

標度因數是陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值，在坐標軸上可以用某一特定直線斜率表示，它是反映陀螺靈敏度的指標，其穩定性和精確性是陀螺儀的一項重要指標，綜合反映了光纖陀螺的測試和擬合精度。標度因數的穩定性無量綱，通常用百萬分比(ppm)表示。標度因數的誤差主要來源於溫度變化和光纖偏振態的不穩定性。

3隨機遊走係數

表徵光纖陀螺儀中角速度輸出白雜訊大小的一項技術指標，它反映的是光纖陀螺儀輸出的角速度積分隨時間積累的不確定性，因此也可稱為角隨機遊走。隨機遊走係數反應了陀螺儀的研製水平，也反映了陀螺儀最小可檢測的角速率。該誤差主要來源於光子的隨機自發輻射、光電探測器和數字電路引入的雜訊和機械抖動。

4閾值和解析度

閾值表示光纖陀螺能感應的最小輸入速率。解析度表示陀螺儀在規定輸入角速率下能感應的最小輸入速率增量。閾值和解析度都表徵光纖陀螺儀的靈敏度。

5最大輸入角速度

表示陀螺正、反方向輸入速率的最大值，表徵陀螺的動態範圍，即光纖陀螺可感應的速率範圍。