光纤陀螺的发展与应用

霍 雷，谢良平，2，谌尧周，王媛娣

(1.中航捷锐(北京)光电技术有限公司，北京 101500;2.中国航空工业集团西安飞行自动控制研究所，陕西西安 710065)

20世纪60年代末，位于华盛顿的美国海军实验室开始研究光纤陀螺技术，目的是研制出比激光陀螺成本更低、制造流程更简单、精度更高的光纤角速率传感器。1976年美国 Utah大学的 V.Vali和R.W.Shorthill研制出光纤陀螺(FOG)后，其结构设计和制造工艺已在美国、欧洲和亚洲的重要科研团队中得到重视。通过几十年的发展，解决了许多关键问题，使灵敏度比研制初期提高了4个数量级，并且角速度的测量精度已从最初的 15°/h 提高到 0.001°/h［1］。

与机电陀螺和激光陀螺相比，FOG具有以下特点:(1)全固态一体化，仪器牢固稳定、具有较强的耐冲击和抗加速度的能力。(2)光纤环使得光程增加，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺提高多个数量级，从而有效地克服了陀螺的闭锁问题。(3)无机械运动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命。(4)相干光束的传播时间极短，理论上可以瞬间启动。(5)易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可用数字输出，并直接与计算机接口联接。(6)具有较宽的动态范围。(7)结构简单、价格低、体积小、重量轻。

1 基本原理

光纤陀螺是以Sagnac效应为基本原理的一种传感器，只是研究者所采用的相位解调方式不同，或者对光纤陀螺的噪声补偿方法各异。以干涉型光纤陀螺为例，其基本光路系统如图1所示［2］。

图1 光纤陀螺的原理结构示意图

来自光源的光束通过分束器分成了两束光，这两束光分别从光纤线圈(光纤缠绕在半径为R的环上)两端耦合进入光纤传感线圈并反向传输。从光纤线圈两端出来的两束光，通过合束器后又重新复合，并产生干涉。若光纤线圈处在静止状态，从光纤线圈两端出来的两束光的相位差为零。如果光纤线圈以角速度Ω旋转，这两束光会由于Sagnac效应而产生相位差

其中，n为光纤匝数;λ为光波长;c为真空中的光速。通过相位解调提取Δφ，可利用上式求出Ω。

2 光纤陀螺的分类

从原理上讲，可将光纤陀螺分为干涉型光纤陀螺、谐振腔光纤陀螺、布里渊光纤陀螺、锁模光纤陀螺及法布里－珀罗光纤陀螺等5种［3］;就其结构而言也可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类;从相位解调方式来看，还可分为相位差偏置式光纤陀螺、光外差式光纤陀螺及延时调制式光纤陀螺。下面就干涉型光纤陀螺(I－FOG)和谐振腔光纤陀螺(R－FOG)作简单介绍。

2.1 干涉型光纤陀螺(I－FOG)

I－FOG在结构上就是光纤Sagnac干涉仪，如图2所示［4］。由式(1)可知，其将角速度Ω转化为相位差Δφ，再通过相位解调技术，把光相位的直接测量转化为光强度测量，这样就能较方便地测量出Sagnac相位变化，其是光纤陀螺中最早研究的，目前，已广泛应用于航空、航天、航海等领域。I－FOG中的光纤线圈一般都用单模光纤和保偏光纤制作。用保偏光纤制作光纤线圈可得到高性能FOG，但若要提高其灵敏度就必须增加光纤的长度，一般为数百米到数千米，这样会使FOG的体积较大，价格昂贵。I－FOG又被分为开环和闭环两种类型。开环式I－FOG直接检测干涉后的Sagnac相移，主要用作角速度传感器。这种光纤陀螺结构简单，价格便宜，但线性度差，动态范围小。闭环式I－FOG利用反馈回路由相位调制器引入与Sagnac相移等值反向的非互易相移，是一种较精密且复杂的FOG，主要用于中等精度的惯导系统。

图2 I－FOG原理结构图

2.2 谐振腔光纤陀螺(R－FOG)

图3所示是R－FOG的光路原理框图［5］。从激光器发出的光通过光纤耦合器1分成两路，再通过光纤耦合器2分别耦合进入光纤谐振腔，在其中形成相反方向传播的两路谐振光。谐振器静止时，这两束光的谐振频率相等。但若谐振器以角速度Ω旋转时，其谐振频率不再相等。由Sagnac效应可推出这两束谐振光的谐振频率差为［6］

式中，L为谐振器的光纤长度;S为谐振器所包围的面积;λ为光波长。由式(2)可见，通过测量R－FOG中两谐振光束的谐振频率差Δf，可确定旋转角速度Ω。由于对R－FOG的研究起步较晚，加之其对光源的要求苛刻，所以目前R－FOG还处于实验室研究阶段，距离工程应用还需一段时间。但与I－FOG相比，其具有光源稳定度高、所用光纤短、受环境影响小、成本低的优势，因此各国均投入大量人力对其进行研究，相信在不久的将来，R－FOG一定可以在惯性导航与制导等领域得到广泛应用。

图3 R－FOG的光路原理框图

3 关键性能参数

3.1 零偏和零漂

零偏是输入角速度为0时陀螺仪的输出量，以规定时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速度表示，理想情况下为地球自转角速度的分量。零漂即为零偏稳定性，表示当输入角速率为零时，陀螺仪输出量围绕其零偏均值的离散程度，以规定时间内输出量的标准偏差对应的等效输入角速率表示。零漂是衡量IFOG精度的基本指标。产生零漂的主要因素是沿光纤分布的环境温度变化在光纤线圈内引入的非互易性相移误差。通常为了稳定零漂，需要对IFOG进行控温或者温度补偿。另外偏振也会对零漂产生一定的影响，在IFOG中常采用偏振滤波和保偏光纤的方法消除偏振对零漂的影响。

3.2 标度因数

标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值，用某一特定直线斜率表示，是反映陀螺灵敏度的量，其稳定性和精确性是陀螺仪的一项重要指标，综合反映了光纤陀螺的测试和拟合精度。标度因数的稳定性无量纲，通常用百万分比(ppm)表示。标度因数的误差主要来源于温度变化和光纤偏振态的不稳定性。

3.3 随机游走系数

表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标，其反映了光纤陀螺仪输出的角速度积分随时间积累的不确定性。因此，也可称为角随机游走。随机游走系数反映了陀螺仪研制水平，也反映了陀螺仪最小可检测角速率。该误差主要来源于光子的随机自发辐射、光电探测器和数字电路引入的噪声和机械抖动。

3.4 阈值和分辨率

阈值表示光纤陀螺能感应的最小输入速率。分辨率表示陀螺仪在规定输入角速率下能感应的最小输入速率增量。阈值和分辨率都表征光纤陀螺仪的灵敏度。

3.5 最大输入角速度

表示陀螺正、反方向输入速率的最大值，表征陀螺的动态范围，即光纤陀螺可感应的速率范围。

4 关键技术

光纤陀螺内理想的互易特性是实现高灵敏度、高精确度的关键，但实际影响互易特性的因素很多，引起测量误差的因素和解决方法如下［7－8］:

(1)抑制光纤中的散射噪声。光纤中的后向瑞利散射及来自光纤端面的菲涅尔反射是FOG的主要噪声源。这些散射光会通过对其原点进行寄生干涉而引起测量误差。抑制这些散射噪声的有效方法目前主要有:采用低相干光源，对光源进行脉冲调制，光隔离器或折射率匹配液的方法消除反射;用宽带激光器、跳频激光器、相位调制器等作光源，破坏光源的时间相干性，使其后向散射光的干涉平均为零。

(2)改进半导体激光光源的噪声特性。FOG的检测灵敏度及精度直接受噪声的限制。要提高FOG的精度和分辨率，除采用低损耗保偏光纤和大功率光源外，还应改进光源的噪声特性及研制出量子效率高的光电检测器，以最大限度地抑制FOG内部产生的有害噪声。

(3)减小温度引起的系统漂移。温度是引起系统漂移的又一重要原因。对于高灵敏度的FOG而言，克服温度的影响尤为重要。由于光纤线圈周围的温度场对光纤线圈的作用是不均匀的，从而会引起非互易相移的随机漂移。因此，须对光纤线圈进行恒温处理，如用铅箔进行屏蔽隔离并进行适当的温度补偿等，以减小温度引起的系统漂移。

(4)改善功能元件的性能。FOG内的功能元件较多，如偏振镜、分束器、合束器、相位调制器以及光电检测器等，进一步改善这些功能元件的匹配及相位漂移是提高其检测灵敏度和精度、降低短期漂移率的保证。

(5)抑制光电检测器及电路的噪声。光电检测器的散粒噪声及电路的白噪声等也是影响FOG检测灵敏度和测量精度的重要因素。对于电路的白噪声，可以选择高于1 kHz的相位调制频率来减小噪声;也可选用高输入阻抗的低噪声前置放大电路来提高信噪比;对于光电检测器的散粒噪声，以目前的情况看，采用高量子效率光电检测器、低损耗保偏光纤和大功率激光光源等，则有较好的抑制效果。

(6)提高FOG的环境适应性。提高FOG在振动、变形和加速度等条件下的稳定性并扩大测定旋转速度的动态范围，能提高其可靠性及环境适应性，也是导弹制导、飞机和舰艇导航以及卫星、地形匹配跟踪等恶劣环境条件下对FOG的基本要求。减少FOG的测量误差并提高其分辨率、灵敏度，则是获得上述诸多特性的前提。

5 发展现状及未来趋势

随着光纤技术的发展，预计本世纪前20年内，光纤陀螺的主要技术指标将达到高性能惯导系统的要求，逐步替代惯性陀螺［9］。美国1990年～2000年各类陀螺仪在军用装备中所占比例的变化:惯性陀螺由86%下降到35%;激光陀螺由14%略增到16%，并从1995年开始未见上升;而光纤陀螺由0%增至49%，由此可看出，光纤陀螺的应用前景广阔。光纤陀螺由无到有是因为国外中低精度等级已产品化，高精度的研究和开发也正逐步走向成熟。美国的Litton和Honeywell公司代表了国际上FOG技术的最高水平。Litton公司的闭环光纤陀螺的零偏误差已优于0.001°/h，标度因数误差＜10 ppm;Honeywell公司也是FOG研制的强有力竞争者，据报道其产品最高精度已达到0.000 38°/h。

我国从20世纪80年代初开始进行光纤陀螺研制。目前，国内FOG的研制水平已接近惯性导航系统的中低精度要求。大多数在工程实用阶段初期，没有可靠性数据。根据中航自控所和北航联合成立的中航捷锐公司的预研项目验收指标，其研制的I－FOG测试精度优于0.005°/h，具备工程应用能力。

预计在未来的10年内，不仅飞机、舰船以及导弹等均将装备光纤陀螺用于导航和制导，且卫星、宇宙飞船上也将装备光纤陀螺用于与地形跟踪匹配和导向。在民用上，光纤陀螺可用于汽车业、医疗和石油勘钻导向，特别在多种工业上的应用具有很大的潜力。FOG作为一种新型的角速度传感器，具有比传统陀螺更大的优势。随着工艺设备、加工手段、材料科学的进一步发展，FOG的研制将更趋完备，国内工程研究会从以下几个方面展开:提高温度适应性、抑制漂移、提高测量灵敏度、扩大测量范围、小型化低成本。

6 结束语

经过30多年的不断研究，光纤陀螺技术已经达到了较高水平，随着关键技术的突破，主要指标已接近或达到高性能惯导的要求。在不久的将来，光纤陀螺会逐步替代静电陀螺、激光陀螺，用于体现国防尖端科学技术水平的战略武器，也会广泛应用于飞机、船舶和汽车的导航系统，火炮和雷达系统的稳定控制系统等国防建设领域。随着成本的降低，在石油钻井和机器人控制等国民经济和民用运载方面将发挥更大作用。

［1］ 李芃博．光纤陀螺自动化测试系统设计［J］．电子科技，2015，28(4):160 －165．

［2］ 郭安华，张帆，杨俊杰，等．光纤Sagnac环的研究现状及其应用［J］．光电技术应用，2013，28(6):18－22．

［3］ 兰远鸽，刘毅锟，张宏刚，等．航空摄影测量中位置姿态测量系统的现状分析［J］．遥感信息，2013，28(6):121 －124．

［4］ Sun Xiaomeng，Zhou Linjie，Xie Jingya，et al．Tunable silicon comb filters based on fabry－perot resonators formed by sagnac loop mirrors［C］．Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference，2013:1 －3．

［5］ 邵敏，乔学光，傅海威，等．基于长周期光纤光栅和Sagnac环的温度和折射率的区分测量［J］．光电子·激光，2012(8):1442－1446．

［6］ 陈塞崎，袁冬莉，闫建国，等．光纤陀螺综述［J］．光纤与电缆及其应用技术，2005(6):4－7．

［7］ 金杰，王玉琴．光纤陀螺研究综述［J］．光纤与电缆及其应用技术，2003(6):4 －7．

［8］ 孙丽，王德钊．光纤陀螺的最新进展［J］．航天控制，2003(3):75－80．

［9］ 胡卫东．光纤陀螺发展评述［J］．红外技术，2001，23(5):29－33．