高精度光子晶体光纤陀螺设计及在轨应用验证

杨 博，滕 飞，张智昊，李 勇，陈小娟，宋凝芳

（1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.北京航空航天大学，北京 100191）

光纤陀螺是基于光学Sagnac 效应发展成熟的一款全固态、高可靠和高精度惯性仪表。目前，干涉式光纤陀螺已在航天、航空和航海领域得到了广泛的应用，尤其是在航天器的姿态控制方面，光纤陀螺能够实现惯性空间姿态信息的准确、全面获取，为航天器的控制提供全方位的数据以提升整个控制系统的精度和稳定性[1-5]。

目前，国际上以美国的Honeywell 公司、法国Ixblue 公司、俄罗斯Optilink 公司等为典型代表的宇航级光纤陀螺产品供应商相继开发出适用不同应用需求的光纤陀螺产品，在通信、导航和遥感卫星领域得到了大量的应用。以美国为例，2016年有报道称Honeywell 公司研制的最高精度光纤陀螺的零偏稳定性已达到0.00003°/h、随机游走0.000016°/h[6]。欧洲的光纤陀螺研发工作主要集中在法国，其中法国Ixblue 公司和欧洲空客防务航天公司（ADS）联合研制的Astrix200 为一款四通道IMU 产品，采用分体式单通道结构组成3 斜装1 正装产品，组件重量约7.5 kg、精度0.0005°/h 的技术指标，并在Pleiades 卫星等型号上得到推广应用[7]。俄罗斯在宇航级高精度光纤陀螺的研制方面采用的是一体化单通道设计理念，通过对单轴的光路和检测电路进行优化后，SRS5000 单通道产品实现Φ250 mm×45 mm 尺寸下随机游走系数优于0.00015°/h 的指标，并基于此开发出了3 正交、3 斜装捷联惯导系统[8]。

光子晶体光纤的基本原理是通过对周期性的微结构孔进行优化以实现高双折射、弱温度相关性等光学性能，基于其典型结构特性，在光纤制作过程中仅需一种材料，因此不涉及到普通保偏光纤由掺杂带来的损耗在辐照环境下急剧增大的缺点[9-11]。这种特性在空间领域能够显著提升光纤陀螺的抗辐照性从而提升寿命。而在近年来，随着我国侦察、测绘等遥感卫星平台的对地分辨率逐步提高，为了保证卫星平台的高稳定度，需要光纤陀螺具有较高的测量精度，同时还需尽量减小测量噪声并提高分辨率。另一方面，为了进一步提升敏感器的在轨寿命，需要光纤陀螺在辐照和复杂温变环境下具备较强的适应性。

针对此，本文提出开展高精度光子晶体光纤陀螺技术研究，通过对实芯光子晶体光纤的特性进行优化，完成高性能光子晶体光纤的设计、拉制及光子晶体光纤环的绕制，同时对限制陀螺精度提升的检测方法进行优化，实现零漂优于0.001°/h 的技术指标，并开展在轨性能验证。

1 光子晶体光纤陀螺原理及设计

光子晶体光纤陀螺的基本原理如图1所示，组成上包括敏感环组件、光源组件和检测电路等。光源组件包括ASE 光源和耦合器，敏感环组件包括光电调制器和光纤环等，其中光纤环由光子晶体光纤绕制而成。检测电路以FPGA 为核心进行闭环检测，基本原理是通过检测光纤环中顺逆时针光波由旋转引起的光程差，经数字电路处理后得到外界的角速率信息。

图1 光子晶体光纤陀螺原理简图Fig.1 Schematic diagram of photonic crystal fiber gyroscopes

光子晶体光纤陀螺与保偏光纤陀螺的最大区别是采用光子晶体光纤进行超长距离光纤环的绕制，同时为了满足宇航领域复杂环境工况对高精度和高可靠性的需求，产品在开发过程中重点从如下方面开展设计工作：

1.1 光子晶体光纤及光纤环

光子晶体光纤是通过在光纤端面设计不同排布方式的空气孔以实现具有特定特性的特种光纤，作为近些年来逐步发展成熟的新一代光纤类型，光子晶体光纤以其潜在的抗辐照、温度弱敏感特性在宇航领域具有巨大的潜在应用前景。光子晶体光纤在工程应用方面不可避免地要跟保偏光纤熔接，因此两种光纤的模场匹配是重点考虑对象，为了解决模场不匹配带来的损耗增大、可靠性差的难题，需要对光子晶体光纤的模场和双折射进行分析，结合工程化需求完成光子晶体光纤的端面设计。由于光波在光子晶体光纤中的传输同样遵循电磁场的基本定律，即Maxwell 方程组：

式(1)-(4)中，ρ为电荷密度：B、H、D和E分别表示磁感强度、磁场强度、电感强度和电场强度。为此，本文基于矢量有限元模型，对Maxwell 方程组进行求解，并加入边界条件后可对光子晶体光纤的模场特性进行分析。通过对光子晶体光纤的端面进行建模，得到了如式(5)所示的模场面积：

在式(5)中，Et为求解得到的光纤截面电场分布，S为光纤的截面面积。

光子晶体光纤的双折射B可以表示如下：

本文提出的光子晶体光纤结构如图2(a)所示，通过矢量有限元方法对模场分布进行了仿真分析及优化，实现了模场直径小于8 μm 的技术指标。基于此，还开展了实芯光子晶体光纤的拉直，端面实物照片如图2(b)所示。测试结果表明，光子晶体光纤的串音实测值＜-24 dB/km、损耗＜1.1 dB/km。

图2 实芯光子晶体光纤Fig.2 Solid-core photonic crystal fiber

根据理论分析，光纤陀螺的精度受限于散粒噪声、光源相对强度噪声、暗电流和探测器热噪声，四类噪声源产生的机理各异，各自为独立随机过程，满足功率叠加原理。随机游走系数RWC 如式(7)所示。

式(7)中各个参数的物理量意义如表1所示。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

基于光子晶体光纤长寿命的潜力，本文开展了光子晶体光纤技术在0.001°/h 光纤陀螺产品中的应用研究，由于产品精度与LD 密切相关，光纤环的尺寸受产品结构及体积约束，为了在尽可能提升精度的同时保证产品的紧凑性设计，同时实现产品的可制造性，本文通过式(7)对产品的精度进行了理论分析，分析了随机游走系数与光纤长度的关系如图3(a)所示。当光纤长度为 3800 m 时，随机游走系数为9.812×10-5°/。据此，设计的光纤环尺寸如图3(b)所示，高度和宽度分别为22 mm 和11 mm。

图3 光纤环设计Fig.3 Design of fiber ring

0.001°/h 精度产品需绕制数公里长的光子晶体光纤，因此需开展超长距离光子晶体光纤环绕制技术研究。绕环时如果光纤张力过大或控制不稳会使光纤环内部产生寄生应力，甚至破坏光子晶体光纤的特性，使得偏振串音增加，带来强度或相位噪声，导致光纤环性能下降。张力的控制主要难点在于绕环全过程无法保持张力稳定，尤其是在每层的边缘或换层时张力有一个突变，导致光纤环性能变差。通过优化张力控制方法，保证绕环过程中张力精确、稳定。针对此，项目组完成了精确动态张力控制方法的研究及脱骨架光纤环绕制工艺的改进，最终完成3800 m 光子晶体光纤环的绕制，实物照片如图4(b)所示。

图4 光子晶体光纤环照片Fig.4 Photos of photonic crystal fiber ring

1.2 高功率ASE 光源

在高精度光子晶体光纤陀螺中，光子晶体光纤的损耗与传统保偏光纤相比仍然较大，因此为了保证到达检测电路的光信号满足高信噪比检测的要求，同时保证光谱的对称性，从而降低非互易相移，对ASE 光源提出了功率大于5 mW、光谱应为高斯型的应用需求，本文针对此提出开展介质薄膜滤波技术在双程前向ASE 光源结构中的应用研究，通过设计光学滤波器实现高斯谱型，从而有效抑制典型“双峰”光谱由环境波动导致的性能波动。

ASE 光源的原理框图如图5(a)所示，组成上包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、反射镜和隔离器五个光学器件。本文通过对掺铒光纤的长度和泵浦激光器的功率进行优化，得到了如图5(b)所示的典型“双峰”光谱，同时为了得到高斯型光谱，采用介质薄膜滤波技术设计了光学滤波器以实现光谱整形。

图5 ASE 光源方案Fig.5 Schematic diagram of ASE source

介质薄膜滤波器的原理是基于光的干涉现象，光信号在入射到介质表面时其透过率、反射率随着波长和介质厚度发生改变，透射原理如图6所示。

图6 介质薄膜滤波原理图Fig.6 Schematic diagram of thin film filter

通过对“双峰”光谱进行分析，结合介质薄膜滤波原理设计了如图6(c)所示透射谱的滤波器方案，并实现了在ASE 光源上的性能验证，光功率在6.3 mW以上，实测光谱如图7所示：光源谱宽和中心波长分别为11.7024 nm 和1557.9671 nm。

图7 高斯型ASE 光源Fig.7 ASE source with Gauss type

1.3 闭环检测方案

本文中提出的检测电路原理框图如图8所示，经探测器采集到的信号由ADC 采集后进入FPGA 进行检测算法处理，之后经DAC1 输出给Y 波导进行调制。同时，设计时采用了一块辅助DAC2 进行DAC1 参考电压的调谐以补偿Y 波导半波电压波动带来的误差。本方案中，经解调算法处理后的信号通过后放加载在Y 波导上，从而实现高精度闭环控制。最终，FPGA实现外界角速率的算法解调并通过RS422 串口输出。

图8 闭环检测方案Fig.8 Scheme of closed-loop detection

2 研制、验证及应用

针对光子晶体光纤的潜在优势，在2015～2021年开展了光子晶体光纤陀螺技术的专项试验验证。

2.1 研制试验及性能验证

2.1.1 熔点可靠性验证

装配过程中需要进行光子晶体光纤与普通保偏光纤的熔接，为了实现两种光纤熔接时的高可靠、低损耗特性，通过对熔接机放电时间、放电强度进行综合优化，实现高可靠熔接，并制作了8 个双熔点子样（如图9所示）进行可靠性试验，重点对由双熔点损耗、串音在经历热循环和热真空试验后的特性进行摸底，8 个双熔点子样在经历100.5 次热循环（-35 ℃～70 ℃，1 高温1 低温计为1 次循环，试验结束后升温到高温结束为0.5 次循环）和50.5 次热真空（-35 ℃～70 ℃，≤6.65×10-3Pa）试验后，偏振串音仍能满足＜-20 dB，且每个双熔点的损耗无明显波动，通过对数据进行对比可以看出，双熔点的损耗均＜0.2 dB。

图9 可靠性试验（熔点子样）Fig.9 Reliability test（Splice sample）

2.1.2 微弱信号检测与噪声抑制技术

高精度光子晶体光纤陀螺光路损耗增加，导致到达探测器信号的信噪比降低，影响陀螺精度。此外，宇航级检测电路选用的高等级元器件干扰抑制能力降低，同样影响陀螺精度。为保证陀螺精度，需专门开展微弱信号检测技术研究，设计并实现了基于SiP 的光纤陀螺专用集成芯片，实现了分立器件到SiP 芯片在高精度光纤陀螺产品级的性能验证，芯片与检测电路实物图如图10所示。

图10 全国产化性能验证Fig.10 Localization performance verification

通过采用芯片集成技术，降低了电路分布电容，同时可以有效缩短去耦和滤波电容与集成芯片的距离，实现了阶梯波信号和探测器信号串扰及电路噪声的有效抑制，使用分立器件搭建的验证电路与集成芯片的测试曲线如图11所示。

图11 陀螺采集数据Fig.11 Data of gyroscope

2.1.3 工程化设计

在光纤陀螺研制初期，为了实现小型化、低功耗的紧凑型产品，光路和电路在方案设计时采用了一体化设计思路，以光电探测器为例，早期的产品设计时光电探测器直接焊接于PCB 板上，光电器件、电路板、结构和光纤存在严重混装，在批量研制时存在装配复杂、光纤易损伤及调测试时光路电路无法解耦的难题。针对此，本文对光电探测器的微弱信号进行分析，设计专用降噪方法，将检测电路与探测器物理解耦，实现光路组件和检测电路的完全独立研制、装配。图12为光电分离方案的示意图，将单通道产品按照模块化研制，划分为光路组件和检测电路两部分，装配时光路和电路之间的连接采用甩线电连接的方式，这样在产品批量研制时能够独立开展各部分的生产、筛选和装配，保证可测试性和一致性。

图12 单通道产品光电分离实物及随机游走测试曲线Fig.12 Photos and RWC test of single axis gyroscope

基于此，研制了3 斜装构型的光子晶体光纤陀螺组件，并开展了热力分析。整机的一阶谐振频率约为748.83 Hz，结构整体可靠，刚度和强度均能满足卫星的应用需求；热仿真表明，当环境温度为45 ℃时，整机的温度范围为45 ℃～46.41 ℃，整机散热特性较好，如图13所示。

图13 光子晶体光纤陀螺组合件特性分析Fig.13 Characteristic analysis of 3S inertial core unit

2.2 在轨验证

2.2.1 天舟一号货运飞船

在验证了真空条件下光子晶体光纤空气孔、熔点等可靠性的前提下，分阶段开展了光子晶体光纤技术的在轨应用验证。2017年4月20日19 时41 分，样机随天舟一号货运飞船在海南文昌成功发射。4月29日，光子晶体光纤陀螺开展了在轨加断电检查和性能验证，在轨遥测判读表明，光子晶体光纤陀螺工作状态良好，初步验证了光子晶体光纤在真空环境下的适应性。图14(b)为在轨遥测数据，通过对比，光子晶体光纤陀螺在轨噪声水平与实验室测试结果相当。

图14 天舟一号搭载验证Fig.14 On orbit verification of Tian-zhou-1

2.2.2 实践二十卫星搭载

为进一步验证光子晶体光纤在高精度光纤陀螺产品中的应用潜力，2019年12月27日，单通道光子晶体光纤陀螺随实践二十号卫星开展在轨整体性能评估，验证超长光子晶体光纤环和光电分离方案在空间环境下的适应性，截至目前，产品已在轨24 个月，图15(b)为在轨数据，在轨评估精度为0.00194°/h。

图15 SJ-20 验证Fig.15 On board verification of SJ-20

2.2.3 新技术验证七号卫星搭载

通过天舟一号货运飞船和实践二十卫星对光子晶体光纤陀螺核心技术的验证表明，高精度光子晶体光纤陀螺已经具备空间应用的技术状态。

2020年12月22日，高精度光子晶体光纤陀螺3S组件随新技术验证七号卫星完成首飞，并实现卫星姿态的高精度测量及控制，通过分析卫星三轴姿态的稳定度可得出如下结论：使用3S 高精度光子晶体光纤陀螺组件定姿时，整星的三轴姿态稳定度约为0.000046°/s～0.000055°/s（3σ），优于其他姿态敏感器的控制精度，充分验证高精度光子晶体光纤陀螺在卫星姿态控制方面应用的可能性。

图16 卫星三轴姿态角速度误差Fig.16 Three axis attitude angular velocity error

3 结 论

本文针对超长寿命卫星应用需求，开展光子晶体光纤技术在高精度光纤陀螺产品方面的应用研究，完成了低损耗、高可靠光子晶体光纤的研制，并开展熔点可靠性、超长距离光子晶体光纤环和高性能光电分离检测方案的在轨验证，实现了卫星姿态的高精度测量及控制，充分验证了光子晶体光纤在高精度光纤陀螺产品工程化方面的可靠性，具备在超长寿命卫星平台推广应用的条件。针对此，后续拟从如下方面开展光子晶体光纤陀螺技术的进一步研究：（1）从卫星对惯性姿态敏感器10～20年寿命的应用需求，进一步完善光子晶体光纤环的空间适应性设计，积累抗辐照数据，全面提升产品的整体性能；（2）开展光子晶体光纤技术在超高精度光纤陀螺中的应用研究，并推广应用于高分辨率遥感卫星平台。