光纤陀螺综述

光纤陀螺综述

摘要：从光纤陀螺诞生以来，它就以其显著的优点，灵活的结构和诱人的前景引起了世界上诸多国家的大学和科研机构的普遍重视，为此综述了光纤陀螺的基本原理和它的特点以及分类，,着重描述和总结了光纤陀螺在国内外发展的技术趋势和产业化情况。可以看到,随着现代微电子技术、光电子技术和信号处理技术的发展,光纤陀螺在未来惯性测量领域中占据越来越重要的位置。

关键词：光纤陀螺，Sagnac效应，发展

引言

自从1976年美国犹他大学的V ALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年。在30多年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都得到了深入地研究。

光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的进展。光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在研究谐振式光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光纤陀螺)己经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。

在国外，l°/h至0.01°/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了l°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS．美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h ；2001年达到0.001°/h；2006年达到0.0001°/h ，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。

1、原理[1][9]

光纤陀螺的基本工作原理来自Sagnac效应。Sagnac效应是相对于惯性空间转动的闭环光路中断传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相同的光，以互为相反的方向传输并最后汇聚到同一探测点；若绕垂直于闭合光路所在平面的垂线，相对惯性空间存在着旋转角速度，则正、反两束光走过的光程不等，产生光程差。理

论上可以证明，其光程差与旋转角速度成正比，即-------------------------(1) 式中L为光纤长度；D为光纤环直径；λ为光波长；c为真空中光速；Ω为转动角速度。使用低损耗单模光纤形成环状，其总长L可达几百米甚至上千米，可大幅度地提高环形干

涉仪的灵敏度，即使是微小的转动也能够产生可探测的相位差。因为光纤环内的单模光纤处于双光束干涉状态，其输出光强可表示为

-----------------------------------(2) 式中0I 为2/m ax I ，由式(1)和(2)可知，输出光强是角速度的余弦函数。由图可知，无论Ω是正还是负，I 值读数不变，即输出光强不能反映旋转的方向。同时，小信号灵敏度低，在多数场合的Sagnac 相移很小，而系统灵敏度dI/dΩ在Ω=0处为0。为此，在两束反向传输光之间引入90o 的相位差，导致输出光强变成I=I0(1?sin?s) 。显然，经过90o 的相位差的陀螺在Ω=0处的灵敏度即dI/dΩ达到最大值，同时解决了输出I 能反映旋转方向的问题。 下图，表示的互易性结构是光纤陀螺的基本原理结构，能完全保证陀螺在静止状态下顺、逆时针光波的光程相等。耦合器的功能在于使返回光耦合出一部分到探测器，作为陀螺的光输出。偏振器位于光纤环与耦合器之间，使单模光保持单偏振状态，从而消除光纤双折射变化对陀螺性能的影响。当顺、逆时针两光波通过光纤环时，由于路径不一致，造成它们在不同时间经过相位调制器。设其时间差为τ，相位调制器的结果为

将式(3)

代入式(2)，则陀螺的光输出有式(4)

光纤陀螺原理图

以正弦信号调制为例，设?(t)=?m sin(ωt)，代入式(4)，则得

------------------------------------------------------------------(5)

式中η=2?msin(ωτ/2) 。当陀螺静止时，其输出只有调制频率ω的偶次谐波；旋转时，其输出将有奇次谐波。采用锁定放大器检测一次谐波，则得到陀螺输出为

---(6)，式中 K 为电压增益，通常η选值是1.84 rad ，贝塞尔函数J1(η)

取最大值0.53，正弦波调制如图3所示。利用式(6)，根据检测出的I ω，则可求解?s ，再用式(1)得到角速度Ω。图2中的集成光学相位调制器，一个用于偏置信号调制，另一个用于反馈信号调制，以提供反馈相移形成闭环陀螺。

正弦波偏置调制

2、分类[3]

光纤陀螺仪的分类方式有多种。依照工作原理[4]可分为干涉型、谐振式以及受激布里渊散射光纤陀螺仪三类。其中，干涉型光纤陀螺仪是第一代光纤陀螺仪，它采用多匝光纤线圈来增强萨格纳克效应，目前应用最为广泛；按电信号处理方式不同可分为开环光纤陀螺仪和闭环光纤陀螺仪，一般来说闭环光纤陀螺仪由于采取了闭环控制因而拥有更高的精度；按结构又可分为单轴光纤陀螺仪和多轴光线陀螺仪，其中三轴光纤陀螺仪由于体积小、可测量空间位置因而是光纤陀螺仪的一个重要发展方向。

2.1干涉型光纤陀螺仪（I-FOG）[5]

干涉型光纤陀螺仪在结构上其实就是光纤Sagnac干涉仪[2]。在检测技术上，干涉型光纤陀螺仪利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光；把光相位的直接测量转化成光强度测量，这样就能比较简单地测出Sagnac相位变化。它是光纤陀螺中研究最早的。干涉型光纤陀螺仪光纤元器件一般都用单模光纤或保偏光纤制作。用保偏光纤制作光纤线圈可得到高性能光纤陀螺。它的局限性是若要提高它的灵敏度就必须增加光纤的长度，一般为数百米到数千米，这样会使光纤陀螺的体积较大。人们通常把干涉型光纤陀螺仪分为开环干涉型光纤陀螺仪和闭环干涉型光纤陀螺仪。开环干涉型光纤陀螺仪主要可以用作角速度传感器。这种光纤陀螺结构很简单，价格便宜。但是线性度差（10^-3量级），动态范围小（10^6量级）。闭环干涉型光纤陀螺仪是一种较精密且复杂的光纤陀螺，主要应用于中等精度的惯导系统。随着工艺技术的进步，人们不断地设计出精度更高的传感器。目前，这类光纤陀螺优化的主要任务是集成光学系统的技术开发。

2.2谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)

下图是谐振式光纤陀螺仪的原理框图[4]。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器，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。但谐振器以角速度Ω旋转时，他们的谐振频率不再相等（因为光纤谐振器的光路表观长度对这两路谐振光是不同的）。由Sagnac 效应，可

推得这两束谐振光的谐振频率差为：

Ω=?L S f λ4

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。

f?，可以确由上式可见，通过测量谐振式光纤陀螺仪中两谐振光束的谐振频率差

定旋转角速度Ω。

由于对谐振式光纤陀螺仪的研究较晚，所以在技术上还不太成熟，但很多研究人员认为它能提供最大潜在的精度。谐振式光纤陀螺仪对光源的要求十分苛刻，因此它的进展较慢。它的主要优点是可拥有更高稳定度的光源、大大缩短腔长，谐振式光纤陀螺仪被认为是新一代的光纤陀螺。与激光陀螺相比，由于谐振式光纤陀螺仪的光源是在谐振器外，因此无闭锁效应；与干涉型光纤陀螺仪相比，它具有光源稳定度高、所用光纤短（一般10m左右）、受环境影响小、成本低的优势。

2.3受激布里渊散射光纤陀螺仪(FRLG)

受激布里渊散射光纤陀螺仪用光纤线圈代替了传统的RLG的激光谐振腔。它与RLG在原理上都是利用谐振腔中沿相反方向传播的谐振光频差与旋转角速度成比例来测量旋转体的角速度。但是，它与RLG不同的是，RLG是利用直流高压激励产生谐振，而它是用泵浦激光源耦合进入光纤线圈中，并产生增幅的布里渊散射，在光纤线圈中产生光学谐振。它用光纤线圈代替了环形激光腔，不需要高反射率的反射镜和高真空封装，因此结构简化，体积减小，而且生产成本降低，使激光陀螺全固体化。

3、特点

3.1光纤陀螺的优点[6]

光纤陀螺是一种全固态的光学陀螺仪，它的主要优点在于；①无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不敏感；②结构简单，零部件少，价格低廉；③启动时间短(原理上可瞬间启动)；④检测灵敏度和分辨率极高(可达10rad/s)；⑤可直接用数字输出并与计算机接口联网；⑥动态范围极宽(约为2000°/s)；⑦寿命长，信号稳定可靠；⑧易于采用集成光路技术；⑨克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应；⑩可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感器。

光纤陀螺与其它陀螺相比有着非常大的优势，具体各种性能比较见下表。

种类液浮陀螺仪动力调谐陀静电陀螺仪环形激光陀光纤陀螺仪

3.2技术难点[7]

光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移和偏振状态改变引起的比例因子不稳定。

①灵敏度消失：在旋转速率接近零时，灵敏度会消失。这是由于检测器中的光密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起；②噪声问题：光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。为了达到低噪声，应采用小相干长度的光源；③光纤双折射引起的漂移：如果两束相反传播的光波在不同的光路上，就会产生飘移。造成光路长度差的原因是单模光纤有两正交偏振态，此两种偏振态光波一般以不同速度传播。由于环境影响，使两正交偏振态随机变化；

④偏振状态改变引起的比例因子不稳定。

4、国内外研究状况[7][10]

4.1国外

4.1.1美国

美国的光纤陀螺研制单位有：利顿公司、霍尼威尔公司、德雷泊实验室公司、斯坦福大学以及光纤传感技1术公司等。

（1）利顿公司研制的光纤陀螺

利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已经产品化。1988年研制出SCIT实验惯性装置，惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。1989年公司研制的CIGIF 论证系统飞行试验装置。1991/1992年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系统。1992年研制出GPS/INS组合导航系统。

（2）霍尼韦尔公司的集成光学光纤陀螺

霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti内扩散集成光学相位调制器。采用的其他器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km保偏光纤构成的传感环圈。

为了满足惯性级光纤陀螺的要求，霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式光纤陀螺采用了集成光学多功能芯片技术以及全数字闭环电路。

（3）美国德雷珀实验室

美国德雷珀实验室从1978年起为JPL空间应用研制高精度光纤陀螺，曾研制过谐振腔式光纤陀螺，研制了9年，由于背向散射误差限制了精度，后来改为采用干涉仪式方案。

在研制干涉仪式光纤陀螺的过程中，采用了三大技术措施：

a.把光源、探测器和前置放大器做成一个模块；

b.光纤传感环圈结构影响精度很大，采用了无骨架绕制光纤环圈的技术途径；

c.多功能集成光学器件模块，包括了所有其余的光纤陀螺的光纤器件。

德雷珀实验室的研究人员认为：目前0.01°/h 的干涉仪式光纤陀螺成本较高，需要研制自动生产线，降低成本，保证质量。

对于今后的发展问题，德雷珀实验室的研究人员认为：

a.惯性级的干涉仪式光纤陀螺仪，可以取代动力调谐陀螺仪,并逐渐取代激光陀螺仪；

b.惯性级干涉仪式光纤陀螺仪的难点是必须采用1km长度的保偏光纤，如果改用谐振腔式光纤陀螺仪方案，则长度可减为10m左右的光纤。为此谐振腔式光纤陀螺仍在作为研制方向，使光纤陀螺仪小型化的谐振腔式光纤陀螺的难点在于：控制电路比干涉仪式光纤陀螺复杂。随着ASIC技术的发展，将来有可能得到满意的解决，使谐振腔式光纤陀螺成为产品。采用干涉仪式和谐振腔式混合方案的光纤陀螺仪具有良好的发展前景。

4.1.2日本

日本研制光纤陀螺的单位有东京大学尖端技术室、日立公司、住友电工公司、三菱公司、日本航空电子工业公司。

日本的干涉式光纤陀螺仪已经完成了基础研究，正进入实用化阶段。偏值漂移已经达到。东京大学进行研究的谐振腔光纤陀螺仪取得了很大进展。

日立公司研制用于汽车导航系统的光纤陀螺，1991年用于日产汽车。

在日本，光纤陀螺作为汽车的旋转速率传感器已进入市场。利用光纤陀螺仪进行导航时，用车轮转速计传感器测移动距离，用光纤陀螺测量车体的回转，同时采用图象匹配、GPS 系统等配合计算汽车的位置和方位，显示在信息处理器上。

4.1.3俄罗斯

俄罗斯的光纤陀螺有全光纤型和集成光学型。全光纤型采用的是光纤技术，即所有的光纤器件都做在同一根光纤上。

Fizoptika公司研制的光纤陀螺已经商品化，产品型号有：VG949、VG941B等。

4.2国内

我国也非常重视光纤陀螺技术的研究，上世纪80年代后,许多大学和研究所相继启动光纤陀螺的研发项目，如航天工业总公司所属13所和上海803所、北京航空航天大学、清华大学、浙江大学等，也取得了一定的成绩，如1996年，航天总公司13所成功研制采用Y 分支多功能集成光路、零偏稳定性达全数字闭环保偏光纤陀螺，浙江大学和Honeywell公司几乎同时发现利用消偏可提高精度等。国内的光纤陀螺研制水平虽然与国际水平有一定距离，但已具备或接近中、低精度要求，并在近年来开始尝试产业化。

我国海军新型导弹配光纤陀螺仪发射试验3发3中，也标志我国的光纤陀螺仪技术取得了很大的成功。

5、发展趋势[8][11]

5. 1光纤陀螺的小型化

先进微电子与光电子技术的发展,如光电集成和光纤陀螺专用光纤的发展,加速了光纤陀螺的小型化和低成本化。现代干涉式光纤陀螺每轴都是使用发射/接收集成模块和分束/调制

集成模块,而三轴的光纤陀螺发射/接收集成模块已在实验室研制成功,它的3个感应轴使用同一个SLED光源,并把6个调制器、3个分束器、3个探测器集成到同一个片子上,整个模块小于5cm ×2cm ×2cm。可以预期,下一代光纤陀螺商业化后,光纤陀螺在小型化、集成化程度将有很大的提高,价格上将有很大的下降。

5. 2惯性导航系统/全球定位系统

全球定位系统的先天性缺陷,如信号易被高大建筑物衰减、电子地图的局限性等,影响了全球定位系统的导航准确率,所以,在全球定位系统基础上安装惯性导航系统就成为一个理想的配搭,惯性导航系统/全球定位系统特别是捷联式惯导系统是现在导航技术的研究热点。在惯性导航系统陀螺的选择上,光纤陀螺受到了微机械/微光电机械陀螺的挑战。由于工作原理的不同,微机械式陀螺构成的惯性导航系统的尺寸要比光纤陀螺小得多,价格也比光纤陀螺低得多。一个基于微机械的惯性导航系统大概要1000美元,而基于I-FOG的却高达15000美元～20000美元。这样使微机械陀螺在中低级精度导航受到欢迎。光纤陀螺和微机械式的陀螺的研制是为了替代旧式机械陀螺和现有大部分激光陀螺的应用,只保留激光陀螺在高灵敏度高可靠性领域的小范围应用。长远来看,微机械/微光电机械将主宰中、低等级别的导航应用,而光纤陀螺将以优异的性能在策略级应用上处于统治位置。

5. 3标准化

自从光纤陀螺商业化以来,其标准化工作愈受重视。国际上光纤陀螺的标准主要是由IEEE /AESSGyro and Accelerometer Panel开展,此机构的主要成员是来自全球惯性探测器和惯性系统的研发机构、大学和用户,在全球范围内每两个月举行一次会议,讨论和制定惯性感应器件和惯性系统的标准,如关于单轴光纤陀螺的规格与测试标准“IEEE Std 952-1997(R2003) ”。总而言之,光纤陀螺今后的研究趋势可归纳为如下: (1)采用三轴测量代替单轴,研发多功能集成光学芯片、保偏技术等,加大光纤陀螺的小型化、低成本化力度; (2)深入开发中、低精度光纤陀螺的应用,特别是民用惯性导航技术; (3)加强精密级光纤陀螺的技术与应用研究,开发新型的光纤陀螺B-FOG和FRLG等。

6、总结

本文表述了光纤陀螺的原理、分类、特点和发展历程，详细地介绍了光纤陀螺现在的研发和商业化情况，并总结了光纤陀螺的技术与开发趋势。随着现代微电子技术、光电子技术和信号处理技术的发展，相信光纤陀螺在未来惯性测量领域中必定有更大的舞台。

参考文献：

[1]电子发烧友网“光纤陀螺的基本工作原理”，2009

[2]高希才，“进入实用期的光纤陀螺”1993

[3]金杰，王玉琴“光纤陀螺研究综述”（天津大学，电子信息工程学院）

[4]阎永志，“光纤陀螺的实用化进展”，1996

[5]牟琼，“光纤陀螺的研究现状及发展趋势”，1994

[6]百度文库“光纤陀螺仪与其他陀螺仪的比较”

[7]百度百科

[8]谭健荣，刘永智，黄琳“光纤陀螺的发展现状”(电子科技大学，光电信息学院）

[9]胡卫东，“光纤陀螺发展评述”，2001

[10]周海波，刘建业，赖际舟，李荣冰“光纤陀螺仪的发展现状”（南京航空航天大学，导航研究中心）

[11]何慧灵，赵春梅，陈丹，赵晓峰，阮昊，“激光与光电子学进展”，2004