光纤陀螺仪的应用及发展

光纤陀螺仪的应用及发展谷军，蔺晓利，何南，姜凤娇，邓长辉（大连海洋大学信息工程学院）摘要：本文介绍了光纤陀螺的工作原理，并根据光纤陀螺的特点介绍了在各个领域的应用，阐述了光纤陀螺在国内外的发展现状，并指出了光纤陀螺的发展趋势。

从发展角度看，光纤陀螺仪将成为21世纪前期的发展重点。

关键词：光纤陀螺；现状；应用；0 引言萨格纳克（Sagnac）在1913年首先论证了运用无运动部件的光学系统能够检测出相对惯性空间的旋转的奇特现象，现在统称为萨格纳克效应。

1976年Vali和Shorthill首次提出了光纤陀螺（Fiber optic gyro）的概念，它标志着第二代光学陀螺的诞生。

光纤陀螺一问世就以其明显的优点、结构的灵活性以及诱人的前景引起了世界上许多科学家和工程师的普遍关注。

国内对光纤陀螺的研究也有20多年的历史，经历开环到闭环的研究历程。

在20多年的研究过程中，光纤陀螺的广泛应用前景已经得到了专家的认可，光纤陀螺作为惯性技术的核心器件，已经逐渐成为陀螺市场的主流产品。

人类对光纤陀螺的需求也变得十分迫切。

光纤陀螺的应用非常广泛，是基于Sagnac效应的原理工作的。

作为继激光陀螺仪之后出现的新一代陀螺，各国的研制工作已经取得了重大的进展。

光纤陀螺仪的研制对惯性导航和控制领域十分重要，随着计算机、微电子和光纤技术的发展和应用，它将取代传统的机械陀螺和平台惯导系统。

与机械陀螺相比，光纤陀螺无运动部件、使用寿命长；全固化结构、抗冲击能力强；测量动态范围大、无预热时问、启动时问短；不受地球吸引力影响；工艺相对简单，价格便宜；对捷联应用有先天优势。

与激光陀螺相比，光纤陀螺的成本低、性价比高；体积小、功耗低、应用灵活；克服了激光陀螺闭锁带来的负效应；随着工艺和信号处理方案的发展，精度也可以和激光陀螺相当。

1 光纤陀螺仪光纤陀螺仪是光学陀螺仪的一种。

所谓光学陀螺仪就是利用萨格纳克Sagnac)效应构成的陀螺仪。

利用光纤线圈构成的干涉仪效应来敏感角运动的装置称为干涉型光纤陀螺仪(IFOG)；采用光纤作为谐振器来敏感角运动的装置称为谐振型光纤陀螺仪(RFOG)；利用布里渊光纤环形激光器的频率变化原理构成的测角装置称为布里渊光纤陀螺仪(BFOG)。

由于光学陀螺仪不象传统陀螺那样，依靠自转子的动量矩来敏感角运动。

所以国外学术界也把这类陀螺定义为非陀螺仪角运动敏感器。

1.1光纤陀螺仪的特点光纤陀螺仪作为一种新兴传感器件，具有许多深受欢迎的特点：（1）无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击和抗加速度运动；（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高（可达10 -7rad/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；（7）寿命长，信号稳定可靠；（8）易于采用集成光路技术；（9）克服了激光陀螺因闭锁现象带来的负效应。

光纤陀螺最大的特点是可根据不同的用途，选择不同的光纤长度和线圈直径及不同的信息处理方法，可覆盖陆地、航空、航天、航海等所有陀螺仪应用范围。

与传统陀螺仪(液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、静电陀螺仪)相比，光纤陀螺仪的特点如表一所示[1]。

表一 光纤陀螺仪与其它陀螺仪比较1.2光纤陀螺仪的基本工作原理光纤陀螺仪的基本工作原理是 Sagnac 效应，即在一闭合回路中，沿顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向传播的两束光光程差△L 与闭合回路的旋转角速度Ω及回路面积A 成正比，与真空中的光速C 0成反比，即：0C t L ⋅∆=∆ ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛Ω+-Ω-=R C R R C R C 00022ππΩ⋅=04C A （1）实际的光纤陀螺闭合回路是由N 圈光纤绕制而成的，则积累的光程差为 ：Ω⋅=∆04C AN L M (2) 相应的Sagnac 相位差为： Ω⋅=∆⋅=∆Φ00082C AN L M S λπλπ(3) 式中：λ0 为真空中的波长；A 为一圈光纤所包围的面积；设光纤圈的面积；设光纤圈直径为D ；L 为光纤敏感环的光纤总长度，则：Ω⋅=Ω⋅=∆ΦS s K C LD 002λπ (4) 式中：002C LD K S λπ=被称为比例因子，它表征光纤陀螺灵敏度的大小。

所以通过检测相位差ΔΦs ，就可以确定旋转角速度Ω，这就是Sagnac 效应。

再通过角速度的时间积分即可确定旋转体的角位置或方位角。

1.3光纤陀螺仪的类型就原理与结构而言，光纤陀螺仪可以分为三大类，即干涉型光纤陀螺仪(I-FOG)、环形谐振腔光纤陀螺仪(R-FOG)、受激布里渊散射环形激光陀螺仪(B-FOG)。

干涉型光纤陀螺是迄今为止，发展比较完善的一类光纤陀螺。

广泛应用于各领域，称为第一代光纤陀螺。

它又可分为：消偏型；全保偏光纤型；集成光学器件型。

环形谐振腔光纤陀螺是采用光纤作为谐振器来敏感角运动的装置，被称为第二代光纤陀螺。

又可分为：光纤式；光波导式。

受激布里渊散射环形激光陀螺是一种利用光纤环形腔中的受激布里渊散射的方向性增益效应来实现利用Sagnac效应检测谐振速率，其原理与激光陀螺仪完全相似。

被称为第三代，正在进行理论研究，比前两代具有更大的优越性。

由于无需复杂的调制解调检测技术，国际上倍受重视。

他们具有不同的结构，决定了各自的特点及使用范围，工作原理都是采用直接检测干涉后的Sagnac相移来得到旋转角速度[2，3]。

从检测相位的方法来看，它又可分为开环与闭环两种类型。

开环陀螺直接探测干涉后的Sagnac相移，而闭环陀螺则是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异相移。

1.4 光纤陀螺仪的关键技术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。

1. 灵敏度消失是指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. 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。

光纤陀螺仪与激光陀螺仪相比，有许多突出的优点，若用于导弹制导以及飞机、舰艇导航和卫星跟踪，尚存在某些关键技术需要解决。

根据光纤陀螺仪的工作原理及其光纤环的绕制方法和绕制工艺，其核心部件光纤对温度极为敏感，加上激光源的光程差、偏振变化、光的后向散射、光纤端面的菲涅尔反射以及光接收器的散粒噪声等影响，使检测误差较大。

因此必须查明原因，找出光纤陀螺仪的误差源，提出消除误差的有效途径。

表二列出了光纤陀螺仪的误差源及其有效解决途径[4]。

表二光纤陀螺仪的误差源及其解决途径2光纤陀螺仪的发展及应用2.1光纤陀螺仪的发展现状由于光纤陀螺无以伦比的优点，使其在机动载体和军事技术的应用非常理想，因此颇受用户，特别是军方的高度重视，并在近几年进行了大量的研究和实验，其中以美、日、德、法为主体的光纤陀螺研究工作已取得很大进展。

在国内，光纤陀螺的研究起步较晚且集成光学技术和保偏光纤技术相对落后，又由于发达国家的技术封锁，所以发展较慢。

但在国外光纤陀螺的迅猛发展形势下，自1987年起光纤陀螺的研制被列入重点发展计划，北京航空航天大学、航天部13所、33所、浙江大学、哈尔滨工程大学等单位投入很大力量进行研究，并取得一定成绩，目前，国内光纤陀螺的研制水平已接近惯性导航系统的中、低精度要求。

表三、表四是目前国内外各单位光纤陀螺应用水平[5，6]。

由于光纤陀螺与传统陀螺相比具有许多重要特征，如启动时间短、重量轻、稳定可靠、宽动态范围、功耗小、成本低等，所以在航海、宇航、空中运载器、交通运输以及机器人等军用、民用的许多领域都有着广阔的应用前景[7-9]。

光纤陀螺的应用领域如表五所示：2.2.1光纤陀螺在军用领域的应用(1)军用直升飞机、运输机、战斗机和战略轰炸机，以及军用人造卫星等惯性导航系统。

要求用高性能陀螺，其容许漂移误差在(10-2～10-4)°/h的范围。

光纤陀螺不仅能满足捷联系统的大动态范围、高线性度、高稳定度和数字输出的要求，而且价格低廉。

(2)战术武器制导和飞行姿势方位基准装置用陀螺。

不少空军战术武器系统，诸如改进的中近程空对地导弹、空对空导弹、大面积扫装甲弹等都需要惯性参考系统。

(3)战略巡航导弹用陀螺.战略巡航导弹要求陀螺具有高精度性能(容许漂移误差一般为0.01°/h左右)，而且要求其体积小、重量轻。

一个小而精确的捷联惯性系统将能给战略巡航导弹提供制导、自动驾驶以及其它参考功能所必须的一切惯性信息。

(4)综合孔径雷达、火力控制、高纬度姿势参考系统等都需要高精度惯性传感器。

(5)对陆军来说，陀螺主要用于陆地惯性导航系统和惯性大地测量系统。

(6)在海军方面，陀螺主要用于一般军舰、攻击型核潜艇和弹道导弹核潜艇的惯性导航系统。

2.2.2光纤陀螺在民用领域的应用(1)光纤陀螺在汽车工业中的应用[12，13]作为旋转角速度传感器之一的光纤陀螺具有适应于汽车工业应用的特征：①无可动部分，结构简单；②启动时间短；③小型，重量轻；④功耗低；⑤动态范围宽。

目前光纤陀螺在汽车工业中的应用主要是：①在汽车自动导航系统中的应用；②在汽车姿态控制系统中的应用；③在汽车控制仪器中的应用。

(2)光纤陀螺在列车导航中的应用[14]以光纤陀螺为基础的定位系统能够给出列车运行平面轨迹及列车前进过程中的速度、加速度、方位角，方位角速度、侧滚角、俯仰角等信息。

这些信息通过天线发射到漏泄波导再传输到列车指挥中心，经中心计算机综合性的实时处理，然后再传至各次列车，供司机参考执行。

从而可以增加行车的安全度，缩短行车间隔时间，提高车速和运输能力。

这就是以光纤陀螺为基础的智能化指挥系统。

(3)光纤陀螺还广泛地应用于航海航运领域，如民用运输机、客机、商船、客轮、深井钻探、隧道开掘机、机器人、农用无人驾驶直升机、自动草坪整修机以及惯性大地测量系统中。

3 光纤陀螺的发展趋势及展望光纤陀螺成本低、维护简便，正在许多已有系统上替代机械陀螺，从而大幅度提高系统的性能、降低和维护系统成本。

现在，光纤陀螺已充分发挥了其质量轻、体积小、成本低、精度高、可靠性高等优势，正逐步替代其它型陀螺。

目前，光纤陀螺的研究趋势有：(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。

光纤陀螺与第一代光学陀螺激光陀螺相比，最大的优点是不用在石英块或其它材料中精密的加工光学回路，制造成本低；而且光纤陀螺能根据使用对象的要求，实现高、中、低不同精度的产品，激光陀螺由于加工工艺复杂，制造成本高，只适用于制作高精度的产品。