光纤陀螺技术及应用
光纤陀螺仪精度提升技术研究
光纤陀螺仪精度提升技术研究近年来，随着科技的不断进步，光纤陀螺仪作为一种非常重要的精密仪器，在航空、航天、导航、测绘等领域中得到了广泛的应用。
光纤陀螺仪是一种利用光学方法实现的惯性测量装置，其测量精度非常高，可以达到几十纳秒每小时，而且还有着良好的长期稳定性和热稳定性。
然而，在实际应用中，由于信号的噪声、系统误差等各种因素的影响，光纤陀螺仪的测量精度仍然存在一些不足之处，因此如何提高光纤陀螺仪的测量精度，成为了研究人员亟需解决的重要问题。
一、光纤陀螺的结构和原理光纤陀螺仪主要由激光光源、光纤环路、光探测器和信号处理器等四部分组成。
其中，光纤环路是指光纤在环路内不断传递，从而探测出角速度信息的一个闭合光学回路。
光纤环路一般由光纤圆环、分束器、合束器等组成，其中光纤圆环是光纤陀螺的核心部件，其长度和固有频率决定了光纤陀螺的性能。
光纤陀螺仪的工作原理是基于“Sagnac效应”：在旋转体中旋转的光纤环路，光在其中的传播速度会随着旋转体的旋转而产生一定的变化，这种变化会对光程差进行修正，从而产生反向走回原点的相位移位差，在相干光探测器中产生干涉信号，通过对这个干涉信号进行解调处理，就可以得到光纤陀螺仪的旋转角速度。
光纤陀螺仪和其它的陀螺相比，最重要的优点就是其感应器件光纤不和陀螺转子相接触，因而有极高的精度和灵敏度。
二、光纤陀螺仪精度提升的方法为了提高光纤陀螺仪的测量精度，目前研究者们尝试了很多方法，下面介绍几种较为常见的方法。
1、传感器优化设计在光纤陀螺仪的传感器设计中，除了确定合适的环路长度和固有频率以外，还可以通过改进探头光纤的材料、工艺等方面，来优化设计。
在传感器光路中，光纤环路的长度和直径的大小对于光纤陀螺仪的性能影响非常大。
增加光纤环路的直径可以有效降低环路中被认为是噪声的小幅波动，从而提高了测量的准确性。
2、多个陀螺结构的融合为了提高光纤陀螺仪的测量精度，研究者们通过将多个光纤陀螺仪的测量结果进行融合，可以减小测量误差和系统噪声的影响。
光纤陀螺
EuroFOG(法国)
10゜/h到0.01 ゜/h系列化 0.05゜/h 10゜/h
Fizoptika(俄罗斯) 日立（日本）
3. 与其他陀螺的比较：
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。
屏幕
分光镜 光源
反射镜 1
反射镜 2
反射镜 3
萨格纳克效应已经得到广泛的应用， 由萨格纳克效应研制出的光 纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近 20 年发展较快的一种 陀螺仪。 根据sagnac效应 ，当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面 的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动 而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。该光程差对应的位相 差与旋转角速率之间有一定的内在联系， 通过对干涉光强信号的检测 和解调，即可确定旋转角速率。 以干涉式光纤陀螺为例，如图1所示，光源(SLD)发出的光经分束器 (coupler)分为两束后，进入一半径为R的单模光纤环(fiber coil) 中，分别沿顺时针方向(CW)及逆时针方向(CCW)反向传输，最后同向 回到分束器形成干涉。显然，当环形光路相对于惯性参照系静止时， 经顺、逆时针方向传播的光波回到分束器时有相同的光程，即两束光 波的光程差等于0；当环行光路绕垂直于所在平面并通过环心的轴以 角速度Ω 旋转时，则沿顺、逆时针方向传播的两波列光波在环路中传 播一周产生的光程差为：
光纤陀螺调制增益
光纤陀螺调制增益简介光纤陀螺是一种利用光在光纤中传播的性质来测量旋转角速度的仪器，其重要性体现在惯性导航、航天器姿态控制、地震测量等领域。
调制增益是光纤陀螺中的一个重要参数，它对于陀螺的性能和精度具有关键影响。
光纤陀螺的工作原理1.光纤陀螺基本结构–光源–光导纤维–光探测器2.光纤陀螺工作原理–利用光在光纤中传播的特性–应用 Sagnac 干涉原理–通过测量干涉信号来推断旋转速度–调制增益是干涉信号的关键参数调制增益的影响因素1.光传播特性–光纤损耗对调制增益的影响–光纤非线性对调制增益的影响2.光源特性–光源功率对调制增益的影响–光源波长对调制增益的影响3.光纤特性–光纤长度对调制增益的影响–光纤直径对调制增益的影响–光纤材料对调制增益的影响–光纤损耗对调制增益的影响调制增益的优化方法1.光源优化–使用高功率光源–选择适合的光源波长2.光纤优化–使用低损耗的光纤材料–适当选择光纤长度和直径3.调制技术优化–采用先进的调制技术–陀螺中加入增益介质来提高调制增益调制增益的重要性和应用1.提高陀螺精度和性能2.用于导航和姿态控制系统中3.用于地震测量和地质勘探中结论调制增益是光纤陀螺中的一个重要参数，它直接影响陀螺的精度和性能。
调制增益的优化可以通过优化光源、光纤和调制技术来实现。
光纤陀螺在导航、姿态控制和地震测量等领域具有广泛的应用前景，对于提高精度和稳定性具有重要作用。
未来的研究方向可以进一步探索新材料和新技术，以提高调制增益和陀螺性能。
光纤陀螺和光纤水听器技术产品的应用前景
顺 时针 和逆 时针 方 向传 输 ，在旋 转 时
产生相移差。
通信 光 纤被 应用 到这 样 的线 圈上 ，有 两种情况会出现。一，由于弯曲损耗 ， 在 线 圈一端 输入 的 光在 线圈 的另一 端
消 失 了 ； 二 ， 光 纤 由 于 静 态 疲 劳 比 较
在２ 世 纪７ 年 代 ，低损耗 光纤 的 ０ ０ 迅速发展是光纤陀螺能够发展起来。然
筛选时拉伸光纤，清除超过筛选水 平的裂纹。较小尺寸的本征裂纹保 留在
筛 选 后 的 光纤 内 ，从而 降 低 了光 纤 光 线 静 态 疲 劳 断 裂 的 可 能 。 通 讯 工 业 标 准 的
水下微弱的信号 。有两种基本类型 的水 听 系统 ，一种是直接 “ 听” 系统 ，它直 接探测经过水听器附近的船体 和海 低生 物发 出的声 音。第二种类型使 用声源引 起 回声 ，称为积极探 测系统 。其 中声纳 就 是最著 名的例子 。
５ ０．
维普资讯
ＦＢ Ｒ Ｐ ＩＳｃ Ｍ Ｎｃ Ｔｏ ｌ 蛋 囝 ＩＥ Ｏ ＴＣ ｏ Ｍｕ ｌＡ ｌ Ｎ Ｅ
断裂 。光线通过增加筛选水平和 （ ） 或
减 少光 纤 直径 的方 法 增 加 抗 静 态 疲 劳 的 能力。 ． ０
静 态疲劳是光纤在受到弯曲应力或 不变的张力负载时 ，自发发生断裂。应
力 引 起 本 征裂 纹 和 微 裂 纹 的生 长 ，当 裂 纹 生 长 超过 材 料 临 界尺 寸时 ，引 起 光 纤
于需要弄明白传 感的究竟是什么 。
光 纤 传 感 器 的 重 要 的 优 点 是 光 纤
可以在弯 曲和长距 离传导光 ，这 使很长
被测量物体产生的信息 。温度 、压力 、 电磁效应 、旋转、振动 、应力 、应变等 等各种和光纤之 间的相互作用将产生传 输特性的相应的微 小变化 。这些特性让
2024年光纤陀螺仪市场前景分析
2024年光纤陀螺仪市场前景分析1. 引言光纤陀螺仪作为一种重要的传感器，广泛应用于航空航天、导航定位、地震监测等领域。
本文将对光纤陀螺仪市场的前景进行分析，探讨其发展趋势和市场规模。
2. 光纤陀螺仪市场现状目前，光纤陀螺仪市场呈现出良好的增长势头。
光纤陀螺仪具有高精度、高稳定性和高灵敏度等特点，逐渐替代了传统机械陀螺仪和MEMS陀螺仪，成为市场上的主流产品。
在航空航天领域，光纤陀螺仪被广泛应用于导航和姿态控制系统。
同时，随着无人机和自动驾驶技术的快速发展，光纤陀螺仪在导航定位和惯性导航系统中也有广阔的市场需求。
3. 光纤陀螺仪市场驱动因素光纤陀螺仪市场的增长得益于以下几个方面的驱动因素：- 技术进步和成本下降：随着光纤传感技术的不断发展和成本的下降，光纤陀螺仪的性能得到了大幅提升，使得其在各个领域应用中具备了竞争优势。
- 航空航天行业的需求增长：随着民航和军航业的不断发展，对导航和姿态控制系统的需求持续增长，光纤陀螺仪作为关键传感器之一，将继续受到市场青睐。
- 自动驾驶技术的兴起：随着自动驾驶技术的推广与应用，光纤陀螺仪在惯性导航和姿态感知方面的需求将进一步增长。
4. 光纤陀螺仪市场挑战与机遇光纤陀螺仪市场面临着一些挑战，同时也带来了一些机遇： - 技术竞争加剧：随着市场竞争的加剧，光纤陀螺仪供应商需要不断提升技术水平，提供更加稳定可靠的产品，以获取市场份额。
- 成本压力增大：光纤陀螺仪的市场规模不断扩大，但面临着陀螺仪本身成本的下降压力。
供应商需要通过技术进步和规模效益来降低生产成本，保持竞争力。
- 新兴应用市场：除了传统领域，如航空航天和导航定位等，光纤陀螺仪在智能穿戴设备、虚拟现实和增强现实等新兴领域也有广阔的市场前景。
5. 光纤陀螺仪市场预测据市场研究公司的数据显示，光纤陀螺仪市场预计将保持稳定增长。
预计到2025年，全球光纤陀螺仪市场规模将超过XX亿美元。
其中，航空航天领域将继续是光纤陀螺仪的主要应用领域，自动驾驶技术的发展将进一步推动市场增长。
光纤陀螺
静电陀螺仪组成的静电陀螺监控器(ESGM) 与舰船惯性导航系 统(SINS)组成SINS／ ESGM组合导航系统，该系统是目前最高精 度等级的惯性导航设备，它能满足潜艇及航母高精度、高可靠性 潜艇及航母高精度、 潜艇及航母高精度 和隐蔽性的要求。 和隐蔽性的要求。
陀螺仪概述
2) 中高精度陀螺仪 中高精度陀螺仪指精度在5×10-4 º/h到10-1 º/h的陀螺仪。 目前最具有发展前景的陀螺仪就是光学陀螺仪 光学陀螺仪，主要指激 光学陀螺仪 激 光陀螺仪和光纤陀螺仪，激光陀螺属于第一代光学陀螺， 光陀螺仪和光纤陀螺仪 光纤陀螺属于第二代光学陀螺．
图6 光纤陀螺仪工作示意图
具体推导： 具体推导：
光纤陀螺仪
与机电陀螺或激光陀螺相比， 与机电陀螺或激光陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：
(1)零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的抗冲击和抗加速运动 抗冲击和抗加速运动的能 抗冲击和抗加速运动 力； (2)绕制的光纤较长，使检测灵敏度和分辨率 灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好 灵敏度和分辨率 几个数量级 ； (3)无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命 较长的使用寿命； 较长的使用寿命 (4)易于采用集成 集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与 集成 计算机接口联接； (5)通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数，可以实现不 可以实现不 同的精度，并具有较宽的动态范围 较宽的动态范围； 同的精度 较宽的动态范围 (6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动 瞬间启动，无需预热； 瞬间启动 (7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其 是级联式惯导系统 级联式惯导系统的传感器； 级联式惯导系统 (8)结构简单、价格低，体积小、重量轻．
光学系统的构成 ：集成光学型 全光纤型 集成光学型和全光纤型 集成光学型 全光纤型光纤陀 螺 结构：单轴和多轴 单轴和多轴光纤陀螺 单轴和多轴 回路类型：开环光纤陀螺 闭环光纤陀螺 开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺 开环光纤陀螺
光纤陀螺技术参数选型
光纤陀螺技术参数选型1.光纤陀螺工作原理光纤陀螺是一种利用回波光纤中光信号相位差变化来测量转动角速度的设备。
其基本原理是通过光纤传输光信号的相位差变化来实现转动角速度的测量。
2.光纤陀螺技术参数光纤陀螺的技术参数包括测量范围、分辨率、精度、稳定性等。
2.1测量范围光纤陀螺的测量范围是指其能够测量的转动角速度的上下限。
根据具体应用的需求，需要选用合适的测量范围，以保证光纤陀螺可以满足实际测量需要。
2.2分辨率光纤陀螺的分辨率是指其能够测量的最小角速度变化，也可以理解为陀螺仪的感知能力。
分辨率越高，表示光纤陀螺对微小的角速度变化更加敏感。
2.3精度光纤陀螺的精度是指其输出值与实际值之间的误差。
精度越高，表示光纤陀螺的测量结果与实际值之间的偏差越小。
2.4稳定性光纤陀螺的稳定性是指其在长期工作过程中输出值的稳定性能。
稳定性越好，表示光纤陀螺的测量结果在不同环境条件下的波动较小。
3.光纤陀螺技术参数选型方法在确定光纤陀螺的技术参数时，需要综合考虑实际应用需求、成本和技术可行性等因素。
以下是一些常用的光纤陀螺技术参数选型方法：3.1根据应用需求确定测量范围根据实际测量需求，确定光纤陀螺的测量范围。
需要考虑转动角速度的最大值和最小值，以保证光纤陀螺能够满足实际测量需求。
3.2根据应用场景确定分辨率根据应用场景的需求，确定光纤陀螺的分辨率。
一般来说，对于需要测量微小角速度变化的应用，需要选择具有高分辨率的光纤陀螺。
3.3根据应用精度确定精度要求根据应用的精度要求，确定光纤陀螺的精度。
对于需要高精度测量的应用，需要选择具有高精度的光纤陀螺。
3.4根据应用稳定性确定稳定性要求根据应用的稳定性要求，确定光纤陀螺的稳定性。
对于需要长期稳定工作的应用，需要选择具有良好稳定性的光纤陀螺。
4.光纤陀螺技术参数选型的注意事项在进行光纤陀螺技术参数选型时，需要注意以下几个方面：4.1应用需求的准确把握需要充分了解实际应用需求，使技术参数选型更加准确。
2023年光纤陀螺仪行业市场分析现状
2023年光纤陀螺仪行业市场分析现状光纤陀螺仪是一种基于光学原理的高精度传感器，可以测量和检测物体的角速度和角度变化。
在航空航天、汽车、军事、工业自动化等领域有重要应用，是现代高精度导航、稳定控制系统的核心组件之一。
目前，光纤陀螺仪行业市场正处于快速发展阶段。
因为其具有高精度、快速响应、稳定可靠等优点，得到了广泛应用和推广。
尤其是随着无人驾驶、航天和军事装备等领域的快速发展，对高精度姿态检测和导航控制的需求不断增加，进一步推动了光纤陀螺仪行业的发展。
光纤陀螺仪行业市场现状主要表现在以下几个方面：1. 市场规模：目前，全球光纤陀螺仪市场规模不断扩大。
根据市场研究报告，2019年全球光纤陀螺仪市场规模约为30亿美元，预计到2025年将达到60亿美元以上。
中国作为光纤陀螺仪产业的重要力量，其市场规模也在快速增长，预计在未来几年内将成为全球最大的光纤陀螺仪市场之一。
2. 应用领域：光纤陀螺仪广泛应用于航空航天、汽车、军事和工业自动化等领域。
在航空航天领域，光纤陀螺仪被广泛应用于飞行器的导航、姿态控制、平台稳定等方面。
在汽车领域，光纤陀螺仪被应用于车辆惯性导航系统、车辆稳定控制等方面。
在军事领域，光纤陀螺仪被应用于导弹制导、火炮射击和战车稳定等方面。
在工业自动化领域，光纤陀螺仪被应用于机器人姿态测量、平台稳定等方面。
3. 技术创新：光纤陀螺仪行业面临着技术创新和进步的挑战。
随着高精度导航和稳定控制需求的增加，光纤陀螺仪需要不断提升其精度、稳定性和可靠性。
目前，光纤陀螺仪技术正在朝着体积小、功耗低、性能稳定的方向发展。
例如，一些企业已经研发出了微型光纤陀螺仪，其体积仅为之前产品的几分之一，可以更好地满足无人驾驶和便携装备的需求。
4. 市场竞争：光纤陀螺仪市场竞争激烈，行业内有多家知名企业参与。
国内优势企业主要包括北方华创、中航光电、中航成飞等，国外优势企业主要包括霍尼韦尔、诺华和瑞士伊斯卡等。
这些企业在技术研发、产品品质、市场渗透等方面具有较大优势，为市场竞争提供了一定的压力。
光纤陀螺概述
第2节纤陀螺的分类
按工作原理：干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，目
前应用最广泛；谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)； 受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)
按光学系统的构成：集成光学型和全光纤型光
纤陀螺
按回路类型：开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺
第3节光纤陀螺的工作原理
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
简介：
光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器。 陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感 角速率和角偏差的一种传感器。 光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原 理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件—— 高速转子，称为固态陀螺仪。
第1节光纤陀螺的定义、简介、特点
光纤陀螺的基本原理是基于Sagnac 效应, 如图1所示,在同一光学回 路中, 沿顺时针方向( CW) 逆时针方向( CCW) 传播的两束光, 当回 路绕垂直于自身的轴转动时将使两束光产生相位差, 该相位差的大 小与光回路的旋转速率成比例。
图1:Sagnac 效应原理图
第3节光纤陀螺的工作原理
光纤陀螺的实现如图2 所示 , 从光源发出的光经分束器后分为两束, 分别沿顺时针方向及逆时针方向进入光纤环传输。在惯性参考系中, 当环形回路以角速度作顺时针旋转时, 由Fizeau 效应有:。
PZT相位调制
4种主要的干涉式光纤陀螺结构
(1)开环全保偏光纤陀螺:精度低、成本低,早期采用模拟电路,现 已基本采用数字信号处理,漂移率也提高到1°/h左右。
(2)开环单模消偏光纤陀螺:精度低、低成本,采用消偏器,采用处 理电路基本和上一种相似,性能稍好于前一种。
(3)闭环全保偏光纤陀螺:精度高(可达到10- 4°/h) 、高成本,采用 数字电路,主要应用于空间技术、军事应用和科学研究。
一文深度了解光纤传感器的应用场景
一文深度了解光纤传感器的应用场景文| 传感器技术（WW_CGQJS）光纤传感器与测量技术是当今传感器技术领域新的发展引应用，其测量用的光纤传感器有很多种类，有很多种工作方式。
国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种：光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。
下面对这四种产品分别介绍一下。
光纤传感器应用种类一、光纤陀螺。
光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型,这是三代光纤陀螺的代表.第一代干涉型光纤陀螺,目前该项技术已经成熟,适合进行批量生产和商品化;第二代谐振型光纤陀螺，暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；第三代布里渊型，它还处于理论研究阶段.光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。
目前分立光学元件技术已经基本退出，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低，所以在高精度光纤陀螺很受欢迎，是其主要实现方法。
二、光纤光栅传感器目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。
传统光纤传感器基本上可分为两种类型：光强型和干涉型。
光强型传感器的缺点在于光源不稳定，而且光纤损耗和探测器容易老化;干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，所以需要固定参考点而导致应用不方便.目前开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况,其传感信号为波长调制、复用能力强.在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中,光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件.光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。
三、光纤电流传感器电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加,运行电压等级也越来越高，电流也越来越大，这样测量起来就非常困难,这就显现出光纤电流传感器的优点了。
在电力系统中，传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础，这就存在以下缺点:它容易爆炸以至引起灾难性事故;大故障电流会造成铁芯磁饱和；铁芯发生共振效应；频率响应慢；测量精度低；信号易受干扰；体积重量大、价格昂贵等等，已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。
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光纤陀螺技术及应用
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光纤陀螺技术及其应用
张伟伟
（河南大学物理与电子学院，开封 475001）
光纤陀螺是建立在Sagnac效应基础上的光学干涉仪，主要用来检测外部载
体的运动角位移和角速度。光纤陀螺与机械陀螺和激光陀螺相比具有结构简单，
体积小，质量轻，成本低，灵敏度和分辨率高等一系列优点，引起了国内外人们
极大的重视和强烈的兴趣。光纤陀螺现已在航空航天、武器导航、机器人控制、
石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。但是
由于光纤陀螺其传感元件光纤
线圈对各种物理量极为敏感会产生陀螺噪声，而且本身固有物理结构，光源质量，光学器件，
光探测器等一起也会形成复杂噪声源影响光纤陀螺的灵敏度使精度下降。目前，国内光纤陀
螺仪研制水平与国外相比已接近惯性导航系统的中、低精度要求，但大多数未到工程实用阶
段，也没有可靠性数据。因此，对于光纤陀螺我们还需要不断地进行研究，以求研制出满足
各行各业需要的实用的光纤陀螺。
1 光纤陀螺基本原理
各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用Sagnac效应，只是各自所采用
的位相或频率解调方式不同，或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同而已。Sagnac
效应是指当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传
播的两列光波之间，将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波
的干涉。该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干
涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。
如
图1所示为光纤陀螺原理示意图，从A点入射的光被分束器分成等强
的两束光,反射光a进入光纤线圈沿逆时针方向传播，透射光b被反射镜反射回
后又被分束器反射，进入光纤线圈沿顺时针方向传播。两束光绕行一周后，又在
分束器汇合。当干涉仪无旋转时，沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程相同，
即两束光波的光程差为0。当干涉仪绕着其垂直轴以角速度（设逆时针方向为
正方向）旋转时，沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程和时间就不再相等，
其时间差和光程差分别为：
2
22
4()abR
tTTcR
cRtcL
2
4
（22Rc）
所以光纤环中两束光之间的相移为：
cRL4L
2
（RL2为光纤环的周长）
光纤陀螺技术及应用
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图1 圆形萨格奈克干涉仪
一般情况下，光纤陀螺采用的是多匝光纤线圈（N匝）的光纤环，两束光绕
行N周再次汇合时的相移应为：
KcRLN4（cRLNK4
为光纤陀螺的标度因数）
这表明两束光的光程差与输出相移与旋转角速度Ω成正比，所以只要测得光
程差或相移就可以求出转动角速度Ω。
2 光纤陀螺的分类
光纤陀螺与激光陀螺相比属于第二代光学陀螺。目前技术比较成熟正在实用
化的光纤陀螺是干涉型光纤陀螺（I-FOG），处在实验室向实用化发展的是谐振型
光纤陀螺（R-FOG），处在理论研究阶段的是受激布里渊散射型光纤陀螺（B-FOG）。
干涉型光纤陀螺（I-FOG）是研究开发最早、技术最为成熟的光纤陀螺，属
第一代光纤陀螺。它的原理示意图如图2所示，是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Saganc相位变化。干涉型光纤陀螺的光纤元器件一般都用单模光纤或
保偏光纤制作。
图2 干涉型光纤陀螺原理示意图
谐振型光纤陀螺是第二代光纤陀螺，它是通过检测旋转非互易性造成的顺、
逆时针两行波的频率差来测量角速率。采用无源谐振腔的R-FOG的基本结构是由
光纤构成一个谐振腔，其谐振频率随Sagnac效应的大小而改变，由此测量旋转
角速度。谐振型光纤陀螺的研究较晚，主要用来解决光源的波长稳定性，对光源
的要求十分苛刻，在技术上还不太成熟，但是很多研究人员认为它能提供最大潜
在的精度。
O
R
A
a
Ω
b
R
O
反射镜
光源
分束器
光纤线圈
a b
A
光纤陀螺技术及应用
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图3 谐振型光纤陀螺原理示意图
谐振型光纤陀螺示意图如图3所示，从激光器发出相干光通过光纤定向耦合
器C4分成两种，经耦合器C2和C3传至谐振腔耦合器C1，从两端注入光纤环形
谐振腔，在其中形成相向传播的相干光。当满足谐振条件并达到稳态时，腔中的
光强达到最大，即谐振状态。当Ω=0时，两束光具有相同谐振频率，谐振简并。
当Ω≠0时，两束光因Sagnac效应产生非互易相位移，导致其谐振频率分裂产
生频差。谐振光纤陀螺利用谐振来增强Sagnac效应提高了灵敏度，但由于利用
了光在环形腔中的多光束干涉效应，因而对光源的相干性要求比较高。
布里渊型光纤陀螺是第三代光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺，或受激布里
渊散射光纤环形激光陀螺。采用有源谐振腔的布里渊光纤陀螺是利用高功率光在
光纤中激发布里渊散射光的光纤陀螺仪。当光纤环中传输的光强达到一定程度时
就会产生布里渊散射，散射光的频率由于受Sgnace效应的影响，顺、逆时针的
两束布里渊散射光的频差与旋转角速度成正比。检测顺逆时针方向光波产生的散
射光的频率，并进行拍频处理，就可以得到光纤环的旋转角速度。
图4 布里渊型光纤陀螺示意图
如图4为布里渊型光纤陀螺示意图，当光纤环中传输的光强高到一定程度
时，就会在光纤谐振腔中引起受激布里渊散射（SBS）而形成光纤激光器，顺、
逆时针两束布里渊散射光的频差与旋转角度Ω成正比。
3 光纤陀螺的应用
自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第一个光纤陀
螺以来，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
光纤陀螺技术及应用
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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。
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,正逐步替代其他型陀螺。
总之，光纤陀螺仪经过将近3O年的发展，其应用范围不断拓展。在军用方
面，光纤陀螺仪广泛装备在导弹系统、飞机和舰艇的导航系统以及军用卫星与地
形跟踪匹配等系统中；在民用方面，光纤陀螺仪可用于飞机导航和石油勘察、钻
井导向，特别是在工业上具有极大应用的潜力。随着光纤技术和集成光路技术的
不断发展，光纤陀螺仪将拥有越来越广阔的应用前景。
4 结束语
到目前为止，光纤陀螺已从供战术应用的低精度型向导航用的中精度和高精
度型发展，以光纤陀螺为基础的惯性系统也开始在越来越多的场合得到应用。光
纤陀螺取得巨大发展的原因除了自身固有的优点外，光纤通信技术和光纤传感技
术的发展，光纤陀螺成本降低和体积减小，外部辅助技术的发展都对光纤陀螺的
发展起到十分重要的推动作用。随着光纤通信技术、集成光学技术和光纤传感技
术的发展，更多先进的成果将应用在光纤陀螺中，使得光纤陀螺的性能得以整体
提高，应用范围更加广泛。
近几年，国内光纤陀螺发展很快，研制水平已达到中低精度要求。但是发展
速度仍然跟不上市场需求，主要问题是与光纤陀螺相关的光电子器件在技术和数
量上满足不了陀螺总体的设计要求，市场的布局不够合理。因此，我国光纤陀螺
在发展的过程中，应注意形成多层次、多方位的研究和生产体系，在不断提高精
度的同时，注重商业应用市场的开拓，将不同性能、不同成本的光纤、光源、光
电集成芯片等器件应用到光纤陀螺当中，生产不同价格、不同精度的产品，以适
应不同市场的需要。