光纤陀螺技术及应用
光纤通信中的光纤陀螺技术研究
光纤通信中的光纤陀螺技术研究光纤通信在现代通信技术中占有重要的地位，它不仅提高了网络的传输速率和带宽，还提高了网络的可靠性和安全性。
光纤通信中的光纤陀螺技术是一项核心技术，可以在光学通信领域中发挥出重要作用。
本文将详细探讨光纤陀螺技术的原理、应用场景以及当前的研究进展。
一、光纤陀螺技术的原理光纤陀螺是一种将惯性导航传感器的想法与光学传感技术结合的仪器。
它利用光的属性，通过测量光的干涉来检测旋转，并利用检测到的旋转来确定具体方向。
其原理是采用光纤中的光纤环作为检测器，利用光纤中的两束激光束在光纤环中反射出现出变幻，使用光电探测器处理输出信号，可以实时地监测到旋转角速度。
二、光纤陀螺技术的应用场景光纤陀螺技术被广泛应用于惯性导航、火箭制导、天然气采集、地震勘查、精密测量、地球物理勘探、卫星通讯等领域。
以航空领域为例，航空领域的惯性导航系统需要计算对象在空间三维坐标系中的运动状态，并根据该状态实现精确导航和定位。
在这个过程中，光纤陀螺技术可以通过检测飞机的旋转来计算出飞机在空间中的角度和速度，从而帮助导航系统实现更为精确的定位和导航。
三、光纤陀螺技术的研究进展近年来，光纤陀螺技术在实际应用中广泛受到关注，并且取得了一系列令人瞩目的研究进展。
例如，近期研究人员提出了一种高精度、高灵敏度的光纤陀螺，该系统使用了独特的“光纤耦合式陀螺”技术，能够实现在恶劣环境下的高精度测量。
此外，研究人员还提出了一种基于光纤陀螺的高精度声波测量方法，该方法可以实时监测地球板块的运动，并精确测定板块之间的位移。
总之，光纤陀螺技术不仅是一种重要的光学传感器技术，而且是现代通信业中的重要一环。
通过不断地研究和发展，光纤陀螺技术在未来的发展中有望进一步提高其可靠性和实用性，推动光学通信领域的发展。
光纤陀螺的原理和应用前景
光纤陀螺的原理和应用前景1. 简介光纤陀螺作为一种高精度惯导传感器，广泛应用于导航、无人驾驶、航天航空等领域。
本文将介绍光纤陀螺的原理和应用前景。
2. 原理光纤陀螺基于Sagnac效应，利用光在旋转系统中传播的差相位来测量旋转角速度。
其主要原理如下：•光路拆分：将入射光束分为两束，经过旋转系统后再合并。
一束沿顺时针方向传播，另一束沿逆时针方向传播。
•光程差：当没有旋转时，两束光在旋转系统中传播距离相等，所以两束光在合并后能够干涉产生等相位。
•旋转效应：当旋转系统发生旋转时，顺时针方向的光程会变短，逆时针方向的光程会变长，导致干涉产生相位差。
•相位差测量：通过检测干涉产生的相位差，就可以计算出旋转角速度。
3. 应用前景光纤陀螺具有高精度、高稳定性、长寿命等优点，因此在许多领域有着广泛的应用前景。
3.1 导航与定位光纤陀螺可以用于惯性导航系统，实现对航空器、潜水器、导弹等的精确导航和定位。
与传统的机械陀螺相比，光纤陀螺具有更高的精度和更小的体积，更适用于高精度导航需求。
3.2 航天航空在航天航空领域，光纤陀螺可以用于姿态控制、角速度测量、飞行参数监测等方面。
光纤陀螺的高精度和高稳定性保证了飞行器的准确性和安全性。
3.3 无人驾驶随着无人驾驶技术的快速发展，光纤陀螺作为惯性导航传感器，在自动驾驶车辆上具有重要的应用前景。
它可以提供准确的车辆姿态信息，改善导航、定位和轨迹控制的精度，提高无人驾驶的安全性和可靠性。
3.4 工业自动化光纤陀螺可以在工业自动化系统中用于测量和控制机器人、加工设备等的姿态和运动状态。
通过实时监测机器人的姿态信息，可以提高生产效率和产品质量。
4. 总结光纤陀螺基于Sagnac效应，利用光在旋转系统中传播的差相位来测量旋转角速度。
其具有高精度、高稳定性、长寿命等优点，在导航、航天航空、无人驾驶和工业自动化等领域有着广泛的应用前景。
随着技术的不断进步，光纤陀螺将继续发挥重要的作用，推动相关领域的发展和进步。
光纤陀螺的制造技术研究与应用
光纤陀螺的制造技术研究与应用光纤陀螺是一种测量角速度的设备，通过利用光线的传播速度差异来实现角速度的测量。
在现代化的航空航天、军事和工业领域中，光纤陀螺已经成为必不可少的重要设备之一。
本文将介绍光纤陀螺的制造技术研究与应用。
一、光纤陀螺的原理光纤陀螺的原理基于斯特兰效应，即在旋转物体中，光线经过旋转物体后会发生相移。
而光纤陀螺就是利用这一原理，通过光线的传播速度差异来测量旋转物体的角速度。
光纤陀螺包括两个光纤环和一个激光器。
激光器会把激光通过一个60度的分束器，将激光分成两束光，然后通过两个内部反射镜再分别穿过两个光纤环。
当旋转物体旋转时，光线在穿过光纤环的过程中会发生斯特兰效应，导致两束光线相位差异发生变化。
这个相位差异会通过两个光纤环传递回激光器，最终通过检测器进行检测。
因为斯特兰效应的微小特性，光纤陀螺能够极其精确地测量旋转物体的角速度。
二、光纤陀螺的制造技术1. 光纤制备技术光纤的制备是生产光纤陀螺的关键技术之一。
制备高品质的光纤需要高质量的光纤原料、优良的制备设备和经验丰富的技术人员。
目前，国内外的光纤制备设备、技术和制备经验已经十分成熟。
2. 光纤陀螺的组装技术光纤陀螺的组装过程也非常重要，组装技术的精度决定了光纤陀螺的性能。
组装过程包括环与环的连接、传输路线的安排和组件的安装等环节。
组装过程需要耐心、精确的手工操作，同时保持专业的技术水平和对设备的深刻了解，保证组装过程的准确性和稳定性。
3. 工艺技术的创新随着科技的进步和需求的不断提高，光纤陀螺的工艺技术也在不断创新。
其中，新的设计模式和材料技术是光纤陀螺行业创新的重要方向。
由于光纤陀螺的精确度和可靠性要求非常高，因此新材料与全新的设计模式对于提高这种精确度和可靠性非常关键。
三、光纤陀螺的应用1. 航空航天光纤陀螺在航空航天领域中被广泛应用，用于测量卫星、飞机、导弹等的角速度和方位角。
光纤陀螺可以保证高精度和尺寸小巧，因此可以在航空航天装备中长期稳定地工作。
光纤陀螺技术及其应用
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Ω（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：2224()a b R t T T c R π∆=-=Ω-Ω Ω≈∆=∆cR t c L 24π（()22Ω>>R c ） 所以光纤环中两束光之间的相移为：Ω=∆=∆λπλπϕc RL 4L 2（R L π2=为光纤环的周长）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： Ω=Ω=∆K c RLN λπϕ4（λπc RLN K 4=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。
光纤陀螺仪的发展及应用
光纤陀螺仪的发展及应用光纤陀螺仪是一种基于光学原理的精密仪器，用于测量和检测物体的角速度和角位移。
它的工作原理是利用光纤作为传感器，在光的干涉和干扰效应下实现对角速度进行精确测量和计算。
光纤陀螺仪具有高精度、快速响应、长寿命和抗干扰性强等优点，因此在航空航天、导航、地震监测和工业控制等领域得到广泛应用。
光纤陀螺仪的发展经历了几个重要的阶段。
最早的光纤陀螺仪出现在20世纪70年代，它使用了光纤作为传感器，在光的干涉效应下实现对角速度的测量。
然而，当时的光纤陀螺仪体积庞大、价格昂贵、性能不稳定，限制了其在实际应用中的推广和应用。
随着技术的发展，光纤陀螺仪逐渐趋于小型化、高精度化和低功耗化。
在20世纪90年代，研究人员提出了一种新的光纤陀螺仪结构，即光纤环结构。
这种结构有效地实现了对光在光纤中传播时产生的微小光程差的测量，大大提高了陀螺仪的灵敏度和稳定性。
近年来，随着光纤技术的不断进步，光纤陀螺仪实现了更高的分辨率、更低的噪声和更宽的测量范围。
同时，光纤陀螺仪的体积也不断减小，造价也大大降低，使得其在大规模商业化应用中更具有竞争力。
光纤陀螺仪目前在航天航空领域有着广泛的应用。
它可以用于飞行器的导航、姿态控制和稳定系统，实时测量飞行器的角速度和绕各轴旋转角度，从而保证飞行器的安全和稳定。
光纤陀螺仪还可以用于航天器的精确定位和导航，为太空探测任务提供准确的数据支持。
此外，光纤陀螺仪还被广泛应用于民用领域。
例如，光纤陀螺仪可以用于汽车导航系统，提供准确的行驶方向和距离信息；在地震监测中，光纤陀螺仪可以实时监测地壳的变化，预警地震；还可以在工业控制系统中实现精确的角位移测量和控制，提高生产过程的自动化和智能化水平。
总的来说，光纤陀螺仪以其高精度、快速响应和抗干扰性强的特点，成为现代导航和控制系统中不可或缺的重要元件。
随着技术的进一步发展，相信光纤陀螺仪在更多领域的应用前景将更加广阔。
光纤陀螺仪的原理和应用
光纤陀螺仪的原理和应用1. 光纤陀螺仪的基本原理光纤陀螺仪是一种基于光学原理的惯性传感器，用于测量物体在空间中的角速度和角度变化。
它是一种无接触、高精度、长寿命的传感器，广泛应用于导航、航天、航海、地震监测等领域。
光纤陀螺仪的原理基于光的干涉效应。
其主要构成部分包括光源、光纤环路、检测器等。
•光源：光源产生出一束光通过一个光纤环路。
•光纤环路：光源发出的光经过光纤环路后，沿着相反的方向传播。
光纤环路通常采用多圈的结构，可通过增加光纤的长度来提高灵敏度和稳定性。
•检测器：光纤环路的两个光束经过合并后，再传输到检测器上。
当光纤环路发生旋转时，其中一个光束相对于另一个光束发生相位差，这种相位差会被检测器测量。
光纤陀螺仪利用光的干涉效应来测量旋转角速度。
当光纤环路不发生旋转时，两个光束的相位差为零；而当光纤环路发生旋转时，由于受到Coriolis力的影响，两个光束会发生相位差，该相位差与物体旋转的角速度成正比。
通过测量相位差，可以计算出物体的旋转角速度。
光纤陀螺仪的工作原理基于震动陀螺仪的原理，但优势在于不需要旋转部件，故具有更高的精度和可靠性。
2. 光纤陀螺仪的应用光纤陀螺仪由于其高精度、长寿命等特点，被广泛应用于以下领域：2.1 航空航天在航空航天领域，光纤陀螺仪常用于惯性导航系统中，用于测量飞行器的姿态、角速度和加速度。
光纤陀螺仪可以为无人机、导弹、卫星等提供高精度的导航和定位能力。
2.2 海洋勘探在海洋勘探领域，光纤陀螺仪用于测量船只、潜水器和潜水员的姿态和行为。
通过监测船只或潜水器的姿态信息，可以提高海洋勘探的定位和导航精度，确保勘探任务的安全和高效完成。
2.3 地震监测光纤陀螺仪在地震监测中的应用越来越广泛。
它可以用于测量地震波传播路径的分布和地球的扭转等参数。
通过光纤陀螺仪的高精度测量，可以提高地震监测的准确性和灵敏度，为地震预警和地震学研究提供重要的数据支持。
2.4 惯性导航光纤陀螺仪在惯性导航系统中起到核心作用。
光纤陀螺的原理及应用
光纤陀螺的原理及应用光纤陀螺是一种基于光纤的惯性导航装置，利用光纤的特性来测量物体在空间中的转动角速度。
它的核心原理是著名的光路差原理，即利用光在不同介质中传播速度不同的性质，通过测量光信号的相位差来推测陀螺的旋转情况。
光纤陀螺的主要构成部分包括光源、光分束器、光偏置器、光栅、光检测器等。
光源发出的光经过光分束器分成两束，依次通过光偏置器，其中一束光经过光栅与另一束光混合后通过光检测器检测。
当光纤陀螺不发生旋转时，两束光的相位相同，检测器输出信号为零；当光纤陀螺发生旋转时，光栅会引起两束光之间的相位差随着陀螺旋转导致变化，通过检测器可以将转动的角速度转化为电信号输出。
光纤陀螺具有许多优势和应用前景。
首先，光纤陀螺具有高精度和高稳定性，可以测量微小的角速度变化，适用于高精度导航和姿态控制。
其次，光纤陀螺不受外部电磁干扰的影响，可以用于恶劣环境下的导航。
此外，光纤陀螺体积小、重量轻，便于安装和集成到各种设备中。
光纤陀螺广泛应用于航空、航天、航海、导弹、船舶、地质勘探以及工业自动化等领域。
在航空和航天领域，光纤陀螺可用于惯性导航系统，实现飞行器的精确定位、测速和姿态控制。
在导弹领域，光纤陀螺可以提供快速、精确的导航信息，有效支持导弹的制导和弹道控制。
在地质勘探中，光纤陀螺可以应用于油气勘探、地震监测等领域，提供地下结构和地震信号的测量。
在工业自动化中，光纤陀螺可用于机器人导航和姿态控制，提高自动化生产线的准确性和效率。
除了以上应用领域，光纤陀螺还具有许多潜在的应用前景。
例如，在虚拟现实和增强现实领域，光纤陀螺可用于实现更精确的姿态追踪和身体定位。
在医疗领域，光纤陀螺可以应用于体内导航和手术辅助等方面，提高手术精确度和安全性。
在车辆导航和自动驾驶领域，光纤陀螺可以用于精确定位和路径规划，提高车辆导航的准确性和安全性。
总之，光纤陀螺是一种基于光纤的惯性导航装置，利用光路差原理测量物体的转动角速度。
它具有高精度、高稳定性和抗干扰性强的特点，广泛应用于航空、航天、航海、导弹、船舶、地质勘探和工业自动化等领域。
光纤陀螺原理及应用课件
欢迎参加本课程！本课程将介绍光纤陀螺的定义、原理和应用领域，以及其 在惯性导航、航空航天和地震监测中的重要性。让我们开始吧！
光纤陀螺的定义和原理
光纤陀螺利用光纤中的轴向光束干涉现象实现精密测量。光纤陀螺原理基于 光的传播速度与光路长度的微小变化。
光纤陀螺的结构和工作方式
光纤陀螺由光源、光路、光探测器和信号处理器组成。通过检测光纤中的干 涉信号，确定旋转角速度。
光纤陀螺的发展前景及挑战
光纤陀螺具有广阔的应用前景，但也面临着技术创新、信号处理和成本降低等挑战。持续研究和发展将推动其应用 领域的拓展。
Hale Waihona Puke 光纤陀螺的应用领域惯性导航
光纤陀螺用于导航系统，提供高精度的姿态和位置测量，应用于航空、航海和地面交通领域。
航空航天
光纤陀螺在航空航天中用于飞行器姿态控制、飞行参数测量和导航系统，提高飞行安全性。
地震监测
光纤陀螺可用于监测地壳运动和地震活动，提供准确的地震测量数据，助力地震预警系统的 建设。
光纤陀螺在惯性导航中的应用
光纤陀螺在惯性导航系统中扮演关键角色，提供精确的旋转角速度测量，用于定位、姿态控制和目标追踪。
光纤陀螺在航空航天中的应用
光纤陀螺在飞行器控制、导航和引导系统中广泛应用。高精度的姿态测量和 导航数据提高了航空航天系统的性能和安全性。
光纤陀螺在地震监测中的应用
光纤陀螺通过监测地壳运动和地震活动，为地震学家提供准确的地震测量数 据，帮助预测和研究地震现象。
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收 稿 日 期 ： ２００６－ １１－ １０ ； 修 订 日 期 ： ２００６－ １２－ ０９ 基 金 项 目 ： 教 育 部 新 世 纪 人 才 计 划 资 助 项 目（ＮＥＣＴ－ ０５－ ０１８３） 作 者 简 介 ： 杨 远 洪 （１９６９－ ）， 男 ， 湖 北 武 汉 人 ， 教 授 ， 主 要 从 事 光 纤 陀 螺 及 相 关 技 术 研 究 。Ｅｍａｉｌ ： ｙｈｙａｎｇ＠２６３．ｎｅｔ．ｃｎ
关键词： 光纤陀螺； 惯性系统； 光电探测； 观测卫星 中 图 分 类 号 ： ＴＮ２５３；Ｖ２４１．５ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １００７－ ２２７６（ ２００７） ０５－ ０６２６－ ０６
Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｇｙｒ ｏｓｃｏｐｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
第５期
杨远洪等： 光纤陀螺技术及应用
６２７
调制器、模拟和数字信号检测技术等， 都得 到 了 深 入 地 研 究 ； ＦＯＧ 的 各 种 误 差 因 素 ， 如 “Ｓｈｕｐｅ”效 应 引 入 的 温 度误差、偏振非互易、后向散射、Ｋｅｒｒ 效应等， 都被 揭示 出来并找到了有效的解决方法。在这个 时期 Ｉ!ＦＯＧ 的 潜力已经显现出来， 基于它的样机已能提供试用。 １９８６￣１９９６ 年为 ＦＯＧ 技术迅速发展和成熟时期， 有关 ＦＯＧ 研 发 大 都 集 中 在 Ｉ!ＦＯＧ 上 ， 许 多 公 司 都 开 发 出 ＦＯＧ 产品并投入试用， 有些公司甚至已具有了相 当大 的生产规模。在 １９９６ 年的 ＦＯＧ２０ 周年会议上， 国外许 多公司都报道了它们的 ＦＯＧ 产品， ＦＯＧ 已经达到了很 高的精度， 且能覆盖高、中、低精度范围， ＦＯＧ 在几乎所 有 的 惯 性 技 术 领 域 都 找 到 了 它 的 位 置 。１９９６ 年 至 今 ， ＦＯＧ 的研究主要集中在扩大应用领域、进一步 提高性 能和降低成本上， 即在高端要取代最高精度的机械陀 螺、在低端要比现有的陀螺便宜， ＦＯＧ 的这些特点和优 势已得到充分的应用和实践验证。
１ ＦＯＧ 的原理
１．１ Ｓａｇｎａｃ 效 应 及 角 速 度 测 量 Ｓａｇｎａｃ 效 应 指 ： 当 由 一 个 光 源 发 出 的 两 束 光 在 一
个闭合的任意形状光路中沿相反方向传播时， 在环路 沿其等效面矢量轴有一个转动时， 这两束光将产生一 个 正 比 于 转 速 的 位 相 差 ， 即 Ｓａｇｎａｃ 相 移 ， 可 表 示 为［２］：
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ； Ｉｎｅｒｔｉａｌ ｍｅａｓｕｒｅ ｕｎｉｔ； Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｎｄｅｒ； Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ
０引言
１９１３ 年法国人Ｇ．Ｓａｇｎａｃ 提出了 Ｓａｇｎａｃ 效应。１９７６ 年 ， 美 国 学 者Ｖ．Ｖａｌｉ 和Ｒ．Ｗ． Ｓｈｏｒｔｈｉｌｌ 首 次 提 出 光 纤 陀 螺（ＦＯＧ）这 个 概 念［１］， 他 们 使 用 多 圈 光 纤 环 形 成 大 等 效 面积的闭合 光路， 利用Ｓａｇｎａｃ 效应实现了 载 体 的 角 运 动测量。使得这种光纤角运动传感器具备了完整的陀 螺功能。ＦＯＧ 是全固态的陀螺， 与传统的机械陀螺 相 比 ， 具 有 工 艺 简 单 、力 学（振 动 、冲 击）性 能 好 、可 靠 性 高 等特点， 与稍早的激光陀 螺 （ ＲＬＧ） 相 比 ， 除 了 工 艺 简 单 外 ， 在 体 积 、电 特 性 和 成 本 及 可 靠 性 方 面 ， 都 具 有 较
但由于 Ｙ 波导等器件价格较高， 因此这种陀螺成本
较 高 。闭 环 ＦＯＧ 可 覆 盖 １￣０．０００ １ （°）／ｈ 的 精 度 范 围 ，
已广泛应用在各种惯性系统上。
（ａ）Ｓｃｈｅｍｅ ｄｉａｇｒａｍ 图 ４ 闭 环 Ｉ"ＦＯＧ
Ｆｉｇ．４ Ｃｌｏｓｅ"ｌｏｏｐ ＩＦＯＧ
（ｂ）Ｒｅｓｐｏｎｓｅ
２ ＦＯＧ 特点及技术
式 中 ： Ｌ 为 所 用 光 纤 的 长 度 ； Ｄ 为 光 纤 环 的 直 径 ； )! 为
成为可测量的电信号：
Ｉ＝Ｋ［１＋ｃｏｓ（’&Ｒ ）］
（３）
式中： Ｋ 为与光源光强有关的系数。通过测量 Ｉ 可确 定 这 个 位 相 差 ’&Ｒ ， 进 而 通 过 公 式（２）确 定 ＦＯＧ 所 敏 感的角速率 %， 实现载体的旋转运动的实时测量。但 公 式（３）表 明 Ｉ 与 ’&Ｒ 成 余 弦 关 系 ， 在 零 转 速 附 近 灵 敏 度最低， 所以在实际的角速度测量时， 都需要通过相 位 调 制 技 术 将 工 作 点 偏 置 到 ±(／２ 附 近 ， 实 现 高 精 度 检测， 如图 ２ 所示。
第 ３６ 卷第 ５ 期 Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．５
红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００７ 年 １０ 月 Ｏｃｔ． ２００７
光纤陀螺技术及应用
杨远洪， 申 彤， 郭锦锦
（北 京 航 空 航 天 大 学 光 电 技 术 研 究 所 ， 北 京 １０００８３）
摘 要 ： 简 单 回 顾 了 光 纤 陀 螺 ３０ 年 的 技 术 研 究 和 应 用 情 况 ； 介 绍 了 光 纤 陀 螺 的 基 本 原 理 ， 总 结 了 光纤陀螺的特点和关键应用技术； 以光纤陀螺在光电探测和卫星观测系统中的应用为主要背景， 详细 介 绍 了 具 有 代 表 性 的 ＬＮ２００ 系 列 光 纤 陀 螺 惯 性 系 统 的 技 术 特 点 和 应 用 情 况 ； 同 时 介 绍 了 光 纤 陀 螺 在 机 载 红 外 前 视 、红 外 天 体 观 测 平 台 和 高 精 度 对 地 观 测 卫 星 中 的 典 型 应 用 ， 为 光 纤 陀 螺 在 相 关 领 域 的 应 用 提 供 了 参 考 和 依 据 。简 单 总 结 了 我 国 光 纤 陀 螺 的 发 展 和 应 用 情 况 。经 过 ３０ 年 的 发 展 ， 光 纤 陀 螺 及 相 关技术已达到很高的水平， 已成为惯性系统的主流和首选仪表。
的 竞 争 力 ， 有 时 甚 至 是 唯 一 的 选 择［３］。 ２．２ ＦＯＧ 基本技术
经 过 ３０ 年 的 发 展 ， Ｉ"ＦＯＧ 技 术 已 经 成 熟 ， 并 形 成 一个优选的基本设计原则：
"#Ｒ
＝
４$
２
Ａ·%
（１）
ｃ
式 中 ： "&Ｒ 为 Ｓａｇｎａｃ 相 移 ； $ 为 光 的 频 率 ； ｃ 为 真 空 中
的 光 速 ； Ａ 为 面 积 矢 量 ； % 为 速 度 矢 量 。当 用 一 个 光 纤
环（如图 １）来实现这个闭合光路时， 上式可改写为：
’&Ｒ
＝
２(ＬＤ )! ｃ
·%
（２）
ｖ＝Ｋｓｏ·ｓｉｎ（Ｋｓ·%）
（４）
式 中 ： Ｋｓｏ ， Ｋｓ 为 比 例 系 数 。 公 式（４）表 明 ， 开 环 ＦＯＧ 的 输出与转速 % 呈非线性关系， 如图 ３（ｂ）所示。因此这
种 陀 螺 适 合 做 中 、低 精 度 陀 螺 使 用 。由 于 它 成 本 低 ， 因
此在一些精度和线性要求低的场合具有较高的应用
２．１ ＦＯＧ 特点 （１） 具有很大的设计灵活性， 可以满足各种不同
的应用需求 ＦＯＧ 的 精 度 由 所 采 用 的 方 案 和 组 成 它 的 各 部 分
的 参 数 决 定 ， 体 现 在 系 统 对 Ｓａｇａｎｃ 相 移 的 检 测 精 度 上 ， ＦＯＧ 所 能 测 量 的 最 小 角 速 度 为 ：
大的优势。作为关键的惯性仪表， 在军事上具有极高的 应用价值， 这使得它在出现之初就引起各发达国家的 重视， 经过 ３０ 年的发展， ＦＯＧ 已成为惯性技术 领域的 主流陀螺， 并在多种场合得到了成功的应用。
在 ３０ 年 的 发 展 过 程 中 ， ＦＯＧ 经 历 了 方 案 探 索 、技 术 研 究 、 产 品 开 发 ３ 个 阶 段 ： １９７６￣１９８６ 年 是 ＦＯＧ 发 展 的 方 案 探 索 阶 段 。 在 此 阶 段 ， 出 现 了 许 多 ＦＯＧ 方 案 ， 如 干 涉 型 开 环 、闭 环 ＦＯＧ （ Ｉ !ＦＯＧ） 、谐 振 型 ＦＯＧ （Ｒ!ＦＯＧ）、布 里 渊 ＦＯＧ（Ｂ!ＦＯＧ） 等 ； 许 多 基 础 技 术 ， 如 宽 谱 光 源 、保 偏 光 纤 及 器 件 、光 纤 环 绕 制 技 术 、Ｙ 波 导
图 ２ Ｓａｇｎａｃ 干 涉 仪 的 响 应 曲 线 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ Ｓａｇｎａｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
１．２ 开环ＦＯＧ 开 环 ＦＯＧ 由 宽 谱 光 源 、耦 合 器 、偏 振 器 、光 纤 环 、
位相调 制器和检测电路组成， 其 原 理 如 图 ３（ａ）所 示 。 其输出与敏感到的转速 % 的关系为：
价 值 。 俄 罗 斯 的 Ｆｉｚｏｐｔｉｋａ 和 美 国 的 ＫＶＨ 等 公 司 都 有
相应的产品并已大量应用。
图 １ 用光纤环组合的闭合光路 Ｆｉｇ．１ Ｃｌｏｓｅｄ ｆｉｂｅｒ ｃｏｉｌ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ
所 用 光 源 的 平 均 光 波 长 。这 个 位 相 差 的 变 化 可 通 过 光 的干涉转化为输出光信号的强度变化， 经光电转换便
６２８
红外与激光工程
第 ３６ 卷
所 示 。检 测 电 路 为 全 数 字 电 路 。输 出 与 敏 感 到 的 转 速
! 的关系为：
Ｄｏ ＝Ｋｓｃ·!
（５）
式 中 ： Ｋｓｃ 为 比 例 系 数 。Ｉ"ＦＯＧ 具 有 很 好 的 线 性 ， 如 图 ４ （ ｂ） 所 示 。现 阶 段 中 、高 精 度 光 纤 陀 螺 都 为 闭 环 ＦＯＧ，
ＹＡＮＧ Ｙｕａｎ!ｈｏｎｇ， ＳＨＥＮ Ｔｏｎｇ， ＧＵＯ Ｊｉｎ!ｊｉｎ