光纤陀螺的军事应用及前景

采用光纤陀螺的AIM-120空空导弹在作战时比采 用传统的机械陀螺的R-77空空导弹占优。
AIM-120空空导弹 R-77空空导弹
4. 我国光纤陀螺在军事装备上的应用
• 虽然我国光纤陀螺的研制和应用起步较晚,但近年来已取得长足进步,在 我军的武器装备中已经得到一定程度的应用。我国从20世纪8o年代初开 始光纤陀螺的研究。目前国内光纤陀螺的研制水平已经接近惯性导航系 统中低精度要求的水平，光纤陀螺在工程上已经得到一定程度的应用， 但是我国光纤陀螺在关键技术及实用化上与国外先进水平相比，差距还 是比较大的。
斯崔克装甲车
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2. 光纤陀螺在海军装备中的应用
• 自19 世纪后半叶出现钢制轮船以来, 陀螺仪就担当了舰船导航的重要任 务。 • 海军武器以运动平台为载体,掌握自 身平台的时间、空间和姿态信息是 保证大部分作战兵器充分发挥效能 的基础。在未来战争条件下,无线电、 GPS、天文导航和制导都可能被对方 干扰,而光纤陀螺以其牢固稳定、耐 冲击、启动时间短、检测灵敏度高、 寿命长、信号稳定等优点,在未来信 息战环境中有着特殊地位,它在水下 是唯一有效的导航手段,已普遍被各 国海军认识和接受，作为新一代潜 艇和鱼雷导航系统。 • KVH 公司的DSP -300 光纤陀螺已用 于海上雷达和导弹防御系统的稳定 系统。
四、光纤陀螺仪的应用前景
• 当前除了美国和北约一些国家的空军中的大部 分主战飞机装备了以激光陀螺为核心的第二代 标准惯导仪外，其它大多数国家的航空武器系 统中用于惯性测量的陀螺基本上都是传统的机 电陀螺，即使新型战机使用的也只是挠性陀螺。 • 从抗过载能力考虑，光纤陀螺要大大优于挠性 陀螺，无论从成本、快速性，还是抗过载能力 考虑，光纤陀螺仪应该是发展及应用的方向， 届时极有可能出现一个用光纤陀螺惯性测量单 元来改装现役以及应用到新式武器装备的局面。
光纤陀螺和环形激光陀螺原理相似，但是它采用的是光 纤环，具有普通的机械陀螺及激光陀螺所不具有的独特优点： 结构简单、耐振动、工作寿命长、响应速度快、精度高、动 态范围大、抗电磁干扰、无加速度引 起的漂移且重量轻、 成本低、可靠性优于机械陀螺和激光陀螺等，因光纤陀螺具 有更多的优势。图为各种类型的光纤陀螺。
• 光纤陀螺还可用于装甲 车和坦克的转塔,在车辆 瞄准和射击时用于稳定 炮塔。 • 2002 年6 月, KVH 公司为 欧洲系统集成商制造的 几辆战车提供E - Core 4000 型光纤陀螺,其中单 轴E - Core 4000 型陀螺用 于主战坦克转塔的升级, 双轴E - Core 型陀螺集成 到新装甲车的转塔上,在 车辆瞄准和射击时陀螺 将用于稳定炮塔。
2. 谐振型光纤陀螺(RFOG)
• 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， 其谐振频率随萨格纳克效应的 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。
海狼级核潜艇
宙斯盾驱逐舰
3. 光纤陀螺在飞机和导弹中的应用
• 光纤陀螺真正用于飞行器是20 世 纪70 年代后期,和传统的机械陀 螺相比,具有重量轻、启动时间短、 感应度高、无可动部分、能承受 强加速度等优点。 • 美国空军和宇航部门都为研发光 纤陀螺投入了大量资金,在美国星 球大战计划中也曾列入采用保偏 光纤研制光纤陀螺的计划。 • 光纤陀螺还可用于精确制导弹药, 可极大提高弹药的命中精度。20 世纪90 年代初的海湾战争中,美 国“战斧”巡航导弹上就装备有 光纤陀螺,使导弹的稳定性和命中 率得到显著提高。在战争中,即使 卫星导航因在强电子干扰而无法 获得准确信息,光纤陀螺依然可以 保证飞行器自主导航、精确制导 和准确命中目标。
三、光纤陀螺在武器装备中的应用
• 由于光纤陀螺本身在测量旋转和加速度变量方 面的优越性，采用光纤陀螺构成的陀螺组件既 可以测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和 横滚角，引导导弹飞向目标，也可以测量飞行 器的方位角速度和俯仰角速度，提供制导武器 所需的初始资料。因此，光纤陀螺在制导武器、 陆战武器平台以及与制导武器有密切关系的机 载惯性导航系统或舰载导航系统中获得了广泛 的应用
DSP-4000干涉型光纤陀螺
1. 干涉型光纤陀螺(IFOG)
• 干涉型光纤陀螺是研究开发最 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萨格 纳克相位变化。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。 • 目前，低、中性能的干涉型光 纤陀螺已经实用化，而高性能 干涉型光纤陀螺正处于研制之 中。
3. 布里渊型光纤陀螺(BFOG)
• 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 光的频率由于受萨格奈克效应的 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。
二、光纤陀螺的基本原理和种类
• 自从1976年瓦利( V.Vali) 和肖 迪尔(R. W.Shortill)首次提出 光纤陀螺的概念到现在以来， 光纤陀螺已经从第一代的干 涉型光纤陀螺(IFOG) ，发展 到了第二代谐振型光纤陀螺 (RFOG)和第三代布里渊型光 纤陀螺(BFOG)。它们的基本 原理都是利用萨格纳克效应。
1. 光纤陀螺在陆战装备中的应用
• 现在GPS定位系统在各国的军事装备上都得到 了广泛的应用。在山区、隧道等卫星信号微弱 的地方,GPS 就显得“力不从心”,但这些地区 往往是敌我作战的主战场。为解决上述问题, 现在采用GPS 与航位推算系统相结合的办法弥 补GPS 失去卫星定位信号而产生的数据空缺。 • 航位推算系统是由光纤陀螺和里程计组成的一 种自主式导航系统,完全依靠车载设备自主完 成导航任务,不易受周围环境的干扰和影响,能 够保证连续定位。
光纤陀螺在武器系统中应用
• 我们可以相信随着光纤陀螺技术的发展，加上 进一步合理地应用集成电路、集成光路等技术， 进一步减小体积、重量和降低成本，简化组装 工艺，提高可靠性、稳定性和耐用性，光纤陀 螺还可广泛用于强振动和高冲击等民用运载车 辆和钻井平台。 • 可以预见，不久的将来，光纤陀螺在各国武器 装备上必将得到大量应用，在提高武器装备的 战斗力方面，光纤陀螺将发挥巨大作用
图4 战斧巡航导弹
• LN200光纤陀螺惯性测量组件是美国Litton公司研制 的惯性制导设备，美国的AIM一 120B／C型中距空 空导弹，AGM一142空地导弹都采用该惯性测量组 件。LN一200采用的光纤陀螺，它与微硅加速度计 一起构成的整个惯 性测量组合的尺寸为489X 85， 重700 g，稳态功耗仅10 W。 • 俄罗斯的的R一77被认为是与美国的AIM一120并列 的第四代中距空空导弹，尽管R一77在机动性和射 程上占有 优势但由于它采用传统的机械陀螺而不是 光纤陀螺，使得其作战准备时间相对较长，载机在 空中作战时容易陷人被动地位。目前，俄罗斯已将 新近开发的光纤陀螺技术用于其最新主动雷达导引 头的研制，以加快战术导弹的启动速度。
光纤陀螺的军事应用及前景
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一 、 陀螺仪概述
• 我们大家小时候一定都玩过陀螺，陀螺转起来后， 能保持很好稳定性。 • 陀螺是一种具有敏感角速率和角偏差的传感器， 自1852年陀螺仪问世，因其独特的性能，已广泛地 应用于航海、航空、航天以及国民经济等领域。 • 光纤陀螺是一种轻便的由固体元件组成的全固态 器件，作为新一代角速度敏感器件，它具有其它种 类陀螺所不具有的独特优点。在航天、航空、航海 和兵器等领域以及工业领域中已具有相当强的竞争 力，在战术级军用及民用场合中目前已得到广泛应 用，如制导鱼雷、光纤制导导弹、地下探测、地面 车辆定位定向、机载惯导系统等。
• 前段时间，我国海军测试了新型 反舰巡航导弹鹰击62导弹，它参 加过国庆60周年的大阅兵，该型 导弹大胆地运用了光纤陀螺，在 定型测试时，取得了三发三中的 优秀成绩，这标志着我国的光纤 陀螺技术已发展到了实用化程度， 对提高我国光纤陀螺的发展具有 里程碑式的作用。
图6 鹰击62导弹发射
图7 国产SD10中距空空导弹，国产三代战机的主力超视距 导弹。