光纤陀螺

光纤陀螺及军事应用

摘要：本文主要介绍了光纤陀螺，光纤陀螺的发展历史及其现状；在光纤陀螺分类的基础上分析其原理；光纤陀螺的特点；分别于陆海空三个不同的方面讲述光纤陀螺的军事应用以及光纤陀螺未来发展趋势。

关键词：光纤陀螺；发展历史；原理；分类；特点；军事应用；发展趋势

Fiber Gyroscope and Military Application

Xu Rui

(School of Economy and Administration, Shanghai University, Shanghai 200444, China) Abstract: This paper mainly introduces the development history and present situation of fiber optic gyroscope, optical fiber gyroscope; analyze its principle based on the classification of the characteristics of fog; fog; military application and development trends in the future about the fiber optic gyroscope fog on three different aspects of armed respectively

Keywords: Fiber gyroscope；History；principle；Classification；Characteristic；Military application；Development trend.

1 前言

现代陀螺仪是现代航空、航海、航天和国防工业中

广泛使用的一种惯性制导仪器，它的发展对一个国家的

工业、国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意

义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械

式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精

度受到了很多方面的制约[1]。光纤陀螺仪作为新一代的

陀螺仪，是一种利用Sagnac效应测量旋转角速度的新型

全固态惯性仪表[2]，较为常见的外形如图（1）所示。光

纤陀螺因其零部件少、体积小、抗电磁辐射和冲击能力图1 光纤陀螺

强、寿命长、易于集成、成本低等优点而飞速发展, 广泛用于兵工、航海、航空、航天等军事领域。

2 光纤陀螺仪的发展历史及现状

自从美国犹他大学的VAL I和 SHORTHI LL等人成功研制第1个光纤陀螺以来,光纤陀螺已经发展了将近30年。以下是光纤陀螺的主要发展历程[3~7]。

1970 年,新一代低损耗光纤推动光纤陀螺的研制; 1976年, VAL I和SHORTHI LL 等人成功研制了干涉式光纤陀螺(I-FOG);1977 年～1982年,对光纤陀螺的基本结构进行研究,提出了光纤陀螺最小结构,开环结构和闭环结构,并提出了谐振式光纤陀螺(R-FOG)和布里渊光纤陀螺(B-FOG)的思想;1980年～1990年,对光纤陀螺的误差因素和光学元件进行研究,引入了超辐射发光二极管、保偏光纤、光学铌酸锂集成芯片、绕纤技术等,对光纤陀螺提出“all digital”的概念,首次实现商业化(实用于波音777);1990 年至今,光纤陀螺的实际应用研究(特别是航天航空,工业领域),运用光电集成芯片(LiNbO

质子交换光波导)、微光电机械、

3

信号处理技术等技术致力于降低光纤陀螺成本、小型化、高性能的研究,对I-FOG

引入了消偏结构,三轴结构,EDF ASE光源,进行光纤陀螺的标准化,光纤型激光陀螺的研制。

现在,光纤陀螺的大部分关键技术问题已经得到很好的解决,灵敏度、动态范围、标度因素等技术指标已得到很大的改善,角速度探测精度已经达到0.0003°/h (相当于150年转一圈的转速)。关键技术问题的解决和光纤陀螺独有优势有力地推动了光纤陀螺的产业化,如今全球每年生产的光纤陀螺单元已达到十万个左右。典型的光纤陀螺仪面积为10 cm2数量级,精度 0.1°/h ～0 . 02°/h,能在强震动、温度-50℃～100 ℃的环境中全区间工作,广泛应用于航天航空,机器人系统,机车导航,天线与望远镜平台稳定,深海导航,矿物勘采甚至是地震探测技术领域。

3 光纤陀螺仪的原理及分类

光纤陀螺分类有多种，若按其原理来划分，可分为：干涉型光纤陀螺（I-FOG）、谐振型光纤陀螺（R-FOG）及布里渊型光纤陀螺（B-FOG）。但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。根据sagnac效应[8]，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[9]。

3.1 干涉型光纤陀螺（I-FOG）[10]

I-FOG是第一代光纤陀螺,其原理

如图2所示。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Sagnac 相位变

化。I-FOG的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,但是

若要提高它的灵敏度就必须增加光纤的图2 干涉型光纤陀螺原理示意图

长度,一般为数百米到数千米,光纤陀螺的体积相应较大。

I-FOG又分为开环I-FOG和闭环I-FOG,开环I-FOG主要用作角速度传感器。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I-FOG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。I-FOG是光纤陀螺中研究最早的,现在其实验室精度已达10-4(°)/h ,在国内外的军用和民用方面得到了广泛的应用,目前世界各国开发的实用产品大部分都是干涉型光纤陀螺。

3.2 谐振型光纤陀螺（R-FOG）[10]

R-FOG是第二代光纤陀螺,原理如图所3示。从激光器发出的光通过光纤耦合器C4和C1分成两路进入光纤谐振器,在其中形成传播方向相反的两路谐振光。谐振器静止时,这两束光的谐振频率相等。但当谐振器以角速度Ω旋转时,它们的谐振频率不再相等,两束谐振光的谐振频率差为△f=（4S/ΛL）Ω (L为谐振器的光纤长度,为谐振器所包围的面积, K为光波长)。因此,通过测量R-FOG中两谐振光束的谐振频率差△f,可以确定旋转角速度Ω。