光纤陀螺仪的发展现状
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陀 螺仪 相 比 ， 光纤 陀 螺仪 不需 要光 学 镜 的高 精度 加工 、 腔 光 的严格 密 封和 机械 偏 置 技 术 ， 够 有 效 地 克 服 了激光 陀 螺 能 的闭锁 现 象 ， 易于 制 造 。 本 文 从光 纤 陀螺仪 的原 理 和优 点 出 发 ， 重 对光 纤 陀 着 螺 仪 的分类 、 国外 研 究现状 及 其发 展 趋势 做 了详 细 的介 绍 ， 希望对 我 国 的光纤 陀 螺 的研制 和 发展 有所 裨 益 。 １ 光纤 陀螺 仪 的分 类
环 节 ， 大 降低 光 源漂 移 的影 响 ， 大 了光纤 陀 螺 的动 态 范 大 扩 围， 对光 源 强度 变化 和元 件 增 益变 化不 敏 感 ， 螺漂 移 非 常 陀 小 ， 出线 性 度 和 稳 定 性 只 与 相 位 变 换 器 有 关 ， 要 应 输 主 用于 中等精 度 的惯 导 系 统 ， 光 纤 陀 螺 的 小 型 化 和稳 定性 对 有重 要作 用 ， 是高 精 度光纤 陀 螺研 究 的 主要 趋势 。 按 照光 学 系统 的构 成 可分 为 全光 纤 型和 集成 光学 器 件 型 。全 光纤 陀螺 成本 较 低 ， 实现 高 精度 的技 术 难度 较 大 ， 但 大多 用 于精 度要 求 不 高和 低成 本 的场 合 。集成 光 学器 件 光 纤 陀螺 在信 号处 理 中 可 以 采用 数 字 闭环 技 术 ， 于 实 现 高 易 精 度 和高稳 定性 ， 目前 最 常用 的 光纤 陀螺 构 成模 式 。 是
纤 陀 螺相 比， 靠性 高 、 构 简化 、 度 分 布漂移 小 、 可 结 温 动态 范 围大 。但 是 ， 光 源 要 求 比 较 苛 刻 ， 一 点 影 响 到 它 的 发 对 这
展 。
光纤 线 圈 大小 和光 纤 的长 度 ， 以满 足具 体任 务 的要 求 。
２ ２ 日本 研 究状 况 ．
布里 渊式 光纤 陀 螺是 利 用布 里 渊光纤 环 形激 光 器 的频 率变 化原 理 构成 测量 装 置 ， 有结 构 简单 、 本 低 、 器 件 具 成 光 少、 线性 度 好 、 动态 范 围大 ， 于高精 度 检测 ， 适 缺点 是存 在 锁
定现 象 。 ２ 国外 研 究状 况
司。
光纤 陀螺 仪按 照 不 同的分 类 标准 ， 有不 同的分 类结 果 。
按 结 构可 分 为单 轴 和多 轴 光 纤 陀 螺 ， 纤 陀螺 的多 轴 化 正 光
是其 发展 方 向之一 。按 其 回路 类 型可 分 为开 环光 纤 陀螺 和
闭环 光纤 陀螺 两类 ， 开环 光纤 陀螺不 带 反馈 ， 接 检 测光 输 直
按 照性 能 和应 用 的 角 度可 分 为速 率 级 、 术 级 和 惯 性 战 级 等 ３个 级 别 。速 率级 光 纤 陀 螺 已经 产 业化 ， 主要 应 用
于机 器 人 、 下建 造 隧道 、 地 管道 路 径勘 测装 置 和 汽车 导航 等
对精 度 要求 不 高 的场合 。 日本 、 国等 国家 研 制 、 法 生产 的这 种 精度 的陀螺 仪 ， 已大 批 量 应 用 到 民 用 领域 。战 术 级 光 纤
Ｚ ＨＯＵ Ｈａ－ ｏ，Ｌ Ｕ ｉｎ ｙ ｉｂ Ｉ Ｊａ － ｅ，Ｌ ｉ ｈ ｕ，Ｌ ｎ － ｉｇ ＡＩＪ－ ｏ ｚ ＩＲｏ ｇ ｂ ｎ
（ ｖｇ ｔ ｎ Ｒｅ ｅ ｔｒ Ｎａ ｊ ｇＵｎｖ ｒｉ ｆ ｒ ｎ ｕ ｃ ｎ ｔｏ ａ ｔ ｓ Ｎ ｎｉｇ２ ０ １ Ｃｈｎ ） Ｎａ ｉａｉ ｓＣ ｎ ｅ ， ｎｉ ｉｅｓｔ ｏ ｏ ａ ｔ ｓａ ｄＡｓｒｎ ｕｉ ， ａ ｊ １０ ６， ｉａ ｏ ｎ ｙ Ａｅ ｉ ｃ ｎ
２０ ０５年 第 ２ ４卷 第 ６期
传感 器技 术 （ｏｒ ｌ ｆ ｒ ｓｕｅ Ｔ ｃｎｌ ｙ Ｊｕ ａ ｏ Ｔａ ｄ ｃｒ ｅｈｏ ｇ） ｎ ｎ ｏ
＼
、
综述与评论 Ｉ ｝
ｃ ｃ 、
光 纤 陀 螺 仪 的 发 展 现 状
周海波 ，刘建业 ， 际舟 ， 荣冰 赖 李
过 光程 差 与相应 的 相位 差 的关 系 ， 可通 过 检测 相位 差 ， 算 计
角 速度 。它 一般 由光纤 传感 线 圈 、 光学 芯 片 、 带 光 源 集成 宽
和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比， 具有无运
动 部件 、 冲击 、 构 简单 、 动 时 间 短 、 敏 度 高 、 态 范 耐 结 启 灵 动 围宽 、 寿命 长 等优 点 。 与另 一 种 光 学 陀螺 仪— —环 形 激 光
关键 词 ：光 纤 陀螺仪 ； 格纳 效应 ； 涉 型 ； 萨 干 谐振 式 ； 布里 渊式
中图分 类号 ：Ｔ ２，Ｐ Ｎ Ｔ２ 文献标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：１０ ９ ８ （０ ５ ０ ０ ０ ０ ０ ０— ７ ７ ２ ０ ） ６— ０ １— ３
Ｄ ｅ ｅｏ ｍ ｅ ｔｓａ ｕｓ ｏ ｂБайду номын сангаасｒ ｏ ｔｃ ｇ ｒ ｓ ｏ ｓ ｖ ｌｐ ｎ ｔ ｔ ｆｆ ｅ － ｐ ｉ ｙ ｏ ｃ ｐｅ ｉ
从 同一 光源 发 出两束 特 征 相 同的 光 ， 相反 的方 向进 行 传 沿 播 ， 合到 同一 探测 点 ， 生 干涉 。若 存在 绕 垂直 于 闭合 光 汇 产
路所 在平 面 的轴 线 相对惯 性 空 间转 动 的角 速度 ， 沿 正 、 则 反
方 向传 播 的光束 产 生 光 程差 ， 差 值 与 角速 度 成 正 比。通 该
出 ， 许 多复 杂 的光 学 和 电 路 结 构 ， 有 结 构 简 单 、 格 省去 具 价
收 稿 日期 ：０ ４—１ ２０ １—２ ０
２
传
感
器
技
术
第２ ４卷
按 工作 原 理 可 分 为干 涉 式 光纤 陀 螺 、 振式 光 纤 陀 螺 谐
制 器 、．３ ０８ ｍ宽 带 光源 、 电探 测 器／ 置放 大 器模 块 、 光 前 保 偏 光纤 偏 振器 等 。第二 代 高性 能 干涉 型光 纤 陀螺 采用 了集 成 光学 多 功 能 芯 片 技 术 以 及 全 数 字 闭 环 电 路 。几 年 前 ， Ｈ ｎｙ ｅ公 司使 用 ４ ０ Ｉ光 纤 ，． （ ｉ ２ ． ｍ） ｏｅ ｌ ｗ ｌ ００Ｔ Ｉ ５ ５ｉ １ｎ＝ ５ ４ｍ 保 ｎ 偏 光纤 环 和掺 铒 光纤 光 源 ， 行 了稳 定温 度 条 件 下 的 闭 环 进 漂 移测 试 ， 度 随机 游 走 （ Ｒ 精 度 为 ０ ００１ 。 ， 角 Ａ Ｗ） ．０ ９ ／ 偏 置 稳定 性 优 于０００ 。ｈ ， 当 于 漂 移 率 为一 个 半 世 纪 ．０ ３ ／ 相
ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ． ｈ ｎ ｅ ｎ ｔ ｎ ｌ ｓａ ｕ ｆ Ｆ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔ Ｔ ｅ ｉ ｔｒ ａ ｉ ａ ｔｔ ｓ ｏ ＯＧ ｓ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｎ ｈ ｈ ｒ－ ｒ ａ ｄ ｌｎ ・ｅ ｒ ｎ ｆ Ｆ ｃ ｏ ｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｏ ｔｔ ｍ ｎ ｏ ｇ ｔｒ ｔ ｄ ｏ ＯＧ ｓ ｅ ｍ ｅ ｉ ｆ ｒ ｃ ｓ ． ｔｗ ｌ ｂ ｎ ｆｔ ｏ ｔｅ Ｃ Ｈ Ｓ ｆ ｏ ｒ Ｆ ｏ ｅ ａ ｔ Ｉ ｉｌ ｅ ｂ ｅ ｈ Ｏ Ｕ ｅ ｏ ｕ ＯＧ． ｅ ｉ ｔ
纤 的 长度 来提 高 陀螺 的 灵 敏度 ， 入 一 出 线性 度 差 、 态 输 输 动
光纤 陀螺 仪 属 于 第 四 代 陀 螺 仪 —— 光 学 陀 螺 仪 的 一
种， 其基 本工 作 原理 基 于萨 格纳 效应 ， 即在 同一 闭 合光 路 中
范围小 ， 主要 用作 角度 传 感 器 … 。闭 环 光纤 陀 螺包 含闭 环
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｆ ｅ－ｐｉ ｇｒｓｏ ｅ（ Ｏ ｓｒ ｃ： ｈ ｂｒｏ ｔ ｏｃ ｐ Ｆ Ｇ） ｉ ｃ ｓｉｅ ｎｏ ｄｆ ｒｎ ｔｐ ｓ ａｃｒｉｇ ｔ ｉ ｒ ｃ ｌ ａ ｄ ｉ ｃｙ ｓ ｌ ｓ ｄ ｉｔ ｉｅｅ ｔ ｙ ｃｏｄｎ ｏ ｔ ｐｉ ｉ ｅ ｎ ａ ｆ ｉ ｅ ｓ ｎｐ
旋 转一 周 。现已 应用 在 高 性 能惯 性 参考 系统 中 ， 够 改 变 能
和布 里渊 式光纤 陀螺 。其 中 ， 涉 型 光 纤 陀 螺 是 这 ３种 陀 干 螺 中发展 最早 、 最为 成 熟 、 应用 最 广 泛 的 ， 惯 性 级 产 品 的 其
研 制 与开 发也 正 日趋 成熟 。但 是 ， 由于 一些 随机 性 、 互 易 非 性 因素 的影 响 ， 大大 限 制 了其性 能 的提 高 。 谐振 式 光纤 陀螺 与环 形 激 光 陀 螺 仪 相 似 ， 用 循 环 的 利 环 形谐 振 腔来 增 强 旋 转 引 起 的 Ｓｇ ａ ａｎ ｃ效 应 。 与 干 涉 型 光
（ 南京 航 空航 天 大学 导航 研 究 中心 。 苏 南京 ２ ０ １ ） 江 １０ ６ 摘 要 ：根据 光 纤陀 螺 仪的 工作 原理 和 特点 ， 光纤 陀 螺仪 具 有 不 同 的 分类 。介绍 了 国外 光 纤 陀 螺 仪 的 现
状， 预测 了近期 和 长远 的发 展趋 势 ， 旨在 对我 国的光纤 陀螺技 术 的发 展 能 有所 帮助 。
制 系统 等 。 到 １９ ９ ６年 ， 经 具备 每 月生 产 ５ ０ 已 ０ ０只 光 纤 陀
从 １７ ９ ６年美 国 Ｕａ ｔ ｈ大学 的 Ｖ ｉ 和 Ｓ ｏｔｉ 首 次 提 出 ａ ｌ ｈｒ ｌ ｈｌ 了光纤 陀 螺 的概念 至 今 ， 光纤 陀 螺 以其 显著 的优 点 、 活 的 灵 结 构 和诱 人 的前 景 ， 到 世 界 许 多 国家 的大 学 和 科 研 机 构 受 的重 视 ， 得很 大 的进展 。但 是 ， 纤 陀螺 在 各 国的 发展 状 取 光 况、 研究 情 况不 尽相 同 ， 有 各 自的特 点 。 国外光 纤 陀螺 的 具
Ｋｅ ｒ ｓ Ｆ Ｇ（ ｂ ｒ ｐｉ ｒｓｏｅ ；Ｓｇ ａ ｆ ｃ ； ｎｅｆｒｍｅ ｃ ｅｏ ａ ｔ ｒ ｌ ｉ ｙｗｏｄ ： Ｏ ｆ － ｔ ｇ ｏｃ ｐ ） ａｎ ｃｅ ｅｔ ｉｔ ｅｏ ｔ ；ｒｓｎｎ ；Ｂ ｉｏ ｎ ｉ ｏ ｃｙ ｅ ｆ ｒ ｉ ｒ ｌｕ
０ 引 言
便宜 、 性高 、 可靠 消耗 功 率 低 等优 点 ， 点 是 靠 增 加 单 模 光 缺
陀螺 具 有 寿命 长 、 靠性 高 和成 本低 等 优点 ， 可 主要 用 于 战术 导 弹 、 程／ 近 中程 导弹 和 商 用 飞机 的姿 态 对 准 参考 系统 中 。 惯 性级 光 纤陀 螺 主要 是 用 于 空 间 定 位 和 潜 艇 导航 ， 开 发 其 和研 制 正 逐步 走 向成熟 ， 国有 关公 司 和研 究 机构 是研 制 、 美 生 产该 级 别光 纤 陀螺 的佼 佼 者 ， Ｈｏｅ ｗ ｌ Ｎ ｒ ｒｐ等公 如 ｎ ｙ ｅｌ ｏ ｈｏ ， ｔ
日本 是 紧随 美 国开 展 光纤 陀 螺 研 究 和 应 用 的 国家 ， 其 主要 的研究 机 构有 东京 大 学 尖端 技术 室 和 日立 、 友 电工 、 住
三菱 、 日本航 空 电子 工业 （Ａ ） 公 司 。 ＪＥ等 日立 公 司主要 研 制 速 率级 光 纤 陀 螺 ， 最 重 要 的 贡 献 其 在 于 简化 了干涉 型光 纤 陀 螺 的系 统 配 置 ， 大大 地 降 低 了系 统 成本 ， 使光 纤 陀螺 的 民用 范 围 得 到很 大 的扩 展 ， 如 ： 例 用 于汽 车导航 系统 、 洁 机 器 人 、 罗 盘 、 用 直 升 机 姿 态 控 清 光 农
环 节 ， 大 降低 光 源漂 移 的影 响 ， 大 了光纤 陀 螺 的动 态 范 大 扩 围， 对光 源 强度 变化 和元 件 增 益变 化不 敏 感 ， 螺漂 移 非 常 陀 小 ， 出线 性 度 和 稳 定 性 只 与 相 位 变 换 器 有 关 ， 要 应 输 主 用于 中等精 度 的惯 导 系 统 ， 光 纤 陀 螺 的 小 型 化 和稳 定性 对 有重 要作 用 ， 是高 精 度光纤 陀 螺研 究 的 主要 趋势 。 按 照光 学 系统 的构 成 可分 为 全光 纤 型和 集成 光学 器 件 型 。全 光纤 陀螺 成本 较 低 ， 实现 高 精度 的技 术 难度 较 大 ， 但 大多 用 于精 度要 求 不 高和 低成 本 的场 合 。集成 光 学器 件 光 纤 陀螺 在信 号处 理 中 可 以 采用 数 字 闭环 技 术 ， 于 实 现 高 易 精 度 和高稳 定性 ， 目前 最 常用 的 光纤 陀螺 构 成模 式 。 是
纤 陀 螺相 比， 靠性 高 、 构 简化 、 度 分 布漂移 小 、 可 结 温 动态 范 围大 。但 是 ， 光 源 要 求 比 较 苛 刻 ， 一 点 影 响 到 它 的 发 对 这
展 。
光纤 线 圈 大小 和光 纤 的长 度 ， 以满 足具 体任 务 的要 求 。
２ ２ 日本 研 究状 况 ．
布里 渊式 光纤 陀 螺是 利 用布 里 渊光纤 环 形激 光 器 的频 率变 化原 理 构成 测量 装 置 ， 有结 构 简单 、 本 低 、 器 件 具 成 光 少、 线性 度 好 、 动态 范 围大 ， 于高精 度 检测 ， 适 缺点 是存 在 锁
定现 象 。 ２ 国外 研 究状 况
司。
光纤 陀螺 仪按 照 不 同的分 类 标准 ， 有不 同的分 类结 果 。
按 结 构可 分 为单 轴 和多 轴 光 纤 陀 螺 ， 纤 陀螺 的多 轴 化 正 光
是其 发展 方 向之一 。按 其 回路 类 型可 分 为开 环光 纤 陀螺 和
闭环 光纤 陀螺 两类 ， 开环 光纤 陀螺不 带 反馈 ， 接 检 测光 输 直
按 照性 能 和应 用 的 角 度可 分 为速 率 级 、 术 级 和 惯 性 战 级 等 ３个 级 别 。速 率级 光 纤 陀 螺 已经 产 业化 ， 主要 应 用
于机 器 人 、 下建 造 隧道 、 地 管道 路 径勘 测装 置 和 汽车 导航 等
对精 度 要求 不 高 的场合 。 日本 、 国等 国家 研 制 、 法 生产 的这 种 精度 的陀螺 仪 ， 已大 批 量 应 用 到 民 用 领域 。战 术 级 光 纤
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２０ ０５年 第 ２ ４卷 第 ６期
传感 器技 术 （ｏｒ ｌ ｆ ｒ ｓｕｅ Ｔ ｃｎｌ ｙ Ｊｕ ａ ｏ Ｔａ ｄ ｃｒ ｅｈｏ ｇ） ｎ ｎ ｏ
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角 速度 。它 一般 由光纤 传感 线 圈 、 光学 芯 片 、 带 光 源 集成 宽
和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比， 具有无运
动 部件 、 冲击 、 构 简单 、 动 时 间 短 、 敏 度 高 、 态 范 耐 结 启 灵 动 围宽 、 寿命 长 等优 点 。 与另 一 种 光 学 陀螺 仪— —环 形 激 光
关键 词 ：光 纤 陀螺仪 ； 格纳 效应 ； 涉 型 ； 萨 干 谐振 式 ； 布里 渊式
中图分 类号 ：Ｔ ２，Ｐ Ｎ Ｔ２ 文献标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：１０ ９ ８ （０ ５ ０ ０ ０ ０ ０ ０— ７ ７ ２ ０ ） ６— ０ １— ３
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方 向传 播 的光束 产 生 光 程差 ， 差 值 与 角速 度 成 正 比。通 该
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传
感
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第２ ４卷
按 工作 原 理 可 分 为干 涉 式 光纤 陀 螺 、 振式 光 纤 陀 螺 谐
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光纤 陀螺 仪 属 于 第 四 代 陀 螺 仪 —— 光 学 陀 螺 仪 的 一
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旋 转一 周 。现已 应用 在 高 性 能惯 性 参考 系统 中 ， 够 改 变 能
和布 里渊 式光纤 陀螺 。其 中 ， 涉 型 光 纤 陀 螺 是 这 ３种 陀 干 螺 中发展 最早 、 最为 成 熟 、 应用 最 广 泛 的 ， 惯 性 级 产 品 的 其
研 制 与开 发也 正 日趋 成熟 。但 是 ， 由于 一些 随机 性 、 互 易 非 性 因素 的影 响 ， 大大 限 制 了其性 能 的提 高 。 谐振 式 光纤 陀螺 与环 形 激 光 陀 螺 仪 相 似 ， 用 循 环 的 利 环 形谐 振 腔来 增 强 旋 转 引 起 的 Ｓｇ ａ ａｎ ｃ效 应 。 与 干 涉 型 光
（ 南京 航 空航 天 大学 导航 研 究 中心 。 苏 南京 ２ ０ １ ） 江 １０ ６ 摘 要 ：根据 光 纤陀 螺 仪的 工作 原理 和 特点 ， 光纤 陀 螺仪 具 有 不 同 的 分类 。介绍 了 国外 光 纤 陀 螺 仪 的 现
状， 预测 了近期 和 长远 的发 展趋 势 ， 旨在 对我 国的光纤 陀螺技 术 的发 展 能 有所 帮助 。
制 系统 等 。 到 １９ ９ ６年 ， 经 具备 每 月生 产 ５ ０ 已 ０ ０只 光 纤 陀
从 １７ ９ ６年美 国 Ｕａ ｔ ｈ大学 的 Ｖ ｉ 和 Ｓ ｏｔｉ 首 次 提 出 ａ ｌ ｈｒ ｌ ｈｌ 了光纤 陀 螺 的概念 至 今 ， 光纤 陀 螺 以其 显著 的优 点 、 活 的 灵 结 构 和诱 人 的前 景 ， 到 世 界 许 多 国家 的大 学 和 科 研 机 构 受 的重 视 ， 得很 大 的进展 。但 是 ， 纤 陀螺 在 各 国的 发展 状 取 光 况、 研究 情 况不 尽相 同 ， 有 各 自的特 点 。 国外光 纤 陀螺 的 具
Ｋｅ ｒ ｓ Ｆ Ｇ（ ｂ ｒ ｐｉ ｒｓｏｅ ；Ｓｇ ａ ｆ ｃ ； ｎｅｆｒｍｅ ｃ ｅｏ ａ ｔ ｒ ｌ ｉ ｙｗｏｄ ： Ｏ ｆ － ｔ ｇ ｏｃ ｐ ） ａｎ ｃｅ ｅｔ ｉｔ ｅｏ ｔ ；ｒｓｎｎ ；Ｂ ｉｏ ｎ ｉ ｏ ｃｙ ｅ ｆ ｒ ｉ ｒ ｌｕ
０ 引 言
便宜 、 性高 、 可靠 消耗 功 率 低 等优 点 ， 点 是 靠 增 加 单 模 光 缺
陀螺 具 有 寿命 长 、 靠性 高 和成 本低 等 优点 ， 可 主要 用 于 战术 导 弹 、 程／ 近 中程 导弹 和 商 用 飞机 的姿 态 对 准 参考 系统 中 。 惯 性级 光 纤陀 螺 主要 是 用 于 空 间 定 位 和 潜 艇 导航 ， 开 发 其 和研 制 正 逐步 走 向成熟 ， 国有 关公 司 和研 究 机构 是研 制 、 美 生 产该 级 别光 纤 陀螺 的佼 佼 者 ， Ｈｏｅ ｗ ｌ Ｎ ｒ ｒｐ等公 如 ｎ ｙ ｅｌ ｏ ｈｏ ， ｔ
日本 是 紧随 美 国开 展 光纤 陀 螺 研 究 和 应 用 的 国家 ， 其 主要 的研究 机 构有 东京 大 学 尖端 技术 室 和 日立 、 友 电工 、 住
三菱 、 日本航 空 电子 工业 （Ａ ） 公 司 。 ＪＥ等 日立 公 司主要 研 制 速 率级 光 纤 陀 螺 ， 最 重 要 的 贡 献 其 在 于 简化 了干涉 型光 纤 陀 螺 的系 统 配 置 ， 大大 地 降 低 了系 统 成本 ， 使光 纤 陀螺 的 民用 范 围 得 到很 大 的扩 展 ， 如 ： 例 用 于汽 车导航 系统 、 洁 机 器 人 、 罗 盘 、 用 直 升 机 姿 态 控 清 光 农