光纤陀螺测斜仪技术

光纤陀螺测斜仪技术综述

北京航空航天大学光纤传感器研究所刘晓(lx760506@)

光纤陀螺测斜仪的核心传感器是光纤陀螺元件和重力加速度元件。重力加速度元件的技术和产品工艺在上世纪80年代已经非常成熟。所以当时用于地质钻井测量的测斜仪都应用这种元件作顶角测量传感器，加上磁通门元件作方位测量传感器。这种方法制造的测斜仪具有精度高，性能可靠的特点。美中不足的是，这种测斜仪不能在磁性矿区应用，也不可以在钻杆中、套管中应用。相比磁通门式测斜仪，光纤陀螺测斜仪就更具有广泛的应用范围，光纤陀螺测斜仪不依靠大地磁场来确定方位，这种测斜仪确定钻孔方位的原理是检测地球自转角速度在仪器坐标和钻孔方向上的分量，再经过复杂的计算得到钻孔的方位角。地球自转的角速度非常小，平时我们看到的钟的时针运动的角速度已经很小了，但时针运动的角速度比地球自转的角速度却还快两倍。可见要测量地球自转的角速度，要求光纤陀螺仪的精度会是多么高。

光纤陀螺仪的技术发展

自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年历史。在这些年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都取得了很大的突破。光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、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，美、俄、日、法等国的光纤陀螺仪研究工作取得很大的进展。各国光纤陀螺仪研究工作大都集中在干涉式，少数公司却仍在研究谐振式光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才开始，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。国外，1°/h至0.01°/h的商用产品已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了1°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS。美国光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h，2001年达到0.001°/h。2006年达到0.0001°/h，很多场合都已经取代传统的机械陀螺仪。

美国的光纤陀螺研制公司有利顿公司、霍尼威尔公司、德雷泊实验室公司、斯坦福大学以及光纤传感技术公司等。利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已经量产化。1988年研制出SCIT实验惯性装置，惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。1989年公司研制的CIGIF论证系统飞行试验装置。1991/1992年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系统。1992年研制出GPS/INS组合导航系统。霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti内扩散集成光学相位调制器。采用的其它器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km保偏光纤构成的传感环圈。为了满足惯导级光纤陀螺的要求，霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式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。美国德雷珀实验室从1978年起为JPL空间应用研制高精度光纤陀螺，曾研制过谐振腔式光纤陀螺，研制了9年，由于背向散射误差限制了精度，后来改为采用干涉仪式方案。在研制干涉仪式光纤陀螺的过程中，采用了三大技术措施：a.把光源、探测器和前置放大器做成一个模块。b.光纤传感环圈结构影响精度很大，采用了无骨架绕制光纤环圈的技术途径。

c.多功能集成光学器件模块，包括了所有其余的光纤陀螺的光纤器件。德雷珀实验室的研究人员认为：目前0.01°/h 的干涉仪式光纤陀螺成本较高，需要研制自动生产线，降低成本，保证质量。对于今后的发展问题，德雷珀实验室的研究人员认为：a.惯性级的干涉仪式光纤陀螺仪，可以取代动力调谐陀螺仪,并逐渐取代激光陀螺仪。b.惯性级干涉仪式光纤陀螺仪的

难点是必须采用1km长度的保偏光纤，如果改用谐振腔式光纤陀螺仪方案，则长度可减为10m左右的光纤。为此谐振腔式光纤陀螺仍在作为研制方向，使光纤陀螺仪小型化的谐振腔式光纤陀螺的难点在于：控制电路比干涉仪式光纤陀螺复杂。随着ASIC技术的发展，将来有可能得到满意的解决，使谐振腔式光纤陀螺成为产品。采用干涉仪式和谐振腔式混合方案的光纤陀螺仪具有良好的发展前景。

俄罗斯光纤陀螺的研制公司并不多，但俄罗斯强大的军工技术和深邃的理论技术使得俄罗斯的光纤陀螺仪有价廉物美的誉称。由于俄罗斯对中国的技术封锁不紧，其较高端产品进入我国很多时间也很早。我国很多研制单位早期都是以俄罗斯产品为样机进行研制。俄罗斯的光纤陀螺有全光纤型和集成光学型。全光纤型采用的是光纤技术，即所有的光纤器件都做在同一根光纤上。Fizoptika公司研制的商品化光纤陀螺产品型号有：VG951、VG941等。

日本研制光纤陀螺的单位有东京大学尖端技术室、日立公司、住友电工公司、三菱公司、日本航空电子工业公司。日本的干涉式光纤陀螺仪已经完成了基础研究，正进入实用化阶段。。日立公司研制用于汽车导航系统的光纤陀螺，1991年就用于日产汽车。在日本，光纤陀螺作为汽车的旋转速率传感器已进入市场。利用光纤陀螺仪进行导航时，用车轮转速计传感器测移动距离，用光纤陀螺测量车体的回转，同时采用图象匹配、GPS系统等配合计算汽车的位置和方位，显示在信息处理器上。

我国也非常重视光纤陀螺技术的研究，上世纪80年代后,许多大学和研究所相继启动光纤陀螺的研发项目，如航天工业总公司所属13所和上海803所、北京航空航天大学、清华大学、浙江大学等，也取得了一定的成绩，如1996年，航天总公司13所成功研制采用Y 分支多功能集成光路、零偏稳定性达全数字闭环保偏光纤陀螺，浙江大学和Honeywell公司几乎同时发现利用消偏可提高精度等。国内的光纤陀螺研制水平虽然与国际水平还有一定距离，但已具备或接近中、低精度要求，在2005年以来开始尝试产业化。如我国海军新型导弹上配国产光纤陀螺仪发射试验3发3中，也标志我国的光纤陀螺仪技术取得了较大的成功。

光纤陀螺仪的分类方式有多种。依照工作原理可分为干涉型、谐振式以及受激布里渊散射光纤陀螺仪三类。其中，干涉型光纤陀螺仪是第一代光纤陀螺仪，它采用多匝光纤线圈来增强萨格纳克效应，目前应用最为广泛；按电信号处理方式不同可分为开环光纤陀螺仪和闭环光纤陀螺仪，一般来说闭环光纤陀螺仪由于采取了闭环控制因而拥有更高的精度；按结构又可分为单轴光纤陀螺仪和多轴光线陀螺仪，其中三轴光纤陀螺仪由于体积小、可测量空间位姿因而是光纤陀螺仪的一个重要发展方向。

光纤陀螺测斜仪对光纤陀螺仪的选型要求

光纤陀螺测斜仪对光纤陀螺仪的选型要求较高，这从所测的地球自转角速度量和其分量的数量级就可以看出。另外，受到钻孔孔径限制，要求光纤陀螺体积应很小。现在地质钻孔都很深，地温很高，3000米的平均地温大概在100度上下，这又要求光纤陀螺仪的灵敏度的温度系数和零值漂移都要很小。陀螺测斜进入地质钻孔后必须是自主测量，测量过程可能会是长达10多个小时，中间过程是没有对准和误差纠正的可能。此外，钻孔的斜度造成了测量仪器内的光纤陀螺仪不可能像在地面寻北仪那样的工作状态，可以调到特定的位置，比如水平或垂直状态下工作。干涉型光纤陀螺仪是采用多匝光纤线圈来增强萨格纳克效应，采用闭环控制因而有更高的精度，这就是当前在光纤陀螺测斜仪中成功应用的光纤陀螺仪产品。目前光纤陀螺测斜仪还依赖或部分依赖国外的光纤陀螺仪产品。最近几年已有一两家国内厂家相继试制了为数很少的几种期望用于测斜仪的光纤陀螺仪，通过装在测斜仪中使用，还不是很理想。其主要问题是和国外产品相比其灵敏度低、温度漂移大，零点不够稳定。

光纤陀螺测斜仪应用

北京航空航天大学和上海地学仪器研究所是国内最早研制出光纤陀螺测斜仪的单位。目