光纤陀螺小型化技术的研究现状分析

光纤陀螺小型化技术的研究现状分析
摘要：光纤陀螺仪（FOG）作为一种导航仪器，在航海、航天乃至国防等多
个领域都获得了广泛应用。

就目前来看，光纤陀螺仪（FOG）受到体积的限制，
导致其在航海、航天以及国防领域的应用备受限制。

这主要是因为光纤陀螺仪（FOG）广泛应用于无人机、水下机器人等方面，而随着科技的进步，这些设备
的体积越来越小，对于导航的精准度也进一步提升，这也促使光纤陀螺（FOG）
小型化技术进一步发展。

基于此，本文围绕光纤陀螺仪（FOG）小型化技术展开
研究，对其技术原理、发展历程以及主要研究方向进行分析，并对其主要面临的
技术问题展开研究，以供参考。

关键词：光纤陀螺；小型化技术；集成化
引言
光纤陀螺（FOG）是一种惯性陀螺仪，可以做到对物体运动方位实施精准把
控[1]。

光纤陀螺仪（FOG）可以实现对载体相对惯性空间运动角速率进行测量，
并且有着使用年限长、精准度高，并且其可以测量的范围也非常大，所以在航海、航天、工业乃至国防等领域都可以看到光纤陀螺仪（FOG）的身影，并已经成为
现代化惯性器件的主流，也是今后惯性器件技术发展的主要方向。

一、光纤陀螺（FOG）技术原理分析
光纤陀螺仪（FOG）技术的出现离不开萨格奈克效应（Sagnac），其主要是
利用萨格奈克效应对载体的角速率信号实施测量，这也是惯性空间转动闭环光路
中一种非常常见的光传播效应[2]。

闭环光路中，光的传播主要是发生在同一闭合
光路中，向一个光源同时发射两束相同的光，在反方向传播下最终在同一探测点
完成汇合。

当垂直于闭合光路所处平面轴线，在相对惯性空间存在转动角速度，
那此时发出的光束和反方向传播的光束就会出现不同，这种不同也被称之为光程差。

因为光程差和相对惯性空间存在的旋转角速度成正比，所以在求旋转角速度时，只需要掌握光程差和相位差信息即可。

光纤陀螺（FOG）技术主要有三种，分别为干涉式光纤陀螺、布里渊光纤陀
螺以及谐振腔光纤陀螺[3]。

其中干涉式光纤陀螺因为其具备互易性结构，两束发
射的光在反方向传播时有着具备相同的传输特征，再加上其附加位移也相同，且
有着良好的共模抑制效果，有利于避免寄生效应，所以精准度也更高。

二、光纤陀螺（FOG）技术发展历程
光纤陀螺技术在国外的卫星定位、导航系统以及天体观测望远镜调向等高精
度领域获得广泛应用，当然在非高精度领域应用也非常广泛。

而在我国，光纤陀
螺（FOG）技术通常会运用于惯性导航系统、火箭或弹药导航控制或是运用于微
小卫星的姿态控制方面。

光纤陀螺（FOG）技术也在不断发展当中，其应用领域
也在进一步扩大。

随着光纤陀螺（FOG）技术的进一步发展，光纤陀螺（FOG）小
型技术也获得明显突破，因为越做越小，所以光纤陀螺（FOG）小型技术在美国、法国、法国等诸多国家的飞机制造、战术武器系统以及望远镜等多个领域获得广
泛应用，并产生了不错的应用成效。

三、光纤陀螺（FOG）小型化技术的研究现状
（一）光纤陀螺（FOG）小型化技术概述
与传统的光纤陀螺（FOG）技术不同，其小型化发展就是通过缩小光电器件
以及零配件的尺寸，将光电器件朝着集成化与小型化方向发展，使其越来越小而精。

（二）光纤陀螺（FOG）小型化技术研究现状
1.光电器件小型化
（1）结构小型化
光纤陀螺（FOG）所使用的光电器件结构非常复杂，其中光电器件中1m的尾
纤会和芯片进行耦合，以完成光信号的传输。

因为结构具有复杂性，在减小体积
方面存在很大难度。

尾纤在应用过程中为避免光纤损坏、信号减弱，就需要在使
用过程中适当的弯曲半径，一旦光纤出现损坏，就会引发光纤陀螺（FOG）故障。

对于光纤器件而言，其小型化应当促进光电器件结构化繁为简，并缩小光纤需要弯曲的半径，减少光纤尺寸。

现阶段，光电器件制造商已经研发了小型化的光电器件，并已经获得广泛应用。

（2）功能结构集成化
光纤陀螺（FOG）光电器件集成化就是对其功能、结构进行整合，通过对功能、模块等进行整合，以尽可能减少光电器件数量，是其结构更加简单。

就目前来看，光电器件集成化的模式主要有以下几种方式：第一，将耦合器、探测器以及Y波导整合为一体，以构成光电转换、集分光、光强检测等功能为一体的集成光学器件模块；第二，通过将后级放大电路与探测器相整合；第三，将Y波导与耦合器相整合，可以有效缩减熔接点和光电器件。

2.保偏光纤小型化
在光纤陀螺（FOG）中，保偏光纤作为一个关键材料，其主要是用于光电器件、绕制光环装置的制作。

其中，在制作绕制光环组件制作时，在过去所使用的保偏光纤规格为0.125/0.25mm，而如今所使用的保偏光纤规格更小，也就是细径保偏光纤，其规格甚至可以达到0.06/0.1mm。

和传统保偏光纤相对比，与之体积相同的细径保偏光纤可以绕制更长的光线，可以有效缩减光纤陀螺（FOG）的尺寸。

尽管光纤陀螺（FOG）尺寸有所减少，但是其精度却丝毫没有受到影响，精度还预缩提升，这对于光纤陀螺（FOG）小型化而言有巨大的推动作用。

3.光纤环组件小型化
光纤环组件在光纤陀螺（FOG）中就是敏感角速率信号的传感器，作为一个核心组件，因为细径光纤的应用，光纤组件的体积也大大减小，也使得光纤陀螺（FOG）的精度获得提升。

由细径光纤所制作的光纤环组件，可以有效降低光纤环组件绕制应力，使光纤环组件的性能获得进一步提升，促进光纤环组件体积更加小。

光纤环体积减小可以使其减少变温效应，实现温度的平衡传递。

4.信息处理模块小型化
光纤陀螺（FOG）信息处理模块主要是由多个电子元器件构成，以FPGA或是DSP作为光纤陀螺（FOG）的信号处理单元，还有电源芯片、DA与AD芯片等电子
元器件构成，由于元器件比较多，结构也比较复杂，所以在使用过程中很容易受
到干扰，使得光纤陀螺（FOG）稳定性和可靠性比较低。

但如今超大规模集成电
路在进一步发展，从技术角度来看，加强光纤陀螺（FOG）信息处理模块的研制，对上述元器件进行优化或集成，以实现光纤陀螺（FOG）信息处理模块向着小型
化方向发展，使信息处理模块功能更加齐全，抗干扰能力和稳定性也更加能够得
到保证。

（三）光纤陀螺（FOG）小型化技术有待解决的问题
随着科学技术水平的进一步提升，光纤陀螺（FOG）技术小型化发展需求也
在进一步提升，并已经成为该技术未来发展的必经之路，但在光纤陀螺（FOG）
小型化技术发展过程中，还有很多问题没有获得有效解决。

就比如说：细径光纤
环绕制工艺还需要进一步加强，使其可以能够有更好的实用性；需要进一步明确
光电器件集成化测试方式和有关工艺的具体参数等等。

在今后发展过程中，只有
不断解决光纤陀螺（FOG）小型化技术发展道路上所遇到的技术问题，对其进行
优化，这样才可以使其发挥更大价值，扩大其应用领域。

结论
光纤陀螺（FOG）小型化技术作为一种现代化角速度传感器，其和传统陀螺
相对比，因为体积小、成本低、精准性高，因此在航天、航海、国防等对高精准
度有着较高要求的领域获得广泛应用。

相信光纤陀螺（FOG）小型化技术在解决
其所面临的技术问题后，可以在更多领域中彰显其价值作用。

参考文献：
[1]尚克军,雷明,李豪伟,冯喆,姜千红,张丽哲.集成化光纤陀螺设计、制造
及未来发展[J].中国惯性技术学报,2021,29(04):502-509.
[2]王鹏飞,林媛.高精度光纤陀螺技术的发展与思考[J].舰船电子工
程,2020,40(12):11-15+77.
[3]傅军,常扬,宁治文.光纤陀螺小型化技术研究进展[J].传感器与微系统,2020,39(07):1-4+7.。