一、光纖陀螺知識說明

 

   光纖陀螺儀屬于第四代陀螺儀——光學陀螺儀的一種，其基本工作原理基于薩格納效應，即在同一閉合光路中從同一光源發出兩束特征相同的光，沿相反的方向進行傳播，匯合到同一探測點，產生干涉。若存在繞垂直于閉合光路所在平面的軸線相對慣性空間轉動的角速度，則沿正、反方向傳播的光束產生光程差，該差值與角速度成正比。通過光程差與相應的相位差的關系，可通過檢測相位差，計算角速度。它一般由光纖傳感線圈、集成光學芯片、寬帶光源和光電探測器組成。與傳統的機械陀螺儀相比，具有無運動部件、耐沖擊、結構簡單、啟動時間短、靈敏度高、動態范圍寬、壽命長等優點。與另一種光學陀螺儀——環形激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀不需要光學鏡的高精度加工、光腔的嚴格密封和機械偏置技術，能夠有效地克服了激光陀螺的閉鎖現象，易于制造。
    光纖陀螺儀的分類：光纖陀螺儀按照不同的分類標準，有不同的分類結果。按結構可分為單軸和多軸光纖陀螺，光纖陀螺的多軸化正是其發展方向之一。按其回路類型可分為開環光纖陀螺和閉環光纖陀螺兩類，開環光纖陀螺不帶反饋，直接檢測光輸出，省去許多復雜的光學和電路結構，具有結構簡單、價格便宜、可靠性高、消耗功率低等優點，缺點是靠增加單模光纖的長度來提高陀螺的靈敏度，輸入--輸出線性度差、動態范圍小，主要用作角度傳感器。閉環光纖陀螺包含閉環環節，大大降低光源漂移的影響，擴大了光纖陀螺的動態范圍，對光源強度變化和元件增益變化不敏感，陀螺漂移非常小，輸出線性度和穩定性只與相位變換器有關，主要應用于中等精度的慣導系統，對光纖陀螺的小型化和穩定性有重要作用，是高精度光纖陀螺研究的主要趨勢。
按照光學系統的構成可分為全光纖型和集成光學器件型。全光纖陀螺成本較低，但實現高精度的技術難度較大，大多用于精度要求不高和低成本的場合。集成光學器件光纖陀螺在信號處理中可以采用數字閉環技術，易于實現高精度和高穩定性，是目前最常用的光纖陀螺構成模式。
    按照性能和應用的角度可分為速率級、戰術級和慣性級等3個級別。速率級光纖陀螺已經產業化，主要應用于機器人、地下建造隧道、管道路徑勘測裝置和汽車導航等對精度要求不高的場合。日本、法國等國家研制、生產的這種精度的陀螺儀，已大批量應用到民用領域。戰術級光纖陀螺具有壽命長、可靠性高和成本低等優點，主要用于戰術導彈、近程／中程導彈和商用飛機的姿態對準參考系統中。慣性級光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導航，其開發和研制正逐步走向成熟，美國有關公司和研究機構是研制、生產該級別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell，Northrop等公司。
    按工作原理可分為干涉式光纖陀螺、諧振式光纖陀螺和布里淵式光纖陀螺。其中，干涉型光纖陀螺是這3種陀螺中發展最早、最為成熟、應用最廣泛的，其慣性級產品的研制與開發也正日趨成熟。但是，由于一些隨機性、非互易性因素的影響，大大限制了其性能的提高。諧振式光纖陀螺與環形激光陀螺儀相似，利用循環的環形諧振腔來增強旋轉引起的Sagnac效應。與干涉型光纖陀螺相比，可靠性高、結構簡化、溫度分布漂移小、動態范圍大。但是，對光源要求比較苛刻，這一點影響到它的發展。布里淵式光纖陀螺是利用布里淵光纖環形激光器的頻率變化原理構成測量裝置，具有結構簡單、成本低、光器件少、線性度好、動態范圍大，適于高精度檢測，缺點是存在鎖定現象。

 

二、國際目前的發展動態以及發展方向

 

從1976年美國Utah大學的Vali和Shorthill首次提出了光纖陀螺的概念至今，光纖陀螺以其顯著的優點、靈活的結構和誘人的前景，受到世界許多國家的大學和科研機構的重視，取得很大的進展。但是，光纖陀螺在各國的發展狀況、研究情況不盡相同，具有各自的特點。國外光纖陀螺的研制主要集中在美國、日本、法國、德國和英國，美國、歐洲在中高精度光纖陀螺的研發上占有明顯優勢，日本則更注重于低精度光纖陀螺的商業應用。
1、美國的研究狀況
    美國是最早研制與應用光纖陀螺的國家。早在20世紀80年代，美國就開始對光纖陀螺儀進行全面的研究。Northrop、Honeywell等公司和斯坦福大學等都是赫赫有名的研究機構。它們研究的光纖陀螺受到國家和基金支持，主要應用在軍事上。其中，比較具有代表性的是Northrop公司——從事光纖陀螺研究的公司，2001年8月，由Litton集成系統、Litton意大利、Litton加拿大等七家Litton公司合并而成。其光纖陀螺技術在低中精度應用領域已經成熟，并已經產品化，主要客戶是美國陸軍、空軍、海軍和波音、空客等主要的航空公司。1988年，該公司研制出實驗慣性裝置，所用到的慣件器件是光纖陀螺和硅加速度計。1989年，研制并論證了系統飛行試驗裝置。1991年、1992年，研制出用于導彈和姿態與航向參考系統的慣性測量系統。1992年，研制出全球定位系統與慣導系統組合的導航系統。如今，其生產的光纖陀螺產品有FOG200，600，1000，2500等系列，分為導航類、戰術類、民用航空類和太空類，應用在陸地、海洋、太空等領域，精度為1°／h～0.001°／h，既有單軸結構，也有雙軸、三軸結構。該公司生產用于太空用途的光纖陀螺抵抗輻射能力強，達到使用15年可靠性超過99.6％的優異性能。
    美國Honeywell公司一直致力于發展用于空間定位和潛艇導航應用的精確級光纖陀螺。其研制的第一代高性能的干涉型光纖陀螺采用的是Ti內擴散集成光學相位調制器、0.83μm寬帶光源、光電探測器／前置放大器模塊、保偏光纖偏振器等。第二代高性能干涉型光纖陀螺采用了集成光學多功能芯片技術以及全數字閉環電路。幾年前，Honeywell公司使用4000m光纖，5.5in（lin=25.4nm）保偏光纖環和摻鉺光纖光源，進行了穩定溫度條件下的閉環漂移測試，角度隨機游走（ARW）精度為0.00019°／ ，偏置穩定性優于0.0003°／h，相當于漂移率為一個半世紀旋轉一周?，F已應用在高性能慣性參考系統中，能夠改變光纖線圈大小和光纖的長度，以滿足具體任務的要求。
2 、日本研究狀況
    日本是緊隨美國開展光纖陀螺研究和應用的國家，其主要的研究機構有東京大學尖端技術室和日立、住友電工、三菱、日本航空電子工業（JAE）等公司。
    日立公司主要研制速率級光纖陀螺，其最重要的貢獻在于簡化了干涉型光纖陀螺的系統配置，大大地降低了系統成本，使光纖陀螺的民用范圍得到很大的擴展，例如：用于汽車導航系統、清潔機器人、光羅盤、農用直升機姿態控制系統等。到1996年，已經具備每月生產5000只光纖陀螺的能力，在光纖陀螺的商業領域占據一定的市場份額。另外，該公司在一些高級凌志轎車上安裝了基于光纖陀螺的導航系統。
    日本航空電子工業公司研制的開環干涉型光纖陀螺，其主要技術是使用0.83μm弱相關光源、單根消偏1.3μm光纖（電信用光纖），以達到低成本，主要應用于商業領域。其研制的閉環干涉型光纖陀螺采用雙消偏結構，以獲得戰術級精度和更寬的動態范圍，主要應用于航天領域，如，火箭的姿態控制系統。目前，其生產的干涉型光纖陀螺在商業領域已經得到較為廣泛的應用，例如：應用于遙控直升機、足球場割草機、火車定位檢測系統和超市清潔機器人。
3、歐洲研究狀況
    法國Ixsea SAS公司的前身是Photonetics公司的導航分部，從事光纖陀螺的研發有16年，擁有多項關鍵專利，應用領域涉及海上、水下應用和太空等。從20世紀90年代開始，在法國、歐洲航天局的支持下，開發控制衛星姿態用光纖陀螺。這類的光纖陀螺曾應用在巴西Micro衛星（PBM）上。2001年，發布了當今最小的、基于光纖陀螺的慣導系統，該系統為全球定位系統、多普勒測速器、聲納定位系統預留接口。它生產的IMU120使用的光纖陀螺偏置穩定性達到0.003°／h，精度最高的光纖陀螺隨機游走精度達到0.00015°／ ，是Octans（1998年開發的能夠敏感運動的尋北儀）精度的200倍。
    德國LITEF公司成立于1961年，從2001年開始，隸屬于美國Northrop公司電子系統分部，研制的方向集中在慣性傳感器、慣性參照和導航系統，75％的飛行導航、陸地、海中導航產品用于出口，已有超過20000只光纖陀螺在當今世界使用，產品應用領域涵蓋太空、空中、陸地和水中和軍用、民用范圍。從2003年到2007年，該公司將向德國和荷蘭軍方提供577套組合導航系統，為軍用偵察車提供位置、航向和姿態信息。
    Fizoptika公司是俄羅斯的一家生產光纖陀螺的公司，成立于1989年，是一家相對較為年輕的公司，發明了用于微型光纖陀螺的技術，它將所有的光學元件并列放置，元件之間沒有光學的連接，用這種技術生產的光纖陀螺尺寸小、功耗低，能夠降低成本，提高可靠性，在俄羅斯國內外頗有市場。其主要種類有VG910，VG941，VG951；動態范圍達到≤500°／s；零偏穩定性可達0.3°～1.0°／h；最小重量僅40g。
    回顧光纖陀螺儀的發展歷程，光纖陀螺取得巨大發展的原因除了自身固有的優點外，光纖通信技術和光纖傳感技術的發展，光纖陀螺成本降低和體積減小，外部輔助技術（如，多普勒、星光跟蹤器、全球定位系統等技術）的發展都對光纖陀螺的發展起到十分重要的推動作用。當對光纖陀螺的應用前景進行展望時，這些外部因素仍然是不可忽視的。
    借鑒國外文獻和數據，從近期看，改進的光纖陀螺將取代許多系統中使用的激光陀螺和機械陀螺，精度最高將會達到0.00015°／h，應用主要集中在0.00015°／h～15°／h的范圍內。光纖陀螺精度和成本由于受到光纖通信技術、集成光學技術和光纖傳感技術發展的限制，主要應用在戰術級和速率級。當基本需求極大時，光纖陀螺系統成本降到15000～20000美元之間，在光纖陀螺上的物理技術突破將可以滿足未來任何小型化的戰略系統的要求。從長遠看，隨著光纖通信技術、集成光學技術和光纖傳感技術的發展，更多先進的成果將應用在光纖陀螺中，使得光纖陀螺的性能得以整體提高，應用范圍更加廣泛，干涉型光纖陀螺的應用領域將集中在慣性級上，精度范圍為0.0015°／h～0.000015／h，有望取代靜電懸浮陀螺。
    光纖陀螺發展的方向：一是向更高精度、更高可靠性的方向發展，為航天、航空、航海提供高精度的慣性元件；二是向體積小、高度集成、價格便宜、結構更牢固的超小型化方向發展，為戰術級應用提供堅固、廉價的慣性傳感器；三是朝多軸化方向發展。

 

三、與公司產業、商品相關結合漫想

 

   目前我們在做的光纖陀螺有美國KVH、俄羅斯Fizoptika、俄羅斯Optolink、德國Litef等廠家，其中KVH、Fizoptika廠家采用開環設計，Optolink、Litef采用閉環設計。
   但是前段時間由于俄羅斯的政策改變，Fizoptika把原先的VG071-3AM和VG071-3AS的量程做了改動，比之前的量程有所減小。KVH的光纖陀螺精度和體積方面沒有Fizoptika高，精度最高為萬分之五。但是政策上比較寬松，信正科技也有成功采購案例。價格方面KVH的DSP-3100大概在4000美金左右，而Fizoptika的071系列在$2490到$2600左右。
   在使用范圍方面，KVH的陀螺廣泛用于雷達和軍用天線系統等，Fizoptika光纖陀螺主要用于導彈系統、飛機和艦艇的導航系統以及軍用衛星與地形跟蹤匹配等系統中；在民用方面，光纖陀螺儀可用于飛機導航和石油勘察、鉆井導向，特別是在工業上具有極大應用的潛力。