高精度光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀及對策

吳衍記

（北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074）

0 引言

自20世紀(jì)90年代中后期以來，以美國、法國等國家為代表的光纖陀螺應(yīng)用日益普及，正迅速成為慣性導(dǎo)航和戰(zhàn)略應(yīng)用領(lǐng)域的主要儀表。尤其是Draper試驗室的Barbour和Schmidt對2000～2020慣性器件發(fā)展的預(yù)測圖 （見圖1）公布以來［1］，在很大程度上受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的認(rèn)同，并被廣泛引用到多種學(xué)術(shù)會議和刊物，引起了廣泛的重視，光纖陀螺則是本預(yù)測圖中最有發(fā)展前途的慣性器件之一。

十幾年來，國內(nèi)外光纖陀螺都取得了迅速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于海、陸、空、天等領(lǐng)域，其性能和可靠性得到了充分的驗證和認(rèn)同，進入了光纖陀螺的高速發(fā)展期，已經(jīng)成為我國0.015（°）/h ～0.01（°）/s應(yīng)用領(lǐng)域的首選角速度測量元件，在我國正在不斷掀起光纖陀螺的研制高潮，傳統(tǒng)的慣性技術(shù)研制單位和新興的民用產(chǎn)業(yè)對光纖陀螺及其相關(guān)技術(shù)都表現(xiàn)出強烈的興趣。

2010年已經(jīng)過去，2020年也即將到來，Draper試驗室對光纖陀螺發(fā)展預(yù)測 （如圖1所示）的準(zhǔn)確度到底怎樣，光纖陀螺是否真的像其預(yù)測的那樣退出戰(zhàn)術(shù)級領(lǐng)域，一統(tǒng)高精度應(yīng)用領(lǐng)域?本文將通過分析國內(nèi)外光纖陀螺的發(fā)展趨勢，對上述問題給出自己的看法。

圖1 Barbour和Schmidt對2010年和2020年慣性器件發(fā)展預(yù)測圖Fig.1 The inertial sensors’development forecast in 2010 and 2020 by Barbour and Schmidt

1 國內(nèi)外光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀

按照圖1（b）對慣性儀表精度等級的分類方法，光纖陀螺可劃分為戰(zhàn)術(shù)級、導(dǎo)航級和戰(zhàn)略級三個等級［1］，其中戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺采用波長為850nm（或1310nm）的超發(fā)光二極管 （SLD）光源，而導(dǎo)航級和戰(zhàn)略級光纖陀螺普遍采用波長為1550nm的摻鉺光纖光源。下面重點討論這三類光纖陀螺的國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1.1 戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

LN－200是戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺的典型代表，自1992年批量生產(chǎn)以來，LN－200已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、魚雷、衛(wèi)星、無人機等多種場合，累計交付了40000余套，表現(xiàn)出很強的生命力。圖2是LN－200系列化產(chǎn)品示意圖［2］。在Northrop Grumman公司，戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺的關(guān)鍵技術(shù)問題、批量生產(chǎn)工藝問題、可靠性和壽命問題已經(jīng)全部得到解決，已進入規(guī)模生產(chǎn)狀態(tài)，其主要目標(biāo)是不斷擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。

此外，美國的KVH公司的DSP－3000、DSP－1500［3］，以色列 Cielo公司的 FOG－200、FOG－52，俄羅斯光聯(lián)公司的SRS－500、FIZOPTIC的開環(huán)光纖陀螺等戰(zhàn)術(shù)級產(chǎn)品也表現(xiàn)出越來越強大的競爭力，展現(xiàn)出很好的市場前景。

國內(nèi)戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺也日臻成熟，已經(jīng)形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺及其配套元器件技術(shù)，戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺產(chǎn)品已經(jīng)成為該應(yīng)用領(lǐng)域的首選角速度測量傳感器，2014年全國年產(chǎn)各類光纖陀螺15000軸左右，廣泛應(yīng)用于各種軍民領(lǐng)域。

圖2 Northrop Grumman公司系列化光纖陀螺產(chǎn)品Fig.2 Fiber optic gyro products in Northrop Grumman company

可以看到，戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺已經(jīng)非常成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域極廣，需求態(tài)勢增長很快，具有不斷自我完善的能力，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的統(tǒng)治者，可以預(yù)見在未來很長時間內(nèi)，光纖陀螺在戰(zhàn)術(shù)級的高端領(lǐng)域 （0.015～0.1（°）/h）仍將扮演著不可替代的角色，在我國可能要保持10～15年時間，甚至更長。

所以，Draper試驗室對2010年光纖陀螺在戰(zhàn)術(shù)級領(lǐng)域發(fā)展的預(yù)測是比較準(zhǔn)確的。

在2020年左右光纖陀螺在戰(zhàn)術(shù)級的低端 （大于1（°）/h）應(yīng)用領(lǐng)域可能逐漸被其他陀螺占據(jù)，兩者并存的局面會持續(xù)存在，但是在0.015～0.1（°）/h的高端領(lǐng)域仍將廣泛使用光纖陀螺，所以，Draper試驗室對2020年光纖陀螺將退出戰(zhàn)術(shù)級市場的預(yù)測不夠全面。

1.2 導(dǎo)航級光纖陀螺

1997年4月，諾思羅普－格魯曼公司贏得了美國國防部高級研究計劃署 （DARPA）資助，研發(fā)適用于地面、海上和空間載體包括飛機、軍用攻擊武器、戰(zhàn)車及各種導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)，支持美國國防部陸、海、空平臺和各類打擊武器，由此形成了后來的LN－251、LN－260（如圖3所示）和LN－270系列光纖陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品，其導(dǎo)航精度優(yōu)于 1nm/h［2］。

圖3 LN－260先進嵌入式INS/GPSFig.3 LN－260 advanced embedded INS/GPS

2003年，法國IXSEA公司推出光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)PHINS，并陸續(xù)應(yīng)用于荷蘭、法國海軍裝備中，隨后相繼推出MARINS和LANDINS系列化產(chǎn)品，并取得了較好的應(yīng)用，在2014年歐洲海軍裝備展上，IXSEA公司展出了MARINS系列化產(chǎn)品［4］，其中M5型定位精度達(dá)到1nm/24h，滿足水面艦艇的需求，M7型定位精度達(dá)到1nm/72h，已經(jīng)用于英國海軍Astute級核攻擊潛艇。

所以，光纖陀螺系統(tǒng)在慣性級領(lǐng)域的應(yīng)用正處于上升期，Draper試驗室對2010年光纖陀螺在導(dǎo)航級領(lǐng)域發(fā)展的預(yù)測是比較準(zhǔn)確的。但是，與激光陀螺相比，光纖陀螺的長期穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性并沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，“兩光”陀螺共同占領(lǐng)該市場領(lǐng)域的局面可能還要持續(xù)較長的時間。所以，Draper試驗室對2020年光纖陀螺將取代其他陀螺全面占領(lǐng)該領(lǐng)域的預(yù)測顯然是不夠全面的?？梢灶A(yù)見，在未來相當(dāng)長時間內(nèi)光纖陀螺會與激光陀螺一起共同占領(lǐng)導(dǎo)航級領(lǐng)域。

1.3 戰(zhàn)略級光纖陀螺

戰(zhàn)略級光纖陀螺具有很好的穩(wěn)定性和極低的噪聲，2008年前后，法國IXSEA公司為Pleiades衛(wèi)星研制的精密級光纖陀螺Astrix200［5］的零偏穩(wěn)定性＜0.0007（°）/h（1σ），非線性度＜3.5×10－6（1σ），測量范圍:±10（°）/s，但是，其工作溫度范圍僅為20～30℃。

美國Honeywell公司為三叉戟導(dǎo)彈的導(dǎo)航系統(tǒng)（MK6－LE）研制的高精度光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性達(dá)到 0.0003（°）/h（1σ），線 性度 0.5 × 10－6（1σ）［6］，該陀螺對光纖環(huán)圈進行了溫度控制，以減小其非互易性噪聲，這項工作尚未結(jié)束。

精密級光纖陀螺及其應(yīng)用尚處于起步階段，距離取代該領(lǐng)域的傳統(tǒng)慣性器件還有一定的距離。但其應(yīng)用前景已經(jīng)得到了國外專家和相關(guān)機構(gòu)的充分認(rèn)可，相關(guān)技術(shù)的研究將是未來相當(dāng)長時間內(nèi)慣性技術(shù)的主要研究方向之一。

所以，Draper試驗室對戰(zhàn)略級光纖陀螺的預(yù)測與實際情況具有一定偏差，光纖陀螺在該領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到原來預(yù)測的水平。

是什么原因?qū)е聭?zhàn)略級光纖陀螺的發(fā)展沒有實現(xiàn)預(yù)期成果呢?

2 戰(zhàn)略級光纖陀螺發(fā)展存在的主要問題

Litton公司從1987年開始開發(fā)戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺組合LN－200，到1992年實現(xiàn)工程應(yīng)用用了5年時間;1995年開始開發(fā)LN－251到2000年左右投入工程應(yīng)用，大約也用了5年左右的時間。所以，在當(dāng)時國際光纖陀螺的發(fā)展基本上是按照原理樣機每5年精度提高一個數(shù)量級，產(chǎn)品每10年提高一個數(shù)量級的速度高速發(fā)展，可能正是由于這一原因，Draper試驗室大膽的做出了圖1所示的預(yù)測。但是，隨著陀螺精度的提高，很多深層次的技術(shù)問題開始暴露出來，使得光纖陀螺的發(fā)展沒能實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，其主要原因是多物理場（溫度、磁場、應(yīng)力等）作用下，陀螺精度的保持問題。

2.1 多物理場作用下陀螺的“零偏”重復(fù)性、穩(wěn)

定性長期保持問題

采用偏振保持光纖繞成的光纖傳感環(huán)圈是光纖陀螺的核心，但是，溫度、磁場、應(yīng)力等環(huán)境因素不可避免地對光在光纖中的傳輸產(chǎn)生影響，這種影響必然導(dǎo)致光纖環(huán)圈的互易性降低，從而使得陀螺的“零偏”發(fā)生變化，影響陀螺精度，如何抑制由此產(chǎn)生的誤差是光纖陀螺研究的永恒主題。

為了使光纖陀螺達(dá)到“戰(zhàn)略級”精度，光纖長度通常在3～5km，光纖長度的增加必然導(dǎo)致環(huán)圈的有效尺寸增加，提高其互易性的難度相應(yīng)增大，當(dāng)外界環(huán)境因素發(fā)生變化時由此產(chǎn)生的“零偏”變化明顯增大，如何抑制這種噪聲是困擾光纖陀螺的一大難題，也是導(dǎo)致光纖陀螺沒有實現(xiàn)預(yù)期效果的關(guān)鍵。

2.2 多物理場作用下陀螺的“標(biāo)度因數(shù)”重復(fù)

性、穩(wěn)定性長期保持問題

在多物理場作用下，光源的光譜、Linbo3調(diào)制器性能、光纖環(huán)圈等器件參數(shù)變化等因素都在不同程度上引起標(biāo)度因數(shù)的變化，從而使光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性降低并保持到1×10－6以下成為困難，這也影響了光纖陀螺在該領(lǐng)域的使用。

3 高精度光纖陀螺發(fā)展對策

為了解決多物理場 （溫度、磁場、應(yīng)力等）作用下，陀螺精度（“零偏”和標(biāo)度因數(shù)）的保持問題，二十多年來科技工作者采取了很多卓有成效的措施，如多極對稱纏繞 （四極、八極或十六極等）、無骨架光纖環(huán)圈、2π相位跟蹤控制、摻鉺光纖光源、強度噪聲抑制、 “四態(tài)”隨機過調(diào)制、溫度建模補償、溫度控制、旋轉(zhuǎn)調(diào)制等手段，使上述問題得到了很大程度的改善，基本實現(xiàn)了2010年的預(yù)測目標(biāo)，如何得到“能用、好用”的“戰(zhàn)略級”光纖陀螺，是全世界致力該領(lǐng)域研究的熱點，作者僅就我國戰(zhàn)略級光纖陀螺的發(fā)展提幾點個人意見。

3.1 著眼未來，固本強基

“戰(zhàn)略級”光纖陀螺的研究和應(yīng)用是一項技術(shù)難度大、市場領(lǐng)域小、戰(zhàn)略意義遠(yuǎn)大于經(jīng)濟效益的長期持久工作，要做好這項工作，必須著眼未來做好頂層謀劃。

（1）固化成熟技術(shù)

固化“慣性級”光纖陀螺的成熟技術(shù)，解決存在的問題，提升基礎(chǔ)元件和工藝設(shè)備的基本性能，為“戰(zhàn)略級”光纖陀螺的研究提供一定的技術(shù)支撐，戰(zhàn)略級光纖陀螺的研究必須由慣性級光纖陀螺的研究支撐。

（2）加強技術(shù)基礎(chǔ)研究

針對多物理場作用下，戰(zhàn)略級光纖陀螺精度的保持問題，要加強技術(shù)基礎(chǔ)研究，注重理論創(chuàng)新，探索解決問題的新思路、新方法，理論創(chuàng)新是“戰(zhàn)略級”光纖陀螺真正實現(xiàn)Draper試驗室對2020年光纖陀螺預(yù)測前景的重要途徑。可以預(yù)見，在現(xiàn)有慣性級光纖陀螺基礎(chǔ)上進行一定的“修修補補”不可能得到“能用、好用”的“戰(zhàn)略級”光纖陀螺。

（3）形成基礎(chǔ)元件保障體系

通過技術(shù)基礎(chǔ)研究，建立適于戰(zhàn)略級光纖陀螺需求的光學(xué)元件技術(shù)指標(biāo)體系，通過新材料、新方法、新工藝的研究和應(yīng)用，研制出滿足“戰(zhàn)略級”光纖陀螺應(yīng)用需求的配套光學(xué)元件，為“戰(zhàn)略級”光纖陀螺的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

3.2 需求牽引，研用并重

為了解決多物理場作用下光纖陀螺精度的保持問題，很多科研機構(gòu)在陀螺應(yīng)用技術(shù)上進行了很多行之有效的嘗試，如溫度控制、磁屏蔽、減震、旋轉(zhuǎn)調(diào)制、建模補償?shù)燃夹g(shù)，很好地改善了光纖陀螺的工作環(huán)境，在一定程度上解決了其精度保持問題，為開展相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)研究提供了很好的保證，對推動戰(zhàn)略級光纖陀螺的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。

4 結(jié)論

Draper試驗室對2000～2020慣性器件發(fā)展的預(yù)測圖被廣泛引用，本文研究了該圖對光纖陀螺預(yù)測的準(zhǔn)確性，通過研究分析發(fā)現(xiàn):該圖比較準(zhǔn)確的預(yù)測到了2000～2010年光纖陀螺的發(fā)展，但是對2010～2020年光纖陀螺發(fā)展的預(yù)測則過于樂觀，存在較大的偏差，其主要原因是對解決多物理場作用下陀螺精度的保持問題的困難估計不足。

［1］Barbour N，Schmidt G．Inertial sensor technology trends［J］IEEE Sensors Journal，2001，1（4）:332-339．

［2］George A Pavlath．Fiber optic gyros:the vision realized［C］//．Proc．Of SPIE Vol．6314 6314 0G-2-10．

［3］A Steven Emge，Thomas Monte，et al．Advances in open-loop FOG sensors［C］//．OSA/OFS 2006，18thInternational Conference on Optical Fiber Sensors，P156-158．

［4］第24屆歐洲海軍裝備展．

［5］Thomas Buret，D Ramecourt．Fiber optic gyroscopes for space application ［C］//． OSA/OFS 2006， 18thInternational Conference on Optical Fiber Sensors，P102-104．

［6］Sudhakar P Divakaruni，Ph D，Steve J Sanders，Ph D．Fiber optic gyros-a compelling choice for high precision applications［C］//．OSA/OFS 2006，18thInternational Conference on Optical Fiber Sensors，P50-55．

［7］張桂才．光纖陀螺原理與技術(shù)［M］．國防工業(yè)出版社，2008．