光纖陀螺的發(fā)展與應(yīng)用

霍 雷，謝良平，2，諶堯周，王媛娣

(1.中航捷銳(北京)光電技術(shù)有限公司，北京 101500;2.中國航空工業(yè)集團(tuán)西安飛行自動控制研究所，陜西西安 710065)

20世紀(jì)60年代末，位于華盛頓的美國海軍實驗室開始研究光纖陀螺技術(shù)，目的是研制出比激光陀螺成本更低、制造流程更簡單、精度更高的光纖角速率傳感器。1976年美國 Utah大學(xué)的 V.Vali和R.W.Shorthill研制出光纖陀螺(FOG)后，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝已在美國、歐洲和亞洲的重要科研團(tuán)隊中得到重視。通過幾十年的發(fā)展，解決了許多關(guān)鍵問題，使靈敏度比研制初期提高了4個數(shù)量級，并且角速度的測量精度已從最初的 15°/h 提高到 0.001°/h［1］。

與機(jī)電陀螺和激光陀螺相比，F(xiàn)OG具有以下特點:(1)全固態(tài)一體化，儀器牢固穩(wěn)定、具有較強(qiáng)的耐沖擊和抗加速度的能力。(2)光纖環(huán)使得光程增加，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺提高多個數(shù)量級，從而有效地克服了陀螺的閉鎖問題。(3)無機(jī)械運動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命。(4)相干光束的傳播時間極短，理論上可以瞬間啟動。(5)易于采用集成光路技術(shù)，信號穩(wěn)定可靠，且可用數(shù)字輸出，并直接與計算機(jī)接口聯(lián)接。(6)具有較寬的動態(tài)范圍。(7)結(jié)構(gòu)簡單、價格低、體積小、重量輕。

1 基本原理

光纖陀螺是以Sagnac效應(yīng)為基本原理的一種傳感器，只是研究者所采用的相位解調(diào)方式不同，或者對光纖陀螺的噪聲補(bǔ)償方法各異。以干涉型光纖陀螺為例，其基本光路系統(tǒng)如圖1所示［2］。

圖1 光纖陀螺的原理結(jié)構(gòu)示意圖

來自光源的光束通過分束器分成了兩束光，這兩束光分別從光纖線圈(光纖纏繞在半徑為R的環(huán)上)兩端耦合進(jìn)入光纖傳感線圈并反向傳輸。從光纖線圈兩端出來的兩束光，通過合束器后又重新復(fù)合，并產(chǎn)生干涉。若光纖線圈處在靜止?fàn)顟B(tài)，從光纖線圈兩端出來的兩束光的相位差為零。如果光纖線圈以角速度Ω旋轉(zhuǎn)，這兩束光會由于Sagnac效應(yīng)而產(chǎn)生相位差

其中，n為光纖匝數(shù);λ為光波長;c為真空中的光速。通過相位解調(diào)提取Δφ，可利用上式求出Ω。

2 光纖陀螺的分類

從原理上講，可將光纖陀螺分為干涉型光纖陀螺、諧振腔光纖陀螺、布里淵光纖陀螺、鎖模光纖陀螺及法布里－珀羅光纖陀螺等5種［3］;就其結(jié)構(gòu)而言也可分為開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺兩類;從相位解調(diào)方式來看，還可分為相位差偏置式光纖陀螺、光外差式光纖陀螺及延時調(diào)制式光纖陀螺。下面就干涉型光纖陀螺(I－FOG)和諧振腔光纖陀螺(R－FOG)作簡單介紹。

2.1 干涉型光纖陀螺(I－FOG)

I－FOG在結(jié)構(gòu)上就是光纖Sagnac干涉儀，如圖2所示［4］。由式(1)可知，其將角速度Ω轉(zhuǎn)化為相位差Δφ，再通過相位解調(diào)技術(shù)，把光相位的直接測量轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度測量，這樣就能較方便地測量出Sagnac相位變化，其是光纖陀螺中最早研究的，目前，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域。I－FOG中的光纖線圈一般都用單模光纖和保偏光纖制作。用保偏光纖制作光纖線圈可得到高性能FOG，但若要提高其靈敏度就必須增加光纖的長度，一般為數(shù)百米到數(shù)千米，這樣會使FOG的體積較大，價格昂貴。I－FOG又被分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型。開環(huán)式I－FOG直接檢測干涉后的Sagnac相移，主要用作角速度傳感器。這種光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但線性度差，動態(tài)范圍小。閉環(huán)式I－FOG利用反饋回路由相位調(diào)制器引入與Sagnac相移等值反向的非互易相移，是一種較精密且復(fù)雜的FOG，主要用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)。

圖2 I－FOG原理結(jié)構(gòu)圖

2.2 諧振腔光纖陀螺(R－FOG)

圖3所示是R－FOG的光路原理框圖［5］。從激光器發(fā)出的光通過光纖耦合器1分成兩路，再通過光纖耦合器2分別耦合進(jìn)入光纖諧振腔，在其中形成相反方向傳播的兩路諧振光。諧振器靜止時，這兩束光的諧振頻率相等。但若諧振器以角速度Ω旋轉(zhuǎn)時，其諧振頻率不再相等。由Sagnac效應(yīng)可推出這兩束諧振光的諧振頻率差為［6］

式中，L為諧振器的光纖長度;S為諧振器所包圍的面積;λ為光波長。由式(2)可見，通過測量R－FOG中兩諧振光束的諧振頻率差Δf，可確定旋轉(zhuǎn)角速度Ω。由于對R－FOG的研究起步較晚，加之其對光源的要求苛刻，所以目前R－FOG還處于實驗室研究階段，距離工程應(yīng)用還需一段時間。但與I－FOG相比，其具有光源穩(wěn)定度高、所用光纖短、受環(huán)境影響小、成本低的優(yōu)勢，因此各國均投入大量人力對其進(jìn)行研究，相信在不久的將來，R－FOG一定可以在慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖3 R－FOG的光路原理框圖

3 關(guān)鍵性能參數(shù)

3.1 零偏和零漂

零偏是輸入角速度為0時陀螺儀的輸出量，以規(guī)定時間內(nèi)測得的輸出量平均值相應(yīng)的等效輸入角速度表示，理想情況下為地球自轉(zhuǎn)角速度的分量。零漂即為零偏穩(wěn)定性，表示當(dāng)輸入角速率為零時，陀螺儀輸出量圍繞其零偏均值的離散程度，以規(guī)定時間內(nèi)輸出量的標(biāo)準(zhǔn)偏差對應(yīng)的等效輸入角速率表示。零漂是衡量IFOG精度的基本指標(biāo)。產(chǎn)生零漂的主要因素是沿光纖分布的環(huán)境溫度變化在光纖線圈內(nèi)引入的非互易性相移誤差。通常為了穩(wěn)定零漂，需要對IFOG進(jìn)行控溫或者溫度補(bǔ)償。另外偏振也會對零漂產(chǎn)生一定的影響，在IFOG中常采用偏振濾波和保偏光纖的方法消除偏振對零漂的影響。

3.2 標(biāo)度因數(shù)

標(biāo)度因數(shù)是陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值，用某一特定直線斜率表示，是反映陀螺靈敏度的量，其穩(wěn)定性和精確性是陀螺儀的一項重要指標(biāo)，綜合反映了光纖陀螺的測試和擬合精度。標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性無量綱，通常用百萬分比(ppm)表示。標(biāo)度因數(shù)的誤差主要來源于溫度變化和光纖偏振態(tài)的不穩(wěn)定性。

3.3 隨機(jī)游走系數(shù)

表征光纖陀螺儀中角速度輸出白噪聲大小的一項技術(shù)指標(biāo)，其反映了光纖陀螺儀輸出的角速度積分隨時間積累的不確定性。因此，也可稱為角隨機(jī)游走。隨機(jī)游走系數(shù)反映了陀螺儀研制水平，也反映了陀螺儀最小可檢測角速率。該誤差主要來源于光子的隨機(jī)自發(fā)輻射、光電探測器和數(shù)字電路引入的噪聲和機(jī)械抖動。

3.4 閾值和分辨率

閾值表示光纖陀螺能感應(yīng)的最小輸入速率。分辨率表示陀螺儀在規(guī)定輸入角速率下能感應(yīng)的最小輸入速率增量。閾值和分辨率都表征光纖陀螺儀的靈敏度。

3.5 最大輸入角速度

表示陀螺正、反方向輸入速率的最大值，表征陀螺的動態(tài)范圍，即光纖陀螺可感應(yīng)的速率范圍。

4 關(guān)鍵技術(shù)

光纖陀螺內(nèi)理想的互易特性是實現(xiàn)高靈敏度、高精確度的關(guān)鍵，但實際影響互易特性的因素很多，引起測量誤差的因素和解決方法如下［7－8］:

(1)抑制光纖中的散射噪聲。光纖中的后向瑞利散射及來自光纖端面的菲涅爾反射是FOG的主要噪聲源。這些散射光會通過對其原點進(jìn)行寄生干涉而引起測量誤差。抑制這些散射噪聲的有效方法目前主要有:采用低相干光源，對光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，光隔離器或折射率匹配液的方法消除反射;用寬帶激光器、跳頻激光器、相位調(diào)制器等作光源，破壞光源的時間相干性，使其后向散射光的干涉平均為零。

(2)改進(jìn)半導(dǎo)體激光光源的噪聲特性。FOG的檢測靈敏度及精度直接受噪聲的限制。要提高FOG的精度和分辨率，除采用低損耗保偏光纖和大功率光源外，還應(yīng)改進(jìn)光源的噪聲特性及研制出量子效率高的光電檢測器，以最大限度地抑制FOG內(nèi)部產(chǎn)生的有害噪聲。

(3)減小溫度引起的系統(tǒng)漂移。溫度是引起系統(tǒng)漂移的又一重要原因。對于高靈敏度的FOG而言，克服溫度的影響尤為重要。由于光纖線圈周圍的溫度場對光纖線圈的作用是不均勻的，從而會引起非互易相移的隨機(jī)漂移。因此，須對光纖線圈進(jìn)行恒溫處理，如用鉛箔進(jìn)行屏蔽隔離并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償?shù)?，以減小溫度引起的系統(tǒng)漂移。

(4)改善功能元件的性能。FOG內(nèi)的功能元件較多，如偏振鏡、分束器、合束器、相位調(diào)制器以及光電檢測器等，進(jìn)一步改善這些功能元件的匹配及相位漂移是提高其檢測靈敏度和精度、降低短期漂移率的保證。

(5)抑制光電檢測器及電路的噪聲。光電檢測器的散粒噪聲及電路的白噪聲等也是影響FOG檢測靈敏度和測量精度的重要因素。對于電路的白噪聲，可以選擇高于1 kHz的相位調(diào)制頻率來減小噪聲;也可選用高輸入阻抗的低噪聲前置放大電路來提高信噪比;對于光電檢測器的散粒噪聲，以目前的情況看，采用高量子效率光電檢測器、低損耗保偏光纖和大功率激光光源等，則有較好的抑制效果。

(6)提高FOG的環(huán)境適應(yīng)性。提高FOG在振動、變形和加速度等條件下的穩(wěn)定性并擴(kuò)大測定旋轉(zhuǎn)速度的動態(tài)范圍，能提高其可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，也是導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)和艦艇導(dǎo)航以及衛(wèi)星、地形匹配跟蹤等惡劣環(huán)境條件下對FOG的基本要求。減少FOG的測量誤差并提高其分辨率、靈敏度，則是獲得上述諸多特性的前提。

5 發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計本世紀(jì)前20年內(nèi)，光纖陀螺的主要技術(shù)指標(biāo)將達(dá)到高性能慣導(dǎo)系統(tǒng)的要求，逐步替代慣性陀螺［9］。美國1990年～2000年各類陀螺儀在軍用裝備中所占比例的變化:慣性陀螺由86%下降到35%;激光陀螺由14%略增到16%，并從1995年開始未見上升;而光纖陀螺由0%增至49%，由此可看出，光纖陀螺的應(yīng)用前景廣闊。光纖陀螺由無到有是因為國外中低精度等級已產(chǎn)品化，高精度的研究和開發(fā)也正逐步走向成熟。美國的Litton和Honeywell公司代表了國際上FOG技術(shù)的最高水平。Litton公司的閉環(huán)光纖陀螺的零偏誤差已優(yōu)于0.001°/h，標(biāo)度因數(shù)誤差＜10 ppm;Honeywell公司也是FOG研制的強(qiáng)有力競爭者，據(jù)報道其產(chǎn)品最高精度已達(dá)到0.000 38°/h。

我國從20世紀(jì)80年代初開始進(jìn)行光纖陀螺研制。目前，國內(nèi)FOG的研制水平已接近慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的中低精度要求。大多數(shù)在工程實用階段初期，沒有可靠性數(shù)據(jù)。根據(jù)中航自控所和北航聯(lián)合成立的中航捷銳公司的預(yù)研項目驗收指標(biāo)，其研制的I－FOG測試精度優(yōu)于0.005°/h，具備工程應(yīng)用能力。

預(yù)計在未來的10年內(nèi)，不僅飛機(jī)、艦船以及導(dǎo)彈等均將裝備光纖陀螺用于導(dǎo)航和制導(dǎo)，且衛(wèi)星、宇宙飛船上也將裝備光纖陀螺用于與地形跟蹤匹配和導(dǎo)向。在民用上，光纖陀螺可用于汽車業(yè)、醫(yī)療和石油勘鉆導(dǎo)向，特別在多種工業(yè)上的應(yīng)用具有很大的潛力。FOG作為一種新型的角速度傳感器，具有比傳統(tǒng)陀螺更大的優(yōu)勢。隨著工藝設(shè)備、加工手段、材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，F(xiàn)OG的研制將更趨完備，國內(nèi)工程研究會從以下幾個方面展開:提高溫度適應(yīng)性、抑制漂移、提高測量靈敏度、擴(kuò)大測量范圍、小型化低成本。

6 結(jié)束語

經(jīng)過30多年的不斷研究，光纖陀螺技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較高水平，隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，主要指標(biāo)已接近或達(dá)到高性能慣導(dǎo)的要求。在不久的將來，光纖陀螺會逐步替代靜電陀螺、激光陀螺，用于體現(xiàn)國防尖端科學(xué)技術(shù)水平的戰(zhàn)略武器，也會廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶和汽車的導(dǎo)航系統(tǒng)，火炮和雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)等國防建設(shè)領(lǐng)域。隨著成本的降低，在石油鉆井和機(jī)器人控制等國民經(jīng)濟(jì)和民用運載方面將發(fā)揮更大作用。

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