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光纤陀螺仪的应用及发展
谷军，蔺晓利，何南，姜凤娇，邓长辉
（大连海洋大学信息工程学院）
<
/p>
摘要：
本文介绍了光纤陀螺的工作原理，并根据光纤陀螺的特点介
绍了在各个领域的应用，
阐述了光纤陀螺在国内外的发展现状，
并指出了光纤陀螺的发展趋势。
从发展角度看，
光纤
陀螺仪将成为
21
世纪前期的发展重点。
关键词
：光纤陀螺；现状；应用；
0
引言
萨格纳克（
Sagnac
）在
1913
年首先论证了运用无运动部件的光学系统能够检测出相对
惯性空间的旋转的奇特现象，现在统称为萨格纳克效应。
1976
年
Vali
和
Sh
orthill
首次提出
了光纤陀螺（
Fiber optic gyro
）的概念，它标志着第二代光学陀螺的诞生。光纤陀
螺一问世
就以其明显的优点、
结构的灵活性以及诱人的前景引起
了世界上许多科学家和工程师的普遍
关注。
国内对光纤陀螺的研
究也有
20
多年的历史，
经历开环到闭
环的研究历程。
在
20
多年
的研究过程中，
光纤陀螺的广泛应用前景已经得到了专家的认可，
光纤陀螺作为惯性技术的
核心器件，已经逐渐成为陀螺市场的主流产品。
人类对光纤陀螺的需求也变得十分迫切。
光纤陀螺的应用非常
广泛，是基于
Sagnac
效应的原理工作的。作为继激光陀螺
仪之后
出现的新一代陀螺，
各国的研制工作已经取得了重大的进
展。
光纤陀螺仪的研制对惯性导航
和控制领域十分重要，
随着计算机、
微电子和光纤技术的发展和应用，
它将取代传统的机械
陀螺和平台惯导系统。与机械陀螺相比，光纤陀螺无运动部件、使
用寿命长；全固化结构、
抗冲击能力强；测量动态范围大、无预热时问、启动时问短；不
受地球吸引力影响；工艺相
对简单，价格便宜；对捷联应用有先天优势。与激光陀螺相比
，光纤陀螺的成本低、性价比
高；体积小、功耗低、应用灵活；克服了激光陀螺闭锁带来
的负效应；随着工艺和信号处理
方案的发展，精度也可以和激光陀螺相当。
1
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪是光学陀螺仪的一种。所谓光学陀螺仪就是利用萨格纳克
Sagnac)
效应构成
的陀螺仪。利用光纤线圈构成的干涉仪
效应来敏感角运动的装置称为干涉型光纤陀螺仪
(IFOG)
；采用光纤作为谐振器来敏感角运动的装置称为谐振型光纤陀螺仪
(RFOG)
；利用布
里渊光纤环形激光器的频率变化原理构
成的测角装置称为布里渊光纤陀螺仪
(BFOG)
。由于
光学陀螺仪不象传统陀螺那样，
依靠自转子的动量矩来敏感角运动。<
/p>
所以国外学术界也把这
类陀螺定义为非陀螺仪角运动敏感器。
1.1
光纤陀螺仪的特点
光纤陀螺仪作为一种新兴传感器件，
具有许多深受欢迎的特点：
（
1
）无运动部件，
仪器
牢固稳定，耐冲击和抗加速度运动；
（
2
）结构简单，零部件少，价格低廉；
（
3
）启动时间短
（原理上可瞬间启动）
；
（
4
）检测灵敏度和分辨率高（可
达
10
-7
rad/s
）
；
（
5
< br>）可直接用数字输
出并与计算机接口联网；
（
6
）动态范围极宽；
（
7
）寿命长，信号稳定可靠；
（
8
）易于采用集
成光路技术；
（
9
）克服了激光陀螺因闭锁现象带来的负效应。
光纤陀螺最大的特点是可根据不同的用途，
选择不同的光纤长度和线
圈直径及不同的信
息处理方法，可覆盖陆地、航空、航天、航海等所有陀螺仪应用范围。
与传统陀螺仪
(
液浮
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陀螺仪、动力调
谐陀螺仪、静电陀螺仪
)
相比，光纤陀螺仪的特点如表一所示<
/p>
[1]
。
表一
光纤陀螺仪与其它陀螺仪比较
种类
性能
价格
可靠性
耐环境性
动态误差
对数字系统适应性
启动
精加工要求
超精组装室要求
液浮陀螺
高
普通
良
小
良
慢
高
高
动力调谐陀螺
低
普通
普通
大
良
普通
普通
普通
静电陀螺
高
普通
良
小
良
慢
高
高
环形激光
陀螺
低
高
优
小
优
快
高
高
光纤陀螺
低
高
优
小
优
快
无
无
1.2
光纤陀螺仪的基本工作原理
光纤陀螺仪的基本工作原理是
Sag
nac
效应，
即在一闭合回路中，
沿顺
时针
(CW)
方向和
逆时针
(CCW)
方向传播的两束光光程差△
L
与闭合回路的旋转角速度
Ω
及回路面积
A
成正
比，与真空中的光速
C
0
成反比，即：
?
2
?
R
< br>2
?
R
?
4
A
?
L
?
?
t
?
C
0
?
C
0
?
?
?
C
?
R
?
< br>C
?
R
?
?
?
?
C
?
?
（
1
）
0
0
?
0
?
实际的光纤陀螺闭合回路是由
N
圈光纤绕制而成的，则积累的光程差为
：
?
L
M
?
相应的
Sagnac
相位差为：
4
AN
?
?
(2)
C
0
??
S
?<
/p>
2
?
?
0
?
?
L
M
?
8
?
AN
?
?
(3)
?
0
C
0
式中：
λ
0
为真空中的波长；
A
为一圈光纤所包围的面积；设光纤圈的面积；设光纤圈直径
为
D
；
L
为光纤敏感环的光纤
总长度，则：
??
s
?
2
?
LD
?
?
?
K
S
?
?
(4)
?
0
C
0
式中：
K
S
?
2
?
LD
被称为比
例因子，
它表征光纤陀螺灵敏度的大小。所以通过检测相位差
?
0
C
0
Δ
Φ
s
，
就可以确
定旋转角速度
Ω
，
这就是
Sagnac
效应。
再通过角速度的时间积分即可确
定
旋转体的角位置或方位角。
1.3
光纤陀螺仪的类型
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就原理与结构而
言，光纤陀螺仪可以分为三大类，即干涉型光纤陀螺仪
(I-FOG)
< br>、环形
谐振腔光纤陀螺仪
(R-FOG)
、受激布里渊散射环形激光陀螺仪
(B-FOG)
。<
/p>
干涉型光纤陀螺是迄今为止，
发展比较
完善的一类光纤陀螺。
广泛应用于各领域，
称为
第一代光纤陀螺。它又可分为：消偏型；全保偏光纤型；集成光学器件型。
环形谐振腔光纤陀螺是采用光纤作为谐振器来敏感角运动的装
置，被称为第二代光纤
陀螺。又可分为：光纤式；光波导式。
受激布里渊散射环形激光陀螺是一种利用光纤环形腔中的受激
布里渊散射的方向性增
益效应来实现利用
Sagnac
效应检测谐振速率，其原理与激光陀螺仪完全相似。被称为第三
代，正在
进行理论研究，比前两代具有更大的优越性。由于无需复杂的调制解调检测技术，
国际上
倍受重视。
他们具有不同的结构，
决
定了各自的特点及使用范围，
工作原理都是采用直接检测干涉
，
后的
Sagnac
相移来得到旋转角速
度
[2
3]
。
从检
测相位的方法来看，
它又可分为开环与闭环两种类型。
开环陀螺
直接探测干涉后的
Sagnac
相移，而闭环陀螺则是利用反馈
回路由相位调制器引入与
Sagnac
相移等值反向的非
互异相移。
1.4
光纤陀螺仪的关键技术
<
/p>
光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移。
1.
灵敏度消失是指在旋转速率接近零时，
灵敏度会消失。这是由于检测器中的光密度正比
于
Sagnac
相移的余弦量所引起。
2.
光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。为了达到低噪声，应采用小相干长度的
光源。
3.
光
纤双折射引起的漂移：如果两束相反传播的光波在不同的光路上，就会产生飘移。造
成光
路长度差的原因是单模光纤有两正交偏振态，此两种偏振态光波一般以不同速度传
播。由
于环境影响，使两正交偏振态随机变化。
光纤陀螺仪与激光陀
螺仪相比，
有许多突出的优点，
若用于导弹制导以及飞机、
舰艇导
航和卫星跟踪，
尚存在某些关键技术
需要解决。
根据光纤陀螺仪的工作原理及其光纤环的绕
制方法和
绕制工艺，
其核心部件光纤对温度极为敏感，加上激光源的光程差、偏振变化、
光
的后向散射、
光纤
端面的菲涅尔反射以及光接收器的散粒噪声等影响，
使检测误差较大。
< br>因
此必须查明原因，
找出光纤陀螺仪的误差源，
提出消除误差的有效途径。
表二列出了光纤陀
螺
仪的误差源及其有效解决途径
[4]
。
表二
光纤陀螺仪的误差源及其解决途径
产生误差源
两束光间的光程差
温度漂移
Shupe
误差
温度相位噪声
偏振变化
后向瑞利散射
光纤端面的菲涅尔反射
光接收器的散粒噪声
法拉第效应
克尔效应
有效解决途径
进行温度补偿，用光隔离器消除回光的影响
< br>采用温度系数小的光纤和被覆材料，打破常规圆柱形绕法，采
用国际上通用的四级
对称方法来绕制光纤环
采用温度系数小的光纤和被覆材料，在
光纤环本振频率上进行
调制
/
解调
采用保偏光纤或采用偏振面补偿装置及退偏振镜
采用超发光二极管等低相干光源或对后向散射光提供频差并对
光源进行脉冲调
制
采用消除后向瑞利散射的办法或者采用折射率匹配的方案
采用光量子效率光检测器、低损耗保偏光纤和大功率激光光源
进行电磁屏蔽和使用保偏光纤和大功率激光源
采用低相干光源
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