光纤陀螺综述

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1、光纤陀螺综述摘要：从光纤陀螺诞生以来，它就以其显著的优点，灵活的结构和诱人的前景引起了 世界上诸多国家的大学和科研机构的普遍重视，为此综述了光纤陀螺的基本原理和它的特点 以及分类，着重描述和总结了光纤陀螺在国内外发展的技术趋势和产业化情况。可以看到, 随着现代微电子技术、光电子技术和信号处理技术的发展，光纤陀螺在未来惯性测量领域中 占据越来越重要的位置。关键词：光纤陀螺，Sagnac效应，发展引言自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺 (fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了 30多年。在30多年的发展过程中，

2、 许多基础技术如光纤环绕制技术等都得到了深入地研究。光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此 受到用户特别是军队的高度重视，以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得很大的 进展。光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在研究谐振式光纤陀螺。 光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的光纤陀螺(特别是干涉式光 纤陀螺)己经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。在国外，1 /h至0.01 /h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司 已将0.1 /h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型

3、导航系统FNA2012采用了 l /h的 光纤陀螺仪和卫星导航GPS.美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01 /h ；001 年达到0.001 /h； 2006年达到0.0001 /h，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。1、原理19光纤陀螺的基本工作原理来自Sagnac效应。Sagnac效应是相对于惯性空间转动的闭环 光路中断传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相 同的光，以互为相反的方向传输并最后汇聚到同一探测点；若绕垂直于闭合光路所在平面的 垂线，相对惯性空间存在着旋转角速度，则正、反两束光走过的光程不等，产生光程差。理 2江D严曲=Q论上可以证

4、明，其光程差与旋转角速度成正比，即一 (1)式中L为光纤长度；D为光纤环直径；为光波长；c为真空中光速；0为转动角速度。 使用低损耗单模光纤形成环状，其总长L可达几百米甚至上千米，可大幅度地提高环形干涉仪的灵敏度，即使是微小的转动也能够产生可探测的相位差。因为光纤环内的单模光纤处于双光束干涉状态，其输出光强可表示为II /2式中0为max ，由式(1)和(2)可知，输出光强是角速度的余弦函数。由图可知，无论 Q是正还是负，I值读数不变，即输出光强不能反映旋转的方向。同时，小信号灵敏度低， 在多数场合的Sagnac相移很小，而系统灵敏度dl/dQ在Q=0处为0。为此，在两束反向传 输光之间引入9

5、0o的相位差，导致输出光强变成I=I0(l-sines)。显然，经过90o的相位差 的陀螺在Q=0处的灵敏度即dI/dQ达到最大值，同时解决了输出I能反映旋转方向的问题。 下图，表示的互易性结构是光纤陀螺的基本原理结构，能完全保证陀螺在静止状态下顺、逆 时针光波的光程相等。耦合器的功能在于使返回光耦合出一部分到探测器，作为陀螺的光输 出。偏振器位于光纤环与耦合器之间，使单模光保持单偏振状态，从而消除光纤双折射变化 对陀螺性能的影响。当顺、逆时针两光波通过光纤环时，由于路径不一致，造成它们在不同将式时间经过相位调制器。设其时间差为t,相位调制器的结果为代入式(2),贝I陀螺的光输出有式光纤陀螺原

6、理图以正弦信号调制为例，设 (t)=e m sin(et),代入式，则得7 = /；)1 +(5)式中n=2msin(T/2)。当陀螺静止时，其输出只有调制频率的偶次谐波；旋转时，其输出将有奇次谐波。采用锁定放大器检测一次谐波，则得到陀螺输出为-(6),式中K为电压增益，通常n选值是1.84 rad,贝塞尔函数J1(n)取最大值0.53，正弦波调制如图3所示。利用式(6),根据检测出的I,则可求解s,再用 式(1)得到角速度。图2中的集成光学相位调制器，一个用于偏置信号调制，另一个用于 反馈信号调制，以提供反馈相移形成闭环陀螺。正弦波偏置调制2、分类光纤陀螺仪的分类方式有多种。依照工作原理4可

7、分为干涉型、谐振式以及受激布里渊 散射光纤陀螺仪三类。其中，干涉型光纤陀螺仪是第一代光纤陀螺仪，它采用多匝光纤线圈 来增强萨格纳克效应，目前应用最为广泛；按电信号处理方式不同可分为开环光纤陀螺仪和 闭环光纤陀螺仪，一般来说闭环光纤陀螺仪由于采取了闭环控制因而拥有更高的精度；按结 构又可分为单轴光纤陀螺仪和多轴光线陀螺仪，其中三轴光纤陀螺仪由于体积小、可测量空 间位置因而是光纤陀螺仪的一个重要发展方向。2.1干涉型光纤陀螺仪（I-FOG）5干涉型光纤陀螺仪在结构上其实就是光纤Sagnac干涉仪2。在检测技术上，干涉型光 纤陀螺仪利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光;把光相位的直接测量转化

8、成光 强度测量，这样就能比较简单地测出Sagnac相位变化。它是光纤陀螺中研究最早的。干涉 型光纤陀螺仪光纤元器件一般都用单模光纤或保偏光纤制作。用保偏光纤制作光纤线圈可得 到高性能光纤陀螺。它的局限性是若要提高它的灵敏度就必须增加光纤的长度，一般为数百 米到数千米，这样会使光纤陀螺的体积较大。人们通常把干涉型光纤陀螺仪分为开环干涉型 光纤陀螺仪和闭环干涉型光纤陀螺仪。开环干涉型光纤陀螺仪主要可以用作角速度传感器。 这种光纤陀螺结构很简单，价格便宜。但是线性度差（10人-3量级），动态范围小（10人6量 级）。闭环干涉型光纤陀螺仪是一种较精密且复杂的光纤陀螺，主要应用于中等精度的惯导 系统。随

9、着工艺技术的进步，人们不断地设计出精度更高的传感器。目前，这类光纤陀螺优 化的主要任务是集成光学系统的技术开发。输出(a)幵环式3dB光纤耦合器激光光纤线圈_ 光纤测器PZT (圧电换能器) 相付调制耦前置放大朝攒相放大器卜相移養百礙2.2谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)下图是谐振式光纤陀螺仪的原理框图4。从激光器发出的光通过光纤耦合器1分成两 路，再通过光纤耦合器2分别耦合进入光纤谐振器,在其中形成相反方向传播的两路谐振光。 谐振器静止时，这两束光的谐振频率相等。但谐振器以角速度旋转时，他们的谐振频率 不再相等(因为光纤谐振器的光路表观长度对这两路谐振光是不同的)由Sagnac效应，可推得这两

10、束谐振光的谐振频率差为：“ 4 ScAf 二 九L式中L为谐振器的光纤长度，S为谐振器所包围的面积，九为光波长。由上式可见，通过测量谐振式光纤陀螺仪中两谐振光束的谐振频率差Af，可以确 定旋转角速度。激光器光纤耦介器1光松测器I信号处理系统光探测器2由于对谐振式光纤陀螺仪的研究较晚，所以在技术上还不太成熟，但很多研究人员认为 它能提供最大潜在的精度。谐振式光纤陀螺仪对光源的要求十分苛刻，因此它的进展较慢。 它的主要优点是可拥有更高稳定度的光源、大大缩短腔长，谐振式光纤陀螺仪被认为是新一 代的光纤陀螺。与激光陀螺相比，由于谐振式光纤陀螺仪的光源是在谐振器外，因此无闭锁 效应；与干涉型光纤陀螺仪相

11、比，它具有光源稳定度高、所用光纤短（一般10m左右）、受 环境影响小、成本低的优势。2.3受激布里渊散射光纤陀螺仪（FRLG）受激布里渊散射光纤陀螺仪用光纤线圈代替了传统的RLG的激光谐振腔。它与RLG在 原理上都是利用谐振腔中沿相反方向传播的谐振光频差与旋转角速度成比例来测量旋转体 的角速度。但是，它与RLG不同的是，RLG是利用直流咼压激励产生谐振，而它是用泵浦 激光源耦合进入光纤线圈中，并产生增幅的布里渊散射，在光纤线圈中产生光学谐振。它用 光纤线圈代替了环形激光腔，不需要高反射率的反射镜和高真空封装，因此结构简化，体积 减小，而且生产成本降低，使激光陀螺全固体化。3、特点31光纤陀螺的

12、优点回光纤陀螺是一种全固态的光学陀螺仪，它的主要优点在于；无运动部件，仪器牢固稳 定，耐冲击且对加速度不敏感；结构简单，零部件少，价格低廉；启动时间短（原理上 可瞬间启动）；检测灵敏度和分辨率极高（可达10rad/s）；可直接用数字输出并与计算机 接口联网；动态范围极宽（约为2000 /s）；寿命长，信号稳定可靠；易于采用集成光 路技术；克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应；可与环形激光陀螺一起集成捷联式 惯性系统传感器。光纤陀螺与其它陀螺相比有着非常大的优势，具体各种性能比较见下表。、种类一液浮陀螺仪动力调谐陀静电陀螺仪环形激光陀光纤陀螺仪性能螺仪螺仪价格高低高低低可靠性普通普通普通高高耐环

13、境性良普通良优优动态误差大大小小小尺寸小中中中中对数字系统 的适应性良良差优优启动慢普通慢快快精加工要求高普通高高无超精组装室高普通高高无3.2技术难点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和偏振状 态改变引起的比例因子不稳定。灵敏度消失：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；噪声问题：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;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

14、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; 偏振状态改变引起的比例因子不稳定。4、国内外研究状况7104.1国外4.1.1美国美国的光纤陀螺研制单位有：利顿公司、霍尼威尔公司、德雷泊实验室公司、斯坦福大 学以及光纤传感技1术公司等。（1）利顿公司研制的光纤陀螺利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已经产品化。1988年 研制出SCIT实验惯性装置，惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。1989年公司研制的CIGIF 论证系统飞行试验装置。1991/1992年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系 统。1992年研制出GPS/INS组合导航系统。（2）霍尼韦

15、尔公司的集成光学光纤陀螺霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti内扩散集成光学相 位调制器。采用的其他器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤 偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km保偏光纤构成的传感环圈。为了满足惯性级光纤陀螺的要求，霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式光纤陀螺 采用了集成光学多功能芯片技术以及全数字闭环电路。（3）美国德雷珀实验室美国德雷珀实验室从1978年起为JPL空间应用研制高精度光纤陀螺，曾研制过谐振腔 式光纤陀螺，研制了 9年，由于背向散射误差限制了精度，后来改为采用干涉仪式方案。在研制干涉仪式光纤陀螺的过程中，采用了三大技术措施：a. 把光源、探测器和前置放大器做成一个模块；b. 光纤传感环圈结构影响精度很大，采用了无骨架绕制光纤环圈的技术途径；c. 多功能集成光学器件模块，包括了所有其余的光纤陀螺的光纤器件。