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1、光纤陀螺技术1光纤陀螺现状陀螺是一种测量角速度的重要传感器，它不仅在导弹制导，飞机导航，而且在航天器、卫星定位、汽车导向、智能机器人、天文望远镜等诸多方面起着极为关键的作用,是目前用于确定运动体空间运动姿态的主要传感器。其发展过程主要经历了三个阶段:第一阶段是早期的机电陀螺,它是根据力学的惯性定律,利用惯性元件高速转动的机械转子具有定向性和进动性来测定飞行体相对于惯性空间的转速和方向。由仪表指出导航所需的航向、姿态等参数；第二阶段是6年代激光出现后，研制出的环形激光陀螺仪,从此开始了光学陀螺的时代。光学陀螺在原理上同机电陀螺是完全不同，没有机械活动转子，而是利用激光束在运行的光腔内所产生的干涉
2、效应来测定航行体在航行中所需要的参数。由于激光陀螺仪具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，受到广泛重视并已得到实用；第三阶段是在光纤技术发展的基础上研制的光纤陀螺。激光陀螺和光纤陀螺可以统称为光学陀螺，其基本原理都是基于aga效应。Sagnac效应是19年发现的，由激光器发出的光由分束器分为两束，分别耦合进入环形干涉仪环形光路的两端,两相反方向的光束经环形光路传输后，按原路最终回至探测器处,形成干涉，当环形干涉仪以角速度旋转时,沿顺、逆时针方向在环中传输的两束光产生的光程差，两束光产生的相位差为： (1）L为光路长度，D为环直径，为光波长,为真空中光速。用光纤代替环形干涉仪的环形光路可构成光纤陀
3、螺,其主要形式可以分为干涉型（Intereromtrc FieticGrocope, IFOG）和谐振腔型(inResnatoiberOptic yoscoe， -FG)两大类. 96年由ah大学的Vli和Shtll首先证实了干涉型光纤陀螺。在此后的二十多年中，干涉型光纤陀螺发展迅速。九十年代以后，各国竞相将干涉型光纤陀螺实用化和产业化，美国、日本、欧洲各发达国家均投入大量经费进行研究开发,并已有一些高性能的产品问世,如波音77客机备用导航的光纤陀螺组件为美国Hoeywll公司制造.国外主要生产单位的产品或产品样品性能综述如下:表11 Hoeywll公司光纤陀螺样品性能PamtersOpelo
4、oMdiumnavgtonrcsionticaldesignPMDepoaizedDepolizedPBis nertan1/r1-10/h.0.03/hr0.01hScale act50pm12pRom wal0004/0.001/AppltnAircrt AttitudTactcal GidaceNaiatnrson Spe表1. Liton公司光纤陀螺性能ParmtersrecisDyamic rae50Ranomwlk0.00/Bias nrtainty0。01/rScal factor errr10ppmTemeratur rng-5571表.3 KDV(Andrew)公司光纤陀螺性
5、能PrameerMinimum Cofig。Redud Min.ConfigSpcifaioScle facto erro。37%03%50Bisuncertain0。001/。01s002sAngle domak0.4/0.390。33/Tempratur074075-4075表。4JA公司光纤陀螺性能PaerJG-108FJ35FJ-34FG52FBias stabilty5/r0./hr0。5hr0。02/hrScaleact error10。50。5%15ppmynaige 100200/s900s00/sepratur0700040900表1。5 itchi公司光纤陀螺性能PamrH
6、OF-500HOFG1HOGCLHADHGV6ynamicrng2/s60/s100/s60/s60/Randomwalk0。02/010.252。/1。/Scl factorerror0。1。2%1.5EletonisHiMedimLoLoLowFiber lengh1750m330 m150m15 m170mCildimeer10mm6 mm120mm9015 m45 mmLigtsourceCooldSLDLDCD-LDSLCDLDplianOto-Cmpasenera IndusyFlet LocinAuomole Navigatongiculturl Helicpter表。6 tub
7、ishi公司光纤陀螺性能ParaetersFGMUeasrment re200sSleacor liearlity29.9pm(1s）cae fato ay to ay staility.0pm(1s)ias shoter stity0. /hr（1s)Bas dy toay stabity0.02 /hr(1s）表1.7 hoonetcs公司光纤陀螺样品性能araetersMdi seitviyigh enitiviyL200m100mD30mm10mml850m1550nmis unertiny0。110/hr0.1表18 LITE GbH公司光纤陀螺性能PrmetemOR-36SMOat
8、ig Tmp. rnge085Radom walk10.02/a36/hr（1s）0。5/r(1s）asreeatblity0.1/hrScae facto esul err0。3%(1s）300pesurig rnge10/sIniialiation tim00mOupu ata ra51000Hz由上述报道可知:国外许多大公司均已研制出工程化和实用化的光纤陀螺,通过了包括温度、振动等在内的环境实验，其中美国Hneywl和Lton所研制的光纤陀螺代表了国际上光纤陀螺技术的最高水平.美国的Fibrens 生产的陀螺系列只是更换不同的传感环来适应不同应用.俄罗斯的光纤陀螺性能较差,成本低，采用开
9、环工作。由于光纤陀螺在民用领域也有着良好的应用背景， Hiachi等公司主要着力于光纤陀螺民用领域的开拓。干涉型光纤陀螺近年来工程化进展飞速,研究的一个方向是采用单模光纤（SF）来代替保偏光纤（MF）作传感环，制作去偏光纤陀螺,把成本降低至每轴00$以下；另一个方向是向长使用延命、超低漂移、超低噪声、低刻度因子误差迈进。2国内光纤陀螺研制与试生产概况由于保密的因素,国内光纤陀螺（FO）研制及试生产的情况只能从侧面了解，如从用户及单位学位论文中间接了解,可能与实际情况有所出入。国内主要研制单位由北京航空航天大学、航天部一院十三所、航天部三十三所、国防科技大学和浙江大学等,北航无疑代表了国内光纤陀
10、螺的最高水平，早在上世纪80年代中期，北航在张维叙教授领导下开展这方面的工作。北航工作踏实，基础较好，特别是研制成功了保偏耦合器、偏振器等无源器件，质量可靠。在年代后期进行数字闭环光纤陀螺的研发,目前G水平达到零漂01/h0.40/量级，也可以试生产高性能(0.1/h）的陀螺。2002年用户反映北航OG存在的问题有FO阈值过大，接口电平不标准，高性能陀螺需外带一对功率管、体积偏大，近来这些问题可能已有改善.航天部一院十三所可能是国内最早研制光纤陀螺用数字闭环解调电路的电位，采用现场可编程门阵列(FPGA)实现，在当年光学水平一般.但近年来该所发展势头很猛，组成了14多人的研发队伍，十三所作为一
11、个惯导专业研究所,其优势是在其产品上型号方面具有优势。目前其OG漂移约在10h量级,其工程水平仅次于北航。航天部三十三所的研发水平与一院十三所大致相当。在9年代中三十三所就特别注意F的应用研究，还委托和其它单位合作研发了保偏光纤和LiNbO芯片.同样它在上型号方面具有优势。国防科大研发的FOG以开环为主,采用短保偏光纤、压电相位调制器、数字信号处理芯片(D），试图降低陀螺成本.其所用无源器件都是他们自己研制的，器件水平处于国内领先。其样品在室温下零漂/,刻度因素误差0pm.可见其数字信号处理电路具有相当的水准.但其陀螺还不能在全温程工作。浙江大学在1990年代前期原863计划是研制“位相复共轭
12、陀螺”.有关研究人员自行研制了带多个消偏器的单模光纤陀螺，在国内首先零漂实现。50/h。在1999年又在国内首次实现了FOG在205工作及变温下工作，这同样属于计划外的工作.但目前的课题组成员并非原来课题组的原班人马，近年已数次未能按时完成86任务.目前情况虽有改善，但由于主要靠研究生工作,缺少工程化力量。3光纤陀螺研发的工程考虑应该承认国内光纤陀螺在花费了大量的人力和经费之后，取得了相当的进步，目前最好水平仍属于试生产阶段.低精度FOG（50h)应该讲是成功的。但中高精度OG性能不够稳定，注意到中高精度FO指标都是在恒定温度下测得的，并不是变温度条件下的结果，因此与美国on、Hoewell的陀螺相比，其性能实际上相差甚远.所以如何把我国中高精度FO提高到实用水平是我们所关心的问题。我们拟从以下几个方面加以改进。1团队研制队伍的建立由于体制问题,每个OG研发单位都是各自为政，什么单元器件都试图自行研制，实在自己开发不了的器件才由有关单位提供，与单元器件供货单位的沟通也不充分.参照美国的经验,建立一支稳定的合作良好的团队研制队伍是非常必要的。这支队伍的各合作研制单位的技术领导必须是真正懂行和认真执行任务的，能够充分发挥各自的优势.团队中各单位必需分工明确、责任明确、利益明确。总的设想是分为技术与工程两大块，二部门相互之间密切沟通.为了加快研发进程，技术问题与工程问题同时并
