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傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀,機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高,結構復雜,它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來,現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進入了一個全新的階段。

光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件, 由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的改變,決定了敏感元件的角位移。

光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機械陀螺儀相比,優(yōu)點是全固態(tài),沒有旋轉部件和摩擦部件,壽命長,動態(tài)范圍大,瞬時啟動,結構簡單,尺寸小,重量輕。與激光陀螺儀相比,光纖陀螺儀沒有閉鎖問題,也不用在石英塊精密加工出光路,成本低。

光纖陀螺儀的實現(xiàn)主要基于塞格尼克理論:當光束在一個環(huán)形的通道中前進時,如果環(huán)形通道本身具有一個轉動速度,那么光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環(huán)路轉動時,在不同的前進方向上,光學環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用光程的變化,檢測出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化,就可以測出光路旋轉角速度,這便是光纖陀螺儀的工作原理。

光纖陀螺儀需要突破的主要技術為靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移和偏振狀態(tài)改變引起的比例因子不穩(wěn)定。

1、靈敏度消失

在旋轉速率接近零時,靈敏度會消失。這是由于檢測器中的光密度正比于Sagnac相移的余弦量所引起。

2、噪聲問題

光纖陀螺儀的噪聲是由于瑞利背向散射引起的。為了達到低噪聲,應采用小相干長度的光源。

3、光纖雙折射引起的漂移

如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上,就會產(chǎn)生飄移。造成光路長度差的原因是單模光纖有兩正交偏振態(tài),此兩種偏振態(tài)光波一般以不同速度傳播。由于環(huán)境影響,使兩正交偏振態(tài)隨機變化。

4、偏振狀態(tài)改變引起的比例因子不穩(wěn)定。

光纖陀螺儀的分類方式有多種。依照工作原理可分為干涉型、諧振式以及受激布里淵散射光纖陀螺儀三類。其中,干涉型光纖陀螺儀是第一代光纖陀螺儀,它采用多匝光纖線圈來增強薩格納克效應,目前應用最為廣泛;按電信號處理方式不同可分為開環(huán)光纖陀螺儀和閉環(huán)光纖陀螺儀,一般來說閉環(huán)光纖陀螺儀由于采取了閉環(huán)控制因而擁有更高的精度;按結構又可分為單軸光纖陀螺儀和多軸光線陀螺儀,其中三軸光纖陀螺儀由于體積小、可測量空間位置因而是光纖陀螺儀的一個重要發(fā)展方向。

自從1976年美國猶他大學的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1個光纖陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以來,光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展了30多年。在30多年的發(fā)展過程中,許多基礎技術如光纖環(huán)繞制技術等都得到了深入地研究。

光纖陀螺儀的突出特點使其在航天航空、機載系統(tǒng)和軍事技術上的應用十分理想,因此受到用戶特別是軍隊的高度重視,以美、日、法為主體的光纖陀螺儀研究工作已取得很大的進展。光纖陀螺儀研究工作大部分集中在干涉式,只有少數(shù)公司仍在研究諧振式光纖陀螺。光纖陀螺的商品化是在上世紀90年代初才陸續(xù)展開,中低精度的光纖陀螺(特別是干涉式光纖陀螺)己經(jīng)商品化,并在多領域內(nèi)應用,高精度光纖陀螺儀的開發(fā)和研制正走向成熟階段。

在國外,l°/h至0.01°/h的工程樣機已用于飛行器慣性測量組合裝置。美國利頓公司已將0.1°/h的光纖陀螺儀用于戰(zhàn)術導彈慣導系統(tǒng)。新型導航系統(tǒng)FNA2012采用了l°/h的光纖陀螺儀和衛(wèi)星導航GPS.美國國防部決定光纖陀螺儀的精度1996年達到0.01°/h ;2001年達到0.001°/h;2006年達到0.0001°/h ,有取代傳統(tǒng)的機械陀螺儀的趨勢。

1、美國

美國的光纖陀螺研制單位有:利頓公司、霍尼威爾公司、德雷泊實驗室公司、斯坦福大學以及光纖傳感技1術公司等。

(1)利頓公司研制的光纖陀螺

利頓公司的光纖陀螺技術在低、中精度應用領域已經(jīng)成熟,并且已經(jīng)產(chǎn)品化。1988年研制出SCIT實驗慣性裝置,慣件器件是光纖陀螺和硅加速度計。1989年公司研制的CIGIF論證系統(tǒng)飛行試驗裝置。1991/1992年研制出用于導彈和姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)的慣性測量系統(tǒng)。1992年研制出GPS/INS組合導航系統(tǒng)。

(2)霍尼韋爾公司的集成光學光纖陀螺

霍尼韋爾公司研制的第一代高性能的干涉儀式光纖陀螺采用的是Ti內(nèi)擴散集成光學相位調(diào)制器。采用的其他器件還有0.83um寬帶光源、光電探測器/前置放大器模塊、保偏光纖偏振器、兩個保偏光纖熔融型耦合器以及由1km保偏光纖構成的傳感環(huán)圈。

為了滿足慣性級光纖陀螺的要求,霍尼韋爾公司研制的第二代高性能干涉儀式光纖陀螺采用了集成光學多功能芯片技術以及全數(shù)字閉環(huán)電路。

(3)美國德雷珀實驗室

美國德雷珀實驗室從1978年起為JPL空間應用研制高精度光纖陀螺,曾研制過諧振腔

式光纖陀螺,研制了9年,由于背向散射誤差限制了精度,后來改為采用干涉儀式方案。

在研制干涉儀式光纖陀螺的過程中,采用了三大技術措施:

a.把光源、探測器和前置放大器做成一個模塊;

b.光纖傳感環(huán)圈結構影響精度很大,采用了無骨架繞制光纖環(huán)圈的技術途徑;

c.多功能集成光學器件模塊,包括了所有其余的光纖陀螺的光纖器件。

德雷珀實驗室的研究人員認為:目前0.01°/h 的干涉儀式光纖陀螺成本較高,需要研制自動生產(chǎn)線,降低成本,保證質量。

對于今后的發(fā)展問題,德雷珀實驗室的研究人員認為:

a.慣性級的干涉儀式光纖陀螺儀,可以取代動力調(diào)諧陀螺儀,并逐漸取代激光陀螺儀;

b.慣性級干涉儀式光纖陀螺儀的難點是必須采用1km長度的保偏光纖,如果改用諧振腔式光纖陀螺儀方案,則長度可減為10m左右的光纖。為此諧振腔式光纖陀螺仍在作為研制方向,使光纖陀螺儀小型化的諧振腔式光纖陀螺的難點在于:控制電路比干涉儀式光纖陀螺復雜。隨著ASIC技術的發(fā)展,將來有可能得到滿意的解決,使諧振腔式光纖陀螺成為產(chǎn)品。采用干涉儀式和諧振腔式混合方案的光纖陀螺儀具有良好的發(fā)展前景。

2、日本

日本研制光纖陀螺的單位有東京大學尖端技術室、日立公司、住友電工公司、三菱公司、日本航空電子工業(yè)公司。

日本的干涉式光纖陀螺儀已經(jīng)完成了基礎研究,正進入實用化階段。偏值漂移已經(jīng)達到 。東京大學進行研究的諧振腔光纖陀螺儀取得了很大進展。

日立公司研制用于汽車導航系統(tǒng)的光纖陀螺,1991年用于日產(chǎn)汽車。

在日本,光纖陀螺作為汽車的旋轉速率傳感器已進入市場。利用光纖陀螺儀進行導航時,用車輪轉速計傳感器測移動距離,用光纖陀螺測量車體的回轉,同時采用圖象匹配、GPS系統(tǒng)等配合計算汽車的位置和方位,顯示在信息處理器上。

3、俄羅斯

俄羅斯的光纖陀螺有全光纖型和集成光學型。全光纖型采用的是光纖技術,即所有的光纖器件都做在同一根光纖上。

Fizoptika公司研制的光纖陀螺已經(jīng)商品化,產(chǎn)品型號有:VG949、VG941B等。

4、中國

我國也非常重視光纖陀螺技術的研究,上世紀80年代后,許多大學和研究所相繼啟動光纖陀螺的研發(fā)項目,如航天工業(yè)總公司所屬13所和上海803所、北京航空航天大學、清華大學、浙江大學等,也取得了一定的成績,如1996年,航天總公司13所成功研制采用Y分支多功能集成光路、零偏穩(wěn)定性達 全數(shù)字閉環(huán)保偏光纖陀螺,浙江大學和Honeywell公司幾乎同時發(fā)現(xiàn)利用消偏可提高精度等。國內(nèi)的光纖陀螺研制水平雖然與國際水平有一定距離,但已具備或接近中、低精度要求,并在近年來開始嘗試產(chǎn)業(yè)化。

我國海軍新型導彈配光纖陀螺儀 發(fā)射試驗3發(fā)3中,也標志我國的光纖陀螺儀技術取得了很大的成功 。

光纖陀螺成本低、維護簡便,正在許多已有系統(tǒng)上替代機械陀螺,從而大幅度提高系統(tǒng)的性能、降低和維護系統(tǒng)成本�，F(xiàn)在,光纖陀螺已充分發(fā)揮了其質量輕、體積小、成本低、精度高、可靠性高等優(yōu)勢,正逐步替代其他型陀螺。

今后光纖陀螺的研究趨勢有: (1)采用三軸測量代替單軸,研發(fā)多功能集成光學芯片、保偏技術等,加大光纖陀螺的小型化、低成本化力度;(2)深入開發(fā)中、低精度光纖陀螺的應用,特別是民用慣性導航技術;(3)加強精密級光纖陀螺的技術與應用研究,開發(fā)新型的光纖陀螺B-FOG和FRLG等。

陀螺儀原理上就是運用物體高速旋轉時,角動量很大,旋轉軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質,所制造出來的定向儀器.傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀,機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高,結構復雜,它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來,現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進入了一個全新的階段。Vali等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設想,到八十年代以后,現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展,由于光纖陀螺儀具有結構緊湊,靈敏度高,工作可靠等等優(yōu)點,所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經(jīng)完全取代了機械式的傳統(tǒng)的陀螺儀,成為現(xiàn)代導航儀器中的關鍵部件。

現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種,它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一個環(huán)形的通道中前進時,如果環(huán)形通道本身具有一個轉動速度,那么光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環(huán)路轉動時,在不同的前進方向上,光學環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化,如果使不同方向上前進的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉動速度,這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀,如果利用這種環(huán)路光程的變化來實現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉,也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進而測量環(huán)路的轉動速度,就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實現(xiàn)干涉時的光程差小,所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度,而諧振式的陀螺儀在實現(xiàn)干涉時,它的光程差較大,所以它所要求的光源必須有很好的單色性。

光纖陀螺儀具有很高的精度和靈敏度�，F(xiàn)在比較先進的光纖陀螺儀已經(jīng)達到0.01度/hr.比較典型的光纖陀螺應該具有量程寬,精度高,響應快,靈敏度高,,模擬和數(shù)字輸出,堅固可靠,不受電磁,震動影響等特點.因此光纖陀螺已成為準確控制,高精度角速度測量的應用。