光纤陀螺技术及其应用

张伟伟

（河南大学物理与电子学院，开封  475001）

光纤陀螺是建立在Sagnac效应基础上的光学干涉仪，主要用来检测外部载体的运动角位移和角速度。光纤陀螺与机械陀螺和激光陀螺相比具有结构简单，体积小，质量轻，成本低，灵敏度和分辨率高等一系列优点，引起了国内外人们极大的重视和强烈的兴趣。光纤陀螺现已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。但是由于光纤陀螺其传感元件光纤线圈对各种物理量极为敏感会产生陀螺噪声，而且本身固有物理结构，光源质量，光学器件，光探测器等一起也会形成复杂噪声源影响光纤陀螺的灵敏度使精度下降。目前，国内光纤陀螺仪研制水平与国外相比已接近惯性导航系统的中、低精度要求，但大多数未到工程实用阶段，也没有可靠性数据。因此，对于光纤陀螺我们还需要不断地进行研究，以求研制出满足各行各业需要的实用的光纤陀螺。

1光纤陀螺基本原理

各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用Sagnac效应，只是各自所采用的位相或频率解调方式不同，或者对光纤陀螺的噪声补偿方法不同而已。Sagnac效应是指当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间，将因光波的惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。该光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。

如图1所示为光纤陀螺原理示意图，从A点入射的光被分束器分成等强的两束光,反射光a进入光纤线圈沿逆时针方向传播，透射光b被反射镜反射回后又被分束器反射，进入光纤线圈沿顺时针方向传播。两束光绕行一周后，又在分束器汇合。当干涉仪无旋转时，沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程相同，即两束光波的光程差为0。当干涉仪绕着其垂直轴以角速度（设逆时针方向为正方向）旋转时，沿相反方向传播的两束光绕行一周的光程和时间就不再相等，其时间差和光程差分别为：

       （）

所以光纤环中两束光之间的相移为：

（为光纤环的周长）

     图1 圆形萨格奈克干涉仪

一般情况下，光纤陀螺采用的是多匝光纤线圈（N匝）的光纤环，两束光绕行N周再次汇合时的相移应为：

 （为光纤陀螺的标度因数）

这表明两束光的光程差与输出相移与旋转角速度Ω成正比，所以只要测得光程差或相移就可以求出转动角速度Ω。

2光纤陀螺的分类

光纤陀螺与激光陀螺相比属于第二代光学陀螺。目前技术比较成熟正在实用化的光纤陀螺是干涉型光纤陀螺（I-FOG），处在实验室向实用化发展的是谐振型光纤陀螺（R-FOG），处在理论研究阶段的是受激布里渊散射型光纤陀螺（B-FOG）。

干涉型光纤陀螺（I-FOG）是研究开发最早、技术最为成熟的光纤陀螺，属第一代光纤陀螺。它的原理示意图如图2所示，是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成光强度测量，这样就能比较简单地测出Saganc相位变化。干涉型光纤陀螺的光纤元器件一般都用单模光纤或保偏光纤制作。

图2 干涉型光纤陀螺原理示意图

谐振型光纤陀螺是第二代光纤陀螺，它是通过检测旋转非互易性造成的顺、逆时针两行波的频率差来测量角速率。采用无源谐振腔的R-FOG的基本结构是由光纤构成一个谐振腔，其谐振频率随Sagnac效应的大小而改变，由此测量旋转角速度。谐振型光纤陀螺的研究较晚，主要用来解决光源的波长稳定性，对光源的要求十分苛刻，在技术上还不太成熟，但是很多研究人员认为它能提供最大潜在的精度。

图3 谐振型光纤陀螺原理示意图

谐振型光纤陀螺示意图如图3所示，从激光器发出相干光通过光纤定向耦合器C4分成两种，经耦合器C2和C3传至谐振腔耦合器C1，从两端注入光纤环形谐振腔，在其中形成相向传播的相干光。当满足谐振条件并达到稳态时，腔中的光强达到最大，即谐振状态。当Ω=0时，两束光具有相同谐振频率，谐振简并。当Ω≠0时，两束光因Sagnac效应产生非互易相位移，导致其谐振频率产生频差。谐振光纤陀螺利用谐振来增强Sagnac效应提高了灵敏度，但由于利用了光在环形腔中的多光束干涉效应，因而对光源的相干性要求比较高。

布里渊型光纤陀螺是第三代光纤陀螺，又称光纤环形激光陀螺，或受激布里渊散射光纤环形激光陀螺。采用有源谐振腔的布里渊光纤陀螺是利用高功率光在光纤中激发布里渊散射光的光纤陀螺仪。当光纤环中传输的光强达到一定程度时就会产生布里渊散射，散射光的频率由于受Sgnace效应的影响，顺、逆时针的两束布里渊散射光的频差与旋转角速度成正比。检测顺逆时针方向光波产生的散射光的频率，并进行拍频处理，就可以得到光纤环的旋转角速度。

图4 布里渊型光纤陀螺示意图

如图4为布里渊型光纤陀螺示意图，当光纤环中传输的光强高到一定程度时，就会在光纤谐振腔中引起受激布里渊散射（SBS）而形成光纤激光器，顺、逆时针两束布里渊散射光的频差与旋转角度Ω成正比。

3光纤陀螺的应用

自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第一个光纤陀螺以来，光纤陀螺已经发展了30多年。在30多年的发展过程中，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。 

光纤陀螺成本低、维护简便，正在许多已有系统上替代机械陀螺，从而大幅度提高系统的性能、降低和维护系统成本。现在，光纤陀螺已充分发挥了其质量轻、体积小、成本低、精度高、可靠性高等优势,正逐步替代其他型陀螺。

总之，光纤陀螺仪经过将近3O年的发展，其应用范围不断拓展。在军用方面，光纤陀螺仪广泛装备在导弹系统、飞机和舰艇的导航系统以及军用卫星与地形跟踪匹配等系统中；在民用方面，光纤陀螺仪可用于飞机导航和石油勘察、钻井导向，特别是在工业上具有极大应用的潜力。随着光纤技术和集成光路技术的不断发展，光纤陀螺仪将拥有越来越广阔的应用前景。

4  结束语

到目前为止，光纤陀螺已从供战术应用的低精度型向导航用的中精度和高精度型发展，以光纤陀螺为基础的惯性系统也开始在越来越多的场合得到应用。光纤陀螺取得巨大发展的原因除了自身固有的优点外，光纤通信技术和光纤传感技术的发展，光纤陀螺成本降低和体积减小，外部辅助技术的发展都对光纤陀螺的发展起到十分重要的推动作用。随着光纤通信技术、集成光学技术和光纤传感技术的发展，更多先进的成果将应用在光纤陀螺中，使得光纤陀螺的性能得以整体提高，应用范围更加广泛。 

近几年，国内光纤陀螺发展很快，研制水平已达到中低精度要求。但是发展速度仍然跟不上市场需求，主要问题是与光纤陀螺相关的光电子器件在技术和数量上满足不了陀螺总体的设计要求，市场的布局不够合理。因此，我国光纤陀螺在发展的过程中，应注意形成多层次、多方位的研究和生产体系，在不断提高精度的同时，注重商业应用市场的开拓，将不同性能、不同成本的光纤、光源、光电集成芯片等器件应用到光纤陀螺当中，生产不同价格、不同精度的产品，以适应不同市场的需要。