光纤陀螺小型化技术研究进展

0 引 言

目前，随着国内外科研专家纷纷投入大量精力进行无人系统的研究，使得对小型惯性器件需求日益强烈。但目前由于光纤受到体积制约，挠性陀螺占据了很大比例。最新数据显示，不断提高性能的微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)陀螺正在进入工业应用，将对光纤陀螺仪(fiber-optic gyroscope，FOG)等技术构成很大威胁。如果能实现FOG的小型化，就有可能和MEMS竞争市场中日益重要的地位。实现FOG的小型化也必将取得水下无人航行器、无缆水下机器人、导弹、无人机等领域的重大突破。速率级FOG也需要中等精度、简单结构、小型化、低成本FOG[1]。

“十三·五”期间国家重点研发计划“地球观测与导航”重点专项管理办公室也在 “Micro PNT(微型定位导航授时系统)”方面进行了研讨布局，高性能、高可靠性、低成本、集成化是未来导航定位重要方向发展[2,3]。目前，小型FOG光纤长度达到小于100 m，小型FOG光纤环内径可达15 mm，这些小尺寸光纤环产品量程可达到300°/s，测量精度为10°/h，零偏稳定性可达到0.6°～0.7°/h[4～6]。

1 FOG技术基本原理

FOG基于Sagnac效应[7～10]，由光纤环组成的闭合回路中，从其中一点开始相向传播的两束光波，绕光纤环一圈回到该点时，两束光相位发生变化，运载体旋转过程中，Sagnac相移使光波干涉条纹产生微小移动，相向传播的光经过的路程不等，产生的光程差与旋转的角速度成正比，旋转角速度从而能由光程差求得。

干涉式FOG(interferometric FOG，IFOG)具有互易性结构，要求两束光反向传播光波具有相同的传输特性，附加位移是相同的，同时具有很好的“共模抑制”作用，可以消除各种寄生效应，精度远高于其他干涉仪。

FOG固有响应是一个余弦函数，光检测器检测到的光信号强度与输入光强、输入角速度引起的相位差的关系为ID=0.5IO(1+cosθR),其中,ID为检测的光强，cd；IO为输入光强，cd;θR为输入角速度。

在旋转速率很小的情况下，FOG输出的灵敏度很差，为了获得最大的灵敏度，需对其0.5π的相位偏置，这样可以分辨出传播的角速度方向，也可以在零输入点附近测得最大灵敏度[11～13]ID=0.5sinθR。

除了IFOG，还存在谐振式FOG(resonant FOG，RFOG)、受激布里渊散射式FOG(stimulated Brillouin scattering FOG，BFOG)等[1]。它们的工作方式不相同，RFOG是利用环形谐振腔来达到增强Sagnac效应的目的，再循环传播提高测量精度，RFOG的核成敏感器件是光纤环形谐振腔,其灵敏度与光纤谐振腔围成的面积有关，与光纤长度无关[1]。而BFOG的工作机理是实现方向性增益效应，检测出谐振频率并获得角速度。

2 FOG发展历程

在国外，FOG主要用于如潜艇导航系统应用、卫星定位及跟踪[14]、天体观测望远镜的稳定和调向、陆地导航系统(GPS)和质量受到严格限制的应用领域，也用于民用领域等精度不高的应用领域。国内FOG主要应用在惯性导航系统[15]、微小卫星的姿态控制[16]、制导弹药和火箭弹等导航控制应用领域，并在不断实现新的突破。

美国霍尼韦尔公司在早些年研制的AHZ—800FOG已经交付了上万套系统，小型FOG也实现一定突破。该公司航向基准系统被应用到商业上和飞机制造上，并越做越小，受到商家的欢迎。HG1700型FOG惯性测量单元随着低成本和集成化的优势，已经广泛应用到了战术武器系统。光纤陀螺导航仪采用了小型FOG技术，集成化电路和高可靠性令人吃惊，已经部署在潜艇上。美国诺斯罗普格鲁曼公司研制的战术级光纤陀螺系统IMU200小型测量单元作为美国导弹防御系统部件提供导航功能[17]。德国利铁夫公司研制的多种传感器应用单光轴FOG，经过多年发展改进，越来越小、轻、集成化，一直使用在导弹、飞机传感器上[18]。法国IXSEA公司研制的光纤陀螺盘应用到了法国核潜艇，并不断在生产中减小体积；光子惯性导航系统使得FOG在望远镜、成像系统和网电望远镜天线的精确度大大提升[19]，已经实现产量批量化。

3 小型FOG国内外研究进展

国外目前研究进展来看，文献[20]提出一种星载光子晶体光纤的微型线圈直径约2 cm，预测了未来星载FOG，并说明由于固体芯的特性使此种星载微型FOG在微型线圈上有很好的应用前景。文献[21]提出将FOG传感器线圈的内径减小到1 in(1 in=2.54 cm)以下，应用新型绕线有效减小FOG光学元件体积。目前体积最小的FOG能够达到高尔夫球大小，《自然》杂志2018年发表了加利福尼亚理工学院研究成果，其FOG体积与米粒相仿(图1)，是当前世界上最小体积的FOG，研究中运用了相互敏感度增强技术，有效降低FOG的信噪比，进而缩短光纤的长度，减小FOG体积。

文章来源：《中国惯性技术学报》 网址: http://www.zggxjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0709/732.html