光纤陀螺仪

传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。

光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件， 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的不同，决定了敏感元件的角位移。

光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本相对较低。

光纤陀螺仪具有很高的精度和灵敏度。现在比较先进的光纤陀螺仪已经达到0.01度/hr。

比较典型的光纤陀螺应该具有量程宽,精度高，响应快，灵敏度高,，模拟和数字输出，坚固可靠，不受电磁，震动影响等特点.因此光纤陀螺已成为准确控制，高精度角速度测量的首选应用。

1零偏和零漂

零偏是输入角速度为零(即陀螺静止)时陀螺仪的输出量，用规定时间内测得的输出量平均值对应的等效输入角速度表示，理想情况下为地球自转角速度的分量。零漂即为零偏稳定性，表示当输入角速率为零时，陀螺仪输出量围绕其零偏均值的离散程度，用规定时间内输出量的标准偏差对应的等效输入角速率表示。零漂是衡量FOG(光纤陀螺)精度的最重要、最基本的指标。产生零漂的主要因素是沿光纤分布的环境温度变化在光纤线圈内引入的非互易性相移误差。通常为了稳定零漂，常需要对IFOG进行温度控制或者温度补偿。另外偏振也会对零漂产生一定的影响，在IFOG中常采用偏振滤波和保偏光纤的方法消除偏振对零漂的影响。

2 标度因数

标度因数是陀螺仪输出量与输入角速率的比值，在坐标轴上可以用某一特定直线斜率表示，它是反映陀螺灵敏度的指标，其稳定性和精确性是陀螺仪的一项重要指标，综合反映了光纤陀螺的测试和拟合精度。标度因数的稳定性无量纲，通常用百万分比(ppm)表示。标度因数的误差主要来源于温度变化和光纤偏振态的不稳定性。

3 随机游走系数

表征光纤陀螺仪中角速度输出白噪声大小的一项技术指标，它反映的是光纤陀螺仪输出的角速度积分随时间积累的不确定性，因此也可称为角随机游走。随机游走系数反应了陀螺仪的研制水平，也反映了陀螺仪最小可检测的角速率。该误差主要来源于光子的随机自发辐射、光电探测器和数字电路引入的噪声和机械抖动。

4 阈值和分辨率

阈值表示光纤陀螺能感应的最小输入速率。分辨率表示陀螺仪在规定输入角速率下能感应的最小输入速率增量。阈值和分辨率都表征光纤陀螺仪的灵敏度。

5 最大输入角速度

表示陀螺正、反方向输入速率的最大值，表征陀螺的动态范围，即光纤陀螺可感应的速率范围。

1 航海方面的应用

罗经是船舶重要的导航设备，主要有磁罗经和电罗经两种。随着光纤陀螺技术的发展和商业化水平的提高，光纤陀螺仪已成为船用通导设备中的新成员，在商用和军用船舶及船用设备中得到应用。基于捷联式惯导系统的光纤陀螺仪罗经其旋转轴与船舶坐标系的三个轴相对应，它不仅可以作为高精度航向的信息源,实现自动找北、指北，而且还可以得出航向回转速率、横、纵摇角度和航向的旋转速率等可靠数据，进一步推动船舶的自动化发展，保证了船舶的操纵效果和保证航行安全。

2 航天及空间方面的应用

在航天和空间应用方面一般都采用高精度的干涉型光纤陀螺。IFOG为主要惯性元件的捷联惯导系统,可为飞机提供三维角速度、位置以及攻角和侧滑角，实现火箭升空发射的跟踪和测定，也可用于空间飞行器稳定、摄影/测绘、姿态测量控制、运动补偿、EO/FLIR稳定、导航及飞控等，其中高精度、可靠性高的光纤陀螺与GPS组合定姿已成为国内外航天器定姿系统的典型构型。

3 军事方面的应用

光纤陀螺由于自身在角速率及加速度测量方面的优越性和在动态范围、灵敏度和可靠性等方面的显著优势，使其在军事方面有着广泛的应用。可用于坦克、潜艇、自行火炮、装甲突击车的定位、定向和导航；当卫星导航在强电子干扰而无法获得准确信息时，光纤陀螺可以用来保证飞行器自主导航、精确制导和准确命中目标。同时FOG组件还是航空火力控制系统的重要组成部分,可用于武装直升机等武器系统瞄准线和射击线的稳定,保证武器在运动中进行搜索、瞄准、跟踪和射击。另外，光纤陀螺也是水下唯一有效的导航技术,可用于潜艇的定位、定向和导航。

4 民用方面的应用

在民用领域主要侧重于中低精度光纤陀螺的应用，主要应用有：地面车辆的自动导航、定位定向、车辆控制；对农用飞机姿态控制，进行播种、喷洒农药；在地下工程维护中,寻找损坏的电力线、管道和通信光(电)缆位置的定位工具和抢救工具；用于大地测量、矿物勘采、石油勘察、石油钻井导向、隧道施工等的定位和路径勘测，以及利用光纤陀螺转动角和线位移实现大坝测斜等。

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。

1. 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。

2. 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。

3. 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。

近几年，光纤陀螺发展很快，国研制水平已达到中低　精度要求，发展速度仍然跟不上市场需求，主要是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，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不同性能、同成本的光纤、源、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。光纤陀螺发展的方向是向更高精度、一更高可靠性的　方向发展，为航天、空、航航海提供高精度的惯性元件；二是向体积小、高度集成、价格便宜、构更牢固的超小型化方向发展，战术级应用提供坚固、廉价的惯性传感器；三是朝多轴化方向发展。

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，许多基础技术（如光纤环绕制技术）等都得到了深入地研究。

光纤陀螺仪的突出优点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分广泛，因此受到用户特别是军方的高度重视，以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作已取得了很大的进展。光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式（IFOG），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，并在许多领域内得到了应用，目前，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。

在国外，l°/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 ；2001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。

光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论：当光束在一个环形的通道中行进时，若环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动方向行进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向行进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的行进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用光程的这种变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，这便是光纤陀螺仪的工作原理。

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。

1. 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萨格纳克Sagnac相移的余弦量所引起。

2. 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。

3. 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，就会产生漂移。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。

4. 偏振状态改变引起的比例因子不稳定。

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。

今后光纤陀螺的研究趋势有: (1)采用三轴测量代替单轴，研发多功能集成光学芯片、保偏技术等，加大光纤陀螺的小型化、低成本化力度；(2)深入开发中、低精度光纤陀螺的应用，特别是民用惯性导航技术；(3)加强精密级光纤陀螺的技术与应用研究，开发新型的光纤陀螺B-FOG和FRLG等。