光纤陀螺的发展与应用前景

杨金帅

摘 要：目前，光纤陀螺作为一种惯性导航领域的新技术，本文详细阐述了光纤陀螺的起源、基本原理以及应用前景。此外还详细介绍了光纤陀螺的核心元件光纤环圈的工作原理。进一步指出了光纤陀螺与其它光学陀螺相比具体的优势和广阔前景，旨在为业界人士提供价值参考。

关键词：光纤陀螺；发展；应用前景

中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0020-02

在现代国防技术领域中，惯性技术在其中发挥着举足轻重的作用，同时，惯性技术是一种综合性实用尖端技术，综合了多学科的前沿科技。因此，得到了业界相关人士的重视和关注，已经被广泛应用在航天、航空、航海等多个领域。陀螺仪是惯性系统中必不可少的重要组成部分，主要用于测量载体的角位移和姿态角。陀螺仪的性能优劣主要取决于惯性导航系统性能的好坏。相对于传统的机械陀螺，光纤陀螺具备抗冲击、使用年限长、结构简单及重量轻等诸多优势。因此，光纖陀螺的应用前景十分广阔。本文深入探究了光纤陀螺的基本原理、发展和应用前景。

1 光纤陀螺的发展史

1.1 陀螺的历史

陀螺一直人们的追捧和喜欢，抽打陀螺仪已然成为春季孩子们最喜爱的游戏之一。随着时代的发展和科学技术的不断进步，陀螺的材质和形状花样越来越多，不断推陈出新，打陀螺仪不仅适合年轻人，而且同样适合老年人，在技艺精湛的工匠思维下也更具趣味性和完美性。

1.2 光纤陀螺的基本原理

Sagnac效应就是光纤陀螺的工作原理，在闭合回路中，分别从顺时针和逆时针两个方向进行传播的两束光，它们之间的光程差△L，同真空中的光速是反比例关系，此外与回路面积A和闭合回路的旋转角度Ω都是正比例关系。即：

（1）

由N圈光纤绕制形成的闭合回路属于光纤陀螺闭合回路，累积光路差为：

（2）

对应的Sagnac相位差为：

（3）

在公式（3）中，光纤敏感环的光纤总长度为L，用字母D代表光纤圈直径D；光在真空中的波长用表示，而光纤维圈的面积则用A表示，则：

（4）

（1）在具体光纤陀螺闭合回路中，主要是有效利用N圈光纤绕制来完成的，其主要光程差为：

（2）光纤陀螺的实际闭环由N型光纤构成，累积光路差为在式它称为比例因子，而光纤陀螺灵敏度用表示。因此，经过对相位差的检测，进一步确定旋转角速度Ω大小，即为Sagnac效应。旋转体的角度位置或方位角可以通过角速度的时间积分来确定。

2 光纤陀螺仪的应用

2.1 在国内，光纤陀螺发展状况

目前，国外光纤陀螺仪发展突飞猛进，研究机构已经发明了一种远程弹载、舰载激光陀螺捷联惯性测量系统。

不仅提出了时空标记交换体系与控制面概念，而且还提出了自相似环流网状高速光网络模型以及新一代光纤陀螺原理和结构等，在惯性/GPS导航基础上，应用传感器集成，在进行载体角速度和姿态角测量时，主要应用陀螺作为角位移、角速度测量的传感器，从而进一步深入研究光纤陀螺。

当国内外科研人员在深入研究光纤慢光系统拓扑设计方法时，主要以研究环形光纤系统和光信号处理为主，深入探究了可以增强Sagnac效应的环形光纤系统结构，研究了环形光纤系统结构的控制措施和噪声特性，进而提出了一种新型高灵敏度谐振陀螺仪的设计原理和方法。

（1）应用到光纤陀螺精密传感器。

（2）使用陀螺材料设备。

（3）光纤陀螺中的光电集成芯片。

基于当前国内外发展现状，不断增加光源和输出的耦合功率有利于光纤陀螺的干涉形状，因为增加光源的输出和耦合功率可以有效地提高陀螺的信噪比。对于窄谱光源的谐振式光纤陀螺，可以很好地处理光源输出和耦合功率问题。

2.2 光纤环圈

光纤环圈为光纤陀螺的核心元件，由于光纤陀螺可用于军用惯导，属于高新科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，所以研究保偏光纤的性能对光纤陀螺的发展具有重要意义。

2.2.1 保偏光纤的温度敏感性分析

（a）折射率温度特性：

当光波长值一定时，环境温度T及应变状态ε都会对光纤折射率n造成一定的影响。具体关系表示为：

（5）

式中，为折射率温度系数，为折射率应变系数，为零应力状态下温度的折射率。实验中被测光纤处于松散状态，忽略外部应力影响，式（5）简化为：

（6）

通过查阅大量文献，可以了解到是光纤折射率的温度系数取值范围，同时温度系数的取值范围随着光纤的掺杂浓度和掺杂元素的变化而时刻发生改变。

（b）保偏光纤折射率温度系数测量：

根据相关文献可得以下公式：

（7）

其中L（T）为光程，l（T）为光纤长度。

因此，通过测量被测光纤光程随温度的变化量即可得到折射率温度系数。

2.2.2 PPP-BOTDA技术原理

通过利用布里渊光时域分析（BOTDA）技术，来实现对光纤上各点应变和定位等传感信号定位，来进一步测量传感器参数沿光纤长度的空间分布。如图1所示，泵浦光和探测光分别注入待测光纤的两端，声波是泵浦光利用电致伸缩而产生的，相反，则会发生声波调制的折射率。泵浦光产生了折射率光栅，在有效利用布拉格衍射散射泵浦光，由于光栅以声速发生移动即为多普勒频移，而布里渊频移是散射光发生了频率下移现象。当泵浦光频率Vp和探测光频率之间的差异等于布里渊频率偏移时，在该区域中发生受激布里渊增益效应，并且在两个光束之间发生能量转移。在此过程中心频移求解如下：

（8）

此外，脉冲预泵浦技术可以实现更高的空间分辨率。在引入脉冲光（泵浦光）之前，对脉冲预泵浦光进行适当的加载工作，以事先激发出声子；通过调节脉冲光与预泵浦光的功率比，减少了过量输出功率并减小了泵浦脉宽，其空间分辨率已经达到厘米量级。

（9）

在公式（9）中，折射率用n表示，声速用表示，中心频移则用表示，光波长用表示。

2.3 慢光的原理

光是人们熟知的一种电磁波。公式（10）则可以表示为一个沿Z方向传播的单色平面波：

（10）

此外，科学家们用相速代表等相位面的传播速度：

（11）

将介质的相位折射率定義为真空中的光速与介质中的相速之比：

（12）

在上述公式中，传播常数用β表示，电磁波的角频率用ω表示。一般来说，折射率是频率的函数。不同频率的光在介质中相速是不同的，都是凭借不同的速度进行传播的。这种特性被叫做色散。色散波的相速既不能代表能量的传播速度，又不能代表光信号。通过调制携带信息的光信号，对含有多个频率的波包进行调制，构成一个完成的波包。用群速度描述其在介质中的传播速度。通常情况下，折射率是频率的函数。不同频率的光在介质中以不同的速度传播。这种性质被物理学家命名为色散。值得注意的是，色散波的相速既不能代表能量的传播速度，又不能代表光信号。其在介质中的传播速度用群速度描述。

（13）

群折射率公式为：

（14）

从上述式子（13）（14）可知，存在两个有效降低光信号的群速度的方法，一是增大折射率的相对变化率，一是使折射率n增大，时，。光信号（波包）的群速度不断慢下来，进而出现慢光现象。

3 展望光纤陀螺仪的发展

作为一个新兴的传感器，管线陀螺仪的特点很多：

（1）无需运动部件，仪器稳定、坚固、抗冲击力强、抗加速。

（2）价格便宜，零部件少，结构简洁。

（3）启动时间超短，瞬间能启动。

（4）高分辨率、高灵敏度检测（高达10-7rad/s）。

（5）直接数字输出和计算机联网。

（6）宽动态范围。

（7）信号很稳定、可靠，生命期长。

（8）集成光路技术易于使用。

（9）能够很好的将激光陀螺由于闭锁而形成的负效应进行克服，光纤陀螺（FIR）的应用范围和应用前景十分广阔，在从持续应用激光技术的同时，光纤陀螺必将成为21世纪研究和发展的热点。

全部的光纤陀螺均使用的是同类的元件，而存在的不同是，元件的装配公差以及性能质量上，所以产品的系列化很容易实现，同时能够对不同领域和不同系统的需求进行最大程度的满足。随着光纤陀螺（FOG）技术日趋成熟，其使用的领域已经在逐渐的扩展，传统的机械陀螺整在被光纤陀螺不断的代替着。一些专家预测“光纤陀螺出现，机械陀螺必会停止使用”。

4 结语

截止到目前，光纤陀螺已经从低精度战术应用发展到导航用的中等精度和高精度，而在很多场合基于光纤陀螺的惯性系统也被广泛的应用着，也开始在越来越多的应用中使用。在我国工业现代化迅速发展的今天，各个领域对光纤陀螺的需求日益增长。北京航空航天大学、北京理工大学均先后深入研究了光纤陀螺，其成果较为显著。总的来说，中国光纤陀螺的关键技术和实际应用还远未达到国外先进水平。而在21世纪，光纤陀螺技术将成为惯性技术发展的重点，其在中国的前景将会无线广阔，从而能够被广泛的应用在民用和军用领域中，为其提供更好的服务。

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