高精度光纤陀螺技术的发展与思考∗

王鹏飞 林 媛

（1.海装驻上海地区第二军事代表室 上海 200129）（2.中国人民解放军92001部队 青岛 266000）

1 引言

光纤陀螺和以光纤陀螺为核心的惯性测量产品已广泛应用于航海、航空、航天、兵器、能源等各个领域。随着技术水平的进步、光路器件性能的提升以及制造工艺的逐渐成熟，使光纤陀螺产品在近几年得到了快速发展，实用精度显著提升［1～2］。

法国iXblue公司和美国Honeywell公司等世界上先进的光纤陀螺研制生产单位，都已将高精度光纤陀螺应用到了惯性导航系统中。随着光纤陀螺的不断优化，基于光纤陀螺的惯性导航系统必将在高精度惯性市场占有一席之地。

与国外先进水平相比，突破高精度光纤陀螺关键技术问题对国内光纤陀螺技术和相关产业发展都有十分重要的意义。

高精度光纤陀螺误差主要包括标度因数误差和输出噪声误差。这两方面误差与光源光谱以及光谱在光纤光路中的传输规律有很大的相关性。光谱的变化导致平均波长的改变，直接导致光纤陀螺的标度因数发生偏移。光谱的变化也导致光源相对强度噪声（Relative Intensity Noise，RIN）分布规律变化。相对强度噪声是高精度光纤陀螺的基本噪声，有效的抑制方案是提高光纤陀螺精度的一条途径［3］。在干涉信号检测与处理方面，闭环反馈波形对PIN探测端“串扰”会引起“死区”现象。该现象会严重影响陀螺标度因数指标和对极低转速的敏感输出。

本文针对高精度光纤陀螺的技术发展，重点描述国内外的技术现状，阐述目前面临的问题，分析后续发展趋势，为高精度光纤陀螺技术的进一步发展提供参考方向。

2 高精度光纤陀螺的发展现状

2.1 国外高精度光纤陀螺发展现状

国外公开报道的光纤陀螺长时间零偏稳定性已优于1×10-5˚/h，惯导系统中实际应用的也已达到10-5˚/h量级。研制单位主要包括法国iXblue公司、美国 Honeywell公司、美国L3 Space&Navigation公司、意大利GEM elettronica公司和俄罗斯Optolink公司等。

1）法国 iXblue公司

2013年，iXblue公司专家 H.Lefèvre在文献中给出了空间用ASTRIX200系统应用的FOG200光纤陀螺测试结果。在测试300h后，标准差达到4×10-5˚/h1/2，且精度仍在随时间持续提高；测试结果远优于同时测试的半球谐振陀螺和激光陀螺。

同年，公司在实验室条件下，40℃恒温箱中（温控精度为0.2℃），对光纤惯性导航系统进行了长时间测试。结果显示，38天的线性漂移小于0.4海里（对应0.01Nm/24h），如果在漂移中包括Schuler误差和24h振荡，则结果接近38天1海里，测试结果如图1所示［4～6］。

图1 iXblue公司光纤惯导38天测试数据

将零偏稳定性和标度因数误差都考虑在内，角速度精度为1.5×10-5˚/h；对应长时间零偏稳定性约为4.7×10-6˚/h，标度因数稳定性约1ppm。

2014年欧洲海军防务展（EURONAVAL 2014）上，iXblue公司推出了MARINS M7光纤陀螺捷联惯性导航系统，用于海军水面舰艇和潜艇，位置精度达到1 Nm/72h，对应光纤陀螺实际精度约10-4°/h。对于潜艇而言，MARINS M7支持自动隐形导航的时间是其他系统的3倍［7］。

2019年，公司公布了其优化设计的MARINS M9、M11惯性导航产品［8］，新产品较大幅度提升了产品体积和重量，预计进行了更优化的温度均衡性设计。其中，M11实现了1Nm/15天位置精度的光纤陀螺惯导系统，对应光纤陀螺精度约2×10-5°/h。MARINS M系列产品部分指标如表1所示。

表1 MARINS M系列惯导系统性能指标

MARINS系列惯导产品终身免标校、免维护，现已在英、法、瑞典、阿联酋等多个国家海军的舰艇及潜艇中应用，其中包括伊丽莎白女王级航空母舰和机敏级核潜艇。

近期，公司还致力于开发大型BlueSeis光纤陀螺产品系列，该系列产品致力于地球科学应用，尤其适用于地表运动测量。

2）Honeywell公司

2016年，Honeywell公司在Fiber Optic Sensors and Applications XIII会议上介绍了其参考级光纤陀螺的研制情况。未补偿的光纤陀螺长时间零偏稳定性（零偏不稳定性）优于3×10-5˚/h，随机游走系数 达 到 1.6×10-5˚/h1/2，噪 声 等 效 角 度（NEA）为300nrad/30min，白噪声小于 3×10-6asec/Hz1/2。光纤陀螺模型和Allan方差结果如图2所示［9］。

图2 Honeywell公司参考级光纤陀螺模型及测试结果

该光纤陀螺的随机游走系数已经可以和最新的原子陀螺相比拟，同时光纤陀螺具有当前原子陀螺不具备的便携性和可生产性。零偏稳定性和角度白噪声也优于报道过的最优等级半球谐振陀螺，也可作为精度和灵敏度极高的大地测量、惯性测试设备校准仪表。Honeywell公司小批量生产的高性能空间用光纤陀螺HPSFOG长时间零偏稳定性在（2～6）×10-4˚/h，标度因数误差在1 ppm 范围以内。

3）L3 Space&Navigation公司

L3 Space&Navigation公司光纤陀螺惯性测量产品包括战略级和超战术级（小型化产品），已在水上、陆地、航空、太空和各型导弹等多种场合得到应用。其高性能的惯性测量单元CIRUS-A中光纤陀螺的长时间零偏稳定性达到1×10-4˚/h，标度因数稳定性达到±2ppm，如图3所示［10］。

4）GEM elettronica公司

意大利GEM elettronica公司的产品主要应用于海洋、海岸、舰艇和潜艇，包括光纤陀螺惯性导航系统、光电监控设备、操控台、激光雷达等。

公司在2017年发布了与法国MARINS M7水平相当的SURF-200高精度惯性导航系统，采用了战略级的光纤传感器（光纤陀螺），产品服役周期内免校准。另外，法国MARINS M系列惯导系统被禁止对中国出售，而SURF-200不受国际武器贸易条 例（International Traffic in Arms Regulations，ITAR）限制，SURF-200 系统如图4所示［11］。

图3 L3 S&N公司的光纤陀螺的惯性测量单元CIRUS-A

图4 SURF-200高精度惯性导航系统

SURF-200惯导系统在体积、重量上也明显优于法国MARINS M7，主要技术指标如表2所示。

表2 SURF-200高精度惯性导航系统主要指标

5）Optolink 公司

2018年，俄罗斯 Optolink公司公开了其SRS-5000光纤陀螺及高精度惯性测量单元IMU-5000样机，在恒温情况下零偏不稳定性优于8×10-5°/h（根据Allan方差拟合），主要性能指标如表 3所示［12］。

图5 Optolink公司的SRS-5000及IMU-5000实物

表3 IMU-5000用光纤陀螺技术指标

2.2 国内高精度光纤陀螺发展现状

近几年，国际高精度光纤陀螺技术发展方向被不断证实，国内大幅度加强了此方面的研究投入，光纤陀螺的技术水平、制造工艺和光学器件性能迅速发展，并明显推进了高精度光纤陀螺在方案设计、光纤环制造封装、信号检测与闭环控制技术等关键问题的进步。

主要研究单位包括北京航空航天大学、浙江大学、航天科工三院三十三所、航天时代光电技术公司等，各单位均研制出了高精度光纤陀螺的原理样机。实际生产并应用的产品中，比较有代表性的如北京航空航天大学研制的F120HC、F120HD等光纤陀螺产品。

国内高精度光纤陀螺的应用技术同样存在问题，光纤陀螺还没有真正融汇到惯性测量系统之中，导致了传感器的环境适应性劣化，预热时间变长。从高精度的光纤陀螺到真正的高精度惯性测量设备，还需要进一步的改进优化。

在舰船应用上有一定代表性的是哈尔滨工程大学研制的光纤捷联航姿系统，采用了三轴一体化光纤陀螺结构（如图6所示），迈出了光纤陀螺与上层惯导系统融合设计的第一步，解决问题的思路直接有效，其精度水平也有很大的发展空间。

综合来讲，目前国内高精度光纤陀螺正逐渐由实验室样机步入产业化应用阶段，但相比于iX-blue、Honeywell等世界先进单位，国内高精度光纤陀螺在标度因数稳定性、光学噪声抑制、多物理场影响下的精度保持能力、长期可靠性和自校准等方面还有较大差距。

图6 哈尔滨工程大学的船用光纤捷联航姿系统外形及内部

3 面临的问题和思考

目前，国内研制高精度光纤陀螺的理论模型还不够完整，对光器件选型、信号处理、封装工艺和测试标定方案等都难以形成有效支持。

1）光路引起的标度和噪声问题

高精度光纤陀螺对标度因数指标要求在1 ppm以内。影响标度因数指标的因素众多，包括光纤环的热胀冷缩、光谱传输误差和多重闭环控制的参数变化等，准确的标度因数描述模型是研究的必要基础。目前，基于光谱传输变化及其影响因素建立的标度因数模型研究才刚刚开始，也是目前高精度光纤陀螺标度因数误差最不确定的因素。

光纤光路中的背向反射和散射、振幅型偏振误差、光源相对强度的变化都会引起光路噪声。前两者与寄生干涉、偏振滤波相关，而后者则与光路传输的光谱变化相关，且与光谱宽度成反比。但光谱传输变化对光源相对强度噪声的影响同样缺乏准确可量化的描述模型。

2014 年，法国 iXblue 公司的 F.Guattari［13～14］等提出了一种光源相对强度噪声抑制方案，如图7所示。方案通过对干涉光和对比光传输光程的严格控制，可实现延时一个渡越时间的两路光的相对强度噪声相减，最高可降低陀螺噪声水平4倍以上，为高精度光纤陀螺的发展提供了一条可行路线。

图7 基于光路相减的光源相对强度噪声抑制方案

目前面临的问题是，通过干涉仪较长光路的光谱可能有噪声分布上的较大改变，进而与对比路噪声分布失去对比性，失去相减抑制效果。该分析可以解释目前较短干涉光路的抑制效果更明显的现象，而较短光路与高精度设计本身是矛盾的。因此，方案需要与传输过程的光谱控制研究同时开展，一旦解决后可实现光纤陀螺在精度上的大幅度进步。

2）配套光纤器件的问题

高精度光纤陀螺的关键器件包括Y波导集成光学器件、光纤光源、保偏光纤环等。

从性能指标来讲，国内存在高精度光纤陀螺与高品质器件供需不平衡的问题。例如:Y波导集成光学器件的高芯片消光比、低残余强度调制等指标不满足要求；光纤环的偏振串音稳定性、背向散射、粘接后存在局部应力集中等问题；光纤光源的光谱形状、光谱稳定度和偏振稳定度不理想等问题，这些问题尚未在制造工艺上很好解决，批次性难以保障。此外由于光纤器件本身延伸自光纤通信产业，存在器件测试与陀螺应用脱节，器件指标无法直接在计算模型中体现等问题。建立陀螺光路精确模型的意义在于，对器件设计制造和测试方案进行正确的指导，从光路总体全局和指标相互联系的角度权衡指标要求，建立完备的器件―陀螺指标对应体系。例如，光纤陀螺光路中的光纤耦合器、Y波导集成光学器件、光纤环均应建立光谱透射性指标，以保障光路传输过程中的光谱稳定。目前配套的光器件，仅有宽带光纤耦合器列出了光学带宽指标，其关联的另一项指标是波长相关损耗（最大值），没有光谱平均波长变化信息，没有温度相关变化信息。而且常用的光谱分析仪分辨率只有0.01nm，也无法分辨常规条件下的光谱变化。

借助微结构光纤等新材料、相变温控等新方法、新型工艺光纤器件以及激光封焊新工艺的研究和应用，也是支持高精度光纤陀螺的发展的有效途径。

3）电路设计和控制算法的问题

光纤陀螺干涉仪输出的微弱信号，容易受到模拟电路不稳定的影响。虽然还没有文献进行具体分析，但电路本身的抗干扰设计和热设计，对高精度光纤陀螺的长期漂移存在较大影响。通过模/数隔离接地、电源分区、滤波网络优化、电磁兼容设计等技术手段可以大大减小这些电学干扰。

其他方面，在电路方案中实现本征频率跟踪的第三闭环设计也有利于抑制陀螺输出的漂移和标度因数的稳定，国外已实现，国内还在研究阶段。调制波形的随机性可将对探测端的相关性串扰降至最低，从而抑制陀螺输出“死区”的产生，但不是“死区”产生的唯一原因，还包含其他光学、电路噪声等。另外，通过增加AD和DA转换位数实现量化噪声的抑制，也是实现输出降噪的有效手段。

4）陀螺总成的技术、工艺问题

光纤陀螺在实际应用中表现出的精度水平与陀螺自身的光器件装配、惯性测量系统对陀螺的装配方式都紧密相关。目前，国内在高精度光纤陀螺在装配方面缺乏有效的理论指导，光纤陀螺测试评价标准与应用环境也有较大差距，综合导致了实际应用中的精度变差。

从结构设计来讲，高精度光纤陀螺的自身设计上，需要采用多层结构，减缓光纤环的温度变化速率、促进温度的平衡分布，进而提升陀螺的温度适应性能［15～16］，国内已有相应的研究基础。另一方面，惯性测量系统在设计上同样要考虑陀螺的温度均衡性，例如，系统的底座可能是进行热传递的集中通道，在环境温度变化的影响下正交坐标系下三轴陀螺温度场存在严重失衡。如果在热量的物理传导上实现陀螺的最佳温度均衡设计（可能是非正交的异形化结构设计），综合统筹内部热源分布，再从矩阵变换的角度投影到等效的数学平台，可能是解决系统温度问题的一个较好方案。

在陀螺总成工艺上，光纤环固化胶吸收、释放水汽导致的光纤环尺寸变化也是影响标度因数稳定性的直接原因。采用激光焊接方案会比密封橡胶圈和密封胶方案在维持吸水导致的标度因数稳定性上更加有效，通过封焊工艺也可进一步均化温度场扰动。另外，找到更合适材料的光纤环粘接底板和粘接方案，也是解决光纤环应力匹配问题、提高光纤陀螺温度性能的有效途径。综合应用系统温度控制、减振设计、建模补偿等技术途径，可以很好改善高精度光纤陀螺的环境适应性能。

4 结语

近几年，国外在高精度光纤陀螺在研制和应用上进步幅度巨大，但公开报道中与高精度光纤陀螺理论与技术相关的文献资料极少。一方面，说明对光纤陀螺的技术认知已接近成熟，基本技术方向已经明确；另一方面，涉及核心产品的方案细节、器件指标、控制补偿算法和装配工艺方案等具体问题需要国内技术工作者自力更生解决。

目前，高精度光纤陀螺已在随机游走系数、长时间零偏稳定性、成本、可制造性等方面具有突出的优势。法国iXblue公司的MARINS系列产品光纤陀螺等效零偏重复性达到1.5×10-5°/h，已可望静电陀螺之项背。在光纤陀螺的理论精度上，随机游走系数可达10-6°/h1/2以内，长时间零偏稳定性指标可达10-6°/h以内，零偏重复性精度更高（理论上为0），相应可满足惯性导航系统3个月乃至更长时间的导航需要。不仅如此，高精度光纤陀螺高精度和高敏感性，其应用也已延伸到度量学（Metrology）、地震学（Seismology）、结构传感（Structural Sensing）以及惯性测试设备校准等领域。