光纤陀螺－光电子技术在光纤传感器中应用的典范
汪绳武
（上海永鼎光电子技术有限公司）
中国惯性学会
摘要 光纤陀螺是属于惯性技术范畴的一种惯性仪表。光纤陀螺也是
光电子技术范畴的一种光传感器，光纤陀螺是惯性技术与光电子技术
紧密结合的产物。但实际上，惯性技术与光电子技术在光纤螺上的紧
密切合还是不足的，光电子技术的发展还没有充分注意到光纤传感器，
特别是光纤陀螺的潜在市场。
本文通过对光纤陀螺和与其相关的光电子器件的介绍， 希望两个技
术方面要在过去已有的基础上，更进一步互相渗透，使光纤陀螺市场
早日形成。
1． 概述
陀螺仪的应用在我们周围无处不存在，例如，在国防领域中导弹的精确制导、潜艇长期
潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统的稳定等都离不开陀螺仪。在国
民经济领域中，工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制等也要靠
陀螺仪。即使在日常生活中，人们在不知不觉中也已经或将得益于陀螺仪。比如飞机在飞行
中使旅客感到十分平稳和舒适是得益于陀螺仪构成的航向姿态参考系统。随着列车提速，消
除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，就要借助于陀螺仪。还有，汽车行驶中的定位和导向，
在目前主要靠GPS，但GPS的使用存在着被动性的缺点，当GPS与陀螺组合在一起时，才使
汽车导向和自动驾驶真正具备了主动性。陀螺仪的应用十分广泛，以上的例子只是极少的一
部分。
以上列举的应用是通过陀螺仪和伺服控制系统共同实现的，而陀螺仪在其中充当了一
个十分重要的、不可缺少的角色。
陀螺仪的种类很多，包括机电的、激光的、光纤的、压电的和微机械的等等。各种陀
螺仪都具有自身的优点。但到目前为止，在众多类型的陀螺中，光纤陀螺更受到各种应用的
关注。
光纤陀螺本质上是由光电子器件组成的光干涉仪系统，没有任何活动部件，这就决定
了光纤陀螺具有一系列独特的优点：不怕冲击振动，可以在恶劣的力学环境下应用；对角速
率的反应极快；角速率测量灵敏度高；测量速率范围高达 ；潜在的成本低；加工简单。
光纤光栅传感器原理及应用
（武汉理工大学）
1光纤光栅传感原理
光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg
grating，FBG）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。
图1 FBG结构及其波长选择原理图
在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。
（1）光纤光栅应变传感原理
光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm，则每个με将导致1.01pm的波长改变量。
（2）光纤光栅温度传感原理
光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm。 反射光谱
入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层
纤芯 光栅
光栅周期 2光纤光栅传感器特点
利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。
光纤光栅传感器可测物理量：
温度、应力/应变、压力、流量、位移等。
图2 光纤光栅传感器分布式测量原理
光纤光栅的特点：
本质安全，抗电磁干扰
一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测
尺寸小、重量轻；
1 光纤陀螺的原理及军事应用
1 前言
光纤陀螺是一种轻便的由固体元件组成的全固态器件，作为新一代角速度敏感器件，它具有其它种类陀螺所不具有的独特优点。在航天、航空、航海和兵器等领域以及工业领域中已具有相当强的竞争力，在战术级军用及民用场合中目前已得到广泛应用。
2 光纤陀螺的基本原理和种类
自从1976年瓦利( V.Vali) 和肖迪尔(R. W.Shortill)首次提出光纤陀螺的概念到现在以来，光纤陀螺已经从第一代的干涉型光纤陀螺(IFOG) ，发展到了第二代谐振型光纤陀螺(RFOG)和第三代布里渊型光纤陀螺(BFOG)。以上各种类型的光纤陀螺，其基本原理都是利用萨格纳克效应，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。
干涉型光纤陀螺是研究开发最早、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萨格纳克相位变化。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。目前，低、中性能的干涉型光纤陀螺已经实用化，而高性能干涉型光纤陀螺正处于研制之中。
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，其谐振频率随萨格纳克效应的大小而改变，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。
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萨格奈克效应的影响，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。布里渊型光纤陀螺直接给出频率输出，适合于捷联惯性导航系统，它是随着光纤式光源的发展而出现的一种新型光纤陀螺。 2
光纤陀螺寻北仪原理及其应用天津大学北京科立信控制技术公司【内容提要〕陀螺寻北仪作为一种定北装置在军事和民用定向中应用愈来愈多此文介绍了一种新型陀螺寻北仪—光纤陀螺仪在时光纤陀螺仪作了简单介绍的基础上阐述了光纤陀螺寻北仪的原理及其应用关键词:光纤陀螺仪寻北仪惯性测量TheoyrandAPPlieationofFiberOPtieGyroNorthFinderAbstaret:Asanorthseekingequipmenttheg)r(〕northfinder15usedmoreandmoreinniilitaryaffairsandpublieaPplieationsInthispaperanewkindofgyronorthfinder15inrrodueedthisdevieethrow,upthegeneralmeehaniealgyroandusesfiberoptieg立:roasaninertiameasureeomponentThesystem、th:oryandaPlieationarediseussedonthebasisofFiberOptieGyroKeywodrs:FiberOPtieGyorNorthFinderInertiameasure0引言随着惯性导航技术的发展陀螺寻北仪在军事和民用定向中得到了日渐广泛的应用陀螺寻北仪利用陀螺仪测得的地球自转角速度分量值和加速度计测得张德宁韩延明万健如张俊宝的载体倾斜角度经过解算可确定载体方位角即载体的参考轴向与真北方向的夹角它能够在静态下全天候全方位自主快速测定方位可以作为观测目标瞄准导航系统重调时的方位基准也可作为隧道矿山等地下作业的方位基准作为角速度测量元件陀螺仪起着至关重要的作用实际应用中由于机电陀螺仪技术成熟漂移小精度高使其在陀螺寻北仪中多被采用;但机电陀螺仪在环境适应性上有缺陷如抗振性差低温工作受限而光学原理的陀螺仪内部无活动部件其环境适应性远强于机电陀螺仪在满足精度要求的前提下必将被越来越多的应用于寻北仪中本文采用的便是其中的一种—光纤陀螺仪1光纤陀螺仪简介光纤陀螺仪是一种新型陀螺仪具有惯性传感器效应可用来测量载体相对惯性空间的角运动它最早是在1976年由美国犹他大学的VVali和RWShorthil提出的经过近30年的研究和开发中低精度的光纤陀螺仪在国外已批量生产高精度光纤陀螺仪已达到0000380/h的水平国外已从地下探测到地面车辆定位定向从舰载机载到航天惯导系统都已广泛应用光纤陀螺仪。23传真功能231G3(三类)传真机三类传真机采用数字技术它将扫描得到的模拟量进行编码变成数字信号编码之后的数字传真信号经过调制解调器变成带宽为3kIHz的音频信号通过电话网进行传输232G4传真机G4传真机采用数字传输是专门为ISDN这样的数字网络设计的它利用ISDN的一个64kb/S传输速率的B信道进行传输采用差错控制技术提高传输质量采用信号压缩技术提高速度无论是传输质量还是传输速度都比G3传真机有了很大提高233mini一FAX24kbpsGroup3传真通过RJll接口支持miinM传真业务2464kbits/UD(I不受限数字信息)6k4bpsUDl(不受限数字信息)服务支持ISDN终端之间通过V120X75和PPP协议进行透明的数据通信它支持64kbsP数据流可用于G4传真电视会议LAN路由文件传送和保密电话的服务25遇险报誉与遇险通信功能F7满足国际海事组织新颁布的GMDSS安全标准它的全球模式为GMDSS提供了可靠的保障使航行于除两极地区外的世界任何地区的船舶一旦遇险可通过按F77的遇险报警按钮发出遇险报警并可设置最高优先等级进行遇险电话通信3F77使用注意事项(1)只有经Inmarsat一F77营运商(ISPS)完成启用试验才能并网使用;(2)F船站开通的每一种业务都必须至少有一个IMN(海事移动识别码)若6种业务都被授权给你的船站终端则你必须有6个IMN号码(3)从陆地呼叫F站相当于进行国际呼叫如通过公众网与某一F站通信不知被呼叫船所在洋区时可先拨870再拨该船的IMN(4)由船上呼叫陆地用户时也相当于打国际电话必须在被呼叫用户号码前冠以国家电话代码(待续)光纤陀螺寻北仪原理及其应用—张德宁万健如韩延明张俊宝
