陀螺罗经

20世纪70年代，伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术也迅速发展起来。

该技术是以光波为载体，光纤为媒质，感应和传输外界被测量信号的新型传感技术，以独特的优良性能赢得极大的重视，并在各个领域中广泛应用。

光纤陀螺技术是光纤传感技术的一个特例，是利用光学传输特性而非转动部件来感应角速率和角偏差的惯性传感技术。

1 光纤陀螺的结构按照元器件类型，光纤陀螺分为分立元件型、集成光学型和全光纤型。

由于分立元件型光纤陀螺存在体积较大、可靠性较差、误差较大等缺点，现在世界各国都已停止发展。

集成光学型光纤陀螺将主要光学元件如耦合器、偏振器、调制器都集成在一块芯片上，将光纤线圈、光源、检测器接在芯片适当的位置，就构成了实用的集成光学型光纤陀螺。

从光纤陀螺的发展方向来看，集成光学型光纤陀螺是最有发展前途的光纤陀螺形式。

全光纤陀螺是将主要的光学元件都加工在一条保偏光纤上，从而可以避免因元器件连接造成的误差。

目前，全光纤陀螺技术比较成熟，其性能在三种中最好，适合在现阶段研制实用的商品光纤陀螺。

根据干涉型光纤陀螺的信号检测方式的不同，可以分为开环式和闭环式两大类。

开环式光纤陀螺直接检测干涉条纹的相移，因而动态范围较窄，检测精度较低。

闭环式系统采取相位补偿的方法，实时抵消萨格奈克相移，使陀螺始终工作在零相移状态，通过检测补偿相位移来测量角速度，其动态范围大，检测精度高。

此外，闭环式光纤陀螺对环境尤其是对振动不敏感，是研制高精度光纤陀螺仪的理想形式。

开环式全光纤陀螺是中低精度、低成本光纤陀螺中比较流行的结构。

目前，在中高精度光纤陀螺仪领域，最为流行的设计结构为全数字闭环式光纤陀螺仪。

光纤陀螺示意图2 光纤陀螺的特点光纤陀螺的主要特点是：①无运动部件，仪器牢固稳定，耐冲击且对加速度不敏感；②结构简单，零部件少，价格低廉；③启动时间短(原理上可瞬间启动)；④检测灵敏度和分辨率极高；⑤可直接用数字输出并与计算机接口联网；⑥动态范围极宽；⑦寿命长，信号稳定可靠；⑧易于采用集成光路技术；⑨克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应；⑩可与环形激光陀螺一起集成捷联式惯性系统传感器。

由于光纤陀螺的上述突出优点，使其在许多领域中得到广泛的应用。

3 光纤陀螺罗经的发展1976年美国犹他大学Vali和Shorthill首先提出光纤陀螺的设想并进行了演示试验。

1978年美国麦道公司研制出第一个实用化光纤陀螺，1983年又研制出零相位检测的光纤陀螺。

1980年Ulrich揭示了解决光纤陀螺上互易性的重要性，Culter揭示了相干的Rayleigh反向散射是光纤陀螺灵敏度提高的主要障碍之一，并提出了一些解决的方法。

同年Bergh等研制出第一台全光纤陀螺试验样机，使光纤陀螺向实用化迈进了一大步。

1981年Ezekiel等证明了Kerr 效应影响光纤陀螺的短期漂移误差。

1982年Bergh等指出，采用超发光二极管(SLD)可以大大降低Kerr效应带来的误差，并研制出克服Kerr效应的光纤陀螺。

1984年Arditty等演示了一个用多功能集成光学元件的光纤陀螺，证明了集成光纤陀螺的可行性。

20世纪80年代末至90年代初，光纤陀螺技术已达到实用化产品阶段，许多公司都推出了自己的相关产品。

其中美国在这方面走在世界前列，已研制出实验室精度为10-4°/h的高精度光纤陀螺，霍尼韦尔(Honeywell)公司、利顿(Litton)公司、史密斯公司、道格拉斯公司及美国海军研究所等都推出了系列产品。

Honeywell公司在90年代生产了9000只开环式全保偏光纤陀螺，用于民用航空，精度为1°/h。

该公司已经制造出精度为0.000038°/h的干涉型光纤陀螺，可用于核潜艇的导航或空间飞行。

Litton公司于20世纪90年代初建起一条战术级组合惯导系统的生产线，至2001年初已交付超过5000套的惯导系统。

这表明光纤陀螺已超过15000个，这些产品供50个以上的不同用户使用。

其产品LN-201零偏为1~10°/h，已用于AMRAAM空对空导弹。

史密斯公司的光纤陀螺已成功地应用于各型军用飞机。

道格拉斯公司研制出一种用于钻井设备的光纤陀螺，能承受很宽的湿度变化和强度冲击，这也是光纤陀螺首次用于钻井设备。

美国海军研究所已研制出一种漂移为0.005°/h的全光纤陀螺，其惯导装置水平角速度的短期分辨率已达到5.3×107rad/s。

日本是继美国之后光纤陀螺研究生产的大国。

Mitsubishiprec公司、HitachiCable公司等都推出了自己的系列产品，特别是在中低精度光纤陀螺方面，这些公司走在世界前列。

JAE公司进行了光纤陀螺在多个领域的应用研究，如陆海空及空间运动平台的导航，火箭的姿态控制，其中1991年发射的TR-IA型全重力实验火箭是世界上首次采用光纤陀螺的实例。

自从光纤陀螺诞生以来，在近30年的时间里，其发展是日新月异。

不仅科学家热衷于此，许多大公司出于对其市场前景的看好，也纷纷加入到研究开发的行列中来。

由于光纤陀螺在机动载体和军事领域的应用甚为理想，因此各国的军方都投入了巨大的财力和精力。

目前一些发达国家如美、日、德、法、意、俄等在光纤陀螺的研究方面均取得了较大进步，一些中低精度的陀螺已经实现了产品化，而少数高精度产品也开始在军方进行装备调试。

美国在光纤陀螺的研究方面一直保持领先地位，目前已经有多种型号的光纤陀螺在美国投入使用。

以斯坦福大学和麻省理工学院为代表的科研机构在研究领域中不断取得突破，而几家研制光纤陀螺的公司在陀螺研制和产品化方面也做得十分出色，最著名的Litton公司和Honeywell公司代表了国际上光纤陀螺的最高水平。

日本紧随美国之后，在中低精度陀螺实用化方面走在了世界前列。

许多公司都开始批量生产多种中低精度的光纤陀螺。

西欧几个国家以及俄罗斯的第一代光纤陀螺也已经投入生产，少数中、高精度陀螺已经装备到空军、海军及导弹部队中。

相对而言，中国光纤陀螺的研究起步较晚，但是在广大科研工作者的努力下，已经逐步拉近了与发达国家间的差距。

航天工业总公司、上海10所、清华大学、浙江大学、北方交通大学、北京航天航空大学等单位相继开展了光纤陀螺的研究。

根据目前掌握的信息看，国内的光纤陀螺研制精度已经达到了惯导系统的中低精度要求，有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。

但是国内的研究大多停留在实验室阶段，没有形成产品，距离应用还有差距。

所以我们在这方面仍然有很长的路要走。

4 光纤陀螺罗经的应用前景经过30多年的研究和开发，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0.00038°/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。

在中高精度姿态方位参考系统(AHRS)和捷联式惯导系统(SINS)中，光纤陀螺仪和激光陀螺仪占有重要位置。

随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展，许多惯性技术专家预言，传统的机电式陀螺仪将在21世纪初期被激光陀螺仪所取代，光纤陀螺仪又将取代激光陀螺仪。

30多年来，世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了很多的经费研究这个有发展前途的新型光纤旋转速率传感器。

随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展，光纤陀螺仪已经实现了惯性器件的突破性进展。

惯性技术专家现已公认，光纤陀螺仪(干涉型)是用于惯性制导和导航的关键技术。

美国国防部在20世纪90年代初提出，光纤陀螺仪的精度1996年要达到0.01°/h，2001年要达到0.001°/h，2006年要达到0.0001°/h，有取代传统的机电式陀螺仪的趋势。

目前，利顿公司的0.1°/h的光纤陀螺仪已用于战术导弹的惯导系统，并且已批量生产采用光纤陀螺仪的姿态航向参考系统(AHRS)。

Honeywell公司已经生产出用于波音777飞机和道尼尔飞机上的光纤陀螺仪，研制的高精度陀螺仪的零偏稳定性已达到0.00038°/h。

精度为1~0.01°/h的工程样机已用于飞行器、惯性测量组合装置。

新型导航系统FNA 2012采用了精度为1°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS。

发展至今，光纤陀螺的实际应用研究(特别是航天航空及工业领域)主要集中于运用光电集成芯片、微光电机械、信号处理等技术来降低光纤陀螺成本，且实现小型化、高性能等方面，对I-FOG引入了消偏结构、三轴结构及EDF掺饵光纤和ASE自发辐射光源，以进行光纤陀螺的标准化及光纤型激光陀螺的研制。

现在，光纤陀螺的大部分关键技术问题已经得到很好的解决，灵敏度、动态范围、标度因素等技术指标也得到很大的改善。

关键技术问题的解决和光纤陀螺独有优势有力地推动了光纤陀螺的产业化。

如今，全球每年生产的光纤陀螺仪已达到十万个，广泛应用于航天航空、机航和矿物勘采，以及航海和地震探测等技术领域。

日本航空电子公司生产的光纤陀螺仪已用于遥控直升机、足球场用的剪草机和清洁林荫道地面的机器人。

三菱公司生产的几种型号的光纤陀螺仪已用于发射运载器，并且已计划用于飞向月球的运载火箭。

日立公司现在每月生产3000台光纤陀螺仪，供应汽车定位定向系统。

如每月生产100万台，成本将降低到每台100美元。

随着光纤陀螺仪的迅速发展，选用温度特性好的光纤传感器件，进行光纤陀螺仪的温度试验和温度补偿措施，并采用三轴数字闭环技术等光纤陀螺仪工程化的关键技术，以及探索谐振腔式光纤陀螺仪的试验研究，将加快光纤陀螺仪的研究工作，从而根据各领域对精度的不同要求，研制出相应的光纤陀螺仪。

光纤陀螺仪最大的优点是不需要在石英块或其它材料中精密地加工光学回路，制造成本低，而且可根据使用要求，实现高、中、低不同精度的产品，因此，光纤陀螺具有更广阔的应用领域。

如战术导弹、制导炸弹(炮弹)等只有几分钟甚至几秒钟的飞行时间，对陀螺仪的精度要求不是很高，但对陀螺的尺寸大小及抗冲击性能有较高要求，又是一次性使用，因而要求陀螺仪的成本应尽可能降低，且能大批量生产。

因此，光纤陀螺是非常理想的选择。

国外主要光纤陀螺开发商正在开发3种不同等级的光纤陀螺，这些光纤陀螺几乎覆盖了陀螺的所有应用领域。

这3种类型包括用作低性能速率传感器的低精度陀螺(零偏误差为10~100°/h，标度因数误差为500×10-6~5000×10-6)，用作如航海等中低精度航姿系统、战术导弹等平台的中精度陀螺(零偏误差为0.1 ~1°/h，标度因数误差为30×10-6~300×10-6)以及用作高精度惯导系统的高精度陀螺(零偏误差为0.001 ~0.01°/h，标度因数误差为1×10-6~5×10-6)。