光纖陀螺即光纖角速度傳感器，它是各種光纖傳感器中最有希望推廣應(yīng)用的一種。光纖陀螺和環(huán)形激光陀螺一樣，具有無機(jī)械活動部件、無預(yù)熱時間、不敏感加速度、動態(tài)范圍寬、數(shù)字輸出、體積小等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，光纖陀螺還克服了環(huán)形激光陀螺成本高和閉鎖現(xiàn)象等致命缺點(diǎn)。因此，光纖陀螺受到許多國家的重視。低精度民用光纖陀螺已在西歐小批生產(chǎn)，預(yù)計1994年美國陀螺市場上光纖陀螺的銷售額達(dá)49%，傳纜陀螺退居第二位(占銷售額35%)。
簡介
因其無活動部件——高速定子和轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為未來的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣泛的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。
原理
光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)。薩格納克效應(yīng)是相對慣性空間轉(zhuǎn)動的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測點(diǎn)。
若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉(zhuǎn)動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。
特點(diǎn)
與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：
(1)零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動的能力；
(2)繞制的光纖較長，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個數(shù)量級；
(3)無機(jī)械傳動部件，不存在磨損問題，因而具有較長的使用壽命；
(4)易于采用集成光路技術(shù)，信號穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計算機(jī)接口聯(lián)接；
(5)通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動態(tài)范圍；
(6)相干光束的傳播時間短，因而原理上可瞬間啟動，無需預(yù)熱；
(7)可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；
(8)結(jié)構(gòu)簡單、價格低，體積小、重量輕。
分類
按工作原理：
干涉型光纖陀螺儀(I-FOG)，即第一代光纖陀螺儀，目前應(yīng)用最廣泛。它采用多匝光纖圈來增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng)，一個由多匝單模光纖電感線圈構(gòu)成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度，也勢必會使整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；
諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)，是第二代光纖陀螺儀，采用環(huán)形諧振腔增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng)，利用循環(huán)傳播提高精度，因此它可以采用較短光纖。R—FOG需要采用強(qiáng)相干光源來增強(qiáng)諧振腔的諧振效應(yīng)，但強(qiáng)相干光源也帶來許多寄生效應(yīng)，如何消除這些寄生效應(yīng)是目前的主要技術(shù)障礙。
受激路易·布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)，第三代光纖陀螺儀比前兩代又有改進(jìn)，目前還處于理論研究階段。
按光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成：集成光學(xué)型和全光纖型光纖陀螺。
按結(jié)構(gòu)：單軸和多軸光纖陀螺。
按回路類型：開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺。
技術(shù)問題
光纖陀螺自1976年問世以來，得到了極大的發(fā)展。但是，光纖陀螺在技術(shù)上還存在一系列問題，這些問題影響了光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而限制了其應(yīng)用的廣泛性。主要包括：
(1)溫度瞬態(tài)的影響。理論上，環(huán)形干涉儀中的兩個反向傳播光路是等長的，但是這僅在系統(tǒng)不隨時間變化時才嚴(yán)格成立。實(shí)驗(yàn)證明，相位誤差以及旋轉(zhuǎn)速率測量值的漂移與溫度的時間導(dǎo)數(shù)成正比．這是十分有害的，特別是在預(yù)熱期間。
(2)振動的影響。振動也會對測量產(chǎn)生影響，必須采用適當(dāng)?shù)姆庋b以確保線圈良好的堅固性，內(nèi)部機(jī)械設(shè)計必須十分合理，防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
(3)偏振的影響。現(xiàn)在應(yīng)用比較多的單模光纖是一種雙偏振模式的光纖，光纖的雙折射會產(chǎn)生一個寄生相位差，因此需要偏振濾波。消偏光纖可以抑制偏振，但是卻會導(dǎo)致成本的增加。
為了提高陀螺的性能．人們提出了各種解決辦法。包括對光纖陀螺組成元器件的改進(jìn)，以及用信號處理的方法的改進(jìn)等。
發(fā)展現(xiàn)狀
光纖陀螺的發(fā)展是日新月異的。不僅是科學(xué)家熱心于此，許多大公司出于對其市場前景的看好，也紛紛加入到研究開發(fā)的行列中來。由于光纖陀螺在機(jī)動載體和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用甚為理想，因此各國的軍方都投入了巨大的財力和精力。
目前一些發(fā)達(dá)國家如美、日、德、法、意、俄等在光纖陀螺的研究方面取得了較大進(jìn)步，一些中低精度的陀螺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，而少數(shù)高精度產(chǎn)品也開始在軍方進(jìn)行裝備調(diào)試。
美國在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。目前美國國內(nèi)已經(jīng)有多種型號的光纖陀螺投入使用。以斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院為代表的科研機(jī)構(gòu)在研究領(lǐng)域中不斷取得突破，而幾家研制光纖陀螺的大公司在陀螺研制和產(chǎn)品化方面也做得十分出色。最著名的Litton公司和Honeywell公司代表了國際上光纖陀螺的最高水平。
日本緊隨美國之后，在中低精度陀螺實(shí)用化方面走在了世界前列。許多公司都開始批量生產(chǎn)多種中低精度的光纖陀螺。
西歐幾個國家以及俄羅斯的第一代光纖陀螺也已經(jīng)投入生產(chǎn)，少數(shù)中、高精度陀螺已經(jīng)裝備到了空軍、海軍及中國人民解放軍火箭軍中。
我國光纖陀螺的研究相對起步較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經(jīng)逐步拉近了與發(fā)達(dá)國家間的差距。航天工業(yè)總公司、上海803所、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北方交大、北京航空航天大學(xué)等單位相繼開展了光纖陀螺的研究。
根據(jù)目前掌握的信息看，國內(nèi)的光纖陀螺研制精度已經(jīng)達(dá)到了慣導(dǎo)系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術(shù)甚至達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平。但是國內(nèi)的研究仍然大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，沒有形成產(chǎn)品，距離應(yīng)用還有差距。所以我們在這方面仍然有很長的路要走。
展望
未來光纖陀螺的發(fā)展將著重于以下幾個方面：
(1)高精度。更高的精度是光纖陀螺取代激光陀螺在高等導(dǎo)航中地位的必然要求，目前高精度的光纖陀螺技術(shù)還沒有完全成熟。
(2)高穩(wěn)定性和抗干擾性。長期的高穩(wěn)定性也是光纖陀螺的發(fā)展方向之一，能夠在惡劣的環(huán)境下保持較長時間內(nèi)的導(dǎo)航精度是慣導(dǎo)系統(tǒng)對陀螺的要求。比如在高溫、強(qiáng)震、強(qiáng)磁場等情況下，光纖陀螺也必須有足夠的精度才能滿足用戶的要求。
(3)產(chǎn)品多元化。開發(fā)不同精度、面向不同需求的產(chǎn)品是十分必要的。不同的用戶對導(dǎo)航精度有不同的要求，而光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單，改變精度時只需調(diào)整線圈的長度直徑。在這方面具有超越機(jī)械陀螺和激光陀螺的優(yōu)勢，它的不同精度產(chǎn)品更容易實(shí)現(xiàn)，這是光纖陀螺實(shí)用化的必然要求。
(4)生產(chǎn)規(guī)模化。成本的降低也是光纖陀螺能夠?yàn)橛脩羲邮艿那疤釛l件之一。各類元件的生產(chǎn)規(guī)模化可以有力地促進(jìn)生產(chǎn)成本的降低，對于中低精度的光纖陀螺尤為如此。
未來發(fā)展趨勢
光纖陀螺成本低、維護(hù)簡便，正在許多已有系統(tǒng)上替代機(jī)械陀螺，從而大幅度提高系統(tǒng)的性能、降低和維護(hù)系統(tǒng)成本。現(xiàn)在，光纖陀螺已充分發(fā)揮了其質(zhì)量輕、體積小、成本低、精度高、可靠性高等優(yōu)勢，正逐步替代其他型陀螺。
今后光纖陀螺的研究趨勢有：
(1)采用三軸測量代替單軸，研發(fā)多功能集成光學(xué)芯片、保偏技術(shù)等，加大光纖陀螺的小型化、低成本化力度；
(2)深入開發(fā)中、低精度光纖陀螺的應(yīng)用，特別是民用慣性導(dǎo)航技術(shù)；
(3)加強(qiáng)精密級光纖陀螺的技術(shù)與應(yīng)用研究，開發(fā)新型的光纖陀螺B-FOG和FRLG等。
參考資料 >