現代光纖陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體方位的儀器，它是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發展對一個國家的工業，國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。
基本介紹
簡介,定義,工作原理,光纖陀螺主要性能參數,技術難點,分類,套用,研究現狀,各國研製情況,發展趨勢,
簡介
傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構複雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來，現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。
定義
光纖陀螺儀與傳統的機械陀螺儀相比，優點是全固態，沒有旋轉部件和摩擦部件，壽命長，動態範圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕。與雷射陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本相對較低。
工作原理
光纖陀螺儀的實現主要基於塞格尼克理論：當光束在一個環形的通道中行進時，若環形通道本身具有一個轉動速度，那么光線沿著通道轉動方向行進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向行進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時，在不同的行進方向上，光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用光程的這種變化，檢測出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測出光路旋轉角速度，這便是光纖陀螺儀的工作原理。
光纖陀螺主要性能參數
1零偏和零漂
零偏是輸入角速度為零(即陀螺靜止)時陀螺儀的輸出量，用規定時間內測得的輸出量平均值對應的等效輸入角速度表示，理想情況下為地球自轉角速度的分量。零漂即為零偏穩定性，表示當輸入角速率為零時，陀螺儀輸出量圍繞其零偏均值的離散程度，用規定時間內輸出量的標準偏差對應的等效輸入角速率表示。零漂是衡量FOG(光纖陀螺)精度的最重要、最基本的指標。產生零漂的主要因素是沿光纖分布的環境溫度變化在光纖線圈內引入的非互易性相移誤差。通常為了穩定零漂，常需要對IFOG進行溫度控制或者溫度補償。另外偏振也會對零漂產生一定的影響，在IFOG中常採用偏振濾波和保偏光纖的方法消除偏振對零漂的影響。
2 標度因數
標度因數是陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值，在坐標軸上可以用某一特定直線斜率表示，它是反映陀螺靈敏度的指標，其穩定性和精確性是陀螺儀的一項重要指標，綜合反映了光纖陀螺的測試和擬合精度。標度因數的穩定性無量綱，通常用百萬分比(ppm)表示。標度因數的誤差主要來源於溫度變化和光纖偏振態的不穩定性。
3 隨機遊走係數
表征光纖陀螺儀中角速度輸出白噪聲大小的一項技術指標，它反映的是光纖陀螺儀輸出的角速度積分隨時間積累的不確定性，因此也可稱為角隨機遊走。隨機遊走係數反應了陀螺儀的研製水平，也反映了陀螺儀最小可檢測的角速率。該誤差主要來源於光子的隨機自發輻射、光電探測器和數字電路引入的噪聲和機械抖動。
4 閾值和解析度
閾值表示光纖陀螺能感應的最小輸入速率。解析度表示陀螺儀在規定輸入角速率下能感應的最小輸入速率增量。閾值和解析度都表征光纖陀螺儀的靈敏度。
5 最大輸入角速度
表示陀螺正、反方向輸入速率的最大值，表征陀螺的動態範圍，即光纖陀螺可感應的速率範圍。
技術難點
光纖陀螺儀需要突破的主要技術為靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移和偏振狀態改變引起的比例因子不穩定。
1. 靈敏度消失
在旋轉速率接近零時，靈敏度會消失。這是由於檢測器中的光密度正比於薩格納克Sagnac相移的餘弦量所引起。
2. 噪聲問題
光纖陀螺儀的噪聲是由於瑞利背向散射引起的。為了達到低噪聲，應採用小相干長度的光源。
3. 光纖雙折射引起的漂移
如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上，就會產生漂移。造成光路長度差的原因是單模光纖有兩正交偏振態，此兩種偏振態光波一般以不同速度傳播。由於環境影響，使兩正交偏振態隨機變化。
4. 偏振狀態改變引起的比例因子不穩定。
分類
光纖陀螺儀的分類方式有多種。依照工作原理可分為干涉型、諧振式以及受激布里淵散射光纖陀螺儀三類。其中，干涉型光纖陀螺儀是第一代光纖陀螺儀，它採用多匝光纖線圈來增強薩格納克效應，目前套用最為廣泛；按電信號處理方式不同可分為開環光纖陀螺儀和閉環光纖陀螺儀，一般來說閉環光纖陀螺儀由於採取了閉環控制因而擁有更高的精度；按結構又可分為單軸光纖陀螺儀和多軸光線陀螺儀，其中三軸光纖陀螺儀由於具有體積小、可測量空間位置因等優點，因而是光纖陀螺儀的一個重要發展方向。
套用
1 航海方面的套用
羅經是船舶重要的導航設備，主要有磁羅經和電羅經兩種。隨著光纖陀螺技術的發展和商業化水平的提高，光纖陀螺儀已成為船用通導設備中的新成員，在商用和軍用船舶及船用設備中得到套用。基於捷聯式慣導系統的光纖陀螺儀羅經其旋轉軸與船舶坐標系的三個軸相對應，它不僅可以作為高精度航向的信息源,實現自動找北、指北，而且還可以得出航向迴轉速率、橫、縱搖角度和航向的旋轉速率等可靠數據，進一步推動船舶的自動化發展，保證了船舶的操縱效果和保證航行安全。
2 航天及空間方面的套用
在航天和空間套用方面一般都採用高精度的干涉型光纖陀螺。IFOG為主要慣性元件的捷聯慣導系統,可為飛機提供三維角速度、位置以及攻角和側滑角，實現火箭升空發射的跟蹤和測定，也可用於空間飛行器穩定、攝影/測繪、姿態測量控制、運動補償、EO/FLIR穩定、導航及飛控等，其中高精度、可靠性高的光纖陀螺與GPS組合定姿已成為國內外太空飛行器定姿系統的典型構型。
3 軍事方面的套用
光纖陀螺由於自身在角速率及加速度測量方面的優越性和在動態範圍、靈敏度和可靠性等方面的顯著優勢，使其在軍事方面有著廣泛的套用。可用於坦克、潛艇、自行火炮、裝甲突擊車的定位、定向和導航；當衛星導航在強電子干擾而無法獲得準確信息時，光纖陀螺可以用來保證飛行器自主導航、精確制導和準確命中目標。同時FOG組件還是航空火力控制系統的重要組成部分,可用於武裝直升機等武器系統瞄準線和射擊線的穩定,保證武器在運動中進行搜尋、瞄準、跟蹤和射擊。另外，光纖陀螺也是水下唯一有效的導航技術,可用於潛艇的定位、定向和導航。
4 民用方面的套用
在民用領域主要側重於中低精度光纖陀螺的套用，主要套用有：地面車輛的自動導航、定位定向、車輛控制；對農用飛機姿態控制，進行播種、噴灑農藥；在地下工程維護中,尋找損壞的電力線、管道和通信光(電)纜位置的定位工具和搶救工具；用於大地測量、礦物勘采、石油勘察、石油鑽井導向、隧道施工等的定位和路徑勘測，以及利用光纖陀螺轉動角和線位移實現大壩測斜等。
研究現狀
自從1976年美國猶他大學的VALI和SHORTHILL等人成功研製第1個光纖陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以來，光纖陀螺已經發展了30多年。在30多年的發展過程中，許多基礎技術（如光纖環繞制技術）等都得到了深入地研究。
光纖陀螺儀的突出優點使其在航天航空、機載系統和軍事技術上的套用十分廣泛，因此受到用戶特別是軍方的高度重視，以美、日、法為主體的光纖陀螺儀研究工作已取得了很大的進展。光纖陀螺儀研究工作大部分集中在干涉式（IFOG），只有少數公司仍在研究諧振式光纖陀螺。光纖陀螺的商品化是在上世紀90年代初才陸續展開，中低精度的光纖陀螺(特別是干涉式光纖陀螺)己經商品化，並在許多領域內得到了套用，目前，高精度光纖陀螺儀的開發和研製正走向成熟階段。
在國外，l°/h至0.01°/h的工程樣機已用於飛行器慣性測量組合裝置。美國利頓公司已將0.1°/h的光纖陀螺儀用於戰術飛彈慣導系統。新型導航系統FNA2012採用了l°/h的光纖陀螺儀和衛星導航GPS．美國國防部決定光纖陀螺儀的精度1996年達到0.01°/h ；2001年達到0.001°/h；2006年達到0.0001°/h ，有取代傳統的機械陀螺儀的趨勢。
各國研製情況
1.美國
（1）利頓公司研製的光纖陀螺
利頓公司的光纖陀螺技術在低、中精度套用領域已經成熟，並且已經產品化。1988年研製出SCIT實驗慣性裝置，慣件器件是光纖陀螺和矽加速度計。1989年公司研製的CIGIF論證系統飛行試驗裝置。1991/1992年研製出用於飛彈和姿態與航向參考系統的慣性測量系統。1992年研製出GPS/INS組合導航系統。
霍尼韋爾公司研製的第一代高性能的干涉儀式光纖陀螺採用的是Ti內擴散集成光學相位調製器。採用的其他器件還有0.83μm寬頻光源、光電探測器/前置放大器模組、保偏光纖偏振器、兩個保偏光纖熔融型耦合器以及由1km保偏光纖構成的感測環圈。
（3）美國德雷珀實驗室
美國德雷珀實驗室從1978年起為JPL空間套用研製高精度光纖陀螺，曾研製過諧振腔
式光纖陀螺，研製了9年，由於背向散射誤差限制了精度，後來改為採用干涉儀式方案。
在研製干涉儀式光纖陀螺的過程中，採用了三大技術措施：
a.把光源、探測器和前置放大器做成一個模組；
b.光纖感測環圈結構影響精度很大，採用了無骨架繞制光纖環圈的技術途徑；
c.多功能集成光學器件模組，包括了所有其餘的光纖陀螺的光纖器件。
德雷珀實驗室的研究人員認為：目前0.01°/h 的干涉儀式光纖陀螺成本較高，需要研製自動生產線，降低成本，保證質量。
對於今後的發展問題，德雷珀實驗室的研究人員認為：
b.慣性級干涉儀式光纖陀螺儀的難點是必須採用1km長度的保偏光纖，如果改用諧振腔式光纖陀螺儀方案，則長度可減為10m左右的光纖。為此諧振腔式光纖陀螺仍在作為研製方向，使光纖陀螺儀小型化的諧振腔式光纖陀螺的難點在於：控制電路比干涉儀式光纖陀螺複雜。隨著ASIC技術的發展，將來有可能得到滿意的解決方案，使諧振腔式光纖陀螺成為產品。採用干涉儀式和諧振腔式混合方案的光纖陀螺儀具有良好的發展前景。
2.日本
日本的干涉式光纖陀螺儀已經完成了基礎研究，正進入實用化階段。東京大學進行研究的諧振腔光纖陀螺儀取得了很大進展。
在日本，光纖陀螺作為汽車的旋轉速率感測器已進入市場。利用光纖陀螺儀進行導航時，用車輪轉速計感測器測移動距離，用光纖陀螺測量車體的迴轉，同時採用圖象匹配、GPS系統等配合計算汽車的位置和方位，顯示在信息處理器上。
3.俄羅斯
Fizoptika公司研製的光纖陀螺已經商品化，產品型號有：VG949、VG941B等。
4.中國
我國也非常重視光纖陀螺技術的研究，上世紀80年代後,許多大學和研究所相繼啟動光纖陀螺的研發項目，如北京大學、航天工業總公司所屬13所和上海803所、北京航空航天大學、清華大學、浙江大學等，也取得了一定的成績，如1996年，航天總公司13所成功研製採用Y分支多功能集成光路、全數字閉環保偏光纖陀螺，浙江大學和Honeywell公司幾乎同時發現利用消偏可提高精度等。國內的光纖陀螺研製水平雖然與國際水平有一定距離，但已具備或接近中、低精度要求，並在近年來開始嘗試產業化。
我國海軍新型飛彈配光纖陀螺儀 發射試驗3發3中，也標誌我國的光纖陀螺儀技術取得了很大的成功。
發展趨勢
光纖陀螺成本低、維護簡便，正在許多已有系統上替代機械陀螺，從而大幅度提高系統的性能、降低和維護系統成本。現在，光纖陀螺已充分發揮了其質量輕、體積小、成本低、精度高、可靠性高等優勢,正逐步替代其他型陀螺。
