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光纤陀螺技术 §1光纤陀螺现状 陀螺是一种测量角速度的重要传感器，它不仅在导弹制导,飞机导航，而且在航天器、卫星定位、汽车导向、智能机器人、天文望远镜等诸多方面起着极为关键的作用，是目前用于确定运动体空间运动姿态的主要传感器。其发展过程主要经历了三个阶段：第一阶段是早期的机电陀螺，它是根据力学的惯性定律，利用惯性元件高速转动的机械转子具有定向性和进动性来测定飞行体相对于惯性空间的转速和方向。由仪表指出导航所需的航向、姿态等参数；第二阶段是60年代激光出现后，研制出的环形激光陀螺仪，从此开始了光学陀螺的时代。光学陀螺在原理上同机电陀螺是完全不同，没有机械活动转子，而是利用激光束在运行的光腔内所产生的干涉效应来测定航行体在航行中所需要的参数。由于激光陀螺仪具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，受到广泛重视并已得到实用；第三阶段是在光纤技术发展的基础上研制的光纤陀螺。 激光陀螺和光纤陀螺可以统称为光学陀螺，其基本原理都是基于Sagnac效应。 Sagnac效应是1913年发现的，由激光器发出的光由分束器分为两束，分别耦合进入环形干涉仪环形光路的两端，两相反方向的光束经环形光路传输后，按原路最终回至探测器处，形成干涉，当环形干涉仪以角速度Ω旋转时，沿顺、逆时针方向在环中传输的两束光产生的光程差,两束光产生的相位差为： （1） L为光路长度，D为环直径，λ为光波长,c为真空中光速。用光纤代替环形干涉仪的环形光路可构成光纤陀螺，其主要形式可以分为干涉型（Interferometric Fiber Optic Gyroscope, I-FOG）和谐振腔型（Ring Resonator Fiber Optic Gyroscope, R-FOG）两大类。 1976年由Utah大学的Vali和Shorthill首先证实了干涉型光纤陀螺。在此后的二十多年中，干涉型光纤陀螺发展迅速。九十年代以后，各国竞相将干涉型光纤陀螺实用化和产业化，美国、日本、欧洲各发达国家均投入大量经费进行研究开发，并已有一些高性能的产品问世，如波音777客机备用导航的光纤陀螺组件为美国Honeywell公司制造。国外主要生产单位的产品或产品样品性能综述如下： 表1.1 Honeywell公司光纤陀螺样品性能 Parameters Open loop Mediumn Navigation Precision Optical design PM Depolarized Depolarized PM Bias uncertainty 1?/hr 1-10?/hr 0.01-0.003?/hr 0.001?/hr Scale factor 50ppm 1-20ppm Random walk 0.004?/ 0.0001?/ Application Aircraft Attitude Tactical Guidance Navigation Pricision Space 表1.2 Litton公司光纤陀螺性能 Parameters Precision Dynamic range ?500?/s Random walk 0.0027?/ Bias uncertainty 0.01?/hr Scale factor error 10ppm Temperature range -55～71℃ 表1.3 KDV(Andrew)公司光纤陀螺性能 Parameters Minimum Config. Reduced Min. Config. Specification Scale factor error 0.37% 0.32% 0.50% Bias uncertainty 0.001?/s 0.001?/s 0.002?/s Angle random walk 0.41?/ 0.39?/ 0.33?/ Temperature -40～75℃ -40～75℃ -40～75℃ 表1.4 JAE公司光纤陀螺性能 Parameters JG-108F JG-35F JG-34F JG-52F Bias stability 5?/hr 0.5?/hr 0.5?/hr 0.02?/hr Scale factor error 1% 0.05% 0.05% 15ppm Dynamic range 100?/s 200?/s 900?/s 200?/s Temperature -20～70℃ -20～70℃ -40～90℃ 0～60℃ 表1.5 Hitachi公司光纤陀螺性能 Parameters HOFG-5000 HOFG-1 HOFG-CL HGA-D HGA-V-