以市场为导向推动光纤陀螺技术新发展

干涉型光纤陀螺（ＩＦＯＧ）自进入９０年代中期以来,在技术进步及市场开拓两方面都有重大进展,本文重点介绍开环光纤陀螺的应用,以及闭环型战术级,导航级光纤陀螺及精密级光纤陀螺的技术进展及市场开发,并对整个光纤陀螺技术的未来展望做了进一步描述。     

利特夫公司提高了光纤陀螺的精度

利特夫公司(利顿公司在德国的一家子公司)在光纤陀螺(FOG)和集成光学技术研究方面的进展已使研制小型导航系统成为可能。与机械陀螺和环形激光陀螺比,精度一直是光纤陀螺的薄弱环节。但随着其精度的提高和成本的显著降低,光纤陀螺从现在仅用于姿态基准在向低精度导航系统的方向发展。利特夫公司预测,旋转质量陀螺将在几年内被淘汰,而光纤陀螺将在5～10年内代替环形激光陀螺。     

可替代机械陀螺的光纤速率陀螺

光纤陀螺在两个方面正在取代机械陀螺：一是新设计的应用，二是已有的应用陀螺场合。光学陀螺所具有的高可靠性、对重力g的不敏感性和对振动、冲击的容限，使其特别适合于车辆、军事上的应用。基于Sagnac干涉效应，如环形激光陀螺、光纤陀螺的概论已有十十年之久了。它有闭环和开环两种结构，但由于闭环结构成本较高，目前只利用开环光纤陀螺取代机械速率陀螺。我们开发了一系列低成本光纤陀螺，它们基于全光结构，采用椭芯的保偏光纤、方向耦合器和偏振器。开环光纤陀螺是以最小结构的形式构成的。激光光束在光纤敏感相向传输，它们是完全互逆的。早期的形式采用方向耦合器隔离激光光源和光探测器，一个偏振器用来确保一个模式分布，而第二个耦合器作为与光纤环的接入口，在光纤环的一端加上一个压电陶瓷相位调制器以进行调制，以便同步检测干涉仪的输出。光源探测器处的耦合器不属于最小结构中的一部分，它可以通过用光源的反向的探测器取消。目前许多激光光源被用于这样一个探测光输出的探测器，由于陀螺转动信号是调制信号，很容易与恒定的激光输出信号分开。我们这种结构的FOG为简化最小结构（RMC），比较两种开环结构可以看出：两者之间没有明显的区别，但从性质上分，在RMC结构中，激光器工作在接近阈值的点，因而在光谱上比较窄。在光陀螺中希望有一个宽带的光谱，可以避免由于绕环导致的偏振起伏，从而引起偏置的不稳定性。这也就限定了RMC结构在一些高精度的陀螺应用。光纤陀的特性可以通过选择光纤的长度、环的直径和激光功率在一个比较大的范围内调整，以适应不同的应用要求，而不需要改变其结构。光纤陀螺从本性上为宽带的，其输出谱特性可以由简单的模拟滤波器、扩展伺服回路的动态特性加以控制。与简单的机械陀螺相比，这一宽带特性可以扩展为非常低的频率，从而改善定位精度。我们已生产了1000多套这两种结构的光纤陀，本文将提供Allan变化，随温度变化的偏置、刻度因数的线性数据，典型的特性参数如下：也许光纤陀螺应用最大的限制为刻度系数，因为Sagnac干涉仪的灵敏度领先光纤长度乘以直径，并且几何尺寸和在敏感轴垂直平面上投影使光纤陀螺改型应用的困难得以克服。在带宽限制范围内，光纤陀螺可以在众多的系统中应用。     

光纤陀螺惯性导航系统

光纤陀螺目前正在替代激光陀螺用于导弹的惯性导航系统、不久将向军用和民用飞机中的激光陀螺发起挑战。利顿公司的采用光纤陀螺的LN-200惯性基准系统现已得到在40多个项目中应用的合同,包括飞机、无人机和航天器。LN-200采用3个光纤陀螺和3个采用微机械加工制     

低成本战术级光纤陀螺惯性测量装置

Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司根据与美国空军的合同，正在研究一种基于光纤陀螺的小型你成本战术级光纤陀螺惯性测量装置，研究的重点在于降低成本而性能仍能保持在给足的性能范围内，本文综述了设计方案、系统设计和初步试验的结果。     

光纤陀螺技术及其发展应用

1976年,美国学者V.Vali和R.W.Shorthill首次提出光纤陀螺(Fiber-Optic Gyro,FOG)的概念,他们使用多圈光纤环形成大等效面积的闭合光路,利用萨格纳克效应(Sagnac Effect)实现了载体的角运动测量,使得这种光纤角运动传感器具备了完整的陀螺功能.光纤陀螺是全固态的陀螺,与传统的机械陀螺或激光陀螺相比,具有以下特点:     

光纤陀螺正在向激光陀螺挑战

本文从光纤陀螺正在向激光陀螺挑战的观点出发，概要叙述光纤陀螺与激光陀螺的比较，以及美国两家主要的军用和民用激光陀螺供应商Ｌｉｔｔｏｎ工业公司和Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司目前已成为研制与生产光纤陀螺的领先公司。     

数模转换器毛刺对光纤陀螺相关检测的影响分析

数模转换器(DAC)是全数字闭环光纤陀螺反馈通道的重要部件,DAC的毛刺特性会对光纤陀螺的调制解调结果产生影响.基于DAC中值毛刺特性建立了光纤陀螺反馈回路的非理想调制方波模型,分析了调制频率与本征频率不同时DAC毛刺在干涉信号中产生的各类周期干扰信号.利用周期干扰信号的Fourier级数推导出了DAC毛刺造成调制解调误差的数学模型,仿真分析了数模转换器毛刺的宽度、高度,光纤陀螺调制频率、本征频率及放大电路的增益带宽对陀螺解调误差的影响.最后,通过开环实验验证了DAC毛刺对光纤陀螺调制解调的影响.     

谐振式光子晶体光纤陀螺环路建模与仿真

为减小谐振式光子晶体光纤陀螺系统中相对频率噪声对随机游走系数的影响,在反馈回路中引入PI控制器构成新反馈回路。通过建立谐振式光子晶体光纤陀螺环路模型,优化反馈控制模型中PI控制器参数,仿真得到谐振式光子晶体光纤陀螺的闭环带宽可达39.1k Hz,响应时间为1.24×10~(-4)s,超调量控制在8%以内。利用上述结果对谐振式光子晶体光纤陀螺进行检测带宽的优化设计仿真,得到当系统检测带宽小于3Hz时,可控频率噪声功率谱密度小于1.3μW/Hz,对应的随机游走系数(RWC)小于0.001(°)/h~(1/2),满足导航级陀螺系统的精度要求。     

惯性级光纤陀螺的研制

利顿公司目前正在生产性能的１°／ｈ的光纤陀螺和以这种陀螺为基础的测量装置。光纤技术的下一个产品应用对象是用在惯性导航系统中的陀螺。这些惯性级陀螺的性能要求为０．００３°／ｈ，保证０．８ｎｍｉ／ｈ的惯性导航系统误差。