光纖陀螺關鍵技術和工藝研究

黃 興吉雨冠

（1.海軍裝備部駐上海地區軍事代表局 上海200083；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

光纖陀螺關鍵技術和工藝研究

黃 興1吉雨冠2

（1.海軍裝備部駐上海地區軍事代表局 上海200083；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

基于塞格尼克（Sagnac）效應的新型全固態角速率傳感器——光纖陀螺現已發展成為慣性技術領域的新型主流傳感器。文中結合某單位攻關課題，介紹了光纖陀螺應用需突破的關鍵技術和工藝，并結合其在航海領域的應用前景進行具體分析。

光纖陀螺；關鍵技術；工藝研究

引 言

光纖陀螺（Fiber Optic Gyroscope，FOG）是一種基于塞格尼克（Sagnac） 效應的新型全固態角速率傳感器，它具有壽命長、可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等優點。

塞格尼克效應是：當光學環路轉動時，光學環路的光程相對于環路靜止時的光程都會發生變化。光纖陀螺就是利用這種變化，制成角速率傳感器的。如果使不同方向前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀；如果利用這種環路光程的變化來實現環路中不斷循環的光之間的干涉，也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。

1 國內外研究應用現狀

有關資料表明，依據應用精度不同，干涉式光纖陀螺大致可以分為速率級、戰術級、慣性級、精密級四個類型［1-2］，其技術指標如表1所示。本課題中的光纖陀螺成品合格率已由原先的75%提高到了目前的90%。

美國是最早研制與應用光纖陀螺的國家，歐洲的光纖陀螺研發工作主要集中在法國、德國和俄羅斯。利頓、Honeywell、KVH、FizoPtika 等公司的速率級、戰術級、慣性級、精密級等精度的光纖陀螺已相當成熟并實現產品化。

我國也非常重視光纖陀螺技術的研究及應用，但限于材料和工藝，目前只能生產速率級、戰術級、慣性級的光纖陀螺，并已廣泛應用于我國的飛機、坦克、艦船、導彈、火炮、魚雷等軍工項目［3-4］。

表1 干涉式光纖陀螺的精度級別和技術要求

2 光纖陀螺關鍵技術和工藝研究

2.1 光纖陀螺關鍵技術

光纖陀螺（FOG）由光源、耦合器、Y波導、光纖環、探測器五部分組成，如圖1所示。

圖1 數字閉環光纖陀螺結構示意圖

光纖陀螺的基本原理和結構本文不作過多闡述，其產業化的關鍵技術，我們歸納如下：

光纖陀螺的閉環電路設計是確保大動態測量范圍標度系數線性度的重要條件。閉環電路的設計好壞直接影響陀螺的性能和精度，我們采用最新的數字電路，在模擬電路的噪聲處理、數字調制技術、階梯波的控制及信號采樣等方面進行優化設計，從芯片選擇到電路設計都在不斷改進；同時，使用獨特的軟件——性能補償的嵌入式系統來解決一拖三方案所帶來的三軸不均衡的問題。

光纖環是國內外最為關注的設計技術之一，是確保在環境和溫度條件下陀螺精度的關鍵，是光纖陀螺的核心器件之一，因此，我們對光纖環架的選材、填充和墊材、繞制應力、繞制技術、總體熱效應設計等方面進行了研究。在充分吸收國內外技術的基礎上，利用我們特有的固化和對稱性保證技術，較好解決了光纖環受外界環境影響而產生的性能不穩定。

光纖陀螺要求能夠在短時間內溫度劇烈變化的條件下，依然能夠穩定的工作，我們采用了獨特的結構設計，來平緩產品受外界環境變化的影響。另外從軟件上，我們還采用了特殊的補償方式來消除外界溫度變化引起的光纖陀螺性能指標的不穩定性。

2.2 光纖陀螺關鍵工藝

經過近2年的研究與統計數據表明，光纖陀螺受環境因素影響程度如表2所示。

表2 光纖陀螺受環境影響

制約光纖陀螺發展的關鍵技術有：溫控技術、磁屏蔽技術、防震動沖擊技術、寬譜光纖光源技術、光纖環的繞制技術、光路熔裝與在線測試技術等。在上述關鍵技術中溫控技術是光纖陀螺首要解決的關鍵技術，光纖陀螺的工作溫度一般在-40℃～+60℃，由溫度引起的光纖陀螺熱致速率誤差將決定光纖陀螺的溫度性能。

環境溫度對光纖陀螺性能的影響主要有噪聲和漂移。噪聲決定了光纖陀螺的最小可檢測相移也即最終精度，漂移用于評價光纖陀螺輸出信號的長期變化，而對于慣性制導應用來說，漂移是一個更基本的參數。

從產業化角度出發，我們研制光纖陀螺溫度補償措施，以大量實際數據為基礎，創新性地提出綜合解決光纖陀螺批次化生產的溫度補償方法。

2.2.1 光源的工藝研究

寬譜光纖光源是高精度光纖陀螺首選光源，具有輸出功率和中心波長穩定的特性。目前本項目已解決了一系列關鍵技術，研制出具有一定工程性能的樣機，并已用于0.015°/h精度的光纖陀螺，滿足了使用要求，解決了我國光纖陀螺向更高精度發展的一個瓶頸問題。

在課題研究過程中，我們重點對偏振光對光纖陀螺的噪聲和零偏穩定性進行了試驗，利用Lyot 型消偏器對SLD 出射光進行消偏，提高了光纖陀螺的精度；此外，我們設計開發特有的光模塊集成系統，提升光纖陀螺核心部件——光路系統的穩定性與一致性，同時解決以往光纖陀螺生產上的返修、返工困難的麻煩問題。

2.2.2 耦合器的工藝研究

光纖耦合器是連接光源、光探測器與Y 波導的重要器件。試驗證明，影響耦合器精度有下列幾個因素：

（1） 溫度引起的敏感變化;

（2） 光源引起的的偏振變化。

在工藝設計中， 我們根據光纖陀螺的具體技術要求和環境要求（特別是溫度）， 來具體選擇合適的光源和光纖耦合器。在選擇光纖耦合器時，不但要考慮光信號在光路傳輸中的衰減，還要考慮在裝配時由于光纖不可避免的部分彎曲所增加的光損耗。

2.2.3 光纖環的工藝研究

光纖環的繞制技術是光纖陀螺的關鍵環節，合理控制光纖陀螺光纖環繞制過程，理論上可以顯著降低外界環境變化對光纖陀螺性能的影響，提高光纖陀螺的環境適應性。

1980 年，Shupe 最先提出：光纖環中各點的溫度相對于光纖環中點成非對稱性變化時，這種變化會改變光纖中兩相反方向傳播的光產生光程差，出現非互易相移，合光后使陀螺的零偏發生變化，這就是有名的Shupe 效應。實踐證明：四極對稱繞法在很大程度上抑制了溫度梯度的影響，與普通柱形繞法相比，抑制因子約為光纖環層數的平方。因此，這一繞制技術得到了廣泛的應用。

為了克服Shupe 效應，雖采取對稱纏繞方法，但也不能完全解決問題。溫度和應力的變化都會改變光纖的折射率和長度。由于光纖長，所以不能完全實現對中點對稱變化。

Litton 公司經過4 年研究，逐步降低了光纖陀螺的Shupe 系數，達到早先的1/200（如圖2所示），滿足了慣性導航中對光纖陀螺全溫度范圍精度的要求［5］。

圖2 Litton公司IFOG的Shupe 系數圖

在建立光纖陀螺Shupe誤差數學模型的基礎上，分析光纖環的結構參數、熱學參數和熱擾動參數對Shupe誤差的影響。結果表明：通過增加繞制層數、提高導熱系數、合理布置熱源，可以明顯抑制光纖環的Shupe誤差，從而提高光纖陀螺的溫度性能。

我們采用獨特的光纖環繞制技術，保證其嚴格的四級對稱性能，從而改善光纖陀螺的互易性，提高其SAGNAC效應，自主研制光纖環封膠配方，解決光纖環的溫度均衡性，抗沖擊抗振動能力，提升光纖陀螺對抵抗環境變化因數的整體性能。

2.2.4 光路熔裝與在線測試技術的工藝研究

光路熔裝與在線測試技術是光纖陀螺工藝過程中的關鍵技術。光路質量的好壞直接影響陀螺整體的性能，而電路設計與信號處理技術（包括：低噪聲放大、濾波、環路控制和參數優化、光電信號匹配和檢測電路等），也是影響陀螺性能的關鍵因素。目前，我們已解決了光路熔接和關鍵參數的在線測試技術。

綜合目前國內各大研究單位與各領域用戶要求，我們制定并形成了光纖陀螺生產、測試的企業標準，以實際應用為依據，從最廣泛范圍內研制出通用性光纖陀螺標準件，在保證光纖陀螺性能參數的一致性的同時也降低生產成本，促進我國光纖陀螺產業化的發展。

3 結 論

在90年代的海灣戰爭中，美國“戰斧”巡航導彈上裝有光纖陀螺，使導彈的穩定性和命中率得到顯著提高。在戰爭中，即使衛星導航因在強電子干擾下，而無法獲得準確信息時，光纖陀螺依然可以保證飛行器自主導航、精確制導和準確命中目標。近年來，美國正在研究光纖陀螺與GPS組合定姿定軌技術，作為微小型航天器或艙外機動裝置上高精度自主姿態定位系統。

在未來戰爭條件下，無線電、GPS、天文導航和制導都可能被對方干擾,因此，光纖陀螺在未來信息戰環境中有著特殊地位，更是唯一有效的水下導航手段，目前已普遍被各國海軍認可和接受，作為新一代潛艇和魚雷導航系統。KVH 公司的DSP-300光纖陀螺，現已用于海上雷達和導彈防御系統的穩定子系統。

在航海領域，光纖陀螺在國外已有20多年的應用歷史。隨著光纖陀螺技術及工藝的不斷提高，光纖陀螺在國內航海領域的應用近幾年已有所突破。我們相信在不久的未來，隨著導航系統技術及工藝的不斷完善，光纖陀螺應用于電羅經、平臺羅經、慣導的產品將會不斷推出，應用于特種裝備的動力定位、航姿控制等產品也將不斷問世。

［1］ 趙勇， 劉軍， 張春熹， 等.光纖陀螺傳感線圈及繞法［J］.半導體光電，2002，23（5）：312-314.

［2］ 杜士森，張春熹，宋凝芳.光纖陀螺慣性測量組件的溫度場分析與熱設計［J］.儀器儀表學報，2010，31（8）：254-257.

［3］ 王巍.干涉型光纖陀螺儀技術［M］ .北京：中國宇航出版社，2010：1-16.

［4］ 吉雨冠，程榮濤.深?？臻g站導航技術初探［J］ .船舶，2011（1）：48-50，53.

［5］ IFOG Technology for embedded GPSIINS applications Ralp h A. Patterson， Eric L. Goldner， David M. Rozelle Neal J. Dahlen and Thomas L. Caylor Litton Guidance and Control Systems5500 CanogaAvenue Woodland Hills， CA 91367.

On key technology and process of optical fi ber gyro

HUANG Xing1JI Yu-guan2
(1. Military Representative Bureau in Shanghai Region for Equipment Department of the Navy, Shanghai 200083, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

As a new type of solid-state angular rate sensor base on Sagnac effect, the optical fiber gyro has become a mainstream sensor in the inertia technology field. Combined with a research project, this paper introduces the key technology and process,which are needed to overcome the application problem of the optical fiber gyro, and detailedly analyzes its application prospects in the navigation field.

optical fiber gyro; key technology; process research

U666.12+3

A

1001-9855（2014）02-0085-04

2013-06-12；

2013-08-16

黃 興（1980-），男，工程師，研究方向：船舶電氣監造管理。吉雨冠（1959-），男，研究員，研究方向：船舶觀通專業設計。