高精度光纖陀螺發展現狀及對策

吳衍記

（北京自動化控制設備研究所，北京 100074）

0 引言

自20世紀90年代中后期以來，以美國、法國等國家為代表的光纖陀螺應用日益普及，正迅速成為慣性導航和戰略應用領域的主要儀表。尤其是Draper試驗室的Barbour和Schmidt對2000～2020慣性器件發展的預測圖 （見圖1）公布以來［1］，在很大程度上受到了國內外專家學者的認同，并被廣泛引用到多種學術會議和刊物，引起了廣泛的重視，光纖陀螺則是本預測圖中最有發展前途的慣性器件之一。

十幾年來，國內外光纖陀螺都取得了迅速的發展，廣泛應用于海、陸、空、天等領域，其性能和可靠性得到了充分的驗證和認同，進入了光纖陀螺的高速發展期，已經成為我國0.015（°）/h ～0.01（°）/s應用領域的首選角速度測量元件，在我國正在不斷掀起光纖陀螺的研制高潮，傳統的慣性技術研制單位和新興的民用產業對光纖陀螺及其相關技術都表現出強烈的興趣。

2010年已經過去，2020年也即將到來，Draper試驗室對光纖陀螺發展預測 （如圖1所示）的準確度到底怎樣，光纖陀螺是否真的像其預測的那樣退出戰術級領域，一統高精度應用領域?本文將通過分析國內外光纖陀螺的發展趨勢，對上述問題給出自己的看法。

圖1 Barbour和Schmidt對2010年和2020年慣性器件發展預測圖Fig.1 The inertial sensors’development forecast in 2010 and 2020 by Barbour and Schmidt

1 國內外光纖陀螺的發展現狀

按照圖1（b）對慣性儀表精度等級的分類方法，光纖陀螺可劃分為戰術級、導航級和戰略級三個等級［1］，其中戰術級光纖陀螺采用波長為850nm（或1310nm）的超發光二極管 （SLD）光源，而導航級和戰略級光纖陀螺普遍采用波長為1550nm的摻鉺光纖光源。下面重點討論這三類光纖陀螺的國內外技術現狀和發展趨勢。

1.1 戰術級光纖陀螺發展現狀

LN－200是戰術級光纖陀螺的典型代表，自1992年批量生產以來，LN－200已廣泛應用于導彈、魚雷、衛星、無人機等多種場合，累計交付了40000余套，表現出很強的生命力。圖2是LN－200系列化產品示意圖［2］。在Northrop Grumman公司，戰術級光纖陀螺的關鍵技術問題、批量生產工藝問題、可靠性和壽命問題已經全部得到解決，已進入規模生產狀態，其主要目標是不斷擴大其應用領域。

此外，美國的KVH公司的DSP－3000、DSP－1500［3］，以色列 Cielo公司的 FOG－200、FOG－52，俄羅斯光聯公司的SRS－500、FIZOPTIC的開環光纖陀螺等戰術級產品也表現出越來越強大的競爭力，展現出很好的市場前景。

國內戰術級光纖陀螺也日臻成熟，已經形成具有完全自主知識產權的戰術級光纖陀螺及其配套元器件技術，戰術級光纖陀螺產品已經成為該應用領域的首選角速度測量傳感器，2014年全國年產各類光纖陀螺15000軸左右，廣泛應用于各種軍民領域。

圖2 Northrop Grumman公司系列化光纖陀螺產品Fig.2 Fiber optic gyro products in Northrop Grumman company

可以看到，戰術級光纖陀螺已經非常成熟，其應用領域極廣，需求態勢增長很快，具有不斷自我完善的能力，已經成為該領域的統治者，可以預見在未來很長時間內，光纖陀螺在戰術級的高端領域 （0.015～0.1（°）/h）仍將扮演著不可替代的角色，在我國可能要保持10～15年時間，甚至更長。

所以，Draper試驗室對2010年光纖陀螺在戰術級領域發展的預測是比較準確的。

在2020年左右光纖陀螺在戰術級的低端 （大于1（°）/h）應用領域可能逐漸被其他陀螺占據，兩者并存的局面會持續存在，但是在0.015～0.1（°）/h的高端領域仍將廣泛使用光纖陀螺，所以，Draper試驗室對2020年光纖陀螺將退出戰術級市場的預測不夠全面。

1.2 導航級光纖陀螺

1997年4月，諾思羅普－格魯曼公司贏得了美國國防部高級研究計劃署 （DARPA）資助，研發適用于地面、海上和空間載體包括飛機、軍用攻擊武器、戰車及各種導彈的制導系統，支持美國國防部陸、海、空平臺和各類打擊武器，由此形成了后來的LN－251、LN－260（如圖3所示）和LN－270系列光纖陀螺導航系統產品，其導航精度優于 1nm/h［2］。

圖3 LN－260先進嵌入式INS/GPSFig.3 LN－260 advanced embedded INS/GPS

2003年，法國IXSEA公司推出光纖慣性導航系統PHINS，并陸續應用于荷蘭、法國海軍裝備中，隨后相繼推出MARINS和LANDINS系列化產品，并取得了較好的應用，在2014年歐洲海軍裝備展上，IXSEA公司展出了MARINS系列化產品［4］，其中M5型定位精度達到1nm/24h，滿足水面艦艇的需求，M7型定位精度達到1nm/72h，已經用于英國海軍Astute級核攻擊潛艇。

所以，光纖陀螺系統在慣性級領域的應用正處于上升期，Draper試驗室對2010年光纖陀螺在導航級領域發展的預測是比較準確的。但是，與激光陀螺相比，光纖陀螺的長期穩定性和環境適應性并沒有表現出明顯的優勢，“兩光”陀螺共同占領該市場領域的局面可能還要持續較長的時間。所以，Draper試驗室對2020年光纖陀螺將取代其他陀螺全面占領該領域的預測顯然是不夠全面的。可以預見，在未來相當長時間內光纖陀螺會與激光陀螺一起共同占領導航級領域。

1.3 戰略級光纖陀螺

戰略級光纖陀螺具有很好的穩定性和極低的噪聲，2008年前后，法國IXSEA公司為Pleiades衛星研制的精密級光纖陀螺Astrix200［5］的零偏穩定性＜0.0007（°）/h（1σ），非線性度＜3.5×10－6（1σ），測量范圍:±10（°）/s，但是，其工作溫度范圍僅為20～30℃。

美國Honeywell公司為三叉戟導彈的導航系統（MK6－LE）研制的高精度光纖陀螺的零偏穩定性達到 0.0003（°）/h（1σ），線 性度 0.5 × 10－6（1σ）［6］，該陀螺對光纖環圈進行了溫度控制，以減小其非互易性噪聲，這項工作尚未結束。

精密級光纖陀螺及其應用尚處于起步階段，距離取代該領域的傳統慣性器件還有一定的距離。但其應用前景已經得到了國外專家和相關機構的充分認可，相關技術的研究將是未來相當長時間內慣性技術的主要研究方向之一。

所以，Draper試驗室對戰略級光纖陀螺的預測與實際情況具有一定偏差，光纖陀螺在該領域的應用遠遠沒有達到原來預測的水平。

是什么原因導致戰略級光纖陀螺的發展沒有實現預期成果呢?

2 戰略級光纖陀螺發展存在的主要問題

Litton公司從1987年開始開發戰術級光纖陀螺組合LN－200，到1992年實現工程應用用了5年時間;1995年開始開發LN－251到2000年左右投入工程應用，大約也用了5年左右的時間。所以，在當時國際光纖陀螺的發展基本上是按照原理樣機每5年精度提高一個數量級，產品每10年提高一個數量級的速度高速發展，可能正是由于這一原因，Draper試驗室大膽的做出了圖1所示的預測。但是，隨著陀螺精度的提高，很多深層次的技術問題開始暴露出來，使得光纖陀螺的發展沒能實現預期結果，其主要原因是多物理場（溫度、磁場、應力等）作用下，陀螺精度的保持問題。

2.1 多物理場作用下陀螺的“零偏”重復性、穩

定性長期保持問題

采用偏振保持光纖繞成的光纖傳感環圈是光纖陀螺的核心，但是，溫度、磁場、應力等環境因素不可避免地對光在光纖中的傳輸產生影響，這種影響必然導致光纖環圈的互易性降低，從而使得陀螺的“零偏”發生變化，影響陀螺精度，如何抑制由此產生的誤差是光纖陀螺研究的永恒主題。

為了使光纖陀螺達到“戰略級”精度，光纖長度通常在3～5km，光纖長度的增加必然導致環圈的有效尺寸增加，提高其互易性的難度相應增大，當外界環境因素發生變化時由此產生的“零偏”變化明顯增大，如何抑制這種噪聲是困擾光纖陀螺的一大難題，也是導致光纖陀螺沒有實現預期效果的關鍵。

2.2 多物理場作用下陀螺的“標度因數”重復

性、穩定性長期保持問題

在多物理場作用下，光源的光譜、Linbo3調制器性能、光纖環圈等器件參數變化等因素都在不同程度上引起標度因數的變化，從而使光纖陀螺標度因數的穩定性降低并保持到1×10－6以下成為困難，這也影響了光纖陀螺在該領域的使用。

3 高精度光纖陀螺發展對策

為了解決多物理場 （溫度、磁場、應力等）作用下，陀螺精度（“零偏”和標度因數）的保持問題，二十多年來科技工作者采取了很多卓有成效的措施，如多極對稱纏繞 （四極、八極或十六極等）、無骨架光纖環圈、2π相位跟蹤控制、摻鉺光纖光源、強度噪聲抑制、 “四態”隨機過調制、溫度建模補償、溫度控制、旋轉調制等手段，使上述問題得到了很大程度的改善，基本實現了2010年的預測目標，如何得到“能用、好用”的“戰略級”光纖陀螺，是全世界致力該領域研究的熱點，作者僅就我國戰略級光纖陀螺的發展提幾點個人意見。

3.1 著眼未來，固本強基

“戰略級”光纖陀螺的研究和應用是一項技術難度大、市場領域小、戰略意義遠大于經濟效益的長期持久工作，要做好這項工作，必須著眼未來做好頂層謀劃。

（1）固化成熟技術

固化“慣性級”光纖陀螺的成熟技術，解決存在的問題，提升基礎元件和工藝設備的基本性能，為“戰略級”光纖陀螺的研究提供一定的技術支撐，戰略級光纖陀螺的研究必須由慣性級光纖陀螺的研究支撐。

（2）加強技術基礎研究

針對多物理場作用下，戰略級光纖陀螺精度的保持問題，要加強技術基礎研究，注重理論創新，探索解決問題的新思路、新方法，理論創新是“戰略級”光纖陀螺真正實現Draper試驗室對2020年光纖陀螺預測前景的重要途徑。可以預見，在現有慣性級光纖陀螺基礎上進行一定的“修修補補”不可能得到“能用、好用”的“戰略級”光纖陀螺。

（3）形成基礎元件保障體系

通過技術基礎研究，建立適于戰略級光纖陀螺需求的光學元件技術指標體系，通過新材料、新方法、新工藝的研究和應用，研制出滿足“戰略級”光纖陀螺應用需求的配套光學元件，為“戰略級”光纖陀螺的發展奠定堅實基礎。

3.2 需求牽引，研用并重

為了解決多物理場作用下光纖陀螺精度的保持問題，很多科研機構在陀螺應用技術上進行了很多行之有效的嘗試，如溫度控制、磁屏蔽、減震、旋轉調制、建模補償等技術，很好地改善了光纖陀螺的工作環境，在一定程度上解決了其精度保持問題，為開展相應的應用技術研究提供了很好的保證，對推動戰略級光纖陀螺的發展發揮了重要的作用。

4 結論

Draper試驗室對2000～2020慣性器件發展的預測圖被廣泛引用，本文研究了該圖對光纖陀螺預測的準確性，通過研究分析發現:該圖比較準確的預測到了2000～2010年光纖陀螺的發展，但是對2010～2020年光纖陀螺發展的預測則過于樂觀，存在較大的偏差，其主要原因是對解決多物理場作用下陀螺精度的保持問題的困難估計不足。

［1］Barbour N，Schmidt G．Inertial sensor technology trends［J］IEEE Sensors Journal，2001，1（4）:332-339．

［2］George A Pavlath．Fiber optic gyros:the vision realized［C］//．Proc．Of SPIE Vol．6314 6314 0G-2-10．

［3］A Steven Emge，Thomas Monte，et al．Advances in open-loop FOG sensors［C］//．OSA/OFS 2006，18thInternational Conference on Optical Fiber Sensors，P156-158．

［4］第24屆歐洲海軍裝備展．

［5］Thomas Buret，D Ramecourt．Fiber optic gyroscopes for space application ［C］//． OSA/OFS 2006， 18thInternational Conference on Optical Fiber Sensors，P102-104．

［6］Sudhakar P Divakaruni，Ph D，Steve J Sanders，Ph D．Fiber optic gyros-a compelling choice for high precision applications［C］//．OSA/OFS 2006，18thInternational Conference on Optical Fiber Sensors，P50-55．

［7］張桂才．光纖陀螺原理與技術［M］．國防工業出版社，2008．