光纖陀螺的發展與應用前景

楊金帥

摘 要：目前，光纖陀螺作為一種慣性導航領域的新技術，本文詳細闡述了光纖陀螺的起源、基本原理以及應用前景。此外還詳細介紹了光纖陀螺的核心元件光纖環圈的工作原理。進一步指出了光纖陀螺與其它光學陀螺相比具體的優勢和廣闊前景，旨在為業界人士提供價值參考。

關鍵詞：光纖陀螺；發展；應用前景

中圖分類號：TN253 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0020-02

在現代國防技術領域中，慣性技術在其中發揮著舉足輕重的作用，同時，慣性技術是一種綜合性實用尖端技術，綜合了多學科的前沿科技。因此，得到了業界相關人士的重視和關注，已經被廣泛應用在航天、航空、航海等多個領域。陀螺儀是慣性系統中必不可少的重要組成部分，主要用于測量載體的角位移和姿態角。陀螺儀的性能優劣主要取決于慣性導航系統性能的好壞。相對于傳統的機械陀螺，光纖陀螺具備抗沖擊、使用年限長、結構簡單及重量輕等諸多優勢。因此，光纖陀螺的應用前景十分廣闊。本文深入探究了光纖陀螺的基本原理、發展和應用前景。

1 光纖陀螺的發展史

1.1 陀螺的歷史

陀螺一直人們的追捧和喜歡，抽打陀螺儀已然成為春季孩子們最喜愛的游戲之一。隨著時代的發展和科學技術的不斷進步，陀螺的材質和形狀花樣越來越多，不斷推陳出新，打陀螺儀不僅適合年輕人，而且同樣適合老年人，在技藝精湛的工匠思維下也更具趣味性和完美性。

1.2 光纖陀螺的基本原理

Sagnac效應就是光纖陀螺的工作原理，在閉合回路中，分別從順時針和逆時針兩個方向進行傳播的兩束光，它們之間的光程差△L，同真空中的光速是反比例關系，此外與回路面積A和閉合回路的旋轉角度Ω都是正比例關系。即：

（1）

由N圈光纖繞制形成的閉合回路屬于光纖陀螺閉合回路，累積光路差為：

（2）

對應的Sagnac相位差為：

（3）

在公式（3）中，光纖敏感環的光纖總長度為L，用字母D代表光纖圈直徑D；光在真空中的波長用表示，而光纖維圈的面積則用A表示，則：

（4）

（1）在具體光纖陀螺閉合回路中，主要是有效利用N圈光纖繞制來完成的，其主要光程差為：

（2）光纖陀螺的實際閉環由N型光纖構成，累積光路差為在式它稱為比例因子，而光纖陀螺靈敏度用表示。因此，經過對相位差的檢測，進一步確定旋轉角速度Ω大小，即為Sagnac效應。旋轉體的角度位置或方位角可以通過角速度的時間積分來確定。

2 光纖陀螺儀的應用

2.1 在國內，光纖陀螺發展狀況

目前，國外光纖陀螺儀發展突飛猛進，研究機構已經發明了一種遠程彈載、艦載激光陀螺捷聯慣性測量系統。

不僅提出了時空標記交換體系與控制面概念，而且還提出了自相似環流網狀高速光網絡模型以及新一代光纖陀螺原理和結構等，在慣性/GPS導航基礎上，應用傳感器集成，在進行載體角速度和姿態角測量時，主要應用陀螺作為角位移、角速度測量的傳感器，從而進一步深入研究光纖陀螺。

當國內外科研人員在深入研究光纖慢光系統拓撲設計方法時，主要以研究環形光纖系統和光信號處理為主，深入探究了可以增強Sagnac效應的環形光纖系統結構，研究了環形光纖系統結構的控制措施和噪聲特性，進而提出了一種新型高靈敏度諧振陀螺儀的設計原理和方法。

（1）應用到光纖陀螺精密傳感器。

（2）使用陀螺材料設備。

（3）光纖陀螺中的光電集成芯片。

基于當前國內外發展現狀，不斷增加光源和輸出的耦合功率有利于光纖陀螺的干涉形狀，因為增加光源的輸出和耦合功率可以有效地提高陀螺的信噪比。對于窄譜光源的諧振式光纖陀螺，可以很好地處理光源輸出和耦合功率問題。

2.2 光纖環圈

光纖環圈為光纖陀螺的核心元件，由于光纖陀螺可用于軍用慣導，屬于高新科技產品，而保偏光纖又是其核心部件，所以研究保偏光纖的性能對光纖陀螺的發展具有重要意義。

2.2.1 保偏光纖的溫度敏感性分析

（a）折射率溫度特性：

當光波長值一定時，環境溫度T及應變狀態ε都會對光纖折射率n造成一定的影響。具體關系表示為：

（5）

式中，為折射率溫度系數，為折射率應變系數，為零應力狀態下溫度的折射率。實驗中被測光纖處于松散狀態，忽略外部應力影響，式（5）簡化為：

（6）

通過查閱大量文獻，可以了解到是光纖折射率的溫度系數取值范圍，同時溫度系數的取值范圍隨著光纖的摻雜濃度和摻雜元素的變化而時刻發生改變。

（b）保偏光纖折射率溫度系數測量：

根據相關文獻可得以下公式：

（7）

其中L（T）為光程，l（T）為光纖長度。

因此，通過測量被測光纖光程隨溫度的變化量即可得到折射率溫度系數。

2.2.2 PPP-BOTDA技術原理

通過利用布里淵光時域分析（BOTDA）技術，來實現對光纖上各點應變和定位等傳感信號定位，來進一步測量傳感器參數沿光纖長度的空間分布。如圖1所示，泵浦光和探測光分別注入待測光纖的兩端，聲波是泵浦光利用電致伸縮而產生的，相反，則會發生聲波調制的折射率。泵浦光產生了折射率光柵，在有效利用布拉格衍射散射泵浦光，由于光柵以聲速發生移動即為多普勒頻移，而布里淵頻移是散射光發生了頻率下移現象。當泵浦光頻率Vp和探測光頻率之間的差異等于布里淵頻率偏移時，在該區域中發生受激布里淵增益效應，并且在兩個光束之間發生能量轉移。在此過程中心頻移求解如下：

（8）

此外，脈沖預泵浦技術可以實現更高的空間分辨率。在引入脈沖光（泵浦光）之前，對脈沖預泵浦光進行適當的加載工作，以事先激發出聲子；通過調節脈沖光與預泵浦光的功率比，減少了過量輸出功率并減小了泵浦脈寬，其空間分辨率已經達到厘米量級。

（9）

在公式（9）中，折射率用n表示，聲速用表示，中心頻移則用表示，光波長用表示。

2.3 慢光的原理

光是人們熟知的一種電磁波。公式（10）則可以表示為一個沿Z方向傳播的單色平面波：

（10）

此外，科學家們用相速代表等相位面的傳播速度：

（11）

將介質的相位折射率定義為真空中的光速與介質中的相速之比：

（12）

在上述公式中，傳播常數用β表示，電磁波的角頻率用ω表示。一般來說，折射率是頻率的函數。不同頻率的光在介質中相速是不同的，都是憑借不同的速度進行傳播的。這種特性被叫做色散。色散波的相速既不能代表能量的傳播速度，又不能代表光信號。通過調制攜帶信息的光信號，對含有多個頻率的波包進行調制，構成一個完成的波包。用群速度描述其在介質中的傳播速度。通常情況下，折射率是頻率的函數。不同頻率的光在介質中以不同的速度傳播。這種性質被物理學家命名為色散。值得注意的是，色散波的相速既不能代表能量的傳播速度，又不能代表光信號。其在介質中的傳播速度用群速度描述。

（13）

群折射率公式為：

（14）

從上述式子（13）（14）可知，存在兩個有效降低光信號的群速度的方法，一是增大折射率的相對變化率，一是使折射率n增大，時，。光信號（波包）的群速度不斷慢下來，進而出現慢光現象。

3 展望光纖陀螺儀的發展

作為一個新興的傳感器，管線陀螺儀的特點很多：

（1）無需運動部件，儀器穩定、堅固、抗沖擊力強、抗加速。

（2）價格便宜，零部件少，結構簡潔。

（3）啟動時間超短，瞬間能啟動。

（4）高分辨率、高靈敏度檢測（高達10-7rad/s）。

（5）直接數字輸出和計算機聯網。

（6）寬動態范圍。

（7）信號很穩定、可靠，生命期長。

（8）集成光路技術易于使用。

（9）能夠很好的將激光陀螺由于閉鎖而形成的負效應進行克服，光纖陀螺（FIR）的應用范圍和應用前景十分廣闊，在從持續應用激光技術的同時，光纖陀螺必將成為21世紀研究和發展的熱點。

全部的光纖陀螺均使用的是同類的元件，而存在的不同是，元件的裝配公差以及性能質量上，所以產品的系列化很容易實現，同時能夠對不同領域和不同系統的需求進行最大程度的滿足。隨著光纖陀螺（FOG）技術日趨成熟，其使用的領域已經在逐漸的擴展，傳統的機械陀螺整在被光纖陀螺不斷的代替著。一些專家預測“光纖陀螺出現，機械陀螺必會停止使用”。

4 結語

截止到目前，光纖陀螺已經從低精度戰術應用發展到導航用的中等精度和高精度，而在很多場合基于光纖陀螺的慣性系統也被廣泛的應用著，也開始在越來越多的應用中使用。在我國工業現代化迅速發展的今天，各個領域對光纖陀螺的需求日益增長。北京航空航天大學、北京理工大學均先后深入研究了光纖陀螺，其成果較為顯著?？偟膩碚f，中國光纖陀螺的關鍵技術和實際應用還遠未達到國外先進水平。而在21世紀，光纖陀螺技術將成為慣性技術發展的重點，其在中國的前景將會無線廣闊，從而能夠被廣泛的應用在民用和軍用領域中，為其提供更好的服務。

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