超大環(huán)光纖陀螺儀的研究進(jìn)展

吳耀方，郭文閣，黃冬，張立松

（西安石油大學(xué)陜西西安 710065）

1 引言

陀螺儀作為慣性技術(shù)中的角速度傳感器[1]，已廣泛地使用在現(xiàn)代飛行器姿態(tài)調(diào)整、深海定位探測、地球自轉(zhuǎn)及世界時UT1的測量等方面。世界時UT1是基于地球?qū)嶋H自轉(zhuǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上而產(chǎn)生的一種時間計時方式，是全世界民用時的理論計算基礎(chǔ)[2]。UT1的最終解算出的結(jié)果在精度提升方面并無太大進(jìn)展，短期時間觀測的精度均方差為±5ms左右，長期時間如一年觀測精度達(dá)到約為±1ms。目前測量新方法和技術(shù)領(lǐng)域正面臨一場革新，超大環(huán)光學(xué)陀螺儀慣性技術(shù)測量、甚長基線干涉儀（VLBI）、人造衛(wèi)星多普勒觀測（DORIS）等新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3]，有望在測量精度實現(xiàn)數(shù)量級的提高。

目前國內(nèi)外研究并設(shè)計出了超大環(huán)光纖陀螺儀，尺寸(光纖環(huán)直徑超過10厘米)超過通常導(dǎo)航用的光纖陀螺儀，其中一些超大環(huán)光纖陀螺儀光纖環(huán)直徑從40厘米到68厘米、光纖纖維長度從11公里到15公里等，靈敏度大約從2.3×10-6rad/s到5×10-9rad/s等[5]。于是運(yùn)用超大環(huán)光學(xué)陀螺儀慣性測量技術(shù)測量UT1變成了一個可行的方案，并且優(yōu)勢在于通過測量地球自轉(zhuǎn)瞬時角速度用算法直接解算出結(jié)果，無需聯(lián)網(wǎng)觀測，可在實驗室內(nèi)實現(xiàn)對UT1的實時測量，安全隱蔽性好。本論文著重從超大環(huán)光纖陀螺儀應(yīng)用于UT1的測量工作出發(fā)，闡明了超大環(huán)光纖陀螺儀發(fā)展的歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步提出抑制超大環(huán)光纖陀螺儀噪聲、降低傳輸損耗、提高靈敏度的可能。

2 Sagnac效應(yīng)和光纖陀螺儀光路

2.1 光纖陀螺儀的Sagnac效應(yīng)

光纖陀螺儀的工作理論基礎(chǔ)是建立在Sagnac效應(yīng)上，如圖1所示：在同一封閉光路系統(tǒng)中由分束器A發(fā)出兩束特征相同相向傳播（順、逆時針方向兩束光）若封閉光路所構(gòu)成的平面的法向軸線在慣性空間中有相對的轉(zhuǎn)動角速度Ω，若Ω=0時，則兩束光波經(jīng)過封閉地光路傳輸后最終在同一探測點(diǎn)A處匯合，那么光程差為0。反之若Ω≠0時，光程差不為0，此時則順、逆時針方向的兩束光在探測器上干涉就會產(chǎn)生光程差[1]：

Ω為閉合回路的旋轉(zhuǎn)角速度，R為光纖環(huán)的半徑，N為光纖環(huán)匝數(shù)，C為光速，L為光纖環(huán)的周長。由公式（1）進(jìn)一步變換可得：

其中λ為光的波長，D為光纖環(huán)的直徑S為光纖環(huán)所包圍的面積，KS稱為標(biāo)度因數(shù)。

在光探測器上測得的光功率信號為：

由余弦函數(shù)響應(yīng)的特點(diǎn)可知，在響應(yīng)為零的附近函數(shù)的斜率最小，為了獲得探測信號斜率最大及靈敏度最大，根據(jù)余弦函數(shù)的關(guān)系式給響應(yīng)信號另加偏置信號，使得響應(yīng)工作區(qū)在高靈敏度左右。

2.2 光纖陀螺儀的光路結(jié)構(gòu)及信號檢測

光路的結(jié)構(gòu)部分可以大致劃分為五大系統(tǒng)：光源系統(tǒng)、耦合器、光學(xué)調(diào)制器(Y波導(dǎo))、光纖環(huán)以及光電探測器[4]。

光纖陀螺儀實現(xiàn)對角速度精確測量需要滿足下列必要條件：光源在時間上滿足一定的相干性；光路結(jié)構(gòu)按互易性要求設(shè)計組裝。在實際中我們采取寬帶光源作為光纖陀螺儀的光源，譜寬通常為10～50nm，相干長度通常為30～ 300μm[1]。

光纖陀螺儀Sangnac信號檢測往往采用閉環(huán)信號檢測方法。在開環(huán)系統(tǒng)中添加反饋回路，始終掌控偏差量在零左右波動，實現(xiàn)精度和抗干擾能力的提升和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

3 光纖陀螺儀在地球自轉(zhuǎn)和UT1測量的應(yīng)用

3.1 超大環(huán)光纖陀螺儀測量世界時UT1的技術(shù)要求及測量UT1流程

由于目前我們要求UT1的測量精度為1ms/day，超大環(huán)光纖陀螺儀相應(yīng)的Ωa精度也要相應(yīng)達(dá)到要求，1ms約為一天時間的t1=1×10-3/（24×3600），對應(yīng)的角度約為Ω1=360°×t1，1ms/day的測量精度所對應(yīng)的Ωa約為Ω1/241.74×10-7° /h。

選用超寬帶光源作為超大環(huán)光纖陀螺儀的光源系統(tǒng)，對光波隨機(jī)偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控使得順時針、逆時針兩束光波的偏振態(tài)相同，由于地球的自轉(zhuǎn)所帶來的Sangnac效應(yīng)，那么對超大環(huán)光纖陀螺儀輸出信號進(jìn)行解調(diào)，則得出地球自轉(zhuǎn)瞬時速度。目前國家授時中心和北大聯(lián)合研制出直徑40cm長度30公里的單模超大環(huán)光纖陀螺儀樣機(jī)，在蒲城長波臺地下洞體中測量精度零偏穩(wěn)定性到達(dá)5。

3.2 世界各地測量UT1的情況

世界各地用不同觀測儀器在地球科學(xué)和UT1測量方面的應(yīng)用如下表所示[5]：

角速度測量精度(rad/s)VLBI 幾何測量 全球布站 0.02 Ging 物理測量 4m×4m 0.08 1.2×10-11地球自轉(zhuǎn)鐘 物理測量 0.3m×15km 0.1 10-10意大利光纖陀螺儀 物理測量 20km2（光纖網(wǎng)） 10-8 Ixblu光纖陀螺儀 物理測量 0.3m×5km 10-9觀測儀器 類型 尺寸規(guī)格 UT1測量精度(ms)

4 超大型陀螺儀在地球科學(xué)中應(yīng)用的發(fā)展歷程

4.1 超大型激光陀螺儀

20世紀(jì)90年代，國際上就已經(jīng)開始研究利用大型環(huán)形激光陀螺測量地球自轉(zhuǎn)的Sagnac效應(yīng)，實現(xiàn)地球瞬間自轉(zhuǎn)狀態(tài)的直接測量。

1993 年德國慕尼黑大學(xué)Schreiber教授和新西蘭Stedman等人建造環(huán)形激光器陀螺用于研究和探測地球潮汐、地軸傾斜的基礎(chǔ)上，并于1998年開始在德國Wettzell天文觀測站建造一個名為G-Ring、尺寸規(guī)格為4×4m2的環(huán)型激光Sagnac干涉儀。該激光器是一個品質(zhì)因數(shù)Q值達(dá)3.5×1012的氦氖激光陀螺，對地球自轉(zhuǎn)觀測靈敏度ΔΩ/ΩE達(dá)10-9[6]，自2010年起可測量有關(guān)地球自轉(zhuǎn)軸的錢德勒擺動（Chandler Wobble）的情況并且測定日長LOD（Length of Day）精度可達(dá)到0.13ms。

2008 年意大利Bob Hurst等人開展大型激光陀螺G-Pisa研究，用于地球自轉(zhuǎn)監(jiān)測，包括地極運(yùn)動、大氣和海洋角動量、地球固體潮汐與海潮負(fù)荷等內(nèi)容，并開展基礎(chǔ)物理效應(yīng)方面的研究。

4.2 超大環(huán)光纖陀螺儀

當(dāng)前光纖陀螺儀最好水平由美國霍尼韋爾公司保持，2006年他們在實驗室恒溫條件下利用閉環(huán)控制技術(shù)，在直徑0.18m、光纖長度3km的光纖陀螺精度達(dá)到10-4°/h量級，在溫度補(bǔ)償情況下的精度達(dá)10-5°/h量級。在德國Wettzell Geodesic Observatory，對超大環(huán)光纖陀螺儀（長度為2.2公里，光纖環(huán)直徑為4米的單模光纖）進(jìn)行了評估實驗中。所得到的結(jié)果顯示該光纖陀螺儀的分辨率為0.5×10-6rad/s，目前最好的商業(yè)級別的光纖陀螺儀的漂移為1.5×10-9rad/s[7]。

2012 年意大利和德國科學(xué)家設(shè)計用光纖通信網(wǎng)構(gòu)建面積達(dá)20km2超大光纖陀螺監(jiān)測地球自轉(zhuǎn)，獲得極大的靈敏度增益[8]。2014年法國IX blue公司在美國海軍潛艇上進(jìn)行海試的光纖陀螺儀，直徑0.18m、光纖長度3km的保偏光纖陀螺儀的精度也達(dá)到了10-4°/h量級，在溫度補(bǔ)償情況下的精度達(dá)到10-5°/h量級。而我國的北京航空航天大學(xué)、航天科技集團(tuán)航天時代公司等高校和研究機(jī)構(gòu)在實驗室采用閉環(huán)工作模式精度也可以達(dá)到10-4°/h。

5 面臨的問題以及解決方法

光纖環(huán)尺寸的增大也會帶來一些問題。最大的問題是溫度效應(yīng)對光纖陀螺儀輸出信號的影響。工程上采用四極對稱繞法在很大程度上去抑制溫度梯度效應(yīng)的影響，與普通的光纖環(huán)繞制方法如柱形繞制法、單級繞制法以及兩級兩級繞制法做對比，四極對稱抑制因子約為光纖環(huán)層數(shù)的平方，基于此效果，目前工程上設(shè)計光纖環(huán)時在技術(shù)上普遍采用四級對稱的繞制方法[9]。除此之外消除溫度影響常用的方法通常可歸納為三類：一、科學(xué)地設(shè)計結(jié)構(gòu)、外形及合理地使用溫度不敏感材料，盡可能地降低對溫度的敏感性。二、通過采用溫控裝置，使陀螺工作在一個溫度波動不大或者近似無波動的環(huán)境內(nèi)。三、通過熱力學(xué)分析和試驗研究方法，建立光纖陀螺的靜動態(tài)溫度漂移模型，進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償[10]。

6 結(jié)語

目前超大環(huán)光纖陀螺儀系統(tǒng)中采用保偏光路，達(dá)到保證信號質(zhì)量，控制光波的線偏振態(tài)，降低偏振誤差的目的。但是保偏光纖的傳輸損耗比單模光纖大3～4倍，隨著低損耗光纖與空芯光子晶體光纖的發(fā)展和應(yīng)用，也為超大環(huán)光纖陀螺儀進(jìn)一步提供了抑制噪聲、降低傳輸損耗、提高靈敏度的可能。實驗研究表明，采用空芯光子晶體光纖，可以將克爾效應(yīng)降低170倍，雙峰效應(yīng)降低6.5倍，法拉第效應(yīng)降低20倍。雖然截止到目前，損耗為1.2dB/km的空芯光子晶體光纖已經(jīng)在技術(shù)上實現(xiàn)了，但是空芯光子晶體光纖在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)上有關(guān)傳輸損耗方面性能不是十分完美（一般損耗在12～20dB/km），隨著技術(shù)的進(jìn)步，空芯光子晶體光纖損耗將會減少，預(yù)計損失將進(jìn)一步減少到0.1dB/km[11]。屆時超大環(huán)光纖陀螺儀將在探測地震波、地球自轉(zhuǎn)甚至精密物理測量等方面有更多的應(yīng)用。