光纖陀螺捷聯慣導系統專利分析研究

李明澤 楊永斌 褚鵬蛟

（1.中國航天系統科學與工程研究院；2.北京航天時代光電科技有限公司）

光纖陀螺（Fiber Optical Gyro，FOG）自20世紀70年代被提出以來，便以其優異的性能引起人們的廣泛關注。與傳統機的電陀螺相比，光纖陀螺作為全固態儀表，不具備運動部件和磨損部件，具有成本低、壽命長、體積小、動態范圍大、結構設計靈活、生產工藝簡單、應用范圍廣等特點；與激光陀螺相比，光纖陀螺具有不需要克服“自鎖”用的機械抖動裝置，無超高精度的光學加工要求，無超密封氣體要求，具有裝配工藝簡單、功耗低、可靠性高等優點。因此，基于光纖陀螺的捷聯慣導系統從中低精度應用領域向中高精度應用領域發展，不僅在國防和軍事領域有強大的應用需求，在高鐵等民用領域也有很好的市場前景。本文通過對光纖陀螺捷聯慣導系統的全球相關專利進行全面檢索，系統分析了國內外專利的整體申請態勢，總結了專利技術發展路線和技術功效，旨在為我國光纖陀螺捷聯慣導系統相關科研攻關和技術發展決策提供信息支撐。

一、專利宏觀分析

本文采用德溫特世界專利索引數據庫（Derwent World Patents Index）對光纖陀螺捷聯慣導系統的相關專利技術進行檢索，檢索截止時間為2018年3月15日，經人工篩選、去噪共獲得682項INPADOC同族專利。

（一）技術構成分析

光纖陀螺儀和慣組的系統設計技術是光纖陀螺捷聯慣導系統中專利申請的主要方向，占到總申請量的62%；其次為光纖陀螺儀和慣組測試技術，以及關鍵光學組件的設計與研制技術，各占總申請量的17%；其他技術申請量占比為4%。在光纖陀螺儀和慣組的系統設計技術中，光纖陀螺儀方面的專利占總申請量的65%，總體設計方面的專利占總申請量的23%，解算計算機方面的專利占總申請量的12%等。在關鍵光學組件的設計與研制技術中，光纖環是主要的技術分支，占該分支總申請量的74%，其次是Y波導和光源，分別占該分支申請量的13%和12%。在光纖陀螺儀和慣組測試技術中，主要包括誤差補償/抑制技術和標定技術，分別占該分支申請量的58%和42%。其他技術分支包括光纖陀螺捷聯慣導系統的溫控裝置、參數測量、信號分析等申請內容。圖1為光纖陀螺捷聯慣導系統專利的技術構成。

圖1 光纖陀螺捷聯慣導系統專利的技術構成

（二）申請趨勢分析

有關光纖陀螺捷聯慣導的專利申請從20世紀70年代中期開始出現，最早的專利申請是美國猶他大學于1974年提交的發明專利US4013365。在此之后，1986年出現了光纖陀螺儀和慣組測試技術的專利，如美國德雷珀實驗室（Draper Laboratory）的發明專利US4840489。1993年出現了關鍵光學組件的設計與研制技術的專利申請，如美國利頓公司的發明專利US5818590和美國Andrew公司的發明專利US5481358。此后一直到20世紀90年代后期，法國、德國和日本在此領域的專利申請開始出現并且數量逐漸增加，全球的專利申請進入振蕩式發展期。

進入21世紀后，國外的專利申請數量經歷小幅回落后又重新上升，并在2013年出現一個局部申請高峰，年申請量達到13項。相比而言，我國的專利申請出現較晚，1994—1995年才開始出現零星的幾項專利。但是進入21世紀后，我國的專利申請量呈現指數型快速增長趨勢，在2013年達到專利申請高峰，且近幾年的申請量均保持在較高的增長水平。圖2為國內外在光纖陀螺捷聯慣導方面的專利申請趨勢圖。

圖2 國內外在光纖陀螺捷聯慣導方面的專利申請趨勢

（三）申請區域分析

光纖陀螺捷聯慣導系統的專利申請主要國家包括中國、美國、日本、法國、德國、俄羅斯等。其中，我國的專利申請數量最多，共申請了497項專利，占總申請量的73%；美國排名第二，共申請了109項專利，占總申請量的16 %；日本、俄羅斯、法國和德國的申請量相對較少，分別有26項、18項、15項和12項專利。此外，印度、歐洲、烏克蘭、韓國等國家和地區也有少量的專利申請。圖3為主要國家技術分布圖。

從圖3中可以看出，中國、美國、日本、法國、德國和俄羅斯的專利申請主要集中在光纖陀螺儀和慣組的系統設計技術方面；其中，中國和美國在各個技術分支上均有專利分布，技術覆蓋比較全面；其他國家的專利申請量較少，而且未能覆蓋全部技術領域。而從技術分支來看，光纖陀螺儀和慣組的系統設計技術方面的專利申請主要來自于中國、美國、日本、法國、德國和俄羅斯；光纖陀螺儀和慣組測試技術方面的專利申請主要來自于中國、美國、日本和德國；光纖陀螺儀關鍵光學組件的設計與研制技術方面的專利申請主要來自于中國和美國。

（四）專利申請人分析

在光纖陀螺捷聯慣導系統領域，全球排名前15位的專利申請人包括中國申請人10位，美國申請人4位，法國申請人1位，如圖4所示。

在全球排名前15位的申請人中，北京航空航天大學、哈爾濱工程大學和中國航天科技集團有限公司的專利申請量排名前三。其中，北京航空航天大學對于光纖陀螺儀、光纖環、光纖陀螺儀和慣組的誤差補償/抑制等方面專利申請較多；哈爾濱工程大學在解算計算機領域布局最多，其次是光纖陀螺儀和慣組的測試技術；中國航天科技集團有限公司則在光纖陀螺儀和慣組的總體設計領域專利技術積累較多。

美國的申請人主要包括霍尼韋爾國際公司和諾斯洛普·格魯門公司，其中，霍尼韋爾國際公司一直致力于研究用于空間定位和潛艇導航的精確級光纖陀螺，從1988年開始申請相關專利，此后持續產出了大量的技術成果和專利，尤其在高精度光纖陀螺儀的誤差抑制補償和系統集成方面布局了較多專利。諾斯洛普·格魯門公司的光纖陀螺技術在低中精度應用領域最為成熟，該公司早在1985年就申請了相關專利，除了光纖陀螺儀之外，其在光纖環領域技術優勢明顯并布局了較多的專利，技術優勢體現在光纖陀螺儀及其關鍵組件的結構設計優化及改進方面。

此外，法國的iXBlue公司長期以來也一直致力于高性能光纖陀螺的開發和研究，該公司在1989—2015年共申請了13項相關專利，全部分布于光纖陀螺儀和慣組的系統設計技術領域，涉及光纖陀螺儀和總體設計技術。該公司的大多數專利均在美國進行了布局，可見其主要的目標市場是美國。

圖4 全球前15位專利申請人分布

二、技術發展路線分析

光纖陀螺儀作為慣導系統中最重要的敏感元件之一，直接影響著捷聯慣導系統的導航精度。本部分結合重點專利信息對光纖陀螺儀的技術發展路線進行詳細分析。

1974年，美國猶他大學的Vali和Shorthill等人首次提出了光纖環形干涉儀的概念。20世紀70年代中期，研究人員針對開環式干涉陀螺開展研究，主要是分析光纖陀螺輸出誤差的影響因素，以及提高其檢測靈敏度。從20世紀70年代末開始，研究人員開始研究標度因子性能，并出現了閉環形式的光纖陀螺。這一時期各國開始圍繞光纖陀螺的基本結構和類型開展廣泛的研究，先后提出了布里淵光纖陀螺、相位調零光纖陀螺儀和諧振式光纖陀螺等技術方案。20世紀80年代以后，集成光學耦合器、偏振器、相位調制器等集成光學器件的研究取得較大進展，光纖陀螺的精度有了較大提高；與此同時，圍繞干涉式光纖陀螺儀的緊湊結構和小型化工作也開始推進。20世紀80年代中后期，隨著光纖陀螺技術在理論上的積累和重大突破，光纖陀螺的研究工作開始從實驗室走向工程實踐，第一批低精度的光纖陀螺產品于1985年問世，并得到了相關的應用。

20世紀90年代初，研究人員圍繞光纖陀螺的誤差因素和光學元件進行了深入研究，使其性能得到了很大提升。與此同時，為了降低光纖陀螺的成本，寬帶非偏振光源等技術方案被提出；隨著全球光纖通信技術的發展，光纖陀螺的工作波長組件從850nm變為1550nm，使得其可以與更先進的高新能光源、光電集成和數字信號處理等技術相結合，從而進一步提升光纖陀螺的性能，并降低成本，這一時期在光纖陀螺的核心工藝——繞纖技術方面也出現了相關的專利申請。20世紀90年代后期，隨著保偏光纖、集成光學調制器和光學器件等的實用化，干涉式光纖陀螺開始走向市場，理論研究方面則開始向精密級和三軸一體集成等方向發展。

進入21世紀以后，光纖陀螺儀商品化發展的需求增加，研究人員一方面繼續深入研究光纖陀螺的工程化應用，運用微光電機械、信號處理技術、專用集成電路等手段提高光纖陀螺的集成化和綜合性能，另一方面，提出了光子晶體光纖陀螺的概念。與此同時，美國霍尼韋爾公司在諧振式光纖陀螺領域取得了一定突破，并申請了多項專利。圖5為光纖陀螺儀的專利技術發展路線。

總的來看，干涉式光纖陀螺儀正向高精度、低成本、小型化和集成光學等方向發展。諧振式光纖陀螺在小型化上具有明顯優勢，霍尼韋爾等公司正在加大對該技術的研究和布局力度。相比而言，光子晶體光纖陀螺和布里淵散射光纖陀螺還處于理論研究階段，尚未進入工程化應用。

三、技術功效分析

圖6為光纖陀螺儀和慣組系統設計技術的功效矩陣圖，圖中橫坐標代表技術手段，縱坐標代表技術效果，圓圈的大小及其中心的數字反映了采用對應技術手段并達到對應技術效果的相關專利項數。

結合圖6和各個技術手段/技術效果的專利申請趨勢可知，利用光路性能測試來提升陀螺性能，通過導航算法改進增強系統應用性能，以及通過全光纖化、一體化、集成化和模塊化等手段來減小體積是光纖陀螺和慣組系統設計領域的三大研發熱點和技術創新方向，專利壁壘較大，在進行布局時需要重點加以規避。相較而言，結構優化、降成本、提高可靠性、陀螺應用、陀螺測試、噪聲分析與抑制等方面的專利申請較稀疏，屬于技術空白區，反映出這些領域的技術研發和創新相對較少。

圖6 光纖陀螺儀和慣組系統設計技術的功效矩陣

四、結論和建議

光纖陀螺捷聯慣導系統自20世紀70年代發展至今，關鍵技術不斷取得突破，應用領域不斷拓展。通過專利分析研究可知，當前光纖陀螺捷聯慣導技術正在向高精度、低成本、小型化和集成光學等方向發展。其中，美國是最主要的技術產出國，技術發展和應用最為成熟，并在世界多國進行了廣泛的專利布局，其在干涉式光纖陀螺技術方面基本成熟，諧振式光纖陀螺逐漸走向工程應用，正在抓緊進行新一代光纖陀螺及其慣導系統的理論和應用研究。

我國雖然起步較晚，但技術水平和專利申請數量近年來保持快速增長的態勢，在高精度光纖陀螺捷聯慣導系統的整體穩定性和工程化應用方面還有一些技術難題有待突破，可以從以下方面進行優化：

一是我國在不斷推進光纖陀螺捷聯慣導系統領域技術發展的同時，也需要加強對相關知識產權成果的保護和布局。二是加強高校和科研院所的技術合作，集中國內優勢力量發展高精度光纖陀螺儀及其捷聯慣導系統，重視低成本、小型化和集成光學等方向的工程化研究。三是對于軍事目的明確的核心技術，適當加強保密審查，避免國外跟蹤分析我國技術情況。四是對于具有出口前景的軍民兩用技術，可將專利布局與知識產權轉化和市場效益相結合，根據國際合作或產品出口情況加強海外專利布局。