試論光纖陀螺技術的發展及應用

摘要：光纖陀螺是現階段最新的角速度傳感器，與上一代的激光陀螺相比，其優勢明顯，構件較少、體積小、重量輕、造價便宜，在承受較大的溫度變化后仍能保持較高的精度，因此在航空航天、軍事以及工程等各個領域得到了廣泛的應用。文章分析了光纖陀螺的優點，論述了光纖陀螺技術的發展現狀，介紹了光纖陀螺技術的應用。

關鍵詞：光纖陀螺技術；角速度；傳感器；光學元件；調節器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN249 文章編號：1009-2374（2016）17-0052-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.024

1 光纖陀螺的優點

和以往的光纖陀螺相比，光纖陀螺儀構成的部件較少，而且沒有可以發生相對運動的原件，故沒有磨損發生。再加上光纖陀螺體積較小，重量非常輕，能夠感知微小的差別，其分辨率非常高，可以長時間進行穩定的工作，能夠承受環境的變化而保持穩定運行。光纖陀螺的主要組成原件有傳感器、寬帶光源以及調節器等。根據光纖陀螺的精度不同，可以將其分為不同的種類，根據工作所需的精度不同，應用的光纖陀螺也不同。比如在商業中往往應用較低精度的光纖陀螺儀，而在軍事和航空航天領域一般使用精度較高的光纖陀螺儀。

2 光纖陀螺技術的發展現狀

現階段光纖陀螺技術受到各個領域的普遍關注。按照組成光纖陀螺儀元器的不同，逐漸形成了集成型與全光纖型兩種光纖陀螺儀。其中集成型的光纖陀螺儀穩定性較高，其把內部主要的光學元件例如調節器等都安裝到同一塊電子芯片上，這樣一來可以在工業流水線上進行大規模的生產，因此造價比較便宜。和集成型光纖陀螺儀不同的是，全光纖型把幾乎全部的光學元件都安裝到同一條光纖上，幾乎陀螺儀全部都使用光纖材料?，F階段，全光纖型的光纖陀螺技術已經非常成熟，造價也相對低廉，但是以現有的技術條件很難突破精密度的瓶頸，因此全光型光纖陀螺儀在商業中應用較多。在國家國防以及經濟發展的過程中，光纖陀螺儀扮演著十分重要的角色，因此世界各國對光纖陀螺儀的研發非常重視，但也各有側重點。以歐美國家和日本為例，歐美在應用于軍事以及航空航天領域的中高精度光纖陀螺儀上取得了較高的水平，而日本研究的中心在于應用在商業上低精度光纖陀螺儀。我國光纖陀螺儀技術及應用取得了豐碩的成果：精度不斷提高，達到了精密級，還提高了慣導系統對溫度、力學、磁場等環境的適應性，實現了較高的長期穩定性；解決了光電子器件、關鍵工藝設備等基礎技術問題，并實現了國產化；滿足了衛星、飛船、空間飛行器、新一代運載火箭等型號的需求，應用推廣到了海陸空天領域，不僅如此，相關技術還推廣到民用領域。光纖電流傳感器技術和產品成果顯著。在未來的一段時間分辨率較高而且穩定性高的數字輸出光纖陀螺儀將會成為各個國家重點研究的對象。

3 光纖陀螺技術的應用

早在20世紀50年代，我國已經將陀螺儀應用于航天技術上，東方紅一號的發射就是典型的例子，除此之外還有兩彈一星中的導彈，其試射成功同樣離不開陀螺儀。目前光纖陀螺逐步走進人們的生活中，用于各種商業用途，例如在環保和建筑領域，就發揮了其出色的

性能。

3.1 在空間中的應用

首先是在飛船中的應用，現階段大部分飛船等空間應用都會使用精度較高的光纖陀螺儀，GPS系統與光纖陀螺儀結合起來能夠對飛船進行導航和定姿，還可以備份航天資料；其次是在飛機中的應用，采用光纖陀螺儀為主要的慣性元件的飛機能夠保證飛機的穩定飛行。光纖陀螺儀可以控制戰斗機的武器系統，保證直升機空中打擊的精確?，F階段美國精度為0.2°～5°每小時的光纖陀螺儀已經運用到飛機飛行的姿態控制中。例如PU210的光纖陀螺儀在Hark直升機以及PVT-17、M-6、KE-47、運輸機等中廣泛應用；最后是在火箭中的應用，火箭發射的過程中，光纖陀螺儀可以進行火箭升空的發射跟蹤以及距離的確定。

在衛星飛行的過程中，姿態控制是重中之重，只有這樣衛星才能確保準確無誤的飛行和穩定的完成工作。將光纖陀螺儀配合GPS使用，可應用于衛星定姿系統，因為光纖陀螺儀的構建簡單，體積較小，對環境變化的耐受力較強，功耗非常低，因此可以大幅度提升衛星的工作載荷。現階段越來越多的衛星都會應用光纖陀螺儀作為姿態控制系統。精度較高的慣導系統光纖陀螺儀一般偏差是0.0005°～0.005°每小時之間，其標度因子的偏差在2～6PPm之間。美國的NK396型光纖陀螺儀已用于Discover、Night、The harks、Might start、Cost、Mses-C等衛星當中。法國的MUC、NC以及TC等多個系列光纖陀螺儀都廣泛地應用于信號衛星中。

3.2 在航海中的應用

目前商用或者是軍用的各功能艦船已經普遍使用光纖陀螺儀。以日本的某光纖陀螺儀公司為例，其將偏差只有0.0026°每小時的光前陀螺儀應用到航海羅盤中。美國的CNC公司已經將型號為DNT-600的光纖陀螺儀應用到軍用船舶的雷達中去。除此之外，光纖陀螺儀在潛艇中也有著廣泛應用，能夠精確地確定潛艇的位置。

3.3 在軍事中的應用

導彈一直以來就是空中的利器，其最大優勢就在于機動性和靈活性。現在的導彈只要知道目標在哪里，導彈就可以不受任何干擾地實現精確打擊，這就是慣性制導。在西方發達國家，光纖陀螺儀在軍事上得到廣泛應用，在軍事上運用的事例有美國的“戰斧”式導彈。更重要的是，光纖陀螺儀生產周期短、易于制造，我國的中程反導和反衛星就已經用了光纖陀螺技術。

3.4 在工程中的應用

精度不高的光纖陀螺儀可以在工程中發揮出色的性能。例如在地下工程的維護過程中，確定損壞電纜或者是管道的位置是一大難題，但是利用光纖陀螺儀可以非常簡單快捷準確地找到故障源，方便相關工作人員及時更換、排除故障。除此之外，光纖陀螺儀還可以用于油氣探索以及地形測量中?？山柚饫w陀螺儀承有較強環境耐受力的特性，將其應用于鉆井設備中，還可將光纖陀螺儀應用于隧道挖掘中，指引挖掘機器的方向，保證工程質量。在光纖陀螺儀普遍應用于大壩的檢測中，根據其角速度的變化數據，可以準確判斷大壩的形態。以下是光纖陀螺儀在某水電站應用的實例。圖1為2015某水電站測得的板撓度數據。

由表1中不難看出得出，光纖陀螺儀2015年面板撓度整體呈一個增加的趨勢，但是增加的幅度不是太大，各點面板相對撓度年增加量在10mm以內，絕對撓度年增加量在20mm以內。2015年兩個峰值變化不大，第一峰值在離壩底管口的138m處，也就是▽247m處，第二個峰值位于離大壩底管的327m處，也就是▽368m的地方。因為兩個峰值撓度相對都大，所以要保持持續的關注。

除上述內容之外，光纖陀螺儀還可以配合其他機械設備應用于建筑以及環保等行業，能夠出色地完成

任務。

4 結語

現階段，光纖陀螺儀在航空航天、軍事以及工程等各個領域得到了廣泛的應用，目前全球每年生產光纖陀螺儀的數量也突破了十萬大關，隨著科學水平的迅速發展，生產光纖陀螺儀的工藝也在不斷地改善，其造價成本也不斷下降，相信在未來的一段時間內光纖陀螺儀將會逐步占據陀螺儀市場的主導地位。

參考文獻

[1] 金杰，王玉琴.光纖陀螺研究綜述[J].光纖與電纜及其應用技術，2013，（6）.

[2] 陳塞崎，袁冬莉，閆建國，賈偉，周健.光纖陀螺綜述[J].光纖與電纜及其應用技術，2014，（6）.

[3] 王威.基于DSP、FPGA閉環光纖陀螺儀的研究與實現[D].哈爾濱工程大學，2013.

[4] 薛強.光纖陀螺實驗儀的研制[D].哈爾濱工業大學，2014.

[5] 牟瓊.光纖陀螺的研究現狀與發展趨勢[J].半導體光電，2014，（2）.

[6] 王立新.光纖傳感器研究現狀及展望[J].自動化與儀表，2013，（6）.

作者簡介：邱洪亮（1981-），男，吉林通榆人，91515部隊工程師，研究方向：陀螺技術。

（責任編輯：蔣建華）