高精度光纖陀螺技術(shù)的發(fā)展與思考?

王鵬飛 林 媛

（1.海裝駐上海地區(qū)第二軍事代表室 上海 200129）（2.中國(guó)人民解放軍92001部隊(duì) 青島 266000）

1 引言

光纖陀螺和以光纖陀螺為核心的慣性測(cè)量產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于航海、航空、航天、兵器、能源等各個(gè)領(lǐng)域。隨著技術(shù)水平的進(jìn)步、光路器件性能的提升以及制造工藝的逐漸成熟，使光纖陀螺產(chǎn)品在近幾年得到了快速發(fā)展，實(shí)用精度顯著提升［1～2］。

法國(guó)iXblue公司和美國(guó)Honeywell公司等世界上先進(jìn)的光纖陀螺研制生產(chǎn)單位，都已將高精度光纖陀螺應(yīng)用到了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。隨著光纖陀螺的不斷優(yōu)化，基于光纖陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)必將在高精度慣性市場(chǎng)占有一席之地。

與國(guó)外先進(jìn)水平相比，突破高精度光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)問題對(duì)國(guó)內(nèi)光纖陀螺技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展都有十分重要的意義。

高精度光纖陀螺誤差主要包括標(biāo)度因數(shù)誤差和輸出噪聲誤差。這兩方面誤差與光源光譜以及光譜在光纖光路中的傳輸規(guī)律有很大的相關(guān)性。光譜的變化導(dǎo)致平均波長(zhǎng)的改變，直接導(dǎo)致光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)發(fā)生偏移。光譜的變化也導(dǎo)致光源相對(duì)強(qiáng)度噪聲（Relative Intensity Noise，RIN）分布規(guī)律變化。相對(duì)強(qiáng)度噪聲是高精度光纖陀螺的基本噪聲，有效的抑制方案是提高光纖陀螺精度的一條途徑［3］。在干涉信號(hào)檢測(cè)與處理方面，閉環(huán)反饋波形對(duì)PIN探測(cè)端“串?dāng)_”會(huì)引起“死區(qū)”現(xiàn)象。該現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響陀螺標(biāo)度因數(shù)指標(biāo)和對(duì)極低轉(zhuǎn)速的敏感輸出。

本文針對(duì)高精度光纖陀螺的技術(shù)發(fā)展，重點(diǎn)描述國(guó)內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀，闡述目前面臨的問題，分析后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，為高精度光纖陀螺技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考方向。

2 高精度光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外高精度光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外公開報(bào)道的光纖陀螺長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性已優(yōu)于1×10-5?/h，慣導(dǎo)系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用的也已達(dá)到10-5?/h量級(jí)。研制單位主要包括法國(guó)iXblue公司、美國(guó) Honeywell公司、美國(guó)L3 Space&Navigation公司、意大利GEM elettronica公司和俄羅斯Optolink公司等。

1）法國(guó) iXblue公司

2013年，iXblue公司專家 H.Lefèvre在文獻(xiàn)中給出了空間用ASTRIX200系統(tǒng)應(yīng)用的FOG200光纖陀螺測(cè)試結(jié)果。在測(cè)試300h后，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到4×10-5?/h1/2，且精度仍在隨時(shí)間持續(xù)提高；測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于同時(shí)測(cè)試的半球諧振陀螺和激光陀螺。

同年，公司在實(shí)驗(yàn)室條件下，40℃恒溫箱中（溫控精度為0.2℃），對(duì)光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。結(jié)果顯示，38天的線性漂移小于0.4海里（對(duì)應(yīng)0.01Nm/24h），如果在漂移中包括Schuler誤差和24h振蕩，則結(jié)果接近38天1海里，測(cè)試結(jié)果如圖1所示［4～6］。

圖1 iXblue公司光纖慣導(dǎo)38天測(cè)試數(shù)據(jù)

將零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)誤差都考慮在內(nèi)，角速度精度為1.5×10-5?/h；對(duì)應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性約為4.7×10-6?/h，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性約1ppm。

2014年歐洲海軍防務(wù)展（EURONAVAL 2014）上，iXblue公司推出了MARINS M7光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，用于海軍水面艦艇和潛艇，位置精度達(dá)到1 Nm/72h，對(duì)應(yīng)光纖陀螺實(shí)際精度約10-4°/h。對(duì)于潛艇而言，MARINS M7支持自動(dòng)隱形導(dǎo)航的時(shí)間是其他系統(tǒng)的3倍［7］。

2019年，公司公布了其優(yōu)化設(shè)計(jì)的MARINS M9、M11慣性導(dǎo)航產(chǎn)品［8］，新產(chǎn)品較大幅度提升了產(chǎn)品體積和重量，預(yù)計(jì)進(jìn)行了更優(yōu)化的溫度均衡性設(shè)計(jì)。其中，M11實(shí)現(xiàn)了1Nm/15天位置精度的光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)光纖陀螺精度約2×10-5°/h。MARINS M系列產(chǎn)品部分指標(biāo)如表1所示。

表1 MARINS M系列慣導(dǎo)系統(tǒng)性能指標(biāo)

MARINS系列慣導(dǎo)產(chǎn)品終身免標(biāo)校、免維護(hù)，現(xiàn)已在英、法、瑞典、阿聯(lián)酋等多個(gè)國(guó)家海軍的艦艇及潛艇中應(yīng)用，其中包括伊麗莎白女王級(jí)航空母艦和機(jī)敏級(jí)核潛艇。

近期，公司還致力于開發(fā)大型BlueSeis光纖陀螺產(chǎn)品系列，該系列產(chǎn)品致力于地球科學(xué)應(yīng)用，尤其適用于地表運(yùn)動(dòng)測(cè)量。

2）Honeywell公司

2016年，Honeywell公司在Fiber Optic Sensors and Applications XIII會(huì)議上介紹了其參考級(jí)光纖陀螺的研制情況。未補(bǔ)償?shù)墓饫w陀螺長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性（零偏不穩(wěn)定性）優(yōu)于3×10-5?/h，隨機(jī)游走系數(shù) 達(dá) 到 1.6×10-5?/h1/2，噪 聲 等 效 角 度（NEA）為300nrad/30min，白噪聲小于 3×10-6asec/Hz1/2。光纖陀螺模型和Allan方差結(jié)果如圖2所示［9］。

圖2 Honeywell公司參考級(jí)光纖陀螺模型及測(cè)試結(jié)果

該光纖陀螺的隨機(jī)游走系數(shù)已經(jīng)可以和最新的原子陀螺相比擬，同時(shí)光纖陀螺具有當(dāng)前原子陀螺不具備的便攜性和可生產(chǎn)性。零偏穩(wěn)定性和角度白噪聲也優(yōu)于報(bào)道過的最優(yōu)等級(jí)半球諧振陀螺，也可作為精度和靈敏度極高的大地測(cè)量、慣性測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)儀表。Honeywell公司小批量生產(chǎn)的高性能空間用光纖陀螺HPSFOG長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性在（2～6）×10-4?/h，標(biāo)度因數(shù)誤差在1 ppm 范圍以內(nèi)。

3）L3 Space&Navigation公司

L3 Space&Navigation公司光纖陀螺慣性測(cè)量產(chǎn)品包括戰(zhàn)略級(jí)和超戰(zhàn)術(shù)級(jí)（小型化產(chǎn)品），已在水上、陸地、航空、太空和各型導(dǎo)彈等多種場(chǎng)合得到應(yīng)用。其高性能的慣性測(cè)量單元CIRUS-A中光纖陀螺的長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性達(dá)到1×10-4?/h，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性達(dá)到±2ppm，如圖3所示［10］。

4）GEM elettronica公司

意大利GEM elettronica公司的產(chǎn)品主要應(yīng)用于海洋、海岸、艦艇和潛艇，包括光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、光電監(jiān)控設(shè)備、操控臺(tái)、激光雷達(dá)等。

公司在2017年發(fā)布了與法國(guó)MARINS M7水平相當(dāng)?shù)腟URF-200高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，采用了戰(zhàn)略級(jí)的光纖傳感器（光纖陀螺），產(chǎn)品服役周期內(nèi)免校準(zhǔn)。另外，法國(guó)MARINS M系列慣導(dǎo)系統(tǒng)被禁止對(duì)中國(guó)出售，而SURF-200不受國(guó)際武器貿(mào)易條 例（International Traffic in Arms Regulations，ITAR）限制，SURF-200 系統(tǒng)如圖4所示［11］。

圖3 L3 S&N公司的光纖陀螺的慣性測(cè)量單元CIRUS-A

圖4 SURF-200高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

SURF-200慣導(dǎo)系統(tǒng)在體積、重量上也明顯優(yōu)于法國(guó)MARINS M7，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 SURF-200高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要指標(biāo)

5）Optolink 公司

2018年，俄羅斯 Optolink公司公開了其SRS-5000光纖陀螺及高精度慣性測(cè)量單元IMU-5000樣機(jī)，在恒溫情況下零偏不穩(wěn)定性優(yōu)于8×10-5°/h（根據(jù)Allan方差擬合），主要性能指標(biāo)如表 3所示［12］。

圖5 Optolink公司的SRS-5000及IMU-5000實(shí)物

表3 IMU-5000用光纖陀螺技術(shù)指標(biāo)

2.2 國(guó)內(nèi)高精度光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，國(guó)際高精度光纖陀螺技術(shù)發(fā)展方向被不斷證實(shí)，國(guó)內(nèi)大幅度加強(qiáng)了此方面的研究投入，光纖陀螺的技術(shù)水平、制造工藝和光學(xué)器件性能迅速發(fā)展，并明顯推進(jìn)了高精度光纖陀螺在方案設(shè)計(jì)、光纖環(huán)制造封裝、信號(hào)檢測(cè)與閉環(huán)控制技術(shù)等關(guān)鍵問題的進(jìn)步。

主要研究單位包括北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、航天科工三院三十三所、航天時(shí)代光電技術(shù)公司等，各單位均研制出了高精度光纖陀螺的原理樣機(jī)。實(shí)際生產(chǎn)并應(yīng)用的產(chǎn)品中，比較有代表性的如北京航空航天大學(xué)研制的F120HC、F120HD等光纖陀螺產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)高精度光纖陀螺的應(yīng)用技術(shù)同樣存在問題，光纖陀螺還沒有真正融匯到慣性測(cè)量系統(tǒng)之中，導(dǎo)致了傳感器的環(huán)境適應(yīng)性劣化，預(yù)熱時(shí)間變長(zhǎng)。從高精度的光纖陀螺到真正的高精度慣性測(cè)量設(shè)備，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化。

在艦船應(yīng)用上有一定代表性的是哈爾濱工程大學(xué)研制的光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，采用了三軸一體化光纖陀螺結(jié)構(gòu)（如圖6所示），邁出了光纖陀螺與上層慣導(dǎo)系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)的第一步，解決問題的思路直接有效，其精度水平也有很大的發(fā)展空間。

綜合來講，目前國(guó)內(nèi)高精度光纖陀螺正逐漸由實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)步入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段，但相比于iX-blue、Honeywell等世界先進(jìn)單位，國(guó)內(nèi)高精度光纖陀螺在標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性、光學(xué)噪聲抑制、多物理場(chǎng)影響下的精度保持能力、長(zhǎng)期可靠性和自校準(zhǔn)等方面還有較大差距。

圖6 哈爾濱工程大學(xué)的船用光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)外形及內(nèi)部

3 面臨的問題和思考

目前，國(guó)內(nèi)研制高精度光纖陀螺的理論模型還不夠完整，對(duì)光器件選型、信號(hào)處理、封裝工藝和測(cè)試標(biāo)定方案等都難以形成有效支持。

1）光路引起的標(biāo)度和噪聲問題

高精度光纖陀螺對(duì)標(biāo)度因數(shù)指標(biāo)要求在1 ppm以內(nèi)。影響標(biāo)度因數(shù)指標(biāo)的因素眾多，包括光纖環(huán)的熱脹冷縮、光譜傳輸誤差和多重閉環(huán)控制的參數(shù)變化等，準(zhǔn)確的標(biāo)度因數(shù)描述模型是研究的必要基礎(chǔ)。目前，基于光譜傳輸變化及其影響因素建立的標(biāo)度因數(shù)模型研究才剛剛開始，也是目前高精度光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差最不確定的因素。

光纖光路中的背向反射和散射、振幅型偏振誤差、光源相對(duì)強(qiáng)度的變化都會(huì)引起光路噪聲。前兩者與寄生干涉、偏振濾波相關(guān)，而后者則與光路傳輸?shù)墓庾V變化相關(guān)，且與光譜寬度成反比。但光譜傳輸變化對(duì)光源相對(duì)強(qiáng)度噪聲的影響同樣缺乏準(zhǔn)確可量化的描述模型。

2014 年，法國(guó) iXblue 公司的 F.Guattari［13～14］等提出了一種光源相對(duì)強(qiáng)度噪聲抑制方案，如圖7所示。方案通過對(duì)干涉光和對(duì)比光傳輸光程的嚴(yán)格控制，可實(shí)現(xiàn)延時(shí)一個(gè)渡越時(shí)間的兩路光的相對(duì)強(qiáng)度噪聲相減，最高可降低陀螺噪聲水平4倍以上，為高精度光纖陀螺的發(fā)展提供了一條可行路線。

圖7 基于光路相減的光源相對(duì)強(qiáng)度噪聲抑制方案

目前面臨的問題是，通過干涉儀較長(zhǎng)光路的光譜可能有噪聲分布上的較大改變，進(jìn)而與對(duì)比路噪聲分布失去對(duì)比性，失去相減抑制效果。該分析可以解釋目前較短干涉光路的抑制效果更明顯的現(xiàn)象，而較短光路與高精度設(shè)計(jì)本身是矛盾的。因此，方案需要與傳輸過程的光譜控制研究同時(shí)開展，一旦解決后可實(shí)現(xiàn)光纖陀螺在精度上的大幅度進(jìn)步。

2）配套光纖器件的問題

高精度光纖陀螺的關(guān)鍵器件包括Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、光纖光源、保偏光纖環(huán)等。

從性能指標(biāo)來講，國(guó)內(nèi)存在高精度光纖陀螺與高品質(zhì)器件供需不平衡的問題。例如:Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的高芯片消光比、低殘余強(qiáng)度調(diào)制等指標(biāo)不滿足要求；光纖環(huán)的偏振串音穩(wěn)定性、背向散射、粘接后存在局部應(yīng)力集中等問題；光纖光源的光譜形狀、光譜穩(wěn)定度和偏振穩(wěn)定度不理想等問題，這些問題尚未在制造工藝上很好解決，批次性難以保障。此外由于光纖器件本身延伸自光纖通信產(chǎn)業(yè)，存在器件測(cè)試與陀螺應(yīng)用脫節(jié)，器件指標(biāo)無法直接在計(jì)算模型中體現(xiàn)等問題。建立陀螺光路精確模型的意義在于，對(duì)器件設(shè)計(jì)制造和測(cè)試方案進(jìn)行正確的指導(dǎo)，從光路總體全局和指標(biāo)相互聯(lián)系的角度權(quán)衡指標(biāo)要求，建立完備的器件―陀螺指標(biāo)對(duì)應(yīng)體系。例如，光纖陀螺光路中的光纖耦合器、Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、光纖環(huán)均應(yīng)建立光譜透射性指標(biāo)，以保障光路傳輸過程中的光譜穩(wěn)定。目前配套的光器件，僅有寬帶光纖耦合器列出了光學(xué)帶寬指標(biāo)，其關(guān)聯(lián)的另一項(xiàng)指標(biāo)是波長(zhǎng)相關(guān)損耗（最大值），沒有光譜平均波長(zhǎng)變化信息，沒有溫度相關(guān)變化信息。而且常用的光譜分析儀分辨率只有0.01nm，也無法分辨常規(guī)條件下的光譜變化。

借助微結(jié)構(gòu)光纖等新材料、相變溫控等新方法、新型工藝光纖器件以及激光封焊新工藝的研究和應(yīng)用，也是支持高精度光纖陀螺的發(fā)展的有效途徑。

3）電路設(shè)計(jì)和控制算法的問題

光纖陀螺干涉儀輸出的微弱信號(hào)，容易受到模擬電路不穩(wěn)定的影響。雖然還沒有文獻(xiàn)進(jìn)行具體分析，但電路本身的抗干擾設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，對(duì)高精度光纖陀螺的長(zhǎng)期漂移存在較大影響。通過模/數(shù)隔離接地、電源分區(qū)、濾波網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、電磁兼容設(shè)計(jì)等技術(shù)手段可以大大減小這些電學(xué)干擾。

其他方面，在電路方案中實(shí)現(xiàn)本征頻率跟蹤的第三閉環(huán)設(shè)計(jì)也有利于抑制陀螺輸出的漂移和標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)還在研究階段。調(diào)制波形的隨機(jī)性可將對(duì)探測(cè)端的相關(guān)性串?dāng)_降至最低，從而抑制陀螺輸出“死區(qū)”的產(chǎn)生，但不是“死區(qū)”產(chǎn)生的唯一原因，還包含其他光學(xué)、電路噪聲等。另外，通過增加AD和DA轉(zhuǎn)換位數(shù)實(shí)現(xiàn)量化噪聲的抑制，也是實(shí)現(xiàn)輸出降噪的有效手段。

4）陀螺總成的技術(shù)、工藝問題

光纖陀螺在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出的精度水平與陀螺自身的光器件裝配、慣性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)陀螺的裝配方式都緊密相關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)在高精度光纖陀螺在裝配方面缺乏有效的理論指導(dǎo)，光纖陀螺測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用環(huán)境也有較大差距，綜合導(dǎo)致了實(shí)際應(yīng)用中的精度變差。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，高精度光纖陀螺的自身設(shè)計(jì)上，需要采用多層結(jié)構(gòu)，減緩光纖環(huán)的溫度變化速率、促進(jìn)溫度的平衡分布，進(jìn)而提升陀螺的溫度適應(yīng)性能［15～16］，國(guó)內(nèi)已有相應(yīng)的研究基礎(chǔ)。另一方面，慣性測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上同樣要考慮陀螺的溫度均衡性，例如，系統(tǒng)的底座可能是進(jìn)行熱傳遞的集中通道，在環(huán)境溫度變化的影響下正交坐標(biāo)系下三軸陀螺溫度場(chǎng)存在嚴(yán)重失衡。如果在熱量的物理傳導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)陀螺的最佳溫度均衡設(shè)計(jì)（可能是非正交的異形化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)），綜合統(tǒng)籌內(nèi)部熱源分布，再?gòu)木仃囎儞Q的角度投影到等效的數(shù)學(xué)平臺(tái)，可能是解決系統(tǒng)溫度問題的一個(gè)較好方案。

在陀螺總成工藝上，光纖環(huán)固化膠吸收、釋放水汽導(dǎo)致的光纖環(huán)尺寸變化也是影響標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性的直接原因。采用激光焊接方案會(huì)比密封橡膠圈和密封膠方案在維持吸水導(dǎo)致的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性上更加有效，通過封焊工藝也可進(jìn)一步均化溫度場(chǎng)擾動(dòng)。另外，找到更合適材料的光纖環(huán)粘接底板和粘接方案，也是解決光纖環(huán)應(yīng)力匹配問題、提高光纖陀螺溫度性能的有效途徑。綜合應(yīng)用系統(tǒng)溫度控制、減振設(shè)計(jì)、建模補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)途徑，可以很好改善高精度光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性能。

4 結(jié)語

近幾年，國(guó)外在高精度光纖陀螺在研制和應(yīng)用上進(jìn)步幅度巨大，但公開報(bào)道中與高精度光纖陀螺理論與技術(shù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料極少。一方面，說明對(duì)光纖陀螺的技術(shù)認(rèn)知已接近成熟，基本技術(shù)方向已經(jīng)明確；另一方面，涉及核心產(chǎn)品的方案細(xì)節(jié)、器件指標(biāo)、控制補(bǔ)償算法和裝配工藝方案等具體問題需要國(guó)內(nèi)技術(shù)工作者自力更生解決。

目前，高精度光纖陀螺已在隨機(jī)游走系數(shù)、長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性、成本、可制造性等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。法國(guó)iXblue公司的MARINS系列產(chǎn)品光纖陀螺等效零偏重復(fù)性達(dá)到1.5×10-5°/h，已可望靜電陀螺之項(xiàng)背。在光纖陀螺的理論精度上，隨機(jī)游走系數(shù)可達(dá)10-6°/h1/2以內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性指標(biāo)可達(dá)10-6°/h以內(nèi)，零偏重復(fù)性精度更高（理論上為0），相應(yīng)可滿足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3個(gè)月乃至更長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)航需要。不僅如此，高精度光纖陀螺高精度和高敏感性，其應(yīng)用也已延伸到度量學(xué)（Metrology）、地震學(xué)（Seismology）、結(jié)構(gòu)傳感（Structural Sensing）以及慣性測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)等領(lǐng)域。