用于世界時測量的大型高精度光纖陀螺技術研究

王 巍，馮文帥，張首剛，于海成，李 晶

（1.中國航天科技集團有限公司,北京100048;2.北京航天控制儀器研究所時代光電公司,北京100094;3.中國科學院國家授時中心,西安710600）

0 引言

在導航衛星系統中,為滿足導航定位的實時性,地面主控站需提前預報導航衛星在地固系下的軌道坐標,提前注入到導航衛星存儲,導航衛星不斷將其廣播給用戶進行導航定位。地面主控站生成預測軌道時,需要對導航衛星進行精密的定軌,以實現用戶導航定位的實時性與準確性[1]。此外,測繪衛星、海洋衛星需要至少分米級的定軌精度以實現高精度測繪與觀測,空間飛行器的交會對接、月球以及行星探測任務均需實時進行軌道定軌的工作,保證入軌精度。

飛行器軌道所在的地心天球參考系（Geocentric Celestial Reference System,GCRS）與地面站所在的國際地球參考系（International Terrestrial Reference System,ITRS）的轉換模型如下

式（1）中,Q（t）為歲差-章動矩陣, 代表天球極在GCRS中的運動；R（t）為地球自轉矩陣,表示地球繞天球自轉軸的自轉；W（t）為極移矩陣。地球自轉矩陣R（t）反映地球實際自轉的信息,與世界時的準確值相關。世界時的預測精度直接影響轉換模型的準確度,進而影響衛星軌道的誤差[2]。

空間飛行器在進行坐標系轉換時,由于使用的是地球定向參數（Earth Orientation Parameters,EOP）預報值,參數預報誤差必然會影響坐標系的轉換誤差,進而對軌道預報結果引入誤差。坐標系轉換時需要使用預報參數,這會對軌道預報精度產生影響。EOP預報誤差對衛星軌道預報的影響隨預報時間增長而振蕩變大,預報1天的世界時誤差最大約0.4ms,對應的衛星軌道誤差（主要為衛星軌道的切向和法向誤差）約0.23m±0.18m,最大誤差達1m；預報7天的世界時誤差最大約1.24ms,衛星軌道誤差約0.44m±0.36m,最大誤差可達到2.5m；對于長期（110天）的軌道誤差可達十幾米左右,且該誤差主要由世界時的預報誤差引起[1]。

隨著深空探測飛行器等領域的精密定軌對時間測量系統的需求與日俱增,精確的世界時測量成為一項亟待解決的問題。目前,世界時信息主要通過國際地球自轉與參考系服務組織（International Earth Rotation and Reference System Service,IERS）以月報和周報的形式公布。IERS組織通過甚長基線干涉測量技術（Very Long Baseline Interferometry,VLBI）測量與分析計算得到世界時參數,該技術的世界時測量精度可達數十微秒（μs）量級,但該方法的實時性相對較差,1天僅獲取1個世界時參數,且需要全球布站,信息發布權掌握在IERS國際組織中。隨著現代空間導航和深空探測等技術的不斷發展,對世界時的及時性及測量精度要求越來越高,有的應用甚至需要實時的世界時計算結果,通過IERS獲取的世界時參數無法滿足應用需求。

地球定向參數激發源眾多,且激發源又含有多種不確定性和時變性,其中包含長期的線性趨勢變化、周期性變化,利用現有觀測系統無法實時獲取地球自轉參數。為了解決這一問題,亟待對已有 EOP資料數據進行豐富,提出新的測量手段。

隨著光學陀螺技術的日益成熟,采用高精度光學陀螺測量世界時成為一種新的方法。與傳統測量方法相比,與地球固聯的大型光學陀螺（直徑大于0.5m,可以實現理論上更高的測量精度）在隨地球自轉運動的過程中可以實時測量地球瞬時自轉角速度,通過建立地球自轉角速度與世界時的對應轉換關系,將大型光學陀螺的高精度角速度輸出轉換為高時間分辨率的世界時參數,為世界時參數的獲取提供了一種新的測量方法。

1 用于世界時測量的高精度光學陀螺研究現狀

1.1 大型激光陀螺研究現狀

德國慕尼黑大學的Schreiber教授從1998年開始在德國Wettzell天文觀測站建造了一個名為GRing、大小為4m×4m的環型激光陀螺,自2010年起可測量到地球自轉軸的Chandler擺動,理論計算日長精度可達到0.13ms。基于該大型激光陀螺,Schreiber教授已開展了采用大型激光陀螺來測量世界時的工作,并計劃全球布站來進一步提高其測量精度。

意大利的Hurst等于2008年對大型激光陀螺G-Pisa進行了研究,用于地球自轉監測,包括地極運動、大氣和海洋角動量、地球固體潮汐與海潮負荷等內容,同時也開展了基礎物理效應（參照系拖動和其他相對論歲差）方面的研究。Di Virgilio等討論了在地球上采用大型光學陀螺探測引力波與磁場之間效應（Gravito-magnetic Effect）的理論和可行性,并于2012年開始GINGER計劃（Gyroscope in General Relativity）,通過3個大型激光陀螺構成正八面體（邊長6m）,監測地球自轉。2016年,歐盟的ROMY建成,由4個大型激光陀螺構成金字塔（邊長12m）,用于測量世界時和旋轉地震等[3]。

1.2 大型光纖陀螺研究現狀

美國Honeywell公司從20世紀80年代中期開始研制光纖陀螺,研制的高精度光纖陀螺已用于戰略導彈、飛船導航和戰略潛艇等領域。在 “參考級” （零偏穩定性優于0.0001（°）/h）高精度光纖陀螺方面,Honeywell公司致力于發展光源相對強度噪聲的抑制技術、光纖陀螺精度長期保持技術等。2016年,Honeywell公司研發的 “參考級”光纖陀螺樣機[4]的陀螺敏感組件如圖1所示。對 “參考級”光纖陀螺的測試數據進行分析,隨機游走系數達到 1.6×10－5（°）/h1/2,Allan 方差分析結果如圖2所示。計算得到其積分周期為100s的零偏穩定性約為 9.6×10－5（°）/h（1σ）, 可應用于計量學、地震學、結構傳感領域,也可以作為其他慣性測試設備的基準。

圖1 Honeywell公司 “參考級”光纖陀螺敏感組件Fig.1 “Reference grade” FOG sensing loop assembly developed by Honeywell

圖2 Honeywell公司 “參考級”光纖陀螺Allan方差曲線Fig.2 Allan variance curves of“reference grade” FOG developed by Honeywell

法國iXBlue公司具有三十多年的光纖陀螺研制歷史,科研生產實力雄厚且應用廣泛。2016年,iXBlue公司在美國召開的光纖陀螺40周年會議上報道,其生產的陀螺放置在溫度控制的實驗室環境中經歷38天的靜態測試,其隨機游走系數達3.8×10－5（°）/h1/2, 計算得到積分周期為 100s 的零偏穩定性約為 0.00023（°）/h（1σ）[5-6]。

2020年5月,由iXBlue公司開發的blueSeis-3A旋轉地震儀已成功安裝在加利福尼亞州的伯克利地震實驗室中。該系統安裝在伯克利數字地震臺網的Byerly地震記錄庫中,并與標準地震儀配置,用于六自由度計算。自安裝以來,blueSeis-3A在使用的第一天就在120km距離內記錄了4.1級地震,實現了高精度光纖陀螺在地震監測中的應用[7]。

1.3 用于世界時測量的大型光纖陀螺潛在優勢

相比于大型激光陀螺,大型光纖陀螺具有如下優點:

1）環形激光陀螺的激光腔體介質為氣體,一般采用He-Ne氣體,對環境溫度、氣壓等變化敏感,對密封技術要求極高。而光纖陀螺的介質是全固態介質,一般采用光纖,對環境敏感較低,也易于用于構建大型陀螺。

2）氣體環形激光陀螺是光波諧振干涉原理,探測對象是雙向諧振光波的諧振模式頻率差,在極低轉速情況下容易發生模式簡并,不適應于全球范圍內工作（如低緯度地區）。而大型光纖陀螺采用光波傳輸干涉原理,探測對象是雙向傳輸光波的相位差,不存在探測盲區。同時,如突破非線性光波干涉、超導探測等技術可使陀螺的靈敏度大幅提升,顯著提高地球轉速測量精度。

3）相對于激光陀螺,光纖陀螺壽命更長（不少于10年）、維護更少,適合以年為單位的長期觀測。

4）相比于激光陀螺,光纖陀螺中光纖環的繞制難度要低于激光諧振腔的加工難度,可制造性強。

2 應用于世界時測量的高精度光纖陀螺關鍵技術

大型高精度光纖陀螺面向世界時測量的應用需解決的關鍵技術包括:降噪技術、大環繞制技術、參數長期穩定性技術等。

2.1 高精度光纖陀螺降噪技術

光纖陀螺的噪聲特性與普通機械式陀螺不同,光纖陀螺的精度隨積分時間的增大而提升,高速采樣下的噪聲較大,尤其在高精度光纖陀螺替代傳統機械陀螺的領域中該問題比較突出。因此,需突破高精度光纖陀螺的噪聲抑制技術。

針對 “參考級”高精度光纖陀螺,噪聲抑制技術可以分成電路和光路兩個方向:電路上,采取的降噪方法主要有探測器信號低通濾波和多點采樣降噪等；光路上,降低陀螺的光源強度噪聲可顯著提升陀螺的信噪比[8-9]。

近年來,國內外均有采用半導體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier,SOA）進行光源相對強度噪聲抑制的相關報道[10-12]。SOA在結構上由有源區和無源區構成,基于受激輻射或受激散射原理來實現入射光信號放大,其光學增益通過泵浦電流在有源區產生載流子粒子數反轉建立。

光信號在被放大的同時將引起SOA中載流子的消耗,因而會出現增益隨注入光功率增大而減小的現象,即增益飽和。如圖3所示,當輸入功率較小并在SOA線性區域內時,噪聲被放大；而在增益飽和造成的非線性區域使用光放大器,會對光功率的波動進行壓縮,與通常的線性放大器相比,可以降低噪聲指數。

圖3 SOA增益飽和示意圖Fig.3 Diagram of SOA gain saturation

通常的SOA抑制光源相對強度噪聲方案為:在光源和光纖陀螺其他光路之間增加SOA,通過調整光源輸入光功率、SOA的驅動電流和溫控工作點使SOA工作在飽和放大區,降低光源進入光纖陀螺的相對強度噪聲。

但在SOA實際使用中,低偏的摻鉺光纖光源（消光比＜0.1dB）經由SOA放大后,光源消光比通常達1dB～3dB。圖4為某半導體光放大器輸出光波在不同輸入光功率、不同驅動電流下的消光比變化情況,消光比最大約1.8dB。這對于光纖陀螺尤其是 “參考級”高精度光纖陀螺來說,導致光纖陀螺的偏振誤差、強度型誤差、振幅型誤差等變大,導致零偏精度等指標劣化。

圖4 不同驅動電流下半導體光放大器輸出光的消光比Fig.4 Extinction ratio of SOA output light under different driving current

此外,SOA器件對光源輸入不同波長下的增益并不均勻,1530nm的增益與1560nm的增益差異超過1dB,這將導致寬譜摻鉺光纖光源經過SOA后譜型發生變化,即光源平均波長、譜寬等指標發生變化,同時其溫度特性也發生變化,影響光纖陀螺的標度因數性能和零偏性能。

考慮到上述問題,本文提出了改進型半導體光放大器抑制光纖陀螺RIN噪聲的方案,如圖5所示。在半導體光放大器的增益平坦譜區域,摻鉺光纖光源后增加相應的Gauss光纖濾波器,摻鉺光纖光源經過半導體光放大器后,增加消偏器,偏振光經過消偏器后實現光源的低偏振光輸出,光波的消光比從1.8dB降低至小于0.1dB,既實現了 “參考級”高精度光纖陀螺混偏技術方案對光源的消光比要求,滿足光源光譜的穩定性要求,也實現了對光源相對強度噪聲進行有效抑制,相對強度噪聲實測最高達6dB,較大程度地提升了陀螺的信噪比和精度水平。

圖5 改進型半導體光放大器抑制光源相對強度噪聲方案Fig.5 An improved module for suppressing RIN of the light source employing SOA

2.2 高精度光纖陀螺光纖環繞制技術

應用于世界時測量的大型光纖陀螺保偏光纖長度達到數十千米,與高性能Y波導集成調制器等一起構成Sagnac干涉儀。因此,需重點關注大尺寸、超長光纖陀螺的互易性,從Shupe效應、結構形變、光纖偏振、膠粘劑蠕變等方面進行深入誤差分析,同時針對大直徑的光纖環,需研制專用大型光纖繞環機,實現大型繞環機的特定繞環工藝,降低大型光纖陀螺對溫度和溫度變化率的靈敏度。

（1）超長陀螺應力分布均勻性控制技術

在陀螺左旋和右旋光纖的交叉點處,存在應力集中點,該點不僅影響陀螺的對稱性、模型的準確性,同時也是影響陀螺長期穩定性的關鍵。光纖所受應力引起其折射率變化,進而引入相位誤差

式（2）中,υ為光波速度,dF/dt為應力時間變化率,dn/dF為光纖折射率隨應力的變化率,l為光纖長度,z為光纖受力點。

同時,該交叉點還是引入偏振交叉耦合誤差的重要因素,其引入的相位誤差可以表示為

式（3）中,ε為偏振抑制比,h為衡量光纖偏振保持能力的參數（典型值一般在10－6/m量級）,N為偏振交叉耦合點的個數。

基于上述原因,陀螺中應力分布均勻性和對稱性是一項關鍵指標。在常規陀螺的研究中,可以采用分布式光纖應力分析儀對陀螺的應力特性進行研究,分析其對稱性及對陀螺的影響。在超長光纖陀螺中,光纖環長度達幾十千米,光信號損耗較大,光纖中光信號微弱,應力分析儀無法從中辨識Brillouin頻移的大小,從而無法給出光纖中的應力分布情況。超大直徑使光纖張力控制難度大,生產的長周期特點又會引入額外的控制誤差,分析其應力分布特點及造成該特點的機理更復雜,難度更大。為減小陀螺的應力誤差,應從應力平穩性要求反推張力控制要求,通過計算局部控制張力對陀螺其他部分施加的力及其對陀螺的影響,提出張力控制方案。同時,對陀螺進行相向兩束光的相位差測試,利用權重最大的末端光纖進行應力補償,以獲得穩定的超長光纖陀螺。

（2）超大超長光纖環繞制技術

超大光纖陀螺追求較高的互易性和穩定性,因為尺寸遠超過普通的光纖陀螺,實現方法大有不同,其中繞環機的驅動控制系統與精密排纖控制等是大型光纖陀螺用光纖環的重點和難點。

大型繞環機的各部件體積大、質量大、回轉慣量大,為保證光纖繞制過程張力的平穩,需要繞環機的回轉軸及平移軸在驅動電機的驅動下快速響應,并同步協調工作,所需要的驅動電機也要具備足夠的轉動慣量和扭矩。另外,達到相同的線速度,電機的轉速更低,為獲得低速工作條件下的穩定性,需對電機及減速機進行針對性改進和研究。

光纖環精密繞制時,需要對光纖在整個光纖環骨架軸向和圓周方向的排列位置進行精確控制,控制精度至少需要優于0.02mm,控制精度并不能因骨架尺寸增大而降低要求。因此,骨架尺寸的增大會導致整個光纖環整齊排纖控制難度顯著增大,需對大尺寸光纖環的精密排纖控制技術進行深入研究。

2.3 高精度光纖陀螺參數長期穩定性問題

應用于世界時測量的大型高精度光纖陀螺需重點解決參數長期穩定性等問題,實現關鍵技術突破,以滿足對世界時的長期、穩定觀測。

（1）光纖環參數自動匹配技術

光在光纖環中的渡越時間與光纖陀螺電路控制的調制信號時間（方波調制的半周期）存在一定的對準誤差,該對準誤差導致光纖陀螺干涉信號存在尖峰信號,最終導致光纖陀螺產生零偏誤差。

在長壽命周期內,光纖陀螺的光纖環伸縮、長度漂移等因素會引起光纖陀螺渡越時間對準誤差發生變化,從而引起光纖陀螺零偏漂移。因此,減小光纖陀螺中渡越時間對準誤差引起的零偏漂移對提高光纖陀螺環境條件下的精度具有重要意義[13]。

通過對渡越時間誤差引起的相位差進行解調以精確控制光纖陀螺的分頻模塊,從而可消除高低溫下由于渡越時間對準誤差引起的光纖陀螺零偏漂移。具有光纖環渡越時間補償功能的光纖陀螺原理框圖如圖6所示。

圖6 光纖環參數自動匹配技術原理框圖Fig.6 Block diagram of automatic matching technology for fiber coil parameters

（2）光纖陀螺共模參數引起零偏漂移抑制技術

在閉環光纖陀螺中,若陀螺的電子元器件性能參數產生漂移,不同調制時刻的前項通道增益將發生變化,則在陀螺控制回路中引入了誤差量,導致高精度光纖陀螺產生零偏漂移[13]。

調制通道的電信號施加在光纖陀螺的Y波導的正反兩個電極上,在Y波導的兩個電極所加的電壓極性變化時,光纖陀螺的標度因數的符號發生正負對稱變化,相當于光纖陀螺正反向旋轉再差分輸出,可有效抑制陀螺的低頻漂移誤差。Y波導極性轉換差分通過信號處理器的時序信號,控制調制信號給Y波導施加的電壓極性如圖7所示。

圖7 Y波導極性轉換差分調制示意圖Fig.7 Schematic diagram of Y-waveguide polarity conversion differential modulation

由于環境下面產生的波動頻率遠遠低于光纖陀螺回路信號頻率,因而此過程中由上述因素導致的光纖陀螺的零偏誤差在光纖陀螺回路周期內可以認為不發生變化。通過Y波導極性轉換差分調制解調技術,消除溫度、力學等環境因素以及長壽命周期內電子元器件參數漂移等引入的光纖陀螺零偏漂移,提高了大型光纖陀螺的長期參數穩定性。

3 用于世界時測量的大型高精度光纖陀螺實驗驗證情況

3.1 地球旋轉角速度測量

本文解決了上述影響大型高精度光纖陀螺精度和長期穩定性的問題后,完成了大型高精度光纖陀螺的研制,陀螺的表頭示意圖如圖8所示。為了實現更精確、更穩定地測量地球自轉角速度,該陀螺安裝于中國科學院國家授時中心的陜西蒲城地下實驗室內,表頭指天向,該測試環境具備恒溫、恒濕、低噪聲、低人為擾動等優點。

圖8 應用于世界時測量的高精度光纖陀螺表頭示意圖Fig.8 Schematic diagram of high-precision FOG sensitive components used in universal time measurement

2021年4月23日～24日,在該測試環境下的高精度光纖陀螺天向零偏輸出如圖9所示。積分周期為 100s 的陀螺零偏穩定性達到 3.36×10－5（°）/h（1σ）,陀螺數據的 Allan方差分析結果如圖10所示。 陀螺零偏不穩定性達到了5.20×10－6（°）/h, 隨機游走系數達到5.24×10－6（°）/h1/2, 比Honeywell公司報道的 “參考級”光纖陀螺噪聲減小了67.5%,精度性能提升了2.1倍,實現了nano量級的地球自轉速度測量水平。后續將進一步開展世界時的測量解算工作,可作為VLBI技術測量世界時的重要補充。

圖9 高精度光纖陀螺測量地球自轉角速度輸出Fig.9 Output of the earth rotation angular velocity measured by high-precision FOG in this paper

圖10 大型高精度光纖陀螺Allan方差曲線分析及對比Fig.10 Allan variance curves analysis and comparison of the large-scale high-precision FOGs

3.2 地震波測量

2021年5月22日02時04分11秒,青海瑪多縣發生里氏7.4級地震。在02時07分10秒和02時09分24秒時刻,在距離該震源上千千米的陜西蒲城地下實驗室,本文的大型高精度光纖陀螺分別檢測到該地震到達的縱波和橫波信號的天向角速度分量。如圖11所示,對于整個地震過程中縱波、橫波引起的角速度分量的變化情況及持續時間均有較好的檢測,這也依賴于該陀螺較好的動態性能。此外,該陀螺能夠為地震預警、旋轉地震測量、地球板塊運動等應用領域提供嶄新的科學方法。

圖11 大型高精度光纖陀螺檢測地震波的耦合角速度曲線Fig.11 Coupling angular velocity curve of seismic wave detected by large-scale high-precision FOG in this paper

4 討論

目前,高精度光纖陀螺的精度水平已實現0.0001（°）/h（100s,1σ）～0.001（°）/h（1σ）范圍, 在世界時測量等特定場合應用的光纖陀螺已實現3.36×10－5（°）/h（100s,1σ）。 在未來的 10 年～20 年內,光纖陀螺若要實現更高量級的精度水平,實現VLBI技術測試量級的世界時測量精度,其技術發展方向將呈多元化和精細化的態勢。高精度光纖陀螺的未來技術發展趨勢主要有以下幾方面:

1）陀螺檢測技術繼續創新。隨著量子光脈沖以及超導探測器等新技術的突破[13],高精度光纖陀螺可實現 10－5（°）/h（1σ）及可能更高的精度量級。若進一步突破非線性光波干涉技術、光原子混合干涉技術,高精度光纖陀螺的理論精度可能達到10－6（°）/h～10－7（°）/h（1σ）的量級精度水平[14-15]。 高精度光纖陀螺誤差機理、噪聲機理以及抑制方案是一個不斷迭代和深化的螺旋過程,隨著技術的不斷突破,光纖陀螺的誤差分析與技術方案將會逐漸提升與進步。

2）新器件及新材料的持續研發和應用。半導體光放大器、超導探測器等陀螺中的新器件以及理想化性能的特種保偏光纖等新材料為超高精度光纖陀螺研制提供了硬件上的支持。

3）設計方法、工藝方法和測試方法的不斷優化。 對于精度為 0.001（°）/h（1σ）～0.01（°）/h（1σ）的中高精度光纖陀螺,常規設計方法、工藝方法和測試方法即可滿足要求；但對于精度提升1～2個數量級的超高精度陀螺,其引入的影響將不可忽視,甚至成為影響精度提升的瓶頸。

此外,大型高精度光纖陀螺檢測靈敏度更高,其高靈敏檢測技術經轉化后可測量電磁光、引力和角速度等多個物理場信息,在世界時精確授時、量子精密測量與導航、空間引力探測、表面科學和地震學等諸多領域具有廣闊的應用前景。