黄 兴吉雨冠

（1.海军装备部驻上海地区军事代表局 上海200083；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

光纤陀螺关键技术和工艺研究

黄 兴1吉雨冠2

（1.海军装备部驻上海地区军事代表局 上海200083；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

基于塞格尼克（Sagnac）效应的新型全固态角速率传感器——光纤陀螺现已发展成为惯性技术领域的新型主流传感器。文中结合某单位攻关课题，介绍了光纤陀螺应用需突破的关键技术和工艺，并结合其在航海领域的应用前景进行具体分析。

光纤陀螺；关键技术；工艺研究

引 言

光纤陀螺（Fiber Optic Gyroscope，FOG）是一种基于塞格尼克（Sagnac） 效应的新型全固态角速率传感器，它具有寿命长、可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等优点。

塞格尼克效应是：当光学环路转动时，光学环路的光程相对于环路静止时的光程都会发生变化。光纤陀螺就是利用这种变化，制成角速率传感器的。如果使不同方向前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪；如果利用这种环路光程的变化来实现环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。

1 国内外研究应用现状

有关资料表明，依据应用精度不同，干涉式光纤陀螺大致可以分为速率级、战术级、惯性级、精密级四个类型［1-2］，其技术指标如表1所示。本课题中的光纤陀螺成品合格率已由原先的75%提高到了目前的90%。

美国是最早研制与应用光纤陀螺的国家，欧洲的光纤陀螺研发工作主要集中在法国、德国和俄罗斯。利顿、Honeywell、KVH、FizoPtika 等公司的速率级、战术级、惯性级、精密级等精度的光纤陀螺已相当成熟并实现产品化。

我国也非常重视光纤陀螺技术的研究及应用，但限于材料和工艺，目前只能生产速率级、战术级、惯性级的光纤陀螺，并已广泛应用于我国的飞机、坦克、舰船、导弹、火炮、鱼雷等军工项目［3-4］。

表1 干涉式光纤陀螺的精度级别和技术要求

2 光纤陀螺关键技术和工艺研究

2.1 光纤陀螺关键技术

光纤陀螺（FOG）由光源、耦合器、Y波导、光纤环、探测器五部分组成，如图1所示。

图1 数字闭环光纤陀螺结构示意图

光纤陀螺的基本原理和结构本文不作过多阐述，其产业化的关键技术，我们归纳如下：

光纤陀螺的闭环电路设计是确保大动态测量范围标度系数线性度的重要条件。闭环电路的设计好坏直接影响陀螺的性能和精度，我们采用最新的数字电路，在模拟电路的噪声处理、数字调制技术、阶梯波的控制及信号采样等方面进行优化设计，从芯片选择到电路设计都在不断改进；同时，使用独特的软件——性能补偿的嵌入式系统来解决一拖三方案所带来的三轴不均衡的问题。

光纤环是国内外最为关注的设计技术之一，是确保在环境和温度条件下陀螺精度的关键，是光纤陀螺的核心器件之一，因此，我们对光纤环架的选材、填充和垫材、绕制应力、绕制技术、总体热效应设计等方面进行了研究。在充分吸收国内外技术的基础上，利用我们特有的固化和对称性保证技术，较好解决了光纤环受外界环境影响而产生的性能不稳定。

光纤陀螺要求能够在短时间内温度剧烈变化的条件下，依然能够稳定的工作，我们采用了独特的结构设计，来平缓产品受外界环境变化的影响。另外从软件上，我们还采用了特殊的补偿方式来消除外界温度变化引起的光纤陀螺性能指标的不稳定性。

2.2 光纤陀螺关键工艺

经过近2年的研究与统计数据表明，光纤陀螺受环境因素影响程度如表2所示。

表2 光纤陀螺受环境影响

制约光纤陀螺发展的关键技术有：温控技术、磁屏蔽技术、防震动冲击技术、宽谱光纤光源技术、光纤环的绕制技术、光路熔装与在线测试技术等。在上述关键技术中温控技术是光纤陀螺首要解决的关键技术，光纤陀螺的工作温度一般在-40℃～+60℃，由温度引起的光纤陀螺热致速率误差将决定光纤陀螺的温度性能。

环境温度对光纤陀螺性能的影响主要有噪声和漂移。噪声决定了光纤陀螺的最小可检测相移也即最终精度，漂移用于评价光纤陀螺输出信号的长期变化，而对于惯性制导应用来说，漂移是一个更基本的参数。

从产业化角度出发，我们研制光纤陀螺温度补偿措施，以大量实际数据为基础，创新性地提出综合解决光纤陀螺批次化生产的温度补偿方法。

2.2.1 光源的工艺研究

宽谱光纤光源是高精度光纤陀螺首选光源，具有输出功率和中心波长稳定的特性。目前本项目已解决了一系列关键技术，研制出具有一定工程性能的样机，并已用于0.015°/h精度的光纤陀螺，满足了使用要求，解决了我国光纤陀螺向更高精度发展的一个瓶颈问题。

在课题研究过程中，我们重点对偏振光对光纤陀螺的噪声和零偏稳定性进行了试验，利用Lyot 型消偏器对SLD 出射光进行消偏，提高了光纤陀螺的精度；此外，我们设计开发特有的光模块集成系统，提升光纤陀螺核心部件——光路系统的稳定性与一致性，同时解决以往光纤陀螺生产上的返修、返工困难的麻烦问题。

2.2.2 耦合器的工艺研究

光纤耦合器是连接光源、光探测器与Y 波导的重要器件。试验证明，影响耦合器精度有下列几个因素：

（1） 温度引起的敏感变化;

（2） 光源引起的的偏振变化。

在工艺设计中， 我们根据光纤陀螺的具体技术要求和环境要求（特别是温度）， 来具体选择合适的光源和光纤耦合器。在选择光纤耦合器时，不但要考虑光信号在光路传输中的衰减，还要考虑在装配时由于光纤不可避免的部分弯曲所增加的光损耗。

2.2.3 光纤环的工艺研究

光纤环的绕制技术是光纤陀螺的关键环节，合理控制光纤陀螺光纤环绕制过程，理论上可以显著降低外界环境变化对光纤陀螺性能的影响，提高光纤陀螺的环境适应性。

1980 年，Shupe 最先提出：光纤环中各点的温度相对于光纤环中点成非对称性变化时，这种变化会改变光纤中两相反方向传播的光产生光程差，出现非互易相移，合光后使陀螺的零偏发生变化，这就是有名的Shupe 效应。实践证明：四极对称绕法在很大程度上抑制了温度梯度的影响，与普通柱形绕法相比，抑制因子约为光纤环层数的平方。因此，这一绕制技术得到了广泛的应用。

为了克服Shupe 效应，虽采取对称缠绕方法，但也不能完全解决问题。温度和应力的变化都会改变光纤的折射率和长度。由于光纤长，所以不能完全实现对中点对称变化。

Litton 公司经过4 年研究，逐步降低了光纤陀螺的Shupe 系数，达到早先的1/200（如图2所示），满足了惯性导航中对光纤陀螺全温度范围精度的要求［5］。

图2 Litton公司IFOG的Shupe 系数图

在建立光纤陀螺Shupe误差数学模型的基础上，分析光纤环的结构参数、热学参数和热扰动参数对Shupe误差的影响。结果表明：通过增加绕制层数、提高导热系数、合理布置热源，可以明显抑制光纤环的Shupe误差，从而提高光纤陀螺的温度性能。

我们采用独特的光纤环绕制技术，保证其严格的四级对称性能，从而改善光纤陀螺的互易性，提高其SAGNAC效应，自主研制光纤环封胶配方，解决光纤环的温度均衡性，抗冲击抗振动能力，提升光纤陀螺对抵抗环境变化因数的整体性能。

2.2.4 光路熔装与在线测试技术的工艺研究

光路熔装与在线测试技术是光纤陀螺工艺过程中的关键技术。光路质量的好坏直接影响陀螺整体的性能，而电路设计与信号处理技术（包括：低噪声放大、滤波、环路控制和参数优化、光电信号匹配和检测电路等），也是影响陀螺性能的关键因素。目前，我们已解决了光路熔接和关键参数的在线测试技术。

综合目前国内各大研究单位与各领域用户要求，我们制定并形成了光纤陀螺生产、测试的企业标准，以实际应用为依据，从最广泛范围内研制出通用性光纤陀螺标准件，在保证光纤陀螺性能参数的一致性的同时也降低生产成本，促进我国光纤陀螺产业化的发展。

3 结 论

在90年代的海湾战争中，美国“战斧”巡航导弹上装有光纤陀螺，使导弹的稳定性和命中率得到显著提高。在战争中，即使卫星导航因在强电子干扰下，而无法获得准确信息时，光纤陀螺依然可以保证飞行器自主导航、精确制导和准确命中目标。近年来，美国正在研究光纤陀螺与GPS组合定姿定轨技术，作为微小型航天器或舱外机动装置上高精度自主姿态定位系统。

在未来战争条件下，无线电、GPS、天文导航和制导都可能被对方干扰,因此，光纤陀螺在未来信息战环境中有着特殊地位，更是唯一有效的水下导航手段，目前已普遍被各国海军认可和接受，作为新一代潜艇和鱼雷导航系统。KVH 公司的DSP-300光纤陀螺，现已用于海上雷达和导弹防御系统的稳定子系统。

在航海领域，光纤陀螺在国外已有20多年的应用历史。随着光纤陀螺技术及工艺的不断提高，光纤陀螺在国内航海领域的应用近几年已有所突破。我们相信在不久的未来，随着导航系统技术及工艺的不断完善，光纤陀螺应用于电罗经、平台罗经、惯导的产品将会不断推出，应用于特种装备的动力定位、航姿控制等产品也将不断问世。

［1］ 赵勇， 刘军， 张春熹， 等.光纤陀螺传感线圈及绕法［J］.半导体光电，2002，23（5）：312-314.

［2］ 杜士森，张春熹，宋凝芳.光纤陀螺惯性测量组件的温度场分析与热设计［J］.仪器仪表学报，2010，31（8）：254-257.

［3］ 王巍.干涉型光纤陀螺仪技术［M］ .北京：中国宇航出版社，2010：1-16.

［4］ 吉雨冠，程荣涛.深海空间站导航技术初探［J］ .船舶，2011（1）：48-50，53.

［5］ IFOG Technology for embedded GPSIINS applications Ralp h A. Patterson， Eric L. Goldner， David M. Rozelle Neal J. Dahlen and Thomas L. Caylor Litton Guidance and Control Systems5500 CanogaAvenue Woodland Hills， CA 91367.

On key technology and process of optical fi ber gyro

HUANG Xing1JI Yu-guan2
(1. Military Representative Bureau in Shanghai Region for Equipment Department of the Navy, Shanghai 200083, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

As a new type of solid-state angular rate sensor base on Sagnac effect, the optical fiber gyro has become a mainstream sensor in the inertia technology field. Combined with a research project, this paper introduces the key technology and process,which are needed to overcome the application problem of the optical fiber gyro, and detailedly analyzes its application prospects in the navigation field.

optical fiber gyro; key technology; process research

U666.12+3

A

1001-9855（2014）02-0085-04

2013-06-12；

2013-08-16

黄 兴（1980-），男，工程师，研究方向：船舶电气监造管理。吉雨冠（1959-），男，研究员，研究方向：船舶观通专业设计。