黃 興吉雨冠

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 上海200083；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)和工藝研究

黃 興1吉雨冠2

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 上海200083；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

基于塞格尼克（Sagnac）效應(yīng)的新型全固態(tài)角速率傳感器——光纖陀螺現(xiàn)已發(fā)展成為慣性技術(shù)領(lǐng)域的新型主流傳感器。文中結(jié)合某單位攻關(guān)課題，介紹了光纖陀螺應(yīng)用需突破的關(guān)鍵技術(shù)和工藝，并結(jié)合其在航海領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行具體分析。

光纖陀螺；關(guān)鍵技術(shù)；工藝研究

引 言

光纖陀螺（Fiber Optic Gyroscope，F(xiàn)OG）是一種基于塞格尼克（Sagnac） 效應(yīng)的新型全固態(tài)角速率傳感器，它具有壽命長、可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

塞格尼克效應(yīng)是：當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路靜止時(shí)的光程都會(huì)發(fā)生變化。光纖陀螺就是利用這種變化，制成角速率傳感器的。如果使不同方向前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀；如果利用這種環(huán)路光程的變化來實(shí)現(xiàn)環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。

1 國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

有關(guān)資料表明，依據(jù)應(yīng)用精度不同，干涉式光纖陀螺大致可以分為速率級、戰(zhàn)術(shù)級、慣性級、精密級四個(gè)類型［1-2］，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。本課題中的光纖陀螺成品合格率已由原先的75%提高到了目前的90%。

美國是最早研制與應(yīng)用光纖陀螺的國家，歐洲的光纖陀螺研發(fā)工作主要集中在法國、德國和俄羅斯。利頓、Honeywell、KVH、FizoPtika 等公司的速率級、戰(zhàn)術(shù)級、慣性級、精密級等精度的光纖陀螺已相當(dāng)成熟并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

我國也非常重視光纖陀螺技術(shù)的研究及應(yīng)用，但限于材料和工藝，目前只能生產(chǎn)速率級、戰(zhàn)術(shù)級、慣性級的光纖陀螺，并已廣泛應(yīng)用于我國的飛機(jī)、坦克、艦船、導(dǎo)彈、火炮、魚雷等軍工項(xiàng)目［3-4］。

表1 干涉式光纖陀螺的精度級別和技術(shù)要求

2 光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)和工藝研究

2.1 光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)

光纖陀螺（FOG）由光源、耦合器、Y波導(dǎo)、光纖環(huán)、探測器五部分組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺結(jié)構(gòu)示意圖

光纖陀螺的基本原理和結(jié)構(gòu)本文不作過多闡述，其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，我們歸納如下：

光纖陀螺的閉環(huán)電路設(shè)計(jì)是確保大動(dòng)態(tài)測量范圍標(biāo)度系數(shù)線性度的重要條件。閉環(huán)電路的設(shè)計(jì)好壞直接影響陀螺的性能和精度，我們采用最新的數(shù)字電路，在模擬電路的噪聲處理、數(shù)字調(diào)制技術(shù)、階梯波的控制及信號采樣等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從芯片選擇到電路設(shè)計(jì)都在不斷改進(jìn)；同時(shí)，使用獨(dú)特的軟件——性能補(bǔ)償?shù)那度胧较到y(tǒng)來解決一拖三方案所帶來的三軸不均衡的問題。

光纖環(huán)是國內(nèi)外最為關(guān)注的設(shè)計(jì)技術(shù)之一，是確保在環(huán)境和溫度條件下陀螺精度的關(guān)鍵，是光纖陀螺的核心器件之一，因此，我們對光纖環(huán)架的選材、填充和墊材、繞制應(yīng)力、繞制技術(shù)、總體熱效應(yīng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究。在充分吸收國內(nèi)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用我們特有的固化和對稱性保證技術(shù)，較好解決了光纖環(huán)受外界環(huán)境影響而產(chǎn)生的性能不穩(wěn)定。

光纖陀螺要求能夠在短時(shí)間內(nèi)溫度劇烈變化的條件下，依然能夠穩(wěn)定的工作，我們采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來平緩產(chǎn)品受外界環(huán)境變化的影響。另外從軟件上，我們還采用了特殊的補(bǔ)償方式來消除外界溫度變化引起的光纖陀螺性能指標(biāo)的不穩(wěn)定性。

2.2 光纖陀螺關(guān)鍵工藝

經(jīng)過近2年的研究與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，光纖陀螺受環(huán)境因素影響程度如表2所示。

表2 光纖陀螺受環(huán)境影響

制約光纖陀螺發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)有：溫控技術(shù)、磁屏蔽技術(shù)、防震動(dòng)沖擊技術(shù)、寬譜光纖光源技術(shù)、光纖環(huán)的繞制技術(shù)、光路熔裝與在線測試技術(shù)等。在上述關(guān)鍵技術(shù)中溫控技術(shù)是光纖陀螺首要解決的關(guān)鍵技術(shù)，光纖陀螺的工作溫度一般在-40℃～+60℃，由溫度引起的光纖陀螺熱致速率誤差將決定光纖陀螺的溫度性能。

環(huán)境溫度對光纖陀螺性能的影響主要有噪聲和漂移。噪聲決定了光纖陀螺的最小可檢測相移也即最終精度，漂移用于評價(jià)光纖陀螺輸出信號的長期變化，而對于慣性制導(dǎo)應(yīng)用來說，漂移是一個(gè)更基本的參數(shù)。

從產(chǎn)業(yè)化角度出發(fā)，我們研制光纖陀螺溫度補(bǔ)償措施，以大量實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地提出綜合解決光纖陀螺批次化生產(chǎn)的溫度補(bǔ)償方法。

2.2.1 光源的工藝研究

寬譜光纖光源是高精度光纖陀螺首選光源，具有輸出功率和中心波長穩(wěn)定的特性。目前本項(xiàng)目已解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)，研制出具有一定工程性能的樣機(jī)，并已用于0.015°/h精度的光纖陀螺，滿足了使用要求，解決了我國光纖陀螺向更高精度發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題。

在課題研究過程中，我們重點(diǎn)對偏振光對光纖陀螺的噪聲和零偏穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)，利用Lyot 型消偏器對SLD 出射光進(jìn)行消偏，提高了光纖陀螺的精度；此外，我們設(shè)計(jì)開發(fā)特有的光模塊集成系統(tǒng)，提升光纖陀螺核心部件——光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性與一致性，同時(shí)解決以往光纖陀螺生產(chǎn)上的返修、返工困難的麻煩問題。

2.2.2 耦合器的工藝研究

光纖耦合器是連接光源、光探測器與Y 波導(dǎo)的重要器件。試驗(yàn)證明，影響耦合器精度有下列幾個(gè)因素：

（1） 溫度引起的敏感變化;

（2） 光源引起的的偏振變化。

在工藝設(shè)計(jì)中， 我們根據(jù)光纖陀螺的具體技術(shù)要求和環(huán)境要求（特別是溫度）， 來具體選擇合適的光源和光纖耦合器。在選擇光纖耦合器時(shí)，不但要考慮光信號在光路傳輸中的衰減，還要考慮在裝配時(shí)由于光纖不可避免的部分彎曲所增加的光損耗。

2.2.3 光纖環(huán)的工藝研究

光纖環(huán)的繞制技術(shù)是光纖陀螺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理控制光纖陀螺光纖環(huán)繞制過程，理論上可以顯著降低外界環(huán)境變化對光纖陀螺性能的影響，提高光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性。

1980 年，Shupe 最先提出：光纖環(huán)中各點(diǎn)的溫度相對于光纖環(huán)中點(diǎn)成非對稱性變化時(shí)，這種變化會(huì)改變光纖中兩相反方向傳播的光產(chǎn)生光程差，出現(xiàn)非互易相移，合光后使陀螺的零偏發(fā)生變化，這就是有名的Shupe 效應(yīng)。實(shí)踐證明：四極對稱繞法在很大程度上抑制了溫度梯度的影響，與普通柱形繞法相比，抑制因子約為光纖環(huán)層數(shù)的平方。因此，這一繞制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

為了克服Shupe 效應(yīng)，雖采取對稱纏繞方法，但也不能完全解決問題。溫度和應(yīng)力的變化都會(huì)改變光纖的折射率和長度。由于光纖長，所以不能完全實(shí)現(xiàn)對中點(diǎn)對稱變化。

Litton 公司經(jīng)過4 年研究，逐步降低了光纖陀螺的Shupe 系數(shù)，達(dá)到早先的1/200（如圖2所示），滿足了慣性導(dǎo)航中對光纖陀螺全溫度范圍精度的要求［5］。

圖2 Litton公司IFOG的Shupe 系數(shù)圖

在建立光纖陀螺Shupe誤差數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析光纖環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)和熱擾動(dòng)參數(shù)對Shupe誤差的影響。結(jié)果表明：通過增加繞制層數(shù)、提高導(dǎo)熱系數(shù)、合理布置熱源，可以明顯抑制光纖環(huán)的Shupe誤差，從而提高光纖陀螺的溫度性能。

我們采用獨(dú)特的光纖環(huán)繞制技術(shù)，保證其嚴(yán)格的四級對稱性能，從而改善光纖陀螺的互易性，提高其SAGNAC效應(yīng)，自主研制光纖環(huán)封膠配方，解決光纖環(huán)的溫度均衡性，抗沖擊抗振動(dòng)能力，提升光纖陀螺對抵抗環(huán)境變化因數(shù)的整體性能。

2.2.4 光路熔裝與在線測試技術(shù)的工藝研究

光路熔裝與在線測試技術(shù)是光纖陀螺工藝過程中的關(guān)鍵技術(shù)。光路質(zhì)量的好壞直接影響陀螺整體的性能，而電路設(shè)計(jì)與信號處理技術(shù)（包括：低噪聲放大、濾波、環(huán)路控制和參數(shù)優(yōu)化、光電信號匹配和檢測電路等），也是影響陀螺性能的關(guān)鍵因素。目前，我們已解決了光路熔接和關(guān)鍵參數(shù)的在線測試技術(shù)。

綜合目前國內(nèi)各大研究單位與各領(lǐng)域用戶要求，我們制定并形成了光纖陀螺生產(chǎn)、測試的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)際應(yīng)用為依據(jù)，從最廣泛范圍內(nèi)研制出通用性光纖陀螺標(biāo)準(zhǔn)件，在保證光纖陀螺性能參數(shù)的一致性的同時(shí)也降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)我國光纖陀螺產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

3 結(jié) 論

在90年代的海灣戰(zhàn)爭中，美國“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈上裝有光纖陀螺，使導(dǎo)彈的穩(wěn)定性和命中率得到顯著提高。在戰(zhàn)爭中，即使衛(wèi)星導(dǎo)航因在強(qiáng)電子干擾下，而無法獲得準(zhǔn)確信息時(shí)，光纖陀螺依然可以保證飛行器自主導(dǎo)航、精確制導(dǎo)和準(zhǔn)確命中目標(biāo)。近年來，美國正在研究光纖陀螺與GPS組合定姿定軌技術(shù)，作為微小型航天器或艙外機(jī)動(dòng)裝置上高精度自主姿態(tài)定位系統(tǒng)。

在未來戰(zhàn)爭條件下，無線電、GPS、天文導(dǎo)航和制導(dǎo)都可能被對方干擾,因此，光纖陀螺在未來信息戰(zhàn)環(huán)境中有著特殊地位，更是唯一有效的水下導(dǎo)航手段，目前已普遍被各國海軍認(rèn)可和接受，作為新一代潛艇和魚雷導(dǎo)航系統(tǒng)。KVH 公司的DSP-300光纖陀螺，現(xiàn)已用于海上雷達(dá)和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的穩(wěn)定子系統(tǒng)。

在航海領(lǐng)域，光纖陀螺在國外已有20多年的應(yīng)用歷史。隨著光纖陀螺技術(shù)及工藝的不斷提高，光纖陀螺在國內(nèi)航海領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年已有所突破。我們相信在不久的未來，隨著導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)及工藝的不斷完善，光纖陀螺應(yīng)用于電羅經(jīng)、平臺(tái)羅經(jīng)、慣導(dǎo)的產(chǎn)品將會(huì)不斷推出，應(yīng)用于特種裝備的動(dòng)力定位、航姿控制等產(chǎn)品也將不斷問世。

［1］ 趙勇， 劉軍， 張春熹， 等.光纖陀螺傳感線圈及繞法［J］.半導(dǎo)體光電，2002，23（5）：312-314.

［2］ 杜士森，張春熹，宋凝芳.光纖陀螺慣性測量組件的溫度場分析與熱設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（8）：254-257.

［3］ 王巍.干涉型光纖陀螺儀技術(shù)［M］ .北京：中國宇航出版社，2010：1-16.

［4］ 吉雨冠，程榮濤.深?？臻g站導(dǎo)航技術(shù)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

黃 興（1980-），男，工程師，研究方向：船舶電氣監(jiān)造管理。吉雨冠（1959-），男，研究員，研究方向：船舶觀通專業(yè)設(shè)計(jì)。