李明澤 楊永斌 褚鵬蛟

（1.中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院；2.北京航天時(shí)代光電科技有限公司）

光纖陀螺（Fiber Optical Gyro，F(xiàn)OG）自20世紀(jì)70年代被提出以來(lái)，便以其優(yōu)異的性能引起人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)機(jī)的電陀螺相比，光纖陀螺作為全固態(tài)儀表，不具備運(yùn)動(dòng)部件和磨損部件，具有成本低、壽命長(zhǎng)、體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)；與激光陀螺相比，光纖陀螺具有不需要克服“自鎖”用的機(jī)械抖動(dòng)裝置，無(wú)超高精度的光學(xué)加工要求，無(wú)超密封氣體要求，具有裝配工藝簡(jiǎn)單、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于光纖陀螺的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)從中低精度應(yīng)用領(lǐng)域向中高精度應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，不僅在國(guó)防和軍事領(lǐng)域有強(qiáng)大的應(yīng)用需求，在高鐵等民用領(lǐng)域也有很好的市場(chǎng)前景。本文通過對(duì)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的全球相關(guān)專利進(jìn)行全面檢索，系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外專利的整體申請(qǐng)態(tài)勢(shì)，總結(jié)了專利技術(shù)發(fā)展路線和技術(shù)功效，旨在為我國(guó)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)相關(guān)科研攻關(guān)和技術(shù)發(fā)展決策提供信息支撐。

一、專利宏觀分析

本文采用德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫(kù)（Derwent World Patents Index）對(duì)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)行檢索，檢索截止時(shí)間為2018年3月15日，經(jīng)人工篩選、去噪共獲得682項(xiàng)INPADOC同族專利。

（一）技術(shù)構(gòu)成分析

光纖陀螺儀和慣組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)是光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中專利申請(qǐng)的主要方向，占到總申請(qǐng)量的62%；其次為光纖陀螺儀和慣組測(cè)試技術(shù)，以及關(guān)鍵光學(xué)組件的設(shè)計(jì)與研制技術(shù)，各占總申請(qǐng)量的17%；其他技術(shù)申請(qǐng)量占比為4%。在光纖陀螺儀和慣組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)中，光纖陀螺儀方面的專利占總申請(qǐng)量的65%，總體設(shè)計(jì)方面的專利占總申請(qǐng)量的23%，解算計(jì)算機(jī)方面的專利占總申請(qǐng)量的12%等。在關(guān)鍵光學(xué)組件的設(shè)計(jì)與研制技術(shù)中，光纖環(huán)是主要的技術(shù)分支，占該分支總申請(qǐng)量的74%，其次是Y波導(dǎo)和光源，分別占該分支申請(qǐng)量的13%和12%。在光纖陀螺儀和慣組測(cè)試技術(shù)中，主要包括誤差補(bǔ)償/抑制技術(shù)和標(biāo)定技術(shù)，分別占該分支申請(qǐng)量的58%和42%。其他技術(shù)分支包括光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的溫控裝置、參數(shù)測(cè)量、信號(hào)分析等申請(qǐng)內(nèi)容。圖1為光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)專利的技術(shù)構(gòu)成。

圖1 光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)專利的技術(shù)構(gòu)成

（二）申請(qǐng)趨勢(shì)分析

有關(guān)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)的專利申請(qǐng)從20世紀(jì)70年代中期開始出現(xiàn)，最早的專利申請(qǐng)是美國(guó)猶他大學(xué)于1974年提交的發(fā)明專利US4013365。在此之后，1986年出現(xiàn)了光纖陀螺儀和慣組測(cè)試技術(shù)的專利，如美國(guó)德雷珀實(shí)驗(yàn)室（Draper Laboratory）的發(fā)明專利US4840489。1993年出現(xiàn)了關(guān)鍵光學(xué)組件的設(shè)計(jì)與研制技術(shù)的專利申請(qǐng)，如美國(guó)利頓公司的發(fā)明專利US5818590和美國(guó)Andrew公司的發(fā)明專利US5481358。此后一直到20世紀(jì)90年代后期，法國(guó)、德國(guó)和日本在此領(lǐng)域的專利申請(qǐng)開始出現(xiàn)并且數(shù)量逐漸增加，全球的專利申請(qǐng)進(jìn)入振蕩式發(fā)展期。

進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)外的專利申請(qǐng)數(shù)量經(jīng)歷小幅回落后又重新上升，并在2013年出現(xiàn)一個(gè)局部申請(qǐng)高峰，年申請(qǐng)量達(dá)到13項(xiàng)。相比而言，我國(guó)的專利申請(qǐng)出現(xiàn)較晚，1994—1995年才開始出現(xiàn)零星的幾項(xiàng)專利。但是進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)的專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)指數(shù)型快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2013年達(dá)到專利申請(qǐng)高峰，且近幾年的申請(qǐng)量均保持在較高的增長(zhǎng)水平。圖2為國(guó)內(nèi)外在光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)方面的專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖。

圖2 國(guó)內(nèi)外在光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)方面的專利申請(qǐng)趨勢(shì)

（三）申請(qǐng)區(qū)域分析

光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的專利申請(qǐng)主要國(guó)家包括中國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等。其中，我國(guó)的專利申請(qǐng)數(shù)量最多，共申請(qǐng)了497項(xiàng)專利，占總申請(qǐng)量的73%；美國(guó)排名第二，共申請(qǐng)了109項(xiàng)專利，占總申請(qǐng)量的16 %；日本、俄羅斯、法國(guó)和德國(guó)的申請(qǐng)量相對(duì)較少，分別有26項(xiàng)、18項(xiàng)、15項(xiàng)和12項(xiàng)專利。此外，印度、歐洲、烏克蘭、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)也有少量的專利申請(qǐng)。圖3為主要國(guó)家技術(shù)分布圖。

從圖3中可以看出，中國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)和俄羅斯的專利申請(qǐng)主要集中在光纖陀螺儀和慣組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面；其中，中國(guó)和美國(guó)在各個(gè)技術(shù)分支上均有專利分布，技術(shù)覆蓋比較全面；其他國(guó)家的專利申請(qǐng)量較少，而且未能覆蓋全部技術(shù)領(lǐng)域。而從技術(shù)分支來(lái)看，光纖陀螺儀和慣組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面的專利申請(qǐng)主要來(lái)自于中國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)和俄羅斯；光纖陀螺儀和慣組測(cè)試技術(shù)方面的專利申請(qǐng)主要來(lái)自于中國(guó)、美國(guó)、日本和德國(guó)；光纖陀螺儀關(guān)鍵光學(xué)組件的設(shè)計(jì)與研制技術(shù)方面的專利申請(qǐng)主要來(lái)自于中國(guó)和美國(guó)。

（四）專利申請(qǐng)人分析

在光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)領(lǐng)域，全球排名前15位的專利申請(qǐng)人包括中國(guó)申請(qǐng)人10位，美國(guó)申請(qǐng)人4位，法國(guó)申請(qǐng)人1位，如圖4所示。

在全球排名前15位的申請(qǐng)人中，北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司的專利申請(qǐng)量排名前三。其中，北京航空航天大學(xué)對(duì)于光纖陀螺儀、光纖環(huán)、光纖陀螺儀和慣組的誤差補(bǔ)償/抑制等方面專利申請(qǐng)較多；哈爾濱工程大學(xué)在解算計(jì)算機(jī)領(lǐng)域布局最多，其次是光纖陀螺儀和慣組的測(cè)試技術(shù)；中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司則在光纖陀螺儀和慣組的總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)積累較多。

美國(guó)的申請(qǐng)人主要包括霍尼韋爾國(guó)際公司和諾斯洛普·格魯門公司，其中，霍尼韋爾國(guó)際公司一直致力于研究用于空間定位和潛艇導(dǎo)航的精確級(jí)光纖陀螺，從1988年開始申請(qǐng)相關(guān)專利，此后持續(xù)產(chǎn)出了大量的技術(shù)成果和專利，尤其在高精度光纖陀螺儀的誤差抑制補(bǔ)償和系統(tǒng)集成方面布局了較多專利。諾斯洛普·格魯門公司的光纖陀螺技術(shù)在低中精度應(yīng)用領(lǐng)域最為成熟，該公司早在1985年就申請(qǐng)了相關(guān)專利，除了光纖陀螺儀之外，其在光纖環(huán)領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯并布局了較多的專利，技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在光纖陀螺儀及其關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及改進(jìn)方面。

此外，法國(guó)的iXBlue公司長(zhǎng)期以來(lái)也一直致力于高性能光纖陀螺的開發(fā)和研究，該公司在1989—2015年共申請(qǐng)了13項(xiàng)相關(guān)專利，全部分布于光纖陀螺儀和慣組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖陀螺儀和總體設(shè)計(jì)技術(shù)。該公司的大多數(shù)專利均在美國(guó)進(jìn)行了布局，可見其主要的目標(biāo)市場(chǎng)是美國(guó)。

圖4 全球前15位專利申請(qǐng)人分布

二、技術(shù)發(fā)展路線分析

光纖陀螺儀作為慣導(dǎo)系統(tǒng)中最重要的敏感元件之一，直接影響著捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。本部分結(jié)合重點(diǎn)專利信息對(duì)光纖陀螺儀的技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行詳細(xì)分析。

1974年，美國(guó)猶他大學(xué)的Vali和Shorthill等人首次提出了光纖環(huán)形干涉儀的概念。20世紀(jì)70年代中期，研究人員針對(duì)開環(huán)式干涉陀螺開展研究，主要是分析光纖陀螺輸出誤差的影響因素，以及提高其檢測(cè)靈敏度。從20世紀(jì)70年代末開始，研究人員開始研究標(biāo)度因子性能，并出現(xiàn)了閉環(huán)形式的光纖陀螺。這一時(shí)期各國(guó)開始圍繞光纖陀螺的基本結(jié)構(gòu)和類型開展廣泛的研究，先后提出了布里淵光纖陀螺、相位調(diào)零光纖陀螺儀和諧振式光纖陀螺等技術(shù)方案。20世紀(jì)80年代以后，集成光學(xué)耦合器、偏振器、相位調(diào)制器等集成光學(xué)器件的研究取得較大進(jìn)展，光纖陀螺的精度有了較大提高；與此同時(shí)，圍繞干涉式光纖陀螺儀的緊湊結(jié)構(gòu)和小型化工作也開始推進(jìn)。20世紀(jì)80年代中后期，隨著光纖陀螺技術(shù)在理論上的積累和重大突破，光纖陀螺的研究工作開始從實(shí)驗(yàn)室走向工程實(shí)踐，第一批低精度的光纖陀螺產(chǎn)品于1985年問世，并得到了相關(guān)的應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代初，研究人員圍繞光纖陀螺的誤差因素和光學(xué)元件進(jìn)行了深入研究，使其性能得到了很大提升。與此同時(shí)，為了降低光纖陀螺的成本，寬帶非偏振光源等技術(shù)方案被提出；隨著全球光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖陀螺的工作波長(zhǎng)組件從850nm變?yōu)?550nm，使得其可以與更先進(jìn)的高新能光源、光電集成和數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)相結(jié)合，從而進(jìn)一步提升光纖陀螺的性能，并降低成本，這一時(shí)期在光纖陀螺的核心工藝——繞纖技術(shù)方面也出現(xiàn)了相關(guān)的專利申請(qǐng)。20世紀(jì)90年代后期，隨著保偏光纖、集成光學(xué)調(diào)制器和光學(xué)器件等的實(shí)用化，干涉式光纖陀螺開始走向市場(chǎng)，理論研究方面則開始向精密級(jí)和三軸一體集成等方向發(fā)展。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，光纖陀螺儀商品化發(fā)展的需求增加，研究人員一方面繼續(xù)深入研究光纖陀螺的工程化應(yīng)用，運(yùn)用微光電機(jī)械、信號(hào)處理技術(shù)、專用集成電路等手段提高光纖陀螺的集成化和綜合性能，另一方面，提出了光子晶體光纖陀螺的概念。與此同時(shí)，美國(guó)霍尼韋爾公司在諧振式光纖陀螺領(lǐng)域取得了一定突破，并申請(qǐng)了多項(xiàng)專利。圖5為光纖陀螺儀的專利技術(shù)發(fā)展路線。

總的來(lái)看，干涉式光纖陀螺儀正向高精度、低成本、小型化和集成光學(xué)等方向發(fā)展。諧振式光纖陀螺在小型化上具有明顯優(yōu)勢(shì)，霍尼韋爾等公司正在加大對(duì)該技術(shù)的研究和布局力度。相比而言，光子晶體光纖陀螺和布里淵散射光纖陀螺還處于理論研究階段，尚未進(jìn)入工程化應(yīng)用。

三、技術(shù)功效分析

圖6為光纖陀螺儀和慣組系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的功效矩陣圖，圖中橫坐標(biāo)代表技術(shù)手段，縱坐標(biāo)代表技術(shù)效果，圓圈的大小及其中心的數(shù)字反映了采用對(duì)應(yīng)技術(shù)手段并達(dá)到對(duì)應(yīng)技術(shù)效果的相關(guān)專利項(xiàng)數(shù)。

結(jié)合圖6和各個(gè)技術(shù)手段/技術(shù)效果的專利申請(qǐng)趨勢(shì)可知，利用光路性能測(cè)試來(lái)提升陀螺性能，通過導(dǎo)航算法改進(jìn)增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用性能，以及通過全光纖化、一體化、集成化和模塊化等手段來(lái)減小體積是光纖陀螺和慣組系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的三大研發(fā)熱點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新方向，專利壁壘較大，在進(jìn)行布局時(shí)需要重點(diǎn)加以規(guī)避。相較而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化、降成本、提高可靠性、陀螺應(yīng)用、陀螺測(cè)試、噪聲分析與抑制等方面的專利申請(qǐng)較稀疏，屬于技術(shù)空白區(qū)，反映出這些領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新相對(duì)較少。

圖6 光纖陀螺儀和慣組系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的功效矩陣

四、結(jié)論和建議

光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。通過專利分析研究可知，當(dāng)前光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)正在向高精度、低成本、小型化和集成光學(xué)等方向發(fā)展。其中，美國(guó)是最主要的技術(shù)產(chǎn)出國(guó)，技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用最為成熟，并在世界多國(guó)進(jìn)行了廣泛的專利布局，其在干涉式光纖陀螺技術(shù)方面基本成熟，諧振式光纖陀螺逐漸走向工程應(yīng)用，正在抓緊進(jìn)行新一代光纖陀螺及其慣導(dǎo)系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究。

我國(guó)雖然起步較晚，但技術(shù)水平和專利申請(qǐng)數(shù)量近年來(lái)保持快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，在高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和工程化應(yīng)用方面還有一些技術(shù)難題有待突破，可以從以下方面進(jìn)行優(yōu)化：

一是我國(guó)在不斷推進(jìn)光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也需要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果的保護(hù)和布局。二是加強(qiáng)高校和科研院所的技術(shù)合作，集中國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量發(fā)展高精度光纖陀螺儀及其捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，重視低成本、小型化和集成光學(xué)等方向的工程化研究。三是對(duì)于軍事目的明確的核心技術(shù)，適當(dāng)加強(qiáng)保密審查，避免國(guó)外跟蹤分析我國(guó)技術(shù)情況。四是對(duì)于具有出口前景的軍民兩用技術(shù)，可將專利布局與知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化和市場(chǎng)效益相結(jié)合，根據(jù)國(guó)際合作或產(chǎn)品出口情況加強(qiáng)海外專利布局。