楊金帥

摘 要：目前，光纖陀螺作為一種慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的新技術(shù)，本文詳細(xì)闡述了光纖陀螺的起源、基本原理以及應(yīng)用前景。此外還詳細(xì)介紹了光纖陀螺的核心元件光纖環(huán)圈的工作原理。進(jìn)一步指出了光纖陀螺與其它光學(xué)陀螺相比具體的優(yōu)勢(shì)和廣闊前景，旨在為業(yè)界人士提供價(jià)值參考。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺；發(fā)展；應(yīng)用前景

中圖分類(lèi)號(hào)：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）21-0020-02

在現(xiàn)代國(guó)防技術(shù)領(lǐng)域中，慣性技術(shù)在其中發(fā)揮著舉足輕重的作用，同時(shí)，慣性技術(shù)是一種綜合性實(shí)用尖端技術(shù)，綜合了多學(xué)科的前沿科技。因此，得到了業(yè)界相關(guān)人士的重視和關(guān)注，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航天、航空、航海等多個(gè)領(lǐng)域。陀螺儀是慣性系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分，主要用于測(cè)量載體的角位移和姿態(tài)角。陀螺儀的性能優(yōu)劣主要取決于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能的好壞。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺，光纖陀螺具備抗沖擊、使用年限長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及重量輕等諸多優(yōu)勢(shì)。因此，光纖陀螺的應(yīng)用前景十分廣闊。本文深入探究了光纖陀螺的基本原理、發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 光纖陀螺的發(fā)展史

1.1 陀螺的歷史

陀螺一直人們的追捧和喜歡，抽打陀螺儀已然成為春季孩子們最喜愛(ài)的游戲之一。隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，陀螺的材質(zhì)和形狀花樣越來(lái)越多，不斷推陳出新，打陀螺儀不僅適合年輕人，而且同樣適合老年人，在技藝精湛的工匠思維下也更具趣味性和完美性。

1.2 光纖陀螺的基本原理

Sagnac效應(yīng)就是光纖陀螺的工作原理，在閉合回路中，分別從順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向進(jìn)行傳播的兩束光，它們之間的光程差△L，同真空中的光速是反比例關(guān)系，此外與回路面積A和閉合回路的旋轉(zhuǎn)角度Ω都是正比例關(guān)系。即：

（1）

由N圈光纖繞制形成的閉合回路屬于光纖陀螺閉合回路，累積光路差為：

（2）

對(duì)應(yīng)的Sagnac相位差為：

（3）

在公式（3）中，光纖敏感環(huán)的光纖總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，用字母D代表光纖圈直徑D；光在真空中的波長(zhǎng)用表示，而光纖維圈的面積則用A表示，則：

（4）

（1）在具體光纖陀螺閉合回路中，主要是有效利用N圈光纖繞制來(lái)完成的，其主要光程差為：

（2）光纖陀螺的實(shí)際閉環(huán)由N型光纖構(gòu)成，累積光路差為在式它稱(chēng)為比例因子，而光纖陀螺靈敏度用表示。因此，經(jīng)過(guò)對(duì)相位差的檢測(cè)，進(jìn)一步確定旋轉(zhuǎn)角速度Ω大小，即為Sagnac效應(yīng)。旋轉(zhuǎn)體的角度位置或方位角可以通過(guò)角速度的時(shí)間積分來(lái)確定。

2 光纖陀螺儀的應(yīng)用

2.1 在國(guó)內(nèi)，光纖陀螺發(fā)展?fàn)顩r

目前，國(guó)外光纖陀螺儀發(fā)展突飛猛進(jìn)，研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)明了一種遠(yuǎn)程彈載、艦載激光陀螺捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)。

不僅提出了時(shí)空標(biāo)記交換體系與控制面概念，而且還提出了自相似環(huán)流網(wǎng)狀高速光網(wǎng)絡(luò)模型以及新一代光纖陀螺原理和結(jié)構(gòu)等，在慣性/GPS導(dǎo)航基礎(chǔ)上，應(yīng)用傳感器集成，在進(jìn)行載體角速度和姿態(tài)角測(cè)量時(shí)，主要應(yīng)用陀螺作為角位移、角速度測(cè)量的傳感器，從而進(jìn)一步深入研究光纖陀螺。

當(dāng)國(guó)內(nèi)外科研人員在深入研究光纖慢光系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法時(shí)，主要以研究環(huán)形光纖系統(tǒng)和光信號(hào)處理為主，深入探究了可以增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)的環(huán)形光纖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究了環(huán)形光纖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制措施和噪聲特性，進(jìn)而提出了一種新型高靈敏度諧振陀螺儀的設(shè)計(jì)原理和方法。

（1）應(yīng)用到光纖陀螺精密傳感器。

（2）使用陀螺材料設(shè)備。

（3）光纖陀螺中的光電集成芯片。

基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，不斷增加光源和輸出的耦合功率有利于光纖陀螺的干涉形狀，因?yàn)樵黾庸庠吹妮敵龊婉詈瞎β士梢杂行У靥岣咄勇莸男旁氡取?duì)于窄譜光源的諧振式光纖陀螺，可以很好地處理光源輸出和耦合功率問(wèn)題。

2.2 光纖環(huán)圈

光纖環(huán)圈為光纖陀螺的核心元件，由于光纖陀螺可用于軍用慣導(dǎo)，屬于高新科技產(chǎn)品，而保偏光纖又是其核心部件，所以研究保偏光纖的性能對(duì)光纖陀螺的發(fā)展具有重要意義。

2.2.1 保偏光纖的溫度敏感性分析

（a）折射率溫度特性：

當(dāng)光波長(zhǎng)值一定時(shí)，環(huán)境溫度T及應(yīng)變狀態(tài)ε都會(huì)對(duì)光纖折射率n造成一定的影響。具體關(guān)系表示為：

（5）

式中，為折射率溫度系數(shù)，為折射率應(yīng)變系數(shù)，為零應(yīng)力狀態(tài)下溫度的折射率。實(shí)驗(yàn)中被測(cè)光纖處于松散狀態(tài)，忽略外部應(yīng)力影響，式（5）簡(jiǎn)化為：

（6）

通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)，可以了解到是光纖折射率的溫度系數(shù)取值范圍，同時(shí)溫度系數(shù)的取值范圍隨著光纖的摻雜濃度和摻雜元素的變化而時(shí)刻發(fā)生改變。

（b）保偏光纖折射率溫度系數(shù)測(cè)量：

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可得以下公式：

（7）

其中L（T）為光程，l（T）為光纖長(zhǎng)度。

因此，通過(guò)測(cè)量被測(cè)光纖光程隨溫度的變化量即可得到折射率溫度系數(shù)。

2.2.2 PPP-BOTDA技術(shù)原理

通過(guò)利用布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖上各點(diǎn)應(yīng)變和定位等傳感信號(hào)定位，來(lái)進(jìn)一步測(cè)量傳感器參數(shù)沿光纖長(zhǎng)度的空間分布。如圖1所示，泵浦光和探測(cè)光分別注入待測(cè)光纖的兩端，聲波是泵浦光利用電致伸縮而產(chǎn)生的，相反，則會(huì)發(fā)生聲波調(diào)制的折射率。泵浦光產(chǎn)生了折射率光柵，在有效利用布拉格衍射散射泵浦光，由于光柵以聲速發(fā)生移動(dòng)即為多普勒頻移，而布里淵頻移是散射光發(fā)生了頻率下移現(xiàn)象。當(dāng)泵浦光頻率Vp和探測(cè)光頻率之間的差異等于布里淵頻率偏移時(shí)，在該區(qū)域中發(fā)生受激布里淵增益效應(yīng)，并且在兩個(gè)光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。在此過(guò)程中心頻移求解如下：

（8）

此外，脈沖預(yù)泵浦技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。在引入脈沖光（泵浦光）之前，對(duì)脈沖預(yù)泵浦光進(jìn)行適當(dāng)?shù)募虞d工作，以事先激發(fā)出聲子；通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖光與預(yù)泵浦光的功率比，減少了過(guò)量輸出功率并減小了泵浦脈寬，其空間分辨率已經(jīng)達(dá)到厘米量級(jí)。

（9）

在公式（9）中，折射率用n表示，聲速用表示，中心頻移則用表示，光波長(zhǎng)用表示。

2.3 慢光的原理

光是人們熟知的一種電磁波。公式（10）則可以表示為一個(gè)沿Z方向傳播的單色平面波：

（10）

此外，科學(xué)家們用相速代表等相位面的傳播速度：

（11）

將介質(zhì)的相位折射率定義為真空中的光速與介質(zhì)中的相速之比：

（12）

在上述公式中，傳播常數(shù)用β表示，電磁波的角頻率用ω表示。一般來(lái)說(shuō)，折射率是頻率的函數(shù)。不同頻率的光在介質(zhì)中相速是不同的，都是憑借不同的速度進(jìn)行傳播的。這種特性被叫做色散。色散波的相速既不能代表能量的傳播速度，又不能代表光信號(hào)。通過(guò)調(diào)制攜帶信息的光信號(hào)，對(duì)含有多個(gè)頻率的波包進(jìn)行調(diào)制，構(gòu)成一個(gè)完成的波包。用群速度描述其在介質(zhì)中的傳播速度。通常情況下，折射率是頻率的函數(shù)。不同頻率的光在介質(zhì)中以不同的速度傳播。這種性質(zhì)被物理學(xué)家命名為色散。值得注意的是，色散波的相速既不能代表能量的傳播速度，又不能代表光信號(hào)。其在介質(zhì)中的傳播速度用群速度描述。

（13）

群折射率公式為：

（14）

從上述式子（13）（14）可知，存在兩個(gè)有效降低光信號(hào)的群速度的方法，一是增大折射率的相對(duì)變化率，一是使折射率n增大，時(shí)，。光信號(hào)（波包）的群速度不斷慢下來(lái)，進(jìn)而出現(xiàn)慢光現(xiàn)象。

3 展望光纖陀螺儀的發(fā)展

作為一個(gè)新興的傳感器，管線陀螺儀的特點(diǎn)很多：

（1）無(wú)需運(yùn)動(dòng)部件，儀器穩(wěn)定、堅(jiān)固、抗沖擊力強(qiáng)、抗加速。

（2）價(jià)格便宜，零部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。

（3）啟動(dòng)時(shí)間超短，瞬間能啟動(dòng)。

（4）高分辨率、高靈敏度檢測(cè)（高達(dá)10-7rad/s）。

（5）直接數(shù)字輸出和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

（6）寬動(dòng)態(tài)范圍。

（7）信號(hào)很穩(wěn)定、可靠，生命期長(zhǎng)。

（8）集成光路技術(shù)易于使用。

（9）能夠很好的將激光陀螺由于閉鎖而形成的負(fù)效應(yīng)進(jìn)行克服，光纖陀螺（FIR）的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景十分廣闊，在從持續(xù)應(yīng)用激光技術(shù)的同時(shí)，光纖陀螺必將成為21世紀(jì)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。

全部的光纖陀螺均使用的是同類(lèi)的元件，而存在的不同是，元件的裝配公差以及性能質(zhì)量上，所以產(chǎn)品的系列化很容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)能夠?qū)Σ煌I(lǐng)域和不同系統(tǒng)的需求進(jìn)行最大程度的滿足。隨著光纖陀螺（FOG）技術(shù)日趨成熟，其使用的領(lǐng)域已經(jīng)在逐漸的擴(kuò)展，傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺整在被光纖陀螺不斷的代替著。一些專(zhuān)家預(yù)測(cè)“光纖陀螺出現(xiàn)，機(jī)械陀螺必會(huì)停止使用”。

4 結(jié)語(yǔ)

截止到目前，光纖陀螺已經(jīng)從低精度戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用發(fā)展到導(dǎo)航用的中等精度和高精度，而在很多場(chǎng)合基于光纖陀螺的慣性系統(tǒng)也被廣泛的應(yīng)用著，也開(kāi)始在越來(lái)越多的應(yīng)用中使用。在我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化迅速發(fā)展的今天，各個(gè)領(lǐng)域?qū)饫w陀螺的需求日益增長(zhǎng)。北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)均先后深入研究了光纖陀螺，其成果較為顯著?？偟膩?lái)說(shuō)，中國(guó)光纖陀螺的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用還遠(yuǎn)未達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。而在21世紀(jì)，光纖陀螺技術(shù)將成為慣性技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，其在中國(guó)的前景將會(huì)無(wú)線廣闊，從而能夠被廣泛的應(yīng)用在民用和軍用領(lǐng)域中，為其提供更好的服務(wù)。

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