光纖陀螺小型化技術(shù)研究

畢軍利，張軍芳

（陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司，寶雞 721006）

光纖陀螺是一種速率傳感器，用于測量載體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)角速率，是一種全固體慣性器件，具有測量范圍大、精度高、可靠性高、壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器等領(lǐng)域，是當(dāng)今慣性器件技術(shù)領(lǐng)域的新興產(chǎn)品和發(fā)展主流，代表了未來慣性器件的發(fā)展方向。

1 工作原理

光纖陀螺利用薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)測量載體的角速率信號(hào)，是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相同的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測點(diǎn)。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。

光纖陀螺分為三種，即干涉式、諧振腔、布里淵，本文論述的是干涉式光纖陀螺。

圖1 干涉式光纖陀螺工作原理示意圖

干涉式光纖陀螺工作原理公式相位差為

式中，Ω——被測角速度；Δφ——順、逆時(shí)針兩光束的相位差；L——光纖環(huán)內(nèi)光纖總長度；D——光纖環(huán)平均直徑。

由于Δφ 與光纖線圈直徑和光纖長度成正比，半徑越大，光纖越長，陀螺精度越高，因此，可以在總體方案不變的情況下，采用不同的結(jié)構(gòu)和器件水平，來滿足不同用戶的需要。這種設(shè)計(jì)上的靈活性，是光纖陀螺區(qū)別于其它機(jī)電陀螺的優(yōu)勢所在。

2 光纖陀螺典型結(jié)構(gòu)

2.1 組成

目前，閉環(huán)光纖陀螺閉環(huán)主要由光源、探測器、耦合器、Y波導(dǎo)、光纖環(huán)組件、信息處理組件等組成。原理框圖示意圖如圖2。

2.2 各部分功能

光源的功用是提供光纖陀螺工作所需要的光信號(hào)，并在規(guī)定的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定。

耦合器的功用是進(jìn)行分光和合光，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸。

圖2 閉環(huán)光纖陀螺原理框圖

探測器的功用是把干涉后的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳輸給后級(jí)放大電路。

Y 波導(dǎo)的功用是對(duì)光信號(hào)進(jìn)行啟偏、分光和合光、光信號(hào)相位調(diào)制。

光纖環(huán)組件的功用是傳輸2束反向傳播的光信號(hào)，并形成2束光信號(hào)的光程差（即相位差），是測量角速率信號(hào)的傳感器。

信息處理組件的功用是對(duì)含有角速率信號(hào)的電信號(hào)進(jìn)行濾波、A/D 轉(zhuǎn)換、信號(hào)提取和處理、D/A 轉(zhuǎn)換、信號(hào)輸出。

2.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由原理框圖可以看出，光纖陀螺具有零組件少、結(jié)構(gòu)簡單、沒有活動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，但由于使用了光纖、光電器件等，生產(chǎn)中引入了光纖熔接、光纖盤裝等工藝方法，從而造成光纖陀螺的生產(chǎn)工藝復(fù)雜化，體積不易減小等問題。

3 光纖陀螺小型化的研究方向

3.1 概述

光纖陀螺小型化的方向，主要是減小光電器件、零組件的尺寸，光電器件集成化、小型化。

3.2 細(xì)徑保偏光纖

保偏光纖是光纖陀螺的重要原材料，主要是用來繞制光纖環(huán)組件、制作光電器件的尾纖。在繞制光纖環(huán)組件方面，以前采用的保偏光纖規(guī)格（包層直徑/涂覆層直徑）為0.125/0.25mm，目前規(guī)格為0.08/0.135mm、0.06/0.1mm 的細(xì)徑保偏光纖已經(jīng)出現(xiàn)[1]。

采用細(xì)徑保偏光纖的優(yōu)點(diǎn)是，同樣體積下可以繞制更長的光纖、同樣長度下有助于減小光纖陀螺的尺寸，這些優(yōu)點(diǎn)有助于提高光纖陀螺的精度、便于光纖陀螺的小型化。

3.3 光纖環(huán)組件小型化

光纖環(huán)組件是敏感角速率信號(hào)的傳感器，是光纖陀螺的核心組件，采用細(xì)徑光纖后，有助于減小光纖環(huán)組件的尺寸、提高光纖陀螺的精度。目前，文獻(xiàn)報(bào)道，已經(jīng)出現(xiàn)了采用0.06/0.1mm 的光纖繞制的全脫光纖環(huán)組件[2]，如圖3所示。該光纖環(huán)組件，內(nèi)徑為15mm、環(huán)長為220m，陀螺精度可以達(dá)到0.45°/h（10s）[3]。

采用細(xì)徑光纖繞制光纖環(huán)組件，還可以使用較低的繞制張力，有利于減少光纖環(huán)內(nèi)部的繞制應(yīng)力，提升光纖環(huán)的性能；可以減小光纖環(huán)體積，有利于實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)的小型化；更小的涂層體積，有利于變溫過程溫度傳遞平衡，減小變溫Shupe 效應(yīng)。

圖3 小型全脫光纖環(huán)組件

3.4 光電器件小型化

光纖陀螺采用的光電器件，分別帶有約1m 的尾纖，尾纖需要與芯片進(jìn)行耦合，傳輸光信號(hào)。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積難以減小。另外，尾纖在使用時(shí)需要一定的彎曲半徑，否則，光纖容易斷裂、光信號(hào)衰減太多，引起光纖陀螺故障。

因此，光電器件小型化的方向是：優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小封裝的尺寸；采用細(xì)徑光纖，減小尾纖在使用時(shí)的彎曲半徑。

目前，光電器件制造商已經(jīng)研制出了小型化的SLD 光源、Y波導(dǎo)、耦合器等器件，并得到使用。Y 波導(dǎo)的出纖，需要與光纖環(huán)組件采用的光纖相匹配，采用了細(xì)徑光纖，其他器件方面，采用細(xì)徑光纖做尾纖的產(chǎn)品還沒有報(bào)道。

3.5 光電器件集成化

光電器件集成化，就是把功能方面有聯(lián)系、在結(jié)構(gòu)存在連接關(guān)系的不同器件進(jìn)行組合，或者與前后功能模塊相結(jié)合，從而簡化結(jié)構(gòu)、減少器件或功能模塊，目前關(guān)于集成化，有下面幾種模式：

（1）探測器、耦合器與Y 波導(dǎo)集成為一體，形成了集分光、相位調(diào)制、光強(qiáng)檢測、光電轉(zhuǎn)換為一體的多功能集成光學(xué)器件模塊[4]，如圖4所示。

圖4 集成光學(xué)器件模塊結(jié)構(gòu)圖

（2）探測器與后級(jí)放大電路的集成，減少與后級(jí)放大電路。

（3）耦合器與Y 波導(dǎo)集成，減少光電器件和熔接點(diǎn)。

（4）Y 波導(dǎo)與光纖環(huán)組件的集成，減少熔接點(diǎn)。

3.6 光電接收集成化模塊

新型光纖陀螺專用PAM 模塊[5]集成了光電探測器和前置放大電路，提高了電路的抗電磁干擾能力和可靠性。同時(shí)，電路的體積減小，重量減輕，成本降低。

3.7 光纖陀螺信息處理模塊

目前，光纖陀螺采用DSP 或者FPGA 作為信號(hào)處理單元，周圍配置DA 芯片、AD 芯片、電源芯片、通訊芯片等和外圍電子元器件，存在器件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗干擾能力不強(qiáng)、可靠性不高等問題，影響了光纖陀螺的性能指標(biāo)和可靠性。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，從技術(shù)層面上研制光纖陀螺信息處理模塊，代替上面的芯片是完全有可能的。另外，隨著光纖陀螺大量的推廣應(yīng)用，也迫切需要體積小、功能全、可靠性高的光纖陀螺信息處理模塊。

4 需要解決的技術(shù)問題

隨著光纖陀螺小型化的發(fā)展需求，細(xì)徑保偏光纖的應(yīng)用、光學(xué)器件小型化和集成化、光纖陀螺信息處理模塊研制等將是陀螺發(fā)展的主要方向。小型化過程中需要解決以下技術(shù)問題：

（1）細(xì)徑光纖環(huán)繞制工藝研究，需要根據(jù)精度和環(huán)境適用性等的要求，確定光纖環(huán)繞制張力、速度，溫度環(huán)境適用性、振動(dòng)環(huán)境適用性以及光纖盤繞時(shí)使用的膠種等。

（2）不同種類、不同規(guī)格的細(xì)徑光纖的熔接工藝參數(shù)確定，包含熔接機(jī)、熱剝除、切割刀、涂覆機(jī)等熔接設(shè)備，放電時(shí)間、放電強(qiáng)度、熔接角度、熔接損耗等熔接工藝參數(shù)。

（3）光電器件集成化測試方法及相關(guān)工藝參數(shù)的確定，如分束比、消光比、插入損耗等。

（4）光電接收集成化模塊裝配工藝及測試參數(shù)的確定。

5 結(jié)束語

本文介紹了光纖陀螺的原理和典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行，并根據(jù)高精度、小型化光纖陀螺發(fā)展需求，分析了細(xì)徑光纖、光電器件小型化和集成化、光電接收集成化模塊和細(xì)徑光纖環(huán)組件應(yīng)用等的可行性，并提出小型化過程中需要解決的技術(shù)問題。該研究為今后光纖陀螺實(shí)現(xiàn)小型化的研制提供了一定的參考價(jià)值。