高精度光纖陀螺技術的發(fā)展與思考?

王鵬飛 林 媛

（1.海裝駐上海地區(qū)第二軍事代表室 上海 200129）（2.中國人民解放軍92001部隊 青島 266000）

1 引言

光纖陀螺和以光纖陀螺為核心的慣性測量產品已廣泛應用于航海、航空、航天、兵器、能源等各個領域。隨著技術水平的進步、光路器件性能的提升以及制造工藝的逐漸成熟，使光纖陀螺產品在近幾年得到了快速發(fā)展，實用精度顯著提升［1～2］。

法國iXblue公司和美國Honeywell公司等世界上先進的光纖陀螺研制生產單位，都已將高精度光纖陀螺應用到了慣性導航系統(tǒng)中。隨著光纖陀螺的不斷優(yōu)化，基于光纖陀螺的慣性導航系統(tǒng)必將在高精度慣性市場占有一席之地。

與國外先進水平相比，突破高精度光纖陀螺關鍵技術問題對國內光纖陀螺技術和相關產業(yè)發(fā)展都有十分重要的意義。

高精度光纖陀螺誤差主要包括標度因數(shù)誤差和輸出噪聲誤差。這兩方面誤差與光源光譜以及光譜在光纖光路中的傳輸規(guī)律有很大的相關性。光譜的變化導致平均波長的改變，直接導致光纖陀螺的標度因數(shù)發(fā)生偏移。光譜的變化也導致光源相對強度噪聲（Relative Intensity Noise，RIN）分布規(guī)律變化。相對強度噪聲是高精度光纖陀螺的基本噪聲，有效的抑制方案是提高光纖陀螺精度的一條途徑［3］。在干涉信號檢測與處理方面，閉環(huán)反饋波形對PIN探測端“串擾”會引起“死區(qū)”現(xiàn)象。該現(xiàn)象會嚴重影響陀螺標度因數(shù)指標和對極低轉速的敏感輸出。

本文針對高精度光纖陀螺的技術發(fā)展，重點描述國內外的技術現(xiàn)狀，闡述目前面臨的問題，分析后續(xù)發(fā)展趨勢，為高精度光纖陀螺技術的進一步發(fā)展提供參考方向。

2 高精度光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外高精度光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

國外公開報道的光纖陀螺長時間零偏穩(wěn)定性已優(yōu)于1×10-5?/h，慣導系統(tǒng)中實際應用的也已達到10-5?/h量級。研制單位主要包括法國iXblue公司、美國 Honeywell公司、美國L3 Space&Navigation公司、意大利GEM elettronica公司和俄羅斯Optolink公司等。

1）法國 iXblue公司

2013年，iXblue公司專家 H.Lefèvre在文獻中給出了空間用ASTRIX200系統(tǒng)應用的FOG200光纖陀螺測試結果。在測試300h后，標準差達到4×10-5?/h1/2，且精度仍在隨時間持續(xù)提高；測試結果遠優(yōu)于同時測試的半球諧振陀螺和激光陀螺。

同年，公司在實驗室條件下，40℃恒溫箱中（溫控精度為0.2℃），對光纖慣性導航系統(tǒng)進行了長時間測試。結果顯示，38天的線性漂移小于0.4海里（對應0.01Nm/24h），如果在漂移中包括Schuler誤差和24h振蕩，則結果接近38天1海里，測試結果如圖1所示［4～6］。

圖1 iXblue公司光纖慣導38天測試數(shù)據

將零偏穩(wěn)定性和標度因數(shù)誤差都考慮在內，角速度精度為1.5×10-5?/h；對應長時間零偏穩(wěn)定性約為4.7×10-6?/h，標度因數(shù)穩(wěn)定性約1ppm。

2014年歐洲海軍防務展（EURONAVAL 2014）上，iXblue公司推出了MARINS M7光纖陀螺捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)，用于海軍水面艦艇和潛艇，位置精度達到1 Nm/72h，對應光纖陀螺實際精度約10-4°/h。對于潛艇而言，MARINS M7支持自動隱形導航的時間是其他系統(tǒng)的3倍［7］。

2019年，公司公布了其優(yōu)化設計的MARINS M9、M11慣性導航產品［8］，新產品較大幅度提升了產品體積和重量，預計進行了更優(yōu)化的溫度均衡性設計。其中，M11實現(xiàn)了1Nm/15天位置精度的光纖陀螺慣導系統(tǒng)，對應光纖陀螺精度約2×10-5°/h。MARINS M系列產品部分指標如表1所示。

表1 MARINS M系列慣導系統(tǒng)性能指標

MARINS系列慣導產品終身免標校、免維護，現(xiàn)已在英、法、瑞典、阿聯(lián)酋等多個國家海軍的艦艇及潛艇中應用，其中包括伊麗莎白女王級航空母艦和機敏級核潛艇。

近期，公司還致力于開發(fā)大型BlueSeis光纖陀螺產品系列，該系列產品致力于地球科學應用，尤其適用于地表運動測量。

2）Honeywell公司

2016年，Honeywell公司在Fiber Optic Sensors and Applications XIII會議上介紹了其參考級光纖陀螺的研制情況。未補償?shù)墓饫w陀螺長時間零偏穩(wěn)定性（零偏不穩(wěn)定性）優(yōu)于3×10-5?/h，隨機游走系數(shù) 達 到 1.6×10-5?/h1/2，噪 聲 等 效 角 度（NEA）為300nrad/30min，白噪聲小于 3×10-6asec/Hz1/2。光纖陀螺模型和Allan方差結果如圖2所示［9］。

圖2 Honeywell公司參考級光纖陀螺模型及測試結果

該光纖陀螺的隨機游走系數(shù)已經可以和最新的原子陀螺相比擬，同時光纖陀螺具有當前原子陀螺不具備的便攜性和可生產性。零偏穩(wěn)定性和角度白噪聲也優(yōu)于報道過的最優(yōu)等級半球諧振陀螺，也可作為精度和靈敏度極高的大地測量、慣性測試設備校準儀表。Honeywell公司小批量生產的高性能空間用光纖陀螺HPSFOG長時間零偏穩(wěn)定性在（2～6）×10-4?/h，標度因數(shù)誤差在1 ppm 范圍以內。

3）L3 Space&Navigation公司

L3 Space&Navigation公司光纖陀螺慣性測量產品包括戰(zhàn)略級和超戰(zhàn)術級（小型化產品），已在水上、陸地、航空、太空和各型導彈等多種場合得到應用。其高性能的慣性測量單元CIRUS-A中光纖陀螺的長時間零偏穩(wěn)定性達到1×10-4?/h，標度因數(shù)穩(wěn)定性達到±2ppm，如圖3所示［10］。

4）GEM elettronica公司

意大利GEM elettronica公司的產品主要應用于海洋、海岸、艦艇和潛艇，包括光纖陀螺慣性導航系統(tǒng)、光電監(jiān)控設備、操控臺、激光雷達等。

公司在2017年發(fā)布了與法國MARINS M7水平相當?shù)腟URF-200高精度慣性導航系統(tǒng)，采用了戰(zhàn)略級的光纖傳感器（光纖陀螺），產品服役周期內免校準。另外，法國MARINS M系列慣導系統(tǒng)被禁止對中國出售，而SURF-200不受國際武器貿易條 例（International Traffic in Arms Regulations，ITAR）限制，SURF-200 系統(tǒng)如圖4所示［11］。

圖3 L3 S&N公司的光纖陀螺的慣性測量單元CIRUS-A

圖4 SURF-200高精度慣性導航系統(tǒng)

SURF-200慣導系統(tǒng)在體積、重量上也明顯優(yōu)于法國MARINS M7，主要技術指標如表2所示。

表2 SURF-200高精度慣性導航系統(tǒng)主要指標

5）Optolink 公司

2018年，俄羅斯 Optolink公司公開了其SRS-5000光纖陀螺及高精度慣性測量單元IMU-5000樣機，在恒溫情況下零偏不穩(wěn)定性優(yōu)于8×10-5°/h（根據Allan方差擬合），主要性能指標如表 3所示［12］。

圖5 Optolink公司的SRS-5000及IMU-5000實物

表3 IMU-5000用光纖陀螺技術指標

2.2 國內高精度光纖陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，國際高精度光纖陀螺技術發(fā)展方向被不斷證實，國內大幅度加強了此方面的研究投入，光纖陀螺的技術水平、制造工藝和光學器件性能迅速發(fā)展，并明顯推進了高精度光纖陀螺在方案設計、光纖環(huán)制造封裝、信號檢測與閉環(huán)控制技術等關鍵問題的進步。

主要研究單位包括北京航空航天大學、浙江大學、航天科工三院三十三所、航天時代光電技術公司等，各單位均研制出了高精度光纖陀螺的原理樣機。實際生產并應用的產品中，比較有代表性的如北京航空航天大學研制的F120HC、F120HD等光纖陀螺產品。

國內高精度光纖陀螺的應用技術同樣存在問題，光纖陀螺還沒有真正融匯到慣性測量系統(tǒng)之中，導致了傳感器的環(huán)境適應性劣化，預熱時間變長。從高精度的光纖陀螺到真正的高精度慣性測量設備，還需要進一步的改進優(yōu)化。

在艦船應用上有一定代表性的是哈爾濱工程大學研制的光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，采用了三軸一體化光纖陀螺結構（如圖6所示），邁出了光纖陀螺與上層慣導系統(tǒng)融合設計的第一步，解決問題的思路直接有效，其精度水平也有很大的發(fā)展空間。

綜合來講，目前國內高精度光纖陀螺正逐漸由實驗室樣機步入產業(yè)化應用階段，但相比于iX-blue、Honeywell等世界先進單位，國內高精度光纖陀螺在標度因數(shù)穩(wěn)定性、光學噪聲抑制、多物理場影響下的精度保持能力、長期可靠性和自校準等方面還有較大差距。

圖6 哈爾濱工程大學的船用光纖捷聯(lián)航姿系統(tǒng)外形及內部

3 面臨的問題和思考

目前，國內研制高精度光纖陀螺的理論模型還不夠完整，對光器件選型、信號處理、封裝工藝和測試標定方案等都難以形成有效支持。

1）光路引起的標度和噪聲問題

高精度光纖陀螺對標度因數(shù)指標要求在1 ppm以內。影響標度因數(shù)指標的因素眾多，包括光纖環(huán)的熱脹冷縮、光譜傳輸誤差和多重閉環(huán)控制的參數(shù)變化等，準確的標度因數(shù)描述模型是研究的必要基礎。目前，基于光譜傳輸變化及其影響因素建立的標度因數(shù)模型研究才剛剛開始，也是目前高精度光纖陀螺標度因數(shù)誤差最不確定的因素。

光纖光路中的背向反射和散射、振幅型偏振誤差、光源相對強度的變化都會引起光路噪聲。前兩者與寄生干涉、偏振濾波相關，而后者則與光路傳輸?shù)墓庾V變化相關，且與光譜寬度成反比。但光譜傳輸變化對光源相對強度噪聲的影響同樣缺乏準確可量化的描述模型。

2014 年，法國 iXblue 公司的 F.Guattari［13～14］等提出了一種光源相對強度噪聲抑制方案，如圖7所示。方案通過對干涉光和對比光傳輸光程的嚴格控制，可實現(xiàn)延時一個渡越時間的兩路光的相對強度噪聲相減，最高可降低陀螺噪聲水平4倍以上，為高精度光纖陀螺的發(fā)展提供了一條可行路線。

圖7 基于光路相減的光源相對強度噪聲抑制方案

目前面臨的問題是，通過干涉儀較長光路的光譜可能有噪聲分布上的較大改變，進而與對比路噪聲分布失去對比性，失去相減抑制效果。該分析可以解釋目前較短干涉光路的抑制效果更明顯的現(xiàn)象，而較短光路與高精度設計本身是矛盾的。因此，方案需要與傳輸過程的光譜控制研究同時開展，一旦解決后可實現(xiàn)光纖陀螺在精度上的大幅度進步。

2）配套光纖器件的問題

高精度光纖陀螺的關鍵器件包括Y波導集成光學器件、光纖光源、保偏光纖環(huán)等。

從性能指標來講，國內存在高精度光纖陀螺與高品質器件供需不平衡的問題。例如:Y波導集成光學器件的高芯片消光比、低殘余強度調制等指標不滿足要求；光纖環(huán)的偏振串音穩(wěn)定性、背向散射、粘接后存在局部應力集中等問題；光纖光源的光譜形狀、光譜穩(wěn)定度和偏振穩(wěn)定度不理想等問題，這些問題尚未在制造工藝上很好解決，批次性難以保障。此外由于光纖器件本身延伸自光纖通信產業(yè)，存在器件測試與陀螺應用脫節(jié)，器件指標無法直接在計算模型中體現(xiàn)等問題。建立陀螺光路精確模型的意義在于，對器件設計制造和測試方案進行正確的指導，從光路總體全局和指標相互聯(lián)系的角度權衡指標要求，建立完備的器件―陀螺指標對應體系。例如，光纖陀螺光路中的光纖耦合器、Y波導集成光學器件、光纖環(huán)均應建立光譜透射性指標，以保障光路傳輸過程中的光譜穩(wěn)定。目前配套的光器件，僅有寬帶光纖耦合器列出了光學帶寬指標，其關聯(lián)的另一項指標是波長相關損耗（最大值），沒有光譜平均波長變化信息，沒有溫度相關變化信息。而且常用的光譜分析儀分辨率只有0.01nm，也無法分辨常規(guī)條件下的光譜變化。

借助微結構光纖等新材料、相變溫控等新方法、新型工藝光纖器件以及激光封焊新工藝的研究和應用，也是支持高精度光纖陀螺的發(fā)展的有效途徑。

3）電路設計和控制算法的問題

光纖陀螺干涉儀輸出的微弱信號，容易受到模擬電路不穩(wěn)定的影響。雖然還沒有文獻進行具體分析，但電路本身的抗干擾設計和熱設計，對高精度光纖陀螺的長期漂移存在較大影響。通過模/數(shù)隔離接地、電源分區(qū)、濾波網絡優(yōu)化、電磁兼容設計等技術手段可以大大減小這些電學干擾。

其他方面，在電路方案中實現(xiàn)本征頻率跟蹤的第三閉環(huán)設計也有利于抑制陀螺輸出的漂移和標度因數(shù)的穩(wěn)定，國外已實現(xiàn)，國內還在研究階段。調制波形的隨機性可將對探測端的相關性串擾降至最低，從而抑制陀螺輸出“死區(qū)”的產生，但不是“死區(qū)”產生的唯一原因，還包含其他光學、電路噪聲等。另外，通過增加AD和DA轉換位數(shù)實現(xiàn)量化噪聲的抑制，也是實現(xiàn)輸出降噪的有效手段。

4）陀螺總成的技術、工藝問題

光纖陀螺在實際應用中表現(xiàn)出的精度水平與陀螺自身的光器件裝配、慣性測量系統(tǒng)對陀螺的裝配方式都緊密相關。目前，國內在高精度光纖陀螺在裝配方面缺乏有效的理論指導，光纖陀螺測試評價標準與應用環(huán)境也有較大差距，綜合導致了實際應用中的精度變差。

從結構設計來講，高精度光纖陀螺的自身設計上，需要采用多層結構，減緩光纖環(huán)的溫度變化速率、促進溫度的平衡分布，進而提升陀螺的溫度適應性能［15～16］，國內已有相應的研究基礎。另一方面，慣性測量系統(tǒng)在設計上同樣要考慮陀螺的溫度均衡性，例如，系統(tǒng)的底座可能是進行熱傳遞的集中通道，在環(huán)境溫度變化的影響下正交坐標系下三軸陀螺溫度場存在嚴重失衡。如果在熱量的物理傳導上實現(xiàn)陀螺的最佳溫度均衡設計（可能是非正交的異形化結構設計），綜合統(tǒng)籌內部熱源分布，再從矩陣變換的角度投影到等效的數(shù)學平臺，可能是解決系統(tǒng)溫度問題的一個較好方案。

在陀螺總成工藝上，光纖環(huán)固化膠吸收、釋放水汽導致的光纖環(huán)尺寸變化也是影響標度因數(shù)穩(wěn)定性的直接原因。采用激光焊接方案會比密封橡膠圈和密封膠方案在維持吸水導致的標度因數(shù)穩(wěn)定性上更加有效，通過封焊工藝也可進一步均化溫度場擾動。另外，找到更合適材料的光纖環(huán)粘接底板和粘接方案，也是解決光纖環(huán)應力匹配問題、提高光纖陀螺溫度性能的有效途徑。綜合應用系統(tǒng)溫度控制、減振設計、建模補償?shù)燃夹g途徑，可以很好改善高精度光纖陀螺的環(huán)境適應性能。

4 結語

近幾年，國外在高精度光纖陀螺在研制和應用上進步幅度巨大，但公開報道中與高精度光纖陀螺理論與技術相關的文獻資料極少。一方面，說明對光纖陀螺的技術認知已接近成熟，基本技術方向已經明確；另一方面，涉及核心產品的方案細節(jié)、器件指標、控制補償算法和裝配工藝方案等具體問題需要國內技術工作者自力更生解決。

目前，高精度光纖陀螺已在隨機游走系數(shù)、長時間零偏穩(wěn)定性、成本、可制造性等方面具有突出的優(yōu)勢。法國iXblue公司的MARINS系列產品光纖陀螺等效零偏重復性達到1.5×10-5°/h，已可望靜電陀螺之項背。在光纖陀螺的理論精度上，隨機游走系數(shù)可達10-6°/h1/2以內，長時間零偏穩(wěn)定性指標可達10-6°/h以內，零偏重復性精度更高（理論上為0），相應可滿足慣性導航系統(tǒng)3個月乃至更長時間的導航需要。不僅如此，高精度光纖陀螺高精度和高敏感性，其應用也已延伸到度量學（Metrology）、地震學（Seismology）、結構傳感（Structural Sensing）以及慣性測試設備校準等領域。