光纤陀螺小型化技术的研究现状分析

刘亮

摘要：光纤陀螺仪（FOG）作为一种导航仪器，在航海、航天乃至国防等多个领域都获得了广泛应用。就目前来看，光纤陀螺仪（FOG）受到体积的限制，导致其在航海、航天以及国防领域的应用备受限制。这主要是因为光纤陀螺仪（FOG）广泛应用于无人机、水下机器人等方面，而随着科技的进步，这些设备的体积越来越小，对于导航的精准度也进一步提升，这也促使光纤陀螺（FOG）小型化技术进一步发展。基于此，本文围绕光纤陀螺仪（FOG）小型化技术展开研究，对其技术原理、发展历程以及主要研究方向进行分析，并对其主要面临的技术问题展开研究，以供参考。

关键词：光纤陀螺；小型化技术；集成化

引言

光纤陀螺（FOG）是一种惯性陀螺仪，可以做到对物体运动方位实施精准把控[1]。光纤陀螺仪（FOG）可以实现对载体相对惯性空间运动角速率进行测量，并且有着使用年限长、精准度高，并且其可以测量的范围也非常大，所以在航海、航天、工业乃至国防等领域都可以看到光纤陀螺仪（FOG）的身影，并已经成为现代化惯性器件的主流，也是今后惯性器件技术发展的主要方向。

一、光纤陀螺（FOG）技术原理分析

光纤陀螺仪（FOG）技术的出现离不开萨格奈克效应（Sagnac），其主要是利用萨格奈克效应对载体的角速率信号实施测量，这也是惯性空间转动闭环光路中一种非常常见的光传播效应[2]。闭环光路中，光的传播主要是发生在同一闭合光路中，向一个光源同时发射两束相同的光，在反方向传播下最终在同一探测点完成汇合。当垂直于闭合光路所处平面轴线，在相对惯性空间存在转动角速度，那此时发出的光束和反方向传播的光束就会出现不同，这种不同也被称之为光程差。因为光程差和相对惯性空间存在的旋转角速度成正比，所以在求旋转角速度时，只需要掌握光程差和相位差信息即可。

光纤陀螺（FOG）技术主要有三种，分别为干涉式光纤陀螺、布里渊光纤陀螺以及谐振腔光纤陀螺[3]。其中干涉式光纤陀螺因为其具备互易性结构，两束发射的光在反方向传播时有着具备相同的传输特征，再加上其附加位移也相同，且有着良好的共模抑制效果，有利于避免寄生效应，所以精准度也更高。

二、光纤陀螺（FOG）技术发展历程

光纤陀螺技术在国外的卫星定位、导航系统以及天体观测望远镜调向等高精度领域获得广泛应用，当然在非高精度领域应用也非常广泛。而在我国，光纤陀螺（FOG）技术通常会运用于惯性导航系统、火箭或弹药导航控制或是运用于微小卫星的姿态控制方面。光纤陀螺（FOG）技术也在不断发展当中，其应用领域也在进一步扩大。随着光纤陀螺（FOG）技术的进一步发展，光纤陀螺（FOG）小型技术也获得明显突破，因为越做越小，所以光纤陀螺（FOG）小型技术在美国、法国、法国等诸多国家的飞机制造、战术武器系统以及望远镜等多个领域获得广泛应用，并产生了不错的应用成效。

三、光纤陀螺（FOG）小型化技术的研究现状

（一）光纤陀螺（FOG）小型化技术概述

与传统的光纤陀螺（FOG）技术不同，其小型化发展就是通过缩小光电器件以及零配件的尺寸，将光电器件朝着集成化与小型化方向发展，使其越来越小而精。

（二）光纤陀螺（FOG）小型化技术研究现状

1.光电器件小型化

（1）结构小型化

光纤陀螺（FOG）所使用的光电器件结构非常复杂，其中光电器件中1m的尾纤会和芯片进行耦合，以完成光信号的传输。因为结构具有复杂性，在减小体积方面存在很大难度。尾纤在应用过程中为避免光纤损坏、信号减弱，就需要在使用过程中适当的弯曲半径，一旦光纤出现损坏，就会引发光纤陀螺（FOG）故障。对于光纤器件而言，其小型化应当促进光电器件结构化繁为简，并缩小光纤需要弯曲的半径，减少光纤尺寸。现阶段，光电器件制造商已经研发了小型化的光电器件，并已经获得广泛应用。

（2）功能结构集成化

光纤陀螺（FOG）光电器件集成化就是对其功能、结构进行整合，通过对功能、模块等进行整合，以尽可能减少光电器件数量，是其结构更加简单。就目前来看，光电器件集成化的模式主要有以下几种方式：第一，将耦合器、探测器以及Y波导整合为一体，以构成光电转换、集分光、光强检测等功能为一体的集成光学器件模块；第二，通过将后级放大电路与探测器相整合；第三，将Y波导与耦合器相整合，可以有效缩减熔接点和光电器件。

2.保偏光纤小型化

在光纤陀螺（FOG）中，保偏光纤作为一个关键材料，其主要是用于光电器件、绕制光环装置的制作。其中，在制作绕制光环组件制作时，在过去所使用的保偏光纤规格为0.125/0.25mm，而如今所使用的保偏光纤规格更小，也就是细径保偏光纤，其规格甚至可以达到0.06/0.1mm。和传统保偏光纤相对比，与之体积相同的细径保偏光纤可以绕制更长的光线，可以有效缩减光纤陀螺（FOG）的尺寸。尽管光纤陀螺（FOG）尺寸有所减少，但是其精度却丝毫没有受到影响，精度还预缩提升，这对于光纤陀螺（FOG）小型化而言有巨大的推动作用。

3.光纤环组件小型化

光纤环组件在光纤陀螺（FOG）中就是敏感角速率信号的传感器，作为一个核心组件，因为细径光纤的应用，光纤组件的体积也大大减小，也使得光纤陀螺（FOG）的精度获得提升。由细径光纤所制作的光纤环组件，可以有效降低光纤环组件绕制应力，使光纤环组件的性能获得进一步提升，促进光纤环组件体积更加小。光纤环体积减小可以使其减少变温效应，实现温度的平衡传递。

4.信息处理模块小型化

光纤陀螺（FOG）信息处理模块主要是由多个电子元器件构成，以FPGA或是DSP作为光纤陀螺（FOG）的信号处理单元，还有电源芯片、DA与AD芯片等电子元器件构成，由于元器件比较多，结构也比较复杂，所以在使用过程中很容易受到干扰，使得光纤陀螺（FOG）稳定性和可靠性比较低。但如今超大规模集成电路在进一步发展，从技术角度来看，加强光纤陀螺（FOG）信息处理模块的研制，对上述元器件进行优化或集成，以实现光纤陀螺（FOG）信息处理模块向着小型化方向发展，使信息处理模块功能更加齐全，抗干扰能力和稳定性也更加能够得到保证。

（三）光纤陀螺（FOG）小型化技术有待解决的问题

随着科学技术水平的进一步提升，光纤陀螺（FOG）技术小型化发展需求也在进一步提升，并已经成为该技术未来发展的必经之路，但在光纤陀螺（FOG）小型化技术发展过程中，还有很多问题没有获得有效解决。就比如说：细径光纤环绕制工艺还需要进一步加强，使其可以能够有更好的实用性；需要进一步明确光电器件集成化测试方式和有关工艺的具体参数等等。在今后发展过程中，只有不断解决光纤陀螺（FOG）小型化技术发展道路上所遇到的技术问题，对其进行优化，这样才可以使其发挥更大价值，扩大其应用领域。

结论

光纤陀螺（FOG）小型化技术作为一种现代化角速度传感器，其和传统陀螺相对比，因为体积小、成本低、精准性高，因此在航天、航海、国防等对高精准度有着较高要求的领域获得广泛应用。相信光纤陀螺（FOG）小型化技术在解决其所面临的技术问题后，可以在更多领域中彰显其价值作用。

参考文献：

[1]尚克军,雷明,李豪伟,冯喆,姜千红,张丽哲.集成化光纤陀螺设计、制造及未来发展[J].中国惯性技术学报,2021,29(04):502-509.

[2]王鹏飞,林媛.高精度光纤陀螺技术的发展与思考[J].舰船电子工程,2020,40(12):11-15+77.

[3]傅军,常扬,宁治文.光纤陀螺小型化技术研究进展[J].传感器与微系统,2020,39(07):1-4+7.