最早的陀螺仪使用是在瞄准镜上。坦克车在运动过程中颠簸，运动中的车要瞄准对方是非常困难的，如果用陀螺仪，把运动姿态测量出来，用一套伺服系统控制火炮角度，就可以保证坦克或装甲车在行进颠簸中仍能够准确瞄准和跟踪攻击目标，投弹命中率大大提高。

另外一个使用场景是天线定向系统，车辆或者船舶在运动中需要接受卫星信号，天线需要对准卫星，光纤陀螺能够跟踪天线的方向，使车辆或者船舶在运动中接受的卫星信号功率最大。

根据陀螺仪原理，陀螺仪可分为第一代机械陀螺仪、第二代激光陀螺仪、第三代光纤陀螺仪。

第一代陀螺仪发展历史久远，可追朔到古代，形态像玩的陀螺，有机械转子旋转，如静电陀螺、磁浮陀螺等。随着光电技术发展，有了激光陀螺仪、光纤陀螺仪，也就是现在所说的广义主流陀螺仪，不再有机械转子旋转，而是利用光转，没有磨损，更抗冲击，更加稳定。本文将主要介绍光纤陀螺仪。

陀螺仪在战斗机空战瞄准、高楼倾斜监测、机器人平衡、高速列车阻尼控制、长跨度大桥健康状态监测等都有广泛的应用。

光纤陀螺的原理和分类

（1）原理

光纤陀螺原理在物理上叫Sagnac效应。在一个闭合光路中，从同一光源发出的两束光，相对传播，汇合到同一探测点将产生干涉，若该闭合光路存在相对于惯性空间的旋转，则沿正、反方向传播的光束将产生光程差，该差值与上旋转角速度成正比。利用光电探测器测相位差计算出旋转角速度。

从公式可看出，光纤的长度越长，光行走半径越大，光波长越短。干涉效应越明显。所以光纤陀螺体积越大，精度越高。Sagnac效应本质上是一种相对论效应，对光纤陀螺的设计非常重要。

光纤陀螺原理是一束光从光电管发出，经过耦合器（1端进入到3端）。通过光环，两束不同方向进入光环，绕一圈回来进行相干叠加。返回的光回到发光二极管，通过发光二极管探测强度。光纤陀螺原理看起来比较简单，但最重要的是如何把影响两束光光程因素排除掉。这是做光纤陀螺面临的最重要的问题。

光纤陀螺原理

（2）分类

光纤陀螺仪按照工作原理可分为干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)、谐振式光纤陀螺仪（R—FOG）和受激布里渊散射光纤陀螺仪(B—FOG)。目前光纤陀螺仪中最成熟的是干涉型光纤陀螺仪(即第一代光纤陀螺仪)，其应用最为广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干涉仪可提供较高的精度，也势必会使整体结构更加复杂。

光纤陀螺仪按照回路类型分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺。开环光纤陀螺不带反馈，直接检测光输出，省去许多复杂的光学和电路结构，具有结构简单、价格便宜、可靠性高、消耗功率低等优点，缺点是输入一输出线性度差、动态范围小，主要用作角度传感器。开环的干涉型光纤陀螺的基本结构是一个环形双光束干涉仪。主要用于对精度要求不高、体积小的场合。

光纤陀螺的性能指标

光纤陀螺主要是测量角速度的，而任何测量都是有误差的。

（1）噪声

光纤陀螺中的噪声机理主要集中在光学或光电检测部分，这些噪声决定了光纤陀螺的最小可检测灵敏度。在光纤陀螺中，表征角速率输出白噪声大小的参数是随机游走系数，其中需考虑检测带宽。在仅有白噪声的情况下，随机游走系数的定义可以简化为一定带宽下测得的零偏稳定性与检测带宽的平方根之比，单位为图片。如果还存在其他类型噪声或者漂移，要通过拟合方法得到随机游走系数，通常利用Allan方差分析。

（2）零漂（漂移）

使用光纤陀螺计算时需要角度计算，角度是通过角速度积分得到的，漂移经过长时间的积分累积，误差越来越大。总体来说，对快速响应应用（短期），噪声对系统的影响较大，而对于导航应用（长期），零漂对系统的影响较大。

（3）标度因数（比例因子）

比例因子误差越小，旋转所测得的结果就越准确。

光纤陀螺的发展现状

光纤陀螺发展日新月异，许多大公司特别是军事装备公司，都投入了巨大的财力对其进行研究。主要研究公司为美国、日本、德国、法国、意大利、俄罗斯，中低精度陀螺仪已经完成了产业化，而美国在这方面的研究一直保持一线领先地位。

我国光纤陀螺发展还处于相对落后的水平。按照发展水平把陀螺发展分为三个梯队：第一梯队是美国、英国、法国，他们拥有全部陀螺和惯导的研发能力；第二梯队主要是日本、德国、俄罗斯；中国目前处于第三梯队。我国光纤陀螺的研究起步相对较晚，但是在广大科研工作者的努力下，已经逐步拉近了我们与发达国家间的差距。

目前，我国光纤陀螺产业链完整，产业链上下游都可以找到厂商，光纤陀螺研制精度已经达到了惯导系统的中低精度要求。虽然性能相对逊色，但是不会像芯片一样出现瓶颈。目前美国霍尼韦尔光纤陀螺仪在业内可以说是首屈一指，零漂稳定性10.0-0.0003(度/小时)，而我国可以做到0.01，暂时还达不到产业化的级别。美国KVH公司是光纤陀螺仪产业化最成功的公司之一，2009年总产量已达4万台。

美国KVH公司光纤陀螺仪依次是DSP4000、DSP1500、E-core2000

在技术的实际应用中，Sagnac相移并不是干涉式光纤陀螺中唯一存在的非互易相移，还存在着许多非互易性相移，它们构成了干涉式光纤陀螺的误差源。这些误差源即便不能完全消除，也必须大大减小，才能实现最终的性能。

误差源包括偏振效应、光纤线圈的背向反射或散射、与光强有关的非线性折射率变化、沿光纤分布的误差，与时间有关的温度梯度、外部磁场、电子漂移误差。在闭环工作中光源波长的变化、线圈直径和光纤长度的变化对标度因数都有影响。光纤陀螺的发展，就是一个不断消除误差的过程。

光纤陀螺的发展趋势

1.高精度。更高的精度是光纤陀螺取代激光陀螺在高性能导航中地位的必然要求，目前高精度的光纤陀螺技术还没有完全成熟。

2.高稳定性和抗干扰性。长期的高稳定性也是光纤陀螺的发展方向之一，能够在恶劣的环境下保持较长时间内的导航精度是惯导系统对陀螺的要求。比如在高温、强震、强磁场等情况下，光纤陀螺也必须有足够的精度才能满足用户的要求。

3.产品多元化。开发不同精度、面向不同需求的产品是十分必要的。不同的用户对精度有不同的要求，而光纤陀螺结构简单，改变精度时只需调整线圈的长度和直径。在这方面具有超越机械陀螺和激光陀螺的优势，它的不同精度产品更容易实现。

4.生产规模化。成本的降低也是光纤陀螺能够为用户所接受的前提条件之一。各类元件的生产规模化可以有力地促进生产成本的降低，对于中低精度的光纤陀螺尤为如此。

关键词:了解 光纤陀螺仪

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来 源：光电汇OESHOW

编辑：仪器仪表WXF

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