最早的陀螺儀使用是在瞄準(zhǔn)鏡上。坦克車在運(yùn)動(dòng)過程中顛簸，運(yùn)動(dòng)中的車要瞄準(zhǔn)對(duì)方是非常困難的，如果用陀螺儀，把運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量出來，用一套伺服系統(tǒng)控制火炮角度，就可以保證坦克或裝甲車在行進(jìn)顛簸中仍能夠準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)和跟蹤攻擊目標(biāo)，投彈命中率大大提高。

另外一個(gè)使用場景是天線定向系統(tǒng)，車輛或者船舶在運(yùn)動(dòng)中需要接受衛(wèi)星信號(hào)，天線需要對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，光纖陀螺能夠跟蹤天線的方向，使車輛或者船舶在運(yùn)動(dòng)中接受的衛(wèi)星信號(hào)功率最大。

根據(jù)陀螺儀原理，陀螺儀可分為第一代機(jī)械陀螺儀、第二代激光陀螺儀、第三代光纖陀螺儀。

第一代陀螺儀發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，可追朔到古代，形態(tài)像玩的陀螺，有機(jī)械轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，如靜電陀螺、磁浮陀螺等。隨著光電技術(shù)發(fā)展，有了激光陀螺儀、光纖陀螺儀，也就是現(xiàn)在所說的廣義主流陀螺儀，不再有機(jī)械轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而是利用光轉(zhuǎn)，沒有磨損，更抗沖擊，更加穩(wěn)定。本文將主要介紹光纖陀螺儀。

陀螺儀在戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)瞄準(zhǔn)、高樓傾斜監(jiān)測、機(jī)器人平衡、高速列車阻尼控制、長跨度大橋健康狀態(tài)監(jiān)測等都有廣泛的應(yīng)用。

光纖陀螺的原理和分類

（1）原理

光纖陀螺原理在物理上叫Sagnac效應(yīng)。在一個(gè)閉合光路中，從同一光源發(fā)出的兩束光，相對(duì)傳播，匯合到同一探測點(diǎn)將產(chǎn)生干涉，若該閉合光路存在相對(duì)于慣性空間的旋轉(zhuǎn)，則沿正、反方向傳播的光束將產(chǎn)生光程差，該差值與上旋轉(zhuǎn)角速度成正比。利用光電探測器測相位差計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角速度。

從公式可看出，光纖的長度越長，光行走半徑越大，光波長越短。干涉效應(yīng)越明顯。所以光纖陀螺體積越大，精度越高。Sagnac效應(yīng)本質(zhì)上是一種相對(duì)論效應(yīng)，對(duì)光纖陀螺的設(shè)計(jì)非常重要。

光纖陀螺原理是一束光從光電管發(fā)出，經(jīng)過耦合器（1端進(jìn)入到3端）。通過光環(huán)，兩束不同方向進(jìn)入光環(huán)，繞一圈回來進(jìn)行相干疊加。返回的光回到發(fā)光二極管，通過發(fā)光二極管探測強(qiáng)度。光纖陀螺原理看起來比較簡單，但最重要的是如何把影響兩束光光程因素排除掉。這是做光纖陀螺面臨的最重要的問題。

光纖陀螺原理

（2）分類

光纖陀螺儀按照工作原理可分為干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)、諧振式光纖陀螺儀（R—FOG）和受激布里淵散射光纖陀螺儀(B—FOG)。目前光纖陀螺儀中最成熟的是干涉型光纖陀螺儀(即第一代光纖陀螺儀)，其應(yīng)用最為廣泛。它采用多匝光纖圈來增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng)，一個(gè)由多匝單模光纖線圈構(gòu)成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度，也勢必會(huì)使整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

光纖陀螺儀按照回路類型分為開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺。開環(huán)光纖陀螺不帶反饋，直接檢測光輸出，省去許多復(fù)雜的光學(xué)和電路結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、可靠性高、消耗功率低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是輸入一輸出線性度差、動(dòng)態(tài)范圍小，主要用作角度傳感器。開環(huán)的干涉型光纖陀螺的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)形雙光束干涉儀。主要用于對(duì)精度要求不高、體積小的場合。

光纖陀螺的性能指標(biāo)

光纖陀螺主要是測量角速度的，而任何測量都是有誤差的。

（1）噪聲

光纖陀螺中的噪聲機(jī)理主要集中在光學(xué)或光電檢測部分，這些噪聲決定了光纖陀螺的最小可檢測靈敏度。在光纖陀螺中，表征角速率輸出白噪聲大小的參數(shù)是隨機(jī)游走系數(shù)，其中需考慮檢測帶寬。在僅有白噪聲的情況下，隨機(jī)游走系數(shù)的定義可以簡化為一定帶寬下測得的零偏穩(wěn)定性與檢測帶寬的平方根之比，單位為圖片。如果還存在其他類型噪聲或者漂移，要通過擬合方法得到隨機(jī)游走系數(shù)，通常利用Allan方差分析。

（2）零漂（漂移）

使用光纖陀螺計(jì)算時(shí)需要角度計(jì)算，角度是通過角速度積分得到的，漂移經(jīng)過長時(shí)間的積分累積，誤差越來越大。總體來說，對(duì)快速響應(yīng)應(yīng)用（短期），噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響較大，而對(duì)于導(dǎo)航應(yīng)用（長期），零漂對(duì)系統(tǒng)的影響較大。

（3）標(biāo)度因數(shù)（比例因子）

比例因子誤差越小，旋轉(zhuǎn)所測得的結(jié)果就越準(zhǔn)確。

光纖陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀

光纖陀螺發(fā)展日新月異，許多大公司特別是軍事裝備公司，都投入了巨大的財(cái)力對(duì)其進(jìn)行研究。主要研究公司為美國、日本、德國、法國、意大利、俄羅斯，中低精度陀螺儀已經(jīng)完成了產(chǎn)業(yè)化，而美國在這方面的研究一直保持一線領(lǐng)先地位。

我國光纖陀螺發(fā)展還處于相對(duì)落后的水平。按照發(fā)展水平把陀螺發(fā)展分為三個(gè)梯隊(duì)：第一梯隊(duì)是美國、英國、法國，他們擁有全部陀螺和慣導(dǎo)的研發(fā)能力；第二梯隊(duì)主要是日本、德國、俄羅斯；中國目前處于第三梯隊(duì)。我國光纖陀螺的研究起步相對(duì)較晚，但是在廣大科研工作者的努力下，已經(jīng)逐步拉近了我們與發(fā)達(dá)國家間的差距。

目前，我國光纖陀螺產(chǎn)業(yè)鏈完整，產(chǎn)業(yè)鏈上下游都可以找到廠商，光纖陀螺研制精度已經(jīng)達(dá)到了慣導(dǎo)系統(tǒng)的中低精度要求。雖然性能相對(duì)遜色，但是不會(huì)像芯片一樣出現(xiàn)瓶頸。目前美國霍尼韋爾光纖陀螺儀在業(yè)內(nèi)可以說是首屈一指，零漂穩(wěn)定性10.0-0.0003(度/小時(shí))，而我國可以做到0.01，暫時(shí)還達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化的級(jí)別。美國KVH公司是光纖陀螺儀產(chǎn)業(yè)化最成功的公司之一，2009年總產(chǎn)量已達(dá)4萬臺(tái)。

美國KVH公司光纖陀螺儀依次是DSP4000、DSP1500、E-core2000

在技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，Sagnac相移并不是干涉式光纖陀螺中唯一存在的非互易相移，還存在著許多非互易性相移，它們構(gòu)成了干涉式光纖陀螺的誤差源。這些誤差源即便不能完全消除，也必須大大減小，才能實(shí)現(xiàn)最終的性能。

誤差源包括偏振效應(yīng)、光纖線圈的背向反射或散射、與光強(qiáng)有關(guān)的非線性折射率變化、沿光纖分布的誤差，與時(shí)間有關(guān)的溫度梯度、外部磁場、電子漂移誤差。在閉環(huán)工作中光源波長的變化、線圈直徑和光纖長度的變化對(duì)標(biāo)度因數(shù)都有影響。光纖陀螺的發(fā)展，就是一個(gè)不斷消除誤差的過程。

光纖陀螺的發(fā)展趨勢

1.高精度。更高的精度是光纖陀螺取代激光陀螺在高性能導(dǎo)航中地位的必然要求，目前高精度的光纖陀螺技術(shù)還沒有完全成熟。

2.高穩(wěn)定性和抗干擾性。長期的高穩(wěn)定性也是光纖陀螺的發(fā)展方向之一，能夠在惡劣的環(huán)境下保持較長時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)航精度是慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)陀螺的要求。比如在高溫、強(qiáng)震、強(qiáng)磁場等情況下，光纖陀螺也必須有足夠的精度才能滿足用戶的要求。

3.產(chǎn)品多元化。開發(fā)不同精度、面向不同需求的產(chǎn)品是十分必要的。不同的用戶對(duì)精度有不同的要求，而光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單，改變精度時(shí)只需調(diào)整線圈的長度和直徑。在這方面具有超越機(jī)械陀螺和激光陀螺的優(yōu)勢，它的不同精度產(chǎn)品更容易實(shí)現(xiàn)。

4.生產(chǎn)規(guī)模化。成本的降低也是光纖陀螺能夠?yàn)橛脩羲邮艿那疤釛l件之一。各類元件的生產(chǎn)規(guī)模化可以有力地促進(jìn)生產(chǎn)成本的降低，對(duì)于中低精度的光纖陀螺尤為如此。