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光纤传感的基本原理是:光源入射的光束经由光纤进入光纤传感器件,在传感器内与外界物质相互作用,该光束成为被待测物理参数调制的光信号, 使强度、波长、频率、相位、偏振态等光参量发生变化,光信号再由光纤进入光电器件,经解调器的解调后可获得被测参数。整个过程中,光纤及其传感器件起到信号传输和外界物理量感知的作用,是光纤传感的关键组成部分。不同于远距离传输的通信光纤,为了更敏锐地“感知”外界各种信息,通常需要对光纤的波导结构进行特殊的设计,并将其加工成各种高精度的光纤传感器件。
光纤陀螺技术自1976年被提出以来,已有45年的发展历史。尽管相关的理论和技术已达到很高的成熟度,但光纤陀螺作为一种能实现大量程且极小相位可靠测量的“神奇”干涉型光纤传感器,依然是光纤传感和惯性技术领域的研究热点。现阶段的研究焦点集中在提高精度、降低噪声和抑制成本等方面。光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤旋转传感器,是光纤和光波器件组成的全固态结构,无运动部件,重量轻,可靠性高,配置灵活,通过优化设计可实现高精度、低成本,是目前惯性技术领域的主流陀螺仪表。进入工程应用的光纤陀螺有开环和闭环干涉型两种,其中闭环干涉型光纤陀螺的精度高、测量范围大,为目前主流的光纤陀螺方案。谐振型光纤陀螺的光纤谐振腔短,具有激光陀螺的可靠性高、精度高、易于维护、寿命长的特点,具有重要的应用潜力,为目前光纤陀螺技术领域的主要研究方向之一。光纤陀螺在国防、航空航天、天体运动观测、无人载体(机器人、无人机等)以及其他自主智能系统等领域具有广泛的应用。
工作原理
Sagnac效应原理，输入光源的反射光和透射光沿相同的路径传输,形成两个闭合光路,并在分光面发生干涉。当环形干涉仪沿与面法线平行的轴旋转时,顺、逆时针的光波间将产生一个正比于旋转速度的相位差,相位差的大小正比于旋转角速度,而且比例系数由光路包围面积和光频率决定。干涉型光纤陀螺是通过采用长光纤绕制光纤环而成,从而形成足够大的等效面积,增大Sagnac效应比例系数,实现旋转量的测量。闭环干涉型光纤陀螺在调制器上施加变台阶高度的数字台阶波以产生反馈相位、通过方波调制开环检测实现闭环控制, 其线性度好、精度高。对于谐振型光纤陀螺,可用很短的光纤形成光纤谐振环腔,基于环腔内光的谐振特性实现比例系数增大，通过测量在光纤谐振腔内顺、逆时针谐振光频率的差实现输入角速度的测量。
技术发展
经过45年的发展,干涉型开环和闭环光纤陀螺结构和方案已经定型,已进入大量工程应用阶段,但在实际的应用中还存在噪声和温度误差偏大的问题。谐振型光纤陀螺与干涉型光纤陀螺的发展历史基本一样。近年来,研究人员将空芯光纤用于光纤谐振环,为谐振型光纤陀螺的发展创造了条件,使其成为一个比较活跃的研究领域。光纤陀螺技术的研发过程堪称为一种典型的新技术研发范例。第一个10年(1976-1986年)为光纤陀螺的迅速发展时期,研究人员在这个期间有很大研究进展:在原理方案方面,提出了干涉型开环和闭环方案,有源、无源和集成谐振陀螺等；在理论和技术方面,揭示了光路互易性、Shupe效应和Faraday效应引入误差的机理,发明了对称绕环技术等；在关键光学器件方面,研发了保偏光纤、超辐射发光二极管(SLD)光源、集成光学调制器等。在第二个10年(1987-1996年)期间,大功率、光谱稳定的掺铒光纤光源被提出,强度噪声相关理论和抑制技术得到充分的研究,这支撑了高精度光纤陀螺的发展,干涉型光纤陀螺的精度达到0.0003（°）/h,光纤陀螺开始进入实际应用。近年来,光纤陀螺技术研究主要集中在噪声、温度误差抑制和新方案、新应用等方面。
需求现状
光纤陀螺具有全固态、重量轻等独特的特点,目前是惯性技术领域各类系统的首选,在中低精度应用中具有重要作用。随着技术、器件和工艺的成熟, 以及应用领域的不断拓展,市场对中精度光纤陀螺的需求逐年上升；理论和实验研究表明,光纤陀螺能够满足水下舰艇、战略武器装备和行星地震学等的需求,这些领域对高精度光纤陀螺的需求日益增加。相对其他类型的陀螺技术,光纤陀螺更适合大批量生产,具备低成本的潜力。只要在成本和批量上实现突破,低成本光纤陀螺将成为各类民用系统,如无人机、无人运输工具、无人驾驶、机器人,及其他自主智能系统的首选,市场需求巨大。
挑战性的问题与难点
光纤陀螺技术已达到较高的成熟度,目前该项技术的关键器件已经能够全部实现国产化。系列化的光纤陀螺产品已在海、陆、空、天等领域大量使用,并形成了配套的产业群和较大的市场规模。但面向超高精度惯性系统和大规模低成本应用需求,需要突破的主要问题如下。
1)、面向长航时高精度惯性导航和高灵敏度、低噪声行星地震学六分量地震长期观测需求,高精度光纤陀螺的性能指标还有较大差距。
2)、由温度及其变化引入的漂移和噪声是影响光纤陀螺现场应用性能的主要因素,已有的技术效果有限,期待实用有效的方案和技术。
3)、谐振型光纤陀螺具有独特的优势,具有很大的应用潜力,目前尚处于原理样机研究阶段,未形成实用的方案和技术。
4)、为控制光纤陀螺的制作成本、提高生产效率,关键工艺、装备和关键参数在线监测和控制等方面还存在一些不明确的问题需要揭示和解决。
5)、光纤陀螺具有低成本、大批量生产的应用潜力,但尚缺合适的定型方案、低成本光纤材料、器件和相关的批产工艺。
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