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光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)。薩格納克效應(yīng)是相對慣性空間轉(zhuǎn)動的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點。

若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉(zhuǎn)動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。

未來光纖陀螺的發(fā)展將著重于以下幾個方面：

(1)高精度。更高的精度是光纖陀螺取代激光陀螺在高等導(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)境下保持較長時間內(nèi)的導(dǎo)航精度是慣導(dǎo)系統(tǒng)對陀螺的要求。比如在高溫、強震、強磁場等情況下，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。不同的用戶對導(dǎo)航精度有不同的要求，而光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單，改變精度時只需調(diào)整線圈的長度直徑。在這方面具有超越機械陀螺和激光陀螺的優(yōu)勢，它的不同精度產(chǎn)品更容易實現(xiàn)，這是光纖陀螺實用化的必然要求。

(4)生產(chǎn)規(guī)?；３杀镜慕档鸵彩枪饫w陀螺能夠為用戶所接受的前提條件之一。各類元件的生產(chǎn)規(guī)模化可以有力地促進生產(chǎn)成本的降低，對于中低精度的光纖陀螺尤為如此。

主要性能參數(shù)：

（1）零偏和零漂

零偏是輸入角速度為零（即陀螺靜止）時陀螺儀的輸出量，用規(guī)定時間內(nèi)測得的輸出量平均值對應(yīng)的等效輸入角速度表示，理想情況下為地球自轉(zhuǎn)角速度的分量。零漂即為零偏穩(wěn)定性，表示當(dāng)輸入角速率為零時，陀螺儀輸出量圍繞其零偏均值的離散程度，用規(guī)定時間內(nèi)輸出量的標準偏差對應(yīng)的等效輸入角速率表示。

零漂是衡量FOG(光纖陀螺)精度的最重要、最基本的指標。產(chǎn)生零漂的主要因素是沿光纖分布的環(huán)境溫度變化在光纖線圈內(nèi)引入的非互易性相移誤差。通常為了穩(wěn)定零漂，常需要對IFOG進行溫度控制或者溫度補償。另外偏振也會對零漂產(chǎn)生一定的影響，在IFOG中常采用偏振濾波和保偏光纖的方法消除偏振對零漂的影響。

（2）標度因數(shù)

標度因數(shù)是陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值，在坐標軸上可以用某一特定直線斜率表示，它是反映陀螺靈敏度的指標，其穩(wěn)定性和精確性是陀螺儀的一項重要指標，綜合反映了光纖陀螺的測試和擬合精度。標度因數(shù)的穩(wěn)定性無量綱，通常用百萬分比(ppm)表示。標度因數(shù)的誤差主要來源于溫度變化和光纖偏振態(tài)的不穩(wěn)定性。

（3）隨機游走系數(shù)

表征光纖陀螺儀中角速度輸出白噪聲大小的一項技術(shù)指標，它反映的是光纖陀螺儀輸出的角速度積分隨時間積累的不確定性，因此也可稱為角隨機游走。隨機游走系數(shù)反應(yīng)了陀螺儀的研制水平，也反映了陀螺儀最小可檢測的角速率。該誤差主要來源于光子的隨機自發(fā)輻射、光電探測器和數(shù)字電路引入的噪聲和機械抖動。

（4）閾值和分辨率

閾值表示光纖陀螺能感應(yīng)的最小輸入速率。分辨率表示陀螺儀在規(guī)定輸入角速率下能感應(yīng)的最小輸入速率增量。閾值和分辨率都表征光纖陀螺儀的靈敏度。

（5）最大輸入角速度

表示陀螺正、反方向輸入速率的最大值，表征陀螺的動態(tài)范圍，即光纖陀螺可感應(yīng)的速率范圍。

技術(shù)難點：

光纖陀螺儀需要突破的主要技術(shù)為靈敏度消失、噪聲和光纖雙折射引起的漂移和偏振狀態(tài)改變引起的比例因子不穩(wěn)定。

（1）靈敏度消失

在旋轉(zhuǎn)速率接近零時，靈敏度會消失。這是由于檢測器中的光密度正比于薩格納克Sagnac相移的余弦量所引起。

（2）噪聲問題

光纖陀螺儀的噪聲是由于瑞利背向散射引起的。為了達到低噪聲，應(yīng)采用小相干長度的光源。

（3）光纖雙折射引起的漂移

如果兩束相反傳播的光波在不同的光路上，就會產(chǎn)生漂移。造成光路長度差的原因是單模光纖有兩正交偏振態(tài)，此兩種偏振態(tài)光波一般以不同速度傳播。由于環(huán)境影響，使兩正交偏振態(tài)隨機變化。

（4）偏振狀態(tài)改變引起的比例因子不穩(wěn)定。

光纖陀螺是從激光陀螺上改進而來的，除了陀螺儀本身之外，目前還發(fā)展出了對于陀螺儀誤差的補償技術(shù)，例如使用重力、地球自轉(zhuǎn)角速度和輔助導(dǎo)航設(shè)備對外界因素進行估算后再對陀螺儀的誤差進行估算，然而對陀螺儀輸出進行補償可以有效減少最終誤差。在未來的戰(zhàn)場中，想干擾導(dǎo)航設(shè)備或許會變得不可能。

標簽： 高精度光纖陀螺儀