最早的陀螺儀使用是在瞄準鏡上。坦克車在運動過程中顛簸，運動中的車要瞄準對方是非常困難的，如果用陀螺儀，把運動姿態(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顛簸中仍能夠準確瞄準和跟蹤攻擊目標，投彈命中率大大提高。

另外一個使用場景是天線定向系統(tǒng)，車輛或者船舶在運動中需要接受衛(wèi)星信號，天線需要對準衛(wèi)星，光纖陀螺能夠跟蹤天線的方向，使車輛或者船舶在運動中接受的衛(wèi)星信號功率最大。

根據(jù)陀螺儀原理，陀螺儀可分為第一代機械陀螺儀、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，可追朔到古代，形態(tài)像玩的陀螺，有機械轉(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)斗機空戰(zhàn)瞄準、高樓傾斜監(jiān)測、機器人平衡、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。在一個閉合光路中，從同一光源發(fā)出的兩束光，相對傳播，匯合到同一探測點將產(chǎn)生干涉，若該閉合光路存在相對于慣性空間的旋轉(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。干涉效應越明顯。所以光纖陀螺體積越大，精度越高。Sagnac效應本質(zhì)上是一種相對論效應，對光纖陀螺的設(shè)計非常重要。

光纖陀螺原理是一束光從光電管發(fā)出，經(jīng)過耦合器（1端進入到3端）。通過光環(huán)，兩束不同方向進入光環(huán)，繞一圈回來進行相干疊加。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)，其應用最為廣泛。它采用多匝光纖圈來增強SAGNAC效應，一個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，也勢必會使整體結(jié)構(gòu)更加復雜。

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，省去許多復雜的光學和電路結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、可靠性高、消耗功率低等優(yōu)點，缺點是輸入一輸出線性度差、動態(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)是一個環(huán)形雙光束干涉儀。主要用于對精度要求不高、體積小的場合。

光纖陀螺的性能指標

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理主要集中在光學或光電檢測部分，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）

使用光纖陀螺計算時需要角度計算，角度是通過角速度積分得到的，漂移經(jīng)過長時間的積分累積，誤差越來越大?？傮w來說，對快速響應應用（短期），噪聲對系統(tǒng)的影響較大，而對于導航應用（長期），零漂對系統(tǒng)的影響較大。

（3）標度因數(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，都投入了巨大的財力對其進行研究。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)展還處于相對落后的水平。按照發(fā)展水平把陀螺發(fā)展分為三個梯隊：第一梯隊是美國、英國、法國，他們擁有全部陀螺和慣導的研發(fā)能力；第二梯隊主要是日本、德國、俄羅斯；中國目前處于第三梯隊。我國光纖陀螺的研究起步相對較晚，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)達到了慣導系統(tǒng)的中低精度要求。雖然性能相對遜色，但是不會像芯片一樣出現(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)，而我國可以做到0.01，暫時還達不到產(chǎn)業(yè)化的級別。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4萬臺。

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

在技術(shù)的實際應用中，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，才能實現(xiàn)最終的性能。

誤差源包括偏振效應、光纖線圈的背向反射或散射、與光強有關(guān)的非線性折射率變化、沿光纖分布的誤差，與時間有關(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標度因數(shù)都有影響。光纖陀螺的發(fā)展，就是一個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)的導航精度是慣導系統(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)整線圈的長度和直徑。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)。

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)?；梢杂辛Φ卮龠M生產(chǎn)成本的降低，對于中低精度的光纖陀螺尤為如此。