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            國內外光纖陀螺技術概況與發展方向


                由于光纖陀螺技術對國防裝備系統和國家經濟建設具有十分重要的意義,從它誕生起就受到世界各國的密切關注,并投入大量的人力和物力資源對它進行研究。目前,美國、歐洲、日本以及俄羅斯的光纖陀螺技術處于世界領先地位。這其中美國和歐洲在中高精度光纖陀螺的研發和制造領域具有明顯的技術優勢,而日本和俄羅斯則更加注重中低精度光纖陀螺的商業化推廣。


                早在 1976 年美國就研制出世界上第一臺干涉式光纖陀螺的樣機,經過幾十年的不斷發展,美國的光纖陀螺技術已經走在世界的前列,主要的研制單位有:霍尼韋爾公司(Honeywell)、諾思羅普.格魯曼公司(Northrop Grumman)、美國 KVH工業公司、斯坦福大學等科研機構。霍尼韋爾公司是航空、航天和軍事裝備領域光學陀螺最主要的研發單位,主要產品分為激光陀螺和光纖陀螺。該公司從 80年代中期,就開始研發所有精度的光纖陀螺,1991 年開始批量生產。該公司的AHZ-800 型(0.5°/h)光纖陀螺已經作為標準配置廣泛的應用于包括 Embraer145支線客機、波音 777、Dornier328 系列支線客機等多種商業客機的姿態/航向基準系統(AHRS),目前已經交付了上萬套這樣的陀螺產品。在美國軍方大力支持下,霍尼韋爾公司不斷地開發出高精度的光纖陀螺產品及其慣性導航系統,并已應用在戰術武器系統、飛機的慣性導航設備、各種衛星和空間載體中。該公司研制精密級光纖陀螺性能指標已經達到零偏穩定性小于 0.0003°/h,角隨機游走系數小于0.0001°/√h,標度因數穩定性小于 1ppm,被用于美國的戰略導彈核潛艇、“哈勃”望遠鏡和戰略導彈系統中,如圖 1.1 所示: 與此同時,霍尼韋爾公司還開發了中高精度的消偏式光纖陀螺以降低成本,其零偏穩定性達到 0.006°/h,角隨機游走 0.0007°/√h,標度因數穩定性 30ppm。目前該公司的光纖陀螺已經覆蓋所有陀螺精度的范圍,其產品類型、結構和技術指標如表 1.2 所示: 諾思羅普.格魯曼公是美國重要的武器系統承包商,它的導航系統部已經制造了超過 7 萬臺光纖陀螺應用在各種慣性測量產品中,包括:速率陀螺、慣性測量單元(IMU)和慣性導航系統(INS)。其導航系統部主要由格魯曼公司于 2001年收購的 Litton 工業集團公司,該集團公司旗下包括美國導航與控制系統公司、美國 Aero Products 公司、德國 Litef 公司和意大利 Lital 公司,以及原諾思羅普.格魯曼精密儀器部構成。


                這些公司是著名的光纖陀螺和導航技術研制單位,格魯曼公司通過收購這些公司成為了光纖陀螺及其構成的導航設備非常重要的制造商,其光纖陀螺精度范圍在 1.0°/h~0.001°/h 之間。主要產品包括 uFORS 系列(零偏穩定性 1°/h~36°/h)、  FOG-200 系列(零偏穩定性 3°/h)、  LN200(零偏穩定性 1°/h)以及慣性測量單元如 IMU200、IMU600、LN260、LTN-101E、LN-251、LN-270、LFK-95 等。該公司的產品環境適用性強、體積小、平均無故障間隔時間長,被廣泛應用于平臺穩定與控制系統、導彈制導、戰斗機、商用客機的航向姿態基準系統以及陸上和艦船導航系統中。美國 KVH 工業公司已經具有設計、生產、銷售光纖陀螺十幾年的歷史,已經出售光纖陀螺超過 1 萬 2 千多只,其產品的特點是開環、全光纖、數字信號處理,具有成本低、可靠性高、壽命長和維護成本低廉。主要應用在天線穩定、車輛導航和無人機導航等系統中,其主要產品如表 1.3 所示: 歐洲主要研制單位有:法國 IXSEA 公司、德國 LITEF(已被美國格魯曼公司收購)、俄羅斯 Optolink 公司和 Fizoptika 公司。法國 IXSEA 公司主要致力于航海、水下載具和航天領域的光纖陀螺技術開發,該公司 OCTANS 光纖陀螺羅經的性能指標:零偏穩定性達到 0.005°/h,航向精度 0.1°,姿態精度 0.01°,已經交付了 500 套以上,廣泛應用于多國的海軍艦船上,并已經安裝在法國核潛艇中;它的光纖陀螺慣性導航系統 PHINS 的零偏穩定性達到0.003°/h;在空間和衛星系統應用的產品主要包括:ASTRIX200(零偏穩定性 0.001°/h,角隨機游走 0.0002°/√h,標度因數穩定性 30ppm),用于地球觀測衛星等;ASTRIX120(零偏穩定性 0.01°/h,角隨機游走 0.002°/√h,標度因數穩定性 100ppm),用于科學衛星等;ASTRIX120HR(零偏穩定性 0.02°/h,角隨機游走 0.003°/√h,標度因數穩定性 100ppm),用于商用通信衛星等。


                IXSEA 公司在空間應用光纖陀螺技術方面走在世界的前列。俄羅斯 Optolink 公司的主要產品有 SRS-500、SRS-1000、SRS-2000 型單軸光纖陀螺,TRS500 型三軸光纖陀螺,SGC500、SGC1000、SGC2000 型光纖陀螺羅經。Fizoptika公司產品的零偏穩定性在 0.3°/h~1.0°/h 之間,主要產品有  VG910,VG941,VG951 等,該公司產品在國內應用較多。

            日本研制光纖陀螺的單位主要有:日本航空電子工業有限公司(JAE),三菱精密有限公司(MPC)、日立公司、東京大學和東機美。其中 JAE、MPC 和東機美公司已經研制出集成芯片閉環光纖陀螺,應用領域主要是航天和機器控制系統中。JAE 公司的微型衛星用光纖陀螺采用閉環控制技術,零偏穩定性為 1°/h,角隨機游走為 0.1°/√h,標度因數穩定性為 500ppm;MPC 公司的閉環光纖陀螺性能為:零偏穩定性 0.03°/h,角隨機游走 0.005°/√h,標度因數穩定性 150ppm。日本公司開發的光纖陀螺主要應用于商業領域,在工業控制,車輛定位檢測以及機器人系統中應用較多。

            國內光纖陀螺的研制相比國外起步較晚,由于光纖陀螺巨大的市場價值和對國防裝備現代化的重要性,從 1987 年起光纖陀螺技術被列入國家重點發展計劃中。國內眾多單位投入大量的人力、物力研究光纖陀螺技術及其配套光學器件的研發,其中包括:航天科技集團 13 所、航天科工集團 33 所、北京航空航天大學、浙江大學、哈爾濱工程大學、中航 618 所、上海 803 所、中科院西安光機所等研制單位。航天 13 所在各類型光纖陀螺研制和工程化方面在業界比較突出,其全數字閉環保偏型光纖陀螺的零偏穩定性小于 0.4°/h,高精度能達到 0.01°/h,已經在彈上和空間設備中應用。北京航空航天大學在光纖陀螺的基礎理論方面研究的比較深入,也是國內最早研制光纖陀螺的單位之一,其保偏型光纖陀螺精度優于 1.0°/h,消偏型優于 2°/h  ,目前北京航空航天大學的光纖陀螺已經產業化。中航 618 所研制的光纖陀螺組合精度達到 10°/h,標度因數非線性小于 500ppm,該產品已在應用中。

               中科院西安光機所在國內開展光纖陀螺較晚,但已取得顯著成果,目前其光纖陀螺的零偏穩定性也已達到 0.06°/h。在早期光纖陀螺所用的光源、多功能集成光學芯片以及陀螺用高雙折射保偏光纖主要依賴國外的產品,由于光纖陀螺技術的敏感性,國家投入大量資金用于這些器件的研發。目前中電 46 所、北京特種玻璃研究院、武漢長飛公司已經能夠生產陀螺用保偏光纖;中電 44 所,北京世維通公司等單位研制的多功能集成光學芯片也已經得到廣泛應用。雖然我國的光纖陀螺技術起步較晚,但在國家的大力支持下已經取得了豐碩的成果,一些產品的技術指標已經超越了國外同類產品。但是,在高精度光纖陀螺方面以及產品性能的穩定性、環境適用性等工程化技術方面還需要進一步研究和努力。
             



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