摘要
由于光纤陀螺（FOG）干涉仪对总光路中很小的变化都能敏感到，因此提高力学环境下光纤陀螺仪（FOG）的性能通常被认为是一项重大的技术难题。要想使陀螺性能达到，就需要对光路相对变化的处理能力达到10-7。IXSEA已经研究了几种可能的改进方案来设计防振型FOG。所有的这些努力已产生了一些引人关注的结果，下面将一一介绍。的FOG性能已经在苛刻的力学环境下（振动量级达12g rms，未进行复杂的机械隔离）得到了印证。
0 引言
从20世纪90年代中期开始，IXSEA（前身为Photonetics导航部）已经研发了一系列用于航海、陆地和航天领域的惯性测量系统——以FOG作为速率敏感器。IXSEA生产的FOG的性能在10年内提高了大约2个数量级，从而能够满足最严格的导航和姿态控制要求，其惯性测量装置（IMU）系列产品——OctansTM, PhinsTMand MarinsTM的速率测量精度分别为0.05、0.01和0.001，呈逐步提高的趋势。
最近IXSEA完成了对振动环境下FOG性能的研究，其目标就是要分析并尽可能详细地描述剧烈振动环境下的FOG性能特性，并设计出能够承受极高量级振动的新型FOG，进而再研制出一种在严苛力学环境下零偏稳定性将优于0.1的三轴FOG陀螺组合样机。
本文总结了此项研究工作的主要成果。首先，本文分析了敏感器带宽及其在振动环境下对性能的影响。建立了光纤线圈（敏感部分）的力学模型，以模拟线圈的动态畸变。同时，对不同的FOG结构进行了特性测试，以便确定当前设计方案中亟需更改的参数。最后，本文给出了根据前面分析设计的三轴FOG样机的结果。
1 FOG带宽分析
为了获得非常不错的标度因数性能和灵敏度，根据闭路“检测/逆反应”方案[1]进行了速率测量：将一个模拟旋转速率发送到FOG敏感线圈，刚好补偿了线圈的“真实”旋转，这样敏感器输出信号始终为零，这只有在旋转速率变化比FOG带宽慢得多的情况下才起作用，否则，逆反应链无法彻底补偿旋转信号，即：输出不再为零，结果还能引起检测链元件（如放大器或ADC）的非线性表现，从而产生测量偏差。由于振动能够导致高频旋转速率变化，因此要避免这一系列问题就非常有必要检查陀螺是否足够“快”。理论上FOG的带宽是非常大的[1] [2]，大大超过1kHz (因为c=299792458 m·s-1)，但是，此值测量起来有一定的难度，因为速率发生器的频率是有限的（连接到转台上的振动器频率约800Hz）。其中，一种解决方案是直接往FOG逆反应链中注入高频模拟信号来模拟旋转速率：结果等效于以信号频率旋转的真实旋转。那么，FOG响应也能通过这种模拟方法测得，将其振幅与输入信号振幅相比较：两者之比为FOG在此频率上的增益。这种方法使我们能够测试高达20kHz的FOG带宽并确认其带宽的高值，即：-3 dB时约9kHz；经过深入分析并优化电路板后，我们可以把此值增大两倍，达到-3dB时20kHz，参见图1。在有这么大的带宽的情况下，很明显：在低于2kHz（典型值）的振动频率范围内，FOG增益是固定的，等于1。敏感器速度非常之快，能够准确地进行测量。此带宽还允许高频采集，这在处理圆锥运动时非常重要[4]。
图1 FOG带宽测量
2 光纤线圈的力学模拟
光纤线圈受振畸变后在FOG测量时产生偏差，主要表现为两种现象：
第一种现象是增加了线圈内光纤的应力，从而改变了光纤的光学指数[3]，而此指数变化又会导致Sagnac干涉仪发生相移，进而引起速率测量误差，如热Shupe效应[1]。第二种现象是螺旋长度、外形等的变化引起干涉仪几何路径的变化，而这种“时相关”几何变化就意味着：逆向传播的两光束具有不同的光程，从而产生偏差。因而，为了最大程度的减少光纤线圈的受振畸变，就非常有必要研究一下它的力学特性。由于光纤线圈是按照某种复杂的模式（四极对称法）将数千个光纤螺旋圈绕到一起并用粘接剂定型，因此它的结构是极其复杂的。而且，光纤本身也是一种复合材料，即：纤芯为二氧化硅，外覆保护涂层。
我们决定研制一种简单的光纤线圈（材料同质却各向异性）力学模型。为了定义模型参数，我们完成了对光纤线圈样品的力学特性描述，参见图2。
图2 光纤线圈的力学特性
我们使用这个模型来模拟固定在保持架上的线圈的力学特性。根据以前对FOG偏差源的分析，我们比较了不同的线圈和保持架几何结构以获取组件整体的高谐振频率并最大程度地减少线圈畸变。在改进了线圈和保持架的设计方案后，一次谐振频率从小于2kHz（标准设计）提高至大于4kHz。
3特性测试
除了上述分析外，为了能够更准确地研究并描述振动中的陀螺特性，我们还进行了试验测试。测试计划的基本原则是确定不同FOG的频率响应，以便验证前面执行的力学模拟测试的结论，同时也是为了研究无法通过别的方式建模的其它灵敏度。
3.1 试验准备
在测试性能不次于0.1°/h的陀螺时，为了避免各种外部干扰必须特别注意测试环境条件。振动测试时尤其要注意：振动器产生一种并非完全呈线性的运动，不受控制的运动对陀螺的性能影响很大，也有可能会引起圆锥运动[4]。为了避免这一点，我们把一个水平滑台固定到振动器上：这样，滑台的运动就比振动器单独运动更具线性。然而，使用传统油膜水平台的测试结果却很令人失望：观测到大于30"的寄生旋转。最终，换用LRBA的导程滑台后角稳定性好得多。多亏LRBA团队的努力我们才能更有效地测量10Hz至1kHz之间的滑台角位移：滑台旋转小于1"。我们还研制了能够进行高频（约3kHz）采集的电子采集板，这样就能够记录高频振动而不会丢失任何信息。特性测试就是已知加速度振幅的正弦振动，扫频范围是10Hz至1kHz，可以研究不同频率下敏感器对加速度的瞬态响应，加速度振幅从0.5g增至10g。为了精确地确定FOG的频率增益，所有特性测试都没有使用减振器或悬挂系统；光纤线圈、保持架、三轴陀螺组件被紧紧地固定在滑台上。
3.2 被测线圈结构
为了研究振动中FOG性能的改进情况，测试了几种不同结构的线圈以鉴其是否适用于我们的三轴陀螺组合。在光纤供应商的密切配合下，我们确定并测试了不同类型的光纤。如前所述，光纤内芯为二氧化硅，外覆一层或多层保护涂层。
线圈设计方案可以根据应用领域的不同而变动，尤其是可以改变光纤的保护涂层，涂层不同，整个线圈在振动时的整体力学特性不同。我们还测试了几种内部结构不同的线圈。在我们自己生产线圈时，我们能够毫不费力地更改相关参数，如绕制型式、粘接剂、绕制张力等等。为了验证模拟预测值，我们借助于以前的力学分析结果对几种不同的线圈几何结构和保持架进行了研究，实现了几种三轴结构方案。
3.3 测试结果实例分析
本文给出了一种被称为“最佳结构”（1）的三轴FOG特性测试结果，参见图3。
图3“最佳”结构FOG的特性测试结果
此次测试表明该FOG性能非常不错。对待测FOG施加正弦振动，频率范围为10Hz至1kHz，加速度振幅为3g。陀螺测量的正弦旋转速率振幅随着正弦振动频率呈线性增加，此结果意味着FOG角测量也是正弦，但其振幅恒定，约0.5"：FOG仅检测非常小的旋转！很难解释此次测量，因为此旋转既可能是一种真实旋转（其振幅低于滑台角测量分辨率），也可能是一种振动引起的假象。然而，测量值极小、线性变化达1kHz，这就表明这些振动不会激发机械谐振，因此，我们可以期望此种结构能具有不错的零偏稳定性。
3.4 特性测试结论
总的来说，这一系列测试使我们能够确定那些影响FOG振动灵敏度的最关键系数。仔细研究了这几种被测结构后，我们证实了光纤线圈和保持架结构的力学分析结果：一次谐振频率越高，瞬态速率测量值越小。我们还确定了能够使FOG振动响应振幅最小化的光纤和光纤线圈的内部结构。最后，我们终于找到了几种能够获取极佳测试结果而无需任何悬挂系统或减振器的有效结构。这样，我们就能够定义三轴FOG整体样机，其性能在“低振动”环境（工作温度范围[-20℃～60℃]…）下类似于Octans三轴FOG，在高振动环境下则比后者好得多。
4 三轴FOG样机测试
我们根据特性测试结果研制出一台三轴FOG样机，关键的一点是此样机不使用任何的悬挂系统和减振器；另外，其形状系数与Octans三轴FOG相同。首先，我们进行一系列测试来评估其温度性能，结果，看起来其陀螺稳定性优于0.1°/h，正是我们所预期的。接下来，我们在随机振动环境下进行了稳定性测试。
4.1 第一次测试：5g rms 10Hz-500Hz
首先，我们在下面环境中进行了测试（这是本次研究的最初目标）：随机振动5g rms，频率范围：10Hz-500Hz。结果如图4所示。
图4三轴FOG样机在随机振动下的角漂移，振动条件：5g rms 10Hz-500Hz。
角测量时考虑了地球自转，并进行了补偿。
如图所示，随机振动不会对FOG造成大的零偏变化；目前还无法看出振动对这3块陀螺角随机游走的影响。因此，可以说测试是成功的：三轴FOG样机能够通过非常高量级的力学环境测试而性能不减。
4.2第二次测试：12g rms 10Hz-2kHz
在取得了第一次这么好的测试结果后，我们又想继续深入研究样机在更高量级、更宽频率范围振动环境下的性能极限。选用的振动环境为12g rms，频率范围：10Hz-2kHz，如同5所示:
图5三轴FOG样机在随机振动下的角漂移，振动条件：12g rms 10Hz-2000Hz。
角测量时考虑了地球自转，并进行了补偿。
测试结果也非常不错——振动下三块陀螺的零偏漂移都低于0.1°/h。三轴FOG样机性能完全超出我们的预想！
5. 结论
本文为研究并提高强振环境下的FOG性能而进行了一系列测试，分析了各种参数，包括敏感器带宽、光纤设计方案、光纤线圈内部结构等等。经过充分的理论分析和试验测试，我们生产了一台性能为0.1°/h、无减振器和悬挂系统的三轴FOG样机（能够通过高达12g rms [10Hz至2000Hz]的高能级振动而性能不减）。该研究工作的下一步就是要调整这台样机并研制出一套适合恶劣环境的包含加速度计的完整IMU系统。如此，IXSEA公司就能通过新产品的研发来应对新兴市场，如陆地和空中导航领域；也可拓展公司传统业务新领域，尤其是在清淤和近海各应用领域。所有这些前景都会带来各种挑战，如市场销售和技术方面，当然这对IXSEA惯性业务发展、对FOG技术的推进都是一个大好的机会。
参考文献
[1]Lefevre,H.,The Fiber-Optic Gyroscope (Artech House, 1993)
[2]Arditty,H.J.,Ph.Graindorge,H.C.Lefevre,P.Martin,J.Morisse, and P.Simonpietri, "Fiber-Optic Gyroscope With All-DigitalProcessing "Proceedings of OFS6/'89 Paris,Springer-Verlag, Proceedings in Physics, Vol.44, 1989ipp.131-136.
[3]Jeunhomme,L.,B.,Single-Mode Fiber optics (Dekker, second edition)
[4]Radix,J.C.,Gyroscopeset Gyrometres (CEPADUES editions)
