光纤陀螺仪
什么是陀螺仪？
光纤陀螺仪 (FOG) 是高精度旋转传感器。 它们用于飞机、航天器、船舶和其他交通工具的导航和制导系统。 它们通过测量在光纤线圈内传播的激光的干涉来感知旋转。
陀螺仪基础知识
陀螺仪是一种可以感知方向和角速度的设备。 最简单的陀螺仪类型就是固定在架子上的手纺车 — 许多人都很熟悉这个，因为小时候把它当作玩具。 角动量导致轮子的方向保持不变，即使它周围的框架旋转，其方向也不会改变。
随着 20 世纪飞行器（先是飞机，然后是火箭）的发展，陀螺仪已不仅仅是玩具。 因为陀螺仪对飞行器至关重要。 它们可以在所有三个维度上自由旋转和移动。 因此飞行员需要持续了解飞行器在三个轴上的方向，以便控制飞机。
无人驾驶的火箭和导弹还有更高的要求。 这些飞行器需要在没有飞行员监控的情况下知道自己的方向和位置。 对此，解决方案就是惯性制导系统 (IGS)。 IGS 使用陀螺仪来感知方向和角运动，以持续控制飞行器并计算它从起点出发后移动了多远。
光纤陀螺仪的优点
第一代陀螺仪是机械陀螺仪，其中包含一个电机驱动的旋转转子和多种传感器，用于读取角速度和方向信息，并将其提供给飞行员或 IGS。 机械陀螺仪的体积和重量相对较大。 它们的性能可能会受到振动的影响，并且需要经常校准。
干涉式光纤陀螺 (IFOGs) 正是为了克服机械陀螺仪的局限性而开发的。 这种陀螺仪不使用机械转子，而是使用光纤线圈、相干光源和光电探测器来感应旋转。 因此，系统更小、更轻而且更精确。
在 IFOG 内部，光源在进入光纤线圈之前被分成两束。 两道光束耦合到光纤相反的两端，因此，一束沿顺时针方向传播，另一束沿逆时针方向传播。
如果线圈在其轴上旋转，则两个光束将发生相对相移。 这称为萨格纳克效应。 当两束光离开光纤时，它们会重组到一起。 任何相移都会在组合光束中产生干涉条纹（明暗图案）。 检测器感测该图案，从而确定旋转的角速度。 通常，三个线圈中每个都与另外两个成直角安装，用于同时感测所有三个轴的旋转。
IFOG 构造
IFOG 线圈的制作方法通常是将高双折射保偏光纤围绕中心轴缠绕制成线圈，然后将线圈封装在保护材料中。 主要的封装方法有两类： 湿式封装和干式封装。 湿式 IFOG 线圈使用液体（例如油或水）来保护和支撑光纤，而干式 IFOG 线圈使用固体（例如陶瓷或玻璃）来保护和支撑光纤。
湿式 IFOG 线圈的温度稳定性更好，可用于更广泛的环境。 但它们的结构较为复杂，制造难度较高。 干式 IFOG 线圈结构较为简单，制造也较为容易，但它们对温度变化更敏感。
IFOG 光源通常是低功率连续波激光器、超发光二极管或放大式自发发射源。 检测器通常是光电二极管或光电倍增管。
IFOG 的配置模式几乎是无限的 — 尤其是线圈缠绕方式和封装方式的选项。 其他变量包括线圈中光纤的总长度、各种光学涂层以及抗辐射性等特性（特别是对于星载应用）。
图 1. 商用 IFOG 线圈具有多种配置，提供多种选项。
但所有这些设计形式对于作为系统核心的光纤线圈的要求却极为相似。 特别是有一些参数对实现合适的 IFOG 性能至关重要。 最重要的参数包括是插入损耗、偏振消光比 (PER) 和波长相关损耗。 缠绕精度和封装质量也很重要。
要在这些领域取得良好的性能，就需要能够严格控制光纤本身的制造，然后再将其缠绕成线圈形式。 特别需要注意的是，光纤线圈必须以完全对称的方式缠绕（以便沿相反方向传播的光束经历完全相同的条件）。 此外，尽可能降低缠绕光纤中的机械应力也很重要。
重复执行这些任务需要相当多的专业知识和工艺经验。 Coherent高意维持着完全垂直整合的 IFOG 线圈制造能力，即从拉制光缆到将其缠绕成线圈的全部制造能力，因此能够确保持续生产高性能 IFOG 线圈所需的工艺制水平。
没有“最好”的 IFOG 类型。 在任何特定应用中，所需的性能水平、操作环境以及可接受的尺寸、重量和功耗都必须与成本进行权衡。
工作中的 IFOG
与传统陀螺仪甚至其他非机械技术相比，IFOG 具有多项显著优势。 一方面，IFOG 非常灵敏，可以检测极小的旋转运动，能够分辨每秒几纳弧度的角速度。 这比机械陀螺仪高出几个数量级。 因此，它们可以提供更高的导航和制导精度。
此外，IFOG 抗振动和抗电磁干扰的能力相对更好，使用寿命长，维护要求低。 因此，它们在各种“恶劣”环境或设备检修受限的环境中起到作用。 这包括星载应用以及用于海运和水下运载工具和设备的惯性测量系统。
IFOG 还经常用于稳定固定式结构，因为它们的灵敏度和准确性很高。 例如，IFOG 可以测量桥梁、建筑物或天线平台等结构的旋转运动，并将数据反馈给控制系统，以补偿任何移动。 这有助于保持结构的稳定性，尤其是在遭遇强风或地震的条件下。
综上所述，IFOG 是一种应用广泛的高精度准确型旋转传感器。 它们不受电磁干扰，受振动影响小，使用寿命长，维护要求低，而且体积小、重量轻。 因此，它们非常适合用于飞机、船舶和地面车辆的导航、制导和控制系统。 此外，它们在可以应用于工业自动化和机器人技术中。