我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功研制全球首個(gè)導(dǎo)航級(jí)精度空芯光纖陀螺
發(fā)布時(shí)間：2025-04-27 14:39:37 熱度：1187
4/27/2025，光纖在線訊，近日，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在空芯光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域取得重大成果，成功研制出全球首個(gè)導(dǎo)航級(jí)精度空芯光纖陀螺。這一成果由暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院丁偉 / 汪瀅瑩團(tuán)隊(duì)與中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇七研究所趙小明 / 羅巍 / 李茂春團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《Nature Communications》。
光纖陀螺儀（FOG）基于薩格納克效應(yīng)，是慣性導(dǎo)航、定位和姿態(tài)確定的核心器件。其中，閉環(huán)干涉式光纖陀螺儀（IFOG）憑借高分辨率和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，在軍事和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)保偏實(shí)芯光纖（SCF）陀螺儀存在溫度、應(yīng)變誘導(dǎo)的瞬態(tài)效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步發(fā)展?？招竟饫w陀螺儀則顯著降低了法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)的影響，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性。
此次我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)研制的空芯光纖陀螺實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破。在精度方面，其零偏不穩(wěn)定性達(dá)到 0.0017°/h，較現(xiàn)有記錄降低近 30 倍，首次達(dá)到導(dǎo)航級(jí)精度（0.001°/h 量級(jí)）。環(huán)境穩(wěn)定性也得到極大優(yōu)化，溫度靈敏度較傳統(tǒng)實(shí)芯光纖陀螺降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性顯著提升。而且，樣機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò) 185 小時(shí)，充分驗(yàn)證了工程應(yīng)用的可行性。
該空芯光纖陀螺采用全固態(tài)設(shè)計(jì)，具備啟動(dòng)快、動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)高精度角速度傳感器的需求。其在軍事、航空航天、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，為新一代高精度導(dǎo)航技術(shù)提供了核心支撐。
從技術(shù)意義上看，這項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了從理論創(chuàng)新到工程應(yīng)用的完整跨越，標(biāo)志著我國(guó)在全球慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，為空芯光纖技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。自 2006 年空芯光纖陀螺概念提出以來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年攻關(guān)，成功攻克模式雜散、偏振串?dāng)_等技術(shù)瓶頸，首次將空芯光纖陀螺推向?qū)嵱没A段。
在此次研究中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種低損耗、低彎曲損耗的四管截?cái)嚯p嵌套無(wú)節(jié)點(diǎn)反諧振空心光纖（tDNANF）。該光纖在 1525 - 1565nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出約 20dB 的極化消光比（PER），具備優(yōu)異的單模操作和線性極化純度。使用 469m 的 tDNANF 線圈制造的陀螺儀，實(shí)現(xiàn)了 0.00383°/√h 的角隨機(jī)游走（ARW）和 0.0017°/h 的零偏不穩(wěn)定性（BI），這是首次實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航級(jí)性能的空芯 FOG。
同時(shí)，該空芯 FOG 在熱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)卓越，與相同尺寸的傳統(tǒng)保偏實(shí)芯光纖陀螺儀相比，在不同溫度范圍內(nèi)的熱敏感性降低了 9.24/10.68/6.82 倍。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化純舒普效應(yīng)和莫爾效應(yīng)，顯著提高了陀螺儀的熱穩(wěn)定性。一系列實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了 tDNANF 光纖的低損耗、低彎曲損耗、高空間模式純度和高線性極化純度，陀螺儀測(cè)試也表明其性能達(dá)到導(dǎo)航級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
該研究為實(shí)現(xiàn)高性能空芯 FOG 邁出了重要一步，展示了空芯 IFOG 在導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用中的巨大潛力。研究團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化光纖的相位雙折射和主軸偏移，持續(xù)提升空芯 IFOG 的性能。
光纖陀螺儀（FOG）基于薩格納克效應(yīng)，是慣性導(dǎo)航、定位和姿態(tài)確定的核心器件。其中，閉環(huán)干涉式光纖陀螺儀（IFOG）憑借高分辨率和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，在軍事和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)保偏實(shí)芯光纖（SCF）陀螺儀存在溫度、應(yīng)變誘導(dǎo)的瞬態(tài)效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步發(fā)展?？招竟饫w陀螺儀則顯著降低了法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)的影響，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性。
此次我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)研制的空芯光纖陀螺實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破。在精度方面，其零偏不穩(wěn)定性達(dá)到 0.0017°/h，較現(xiàn)有記錄降低近 30 倍，首次達(dá)到導(dǎo)航級(jí)精度（0.001°/h 量級(jí)）。環(huán)境穩(wěn)定性也得到極大優(yōu)化，溫度靈敏度較傳統(tǒng)實(shí)芯光纖陀螺降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性顯著提升。而且，樣機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò) 185 小時(shí)，充分驗(yàn)證了工程應(yīng)用的可行性。
該空芯光纖陀螺采用全固態(tài)設(shè)計(jì)，具備啟動(dòng)快、動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)高精度角速度傳感器的需求。其在軍事、航空航天、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，為新一代高精度導(dǎo)航技術(shù)提供了核心支撐。
從技術(shù)意義上看，這項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了從理論創(chuàng)新到工程應(yīng)用的完整跨越，標(biāo)志著我國(guó)在全球慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，為空芯光纖技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。自 2006 年空芯光纖陀螺概念提出以來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年攻關(guān)，成功攻克模式雜散、偏振串?dāng)_等技術(shù)瓶頸，首次將空芯光纖陀螺推向?qū)嵱没A段。
在此次研究中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種低損耗、低彎曲損耗的四管截?cái)嚯p嵌套無(wú)節(jié)點(diǎn)反諧振空心光纖（tDNANF）。該光纖在 1525 - 1565nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出約 20dB 的極化消光比（PER），具備優(yōu)異的單模操作和線性極化純度。使用 469m 的 tDNANF 線圈制造的陀螺儀，實(shí)現(xiàn)了 0.00383°/√h 的角隨機(jī)游走（ARW）和 0.0017°/h 的零偏不穩(wěn)定性（BI），這是首次實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航級(jí)性能的空芯 FOG。
同時(shí)，該空芯 FOG 在熱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)卓越，與相同尺寸的傳統(tǒng)保偏實(shí)芯光纖陀螺儀相比，在不同溫度范圍內(nèi)的熱敏感性降低了 9.24/10.68/6.82 倍。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化純舒普效應(yīng)和莫爾效應(yīng)，顯著提高了陀螺儀的熱穩(wěn)定性。一系列實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了 tDNANF 光纖的低損耗、低彎曲損耗、高空間模式純度和高線性極化純度，陀螺儀測(cè)試也表明其性能達(dá)到導(dǎo)航級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
該研究為實(shí)現(xiàn)高性能空芯 FOG 邁出了重要一步，展示了空芯 IFOG 在導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用中的巨大潛力。研究團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化光纖的相位雙折射和主軸偏移，持續(xù)提升空芯 IFOG 的性能。
