光纤陀螺及其军事应用
光纤陀螺及其军事应用
光 纤 技 术 作 为 一
项 新 兴 技 术 ，性 能 优
异 、应 用 潜 力 巨 大 ，而
光 纤 陀 螺 是 其 中研 究
最 为 活 跃 的 一 种 传 感
器 。美 国 的 瓦 利 (v．
Vali)和 肖迪 尔 (R．w ．
Shortil1)于 1976 年 提
出 的 光 纤 陀 螺 引 起 广
泛关注。光纤陀螺 因其体积小 、抗 电磁辐射和冲击
能力强 、寿命 长 、易 于集 成 、成 本 低 等 优 而飞 速 发
展 ，广泛 用 于兵工 、航海 、航 空 、航 天等军 事领 域 。
一
、 光纤 陀螺 的原理
光 纤 陀 螺 以 光 的 Sagnac效 应 为 理 论 基 础 。
Sagnac效应 是 在 相 对 于惯 性 空 间 旋 转 的 闭合 环 中
传 播 的光普遍 存在 的一 种相关 性 。 当光 束在 一个 环
形 通道 中前进 时 ，如 果环 形通 道本身 具有 转动速 度 ，
那 么光线 沿通 道转 动 的方 向前 进所 需时 间要 比沿这
个通 道 以相反 方 向转 动前 进所 需 时间多 。 即光 学 环
路转 动时 ，在 不 同前 进 方 向上 的光 学 环 路 光程 相 对
于环路 在静 止 时 的光 程都 会 产 生 变 化 ，这 种光 程 变
化就 引起相 位 和谐 振 频率 的变化 。通 过测量 相 位和
谐振 频率 的变化量 可 测定环 路旋 转 的速度 。
二 、光纤 陀螺 仪的分 类
干 涉 型 陀螺仪 (I—FOG) 干 涉 型 光纤 陀 螺 仪
是第 一代 光 纤 陀螺 仪 ，它 起 步 较 早 、发 展 也 比 较 完
善 ，是现在 常用 的一种光纤陀螺仪 。它的特点是运
用 Sagnac效应 产 生 的光程 变化 ，利用 干 涉测 量 技 术
把 相 位调 制光 转 变为 振 幅调 制 光 ，把光 相位 的直 接
段改丽
测 量 转 化成 光 强 度 测 量 ，从 而 比较 简 单 地 测 出
Sagnac相 位 变 化 。 干 涉 型 光 纤 陀螺 又 分 为 开 环 和
闭环两 种 。开环光 纤 陀螺结 构 简单 、价格 便宜 ，但 是
线性 度差 、动 态范 围小 。闭环 型是 一种 较 为精 密 、复
杂 的光纤 陀螺 ，主要 用 于 中等精 度 的惯 导 系统 。现
在 干涉型 光纤 陀螺 仪 的光纤 元器 件一 般 都用保 偏光
纤制作 ，由于保偏光纤对线偏振光具有较强的偏振
保 持 能力 ，并且 与普 通单 模光 纤有 良好 的相 容性 ，从
而大大提高了光纤陀螺的性能。但若要增加它的灵
敏 度就 必须 增加 光纤 长度 ，一 般为 数百 米到数 千米 ，
所以干涉型光纤陀螺的体积相应较大 ，实用性受到
一 定影 响 。
谐 振型 光纤 陀螺 (R—FOG) 谐 振 型光 纤 陀螺
是第 二代 光纤 陀螺 仪 ，它利 用 Sagnac效应 产 生 的 光
程 变化 、通 过 调整 光 纤 环路 的光 的谐 振 频 率 进 而 测
量环路的转动速度 。从理论上讲谐振型光纤陀螺采
用环形 谐 振 腔 增 强 Sagnac效 应 ，利 用 循 环 提 高 精
度 ，克 服 了 干 涉 型 光 纤 陀 螺 的 光 纤 长 ，体 积 大 的缺
点 ，它要 比干 涉型 的光纤 陀螺 仪有 更好 的灵 敏度 ，有
更大的发展空间，但实际中，谐振式的陀螺仪在实现
干涉 时 ，它 的光 程差 较 大 ，所 以要求 的光源必 须 有很
好 的单 色性 ，而一般 光源 由于 其单 色性 不是很 高 ，所
以在产 生 干涉 时 ，会 有其他 杂 散光 的干 涉 ，影 响测 量
的精度 。如何消除杂散光产生的干涉是 目前面临的
最 大难 题 。而且 由于对谐 振 型光纤 陀螺 研究起 步 较
晚 ，所 以在 技术 上还 不太成 熟 ，目前 正处 于 由实验 室
向实用 过渡 阶段 。
布 里 渊型光 纤 陀螺 (B—FOG) 布 里 渊 型 光纤
陀 螺是 第 三 代光 纤 陀螺 仪 ，它 基 于 光学 非线 性 效应
能半导体制冷技术 ，也是近年来 的研究新方 向。目
前研 究 的最 大 制 冷 量 已达 31kw ，制 造 成 本 虽 高 于
普通压缩式制冷机 ，但却能 以零费用运行。
和常规制冷相 比，半导体制冷还存在制冷系数
低(半导体制冷器最初的制冷系数只有 0．9左右 ，目
前实验 室产 品 已达 2．0，而 常 规 压 缩 式 空 调 的制 冷
系数为 2．5—3．0)、制冷 温差 小等 不 足 ，这在 很大 程
度上影响了其商业 化推广。但 由于其本身优势 (特
· 36 ·
别是 环保 、无 污染 、免 费利用 太 阳能 的潜力 及在 一些
特殊 场合 的无 法替 代 的地位 )，相 信 随着该 技术 的进
一 步发展和完善 ，半导体制冷技术必将在未来制冷
领域 中 占据重 要地 位 。
(李洪斌 ，广东省武警广州指挥学院训练部数理
教研 室 510440；杨 先 ，云南 省大 理州 下关第 三 中学
671000)
现代物理 知识
维普资讯 http://www.cqvip.com
的受 激 布里 渊散 射 而 提 出的 有 源 光纤 陀螺 ，原 理 与
谐振 型 光纤 陀螺 相 同 ，只不 过 以光 纤 线 圈代 替 了 传
统 的环 形激 光 腔 。泵 浦 激 光 源耦 合 进 入 光 纤 线 圈 ，
并产 生增 幅 的布 里 渊 散 射 ，光 纤 线 圈 中产 生 光 学谐
振 。泵浦 激光 器 发 出 的 光被 分 成 两 束 ，分 别 进 入 光
纤环 中沿相反 方 向 传 播 ，当光 满 足 受 激 布里 渊散 射
的阈值条 件 时分 别 产 生后 向散 射 光 ，两束 以相 反 方
向传 播 的散射 光 分别 沿与 泵浦 光相 反 的方 向相 遇进
行拍 频 ，“拍频 ”指 两 个 频 率 相 近 的信 号 间产 生 的频
率差 拍 现象 。布 里渊 型光 纤陀 螺还 有许 多技 术难 题
有 待解决 ，尚处 于实验 室研 究 阶段 。
三 、光 纤 陀螺 的军事 应 用
光 纤 陀螺 能够 精 确 确 定 运 动 物 体 的 方 位 ，与 传
统 的机 械 陀螺相 比 ，具 有结 构 简单 、无旋 转 部件 、重
量轻 、耐 冲击 、使 用 寿命 长 、消耗 功率 小 、动态 量程 大
等优 点 ，广 泛用 于 导 弹 制 导 、飞 机 船 舰 导航 、军 用卫
星与地 形跟 踪导 航 等 控 制 系 统 中 ，它 的发 展 对 一个
国家 的 国防建设 具 有十分 重 要 的战 略意义 。
光 纤陀螺在 陆战 中的 应 用 近年 来 ，随 着 我 国
军 事发 展 的需 要 ，军事 地 理 信 息 系 统 已进 入 实 际研
发 阶段 。而 全 球 定 位 系 统 GPS对 军 事地 理 信息 系
统 的发 展起 到 了很 大 推 动作 用 。众 所周 知 ，GPS接
收器靠 接收 GPS卫 星信 号获 取 定位 信 息 ，所 以在 山
区 、隧道 等卫 星信 号 微 弱甚 至根 本 “看 不 到 ”卫 星 的
地方 ，GPS就 显 得 “力 不 从 心 ”，但 这 些 地 区往 往 是
敌我 作 战 的 主 战 场 。为 解 决 上 述 问 题 ，一 般 采 用
GPS与航 位推算 系 统相 结 合 的 办法 弥补 GPS失 去
卫星 定位信 号 而产 生 的数据 空缺 。航 位 推算 系统是
由光纤 陀螺 和 里程 计 组 成 的一 种 自主 式 导航 系统 ，
完全依 靠车 载设 备 自主 完 成 导 航 任务 ，不 易 受 周 围
环 境 的干扰 和 影 响 ，能 够保 证 连续 定 位 。光 纤 陀螺
还 可用 于装 甲车 和 坦 克 的 转 塔 ，在 车 辆 瞄 准 和射 击
时用 于稳 定 炮 塔 。2002年 6月 ，KVH 公 司为 欧 洲
系统 集成 商 制 造 的几 辆 战 车 提 供 E～Core 4000型
光纤 陀螺 ，其 中单 轴 E～Co re 4000型陀 螺 用 于 主战
坦克转 塔 的升级 ，双 轴 E～Co re型陀 螺 集 成 到 新 装
甲车 的转塔 上 ，在 车 辆 瞄 准 和射 击 时陀 螺 将 用 于 稳
定炮 塔 。 由于 E～Co re 4000型 光 纤 陀 螺 不 包 括 运
动机件 ，对 于那 些影 响机 械 陀螺 精 度 和 稳 定 性 的外
部振 动 、冲击 和 加 速 的惯 性 和 十 字 线 移 动 不 敏 感 。
战车制造商使用后认为 ，其稳定性和可靠性远远超
19卷 5期 (总 112期 )
过现 在军 车上 使 用 的机 械 陀螺 ，平 均无 故 障运 行 时
间为 6．5万 小时 ，在数 量级 上 大大超 过机 械 陀螺 。
光 纤 陀螺在 海 战 中的应 用 自 19世 纪 后 半 叶
出现 钢制 轮船 以来 ，陀 螺 仪 就担 当 了舰 船 导 航 的重
要任务 。海军 武 器 以运 动 平 台为 载 体 ，掌 握 自身平
台的时间 、空 间和 姿 态 信 息是 保 证 大 部 分 作 战 兵器
充分 发挥 效能 的基 础 。在未 来 战争条 件 下 ，无 线 电 、
GPS、天 文导航 和制导都 可 能被 对 方 干扰 ，而 光纤 陀
螺 以其 牢 固稳定 、耐 冲 击 、启 动 时 间 短 、检测 灵 敏 度
高 、寿命 长 、信号 稳 定 等 优 点 ，在 未 来 信 息 战环 境 中
有着特 殊地 位 ，它在 水下 是 唯一有 效 的导航 手段 ，已
普 遍被 各 国海 军认 识 和接 受 。KVH 公 司 的 DSP一
300光纤 陀螺 已用 于海 上 雷达 和 导 弹 防御 系统 的稳
定 系统 。
光 纤 陀螺在 空战 中的应 用 陀螺 仪在航 空 中的
应用 比航 海 稍 晚 些 。20世 纪 20～30年 代 开始 ，飞
机上 相继 使用 陀 螺 转 弯 仪 、陀 螺 地平 仪 和陀 螺 方 向
仪作 为 指 示 仪 表 。 而 光 纤 陀 螺 真 正 用 于 飞行 器 是
20世纪 70年代后期 ，和传统 的机械陀螺相 比，具有
重量 轻 、启 动 时 间短 、感 应 度高 、无可 动部 分 、能承受
强加 速度 等优 点 。美 国空 军和 宇航 部 门都 为研 发光
纤陀螺 投 入 了大 量 资金 ，在美 国 星球 大 战 计 划 中也
曾列 入采 用保 偏 光 纤 研 制 光纤 陀螺 的计 划 。另 外 ，
光纤陀 螺还 可用 于精 确 制 导 弹 药 ，可 极 大 提 高 弹药
的命 中精度 。20世 纪 90年 代 初 的海 湾 战 争 中，美
国“战 斧 ”巡 航 导 弹上 就 装 备 有 光纤 陀 螺 ，使 导 弹 的
稳 定性 和命 中率 得 到 显著 提 高 。在 战争 中 ，即使 卫
星 导航 因在 强 电子 干 扰 而无 法获 得 准 确 信 息 ，光纤
陀螺 依 然可 以保 证 飞 行 器 自主 导航 、精 确 制 导 和 准
确命 中 目标 。 目前 ，美 国正 在研 究 光纤 陀 螺 与 GPS
组合 定姿 定轨 技 术 ，作 为 微 小 型 航 天器 或 舱 外 机 动
装 置上 高精度 自主姿 态确 定 系统 。
虽然 我 国光纤 陀螺 的研 制 和 应 用起 步较 晚 ，但
近年 来 已取得 长 足进 步 ，在 我 军 的武 器 装 备 中 已经
得到 一定 程度 的应 用 。我 国武器 装备 “机 械化 、信息
化 、制 导化 ”的发展 方 向为光 纤陀 螺 的应用 提供 了广
阔发展 空 间 ，相信 各类 高 性 能 光 纤 陀 螺 在 我军 武 器
装备 上将 被 大量 采 用 ，为 提 高 我 军 战术 战 略精 确 打
击 能力 做 出贡 献 。
(陕西 省西 安陆 军学 院 710108)
维普资讯 http://www.cqvip.com
光纤陀螺及其军事应用.pdf
