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科技小数据：惯性技术的发展现状分析


惯性技术不受外界干扰 ， 完全利用自包含传感器从载体及其外部自然环境中感知的信息进行导航 ， 是重要的导航领域技术手段之一 。
近年来 ， 在惯性技术领域 ， 国外霍尼韦尔、诺格、iXblue、赛峰等公司不断报道一些动态信息 ， 披露了以光学陀螺、微机电(Micro-Electro-MechanicalSystem ， MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HemisphericalResonatorGyro,HRG)、原子陀螺、加速度计等为代表的惯性仪表及系统的发展 。
下面我们将从陀螺的分类这个角度 ， 分析惯性技术的发展现状 。
科技小数据：惯性技术的发展现状分析
本文插图
一、光学陀螺
光学陀螺主要有激光陀螺和光纤陀螺两大类 。 其中 ， 光纤陀螺按其工作原理可分为干涉式光纤陀螺(InterferometricFiberOpticGyroscope ， IFOG)、谐振式光纤陀螺和受激布里渊散射光纤陀螺 。
光学陀螺技术日趋成熟 ， 精度突飞猛进 ， 体积功耗不断降低 。 目前 ， 激光陀螺最高精度优于0.0002(°)/h ， 光纤陀螺最高精度可达0.00008(°)/h ， 光学陀螺及其系统应用从战术级逐步拓展到战略级 ， 在陆、海、空、天等多个领域中得到大批量应用 ， 占据着主导地位 。
激光陀螺
激光陀螺技术研究方面 ， 加州理工学院的LaiYH研究了在单片硅芯片上使用反向传播布里渊激光器的激光陀螺仪 ， 证明了基于芯片的布里渊激光陀螺仪的可行性 。 康奈尔大学的AngelaDDV等提出了一种新颖的技术来研究和消除激光效应的非线性 ， 并将该分析应用于GP2和GINGERINO这2个环形激光器样机 。
激光陀螺惯性系统方面 ， 2019年9月 ， 美国陆军合同司令部宣布与霍尼韦尔公司签订了价值3790万美元的战术先进地面惯性导航装置TALIN5000型的采购合同 ， 预计2023年9月完成 。 TALIN5000系统采用霍尼韦尔公司的环形激光陀螺仪和加速度计 ， 提供全球定位系统(GlobalPositioningSystem ， GPS)拒止环境下的惯性导航 。
总体来看 ， 国外激光陀螺的研究2019年并未披露突破性进展 ， 研究方向包括小型化和性能改进；基于激光陀螺的惯性导航系统仍是陆用战车、导弹等武器装备的重要选择之一 。
光纤陀螺
光纤陀螺技术研究方面 ， 国外不断推进相关技术的研究 ， 采用多种方法从精度、尺寸和成本等方面提高光纤陀螺的综合性能 。 ThericeAM等提出了三种方法提高光纤陀螺的总体性能：一是用低相干激光器代替光纤陀螺中使用的时间相干掺饵光纤光源 ， 得到噪声和漂移接近战略级性能 ， 光源波长稳定性优于10-6；二是在光纤陀螺的感应线圈中使用空心光纤以减少热漂移 ， 噪声实现0.135(°)/h1/2；三是由2个环形谐振器耦合组成的光学陀螺仪 ， 试验结果显示该陀螺仪的旋转灵敏度至少是具有相同半径和损耗的优化单环谐振器的170倍 。 日本TsunehikoI等提出了一种自动驾驶用低成本干涉式光纤陀螺仪的制造方法 ， 采用精确对准的四极光纤线圈和调制部件 ， 减少热感应光学相位差和抑制不必要的偏振串扰；并开发出一种自动光纤绕线机 ， 在提高产品性能的同时减少了工作时间 ， 降低了干涉式光纤陀螺的制造成本 。 日本宇宙航空研究开发机构(JapanAerospaceExplorationAgency ， JAXA)提出了一种干涉式光纤陀螺传感器线圈 ， 该线圈由多芯光纤与扇入/扇出设备拼接而成 ， 实现了0.002(°)/h1/2的角度随机游走性能 ， 研究表明七芯波导环可成功用作Sagnac干涉仪 。 KVH公司将光子芯片技术整合到高精度光纤陀螺产品中 ， 得到的PhotonicGyroIMU样机中陀螺角度随机游走优于0.0097(°)/h1/2 ， 零偏稳定性为0.02(°)/h 。 随着该款光子芯片技术的研发 ， KVH将实现高性能、低成本惯性系统的量产 。
此外 ， 新技术的发展或能推动光纤陀螺性能的突破性进展 。 在第六届惯性传感器与系统国际研讨会上 ， 美国加州理工学院的ParhamPK等首次展示了其硅集成光学陀螺仪及互易灵敏度增强(ReciprocitySensitivityEnhancement ， RSE)技术 ， 这种技术可以降低光纤陀螺仪的噪声并使其小型化 。 奥地利科学院和维也纳量子科学与技术中心的物理学家在《NewJournalofPhysics》发表论文的研究成果表明：使用纠缠光子可以克服光纤陀螺的噪声极限 ， 达到经典光无法达到的精确度 ， 并有望得到光纤陀螺更高的灵敏度极限 。


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