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2019年光學陀螺技術發展與回顧
發表時間:2021-01-04     閱讀次數:     字體:【

在信息化條件下,現代戰爭對導航的需求與日俱增,導航系統是武器裝備不可或缺的重要組成部分。圍繞導航系統的攻防博弈,美國首先提出導航戰(Navigation Warfare,NAVWAR)概念,隨后俄羅斯、歐洲各國、日本、印度等同樣開始為導航戰蓄力,導航領域逐漸成為軍事競爭的戰略要地。為了滿足多樣化的定位、導航與授時(Positioning,Navigation andTiming,PNT)需求,國外積極探索研究多種自主導航定位技術手段[1]。慣性技術不受外界干擾,完全利用自包含傳感器從載體及其外部自然環境中感知的信息進行導航,是重要的導航領域技術手段之一。近年來,在慣性技術領域,國外霍尼韋爾、諾格、iXblue、賽峰等公司不斷報道一些動態信息,披露了以光學陀螺、微機電(Micro-Electro-Mecha-nical System,MEMS)陀螺、半球諧振陀螺(HemisphericalResonator Gyro,HRG)、原子陀螺、加速度計等為代表的慣性儀表及系統的發展。

1 光學陀螺

光學陀螺主要有激光陀螺和光纖陀螺兩大類。其中,光纖陀螺按其工作原理可分為干涉式光纖陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyroscope,IFOG)、諧振式光纖陀螺和受激布里淵散射光纖陀螺。光學陀螺技術日趨成熟,精度突飛猛進,體積功耗不斷降低。目前,激光陀螺最高精度優于0.0002(°)/h,光纖陀螺最高精度可達0.00008(°)/h,光學陀螺及其系統應用從戰術級逐步拓展到戰略級,在陸、海、空、天等多個領域中得到大批量應用,占據著主導地位。

1.1 激光陀螺

激光陀螺技術研究方面,加州理工學院的LaiY H 研究了在單片硅芯片上使用反向傳播布里淵激光器的激光陀螺儀,證明了基于芯片的布里淵激光陀螺儀的可行性[2]。康奈爾大學的Angela D DV等提出了一種新穎的技術來研究和消除激光效應的非線性,并將該分析應用于GP2 和GINGERINO這2個環形激光器樣機[3]。激光陀螺慣性系統方面,2019年9月,美國陸軍合同司令部宣布與霍尼韋爾公司簽訂了價值3790萬美元的戰術先進地面慣性導航裝置TALIN5000型的采購合同,預計2023 年9 月完成。TALIN 5000系統采用霍尼韋爾公司的環形激光陀螺儀和加速度計,提供全球定位系統(Global Positioning System,GPS)拒止環境下的慣性導航。總體來看,國外激光陀螺的研究2019年并未披露突破性進展,研究方向包括小型化和性能改進[4];基于激光陀螺的慣性導航系統仍是陸用戰車、導彈等武器裝備的重要選擇之一。

1.2 光纖陀螺

光纖陀螺技術研究方面,國外不斷推進相關技術的研究,采用多種方法從精度、尺寸和成本等方面提高光纖陀螺的綜合性能。Therice A M等提出了三種方法提高光纖陀螺的總體性能[5]:一是用低相干激光器代替光纖陀螺中使用的時間相干摻餌光纖光源,使得噪聲和漂移接近戰略級性能,光源波長穩定性優于10-6;二是在光纖陀螺的感應線圈中使用空心光纖以減少熱漂移,噪聲實現0.135(°)/h1/2;三是由2個環形諧振器耦合組成的光學陀螺儀,試驗結果顯示該陀螺儀的旋轉靈敏度至少是具有相同半徑和損耗的優化單環諧振器的170倍[6-10]。日本TsunehikoI等提出了一種自動駕駛用低成本干涉式光纖陀螺儀的制造方法,采用精確對準的四極光纖線圈和調制部件,減少熱感應光學相位差和抑制不必要的偏振串擾;并開發出一種自動光纖繞線機,在提高產品性能的同時減少了工作時間,降低了干涉式光纖陀螺的制造成本[1]。日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration

Agency,JAXA)提出了一種干涉式光纖陀螺傳感器線圈,該線圈由多芯光纖與扇入/扇出設備拼接而成,實現了0.002(°)/h1/2的角度隨機游走性能,研究表明七芯波導環可成功用作Sagnac干涉儀[12-13]。KVH公司將光子芯片技術整合到高精度光纖陀螺產品中,得到的Photonic Gyro IMU樣機中陀螺角度隨機游走優于0.0097(°)/h1/2,零偏穩定性為0.02(°)/h。隨著該款光子芯片技術的研發,KVH 將實現高性能、低成本慣性系統的量產。此外,新技術的發展或能推動光纖陀螺性能的突破性進展。在第六屆慣性傳感器與系統國際研討會上,美國加州理工學院的Parham P K等首次展示了其硅集成光學陀螺儀及互易靈敏度增強(Reciprocity Sensitivity Enhancement,RSE)技術,這種技術可以降低光纖陀螺儀的噪聲并使其小型

化[14]。奧地利科學院和維也納量子科學與技術中心的物理學家在《New Journal of Physics》發表論文的研究成果表明:使用糾纏光子可以克服光纖陀螺的噪聲極限,達到經典光無法達到的精確度,并有望得到光纖陀螺更高的靈敏度極限[15]。光纖陀螺慣性系統方面,美國諾格公司推出光纖慣性導航系統SeaFind,可提供與MK39環形激光陀螺羅盤系列慣性導航產品相同的性能水平,且尺寸大大減小,僅為250mm×250mm×127mm;法國SBG Systems公司在美國丹佛舉行的國際激光雷達測繪論壇(International LiDAR Mapping Forum,ILMF)上宣布推出Horizon IMU,這是一款基于光纖陀螺的高性能慣性測量單元(InertialMeasurement Unit,IMU),專為要求苛刻的測量應用而設計,如高海拔地區無人機的數據采集、密集城區的移動測繪以及自動駕駛平臺的測試。法國iXblue公司在SAS 2019上公開了一款新型軍用戰略級光纖陀螺慣導系統MARINS M11,導航精度達到1nmile/15d,可用于水面艦船和潛艇導航。光纖慣性系統的應用方面,Draper實驗室為美海軍三叉戟II計劃(潛射彈道核導彈+戰略核潛艇)研究的新型制導系統,選擇用干涉式光纖陀螺儀代替原始的機械陀螺儀,這標志著干涉型光纖陀螺慣性系統逐漸用于戰略武器。光纖陀螺朝著戰略級超高精度、導航級強環境適應性、集成化超小型低成本方向發展,通過開展光纖陀螺噪聲抑制、精密繞環、糾纏光子、集成芯片等技術研究提高陀螺的精度和穩定性,降低其體積和成本。

2019年,隨著現代科學技術的高速發展,在航空、航天、航海以及武器裝備需求牽引下,在現代物理學、計算機和電子技術、先進微加工藝技術聯合推動下,慣性技術受到世界各主要國家和研究機構的關注,取得了巨大的進步。慣性技術關系到國家安全和國民經濟建設,屬于基礎性、戰略性和前沿性的軍民兩用高新技術,其發展一直受到國防和國民經濟建設重大需求的牽引,相關組織機構不斷推進結構調整、并購與重組,開展戰略合作,實力明顯增強。未來,慣性技術將持續受到世界各國的高度關注。基礎性、戰略性和前沿性的軍民兩用高新技術,其發展一直受到國防和國民經濟建設重大需求的牽引,相關組織機構不斷推進結構調整、并購與重組,開展戰略合作,實力明顯增強。未來,慣性技術將持續受到世界各國的高度關注。

參考文獻

[1] 薛連莉,沈玉芃,徐 月。2019年國外慣性技術發展與回顧[J]. 導航定位與授時,2020,1:61-63.


 
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