近日，暨南大學物理與光電工程學院丁偉研究員、汪瀅瑩研究員團隊與中國船舶集團第七〇七研究所趙小明研究員、羅巍研究員、李茂春研究員團隊展開深度合作，在高精度空芯光纖陀螺儀（Air-core FOG）領域取得重大進展。研究團隊成功研制出全球首個導航級精度空芯光纖陀螺儀，其零偏不穩(wěn)定性達到0.0017°/h，較現(xiàn)有記錄降低了近30倍，樣機連續(xù)穩(wěn)定運行超185小時。相關成果已發(fā)表于頂尖期刊Nature Communications。
慣性導航（Inertial Navigation）技術通過使用慣性傳感器（加速度計與陀螺儀）來測量運動體的加速度與角速度，進而可推算出位置、速度和姿態(tài)等狀態(tài)信息。該技術不依賴于衛(wèi)星等外部參考信號，被譽為軍民領域的“工業(yè)明珠”技術。角速度傳感器是整個慣性導航系統(tǒng)的關鍵部件。
光纖陀螺儀（FOG）憑借全固態(tài)、啟動快、不受加速度影響、動態(tài)范圍大、結構緊湊、輸出數(shù)字化等優(yōu)勢，成為最具前景的角速度傳感器，能夠滿足從消費級、戰(zhàn)術級、導航級到戰(zhàn)略級的全精度需求。其中，干涉型光纖陀螺儀（IFOG）是目前最成功的商用光纖傳感器，預計到2033年全球市場規(guī)模將突破36億美元。然而受制于較高的技術門檻，該市場主要由美國、法國、中國、以色列、日本和德國等少數(shù)國家主導。
盡管IFOG技術已取得顯著進步，但傳統(tǒng)實芯光纖由于材料（二氧化硅玻璃）對溫度、磁場、強光和輻射等環(huán)境因素的敏感性，系統(tǒng)需依賴復雜的防護與補償機制，導致成本高、能耗大。因此，自1970年代以來，研究者們不斷尋求環(huán)境適應性更強的替代技術，主要形成了諧振式光纖陀螺儀（RFOG）與空芯光纖陀螺儀（Air-core FOG）兩條路線。然而，這兩種方案均面臨重大工程技術挑戰(zhàn)，尚未從根本上解決IFOG自1970年代以來面臨的問題。
圖1 空芯光纖陀螺儀技術二十年發(fā)展進程
自2006年起，空芯光纖陀螺儀成為研究熱點。盡管空氣纖芯具有優(yōu)異的環(huán)境適應性，但由于早期空芯光纖存在模式雜散、背向散射、偏振串擾等問題，長期限制了其高精度測量性能。
空芯光纖陀螺儀概念的提出僅比空芯光纖通信（2005年）晚一年。如今，空芯光纖通信（Air-core Telecom）已進入規(guī)模應用階段，而空芯光纖陀螺儀實用化進程仍然滯后。
研究團隊在我國空芯光纖通信發(fā)展過程中做出過多項關鍵貢獻，見證了空芯光纖通信技術從實驗室走向應用的完整過程。團隊成員敏銳地意識到，空芯陀螺儀正處于從技術驗證邁向實際應用的關鍵階段。
此次研究通過一系列創(chuàng)新，實現(xiàn)了兩大技術跨越：
精準突破：首次將空芯光纖陀螺儀提升至導航級精度（0.001°/h量級）；
環(huán)境穩(wěn)定性：溫度靈敏度較實芯光纖陀螺儀降低了一個數(shù)量級。
圖2 空芯光纖IFOG的基本結構與實驗數(shù)據(jù)。(a) 光路圖；(b) 樣機外觀；(c) 角速度測量曲線的Allan方差
圖3 空芯光纖IFOG與實芯光纖IFOG溫度敏感性對比
這一里程碑式成果標志著我國在空芯光纖陀螺技術領域實現(xiàn)了從理論創(chuàng)新到工程應用研究的完整跨越，為全球慣性導航技術發(fā)展鐫刻下鮮明的中國印記。
