光纖陀螺儀（FOG）由于其高精度、高可靠性以及不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航等外部信號的特點，已成為現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，薩特巴耶夫大學(xué)（Satbayev University）等研究機構(gòu)在Journal of Sensor and Actuator Networks期刊上發(fā)表了題為“Fiber-Optic Gyroscopes: Architectures, Signal Processing, Error Compensation, and Emerging Trends”的綜述論文，分析并探討了一些關(guān)鍵的光纖陀螺儀架構(gòu)，包括干涉式（IFOG）、諧振式（RFOG）、數(shù)字式（DFOG）以及混合式（HFOG）。闡述了各類光纖陀螺儀架構(gòu)的工作原理、結(jié)構(gòu)特征，以及各自的主要優(yōu)勢與局限性；重點分析了先進的信號處理與誤差補償算法，包括濾波技術(shù)、噪聲抑制方法、熱漂移與機械漂移的補償，以及新興的基于機器學(xué)習(xí)（ML）的方法；并針對這些架構(gòu)，從決定精度、魯棒性以及微型化潛力的關(guān)鍵參數(shù)角度進行了系統(tǒng)比較。此外，本文還探討了光纖陀螺儀在航天系統(tǒng)、地面平臺、海洋與水下導(dǎo)航、航空以及科學(xué)研究等領(lǐng)域的多種應(yīng)用。最后，總結(jié)了光纖陀螺儀的發(fā)展趨勢，重點關(guān)注陀螺儀的微型化、與其它傳感器的集成，以及數(shù)字化與人工智能（AI）驅(qū)動解決方案的引入，以實現(xiàn)更高精度、更優(yōu)長期穩(wěn)定性以及更強的抗實際環(huán)境擾動能力。
光纖陀螺儀的架構(gòu)
光纖陀螺儀技術(shù)的基本原理確立于1976年，當(dāng)時Vali和Shorthill首次演示了基于薩格納克效應(yīng)（Sagnac effect）的光纖干涉儀的工作原理。在隨后的幾十年中，實驗室研究迅速走向?qū)嵱没蜕虡I(yè)化。向規(guī)模化生產(chǎn)的過渡由多家工業(yè)公司推動完成，其中包括KVH Industries和霍尼韋爾（Honeywell），它們在將光纖陀螺儀引入航空、海事及導(dǎo)航系統(tǒng)方面作出了重要貢獻。現(xiàn)代光纖陀螺儀具有精度高、抗振動能力強以及無機械運動部件等特點，因此成為激光陀螺儀的重要替代方案。
基于薩格納克效應(yīng)的干涉式光纖陀螺儀基本架構(gòu)如圖1所示。
圖1 干涉式光纖陀螺儀系統(tǒng)級架構(gòu)的示意圖
主要光纖陀螺儀類型及其設(shè)計原理如下：
（1）干涉式光纖陀螺儀（IFOG）是一種基于直接測量相向傳播光束相位偏移的經(jīng)典方案。
（2）諧振式光纖陀螺儀（RFOG）采用高品質(zhì)因數(shù)光纖諧振腔增強薩格納克相位偏移，在減小線圈尺寸的同時實現(xiàn)高靈敏度。
（3）數(shù)字式光纖陀螺儀（DFOG）利用數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，提高噪聲抑制能力和抗溫度變化能力。
（4）混合式光纖陀螺儀（HFOG）結(jié)合干涉式、諧振式與數(shù)字式電路原理，在靈敏度、緊湊性與能效之間實現(xiàn)優(yōu)化平衡，為新一代集成光學(xué)解決方案鋪平道路。
其中，干涉式光纖陀螺儀與諧振式光纖陀螺儀架構(gòu)已相對成熟。干涉式光纖陀螺儀在精度、魯棒性與系統(tǒng)成熟度之間實現(xiàn)了較好的權(quán)衡；諧振式光纖陀螺儀可提供更高的靈敏度和更緊湊的尺寸，但代價是更高的光學(xué)復(fù)雜性。相比之下，數(shù)字式光纖陀螺儀與混合式光纖陀螺儀架構(gòu)代表新興的系統(tǒng)級解決方案，其性能高度依賴具體實現(xiàn)方式、信號處理策略與系統(tǒng)集成水平，其在緊湊型智能化慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中具有未來潛力。
信號處理與誤差補償
盡管光纖陀螺儀技術(shù)已較為成熟，并被廣泛應(yīng)用于航空、海事、航天與陸地交通領(lǐng)域，但仍存在若干重要限制。光纖陀螺儀的精度與長期穩(wěn)定性受到內(nèi)在與外在環(huán)境因素以及光纖內(nèi)部物理效應(yīng)的共同影響。這些因素綜合作用，會導(dǎo)致測量噪聲、零偏漂移以及在長時間自主運行中的性能逐漸退化。
由于克爾效應(yīng)（Kerr effect）、瑞利散射、背向散射以及光強噪聲等物理現(xiàn)象引起的內(nèi)部噪聲與零偏漂移，可通過光學(xué)設(shè)計、電子電路優(yōu)化及算法補償?shù)确绞竭M行主動抑制。現(xiàn)代方法顯著提高了精度、長期穩(wěn)定性與可靠性，使光纖陀螺儀能夠勝任最具挑戰(zhàn)性的導(dǎo)航任務(wù)。
光纖陀螺儀對環(huán)境擾動具有較強敏感性，主要表現(xiàn)為零偏漂移、相位噪聲以及長期穩(wěn)定性較差。主要不利因素包括溫度變化、磁場擾動、電離輻射、機械應(yīng)力以及濕度等。在某些情況下，光學(xué)路徑還會受到機電耦合效應(yīng)的影響，例如金屬或復(fù)合結(jié)構(gòu)件因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，這些都會引入零偏誤差。
為提高精度與魯棒性，目前正在開發(fā)多種補償措施，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、新材料的應(yīng)用，以及新型數(shù)字信號處理算法的引入。
光纖陀螺儀性能提升依賴于兩類互補補償機制：結(jié)構(gòu)性（基于硬件）補償和算法性（基于軟件）補償。前者側(cè)重于光學(xué)結(jié)構(gòu)與電路層面的優(yōu)化設(shè)計；后者基于數(shù)字信號處理與數(shù)學(xué)建模。兩種方法的協(xié)同作用能夠有效降低由噪聲、漂移與環(huán)境因素引起的誤差。
基于人工智能（AI）的補償方法是算法性方法的一種更高層次的擴展，其中數(shù)據(jù)驅(qū)動模型用于補充或增強傳統(tǒng)的信號處理與估計技術(shù)。
需要注意的是，AI方法并不是取代傳統(tǒng)算法，而是在其基礎(chǔ)上進行拓展。在許多實際應(yīng)用中，會采用混合方案：基于模型的估計器提供基礎(chǔ)狀態(tài)估計，而機器學(xué)習(xí)模型用于補償殘余的非線性效應(yīng)及未建模的擾動。
目前，基于AI的算法性方法被認為是發(fā)展下一代光纖陀螺儀的關(guān)鍵途徑，可在復(fù)雜且動態(tài)變化的工作條件下，實現(xiàn)更高的精度、靈活性和穩(wěn)定性。
光纖陀螺儀的應(yīng)用
光纖陀螺儀正在基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴展應(yīng)用場景，特別是在需要高精度角速度與姿態(tài)測量的領(lǐng)域。其主要優(yōu)勢包括長期穩(wěn)定性好、漂移小、抗電磁干擾能力強，使其在傳統(tǒng)陀螺儀或衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性不足的場景中成為優(yōu)選方案。
光纖陀螺儀的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：民用航空、軍用航空、無人機（UAV）、武器和火控、水面艦船、無人水面艇（USV）、陀螺羅盤、潛艇、機器人水下航行器（AUV/ROV）、地球觀測衛(wèi)星（EOS）、通信衛(wèi)星、立方體衛(wèi)星（CubeSat）、空間站、自動駕駛汽車、機器人、鐵路運輸（如圖2所示）。
圖2 光纖陀螺儀的各種應(yīng)用領(lǐng)域
光纖陀螺儀的未來趨勢
未來慣性導(dǎo)航的發(fā)展將由持續(xù)微型化、光子與材料平臺創(chuàng)新，以及光纖陀螺儀與微機電系統(tǒng)（MEMS）、激光雷達（LiDAR）和量子傳感器的深度融合所推動。同時，AI算法在自適應(yīng)誤差校正與數(shù)據(jù)融合方面正發(fā)揮重要作用。這些趨勢表明導(dǎo)航系統(tǒng)正朝著混合化、智能化與量子增強方向發(fā)展。
圖3總結(jié)了光纖陀螺儀技術(shù)的SWOT分析框架，強調(diào)了其技術(shù)成熟度與進一步發(fā)展的挑戰(zhàn)。FOG的主要優(yōu)勢包括高精度與長期穩(wěn)定性、無運動部件的固態(tài)結(jié)構(gòu)、以及對振動和惡劣環(huán)境的強抗性，使其在高端導(dǎo)航系統(tǒng)中成為經(jīng)典環(huán)形激光陀螺儀（RLG）的有力替代方案。同時，仍存在若干劣勢：對溫度與機械應(yīng)力敏感、微型化設(shè)計中零偏漂移加劇、成本高于MEMS陀螺儀，以及光學(xué)集成復(fù)雜度較高。
圖3 光纖陀螺儀SWOT分析的圖形化表達
從戰(zhàn)略角度來看，集成光子學(xué)的發(fā)展、芯片級光纖陀螺儀概念的提出以及基于AI的誤差補償技術(shù)進步，都帶來了重要機遇；同時，無人機、機器人、自主系統(tǒng)以及航天應(yīng)用領(lǐng)域需求的增長，也為光纖陀螺儀技術(shù)創(chuàng)造了廣闊空間。然而，光纖陀螺儀技術(shù)同樣面臨顯著挑戰(zhàn)，包括低成本MEMS陀螺儀的快速進步、在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）環(huán)境下來自其它導(dǎo)航技術(shù)的競爭、光子集成制造所面臨的工藝難題，以及市場規(guī)模與成本約束等限制因素。
結(jié)論
光纖陀螺儀的發(fā)展是現(xiàn)代慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的重要技術(shù)成就之一。從早期實驗原型到如今包括IFOG、DFOG、RFOG和HFOG在內(nèi)的多種先進架構(gòu)，不同光纖陀螺儀在精度、穩(wěn)定性與魯棒性方面展現(xiàn)出各自優(yōu)勢。當(dāng)前，這些技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空、海洋與水下導(dǎo)航、航天任務(wù)、地面平臺及科學(xué)儀器領(lǐng)域。光學(xué)器件、噪聲抑制技術(shù)和數(shù)字信號處理方法的持續(xù)進步，推動了系統(tǒng)性能的穩(wěn)步提升。
本綜述不僅總結(jié)了已有研究成果，還從系統(tǒng)化與綜合化視角分析了光纖陀螺儀技術(shù)的現(xiàn)狀與未來演進路徑。不同于以往僅關(guān)注單一架構(gòu)或孤立誤差源的研究，本文在統(tǒng)一框架下綜合分析了現(xiàn)代光纖陀螺儀設(shè)計、先進信號處理與AI驅(qū)動補償方法，以及多傳感器融合趨勢，揭示了基于光纖陀螺儀的傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正向智能化、自適應(yīng)與混合感知平臺轉(zhuǎn)型。
展望未來，光纖陀螺儀的發(fā)展將與以下趨勢密切相關(guān)：持續(xù)的微型化、與MEMS及其它互補傳感器的深度集成、光子材料與集成光學(xué)技術(shù)的進步，以及自適應(yīng)數(shù)據(jù)驅(qū)動誤差補償算法的廣泛應(yīng)用。這些趨勢有望進一步提升光纖陀螺儀技術(shù)的競爭力，并推動其在無人平臺、自主機器人以及GNSS信號不可用或不可靠環(huán)境中的廣泛部署。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/jsan15010003
