光纤陀螺在海洋重力仪中的应用
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光纤陀螺仪及其在海洋重力仪中的应用
董庆亮
杨建宇
丰
斌陆高峰
（广州市海军91561部队）
摘要:光纤陀螺仪作为新一代惯性敏感器，具有其它类型陀螺仪无法比拟的诸多优点。在海洋重力仪中，光纤陀螺仪能够实时为稳定平台提供高精度的水平偏角，并通过力矩马达来调整平台，为重力传感器提供水平基准面，以确保重力仪传感器的垂线方向与当地的重力方向保持一致，其调平精度对海洋重力测量有着重要的影响。
关键词:海洋重力仪；光纤陀螺仪；稳定平台
1.前言
光纤陀螺仪作为新一代惯性敏感器，具有其它类型陀螺仪无法比拟的诸多优点，如结构简单、无运动和磨损部件、动态范围大、寿命长、耐冲击、无加速度引起的漂移、可靠性高、成本低等，在民用和军用领域中有非常广泛的应用前景[1]。
现代海洋重力仪中已经普遍采用光纤陀螺仪。海洋重力仪主要由稳定平台、重力传感器和数字控制系统三部分组成。光纤陀螺仪是稳定平台的核心部件，由它来感应平台的水平偏角，并通过力矩马达来调整平台，为重力传感器提供水平基准面，以确保重力仪传感器的垂线方向与当地的重力方向保持一致，其调平精度对海洋重力测量有着重要的影响。目前海洋重力仪已经具有结构一体化，重量轻型化，全自动电子控制，维护、操作使用简便，动态测量精度和系统可靠性高等特点[2]，充分显示了光纤陀螺仪在海洋重力仪中的重要作用。
2.光纤陀螺仪的工作原理与特点
光纤陀螺仪与传统的液浮陀螺仪、动力调谐陀螺
仪相比，具有固态，无机械部件，可瞬时启动，长时间储存不老化，可靠性高，动态范围大，线性度好，频带范围宽等优点；与激光陀螺仪相比，它不需要光学镜，不需要光腔的严格密封，不需要机械偏置技术，不需几千伏的点火电压，因此具有装配工艺简便，制造容易，功耗低，更牢固可靠等优点。此外，光纤陀螺还具有自己独特的特点，随着技术和工艺的发展，可实现更小尺寸、更轻重量、更低成本，并且它的最大特点可根据不同的用途，选择不同的光纤长度和线圈直径及不同的信息处理方法，广泛适用于陆地、航空、航天和航海等多种用途[1]。
光纤陀螺(FOG)是一种基于萨格奈克效应（Sagnac ）的新型全固态惯性仪表[3]。其基本原理图如图1所示。
由光源O 发出的光射到半透反射镜S 上，被分为两束强度相等的光，即投射光和反射光。投射光经过反射镜M1、M2和M3的依次反射，在环路中逆时针方向传播，如箭头a 所示。反射光则经反射镜M3、M2、M1依次反射，在环路中顺时针传播，如箭头b 所示。这两束光
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在环路中绕行一周后回到半透反射镜S 汇合，且一部分光被透射或反射到屏幕Q 上。当干涉仪相对惯性空间无转动时，相反方向传播的两束光绕行一周的光程相等，因此彼此之间没有光程差。当干涉仪以角速度ω绕着与环路平面相垂直的轴相对惯性空间转动时，光束a 和b 在环路中绕行一周回到分离点时会出现一个光程差，光程差就正比于干涉仪的角速度。
光纤陀螺仪由光学部分和信号处理电路部分组成，光学部分包含光电器件和光纤器件，图2为光纤陀螺仪内部的光纤线圈。光纤陀螺仪没有运动部件，唯一会老化的元件是SLED （超荧光发光二极管），更换SLED ，包括内部频率的重新调谐，所需服务费用估计不会超过2000美元。
陀螺仪会有漂移。随着技术和工艺的发展，更高精度的光纤陀螺仪已得以应用。中等精度光纤陀螺仪漂移要求一般在0.1°/小时～10°/小时，主要用于战术导弹、航天飞机、火车、自主制导运载体的方向信息基准和船用陀螺罗经中；导航级光纤陀螺仪性能一般必须稳定优于0.006°/小时，主要在飞机、许多陆地导航、导弹等的惯性导航系统中应用；精密级光纤陀螺仪漂移要稳定于0.001°/小时，其应用主要包括精密宇宙飞船、潜艇导航以及航天飞行器的瞄准和稳定[1]。
3.光纤陀螺仪在海洋重力仪中的作用
海洋重力测量船在测量时受海浪起伏、航行速度变化、机器震动以及海风、海流等扰动因素的干扰，是在不断运动状态下进行动态观测，它不像陆地重力测量那样可以在稳定的基础上进行静态观测[4]。在海洋重力测量时要确保重力仪传感器的垂线方向与当地的重力方向保持一致，就必须使测量系统的重力仪传感器维持在一个稳定的水平面内，也就是需要一个稳定平台，稳定平台的核心是陀螺仪。理想的陀螺仪能在空间保持恒定的方向，它的输出信号与它偏离某个基准位置的角度成正比，这个信号再经过放大、滤波之后控制伺服力矩马达，力矩马达再驱动稳定平台调整到其原来位置。每一个方向上需要一个陀螺仪和一个控制马达，使用两个陀螺仪和两个马达的平台就可以提供水平基准面。
早期海洋重力仪使用的陀螺为机械陀螺，它是依靠自转子的动量矩来敏感角运动。机械陀螺有一个灵敏轴，在安装机械陀螺时，必须把它的灵敏轴与稳定平台相对应的轴保持一直，目的是使陀螺仪对围绕垂直轴的转动不敏感[5]。在更换陀螺时，特别注意这一点，更换时，取出旧陀螺时应检查其方向，并保证新陀螺的灵敏轴保持在这一方向上。因此更换陀螺通常要在码头进行，在海上更换是一件比较困难的事情。而光纤陀螺
则没有这一要求，光纤陀螺上面有一个白色的箭头方
图1 萨格奈克(Sagnac)
干涉仪工作原理图2
光纤陀螺仪内部的光纤线圈专家论坛
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向，只需箭头方向与所对应的轴垂直，按照平台上的槽安装上即可，操作十分方便。图3为L&R 海洋重力仪传感器顶部的元件分布。
L&R 海洋重力仪的光纤陀螺仪漂移率为0.06°/小时，最大感应角度±110°，启动时间小于5秒钟，能够承受30Gal 的振动加速度的影响，寿命长达55000小时[6]，即连续使用期至少6年，非常适合海洋环境下的长时间作业。
应用于海洋重力仪的光纤陀螺仪漂移虽小，但如果让漂移积累起来，将会产生很大的误差。为此，陀螺系统应该经常按已知标准进行标定。零速是一个比较容易获得的精确标准，陆地上一般每隔几分钟就停一次用零速进行改正，但这在海洋上很难实现[7]。为此海洋重力仪采用加速度计来克服陀螺仪的漂移，在没有水平加速度的条件下，如果平台与重力矢量准确垂直，则加速度计的输出为零。当陀螺仪发生漂移时，重力与平台不严格垂直，则加速度计输出重力的分量。利用反馈系统，将加速度信号反馈到陀螺仪，用力矩马达驱动陀螺仪恢复到其原来位置，即将平台调准到原来的水平基准面。
L&R 海洋重力仪平台的两个分别互相垂直的陀螺仪和加速度计都装在传感器的顶部，图3。传感器则安放在一个由两台力矩马达驱动的双轴方向支架上。整
个系统由两个回路所控制，图4显示了一个轴上的控制流程，另一个轴上的原理也是完全一样的。一个伺服回路将陀螺仪输出信号经过力矩马达反馈到平台，从而保持平台的空间稳定。陀螺仪输出在传给力矩马达前稍加滤波，过多的滤波将产生相位延迟，从而导致回路不稳定。平台的刚性可由回路的增益大小控制，增益太小使平台不灵敏，增益太大又会使平台产生振动。加法回路的目的是向平台输入附加一个用来修正较小误差的补偿电压，它一般来自加速度计的部分信号。
但是仅仅这一个回路是不能完全调平平台，因为初始的基准线并不是完全沿重力矢量方向，即陀螺仪感应的基准方向不完全是重力方向；另外陀螺仪存在漂移，并会随着时间的增长而积累。所以采用加速度计的输出信号来校正陀螺仪，使其旋进到重力垂线方向。另一个回路就负责处理加速度信号，然后将它反馈到陀螺仪输入端，完成对陀螺仪的校正。
4.结束语
准确掌握海洋重力场的精细结构，对于深入研究地球形状与地球内部构造、探查丰富的海洋资源、保障航天和战略武器发射等诸多应用领域都具有非常重要的意义[4]。光纤陀螺仪是一种新型的全固态惯性仪表,
图3 L&R
海洋重力仪传感器顶部
图4
稳定平台一个轴的控制系统图
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