第３５卷第５期
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．５
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００６年１０月Ｏｃｔ．２００６
光纤陀螺的空间应用及其关键技术
王巍，杨清生，王学锋
（北京航天控制仪器研究所，北京１００８５４）
摘要：针对国内空间应用对光纤陀螺的需求，第一次提出了需要解决的关键技术及其主要解决方法，并给出了空间应用光纤陀螺性能和关键器件的试验结果，初步证明了国内光纤陀螺能够满足空间应用的要求。
关键词：惯性器件；
光纤陀螺；
空间应用文献标识码：Ａ
文章编号：１００７－２２７６（２００６）０５－０５０９－０４
中图分类号：Ｏ４３９；ＴＨ７４１．５
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｉｎｓｐａｃｅａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＷＡＮＧＷｅｉ，ＹＡＮＧＱｉｎｇ! ｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＸｕｅ! ｆｅｎｇ
（ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏ，ｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｉｒｓｔｌｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｆｏｒｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｌｉｆｅｔｅｓｔｏｆｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｒｅｒｅｐｏｒｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｅｒｔｉａｄｅｖｉｃｅ；
Ｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏ；
Ｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
０引言
光纤陀螺（ＦＯＧ）是一种基于Ｓａｇｎａｃ效应的新型全固态惯性仪表［１］。与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动寿命长、体积小、质量部件和磨损部件，具有可靠性高、
轻、功耗低、力学环境适应性好、动态范围大、线性度好、启动快速、频带范围宽等优点。与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁”用的机械抖动装置，没有超高精度的光学加工，不必进行非常严格的气体密封，装配工艺简便，功耗低，可靠性高。
空间应用环境比较恶劣，在抗真空、抗辐照、耐起落时的冲击和振动等方面对陀螺都有很高的要求，同时要求陀螺可靠性高和寿命长。光纤陀螺的特点使其在空间应用上有明显的优势。
１空间应用光纤陀螺的现状与发展
国外，光纤陀螺已在空间领域获得了广泛的应用。“勇气”号和“机遇”号探测车２００４年１月２６日，美国的
经过７个月飞行后成功登陆火星，所用的导航系统为诺斯罗普・格鲁门公司生产的光纤陀螺导航系统。该系统提供了飞船飞行中姿态测量所需的线加速度和角加速度信息；确定了飞船进入火星大气层缓慢降落和着陆伞最佳打开时机；提供了火星探测车在火星陆地表面运动过程中姿态、速度信息和探测车上高增益天线的定位。从１２项空间任务的执行结果来看，光纤陀螺具有质量轻、可靠性高、抗空间辐照能力强、适应太空严酷工作环境和胜任重要深空探险任务需求等特点。
法国Ｉｘｓｅａ－Ｏｃｅａｎｏ公司将光纤陀螺用于通讯和
收稿日期：２００５－１１－０６；修订日期：２００５－１２－２１
作者简介：王巍（１９６７－），男，研究员，博士生导师，博士，主要研究方向为惯性器件及惯导系统。Ｅｍａｉｌ：ｙｆｗａｎｇｗｅｉ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ
５１０
红外与激光工程第３５卷
观察卫星定向，０．１（°）／ｈ和０．０１（°）／ｈ精度的两个系列光纤陀螺已用于地球同步卫星和观察宇宙微波背景的科学实验卫星，０．００１（°）／ｈ精度的光纤陀螺计划用于地球观察卫星（Ｐｌｅｉａｄｅｓ）［２，３］。
利顿公司的ＦＯＧ６００与ＦＯＧ２５００两种光纤陀螺均可以达到１００ｋｒａｄ（Ｓｉ）的抗辐照能力。
联信公司研制了漂移为０．０００２７（°）／ｈ（１σ），标度因数非线性为１×１０的光纤陀螺，已通过热真空和辐照试验，能经受１．３×１０－４Ｐａ的真空环境与１５ｇ（ｒｍｓ）的随机振动，适合于长寿命的空间飞行任务。
近年来，国内光纤陀螺技术取得了快速发展，其中中国航天时代电子公司十三所在各类光纤陀螺研制和工程化技术方面在国内较为突出。在多项关键指标上测量范围、频率特性、高低都取得突破性进展，如精度、
温全温范围快速启动与精度保持、小型化、对恶劣力学环境的适应性、电磁兼容性、可靠性与长期稳定性等。高精度光纤陀螺的精度达到了０．０１（°）／ｈ，中低精度光纤陀螺在－４０～＋６５℃的温度范围内，实现５ｓ之内达到性能指标要求，全温范围实现零偏重复性小于２（°）／ｈ。研制的三个系列光纤陀螺性能如表１所示。
表１三个系列光纤陀螺性能指标
－６
星应用，要求光纤陀螺的工作寿命大于等于卫星的寿命，少则２～３年，多则１０～１５年，在寿命期间内，光纤陀螺还必须保证很高的可靠性，以确保对卫星姿态的准确测量。
（２）抗空间辐照特性。从近地球轨道到地球同步轨道和两极轨道，辐照剂量随轨道高度的增加而增加，空间辐照主要包括地磁场俘获的质子、电子、离子和半周期性太阳耀斑辐照的质子等，一个飞行任务的总辐照剂量通常会达到１０～１００ｋｒａｄ（Ｓｉ）。目前用于战术导弹的光纤陀螺有一定的抗辐照能力，但是尚不能满足较高轨道的应用要求。
（３）抗热真空特性。热真空环境下，光纤陀螺的散热受到影响，而光纤陀螺对温度梯度比较敏感，因此热真空也是光纤陀螺面临的重要问题之一。
２．２可靠性技术
提高光纤陀螺可靠性需要做三个步骤的工作：首先，对现有的光纤陀螺进行可靠性分析、预计和试验验证；其次，在第一步的基础上进行可靠性设计，改进薄弱环节，尤其是光路部分和电路中的关键元器件；最后，对改进设计的光纤陀螺进行可靠性增长试验及验证。由于认识问题是一个循序渐进的过程，后两步可能需要多次反复。
对现有的光纤陀螺可靠性进行预计可以采用元器件计数法和应力分析法，但是这两个方法只能根据
Ｔａｂ．１Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ３ｍｏｄｅｌｓｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｓ
Ｉｔｅｍｓ
Ｂｉａｓｓｔａｂｉｌｉｔｙ
（ｏｖｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，１ｓ，１! ）／（°）・ｈ－１Ｒａｎｄｏｍｗａｌｋ
）・ｈ－１／２ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ／（°Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ／１０－６Ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｏｆ
ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ／１０－６Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒａｎｇｅ／（°）・ｓ－１Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ／℃
ＦＯＧ－Ｃ０１１０～１
ＦＯＧ－Ｒ０１１～０．１
ＦＯＧ－Ｐ０１０．０１
已具有失效率数据的元器件进行可靠性预计，因此只能对光纤陀螺的电路部分进行预计，而光纤陀螺的光路部分采用的元器件尚没有完整的失效率数据，需要
０．１６０５０±１０００－４０～＋６５
０．０１４０２０±４００－４０～＋６５
０．００１２０１０±１００－４０～＋６５
通过试验获得。为了提高光纤陀螺空间应用可靠性，需要进行可靠性设计，主要有以下几个方面：
光（１）改进敏感线圈设计，提高敏感线圈可靠性。纤绕制成光纤线圈后，表面受到张力，引起的形变等于光纤直径与线圈直径之比。形变越大，其可靠性越低。与包层直径为１２５" ｍ的常规光纤相比，采用包层直径为８０" ｍ的细径光纤可以得到更小的光纤形
２空间应用光纤陀螺的关键技术
２．１主要技术问题
光纤陀螺要满足空间应用，必须解决以下问题：（１）高可靠性和长寿命问题。空间应用，例如卫
变；增加光纤线圈的直径也可以减小光纤的形变。实用的光纤线圈在直径为１０ｃｍ时应变为０．１％，具有很好的可靠性［４］。
典型保（２）改进光路装配工艺，提高光路可靠性。偏光纤光纤陀螺中存在５个光纤之间的熔接点，熔接
第５期
王巍等：光纤陀螺的空间应用及其关键技术５１１
点的质量不仅影响光纤陀螺的精度，而且影响光纤陀螺的可靠性。采用高强度熔接方法对光纤进行熔接，然后在一定的张力下进行检验，保证达到要求的强度。同时，对熔接点涂覆后进行特殊保护，进一步提高强度，使其满足空间应用的可靠性要求。
偏光纤陀螺方案，减小光路损耗随辐照剂量增大的影响。一方面１５５０ｎｍ的光波在光纤中损耗比１３００ｎｍ和８５０ｎｍ小，另一方面单模光纤的损耗随辐照剂量的增加比保偏光纤小，辐照剂量达到１００ｋｒａｄ（Ｓｉ）时，损耗也仅为３ｄＢ／ｋｍ。同时考虑采用自适应的数字信号检测方法以适应光纤损耗的变化。
对于电路元器件，采购满足抗辐照要求的元器件，或者对器件进行充分的抗辐照试验，保证满足辐照要求。设计上，通过限流、自动断电等措施防止发生单粒子锁定时器件永久性烧毁，通过硬软件的设计保证纠错能力。
（３）优化光纤陀螺固化工艺，使其可以承受较恶劣的力学环境，提高光纤陀螺在发射阶段的可靠性。
（４）冗余设计。采用两个光源给光纤陀螺的光路提供功率，如果其中一个失效，根据失效判据启动另一个光源，使光纤陀螺仍可正常工作。采用两个探测器也可以实现探测器的冗余。
对元器件进行一级降额使用。仍以（５）降额设计。
光源为例，其寿命随使用环境温度与芯片温度的增高而缩短，因此降低其驱动电流，减小内部功耗，同时利用温控电路将光源的温度控制在相对较小的范围，将外部环境温度控制在相对较低和较小的波动范围都可以有效地提高光源的可靠性与寿命。
２．４抗热真空技术
随着轨道高度的增加，真空度不断增高。光纤陀螺虽然在卫星内部，仍处于较高真空度的空间中。由于光纤陀螺的光源需要进行温控，温控电路的功率管会产生热量，电路中还存在其他散热器件，需要进行适应热真空条件的特殊设计，包括以下几方面：
（６）电磁兼容设计。切断电磁辐射进入产品内部产生互相干扰的通路；提高对电磁效应敏感器件的质量，选用相互干扰最小的器件和电路；对敏感的器件和部位进行屏蔽保护；使用双绞线传输关键信号；尽量使高低电平信号线与干扰信号线远离；对重要的模拟信号及数字信号等采用合理的滤波设计。
（１）优化光纤线圈截面形状，降低光纤线圈的温度梯度。通过采用细径光纤和尽可能大的线圈直径，减小光纤线圈的内外径之差。另一方面优化光纤线圈的热环境特性。通过特殊材料对线圈进行一定的热屏蔽，使线圈内外直径处的温度尽量一致。通过特殊材料及工艺加快线圈内部的热传导，减小线圈内部的温差。
２．３抗辐照技术
空间辐照对光纤陀螺性能影响的主要效应有总剂量效应（ＴＩＤ）、位移总剂量效应（ＤＤＤ）、单粒子翻转（ＳＥＵ）和单粒子锁定（ＳＥＬ）。
根据国外的报道［５，６］，对空间辐照最为敏感的是保偏光纤。即使最好的保偏光纤，暴露在辐照环境下时，损耗随辐照总剂量的增加而增加，最终可以达到６￣正常状态下，保偏光纤的损耗约１ｄＢ／ｋｍ，因１０ｄＢ／ｋｍ。
此当光纤陀螺暴露在辐照环境下时，到达探测器的光功率减小到正常状态下的１／３￣１／８，降低了光纤陀螺的信噪比。
提高光纤陀螺光路抗辐照能力的主要方法：一是增加光纤陀螺的屏蔽层厚度，尤其是光纤环与关键电路元器件等的屏蔽。因为在屏蔽层后测得的辐照剂量随屏蔽层的厚度增加以指数衰减。二是光路采用功率较高的１５５０ｎｍ波长的光源和单模光纤线圈，构成消
（２）对光纤陀螺的发热元器件进行分析，获得光纤陀螺内的热场分布。
（３）合理布置光纤陀螺的发热元器件，使温度敏感的器件远离热源。
（４）对光纤陀螺的主要发热器件的热传导进行重点设计。光源和温控功放管是光纤陀螺的主要发热器件，在热设计上采用热传导散热方式，将其安装在陀螺骨架的合理位置，从而有效地将产生的热量传导出去，保证了光纤陀螺内部的温度稳定而均匀。
（５）选用热的良导体作为骨架材料，对导热面进行精加工，以增大接触面积，使光纤陀螺内部热量及时向外部传导。
２．５寿命预计及评估技术
图１为光纤陀螺的可靠性框图。可以看出整个系统是一个串联系统［７］。假设每个子系统对应的平均故障间隔时间（ＭＴＢＦ）分别是ｔｉ（ｉ＝１￣９），每个子系统的失效
５１２
红外与激光工程第３５卷
速老化试验，获得其ＭＴＢＦ、失效模式和寿命估计模型。对一批次的多只ＳＬＤ进行寿命加速老化试验，目前在高温条件下已经连续老化３０００多小时，利用激活能，估算出其寿命至少为４０万小时，且试验仍在进
图１光纤陀螺可靠性框图
行中。对多只光纤陀螺每天进行通电试验，累计时间已经达到７０００多小时（每只），仪表性能、精度完全正常。据此预计，光纤陀螺具有很长的寿命，可以满足
Ｆｉｇ．１Ｆｒａｍｅｏｆｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏ
率分别是" （ｉ＝１～９），" ＝１／ｔｉ，则系统的ＭＴＢＦ为：
大多数空间应用要求。目前研制的空间应用光纤陀
（１）
螺已达到表２所示的性能指标。
ＭＴＢＦ＝
１
! "
ｉ＝１
９
ｉ
３结束语
光纤陀螺是一种新型的全固态惯性仪表，其特点在空间应用中具有较大的优势，国外已将光纤陀螺成功用于空间应用。在现有的光纤陀螺技术基础上进一步开展关键技术攻关，可以满足我国日益增长的空间应用对光纤陀螺的需求，促进我国自主空间技术发展。
由上式可知，任何一个子系统发生故障，都会导致光纤陀螺发生故障。由于光源驱动与温控、模数转换、逻辑电路和数模转换等子系统均由成熟、高质量的电子器件构成，可靠度非常高，其失效率相对很小，因此光纤陀螺的ＭＴＢＦ主要受到五个光学元器件的失效率水平限制。根据国外资料显示，光纤耦合器、Ｙ波导、光纤环这三个光学元器件的ＭＴＢＦ在数百万小时以上，因此主要考虑有源器件：即光源（超辐射发光二极管，ＳＬＤ）和光电探测器的失效率。根据国外的数据，ＳＬＤ的ＭＴＢＦ典型值为５３万小时，光电探测器的
参考文献：
［１］
ＬＥＦＥＶＲＥＨＣ．ＴｈｅＦｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃＧｙｒｏｓｃｏｐｅ［Ｍ］．Ｎｏｒｗｏｏｄ：ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ，ＩＮＣ，１９９３．
［２］ＷＩＬＬＥＭＥＮＯＴＥ，ＵＲＧＥＬＬＡ，ＨＡＲＤＹＧＯ，ｅｔａｌ．Ｖｅｒｙｈｉｇｈ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦＯＧｆｏｒｓｐａｃｅｕｓｅ［Ｊ］．ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＧｙｒｏＴｅｃｈｎｏｌｏ! ｇｙ，２００２，１１：１－１１．
［３］ＳＯＯＤＮ，ＶＵＩＬＬＥＵＭＩＥＲＰ，ＷＥＩＮＢＥＲＧＥＲＭ．Ｎｅｗｅｕｒｏｐｅａｎ
ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｆｏｒｓｐａｃｅｕｓｅ［Ｊ］．Ｐｒｅｐａｒｉｎｇｔｏｔｈｅｆｕｔｕｒｅ，１９９８，８（１）：４－５．
ＭＴＢＦ典型值为１１３万小时，对应的失效率分别为１．８８７ｅ－６和８．８５０ｅ－７，计算可得光纤陀螺的ＭＴＢＦ为３６．０８万小时。
更准确的数据需要通过对各光学元器件进行加表２空间应用光纤陀螺已达到的指标
［４］ＭＩＹＡＪＩＭＡＹ．Ｓｔｕｄｉｅｓｏｎｈｉｇｈ! ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｏｆｔｅｓｔｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９３，１１（１）：３４０－３４６．
Ｔａｂ．２Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｇｙｒｏ
ｆｏｒｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
０．１０．０１２０２０±５０－２０～
＋５５
［５］ＢＩＥＬＡＳＭＳ，ＴＡＹＬＯＲＷＴ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｆｉｂｅｒ
ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｆｏｒｓｐａｃｅｉｎｅｒｔｉａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｕｎｉｔｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄ!
Ｉｔｅｍｓ
ｉｎｇｏｆＳＰＩＥ，ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃａｎｄＬａｓｅｒＳｅｎｓｏｒｓＸＩ，１９９３，２０７０：１３２－１４１．［６］ＦＲＩＥＢＥＬＥＥＪ，ＧＩＮＧＥＲＩＣＨＭＥ，ＧＲＩＳＣＯＭＤＬ．Ｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙ
ｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｉｎｓｐａｃｅ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆＳＰＩＥ，ＯｐｔｉｃａｌＭａｔｅ! ｒｉａｌｓＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄＴｅｓｔｉｎｇ：ＢｅｎｉｇｎａｎｄＡｄｖｅｒｓｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．１９９２，１７９１：１７７－１８９．
［７］ＤＩＮＧＤｏｎｇ! ｆａ，ＹＵＨａｉ! ｃｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｉ．Ｓｔｕｄｙｏｎｅｖａｌｕａ!
ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｌｉｆｅｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅ［Ｃ］／／ＣｈｉｎａＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ（丁东发，于海成，王巍．光纤陀螺仪寿命评估方法研究．中国科协年会论文集），２００６．
Ｂｉａｓｓｔａｂｉｌｉｔｙ（ｏｖｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，
）・ｈ－１１ｓ，１#）／（°
Ｒａｎｄｏｍｗａｌｋｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
／（°）・ｈ－１／２
Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ／１０－６
Ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ／１０－６）・ｓ－１Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒａｎｇｅ／（°Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ／℃
第３５卷第５期
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．５
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００６年１０月Ｏｃｔ．２００６
光纤陀螺的空间应用及其关键技术
王巍，杨清生，王学锋
（北京航天控制仪器研究所，北京１００８５４）
摘要：针对国内空间应用对光纤陀螺的需求，第一次提出了需要解决的关键技术及其主要解决方法，并给出了空间应用光纤陀螺性能和关键器件的试验结果，初步证明了国内光纤陀螺能够满足空间应用的要求。
关键词：惯性器件；
光纤陀螺；
空间应用文献标识码：Ａ
文章编号：１００７－２２７６（２００６）０５－０５０９－０４
中图分类号：Ｏ４３９；ＴＨ７４１．５
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｉｎｓｐａｃｅａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＷＡＮＧＷｅｉ，ＹＡＮＧＱｉｎｇ! ｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＸｕｅ! ｆｅｎｇ
（ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏ，ｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｉｒｓｔｌｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｆｏｒｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｌｉｆｅｔｅｓｔｏｆｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｒｅｒｅｐｏｒｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｅｒｔｉａｄｅｖｉｃｅ；
Ｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏ；
Ｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
０引言
光纤陀螺（ＦＯＧ）是一种基于Ｓａｇｎａｃ效应的新型全固态惯性仪表［１］。与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动寿命长、体积小、质量部件和磨损部件，具有可靠性高、
轻、功耗低、力学环境适应性好、动态范围大、线性度好、启动快速、频带范围宽等优点。与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁”用的机械抖动装置，没有超高精度的光学加工，不必进行非常严格的气体密封，装配工艺简便，功耗低，可靠性高。
空间应用环境比较恶劣，在抗真空、抗辐照、耐起落时的冲击和振动等方面对陀螺都有很高的要求，同时要求陀螺可靠性高和寿命长。光纤陀螺的特点使其在空间应用上有明显的优势。
１空间应用光纤陀螺的现状与发展
国外，光纤陀螺已在空间领域获得了广泛的应用。“勇气”号和“机遇”号探测车２００４年１月２６日，美国的
经过７个月飞行后成功登陆火星，所用的导航系统为诺斯罗普・格鲁门公司生产的光纤陀螺导航系统。该系统提供了飞船飞行中姿态测量所需的线加速度和角加速度信息；确定了飞船进入火星大气层缓慢降落和着陆伞最佳打开时机；提供了火星探测车在火星陆地表面运动过程中姿态、速度信息和探测车上高增益天线的定位。从１２项空间任务的执行结果来看，光纤陀螺具有质量轻、可靠性高、抗空间辐照能力强、适应太空严酷工作环境和胜任重要深空探险任务需求等特点。
法国Ｉｘｓｅａ－Ｏｃｅａｎｏ公司将光纤陀螺用于通讯和
收稿日期：２００５－１１－０６；修订日期：２００５－１２－２１
作者简介：王巍（１９６７－），男，研究员，博士生导师，博士，主要研究方向为惯性器件及惯导系统。Ｅｍａｉｌ：ｙｆｗａｎｇｗｅｉ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ
５１０
红外与激光工程第３５卷
观察卫星定向，０．１（°）／ｈ和０．０１（°）／ｈ精度的两个系列光纤陀螺已用于地球同步卫星和观察宇宙微波背景的科学实验卫星，０．００１（°）／ｈ精度的光纤陀螺计划用于地球观察卫星（Ｐｌｅｉａｄｅｓ）［２，３］。
利顿公司的ＦＯＧ６００与ＦＯＧ２５００两种光纤陀螺均可以达到１００ｋｒａｄ（Ｓｉ）的抗辐照能力。
联信公司研制了漂移为０．０００２７（°）／ｈ（１σ），标度因数非线性为１×１０的光纤陀螺，已通过热真空和辐照试验，能经受１．３×１０－４Ｐａ的真空环境与１５ｇ（ｒｍｓ）的随机振动，适合于长寿命的空间飞行任务。
近年来，国内光纤陀螺技术取得了快速发展，其中中国航天时代电子公司十三所在各类光纤陀螺研制和工程化技术方面在国内较为突出。在多项关键指标上测量范围、频率特性、高低都取得突破性进展，如精度、
温全温范围快速启动与精度保持、小型化、对恶劣力学环境的适应性、电磁兼容性、可靠性与长期稳定性等。高精度光纤陀螺的精度达到了０．０１（°）／ｈ，中低精度光纤陀螺在－４０～＋６５℃的温度范围内，实现５ｓ之内达到性能指标要求，全温范围实现零偏重复性小于２（°）／ｈ。研制的三个系列光纤陀螺性能如表１所示。
表１三个系列光纤陀螺性能指标
－６
星应用，要求光纤陀螺的工作寿命大于等于卫星的寿命，少则２～３年，多则１０～１５年，在寿命期间内，光纤陀螺还必须保证很高的可靠性，以确保对卫星姿态的准确测量。
（２）抗空间辐照特性。从近地球轨道到地球同步轨道和两极轨道，辐照剂量随轨道高度的增加而增加，空间辐照主要包括地磁场俘获的质子、电子、离子和半周期性太阳耀斑辐照的质子等，一个飞行任务的总辐照剂量通常会达到１０～１００ｋｒａｄ（Ｓｉ）。目前用于战术导弹的光纤陀螺有一定的抗辐照能力，但是尚不能满足较高轨道的应用要求。
（３）抗热真空特性。热真空环境下，光纤陀螺的散热受到影响，而光纤陀螺对温度梯度比较敏感，因此热真空也是光纤陀螺面临的重要问题之一。
２．２可靠性技术
提高光纤陀螺可靠性需要做三个步骤的工作：首先，对现有的光纤陀螺进行可靠性分析、预计和试验验证；其次，在第一步的基础上进行可靠性设计，改进薄弱环节，尤其是光路部分和电路中的关键元器件；最后，对改进设计的光纤陀螺进行可靠性增长试验及验证。由于认识问题是一个循序渐进的过程，后两步可能需要多次反复。
对现有的光纤陀螺可靠性进行预计可以采用元器件计数法和应力分析法，但是这两个方法只能根据
Ｔａｂ．１Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ３ｍｏｄｅｌｓｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｓ
Ｉｔｅｍｓ
Ｂｉａｓｓｔａｂｉｌｉｔｙ
（ｏｖｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，１ｓ，１! ）／（°）・ｈ－１Ｒａｎｄｏｍｗａｌｋ
）・ｈ－１／２ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ／（°Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ／１０－６Ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｏｆ
ｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ／１０－６Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒａｎｇｅ／（°）・ｓ－１Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ／℃
ＦＯＧ－Ｃ０１１０～１
ＦＯＧ－Ｒ０１１～０．１
ＦＯＧ－Ｐ０１０．０１
已具有失效率数据的元器件进行可靠性预计，因此只能对光纤陀螺的电路部分进行预计，而光纤陀螺的光路部分采用的元器件尚没有完整的失效率数据，需要
０．１６０５０±１０００－４０～＋６５
０．０１４０２０±４００－４０～＋６５
０．００１２０１０±１００－４０～＋６５
通过试验获得。为了提高光纤陀螺空间应用可靠性，需要进行可靠性设计，主要有以下几个方面：
光（１）改进敏感线圈设计，提高敏感线圈可靠性。纤绕制成光纤线圈后，表面受到张力，引起的形变等于光纤直径与线圈直径之比。形变越大，其可靠性越低。与包层直径为１２５" ｍ的常规光纤相比，采用包层直径为８０" ｍ的细径光纤可以得到更小的光纤形
２空间应用光纤陀螺的关键技术
２．１主要技术问题
光纤陀螺要满足空间应用，必须解决以下问题：（１）高可靠性和长寿命问题。空间应用，例如卫
变；增加光纤线圈的直径也可以减小光纤的形变。实用的光纤线圈在直径为１０ｃｍ时应变为０．１％，具有很好的可靠性［４］。
典型保（２）改进光路装配工艺，提高光路可靠性。偏光纤光纤陀螺中存在５个光纤之间的熔接点，熔接
第５期
王巍等：光纤陀螺的空间应用及其关键技术５１１
点的质量不仅影响光纤陀螺的精度，而且影响光纤陀螺的可靠性。采用高强度熔接方法对光纤进行熔接，然后在一定的张力下进行检验，保证达到要求的强度。同时，对熔接点涂覆后进行特殊保护，进一步提高强度，使其满足空间应用的可靠性要求。
偏光纤陀螺方案，减小光路损耗随辐照剂量增大的影响。一方面１５５０ｎｍ的光波在光纤中损耗比１３００ｎｍ和８５０ｎｍ小，另一方面单模光纤的损耗随辐照剂量的增加比保偏光纤小，辐照剂量达到１００ｋｒａｄ（Ｓｉ）时，损耗也仅为３ｄＢ／ｋｍ。同时考虑采用自适应的数字信号检测方法以适应光纤损耗的变化。
对于电路元器件，采购满足抗辐照要求的元器件，或者对器件进行充分的抗辐照试验，保证满足辐照要求。设计上，通过限流、自动断电等措施防止发生单粒子锁定时器件永久性烧毁，通过硬软件的设计保证纠错能力。
（３）优化光纤陀螺固化工艺，使其可以承受较恶劣的力学环境，提高光纤陀螺在发射阶段的可靠性。
（４）冗余设计。采用两个光源给光纤陀螺的光路提供功率，如果其中一个失效，根据失效判据启动另一个光源，使光纤陀螺仍可正常工作。采用两个探测器也可以实现探测器的冗余。
对元器件进行一级降额使用。仍以（５）降额设计。
光源为例，其寿命随使用环境温度与芯片温度的增高而缩短，因此降低其驱动电流，减小内部功耗，同时利用温控电路将光源的温度控制在相对较小的范围，将外部环境温度控制在相对较低和较小的波动范围都可以有效地提高光源的可靠性与寿命。
２．４抗热真空技术
随着轨道高度的增加，真空度不断增高。光纤陀螺虽然在卫星内部，仍处于较高真空度的空间中。由于光纤陀螺的光源需要进行温控，温控电路的功率管会产生热量，电路中还存在其他散热器件，需要进行适应热真空条件的特殊设计，包括以下几方面：
（６）电磁兼容设计。切断电磁辐射进入产品内部产生互相干扰的通路；提高对电磁效应敏感器件的质量，选用相互干扰最小的器件和电路；对敏感的器件和部位进行屏蔽保护；使用双绞线传输关键信号；尽量使高低电平信号线与干扰信号线远离；对重要的模拟信号及数字信号等采用合理的滤波设计。
（１）优化光纤线圈截面形状，降低光纤线圈的温度梯度。通过采用细径光纤和尽可能大的线圈直径，减小光纤线圈的内外径之差。另一方面优化光纤线圈的热环境特性。通过特殊材料对线圈进行一定的热屏蔽，使线圈内外直径处的温度尽量一致。通过特殊材料及工艺加快线圈内部的热传导，减小线圈内部的温差。
２．３抗辐照技术
空间辐照对光纤陀螺性能影响的主要效应有总剂量效应（ＴＩＤ）、位移总剂量效应（ＤＤＤ）、单粒子翻转（ＳＥＵ）和单粒子锁定（ＳＥＬ）。
根据国外的报道［５，６］，对空间辐照最为敏感的是保偏光纤。即使最好的保偏光纤，暴露在辐照环境下时，损耗随辐照总剂量的增加而增加，最终可以达到６￣正常状态下，保偏光纤的损耗约１ｄＢ／ｋｍ，因１０ｄＢ／ｋｍ。
此当光纤陀螺暴露在辐照环境下时，到达探测器的光功率减小到正常状态下的１／３￣１／８，降低了光纤陀螺的信噪比。
提高光纤陀螺光路抗辐照能力的主要方法：一是增加光纤陀螺的屏蔽层厚度，尤其是光纤环与关键电路元器件等的屏蔽。因为在屏蔽层后测得的辐照剂量随屏蔽层的厚度增加以指数衰减。二是光路采用功率较高的１５５０ｎｍ波长的光源和单模光纤线圈，构成消
（２）对光纤陀螺的发热元器件进行分析，获得光纤陀螺内的热场分布。
（３）合理布置光纤陀螺的发热元器件，使温度敏感的器件远离热源。
（４）对光纤陀螺的主要发热器件的热传导进行重点设计。光源和温控功放管是光纤陀螺的主要发热器件，在热设计上采用热传导散热方式，将其安装在陀螺骨架的合理位置，从而有效地将产生的热量传导出去，保证了光纤陀螺内部的温度稳定而均匀。
（５）选用热的良导体作为骨架材料，对导热面进行精加工，以增大接触面积，使光纤陀螺内部热量及时向外部传导。
２．５寿命预计及评估技术
图１为光纤陀螺的可靠性框图。可以看出整个系统是一个串联系统［７］。假设每个子系统对应的平均故障间隔时间（ＭＴＢＦ）分别是ｔｉ（ｉ＝１￣９），每个子系统的失效
５１２
红外与激光工程第３５卷
速老化试验，获得其ＭＴＢＦ、失效模式和寿命估计模型。对一批次的多只ＳＬＤ进行寿命加速老化试验，目前在高温条件下已经连续老化３０００多小时，利用激活能，估算出其寿命至少为４０万小时，且试验仍在进
图１光纤陀螺可靠性框图
行中。对多只光纤陀螺每天进行通电试验，累计时间已经达到７０００多小时（每只），仪表性能、精度完全正常。据此预计，光纤陀螺具有很长的寿命，可以满足
Ｆｉｇ．１Ｆｒａｍｅｏｆｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏ
率分别是" （ｉ＝１～９），" ＝１／ｔｉ，则系统的ＭＴＢＦ为：
大多数空间应用要求。目前研制的空间应用光纤陀
（１）
螺已达到表２所示的性能指标。
ＭＴＢＦ＝
１
! "
ｉ＝１
９
ｉ
３结束语
光纤陀螺是一种新型的全固态惯性仪表，其特点在空间应用中具有较大的优势，国外已将光纤陀螺成功用于空间应用。在现有的光纤陀螺技术基础上进一步开展关键技术攻关，可以满足我国日益增长的空间应用对光纤陀螺的需求，促进我国自主空间技术发展。
由上式可知，任何一个子系统发生故障，都会导致光纤陀螺发生故障。由于光源驱动与温控、模数转换、逻辑电路和数模转换等子系统均由成熟、高质量的电子器件构成，可靠度非常高，其失效率相对很小，因此光纤陀螺的ＭＴＢＦ主要受到五个光学元器件的失效率水平限制。根据国外资料显示，光纤耦合器、Ｙ波导、光纤环这三个光学元器件的ＭＴＢＦ在数百万小时以上，因此主要考虑有源器件：即光源（超辐射发光二极管，ＳＬＤ）和光电探测器的失效率。根据国外的数据，ＳＬＤ的ＭＴＢＦ典型值为５３万小时，光电探测器的
参考文献：
［１］
ＬＥＦＥＶＲＥＨＣ．ＴｈｅＦｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃＧｙｒｏｓｃｏｐｅ［Ｍ］．Ｎｏｒｗｏｏｄ：ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ，ＩＮＣ，１９９３．
［２］ＷＩＬＬＥＭＥＮＯＴＥ，ＵＲＧＥＬＬＡ，ＨＡＲＤＹＧＯ，ｅｔａｌ．Ｖｅｒｙｈｉｇｈ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦＯＧｆｏｒｓｐａｃｅｕｓｅ［Ｊ］．ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＧｙｒｏＴｅｃｈｎｏｌｏ! ｇｙ，２００２，１１：１－１１．
［３］ＳＯＯＤＮ，ＶＵＩＬＬＥＵＭＩＥＲＰ，ＷＥＩＮＢＥＲＧＥＲＭ．Ｎｅｗｅｕｒｏｐｅａｎ
ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｆｏｒｓｐａｃｅｕｓｅ［Ｊ］．Ｐｒｅｐａｒｉｎｇｔｏｔｈｅｆｕｔｕｒｅ，１９９８，８（１）：４－５．
ＭＴＢＦ典型值为１１３万小时，对应的失效率分别为１．８８７ｅ－６和８．８５０ｅ－７，计算可得光纤陀螺的ＭＴＢＦ为３６．０８万小时。
更准确的数据需要通过对各光学元器件进行加表２空间应用光纤陀螺已达到的指标
［４］ＭＩＹＡＪＩＭＡＹ．Ｓｔｕｄｉｅｓｏｎｈｉｇｈ! ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｏｆｔｅｓｔｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９３，１１（１）：３４０－３４６．
Ｔａｂ．２Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｇｙｒｏ
ｆｏｒｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
０．１０．０１２０２０±５０－２０～
＋５５
［５］ＢＩＥＬＡＳＭＳ，ＴＡＹＬＯＲＷＴ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｆｉｂｅｒ
ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｆｏｒｓｐａｃｅｉｎｅｒｔｉａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｕｎｉｔｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄ!
Ｉｔｅｍｓ
ｉｎｇｏｆＳＰＩＥ，ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃａｎｄＬａｓｅｒＳｅｎｓｏｒｓＸＩ，１９９３，２０７０：１３２－１４１．［６］ＦＲＩＥＢＥＬＥＥＪ，ＧＩＮＧＥＲＩＣＨＭＥ，ＧＲＩＳＣＯＭＤＬ．Ｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙ
ｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｉｎｓｐａｃｅ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆＳＰＩＥ，ＯｐｔｉｃａｌＭａｔｅ! ｒｉａｌｓＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄＴｅｓｔｉｎｇ：ＢｅｎｉｇｎａｎｄＡｄｖｅｒｓｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．１９９２，１７９１：１７７－１８９．
［７］ＤＩＮＧＤｏｎｇ! ｆａ，ＹＵＨａｉ! ｃｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｉ．Ｓｔｕｄｙｏｎｅｖａｌｕａ!
ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｌｉｆｅｏｆｆｉｂｅｒ! ｏｐｔｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅ［Ｃ］／／ＣｈｉｎａＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ（丁东发，于海成，王巍．光纤陀螺仪寿命评估方法研究．中国科协年会论文集），２００６．
Ｂｉａｓｓｔａｂｉｌｉｔｙ（ｏｖｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，
）・ｈ－１１ｓ，１#）／（°
Ｒａｎｄｏｍｗａｌｋｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
／（°）・ｈ－１／２
Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ／１０－６
Ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｃａｌｅｆａｃｔｏｒ／１０－６）・ｓ－１Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒａｎｇｅ／（°Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅ／℃