光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器。陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”,是指敏感角速率和角偏差的一种传感器。光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪,是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件——高速转子,称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品,具有广泛的发展前途和应用前景。
光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光,以相反的方向进行传播,最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线,相对惯性空间存在着转动角速度,则正、反方向传播的光束走过的光程不同,就产生光程差,其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息,即可得到旋转角速度。
2013年4月5日凌晨5点55分,我国空间环境垂直探测及首次空间科学主动实验取得圆满成功。这次实验一方面对低纬度空间环境垂直分布特征开展研究,另一方面为地基遥感观测设备进行标定。实验是由运载火箭搭载的鲲鹏一号探空仪完成的,该探空仪由中科院国家空间科学中心、中科院西安光机所和奥地利格拉兹大学研制,西安光机所研制了探空仪中的光纤陀螺测量仪。
图1 我国首次空间科学主动实验取得圆满成功
光纤陀螺测量仪作为鲲鹏一号探空仪核心载荷之一,实时测量出火箭角速度和线速度等参数,并向地面实时传输火箭飞行姿态和偏航角等信息,圆满完成了火箭姿态跟踪与测量任务,并且所测数据与地面观测站数据完全相符。
图2 我国首次空间科学主动实验取得圆满成功
承担光纤陀螺测量仪研制的是以徐金涛为带头人的一支年轻充满创新活力的团队,平均年龄不到30岁。2012年6月,该团队以技术路线新颖、环境适应能力强、满足大发射角和高转速运动状态下对测量范围和精度要求高等优势,从竞争中胜出。7月签订任务书,当年8月30日必须交付鉴定件,10月30日交付飞行件。
短短2个月要完成从方案设计、关键技术验证、各类外场、环境及仿真试验到成品一系列研制过程。为保障产品如期交付,团队所有成员五加二、白加黑甚至通宵地连续奋战。团队突破传统研制路线,同时启动鉴定件和飞行件的研制。在科技处、质量计划处以及检测中心的配合下,如期交付鉴定件和飞行件共三套产品,在外场、仿真、环境等试验中均一次通过。
在研制工作中,团队首创了光纤陀螺2nπ跟踪技术,以此突破了大发射角和高转速运动状态下对光纤陀螺测量仪范围大和精度高的技术要求,同时经受住低纬度潮湿环境的考验,圆满完成了实验任务,受到项目总体单位的好评,为光纤陀螺仪的应用领域开辟了新的方向。