研究人员使用新型空心光纤提升陀螺仪性能

据外媒报道，来自霍尼韦尔和英国南安普顿大学光电子研究中心（University of Southampton's Optoelectronics Research Centre ）的研究人员使用一种新型空心光纤（hollow core optical fiber），克服了先前限制谐振腔光纤陀螺仪（resonator fiber optic gyroscopes）性能的几个因素，大幅度提高了陀螺仪的性能，比此前发布的涉及空心光纤的传感器性能高500倍。谐振腔光纤陀螺仪是一种仅使用光来感知旋转的光纤传感器。由于陀螺仪是大多数导航系统的基础，因此这项新工作有望为这些系统带来重大改进。

（图片来源：https://phys.org/）

霍尼韦尔（Honeywell ）研究团队的Glen A. Sanders表示，“高性能陀螺仪用于多种空中、地面、海洋和太空应用的导航。尽管我们的陀螺仪仍处于早期开发阶段，如果能发挥其全部性能，将成为下一代精度更高、体积更小、重量更轻的导航技术之一。”Sanders还称，“我们希望将这些陀螺仪用于下一代民用航空、自动驾驶汽车，以及其他应用的导航系统。而且随着性能的不断提升，我们还希望开辟全新的功能和应用。”

谐振式光纤陀螺仪使用两束激光，沿相反的方向穿过光纤线圈。光纤末端相连接，形成一个光学谐振器，如此一来，大多数光将绕着线圈循环。当线圈静止时，沿着两个方向传播的光束具有相同的共振频率；但当线圈旋转时，共振频率会发生相对变化，从而可用于计算运动方向，或对装有陀螺仪的车辆或设备进行定位。

霍尼韦尔开发谐振腔光纤陀螺仪技术已有一段时间，因为与电流传感器相比，谐振腔光纤陀螺仪具有在尺寸更小的设备上提供高精度导航的潜力。然而，很难找到一种光纤能够在陀螺仪所需的超细激光线宽下，消耗极低的激光功率水平，而不产生非线性影响甚至导致降低传感器性能。Sanders称，“2006年，我们提出将空心光纤用于谐振腔光纤陀螺仪。由于这些光纤将光线限制在充满气体的空隙中，因此基于此种光纤的传感器不会像基于固体光纤的传感器那样会受到非线性影响。”

研究人员想确认一种新型纤维称作无节点反共振纤维（NANF）是否能带来更多改进。，与其他空心芯纤维相比，这种纤维表现出更低水平的非线性效应。NANF还具有较低的光学衰减，光在通过光纤的较长传播长度中可保持其强度，从而可提高谐振器的质量。事实上，这些光纤已证实是所有空心光纤中光损耗最小的，并且在光谱的许多部分中，也是所有光纤中损耗最小的。

对于谐振腔光纤陀螺仪而言，最重要的是确保光在光纤中只沿着一条路径传播。NANF有助于消除由后向散射、偏振耦合和模态杂质引起的光学误差，而这些误差都是陀螺仪误差或噪声的潜在来源。消除这些误差，就消除了其他光纤技术最重要的性能限制因素。Sanders表示，“虽然这种传感器最重要的部件是新型光纤，但我们在提高共振频率感知精度的同时，也在努力大幅降低噪声。这对于提高传感器性能和缩小传感器尺寸至关重要。”

霍尼韦尔的研究人员进行了实验室研究，以描述此种新型光纤陀螺仪传感器在稳定旋转条件下（即仅在地球自转存在的情况下）的性能。为了消除自由空间光学装置中的噪声和干扰，陀螺仪被安装在稳定、静态的支柱上。通过采用NANF，研究人员实现了0.05度每小时的长期偏压稳定度，接近民用飞机导航所需水平。

研究人员Taranta表示，“通过在这种极其苛刻的应用中展示NANF的高性能，我们希望将这些纤维用于其他精密科学共振腔中。”目前，研究人员正致力于打造结构更紧凑、性能更稳定的陀螺仪原型。此外，他们还计划采用最新一代NANF，该光纤可将光损耗降低4倍，而且模态和偏振纯度也大大提高。