作者：朱漢斌
近日，暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院（理工學(xué)院）研究員丁偉/汪瀅瑩團(tuán)隊(duì)與中國(guó)船舶集團(tuán)第七〇七研究所研究員趙小明/羅巍/李茂春團(tuán)隊(duì)展開(kāi)深度合作，在高精度空芯光纖陀螺領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。
“我們成功研制出全球首個(gè)導(dǎo)航級(jí)精度空芯光纖陀螺，其零偏不穩(wěn)定性達(dá)到0.0017°/h，較現(xiàn)有記錄降低了近30倍，樣機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超185小時(shí)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡叨?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，該里程碑式成果標(biāo)志著我國(guó)在空芯光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從理論創(chuàng)新到工程應(yīng)用研究的完整跨越，為全球慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展鐫刻下鮮明的中國(guó)印記。
空芯光纖IFOG的基本結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)供圖
慣性導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)使用慣性傳感器（加速度計(jì)與陀螺儀）來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度與角速度，進(jìn)而可推算出位置、速度和姿態(tài)等狀態(tài)信息。該技術(shù)不依賴于衛(wèi)星等外部參考信號(hào)，被譽(yù)為軍民領(lǐng)域的“工業(yè)明珠”技術(shù)。角速度傳感器是整個(gè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。
與其他陀螺儀相比，光纖陀螺儀憑借全固態(tài)、啟動(dòng)快、不受加速度影響、動(dòng)態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出數(shù)字化等優(yōu)勢(shì)，是最具市場(chǎng)應(yīng)用前景的角速度傳感器，能夠滿足從消費(fèi)級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)、導(dǎo)航級(jí)到戰(zhàn)略級(jí)的全精度需求。其中，干涉型光纖陀螺儀是目前最成功的商用光纖傳感器，預(yù)計(jì)到2033年全球市場(chǎng)規(guī)模將突破36億美元。然而受制于較高的技術(shù)門檻，該市場(chǎng)主要由美國(guó)、法國(guó)、中國(guó)、以色列、日本和德國(guó)等少數(shù)國(guó)家主導(dǎo)。
盡管干涉型光纖陀螺儀技術(shù)已取得顯著進(jìn)步，但傳統(tǒng)實(shí)芯光纖由于材料（二氧化硅玻璃）對(duì)溫度、磁場(chǎng)、強(qiáng)光和輻射等環(huán)境因素的敏感性，系統(tǒng)需依賴復(fù)雜的防護(hù)與補(bǔ)償機(jī)制，導(dǎo)致成本高、能耗大。因此，自1970年代以來(lái)，研究者們不斷尋求環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的替代技術(shù)，主要形成了諧振式光纖陀螺與空芯光纖陀螺兩條路線。然而，這兩種方案均面臨重大工程技術(shù)挑戰(zhàn)，尚未從根本上解決干涉型光纖陀螺儀自1970年代以來(lái)面臨的問(wèn)題。
自2006年空芯光纖陀螺概念提出以來(lái)（僅比空芯光纖通信晚一年），該領(lǐng)域逐漸成為研究熱點(diǎn)。盡管空氣纖芯具有優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性，但早期空芯光纖存在的模式雜散、背向散射和偏振串?dāng)_等技術(shù)瓶頸，長(zhǎng)期制約了其高精度測(cè)量性能的實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，空芯光纖通信技術(shù)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，而空芯光纖陀螺的實(shí)用化進(jìn)程仍顯滯后。
研究團(tuán)隊(duì)在我國(guó)空芯光纖通信發(fā)展過(guò)程中做出過(guò)多項(xiàng)關(guān)鍵貢獻(xiàn)，見(jiàn)證了空芯光纖通信技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的完整過(guò)程。團(tuán)隊(duì)成員敏銳地意識(shí)到，空芯光纖陀螺儀正處于從技術(shù)驗(yàn)證邁向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵階段。此次研究通過(guò)一系列創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了兩大技術(shù)跨越：一是，精度突破：首次將空芯光纖陀螺儀提升至導(dǎo)航級(jí)精度（0.001°/h量級(jí)）；二是，環(huán)境穩(wěn)定性：溫度靈敏度較實(shí)芯光纖陀螺儀降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些突破為新一代高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58381-6
