当光学陀螺仪遇上MEMS技术，惯导系统的完美CP诞生了
2020-05-01 16:46:50   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

通过使用MEMS技术制造光纤陀螺仪的核心元件，加州理工学院研究团队制造并测试了灵敏度非常高、紧凑且坚固耐用的惯性导航系统（INS）。

据麦姆斯咨询介绍，惯性导航系统（INS）中关键元器件——陀螺仪，其设计可分为三类：经典的转子旋转式机械陀螺仪（性能卓越，在特殊应用中占据一席之地）；基于光学原理的激光陀螺仪，或采用镜像闭环回路，或采用较长的盘绕光纤（性能很高，但受限于过大的重量和尺寸）；MEMS陀螺仪（尺寸小、重量轻、功耗低，虽然性能与前两者相比稍显逊色，但瑕不遮瑜）。

现在，加州理工学院（Caltech）的一个研究团队已经设计、制造、测试并分析了一种激光陀螺仪，该陀螺仪的一些内部元器件利用了微机电系统（MEMS）技术的独特功能，但核心元器件并非MEMS陀螺仪技术。因此，既拥有光学陀螺仪级别的性能，又拥有更小、更轻的封装。该装置的灵敏度很高，甚至可以精确测量地球自转——这被认为是最严格的性能测试之一。

这项成就已发表于《自然光子学》（Nature Photonics），题目为《实现地球自转测量的芯片级环形激光陀螺仪》（Earth rotation measured by chip-scale ring laser gyroscope）。加州理工学院信息科学技术与应用物理学院的Ted & Ginger Jenkin教授Kerry Vahala指出：“20多年来，研究人员一直在猜测将光学陀螺仪集成到芯片上，与已经取得巨大成功的MEMS陀螺仪非常相似。但是直到近期，还没有出现令人信服的实验。”

与所有光学陀螺仪一样，加州理工学院研发的陀螺仪是基于众所周知的萨格纳克效应（Sagnac effect）。将单束光分成两束，并以反向旋转路径发射，最后回到同一个光学传感器（见图1）。通过比较两束干涉波的相位差，基于相对论原理对角速度进行表征。

图1：设计框图展示了激光陀螺仪的关键功能元器件及其连接情况

图中英文简称对应解释：（1）EDFA：erbium-doped fiber amplifier，掺铒光纤放大器；（2）AOM：acoustic-optical modulator，声光调制器；（3）PM：phase modulator，相位调制器；（4）PD：photodetector，光电探测器；（5）FC：frequency counter，频率计数器；（6）TM：temperature monitor，温度监控器；（7）PI：proportional-integral servo，比例积分伺服系统；（8）ESA：electrical spectrum analyzer，电频谱分析仪；（9）RF：radio frequency，射频；（10）TEC：thermal electric cooler，热电冷却器；（11）f₁（f₂）：AOM1（AOM2）的调制频率；（12）f_PDH：Pound-Drever-Hall（简称PDH）锁环相位调制器的调制频率。（ESA用于表征光电探测器的拍频信号，在地球自转测量期间断开连接。）

在该方案中，激光的行进路径是沿环形石英盘谐振器，利用圆盘的高频振动泵浦出沿顺时针和逆时针方向的受激布里渊激光器（SBL）散射（见图2）。虽然该陀螺仪设计实现了较短光路，有助于减小器件尺寸，但也可能导致灵敏度降低。该论文的共同作者Yu-Hung Lai说，为了弥补这一缺点，对光进行了“回收”。光被允许在环路周围反复循环，从而产生更强的萨格纳克效应，对旋转的灵敏度更高。

图2：使用微型谐振环形激光陀螺仪测量地球自转：通过反向泵浦微型谐振器，产生相向的SBL。（a）利用锥形光纤波导（fiber-taper waveguide）实现光信号与谐振器信号的相互耦合。环形激光陀螺仪的法线与北（N）和南（S）对准时，SBL的差分频率δν引起相反的萨格纳克位移，而法线指向东（E）和西（W）时不产生位移。（b）（曲线：腔体模式；实线箭头：具有萨格纳克位移的激光模式；虚线：未发生旋转时的激光模式；f：频率；Ω_E：地球的自转速度）。（c）泵浦模式（m + N）和布里渊激光模式（m），以绿线显示。（d）集成光学陀螺仪的概念示意图，使用了集成波导的超高Q值石英谐振器。蓝色（红色）箭头指示较高（较低）的SBL频率。红线：光波导；黄线：电路电线；黑色：激光；绿色：调制器；米色：控制器；棕色：探测器；蓝色：电子电路。

为了实现能控制光泵浦模式的光腔谐振器，该团队使用精密的微加工技术制造出有36毫米硅楔形结构的微型谐振器，自由光谱谐振值为1.808 GHz，极限Q因子超过1亿。谐振器与光纤连接器被封装在一个小金属盒中，热稳定佳，这对于精密激光和光学装置来讲非常必要（见图3）。

图3：直径36毫米的石英谐振器环形激光陀螺仪，该陀螺仪被封装在带有热电冷却器和光纤连接器的黄铜模组中

评估精密陀螺仪性能是一项复杂的工程，包含许多误差参数。必须对已知的误差和非线性来源进行各种校正和补偿。除了对短期噪声和长期性能进行基本的“静态”测试外，该团队还将装置安装在气浮旋转载物台。他们将载物台和垂直于载物台平面的陀螺仪对准，并参考地球轴与本地纬度进行角度倾斜（加州帕萨迪纳是34.1度）获取一组数据，然后将装置旋转90度以消除地球自转对灵敏轴干扰并获得一组正交数据。

用单笔或几笔数据来概括性能是不切实际的。但在论文中，作者提到“在灵敏度、准确度、零偏稳定性、噪声和漂移方面，均可媲美最佳陀螺仪。”并表示了进一步将性能指标再提升十倍的宏伟目标。他们指出，全固态设计、光学元件和电子元件的集成将非常有利于使用和规模生产，尽管他们也承认该器件尚未做好商业化准备。

除了发布的技术论文之外，研究人员还发布一些补充信息，包括一张表格。该表格将该设计的关键参数与其它已发布的微型光学陀螺仪进行了比较。其中有几页纯数学理论推导对主要误差来源进行了分析。该研究由美国国防高级研究计划局（DARPA）资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-0588-y.epdf

延伸阅读：

《高端惯性传感器技术及市场-2020版》