2025-03-30
高精度空芯光纤陀螺研究取得重大突破——与中国船舶集团七〇七所合作成果发表于《Nature Communications》
【核心突破】
近日，光子技术研究院丁伟研究员、汪滢莹研究员团队与中国船舶集团第七〇七研究所李茂春研究员、赵小明研究员团队开展深度合作，在高精度空芯光纤陀螺（Air-core FOG）领域实现里程碑式突破。研究团队成功研制出全球首个导航级精度空芯光纤陀螺，其零偏不稳定性达到0.0017°/h，较现有记录提升约30倍。相关研究成果以 “Navigation-grade interferometric air-core antiresonant fibre optic gyroscope with enhanced thermal stability”为题发表于国际顶级期刊《Nature Communications》。
【技术背景】
惯性导航（Inertial Navigation）技术通过惯性传感器（加速度计与陀螺仪）测量运动体的加速度与角速度，进而可推算出位置、速度和姿态等状态信息。该技术不依赖于卫星等外部参考信号，被誉为军民领域的“工业明珠”技术。角速度传感器是整个惯性导航系统的关键部件。
光纤陀螺仪（FOG）凭借全固态、启动快、不受加速度影响、动态范围大、结构紧凑、输出数字化等优势，成为最具前景的角速度传感器，能够覆盖从消费级、战术级、导航级到战略级的全精度需求。其中，干涉型光纤陀螺仪（IFOG）是目前最成功的商用光纤传感器，预计2033年全球市场规模将突破36亿美元。然而受制于技术门槛，该市场主要由美国、法国、中国、以色列、日本和德国等少数国家主导[1,2]。
尽管IFOG技术已取得长足进展，但传统实芯光纤由于材料（二氧化硅玻璃）对温度、磁场、强光和辐射等环境因素敏感，系统需依赖复杂的防护与补偿机制，导致成本高、能耗大。因此，自1970年代以来，研究者不断寻求环境适应性更强的替代技术，主要形成谐振式光纤陀螺（RFOG）与空芯光纤陀螺（Air-core FOG）两条路线。然而，这两种方案均面临重大技术挑战，尚未根本解决IFOG自1970年代以来面临的问题。
自2006年起，空芯光纤FOG成为研究热点。尽管空气纤芯具有优异的环境适应性，但由于早期空芯光纤模式杂散、背向散射、偏振串扰等问题，长期限制了其高精度测量性能。
从时间上看，空芯光纤陀螺概念的提出仅晚于空芯光纤通信（2005年）一年。如今，空芯光纤通信（Air-core Tel）已进入规模化应用阶段，而空芯FOG实用化进程仍明显落后。
本课题组在我国空芯光纤通信发展过程中做出过多项关键贡献[3-5]，见证了空芯光纤通信技术从实验室走向应用的完整过程。我们敏锐的意识到，空芯FOG正处于技术验证迈向实际应用的关键节点。
【创新价值】
本次研究通过一系列创新实现了三大技术跨越：
精度突破：首次将空芯FOG提升至导航级精度（0.001°/h量级）；
环境稳定性：温度灵敏度较实芯FOG降低一个数量级；
工程验证：样机连续稳定运行超185小时。
论文还从Shupe效应和Mohr效应共同作用的角度，对空芯FOG温度稳定性进行了理论解释，为未来技术发展指出了方向。该成果标志着空芯FOG从实验室走向实际应用的关键转折，将为航空航天、深海探测等极端环境下高精度导航提供变革性解决方案。
【技术路径】
这次技术突破得益于本课题组在反谐振空芯光纤制造、性能表征、和光学机理方面长期的积累：
•2015年，我们建立了反谐振空芯光纤保偏设计解析模型，提出“四重对称结构”的设计原则；
•2021年，我们实现了反谐振空芯光纤偏振双折射率0.91×10⁻⁴的世界纪录；
•2022-2024年，我们将保偏反谐振空芯光纤的传输损耗与连接损耗降低至接近实芯光纤的水平；
• 本次研究中，我们提出“宽带偏振消光比受限于主轴方向角随波长变化”的关键见解。
图1. （a）空芯光纤IFOG光路图；（b）样机外观图；（c）角速度测量曲线的Allan方差。
图2. 空芯光纤IFOG与实芯光纤IFOG温度敏感性对比。
表. 空芯光纤FOG技术二十年发展进程。
【研究团队】
论文共同第一作者为孙一之讲师、高寿飞副研究员与七〇七所李茂春研究员；通讯作者为丁伟研究员与赵小明研究员（七〇七所副所长）。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58381-6
[1] https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/gyroscope-market-report
[2] https://www.futuremarketinsights.com/reports/fiber-optics-gyroscope-market
[3] Optics Letters 44, pp. 2145-2148, (2019).
[4] https://www.10086.cn/aboutus/news/groupnews/index_detail_50009.html
[5] Optics Letters 50, pp. 884-887, (2025).
