基于多物理场耦合误差理论的光纤陀螺关键技术研发及产业化

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1、2018年国家科学技术进步奖项目提名公示内容一、项目名称：基于多物理场耦合误差理论的光纤陀螺关键技术研发及产业化二、提名单位意见：该项目针对光纤陀螺工程应用中亟待解决的多物理场作用下精度严重劣化、小型化与性能难以兼顾等关键技术，项目团队历经10多年的潜心研究，在光纤陀螺误差理论、高精度光纤陀螺技术及微小型光纤陀螺技术等方面取得了多项原创性成果。创立了光纤陀螺热、力、磁多物理场耦合误差理论体系，并建立了光纤陀螺综合设计与仿真集成研发环境软件平台；建立了消偏光路系统、光纤环材料匹配以及“波长”和“腔长”控制的新设计方法，攻克了多极正交精密绕制、极低波长漂移掺铒光纤光源等制造工艺和相关

2、设备技术；建立了全光纤无熔点微小型光纤陀螺设计与制造方法，研制出40微米超细径保偏光纤、宽温无致冷850纳米SLD光源芯片，攻克了超细径保偏光纤耦合器、偏振器等光学器件制造与封装工艺及相关设备技术；率先研制出高精度、微小型等2类10余个系列的光纤陀螺产品并产业化，在航空、导弹、车辆、航海、航天和民机、工业无人机等国防、民用领域实现了规模化应用，社会、经济效益显著，极大地推动了我国惯性传感器技术、产业升级及相关系统技术发展。成果获授权专利46件，其中发明专利29件。对照国家科技进步奖授奖条件，提名该项目申报2018年国家科技进步奖二等奖。三、项目简介：面对战机、导弹、车辆、舰船，以

3、及无人运动系统，高铁轨道、石油钻井等军民用领域对导航、定位定向、运动测量与控制的重大战略需求，光纤陀螺成为了制约全局的关键部件，是该领域共性关键技术，长期受到国外严密封锁。由于光纤陀螺检测精度接近相位检测方法的极限，在多物理场非线性耦合作用下其几何与物理参数易发生变化且难以测量与控制、导致陀螺精度严重劣化，以及小型化后带来的陀螺尺寸效应等问题，使得高精度和微小型光纤陀螺的设计和制造等技术瓶颈难以克服，已严重制约了相关产品的实用化。项目在原总装备部、北京市、航空工业集团等支持下，历经10多年的潜心研究，围绕国家重大型号工程需求，攻克了多物理场耦合作用下光纤陀螺误差理论、精度保持、小

4、型化与性能兼顾等关键技术，取得的原创性成果有：1、研究了热场、机械力学场、磁场作用下光纤陀螺的误差机理，创立了热-力-光、磁-热-光和磁-力-光耦合误差理论，系统阐述了误差产生机理和抑制方法，形成了光纤陀螺热、力、磁多物理场耦合误差理论体系。据此开发了集成研发环境软件平台，实现了光纤陀螺全过程、全参数、全性能的综合仿真分析与优化设计，理论模型与实测结果综合吻合度达到90%。2、建立了光纤陀螺消偏光路系统、光纤环材料匹配以及“波长”和“腔长”控制的新设计方法，攻克了多极正交精密绕制、极低波长漂移掺铒光纤光源等制造工艺和相关设备技术，解决了多物理场耦合作用下光纤陀螺精度严重劣化瓶颈问

5、题，率先研制出惯性级和精密级高精度光纤陀螺产品并产业化，满足了国家对高精度惯性传感器的重大战略需求。“十二五”总装惯性技术联合测评中，整体技术指标国内领先，达到国际先进水平。3、建立了全光纤无熔点微小型光纤陀螺设计与制造方法，率先研制出40微米超细径椭圆应力区保偏光纤、850纳米宽温无致冷SLD光源芯片，攻克了配套的耦合器、偏振器等光学器件制造与封装工艺及相关设备技术，解决了光纤陀螺小型化与性能难以兼顾的瓶颈问题，创制出微小型光纤陀螺（直径24mm、体积世界最小）产品并产业化，性能达到制导级，满足了小体积精确制导武器等对小型化、高性能惯性器件的急需，填补了国内空白，达到国际先进水

6、平。该项目获授权发明专利29项，实用新型专利17项。发表论文36篇（5篇SCI、14篇EI）。项目部分成果获得省部级科技进步二等奖5项，三等奖4项。形成了国军标1项，航空标准2项，企业标准20余项。率先研制出高精度和微小型光纤陀螺等2类10余个系列产品，在航空、导弹、车辆、航海、航天和民机、工业无人机等国防、民用领域实现了规模化应用，累计实现直接销售收入11余亿元（近三年约6亿），间接经济效益约30亿元，得到了中央电视台、科技日报等中央主流媒体多次报道，为推动我国惯性传感器技术、产业升级及相关系统技术发展、打破国外封锁开辟了新的途径。四、客观评价：1.科技成果评价中国航空工业集团

7、公司组织了高精度光纤陀螺成果鉴定会，鉴定意见如下：基于经典Shupe理论，在实现温度梯度和几何对称性基础上，综合多物理场对高精度光纤环温度、机械、折射率温度、折射率应力等对称性的影响，完善了Shupe理论；首次提出基于真实物理参数的有限元匀质化分析仿真方法，该方法能够更加准确的反映出多物理场条件下光纤环的误差状态；通过建立光纤环材料的物理模型，优化光纤内、外涂覆层与胶粘剂物理参数的匹配关系，突破了光纤环材料的匹配设计技术；实现了国内第一个惯性级光纤陀螺工程化应用，对推动我国高精度