最早的陀螺儀使用是在瞄準鏡上。坦克車在運動過程中顛簸，運動中的車要瞄準對方是非常困難的，如果用陀螺儀，把運動姿態測量出來，用一套伺服系統控制火炮角度，就可以保證坦克或裝甲車在行進顛簸中仍能夠準確瞄準和跟蹤攻擊目標，投彈命中率大大提高。

另外一個使用場景是天線定向系統，車輛或者船舶在運動中需要接受衛星信號，天線需要對準衛星，光纖陀螺能夠跟蹤天線的方向，使車輛或者船舶在運動中接受的衛星信號功率最大。

根據陀螺儀原理，陀螺儀可分為第一代機械陀螺儀、第二代激光陀螺儀、第三代光纖陀螺儀。

第一代陀螺儀發展歷史久遠，可追朔到古代，形態像玩的陀螺，有機械轉子旋轉，如靜電陀螺、磁浮陀螺等。隨著光電技術發展，有了激光陀螺儀、光纖陀螺儀，也就是現在所說的廣義主流陀螺儀，不再有機械轉子旋轉，而是利用光轉，沒有磨損，更抗沖擊，更加穩定。本文將主要介紹光纖陀螺儀。

陀螺儀在戰斗機空戰瞄準、高樓傾斜監測、機器人平衡、高速列車阻尼控制、長跨度大橋健康狀態監測等都有廣泛的應用。

光纖陀螺的原理和分類

（1）原理

光纖陀螺原理在物理上叫Sagnac效應。在一個閉合光路中，從同一光源發出的兩束光，相對傳播，匯合到同一探測點將產生干涉，若該閉合光路存在相對于慣性空間的旋轉，則沿正、反方向傳播的光束將產生光程差，該差值與上旋轉角速度成正比。利用光電探測器測相位差計算出旋轉角速度。

從公式可看出，光纖的長度越長，光行走半徑越大，光波長越短。干涉效應越明顯。所以光纖陀螺體積越大，精度越高。Sagnac效應本質上是一種相對論效應，對光纖陀螺的設計非常重要。

光纖陀螺原理是一束光從光電管發出，經過耦合器（1端進入到3端）。通過光環，兩束不同方向進入光環，繞一圈回來進行相干疊加。返回的光回到發光二極管，通過發光二極管探測強度。光纖陀螺原理看起來比較簡單，但最重要的是如何把影響兩束光光程因素排除掉。這是做光纖陀螺面臨的最重要的問題。

光纖陀螺原理

（2）分類

光纖陀螺儀按照工作原理可分為干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)、諧振式光纖陀螺儀（R—FOG）和受激布里淵散射光纖陀螺儀(B—FOG)。目前光纖陀螺儀中最成熟的是干涉型光纖陀螺儀(即第一代光纖陀螺儀)，其應用最為廣泛。它采用多匝光纖圈來增強SAGNAC效應，一個由多匝單模光纖線圈構成的雙光束環形干涉儀可提供較高的精度，也勢必會使整體結構更加復雜。

光纖陀螺儀按照回路類型分為開環光纖陀螺和閉環光纖陀螺。開環光纖陀螺不帶反饋，直接檢測光輸出，省去許多復雜的光學和電路結構，具有結構簡單、價格便宜、可靠性高、消耗功率低等優點，缺點是輸入一輸出線性度差、動態范圍小，主要用作角度傳感器。開環的干涉型光纖陀螺的基本結構是一個環形雙光束干涉儀。主要用于對精度要求不高、體積小的場合。

光纖陀螺的性能指標

光纖陀螺主要是測量角速度的，而任何測量都是有誤差的。

（1）噪聲

光纖陀螺中的噪聲機理主要集中在光學或光電檢測部分，這些噪聲決定了光纖陀螺的最小可檢測靈敏度。在光纖陀螺中，表征角速率輸出白噪聲大小的參數是隨機游走系數，其中需考慮檢測帶寬。在僅有白噪聲的情況下，隨機游走系數的定義可以簡化為一定帶寬下測得的零偏穩定性與檢測帶寬的平方根之比，單位為圖片。如果還存在其他類型噪聲或者漂移，要通過擬合方法得到隨機游走系數，通常利用Allan方差分析。

（2）零漂（漂移）

使用光纖陀螺計算時需要角度計算，角度是通過角速度積分得到的，漂移經過長時間的積分累積，誤差越來越大。總體來說，對快速響應應用（短期），噪聲對系統的影響較大，而對于導航應用（長期），零漂對系統的影響較大。

（3）標度因數（比例因子）

比例因子誤差越小，旋轉所測得的結果就越準確。

光纖陀螺的發展現狀