光纤传感技术在汽车导航中的应用

南京理工大学

课程论文

课程名称： 传感技术应用与发展 论文题目： 光纤传感技术在汽车导航中的应用 姓 名： 学 号： 成 绩：

光纤传感技术在汽车导航中的应用

引言：

随着社会经济的快速发展和各种信息容量的飞速增加，以光纤为传递信息主要媒质的光纤通信技术和以光纤中的导波原理为理论基础的光纤传感技术在人类过去几十年的生活和许多其他领域中得到了越来越广泛的应用和重视，吸引了人们极大的研究兴趣。

光纤传感器应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。其应用范围十分广泛，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题。因此我们可以说光纤传感器具有很大的市场需求，不说长久，至少在未来5年，光纤传感器将会有广阔的发展前景。

光纤传感技术是随着光纤通信技术的发展而发展起来的，以光波为信息载体、以光纤为传输介质或传感元件，把“传输”和“感知”这两项技术合二为一。在过去的几十年里，光纤传感器在传感原理和结构以及器件的制备工艺等方面得到了不断的发展，研制出了许多新的光纤传感器件。光纤传感器相对于其它一些传统的如电传感器等有着自身体积小易于植入、不受电磁干扰等优点。

汽车导航系统是汽车电子技术的一个重要应用领域。汽车导航系统的主要作用是将各种信息融合处理后提供给驾驶者快速正确地引导车辆到达目的地,它对提高汽车运行效率、节约能源和增强行车安全性有着重要意义。随着光纤传感技术的发展,光纤惯性传感技术在汽车自主导航和组合导航中有了越来越多的应用,它不仅能很好地实现汽车航位推算,准确定位汽车的位置,还能实时输出汽车的瞬时姿态、行驶方向和运动速度,实现汽车的自动驾驶。

一、光纤传感器原理及分类

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测

器，经解调后，获得被测参数。

光纤传感系统主要由光源、传感器件、探测器等部分组成，如图1所示。光源发出的光经光纤传输至传感元器件；当外界环境因素，如应变、温度、折射率等物理量发生变化时，使得在光纤中传输的光波的某些特性，如强度、波长、偏振态等随外界信号发生变化，这个过程称为调制；调制过的光波信号经光纤传输至探测器后转化为电信号，在经过信号处理就可以获取外界环境的变量信息，这个过程称为解调；光纤传感技术包括调制和解调两方面的技术。

图1光纤传感器原理图

根据光纤在传感系统中的作用[3]不同，可将光纤传感器分为两大类：

(1)本征型光纤传感器：外界信号对光波参量的调制由光纤本身组成，外界环境因素直接对在光纤内传输的光波的特性进行调制，这时的光纤同时具有传输和传感的功能，也称为传感型光纤传感器或功能型光纤传感器。

(2)非本征型光纤传感器：信号的调制由外加装置提供，光纤只起到传输光波的作用，外界信号的变化对光波参量的影响在光纤外进行，也称为传光型光纤传感器或非功能型光纤传感器。

还可以根据被外界信号调制的光波参量分为强度调制型、频率调制型、波长调制型、相位调制型和偏振态调制型光纤传感器等；根据被测量的物理量可以分为光纤位移传感器、光纤温度传感器、光纤电流传感器、光纤转动传感器(光纤陀螺)等等。

1.光纤陀螺

表1光纤陀螺的等级应用

1976年V. Vali和R. W. Shorthill[4-6]首次报道并实验验证了光纤陀螺原理，他们使用多匝光纤环路来增强转动探测的灵敏度。经过三十多年的发展，光纤陀螺在研究方面取得了较大进展，一些中低精度的光纤陀螺也已经实现了产业化，并在需要高惯性导航系统的飞机、舰船、导弹等多个领域内应用。

光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)[7]效应的，是一个简单的光纤环结构，同一光源发出的光从光纤两端分束进入，然后沿相反的方向传输，最后汇合到原来的分束点产生干涉，当光纤环随垂直环面的轴转动时，相反方向传输的两束光就会产生光程差，由此得出旋转角速度。

光纤陀螺与其他传统的陀螺（如机械陀螺、激光陀螺等）相比，具有以下特点：结构简单、体积小、重量轻；无机械活动部件，可长时间无磨损的正常工作；零部件少仪器牢固稳定，具耐冲击和抗加速运动能力；启动时间短；易于集成等。

光纤陀螺分类按其结构和原理可分干涉型、谐振型和布里渊型，干涉型光纤陀螺是第一代，技术上已经趋于成熟，正处于推进批量生产和商品化阶段；谐振型光纤陀螺是第二代，处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；布里渊型是第三代，尚处于理论研究阶段。光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。还可按环路类型分为开环和闭环两种。

目前分立光学元件方案已经基本消失，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺以工艺简单，总体重复性好、低成本成为国际中高精度光纤陀螺主要方案。

“我国已经量产千分之一精度的光纤陀螺，目前主要用于导弹等中低精度领域，用于机载的高精度光纤陀螺正在研发。航天时代集团光纤陀螺年销售额已经超过2亿元，全国有不少企业在这个领域发展，主要集中在中精度领域。目前核心器件的相位调制器，主要由北京世维通公司生产，重庆44所也在生产，西安光机所也在研发。光纤绕环一般是各家厂商自产，武汉长盈通公司专门做光纤绕

环。LED光源主要是武汉光迅，深圳飞康等厂商生产。”

可以预计，光纤陀螺将在中低精度和中高精度领域逐渐取代传统的机电陀螺，未来在航天、军事、汽车等领域具有巨大的发展潜力。

2.光纤光栅传感器

光纤光栅传感技术是在光纤传感技术和光纤光栅技术的基础上发展起来的基于波长调制原理的传感技术，由于属波长编码、不受光源和传输稳定性的影响，因而具有噪声低、调制信号稳定、测量准确性高以及抗干扰能力强等自身特有的优点。

光纤光栅的制作是利用光纤材料的光敏性在纤芯中形成一维的周期性结构。1978年，加拿大渥太华通信研究中心的Hill等人在实验室进行光纤非线性效应研究时，采用驻波法刻写出了世界上第一根光纤光栅——光纤布拉格光栅(FBG)。到了1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的Meltz等人发明了紫外侧写技术，简化了光纤光栅的制作，提高了光纤光栅的写入效率。随后1993年，Hill等人又提出了相位掩模法写入光栅，使得大批量生产光纤光栅成为可能。

根据周期的长短可将光纤光栅[8]分为两类（如图2所示）：一类是光纤布拉格光栅(FBG)，周期为几百个纳米，是纤芯中传输方向相反的光波模式之间的耦合，反射特定波长的光，也称为短周期光纤光栅或反射型光栅；另一类是长周期光纤光栅，周期为几十至几百个微米，是同方向传输的纤芯模和包层模之间的耦合，导致共振波长的传输损耗，又称为透射型光栅，相当于一个带阻滤波器。

图2光纤光栅模式耦合示意图

根据光栅轴向折射率分布的不同可将光纤光栅分为均匀光纤光栅、切趾光纤光栅、啁啾光纤光栅、倾斜光纤光栅、相移光纤光栅以及采样光纤光栅等。

光纤光栅的工作原理是在相位匹配条件满足的情况下发生共振波长耦合，实

质上是在纤芯内形成一个窄带的反射镜或滤波器，得以控制和改变在光纤中传输的光波。光纤光栅的相位匹配条件为

212, 2

neff (1)

其中β为光波模式的传播常数，Λ为光纤光栅的周期，neff为模式的有效

折射率。

当温度、应变、浓度等外界环境物理参量发生变化时，引起光纤的有效折射率或光纤光栅的周期发生改变，从而导致光纤光栅的共振波长发生变化，通过测量由此带来的波长的变化就可以得到环境参量的变化信息。通过对不同参数的测量，如温度、应变、压力、电流、折射率等，研制出来的光纤光栅传感器已经广泛应用于土木工程、航天船舶系统、石油化工以及生物医学工程等多个领域中；同时光纤光栅传感器是基于波长检测原理的，还具有复用能力，易于组成智能结构中的多点分布式光纤传感网络。

今后光纤光栅传感器的发展趋势有：多参量交叉敏感的传感技术研究；传感信号解调系统的研制；传感器件的封装技术研究等。

三、基于光纤传感技术的汽车惯性导航系统

1.汽车导航系统

汽车导航系统是由天线、接收装置组成的外部信息系统、地图文件装置构成的地图信息系统、导航传感器和计算机组成的位置标定系统,以及由显示、操纵部件和计算机组成的人机接口系统构成（如图1所示）。根据汽车位置标定方式的不同,汽车导航可分为电波导航和自主导航。前者主要是利用GPS,等空间系统对汽车进行定位,后者主要是利用车载传感系统来感测并计算汽车的方位和距离。

图1汽车导航系统构成示意图

GPS的主要功能是利用24颗导航卫星采用码测量伪距定位原理进行测时和测距。通过对卫星和接收器设置点之间的距离及卫星所处位置的测量,只要接收来自四颗卫星的无线电波,通过四元非线性方程组的求解,就可计算出接收点的三维位置坐标。GPS能够在全球范围、全天候、实时地提供位置、速度和时间信息,被视为理想的导航定位系统。但是民用的GPS精度一般在100m左右,存在着成本高、定位精度差和运行不可靠等缺点[7]。

2.惯性导航技术

惯性导航技术是一种基于惯性传感器的导航技术。惯性导航系统是利用惯性传感器、基准方向和初始位置信息来确定汽车的方位、位置和速度的自主式航位推算系统。该系统前端传感器一般包括陀螺仪和加速度计,将角速度与加速度信息通过导航计算机进行姿态解算、滤波便可得到导航信息。由于惯性敏感元件存在常值漂移和随机漂移,因此惯性导航系统的短期精度高,长期精度差,需与GPS相组合才能在短期和长期精度上都有保证。因此,目前实际的汽车导航系统有很大一部分是采用GPS技术和惯性导航系统相结合的组合导航系统。

3.车载光纤惯性导航系统的组成和原理

惯性导航系统是运用惯性技术和控制技术的一种精密仪器系统它可以实时准确地输出载体的位置、运动速度、航向和姿态信息具有高度的自由性。光纤惯性测量单元为基于光纤传感技术惯性导航系统的核心,主要由以下几部分组成：

（1）光纤陀螺传感器,用于敏感角速度或角度测量,通过测定汽车转向角速度,并对该角速度进行积分来检测汽车行驶方向的变化；

（2）光纤加速度传感器,用于测量加速度,从而获得速度、位置的变化量；

（3）运算和处理器部件,用于处理陀螺和加速度计传感器数据,形成系统解算所需的信息。

车载光纤惯性导航测量单元的结构和原理如图4所示。三轴陀螺共用一个现场

可编辑的逻辑阵列实现时序控制及阶梯波形成。一个DSP作为中央处理器,完成对三轴陀螺的数字调解、数字滤波、波形反馈及数据输出。三个方向的加速度传感器通过再平衡回路完成速度和位置的检测,同时也能对汽车瞬时姿态和运动平顺性指标加以输出和控制。车载GPS和光纤惯性组合定位导航系统采用自适应或自学习算法实现子系统间定位结果的相互校正,从而提高整个系统的定位精度,应用卡尔曼滤波技术及多传感器信息融合方法实现整个系统的综合校正,以提高系统的可靠性。

图4光纤惯性测量单元的构成和原理图

4.车载光纤惯性导航系统的要求及发展趋势

由于汽车行驶工况的复杂性和车身综合布置的空间局限性,车载光纤惯性导航系统除了要求传感器具有一定的精度、分辨率和响应速度外,还要求测量用电子系统朝着小型化、数字化和多功能化方向发展。

光纤陀螺仪是车载光纤惯性导航系统的核心部件,而谐振腔式光纤陀螺仪作为光纤陀螺仪的小型化的研究方向,克服了干涉型光纤陀螺的诸多缺点,具有很大的发展潜力,其复杂的控制电路会随着ASIC技术的发展得到解决。开环式光纤陀螺直接检测干涉条纹的相移,因而动态范围较窄,检测精度较低。闭环式光纤陀螺系统采取相位补偿的方法,实时抵消萨格奈克相移,通过检测补偿相位移来测

量角速度,动态范围大,检测精度高,全数字闭环光纤陀螺的实现方法已经趋于成熟,是以后惯性测量单元的选择结构。图5就是全数字闭环光纤陀螺结构图。由于光纤惯性传感器具有单轴敏感性，实际应用中常采用多个光纤陀螺和光纤祸合器共用一只光源来降低系统成本,未来光纤惯性传感器应实现单个传感器的多轴和多功能测量。

图5全数字闭环光纤陀螺结构图

四、车载光纤惯性导航系统的特点及其问题

1．车载光纤质性导航系统的特点

车载光纤惯性导航系统的核心部件光纤传感器本质上是由光电子器件组成的光干涉仪系统,具有结构简单、启动迅速、耐冲击、测量范围宽、数字输出便于计算机接口等优点。就光纤陀螺而言,与传统机电陀螺相比,它具有启动速度快、抗冲击耐过载以及高可靠性等特性；与激光陀螺相比,它具有加工工艺简单、体积小、成本低、无闭锁以及适合批量生产等特点。而微机械传感器虽然具有微

型化、集成化的特点,但目前微惯性传感器测量精度不是很高,仅在一些低精度场合应用。

2．车载光纤惯性导航系统技术和成本因素

车载光纤惯性导航系统采用的光纤传感技术还是一种新兴技术,光纤传感器的应用还没有普及。和其它电子器件一样,光纤传感器也只有形成批量化、规模式生产才能降低其应用成本。另外光纤传感的发展也存在其技术瓶颈,一些新的工艺技术还有待开发。这也是目前光纤惯性导航系统在汽车中还没有被广泛采用的原因之一。

3．市场开发环境的影响

目前国内外都十分重视光纤传感技术的发展和应用,国内形成市场规模的光电产业还是针对光通信行业,对光电子器件的另一个应用市场,即光纤陀螺和光纤传感器,还未被受到足够的重视。究其原因,一方面是因为光纤传感器市场尚未形成,不能成为推动光纤陀螺等专用光电子器件发展的动力；另一方面也反映了光电子产业发展中的局限性,多少地影响了光纤传感器市场的早日形成。

4．工程化过程中要解决的问题和关键技术

目前中、低精度的光纤陀螺惯性导航系统在车辆导航、灵巧炮弹制导、飞机和车载航姿等系统中开始进人工程应用阶段。国内光纤传感技术正在进行工程化攻关研究,主要解决工程应用过程中存在的问题,如系统结构优化、零起动、热平衡、温度影响、长时间工作性能稳定性和信噪比等。车载光纤惯性导航系统中,光纤陀螺还需要突破灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移等主要技术。

五、光纤传感技术的发展趋势及成本

对于光纤传感器的价格，光纤传感器种类众多，具体到光纤陀螺和光纤电流互感器，大概是同级别传统传感器的2~3倍。应用的长期稳定性和可靠性不够、价格较高和对所获得数据的智能化处理不足是阻碍大规模应用的重要原因。

具体到行业应用发展上，传感技术应用到各行各业，每个企业的市场进入能力是有限的，所以现在遍地开花，传统传感器行业有成熟的产业链和利益链条，光纤传感产业化要有长期抗战的准备。光纤传感器价格昂贵与规模相关，但光纤

传感背靠光通信产业，长期来看降成本没有问题。

今后光纤传感技术的发展趋势有：

（1）基于新机理和新材料的新型光纤传感技术研究，如使用光子晶体光纤和塑料光纤进行传感；

（2）多参量光纤传感技术，即对多个物理量同时进行测量和多功能全光纤控制系统；

（3）提高分布式光纤传感技术的空间分辨率和灵敏度，以降低系统设备成本；

（4）开辟新的应用领域，如在物联网和智能家电中的应用发展等。

这些年来，我国的光纤传感技术已经取得了较大的进步，但与发达国家的研究水平相比还有不少的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于研发阶段，发展现状仍然远远不能满足实际需要，还有许多待研究的课题。光纤传感的工程化研究是热点，技术成熟度、成本、行业接受程度、是否有隐患，都需要时间的考验。一个产业要遵循生命周期，光纤传感还有很长的路要走。

参 考 文 献

[1] 张洪润，张亚凡，邓洪敏.传感器原理及应用.北京:清华大学出版社,2008.7

[2] 吴建平.传感器原理及应用.北京:机械工业出版社,2008.10

[3] 刘笃仁.传感器原理及应用技术.西安:西安电子科技大学出版社,2003.4

[4] 谢文和.传感器及其应用.北京:高等教育出版社.2004.8

[5] 玛瑞克.汽车传感器.北京:化学工业出版社,2004.8

[6] 王遂双.汽车电子控制系统的原理与检修.北京理工大学出版社.2004.8

[7] 郭冉,王太宏.汽车传感器的发展及应用分析.中国科技信息.2010(01):286-287

[8] 秦玉伟,皇甫国庆,肖令禄.汽车传感器的应用以及发展趋势.传感器世界.2008