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docx.docx

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，对推动我国高精度光纤陀螺研发和工程化应用具有重要的军事和经济意义，主要技术指标达到国际先进水平。中国航空工业集团公司组织了微小型光纤陀螺成果鉴定会，鉴定意见如下：提出了超细径全光纤、微小型光纤陀螺设计与制造技术方案，发明了光纤环和耦合器等核心光学器件振动可靠性优化方法以及光纤陀螺低温性能提高方法，国内首先研制出体积最小、环境适应性优异的工程实用化光纤陀螺，填补了国内空白，标志着我国微小型光纤陀螺技术的重大突破，满足了国内小体积精确制导武器的急需。主要性能指标居国内领先，达到同类产品国际先进水平。2.检测结论2015年89月，原总装组织了“十二五”惯性技术联合测评，国内10余家光纤陀螺主要研制单位在航天科工惯性技术和产品测评中心进行了为期一个月的测试，项目团队研制的精密级和惯性级光纤陀螺参加了测评，结果如下：测试产品测试指标 精密级光纤陀螺惯性级光纤陀螺在测评单位中的排序尺寸（敏感表头，mm）F145x34F112x20最优/最优重量（kg）1.10.4最优/最优定温零偏稳定性（/h）0.000620.0045最优/最优定温零偏变化（/h）0.00390.02最优/第四变温零偏稳定性（/h,1/min）0.00360.0064最优/最优常温标度因数非线性（ppm）1.430.31第三/最优常温标度因数对称性（ppm）0.470.41最优/第二常温标度因数重复性（ppm）1.571.21第二/最优标度因数温敏系数（ppm/）0.070.25最优/第三振动零偏变化（/h）0.01250.0075最优/第二冲击零偏变化（/h）0.00130.00795第二/最优磁灵敏度（/h/Guass）0.000870.0075第二/第二阈值（/h）0.0010.005第三/最优两款高精度光纤陀螺在13项技术指标中，均有8项排名第一，整体技术指标处于国内领先水平。3.曾获科技奖励情况项目成果获得国防科技进步二等奖2次、北京市科学技术奖二等奖2次、中国轻工业联合会科技进步二等奖1次；获得国防科技进步三等奖2次、北京市科学技术奖三等奖1次、重庆市科学技术奖三等奖1次；还获得航空工业技术创新基金十周年优秀项目银奖1次。4.知识产权情况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）；形成国军标1项，航空标准2项，企业标准20余项。五、推广应用情况：针对精确导航、定位定向、运动测量与控制的重大战略需求，经过团队10多年联合攻关，取得系列创新成果，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，累计生产销售15000余套光纤陀螺，实现直接销售收入11余亿元，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。六、主要知识产权证明目录：序号知识产权类别知识产权具体名称国家授权号授权日期证书编号权利人发明人专利有效状态1发明专利一种光纤陀螺消偏光路设计方法及其设计系统中国ZL201210331272.02016-06-222117742中国航空工业第六一八研究所谢良平有效2发明专利一种提高光纤陀螺光路中心波长稳定性的方法中国ZL201310675493.42017-11-28正在办理中国航空工业第六一八研究所谢良平有效3发明专利一种闭环光纤陀螺最小拍控制方法中国ZL201310675659.22017-11-28正在办理中国航空工业第六一八研究所高鑫谢良平有效4发明专利一种具有双干涉仪系统的数字闭环光纤陀螺仪中国ZL201410300220.62017-08-292600400中航捷锐（北京）光电技术有限公司曹阳王夏霄有效5发明专利一种减小光纤陀螺启动零偏的光纤环绕制方法中国ZL201210328403.X2016-06-012093759中国航空工业第六一八研究所李瑞谢良平有效6发明专利一种光纤环互易对称性评价与补偿方法中国ZL201410392975.32017-10-27正在办理中国航空工业第六一八研究所杨东锟谢良平魏飞有效7发明专利稳定掺铒光纤光源波长和功率的方法、装置及相应的光源中国ZL201410120676.42017-01-042331001中航捷锐（北京）光电技术有限公司李彬魏飞谢良平有效8发明专利一种保偏光纤偏振轴的检测装置及应用该装置对保偏光纤偏振轴方位进行检测的方法中国ZL201310203134.92016-1-271934156哈尔滨工业大学荣伟彬有效9发明专利一种椭圆应力区型保偏光纤的制造方法中国ZL201210459319.12016-05-182078806北京一轻研究院隋宁菠有效10发明专利能降低超辐射发光二极管光谱纹波的芯片结构中国ZL201310507954.72015-11-181844602中国电子科技集团公司第四十四研究所唐祖荣有效七、主要完成人情况：排序姓名主要贡献工作单位完成单位职称职务1谢良平第1完成人。项目总负责人，负责项目总体方案设计、技术攻关和项目管理等，主要包括：1）负责建立热、力、磁多物理场耦合误差理论体系；2）负责高精度光纤陀螺总体方案设计、光路系统和控制系统设计及关键技术攻关；3）负责微小型光纤陀螺光路系统设计，并组织关键技术攻关。对主要科技创新中的第1、第2、第3创新点做出突出贡献。中航捷锐（北京）光电技术有限公司中航捷锐（北京）光电技术有限公司中国航空工业第六一八研究所研究员2雷宏杰第2完成人。负责项目组织、总体策划、方案决策、技术方案指导及产业化推广等工作，主要包括：1）主持项目策划、总体方案及技术决策； 2）技术方案论证、实现策划及技术指导；3）重大技术攻关及相关试验的组织与技术指导；4）产业化推广。对主要科技创新中的第2、第3创新点做出突出贡献。中国航空工业第六一八研究所中国航空工业第六一八研究所研究员总工程师3陈平第3完成人。负责项目中的微小型光纤陀螺技术方案设计和关键技术攻关，以及光纤陀螺配套器件技术攻关等，主要包括：1）负责全光纤、无熔点、微小型光纤陀螺方案设计；2）负责光纤陀螺配套器件设计和制造；3）负责振动和温度性能等关键技术攻关。对主要科技创新中的第2、第3创新点做出突出贡献。中航捷锐（北京）光电技术有限公司中国航空工业第六一八研究所中航捷锐（北京）光电技术有限公司研究员4魏飞第4完成人。负责项目的理论模型与设计仿真，及核心光学器件设计和技术攻关，主要包括：1）参与建立热、力、磁多物理场耦合误差理论体系；2）负责光纤陀螺数学模型建设、设计仿真和优化；3）负责极低波长漂移掺铒光纤光源技术攻关。对主要科技创新中的第1、第2、第3创新点做出重要贡献。中国航空工业第六一八研究所中国航空工业第六一八研究所中航捷锐（北京）光电技术有限公司高级工程师5曹阳第5完成人。负责项目关键技术研发、生产组织与产业化推广，主要包括：1）参与全光纤、无熔点、微小型光纤陀螺方案设计和技术攻关；2）参与高精度光纤陀螺方案设计和技术攻关；3）负责生产组织和产业化推广。对主要科技创新中的第2、第3创新点做出重要贡献。中航捷锐（北京）光电技术有限公司中航捷锐（北京）光电技术有限公司中国航空工业第六一八研究所高级工程师6王夏霄第6完成人。负责高精度光纤陀螺技术攻关，主要包括：1）负责电路方案设计和研制工作；2）参与磁场作用下光纤陀螺误差机理研究；3）负责高精度光纤陀螺工程化性能提升。对主要科技创新中的第2创新点做出重要贡献。中航捷锐（北京）光电技术有限公司中航捷锐（北京）光电技术有限公司高级工程师7荣伟彬 第7完成人。负责耦合器、偏振器技术研发及相关设备研制，主要包括：1）负责超细径保偏光纤在线偏振轴检测和精确对准技术研制；2）负责超细径保偏耦合器和偏振器技术和相关制造设备研制。对主要科技创新中的第3创新点做出重要贡献。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学教授8崔志超第8完成人。负责光纤陀螺敏感元件光纤环技术攻关，主要包括：1）光纤环设计方案论证；2）光纤环材料匹配设计方法；3）光纤环多极正交精密绕制技术及配套核心材料攻关。 对主要科技创新中的第2、第3创新点做出重要贡献。中国航空工业第六一八研究所中航捷锐（北京）光电技术有限公司中国航空工业第六一八研究所高级工程师9唐祖荣 第9完成人。负责宽温无致冷SLD光源芯片技术研发，主要包括：1）负责方案设计和制造工艺；2）负责光源芯片环境适应性技术攻关。对主要科技创新中的第3创新点做出重要贡献。中国电子科技集团公司第四十四研究所中国电子科技集团公司第四十四研究所高级工程师10隋宁菠第10完成人。负责超细径保偏光纤研发，主要包括：1）负责超细径保偏光纤方案设计；2）负责椭圆应力区超细径保偏光纤制造工艺攻关。对主要科技创新中的第3创新点做出重要贡献。北京一轻研究院北京一轻研究院北京玻璃研究院高级工程师八、主要完成单位及创新推广贡献：（1）中航捷锐（北京）光电技术有限公司，第1完成单位。负责该项目成果中产品研发、总装集成、生产组织与产业化推广，建立了双干涉体制光纤陀螺及光纤环材料匹配设计方法，攻克了光纤陀螺故障检测技术、多极正交精密绕制与极低波长漂移掺铒光纤光源制造工艺技术等，并在航空、航海、兵器、航天等国防与民用领域推广应用，带来显著的经济效益和社会效益，推动了我国惯性传感器技术、产业升级和相关系统技术发展。 （2）中国航空工业第六一八研究所，第2完成单位。负责该项目成果中的理论研究与工程化技术研制，创立了光纤陀螺热、力、磁多物理场耦合误差理论体系，建立了光纤陀螺消偏光路系统及“波长”和“腔长”控制系统新设计方法，攻克了微小型光纤陀螺设计与制造技术等，推动了光纤陀螺技术升级，为项目的整体进展做出突出贡献。（3）哈尔滨工业大学，第3完成单位。负责耦合器、偏振器技术研发及相关设备研制，发明了超细径保偏光纤在线偏振轴检测和精确对准技术，国内率先研制出超细径保偏耦合器和偏振器及相关制造设备，推动了超细径保偏耦合器和偏振器在光纤陀螺等领域内的首次应用，为项目进展做出重要贡献。（4）中国电子科技集团公司第四十四研究所，第4完成单位。负责宽温无致冷SLD光源芯片研发，包括方案设计和制造工艺、光源芯片环境适应性技术攻关等，在国内率先研制出850纳米宽温无致冷SLD光源芯片，带来显著的经济效益和社会效益，推动了我国850纳米SLD光源在光纤陀螺等领域内的首次应用，为项目进展做出重要贡献。（5）北京一轻研究院，第5完成单位。负责超细径保偏光纤研发，包括超细径保偏光纤方案设计、椭圆应力区超细径保偏光纤制造工艺攻关等，在国内率先研制出40微米超细径保偏光纤，带来显著的经济效益和社会效益，推动了我国40微米超细径保偏光纤在光纤陀螺等领域内的首次应用，为项目进展做出重要贡献。九、完成人合作关系说明：谢良平（第1完成人）从2007年起陆续联合国内相关研究优势单位和科研人员协同攻关，具体研发人员负责相关内容为：谢良平负责总体设计，研究光纤陀螺多物理场耦合误差理论、高精度光纤陀螺技术、微小型光纤陀螺技术等；雷宏杰（第2完成人）、陈平（第3完成人）、魏飞（第4完成人）、曹阳（第5完成人）、王夏霄（第6完成人）、崔志超（第8完成人）与谢良平在一个课题组，共同参与了光纤陀螺多物理场耦合误差理论、高精度光纤陀螺技术、微小型光纤陀螺技术的研究，并由雷宏杰负责产业化推广工作；荣伟彬（第7完成人）负责光纤陀螺配套的超细径保偏光纤耦合器、偏振器技术及相关设备研制；唐祖荣（第9完成人）负责光纤陀螺配套的宽温无致冷SLD光源芯片技术研发；隋宁菠（第10完成人）负责光纤陀螺配套的超细径保偏光纤研制工作。项目完成单位和相关完成人共同获得国防科技进步二等奖、三等奖，北京市科学技术奖二等奖以及中航工业集团科技进步二、三等奖多次。另外协同单位和相关完成人获得北京市科学技术三等奖及重庆市科学技术三等奖。完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者(项目排名)合作时间合作成果证明材料备注1共同知识产权谢良平（1）、魏飞（4）、崔志超（8）2010.4- 2017.12ZL201410392975.3专利2共同知识产权谢良平（1）、魏飞（4）2010.4- 2017.12ZL201410120676.4专利3共同知识产权谢良平（1）、崔志超（8）2010.4- 2017.12ZL201220504840.8专利4共同知识产权谢良平（1）、曹阳（5）2004.4- 2017.12ZL201420689146.7专利