国内外激光陀螺调研报告

国内外激光陀螺调研报告
1、激光陀螺的发展历程和水平
1.1激光陀螺发展历程
1913年法国物理学家G. Sagnac提出环形光干涉与输入角速度成正比的sagnac 效应。

1960年7月7日第一台红宝石固体激光器诞生。

美国人C. V. Heer(1961年)和A. H. Rosenthal（1962年）提出将激光器用于Sagnac干涉仪构成激光陀螺。

1962年0.6328μm波长He-Ne气体激光器实现运转。

此时美、英、法、前苏联开始研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪，其原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。

1963年2月美国斯佩里公司的Macek和Davis宣布他们用环形行波激光器感测转速率获得成功，研制出世界上第一台环形激光陀螺实验装置，该装置的光程长达4米，精度约50 /h。

激光陀螺固有的闭锁效应以及零漂误差等给激光陀螺的研制带来许多困难，直到70年代，美国和法国的一些公司才陆续有激光陀螺产品问世。

1972年，霍尼韦尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪，经随后的改进后其零漂值达0.004º/h，尺寸大小为18cm×20cm×5cm，重量为3公斤。

1975年，霍尼韦尔公司又研制出机械抖动偏频的单轴激光陀螺，并首次成功地应用于战术飞机。

激光陀螺从此进入实用阶段。

并且成功地应用到战术导弹、直升机、潜艇、运载火箭等项目上。

80年代初期，激光陀螺进入批量生产阶段。

1982年，霍尼韦尔公司研制的ARINC 704激光陀螺惯性基准系统正式投入民用航线使用，该系统使用的是GG1342激光陀螺。

现在，世界上的大中型民航客机（如波音系列和空中客车系列）基本上都安装了激光陀螺惯性基准系统，用于导航与稳定。

80年代后期，霍尼韦尔公司和Litton 公司研制成功的激光陀螺产品零漂值优于0.01º/h，在航空领域获得广泛的应用。

90年代，又解决了激光陀螺的光学集成和数字化技术，使其更加易于工程实现。

1994年2月，日本H-2运载火箭呼啸升空，激光陀螺首次在航天运载器中取代挠性陀螺。

此外，法国Sextant公司研制的二频抖动激光陀螺，零漂值达0.005º/h，也用于阿里亚娜4火箭、阿里亚娜5火箭、军用机和远程导弹上。

90年代末期，美国Litton公司研制了四频差动激光陀螺，采用光学方法消除陀螺“闭锁”现象，所以又称为第二代激光陀螺，其零漂值已达0.001º/h，使激光陀螺精度又达到一个新的水平，其最佳时的零漂值已优于0.0003º/h，显然会成为纯惯性远程军用武器系统的优选对象。

1.2激光陀螺当前发展水平
当目、前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美、英、德、法、日本、俄罗斯和中国，其中美国和法国研制的水平最高，激光陀螺技术发展很成熟，并形成了二频机抖、四频差动、空间三轴、塞曼陀螺等不同类型的系列产品。

总的来说激光陀螺将向高精度高可靠和小型化、低成本两大方向发展。

目前最高水平的激光陀螺为霍尼韦尔公司生产的GG-1389型陀螺仪，其零漂值为0.00015º/h，输入速率动态范围1500º/s，使用寿命20万小时以上，平均无故障时间大于1万小时，输入轴对准稳定度达到微弧量级。

低成本、小体积的激光陀螺以霍尼韦尔的GG1308为代表，其采用BK-7级（类似我国K9）玻璃，通过镜片、电极整体烧结工艺一次成形，总体积小于2立方英寸，其精度可达1º/h，重量为60克，能承受20g的振动，每个仅为1000美元。

由于这种激光陀螺体积小，重量轻，成本低，所以在武器装备上得到广泛应用。

由GG1308陀螺组成的一种INS型号主要有两种：一是HG1500-IMU，其中的QA-700加速度计的偏置稳定性为0.5mg，标度因数稳定性为500ppm，量测轴失准度为103"，体积为17.3cm×15.2cm×7.4cm，重量为3公斤，主要用于炸弹制导等。

二是HG1700-IMU，它也包含了3个GG1308激光陀螺和3个Bendix公司的RBA-500石英振梁加速度计，其主要用于联合直接攻击弹和制导多管火箭发射系统等武器系统。

截至到2003年9月，HG1700已交付65000套。

霍尼韦尔的另一种低成本陀螺为GG1320，其精度为0.1 º/h，重量为100克，输入速率可达+800度。

采用GG1320
组成的INS型号为H-764C，定位精度<1.0nm/h，其中的加速度计为QA2000。

体积为17.8cm×17.8cm×27.9cm，重量为9.1公斤。

2、激光陀螺分类及其特点概述
2.1激光陀螺分类
激光陀螺原理上根本不同于普通的机电式陀螺。

常规机电转子陀螺依据普通的刚体力学原理按照机械储能方式工作，而激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的量子光学仪表，其依据基于广义相对论的Sagnac效应。

所谓的Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点出发的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同。

其相位差（或光程差）的大小与闭合光路的转动速率成正比。

激光谐振腔内的相位差又可以成为放大数百万倍的频率差，这样就可以通过测量光电信号的频率来测量物体的角速度、角度等。

与传统的机电式陀螺仪相比，激光陀螺仪构成简单，其主体为微晶玻璃腔体以及反射镜构成一个光学环形谐振腔，另外还有偏频系统、稳频控制系统、信号读出系统、信号处理系统、高压电源、磁屏蔽单元等部分。

激光陀螺的类型分类有多种：根据有无增益介质，激光陀螺分为、无源腔激光陀螺和有源腔激光陀螺。

目前几乎所有激光陀螺都是有源型的。

根据陀螺的处理闭锁效应的方式不同(偏频方式不同)，有源腔激光陀螺分为二频型和四频型两种。

其中二频陀螺根据偏频特点又分为机械抖动偏频、恒转偏频、磁镜交变偏频。

四频陀螺根据偏频特点又分为法拉第效应偏频、塞曼效应偏频。

陀螺按腔形又可分为平面型、非平面型。

其中平面型包括大多数单轴二频激光陀螺和腔内含有光学法拉第和水晶四频激光陀螺。

空间型包括集成在一块玻璃上的空间三轴激光陀螺，自偏频和塞曼两种四频激光陀螺。

按反射镜种类又可分为介质膜片激光陀螺和棱镜激光陀螺。

目前所有实用的激光陀螺均使用0.6328 um 的 He-Ne气体激光陀螺。

近年来，还出现了一些新型半导体、光纤谐振式激光陀螺。

这些陀螺已经脱离了传统的 He-Ne气体激光陀螺的框架，在某些方面可能具有更大的发展潜力。

美日法德和国内一些单位正在努力开展研究，取得了一些较好的实验结果。

日本学者试验的环形半导体激光器构成的角度测量元件能够正常工作，并且成功进行了微机械转动半导体激光器件中两组相向传播振动光波的频差自检测。

用于试验的半导体环形激光器包括了长尾激光二极管放大模块。

该半导体激光陀螺拍频的信息是在半导体环形激光器终端进行电压测试获得，从而不会损失光学环路中的能量。

拍频作为检测旋转速度的一个功能测量，同时，还通过改变旋转半径来研究检测精度对于旋转半径的依赖程度。

试验证明:该半导体激光系统标准检测灵敏度特性和Sagnac效应的理论预测吻合很好，这表明半导体环形激光器可以用来作为光学陀螺使用。

此外，试验还证明:闭锁效应是半导体激光陀螺(semiconductor ring laser gyroscope)的主要噪声源之一。

可以预测随着半导体和光学技术的发展，这些结构更简单、功耗更小、使用更方便的新式激光陀螺仪有可能在未来的市场上出现。

2.2几种典型激光陀螺的特点
下面我们对目前较为成熟的几种激光陀螺作一些点评。

（1）平面二频机抖
目前，实现的激光陀螺中，应用最为成熟和广泛的是单轴抖动偏频激光陀螺，已经形成系列化产品。

该型陀螺具有制造工艺相对简单，成本较低，工程实现较为方便等特点。

采用交变偏频，对偏频的稳定性要求大大地降低了，易于实现。

交变偏频正、负半周波形和振幅的不对称性不会造成积累性的误差。

腔内无元件，对温度不太敏感,有利于实现中、高精度。

但每个抖动周期两次过锁区，带来过锁误差。

有活动部件，抗冲击振动能力相对较弱、由于工作在抖动状态，在系统使用上相对麻烦些。

短时间离散噪声相对大些，某些应用场合不利。

另外精度和小型化往往不能兼顾。

（2）磁镜交变偏频激光陀螺
该陀螺采用交变磁场对反射片特殊膜层的克尔效应实现偏频。

它可以实现交变方波，减小过锁区的时间，从而减小过锁误差。

工作于饱和状态的磁镜，对励磁电流的稳定性要求不高，容易实现。

没有活动部件，结构简单，耐冲击能力强。

但由于谐振腔内必须维持P偏振光振荡，而磁镜对P光反射率较低，因此实现低损耗腔，对磁镜制备要求很高。

为了抑制S偏振光，腔内有元件，增加了腔振腔的损耗，并带来相应的零漂。

偏频量不易做大，难以实现高精度。

（3）速率偏频激光陀螺
该陀螺采用速率转台实现偏频。

在锁区内停留的时间短，从而使锁区引起的随机游走噪声大为减少，有利于实现高精度。

采用交变偏频，对转动的稳定性要求降低。

腔内无元件，有利于实现高精度。

通过来回转动可以对陀螺零偏进行调制以减小零偏对系统的影响。

由于要用转台来实现交变转动，因此结构比较复杂。

有活动部件，耐冲击振动能力较差。

不容易标定，系统的导航解算相对比较复杂。

（4）棱镜激光陀螺
在单轴抖动偏频激光陀螺中，还有一类特殊的激光陀螺，与大多数激光陀螺采用多层介质反射膜片不同该种陀螺采用在布氏角全透射和全反射的棱镜实现激光高反射。

这类陀螺静态环境下精度可以做到较高，但由于受棱镜磁偏转特性、特殊的气体稳频、全反射激光耦合输出的影响，动态环境下精度往往不高，难以实现工程化、小型化和高精度。

（5）空间三轴激光陀螺
将三个二频激光陀螺集成在一整块微晶玻璃上，该种陀螺继承了单轴二频激光陀螺的大部分技术，可以一定程度上实现小型化和高精度，系统应用带来较大方便。

但制造难度较大，另外也难以达到很高精度。

（6）平面四频差动激光陀螺
全固态零锁区无机械运动结构的四频差动激光陀螺是最为理想的激光陀螺发展方向。

由于采用法拉第偏频的四频差动陀螺为全固态，耐冲击振动能力强。

由于工作于锁区以外，从原理上消除了锁区带来的影响，有利于实现高精度，短时间离散噪声相对较小，某些应用场合有利。

但工作于园偏振光状态，对磁场变化敏感。

谐振腔内存在磁光元件，工艺难度加大，器件损耗也比较大。

旋光晶体的光轴失配将导致残余椭圆度，使谐振腔变得不稳定。

（7）四频差动塞曼激光陀螺
对采用磁场塞曼效应实现偏频的空间异面型四频激光陀螺来说，腔内没有元件，全固态，耐冲击振动能力强。

但工作于园偏振光状态，对磁场变化敏感，磁屏蔽要求高。

偏频使增益介质产生变化，带来误差，不易达到高精度。

产生偏频的磁场装置所产生的温度场的不均匀性对陀螺温度稳定性的影响较大。

（8）空间自偏频四频差动激光陀螺
这是四频差动陀螺中较新提出的自偏频激光陀螺，理论上可以实现理想的四频差动激光陀螺，但是由于这种谐振腔体很难稳定工作，所以实现起来极其困难。

3、激光陀螺研制所需主要技术及关键技术发展
3.1光学元件加工与测试技术
（1）陀螺腔体与光学元件精密机械加工
主要包括槽片的磨削和车削法等精密机械加工技术；陀螺腔体细长孔钻孔、光阑加工等精密机械加工技术；陀螺腔体加工精度检测技术。

通过采用先进设备和技术，激光陀螺机械加工技术发展正向着精密化，自动化和高效化方向发展。

（2）陀螺腔体与光学元件研磨抛光技术
主要包括通用光学加工技术；加工余量的检测、表面质量检测、角度关系检测技术。

这部分技术主要是传统通用光学加工技术，在此不多说。

（3）超光滑表面加工检测技术
该技术是核心技术，主要为光学反射片镀膜提供高质量的表面。

古典法抛光、水中抛光、浮法抛光等；此外单点金刚石延性磨削、磁流体、离子束、磨粒弹性溅射等新技术在也不断提高到亚纳米级水平。

采用干涉法的光学轮廓仪、散射显微镜法、原子力显微镜是超光滑表面粗糙度的主要检测技术。

3.2光学镀膜与化学清洗技术
（1）镀膜技术
该技术是核心技术，主要是提供足够高的反射率形成激光振荡。

代表了陀螺的精度极限潜力。

主要包括膜系的设计技术；真空蒸发镀膜法、溅射镀膜法、离子成膜法、离子辅助镀等成膜技术；晶振或光学监控技术；光谱性能、反射率、透射率、椭偏、损耗、散射等膜光学性能的测量技术。

显然，采用等离子溅射镀膜是目前高性能激光陀螺的首选技术。

（2）超洁净化学清洗技术
主要包括高纯化学试剂自提纯技术；陀螺腔体和镀膜元件化学清洗技术；
陀螺腔体化学抛光技术。

3.3激光陀螺装配技术
（1）激光陀螺超高真空封接技术
主要包括玻璃-玻璃光胶，玻璃-金属铅焊和銦封等技术。

（2）激光陀螺谐振腔光路调节技术
该技术是关键技术，将陀螺谐振腔进行最佳的精密装配，主要包括基于干涉图像法和基于最小损耗的两种装调方法。

（3）激光陀螺老化技术
该技术是陀螺稳定和寿命的关键技术，目前所有的He-Ne气体激光陀螺都采用真空老化法。

主要技术包括超高真空和超高真空的获得技术；真空系统的污染及消除；真空测量与检漏技术。

（4）激光陀螺合光技术
（5）激光陀螺磁屏蔽技术
该技术对四频陀螺来说是关键技术。

3.4激光陀螺放电技术
目前主要有直流高压放电激励和射频放电激励两种技术，其中直流高压放电激励为绝大大多数激光陀螺采用。

关键技术包括高压放电电流稳定技术，放电电极处理等技术。

3.5激光陀螺稳频技术
该技术主要确保陀螺工作在增益曲线的中心频率附近。

有以下几种稳频技术（1）小抖动稳频技术
（2）光强极值跟踪稳频技术
（3）工作气压调节稳频技术。

稳频关键技术主要包括稳频机构设计、稳频机构控制、稳频驱动等。

3.6激光陀螺偏频技术
该技术是关键技术之一，主要确保陀螺大部分时间工作在锁区以外。

有以下几种偏频技术
（1）机械交变抖动
关键技术主要包括抖动机构设计技术，抖动控制与稳定技术，抖动噪声注入技术等关键技术。

（2）恒转速率偏频
主要包括速率转台的设计等关键技术，
（3）磁镜交变偏频
关键技术包括磁镜的制备，交变磁场的发生等技术。

（4）法拉第偏频
关键技术包括法拉第室的加工技术，增透膜的镀制，法拉第室装配技术。

（5）磁场偏频
关键技术包括磁场发生器的设计技术、磁屏蔽技术。

3.8信号检测与计数技术
该技术主要将陀螺光信号转换为电信号，用于稳频或输出。

关键技术包括噪声低、信噪比好，宽带宽的前置放大器，整形技术，鉴相和解调技术。

3.9激光陀螺测试技术
（1）激光陀螺本征特性测量
主要包括锁区测试，歪扭和灵敏度测试，偏频量测试，标度因数测试，工作模式测试
（2）激光陀螺性能测试技术
主要包括激光陀螺的常温静态性能测试、随机游走、标度因数非线性度和重复性的测试、零偏温度灵敏度、标度因数温度灵敏度、随机游走的温度灵敏度、磁场灵敏度、耐环境性能（振动、冲击、低气压、潮湿、离心加速度等）测试技术。

4、国外激光陀螺主要研制单位及发展方向
目前，国外激光陀螺仪的研制单位很多，美国和法国研制的水平最高，此外还有俄罗斯、德国等国家。

直接从事激光陀螺研制、生产和开发应用的公司、研究机构中，美国的霍尼韦尔公司和利顿公司最具有实力。

目前RLG的主要市场由Honeywell和Litton两家公司占领，尤其是霍尼韦尔公司的水平代表着全世界的激光陀螺技术水平。

4.1国外激光陀螺研制单位
（1）美国霍尼韦尔公司
美国霍尼韦尔公司的激光陀螺技术水平始终处于世界领先地位，该公司于1963年开始研制激光陀螺。

1966年，霍尼韦尔公司开始使用石英作腔体，并研究出交变机械抖动偏频法。

1972年，霍尼韦尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪。

美国霍尼韦尔公司是世界上最大的激光陀螺的生产厂家，经过多年的努力，研制出机械抖动偏频的单轴激光陀螺，1974年美国国防部下令海军和空军联合制定研究计划，1975年在战术飞机上试飞成功，1976年在战术导弹上试验成功。

1978年，霍尼韦尔公司的激光陀螺开始进入小批量生产阶段。

1982年，霍尼韦尔公司研制的ARINC 704 激光陀螺惯性基准系统正式投入民用航线使用。

目前，世界上的大中型民航客机基本上都装备了激光陀螺惯性基准系
统，用于导航和稳定。

1982年1月，霍尼韦尔公司采用它的GG1342激光陀螺为美国海军研制出第一个专门用于海军水面舰艇的高精度激光陀螺导航仪，并于1984年在海军导航试验船上进行试验。

1984年，霍尼韦尔公司采用纯捷联编排方式，研制出适于战车和自行火炮的以H-726型激光陀螺动态基准装置为基础的组件式定位定向系统，1985—1987年间先后在各种战车的自行火炮上进行了试验。

1989年H-726型被选为美军的标准地面导航系统。

目前，霍尼韦尔公司生产的典型激光陀螺产品的型号主要有GG1330、GG1342、GG1320、GG1328、GG1308、GG1389等，其产品性能可以满足不同精度导航系统的要求，处于世界领先水平。

（2）美国斯佩里公司
激光陀螺在美国最先是由斯佩里公司开始研制的。

1963年2月，研制出世界上
第一台环形激光陀螺试验装置，标志着激光陀螺真正步入研制发展时代。

1967年，斯佩里公司研制出一种小型激光陀螺用于直升机三轴姿态系统中，并在70年代初，相继研制出多种磁镜式激光陀螺。

1977年12月，美国斯佩里公司在美国海军的资助下，研制出MK16 ModⅡ捷联式激光陀螺稳定装置工程样机，为舰载火炮控制系统提供舰船的纵横摇姿态数据，在美国海军导弹驱逐舰上进行了海上试验，并取得了成功。

（3）美国利顿公司
在早期，利顿公司采用机械抖动偏频技术研制的激光陀螺产品有LG2717和LG8028，分别应用于飞机导航系统及中高精度导航系统。

在20世纪90年代，利顿公司采用“磁光效应”的偏频装置，成功出研制平面环形腔型、石英旋光器和法拉弟效应相结合的四频陀螺，其标度因数线性度优于0.1×10-6，测量精度优于0.01°/h，成为新一代惯导级陀螺仪。

利顿公司的零锁区激光陀螺技术将在很大程度上取
代霍尼韦尔公司的机械抖动偏频激光陀螺技术。

（4）法国SEXTANT公司
SEXTANT公司于1972年开始研究激光陀螺仪，1979年SEXTANT型激光陀螺仪首先用于“美洲虎”直升机飞行。

1981年33cm型激光陀螺仪在ANS超音速导弹项目中标，1988年成功地把激光陀螺仪用于“阿里安”4火箭的发射，成为世界上运载器发射中首次采用激光陀螺惯性系统的成功典范。

1990年SEXTANT公司在法国未来战略导弹项目上中标。

（5）法国 SAGEM公司
SAGEM公司从1977年开始研究环型激光陀螺仪。

1987年组装了第一个样机GLS32型。

在工艺成熟后，主要生产用于航空及潜艇的捷联惯导系统。

1987年组装了GLC16型样机，主要用于直升机和小型运载火箭的捷联惯导系统。

（6）日本NASDA和JAE公司
1985年，日本NASDA和JAE公司开始联合为日本的H-II型运载火箭研制激光陀螺惯性导航系统，采用的激光陀螺为两家联合研制的光程长度为34cm的环形激光陀螺。

1994年12月成功地用于H-II火箭的发射。

目前，在H-II火箭的发射中，这种激光陀螺惯性导航系统已彻底的取代了原有的动力调谐陀螺惯导系统。

（7）俄罗斯Polyus（极点）科研生产联合体
俄罗斯Polyus和莫斯科包曼技术大学合作研究开发了KM-11型棱镜式激光陀螺。

1990年采用KM-11，型号为I-42-IS的的飞机SINS实现了批量生产。

1992年经过在
IL-96-300和TU-204等型飞机上的试用考验，I-42-IS通过了国家鉴定。

除了体积和质量较大外，它的各项性能指标达到了国际同类水平。

该研究所至今已研制出了KM-11棱镜激光陀螺，TM-12激光陀螺，三轴小型激光陀螺，3K系列小型塞曼激光陀螺。

并正在从事新型YAG：Nd固态环形激光陀螺仪开发。

4.2国外激光陀螺最新的发展方向
总的来说激光陀螺向着高精度、高可靠和小型化、低成本两大方向发展。

国外一些单位在这些方面做了很多尝试，取得了很好的效果。

近几年，激光陀螺的进展虽然包括了一些关于机械抖动激光陀螺和四频差动激光陀螺的技术改进方面的研究，但是主要成果仍然是在激光陀螺的小型化、工程化和激光陀螺的新型化方面的进展。

（1）高精度、高可靠
尽管激光陀螺的精度取决于其超精密的制造技术，但是由于制造水平和成本限制，激光陀螺精度难以从硬件上有较大提高。

利用各种算法对陀螺信号进行处理，是兼顾成本和精度提高得一种有效手段。

由于现有的先进拦截机技术和卫星导航项目需要更高的信号处理速度和更低的环境噪声，这些都要求基于惯性系统的环形激光陀螺仪进行初始化和处理数据时，能够削减潜在的大量相关噪声。

当考虑到以上要求时，现有的信号处理算法都没有达到最优状态。

为了能够给商业和军事应用提供一个最优的激光陀螺仪使用备选方案，近年来，美国在充分利用激光陀螺仪的硬件资源、尽力削减激光陀螺仪的相关噪声、设法达到激光陀螺仪的极限精度方面，做了比较多的探索、开发和研究工作。

2001 -2002年，美国佛罗里达高科技领域研究中，Honeywell公司和佛罗里达的大学进行了合作项目研究。

主要是研究了基于航空航天应用的环形激光陀螺系统实时自适应削减噪声的算法和集成电路的实现。

主要研究和实现方法包括最小二乘法和递归最小方差等算法在内的实时自适应滤波器，能够评估系统的一些均衡性能，如，收敛速率、削减相关噪声效率、组织的复杂性和计算效率等。

该项目的实施，还有一个重要的意义，就是进行把激光陀螺的整体精度提高到其理论所能达到的极限精度的尝试。

（2）小型化、低成本
小型化的激光陀螺为进一步降低成本提供了巨大的空间。

激光陀螺仪的主要关键技术是对漂移、噪声和闭锁值的处理和解决，国外的成熟的激光陀螺技术都是从。