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。