国外激光陀螺lasergyroscope的发展与应用

国外激光陀螺laser gyroscope的发展与应用

来源：《国外惯性技术信息》2017年第4期，作者：国防科技大学张斌，罗晖，袁保伦，汪之国

激光陀螺（RLG）是一种以萨格奈克（Sagnac）效应为基础的光学陀螺，主要用于运动载体的角运动（运动角速度或转动角度）测量。

1913年，法国科学家Sagnac进行了环形光路中外界转动引起干涉条纹变化的实验，并从理论上对此现象进行了解释，提出了著名的Sagnac效应：在环形闭合光路中，从某一观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该点时，这对光波的光程（或相位）将由于闭合光路相对于惯性空间的旋转而不同，其光程差（或相位差）与闭合光路的旋转角速度成正比。

在随后的很长一段时间里，由于没有合适的相干光源，光学Sagnac效应的研究基本上没有任何实用性进展。直到1960年，世界上的第一台激光器诞生以后，激光陀螺作为激光技术的一个重要应用而成为世界各军事强国研究的热点。

1激光陀螺及其特点

激光陀螺是由腔体（一般采用超低膨胀系数的微晶玻璃材料）和高质量反射镜构成的环形激光器，腔内运行的顺、逆时针激光能够以不同的频率独立振荡。由于激光谐振条件的要求，Sagnac效应产生的光程差转换成了顺、逆时针运行激光的频率差，因此极大地提高了陀螺的响应灵敏度。当激光陀螺固定在运动载体上，并相对于惯性空间以角速度Ω旋转时，该频

率差为：，式中为标度因数，它由环形谐振腔的面积A、环路长度L以及激光波长λ决定。

激光陀螺的原理光路如图1所示，采用合光棱镜使其输出的顺、逆时针激光以微小夹角合并，经光电转换后可得到频率为∆v的拍频信号，从而实现载体转动角速度的测量。

图1 激光陀螺原理光路

在实际的激光陀螺中，顺、逆时针激光通过反射镜的后向散射或环路中的非均匀损耗发生耦合，导致陀螺输入角速度小于某阈值时，频率差∆v为零，这种现象称为闭锁效应。为了克服闭锁效应的影响，激光陀螺需要采取偏频措施，即在两束光波之间人为引入较大的频率差，使激光陀螺的工作区远离闭锁区域或者减少处于闭锁区域的时间。具体的偏频方案有机械抖动偏频、四频差动偏频、恒转偏频、磁镜交变偏频、纵向塞曼效应偏频等，其中以采用机械抖动偏频和四频差动偏频方案的激光陀螺应用最为广泛。

图2 激光陀螺惯性测量单元

激光陀螺的一个环路对应一个角速度敏感方向，将三个激光陀螺和三个加速度计正交配置组合构成图2所示的激光陀螺惯性测量单元（IMU），利用IMU测量载体运动的三维角速度和加速度，再通过惯性导航解算得到载体的位置、姿态等信息。基于激光陀螺的惯性导航系统广泛应用于导航与制导、姿态测量与控制、定位与定向、稳定与瞄准等领域。

传统机电陀螺仪利用高速转动机械转子的定向性和进动性来测定载体相对于惯性空间的转

速和方位，而正是由于高速转子自身的抗冲击振动能力差、存在加速度效应、不能快速启动

等固有缺陷，使其在惯性导航中的应用受到限制，妨碍其进一步的发展。美国20世纪80年代研制的MX“和平卫士”洲际导弹上搭载的机电陀螺仪是世界上精度最高的机械式陀螺仪，零偏稳定性达到1.5×10-5(º)/h，使该导弹可以在不依赖外部导航信息的情况下，14000km射程的导航偏差小于100 m，然而这套系统体积庞大，成本也极为高昂。因此，在后续研制“三叉戟”潜射弹道导弹时就改用了激光陀螺，既降低了系统成本，又大幅度缩减了导航设备的体积。

图3 美国MX洲际导弹的惯性导航舱段与陀螺仪

激光陀螺性能的主要评价指标是零偏稳定性、标度因数非线性度和随机游走系数，目前工程实用的中高精度激光陀螺对应的典型指标为：零偏稳定性0.01~0.001 (º)/h，标度因数非线性度10~0.1ppm，随机游走系数0.005~0.0005 (º)/h1/2。

与其它种类的陀螺比较，激光陀螺具有以下显著特点：

1）精度适应范围广，可满足不同应用领域的需要。美国霍尼韦尔公司GG1389陀螺仪的零偏稳定性达到了1.5×10-4(º)/h，是世界上精度最高的激光陀螺。该公司GG1308陀螺的零偏稳定性为5~1 (º)/h，是世界上体积最小的产品化激光陀螺。

2）动态范围大，动态性能好。激光陀螺可测转速的动态范围大于108，从千分之几度/小时到超过7200 (º)/s，而且无论转速大小都可以得到线性输出，测量偏差小。

3）标度因数的线性度和稳定性好，动态环境误差小。绝大多数激光陀螺的腔体采用微晶玻璃材料，其膨胀系数达到10-8量级，光路的面积和长度非常稳定，在工程应用中的标度因数

非线性度可以做到0.1ppm，而且在高低温环境下基本保持恒定，特别能适应大温变恶劣环境的应用需求。

4）抗振动、冲击和温变环境能力强。激光陀螺采用一体化结构，没有活动部件，因此可以承受很高的加速度和强烈的振动冲击，耐高低温环境能力强。特殊设计的GG1308陀螺甚至可以承受超过1×104g的冲击。

5）角分辨率高。激光陀螺可以分辨角秒甚至亚角秒量级的精细角度变化，在角度测量上可以实现高精度和高分辨率的动态测量。

6）性能稳定，在工作寿命内，仪表可以做到免校准。

7）快速启动。激光陀螺可做到瞬时启动，一般不需要预热、稳定时间。

8）功耗低、寿命长、可靠性好和易维护。激光陀螺存储寿命可达20万小时以上，平均无故障工作时间（MTBF）高达数万小时。

9）既是速率陀螺，也是位置陀螺，使用灵活，应用范围广。

10）对加速度不敏感，没有交叉耦合效应。

11）直接数字输出，系统构成简单。

2国外激光陀螺的发展历程

激光陀螺的问世要追溯到20世纪60年代，其发展过程大体可分为四个阶段。

研究起步阶段（1962—1965年）

1960年，自世界上的第一台激光器问世以后，人们就提出利用此技术来实现光学陀螺。1961年，美国科学家Heer C V在美国物理学会上发表了世界上第一篇有关激光陀螺的报道，介绍了采用测量环形激光谐振腔内运转的正反两束激光之间的频率差来感知外界输入角速率变化的方法。1962年，美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿激光陀螺的研制。美国斯佩里公司于1963年2月研制出世界上第一台环形激光陀螺试验装置，该装置的正方形光路边长为1m，可测量旋转速率。