激光陀螺

激光陀螺

激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（ Sagnac 效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持回路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。

激光陀螺仪需要突破的主要技术为漂移、噪声和闭锁阈值。

1. 激光陀螺仪的飘移

激光陀螺仪的飘移表现为零点偏置的不稳定度，主要误差来源有：谐振光路的折射系数具有各向异性，氦氖等离子在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等。

2. 激光陀螺仪的噪声

激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。噪声主要来自两个方面：一是激光介质的自发发射，这是激光陀螺仪噪声的量子极限。二是机械抖动为目前多数激光陀螺仪采用的偏频技术，在抖动运动变换方向时，抖动角速率较低，在短时间内，低于闭锁阈值，将造成输入信号的漏失，并导致输出信号相位角的随机变化。

3. 激光陀螺仪的闭锁阈值

闭锁阈值将影响到激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度。闭锁阈值取决于谐振光路中的损耗，主要是反射镜的损耗

激光陀螺是在光学干涉原理基础上发展起来的新型导航仪器，成为新一代捷联式惯性导航系统理想的主要部件，用于对所设想的物体精确定位。石英挠性摆式加速度计是由熔融石英制成的敏感元件，挠性摆式结构装有一个反馈放大器和一个温度传感器，用于测量沿载体一个轴的线加速度。

光纤陀螺三轴惯测组合由三个光纤陀螺仪和三个石英挠性摆式加速度计组成，可以实时地输出载体的角速度、线加速度、线速度等数据，具有对准、导航和航向姿态参考基准等多种工作方式，用于移动载体的组合导航和定位，同时为随动天线的机械操控装置提供准确的数据。主要性能：加表精度 1×10-4g；光纤陀螺精度(漂移稳定性)≤1°/h；标度固形线性度≤5×10-4。

激光于1960年在世界上首次出现。1962年，美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪。

激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持回路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。

[相关技术]控制技术；测量技术；半导体技术；微电子技术；计算机技术

[技术难点]

激光陀螺仪需要突破的主要技术为漂移、噪声和闭锁阈值。

1. 激光陀螺仪的飘移

激光陀螺仪的飘移表现为零点偏置的不稳定度，主要误差来源有：谐振光路的折射系数具有各向异性，氦氖等离子在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等。

2. 激光陀螺仪的噪声

激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。噪声主要来自两个方面：一是激光介质的自发发射，这是激光陀螺仪噪声的量子极限。二是机械抖动为目前多数激光陀螺仪采用的偏频技术，在抖动运动变换方向时，抖动角速率较低，在短时间内，低于闭锁阈值，将造成输入信号的漏失，并导致输出信号相位角的随机变化。

3. 激光陀螺仪的闭锁阈值

闭锁阈值将影响到激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度。闭锁阈值取决于谐振光路中的损耗，主要是反射镜的损耗。

[国外概况]

美国斯佩里公司于1963年首先次做出了激光陀螺仪的实验装置。1966年美国霍尼威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，使这项技术有了使用的可能。1972年，霍尼威尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪。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。

进入80年代以来，美国空军表示要坚定地把激光陀螺应用到空军系统中去，并与麦克唐纳·道格拉斯公司签定了两项合同，以实施一项名为"综合惯性基准组件"的研制计划，其内容是研制一种采用激光陀螺的双盒组件式传感器系统。海军也计划在80年代内将激光陀螺惯导系统用到舰载飞机中，这种系统称为CA1NS1。陆军准备将激光陀螺用于陆军飞机的定位／导航、监视／侦察、火控以及飞行控制系统。

1985年美国提出了战略防御计划（SDI）后，激光技术在军事系统和空间武器上的应用倍受重视。根据SDI预算，1985财年在这方面投资10．4亿美元，大部分用于开展激光实验，其中包括激光陀螺的研制。

90年代，根据先进巡航导弹和战术飞机导航的要求，美国进行了激光陀螺捷联性能的研究（SPS）。麦克唐纳·道格拉斯公司被选为SPS的主承包商，其次还有霍尼威尔、利顿、洛克威尔、辛格·基尔福特等公司参加。

国外激光陀螺仪的研制单位很多，其中，美国和法国研制的水平较高，此外还有俄罗斯、德国等国家。

1.美国

美国研制激光陀螺仪的厂家有霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司。

（1）霍尼威尔公司

理想的战术惯性器件必须同时具有低成本、体积小、重量轻、坚固等几个特点，霍尼威尔公司的GG1308和GG1320就是为此研制的最新产品。

该公司采用的关键技术如下：

1）在提高精度方面

输出信号的细分技术，在小型化的RLG中，保持所需的分辨率。提高抖动偏频的频率，以提高RLG的采样频率。小型化RLG的惯性小，谐振频率高，在抖动偏频装置的设计上，可以提高频率。由此，可以提高RLG的采样频率和捷联惯性导航系统SINS的计算频率，有利于保证捷联惯性导航系统SINS的精度。

2）在降低成本方面

利用玻璃熔结工艺来实现反射镜和电极等的密封。采用BK-7光学玻璃取代Zerodur等零膨胀系数材料，为此需要建立光波在谐振器中谐振的条件，并对温度误差采取补偿。采用GG1308组成的一种惯导系统型号为HGl500一IMU。采用GG1320组成的惯导系统型号为H-764C。

（2）基尔福特公司

在单轴RLG的基础上，为满足小型卫星和航天器的需要，该公司研制了微型三轴激光陀螺仪MRLG。该公司采用力反馈式加速度计和MRLG组成惯性测量组合IMU。这种惯性导航系统也可用于战术武器，包括鱼雷。

2.法国

法国的激光陀螺仪和系统技术具有很强的实力。法国SWXTANT公司和SAGEM公司均从70年代开始研究激光陀螺技术，到目前已经形成不同尺寸和精度的激光陀螺仪。

（1）SEXTANT公司

SEXTANT公司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，1987年首次把激光陀螺仪用在"阿里安"4火箭的飞行，1990年SEXTANT公司在法国未来战略导弹项目上中标。

（2）SAGEM公司

SAGEM公司从1977年开始研究环行激光陀螺仪。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水艇的捷联惯导系统。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。

[影响]

作为飞行器惯导系统核心的惯性器件，在国防科学技术和国民经济的许多领域中占有十分重要的地位。激光陀螺仪花费了很长时间和大量投资解决了闭锁问题，直到80年代初才研制出飞机导航级仪表，此后就迅速应用于飞机和直升机，取代了动力调谐陀螺和积分机械陀螺仪。目前已广泛用于导航、雷达和制导等领域。