激光陀螺簡(jiǎn)介講解

1、激光陀螺儀現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。 傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。簡(jiǎn)介現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來(lái)的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的：當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方 向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也

2、就是說(shuō)當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來(lái)測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過(guò)調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度， 就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡(jiǎn)單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái)，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)

3、入了一個(gè)全新的階段。1976年等提岀了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展， 與此同時(shí)激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可*等等優(yōu)點(diǎn)，所以目前光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn) 代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動(dòng)陀螺儀，集成式的振動(dòng)陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)重要的發(fā)展方向。分類現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來(lái)的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的：當(dāng)光束在一個(gè)

4、環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要也就是說(shuō)當(dāng)光學(xué)環(huán)的時(shí)間要比沿著這 個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上， 光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來(lái)測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造岀干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的 干涉，也就是通過(guò)調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡(jiǎn)單的介紹可以看岀，干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，所以它所要求的光源

5、可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。原理陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造岀來(lái)的定向儀器。不過(guò)它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大（也可以說(shuō)是角動(dòng)量要夠大）。不然， 只要一個(gè)很小的力矩， 就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。就像前面第四頁(yè)的活動(dòng)中，我們可以輕易的改變旋轉(zhuǎn)中車輪轉(zhuǎn)軸的方向一樣。所以設(shè)置在飛機(jī)、飛彈中的陀螺儀是*內(nèi)部所提供的動(dòng)力，使其保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)。用途陀螺儀通常裝置在除了要定岀東西南北方向，還要能判斷上方跟下方的交通工具或載具上，像是飛機(jī)、飛船、飛彈、人造衛(wèi)星、潛艇等等。它是

6、航空、航海及太空導(dǎo)航系統(tǒng)中判斷方位的主要依據(jù)。這是因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)下，陀螺儀的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定的指向固定方向，將此方向與飛行器的軸心比對(duì)后，就可以精確得到飛機(jī)的正確方向。羅盤不能取代陀螺儀，因?yàn)榱_盤只能確定平面的方向；另方面陀螺儀也比傳統(tǒng)羅盤方便可*，因?yàn)閭鹘y(tǒng)羅盤是利用地球磁場(chǎng)定向，所以會(huì)受到礦物分布干擾，例如受到飛機(jī)的機(jī)身或船身含鐵物質(zhì)的影響；另方面在兩極也會(huì)因?yàn)榈乩肀睒O跟地磁北極的不同而岀現(xiàn)很大偏差，所以目前航空、航海都已經(jīng)以陀螺儀以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為定向的主要儀器。激光陀螺原理激光陀螺儀的原理是利用光程差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度（Sagnac效應(yīng)）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)岀的沿順時(shí)針方向和反時(shí)針方向傳

7、輸?shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測(cè)相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)岀閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。激光陀螺儀的基本元件是環(huán)形激光器，環(huán)形激光器由三角形或正方形的石英制成的閉合光路組成，內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)裝有混合氣體（氦氖氣.體）的管子，兩個(gè)不透明的反射鏡和一個(gè)半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發(fā)混合氣體，產(chǎn)生單色激光。為維持回路諧振，回路的周長(zhǎng)應(yīng)為光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍。用半透明鏡將激光導(dǎo) 岀回路，經(jīng)反射鏡使兩束相反傳輸?shù)募す飧缮妫ㄟ^(guò)光電探測(cè)器和電路輸入與輸岀角度成比 例的數(shù)字信號(hào)。通過(guò)右邊的示意圖更加容易理解。激光陀螺儀需要突破的主要技原理術(shù)為漂移、噪聲和閉鎖閾值。激光陀螺儀的飄移激光陀螺儀的飄移表現(xiàn)為零點(diǎn)偏置的不穩(wěn)

8、定度，主要誤差來(lái)源有：諧振光路的折射系數(shù) 具有各向異性，氦氖等離子在激光管中的流動(dòng)、介質(zhì)擴(kuò)散的各向異性等。激光陀螺儀的噪聲激光陀螺儀的噪聲表現(xiàn)在角速度測(cè)量上。噪聲主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是激光介質(zhì)的自發(fā)發(fā)射，這是激光陀螺儀噪聲的量子極限。二是機(jī)械抖動(dòng)為目前多數(shù)激光陀螺儀采用的偏頻技 術(shù)，在抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)變換方向時(shí)，抖動(dòng)角速率較低，在短時(shí)間內(nèi)，低于閉鎖閾值，將造成輸入信 號(hào)的漏失，并導(dǎo)致輸岀信號(hào)相位角的隨機(jī)變化。激光陀螺儀的閉鎖閾值閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標(biāo)度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定度。閉鎖閾值取決于諧振光路中的損耗，主要是反射鏡的損耗激光陀螺是在光學(xué)干涉原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型導(dǎo)航儀器，成為新一代捷聯(lián)式慣性

9、導(dǎo)航系統(tǒng)理想的主要部件，用于對(duì)所設(shè)想的物體精確定位。石英撓性擺式加速度計(jì)是由熔融石英制成的敏感元件，撓性擺式結(jié)構(gòu)裝有一個(gè)反饋放大器和一個(gè)溫度傳感器，用于測(cè)量沿載體一個(gè)軸的線加速度。光纖陀螺三軸慣測(cè)組合由三個(gè)光纖陀螺儀和三個(gè)石英撓性擺式加速度計(jì)組成，可以實(shí)時(shí)地輸出載體的角速度、線加速度、線速度等數(shù)據(jù)，具有對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航和航向姿態(tài)參考基準(zhǔn)等多 種工作方式，用于移動(dòng)載體的組合導(dǎo)航和定位，同時(shí)為隨動(dòng)天線的機(jī)械操控裝置提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。主要性能：加表精度1 X io-4g ;光纖陀螺精度（漂移穩(wěn)定性） 1 /h ;標(biāo)度固形線性度 5X 10-4。激光于I960年在世界上首次岀現(xiàn)。1962年，美、英、法、前蘇聯(lián)

10、幾乎同時(shí)開始醞釀研制用激光來(lái)作為方位測(cè)向器，稱之為激光陀螺儀。激光陀螺儀的原理是利用光程差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度（Sagnac效應(yīng)）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)岀的沿順時(shí)針方向和反時(shí)針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測(cè)相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。激光陀螺儀的基本元件是環(huán)形激光器，環(huán)形激光器由三角形或正方形的石英制成的閉合光路組成，內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)裝有混合氣體（氦氖氣體）的管子，兩個(gè)不透明的反射鏡和一個(gè)半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發(fā)混合氣體，產(chǎn)生單色激光。為維持回路諧振，回路的周長(zhǎng)應(yīng)為光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍。用半透明鏡將激光導(dǎo)出回路，經(jīng)反射鏡使兩束相反傳輸?shù)募す飧缮?，通過(guò)光電探測(cè)

11、器和電路輸入與輸岀角度成比例的數(shù)字信號(hào)。相關(guān)技術(shù)控制技術(shù)；測(cè)量技術(shù)；半導(dǎo)體技術(shù)；微電子技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)技術(shù)難點(diǎn)激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)為漂移、噪聲和閉鎖閾值。激光陀螺儀的飄移激光陀螺儀的飄移表現(xiàn)為零點(diǎn)偏置的不穩(wěn)定度，主要誤差來(lái)源有：諧振光路的折射系數(shù)具有各向異性，氦氖等離子在激光管中的流動(dòng)、介質(zhì)擴(kuò)散的各向異性等。激光陀螺儀的噪聲激光陀螺儀的噪聲表現(xiàn)在角速度測(cè)量上。噪聲主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是激光介質(zhì)的自發(fā)發(fā)射， 這是激光陀螺儀噪聲的量子極限。 二是機(jī)械抖動(dòng)為目前多數(shù)激光陀螺儀采用的偏頻技術(shù)，在抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)變換方向時(shí)，抖動(dòng)角速率較低，在短時(shí)間內(nèi)，低于閉鎖閾值，將造成輸入信號(hào)的漏失，并導(dǎo)致輸出 信號(hào)

12、相位角的隨機(jī)變化。激光陀螺儀的閉鎖閾值閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標(biāo)度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定度。閉鎖閾值取決于諧振光路中的損耗，反射鏡的損耗。國(guó)外概況美國(guó)斯佩里公司于 1963 年首先次做出了激光陀螺儀的實(shí)驗(yàn)裝置。 1966 年美國(guó)霍尼威爾公司 開始使用石英作腔體，并研究出交變機(jī)械抖動(dòng)偏頻法，使這項(xiàng)技術(shù)有了使用的可能。 1972 年，霍尼威 爾公司研制出GG -1300 型激光陀螺儀。 1974 年美國(guó)國(guó)防部下令海軍和空軍聯(lián)合制定研究計(jì)劃， 1975 年 在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上試飛成功， 1976 年在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上試驗(yàn)成功。進(jìn)入80年代以來(lái)，美國(guó)空軍表示要堅(jiān)定地把激光陀螺應(yīng)用到空軍系統(tǒng)中去，并與麥克唐納道格拉斯

13、公司簽定了兩項(xiàng)合同， 以實(shí)施一項(xiàng)名為綜合慣性基準(zhǔn)組件的研制計(jì)劃，其內(nèi)容是研制一種采用激光陀螺的雙盒組件式傳感器系統(tǒng)。 海軍也計(jì)劃在 80 年代內(nèi)將激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)用到艦載飛機(jī)中， 這種 系統(tǒng)稱為CA1NS1 。陸軍準(zhǔn)備將激光陀螺用于陸軍飛機(jī)的定位導(dǎo)航、監(jiān)視偵察、火控以及飛行控 制系統(tǒng)。1985年美國(guó)提岀了戰(zhàn)略防御計(jì)劃（SDI ）后，激光技術(shù)在軍事系統(tǒng)和空間武器上的應(yīng)用倍受重視。根據(jù)SDI 預(yù)算， 1985 財(cái)年在這方面投資 104 億美元，大部分用于開展激光實(shí)驗(yàn)，其中包括激 光陀螺的研制。90 年代，根據(jù)先進(jìn)巡航導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)導(dǎo)航的要求，美國(guó)進(jìn)行了激光陀螺捷聯(lián)）。麥 SPS性能的研究（克唐納道

14、格拉斯公司被選為 SPS的主承包商，其次還有霍尼威爾、 利頓、洛克威爾、辛格基 爾福特等公司參加。國(guó)外激光陀螺儀的研制單位很多，其中，美國(guó)和法國(guó)研制的水平較高，此外還有俄羅斯、 德國(guó)等國(guó)家。1. 美國(guó) 美國(guó)研制激光陀螺儀的廠家有霍尼威爾、利頓、斯佩里等公司。（ 1 ）霍尼威爾公司理想的戰(zhàn)術(shù)慣性器件必須同時(shí)具有低成本、 體積小、重量輕、 堅(jiān)固等幾個(gè)特點(diǎn)，霍尼威爾公司 的 GG1308和 GG1320 就是為此研制的最新產(chǎn)品。該公司采用的關(guān)鍵技術(shù)如下：1 ）在提高精度方面輸岀信號(hào)的細(xì)分技術(shù)，在小型化的 RLG 中，保持所需的分辨率。提高抖動(dòng)偏頻的頻率，以提 高 RLG 的采樣頻率。小型化 RLG

15、的慣性小，諧振頻率高，在抖動(dòng)偏頻裝置的設(shè)計(jì)上，可以提高頻率。 由此，可以提高 RLG 的采樣頻率和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng) SINS 的計(jì)算頻率，有利于保證捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS 的精度。2 ）在降低成本方面利用玻璃熔結(jié)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)反射鏡和電極等的密封。采用BK-7光學(xué)玻璃取代Zerodur等零膨脹系數(shù)材料，為此需要建立光波在諧振器中諧振的條件，并對(duì)溫度誤差采取補(bǔ)償。采用GG1308組成的一種慣導(dǎo)系統(tǒng)型號(hào)為HGI500 IMU。采用GG1320 組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)型號(hào)為H-764C 。（2）基爾福特公司在單軸RLG的基礎(chǔ)上，為滿足小型衛(wèi)星和航天器的需要，該公司研制了微型三軸激光陀螺儀MRLG。該公司采用力反饋式加速度計(jì)和MRLG組成慣性測(cè)量組合IMU。這種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也可用于戰(zhàn)術(shù)武器，包括魚雷。2. 法國(guó)法國(guó)的激光陀螺儀和系統(tǒng)技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)力。法國(guó)SWXTANT公司和SAGEM公司均從70年代開始研究激光陀螺技術(shù)，到目前已經(jīng)形成不同尺寸和精度的激光陀螺儀。（1）SEXTANT 公司SEXTANT 公司1972年開始研究激光陀螺儀，1979年SEXTANT 型激光陀螺直升美洲虎儀首先用于機(jī)飛行。1981年33cm 型激光陀螺儀在 ANS超音速導(dǎo)彈項(xiàng)目中標(biāo)，1987年首次把激光陀螺儀用在阿里安 火箭的飛行，1990年SEXTANT公司在法國(guó)未來(lái)戰(zhàn)略導(dǎo)彈項(xiàng)目上中標(biāo)。（2）SAGEM 公司SAGE