[科普中國(guó)]-環(huán)式激光陀螺

環(huán)式激光陀螺 （縮寫(xiě)為RLG）包括一個(gè)環(huán)式激光儀，在同一光路中反向傳播同一光源輸出的激光，通過(guò)薩格納克效應(yīng)來(lái)檢測(cè)外界環(huán)形的旋轉(zhuǎn)角速度。1

環(huán)形激光陀螺是當(dāng)前高精度捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一, 它在軍用領(lǐng)域和商用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。和環(huán)形激光陀螺相關(guān)的進(jìn)展主要可以概況為三個(gè)方面:激光陀螺研制技術(shù)的進(jìn)步;對(duì)激光陀螺系統(tǒng)研究方法的深入和激光陀螺應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。 激光陀螺發(fā)展的最新動(dòng)態(tài), 對(duì)國(guó)內(nèi)激光陀螺工業(yè)有重要的參考價(jià)值, 將有助于提高我國(guó)環(huán)形激光陀螺技術(shù)水平。

背景激光于1960年在世界上首次出現(xiàn)。美國(guó)斯佩里公司于1963年首先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(kāi)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)有了實(shí)用的可能。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展和完善，激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在軍用、民用方面被廣泛應(yīng)用。在中高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)中占有相當(dāng)大的市場(chǎng)，在波音747-400，757，767，737，空中客車A320，A340等均裝備了激光陀螺慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)。

激光陀螺以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和性能在新興的固態(tài)陀螺領(lǐng)域處于非常重要的地位，對(duì)現(xiàn)代的導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和進(jìn)步起著不可替代的作用。在陀螺技術(shù)進(jìn)展過(guò)程中…，動(dòng)力調(diào)諧陀螺(D’rG)已經(jīng)淘汰，高精度的應(yīng)用領(lǐng)域中，激光陀螺一直占據(jù)著主導(dǎo)位置。雖然科技進(jìn)步將會(huì)使得光纖陀螺(FOG)和微機(jī)械陀螺(MEMs)精度會(huì)越來(lái)越高，但是，已經(jīng)成熟的激光陀螺系統(tǒng)在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)仍將保持其突出的優(yōu)勢(shì)，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中處于重要的地位。

簡(jiǎn)介1963年美國(guó)的Macek與Davis首次進(jìn)行了環(huán)式激光陀螺的實(shí)驗(yàn)。全世界不同的機(jī)構(gòu)隨后進(jìn)一步研制環(huán)式激光技術(shù)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中數(shù)以萬(wàn)計(jì)的環(huán)式激光陀螺工作在高精度狀態(tài)，漂移不確定性好于0.01°/小時(shí)，平均故障間隔超過(guò)60,000小時(shí)。

環(huán)式激光器的工作模式。

環(huán)式激光陀螺的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有移動(dòng)部件，因而沒(méi)有摩擦，也就沒(méi)有內(nèi)在的漂移。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺，它更為緊湊、更輕。

環(huán)式激光陀螺廣泛應(yīng)用于軍機(jī)、民航飛機(jī)、船只、空間飛行等慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

形激光陀螺是當(dāng)前高精度捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，它在軍用領(lǐng)域和商用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。和環(huán)形激光陀螺相關(guān)的進(jìn)展主要可以概況為三個(gè)方面：激光陀螺研制技術(shù)的進(jìn)步；對(duì)激光陀螺系統(tǒng)研究方法的深入和激光陀螺應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展6激光陀螺發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，對(duì)國(guó)內(nèi)激光陀螺工業(yè)有重要的參考價(jià)值。

發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工藝水平的提高，環(huán)形激光陀螺領(lǐng)域也出現(xiàn)了嶄新的進(jìn)展，主要反映在以下3個(gè)方面：新式的激光陀螺；新的理論和算法；新的應(yīng)用領(lǐng)域。下面分別予以介紹。

新式激光陀螺陀螺發(fā)展的不同階段，都會(huì)有新式陀螺的出現(xiàn)、發(fā)展和使用。Honeywell公司的陀螺發(fā)展表格有助于更好地了解激光陀螺系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其所處的位置。

美國(guó)Honeyweu公司的抖動(dòng)激光陀螺的軟件、硬件技術(shù)已相當(dāng)成熟。新式激光陀螺的進(jìn)展雖然包括了一些關(guān)于機(jī)械抖動(dòng)激光陀螺和四頻差動(dòng)激光陀螺的技術(shù)改進(jìn)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進(jìn)展。

微型三軸激光陀螺儀是慣性測(cè)量單元中最昂貴的關(guān)鍵器件，廣泛應(yīng)用在眾多的武器系統(tǒng)中，如，聯(lián)合獨(dú)立武器(Jsow)、全球鷹無(wú)人偵察機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、烈火偵察機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、P一3合成孔徑雷達(dá)天線、P一3c反潛巡邏機(jī)改進(jìn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)航向參考備份系統(tǒng)、陀螺羅盤(pán)傳感系統(tǒng)和先進(jìn)兩棲攻擊戰(zhàn)車導(dǎo)航系統(tǒng)等。為了能夠有效地降低成本，使得微型激光陀螺儀的制造技術(shù)工程化，2000年3月，由美國(guó)常規(guī)打擊武器計(jì)劃辦公室(PMA-201)倡議，海軍航空科學(xué)技術(shù)辦公室的NAVAIR制造技術(shù)(ManTech)組織資助，研究單片電路的環(huán)形激光陀螺(mon01ithic ring laser gyr0)制造自動(dòng)化工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過(guò)美國(guó)PMA 201，0mce of Naval Research、Kea而tt GuidaIlce aIld Navigation corp．和Electm—Optics Center的聯(lián)合研制，該激光陀螺小型化工程化項(xiàng)目于2002年6月完成，生產(chǎn)的微三軸激光陀螺儀型號(hào)為T(mén)16-B 121。

據(jù)初步估算，如果T16-b的產(chǎn)量達(dá)到12000個(gè)，每套器件的成本將會(huì)節(jié)約641美元，所以，M鋤Tech的100萬(wàn)美元的投資，將會(huì)給海軍和空軍節(jié)約大約700萬(wàn)美元。為了能夠研制結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、功耗更小、使用更方便的新式激光陀螺儀器，各國(guó)科學(xué)家都在努力地發(fā)展環(huán)形半導(dǎo)體激光器。隨著環(huán)形半導(dǎo)體激光器的成熟和改進(jìn)，利用環(huán)形半導(dǎo)體激光器制造新型環(huán)形半導(dǎo)體激光陀螺已經(jīng)成為可能。日本學(xué)者試驗(yàn)的環(huán)形半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的角度測(cè)量元件能夠正常工作，并且成功進(jìn)行了微機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)半導(dǎo)體激光器件中兩組相向傳播振動(dòng)光波的頻差自檢測(cè)p o。用于試驗(yàn)的半導(dǎo)體環(huán)形激光器包括了長(zhǎng)尾激光二極管放大模塊。該半導(dǎo)體激光陀螺拍頻的信息是在半導(dǎo)體環(huán)形激光器終端進(jìn)行電壓測(cè)試獲得，從而不會(huì)損失光學(xué)環(huán)路中的能量。拍頻作為檢測(cè)旋轉(zhuǎn)速度的一個(gè)功能測(cè)量，同時(shí)，還通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)半徑來(lái)研究檢測(cè)精度對(duì)于旋轉(zhuǎn)半徑的依賴程度。試驗(yàn)證明：該半導(dǎo)體激光系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)靈敏度特性和鯽瑚效應(yīng)的理論預(yù)測(cè)吻合很好，這表明半導(dǎo)體環(huán)形激光器可以用來(lái)作為光學(xué)陀螺使用。此外,試驗(yàn)還證明:閉鎖效應(yīng)是半 導(dǎo)體激光陀螺(semiconductor ring laser gyroscope)的主要噪聲源之一。

新的理論和方法由于現(xiàn)有的先進(jìn)攔截機(jī)技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航項(xiàng)目需要更高的信號(hào)處理速度和更低的環(huán)境噪聲，這些都要求基于慣性系統(tǒng)的環(huán)形激光陀螺儀進(jìn)行初始化和處理數(shù)據(jù)時(shí)，能夠削減潛在的大量相關(guān)噪聲。當(dāng)考慮到以上要求時(shí)，現(xiàn)有的信號(hào)處理算法都沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。為了能夠給商業(yè)和軍事應(yīng)用提供一個(gè)最優(yōu)的激光陀螺儀使用備選方案，近年來(lái)，美國(guó)在充分利用激光陀螺儀的硬件資源、盡力削減激光陀螺儀的相關(guān)噪聲、設(shè)法達(dá)到激光陀螺儀的極限精度方面，做了比較多的探索、開(kāi)發(fā)和研究工作。

200l～2002年，美國(guó)佛羅里達(dá)高科技領(lǐng)域研究中，Hon—eywell公司和佛羅里達(dá)的大學(xué)進(jìn)行了合作項(xiàng)目研究。主要是研究了基于航空航天應(yīng)用的環(huán)形激光陀螺系統(tǒng)實(shí)時(shí)自適應(yīng)削減噪聲的算法Ho和集成電路的實(shí)現(xiàn)。主要研究和實(shí)現(xiàn)方法包括最小二乘法(1east mean square，LMs)和遞歸最小方差(recursive least square)等算法在內(nèi)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)濾波器，能夠評(píng)估系統(tǒng)的一些均衡性能，如，收斂速率、削減相關(guān)噪聲效率、組織的復(fù)雜性和計(jì)算效率等。該項(xiàng)目的實(shí)施，還有一個(gè)重要的意義，就是進(jìn)行把激光陀螺的整體精度提高到其理論所能達(dá)到的極限精度的嘗試。

在從新的角度認(rèn)識(shí)和分析激光陀螺方面，俄羅斯學(xué)者提出了一種新的概念來(lái)對(duì)激光陀螺的特性和相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行解釋。他們提出的概念是：光動(dòng)力學(xué)，即當(dāng)具有線動(dòng)量或者角動(dòng)量的光和外力或慣性系統(tǒng)的力動(dòng)量相互作用時(shí)候，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間和維數(shù)不發(fā)生改變。關(guān)于激光陀螺的許多現(xiàn)象都可以用這個(gè)新發(fā)展的理論來(lái)解釋。它從新的角度界定了激光陀螺旋轉(zhuǎn)角度的最小量；從新的角度解釋了激光陀螺刻度因子的附加衰減原因。根據(jù)光動(dòng)力學(xué)理論，激光陀螺存在的鎖區(qū)，其實(shí)是激光陀螺諧振腔中激光力動(dòng)量精度的一個(gè)反映。根據(jù)這個(gè)全新的概念，不僅能夠定義激光陀螺回轉(zhuǎn)儀常量，而且還構(gòu)想出了自主激光加速度計(jì)的概念。

在對(duì)于激光陀螺慣性系統(tǒng)的建模改進(jìn)和數(shù)據(jù)分析方面，加拿大的學(xué)者利用先進(jìn)的小波理論(wavelet)、自回歸(autoregressive)模型和自相關(guān)序列等技術(shù)，全面分析了一些具有代表性的慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)一包括兩種激光陀螺(the LTN90-100和HGl700)數(shù)據(jù)在內(nèi)，重新建立了針對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的模型。對(duì)比傳統(tǒng)捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)的方法表明：該種方法能夠有效地提高激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。由于高精度激光陀螺的價(jià)格比較昂貴，并且被政府支配和限定，所以，高精度的激光陀螺的獲得和使用受到很大的限制，為了能夠充分利用精度較低的激光陀螺，各種信息融合的方法和技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。例如：發(fā)展了低成本的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并且利用新的標(biāo)定方法以及改進(jìn)的卡爾曼濾波方法，提高了導(dǎo)航系統(tǒng)精度；在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈精度的級(jí)別上，注重實(shí)時(shí)自適應(yīng)的定位和導(dǎo)航方法和技術(shù)的使用等

新的應(yīng)用領(lǐng)域典型的陀螺慣性測(cè)量單元(inenial measureInent unit)，包括三軸陀螺、三軸加速度計(jì)。在商業(yè)用途方面，高精度的光學(xué)陀螺儀在航空導(dǎo)航領(lǐng)域得到應(yīng)用。RLS是應(yīng)用于商業(yè)飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要光學(xué)陀螺儀。戰(zhàn)略級(jí)別、高性能的機(jī)械陀螺對(duì)于當(dāng)前的戰(zhàn)術(shù)級(jí)別的導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)太昂貴了。因此，導(dǎo)航級(jí)別的光學(xué)陀螺被很好地應(yīng)用到了中程到遠(yuǎn)程的武器系統(tǒng)和地面車輛導(dǎo)航系統(tǒng)。精度在1 852h的RIC已在大量的高性能領(lǐng)域中替代了傳統(tǒng)意義上的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺儀。而可能主導(dǎo)中高精度領(lǐng)域的光纖陀螺F0lG和GPS輔助系統(tǒng)，正在高精度軍用和商業(yè)領(lǐng)域和激光陀螺做激烈的爭(zhēng)奪。

由于激光陀螺具有的優(yōu)良特性，除了以上傳統(tǒng)的三軸激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其所應(yīng)用的空間和地面領(lǐng)域外，激光陀螺還被推廣應(yīng)用到其它方面。非完整慣性測(cè)量單元的出現(xiàn)，拓寬了激光陀螺的使用范圍和功能。非完整組合模式包括多種，如，2個(gè)激光陀螺和3個(gè)加表，1個(gè)激光陀螺和2個(gè)加表、1個(gè)激光陀螺和3個(gè)加表等。把激光陀螺的多種非完整系統(tǒng)應(yīng)用于車載的導(dǎo)航系統(tǒng)中，既能夠根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的誤差和精度需要，選擇不同模式有效地測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的各種參數(shù)，又能夠減少激光陀螺的使用數(shù)量，降低測(cè)量系統(tǒng)的成本、功耗和體積，充分利用激光陀螺資源。這種地面載體的典型應(yīng)用系統(tǒng)有火車軌道參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、地球同步衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)等。在發(fā)展新一代的洲際彈道導(dǎo)彈(intercontinental ballisticmissile)和發(fā)展新一代擴(kuò)大空間活動(dòng)能力的空間運(yùn)載火箭
(space launch vehicle)方面，激光陀螺也是其導(dǎo)航系統(tǒng)的首選。在充分綜合考慮了性能、成本、技術(shù)水平和相關(guān)的指標(biāo)后，2002年，美國(guó)調(diào)研設(shè)計(jì)四級(jí)的SLV，其首選導(dǎo)航設(shè)備是Honeywell的高精度環(huán)形激光陀螺系統(tǒng)，其平均故障間隔時(shí)問(wèn)長(zhǎng)達(dá)到20000h，并且綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光纖陀螺和微機(jī)械陀螺。除了空間運(yùn)載火箭和衛(wèi)星上應(yīng)用激光陀螺以外，激光陀螺還被應(yīng)用于深水自動(dòng)機(jī)器人等領(lǐng)域。在地震的分析和探測(cè)中，國(guó)外學(xué)者也充分地利用了環(huán)形激光陀螺儀器。他們利用環(huán)形激光陀螺進(jìn)行地震探測(cè)中的自回歸分析。主要利用單軸的環(huán)形激光陀螺對(duì)于地震波數(shù)據(jù)的探測(cè)、分析和測(cè)試，并且利用環(huán)形激光陀螺捕獲記錄的地震P波和s波信息，然后，利用二階自回歸AR2模型來(lái)分析地震波數(shù)據(jù)，從而得到了一些有意義的結(jié)果和結(jié)論。

環(huán)形激光陀螺還被用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的形變情況。通過(guò)在船舶的不同位置安裝環(huán)形激光陀螺模塊，搜集載體的相關(guān)信息，采用測(cè)量船舶變形的分析方法，通過(guò)卡爾曼濾波器處理這些模塊輸出信號(hào)來(lái)估計(jì)載體的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)形變量。計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體形變量的計(jì)算過(guò)程中，陀螺漂移影響的考慮使得算法的數(shù)學(xué)模型更為精確。

由于激光陀螺系統(tǒng)具有較高的精度和優(yōu)良的特性，所以，除了把激光陀螺作為器件使用以外，激光陀螺系統(tǒng)還被作為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航儀器或者方向羅盤(pán)使用，去標(biāo)定或者分析其它導(dǎo)航系統(tǒng)的精度情況。比如：一個(gè)新型的僅僅包括加速度計(jì)和磁航向傳感器的步行者系統(tǒng)中，就使用到了激光陀螺儀器作為標(biāo)準(zhǔn)的參考系統(tǒng)。把加速度計(jì)固定在步行者的腳上配合磁傳感器，感受腳的姿態(tài)、振動(dòng)和方向，從而更精確地計(jì)算出步行者的步長(zhǎng)大小和步行的方向，同時(shí)，使用了激光陀螺組合導(dǎo)航系統(tǒng)作為該系統(tǒng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行考核和測(cè)試。激光陀螺系統(tǒng)用作其它導(dǎo)航系統(tǒng)的參考標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，標(biāo)定其它系統(tǒng)的精度和效果，可以看作是高精度的激光陀螺儀導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其它導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)突出應(yīng)用。2

環(huán)形激光陀螺信號(hào)分析與處理環(huán)形激光陀螺(RLG)是基于 Sagnac 效應(yīng)的新型陀螺 ,與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn):它具有較高的穩(wěn)定性和可靠性、較大的動(dòng)態(tài)范圍、啟動(dòng)較快 。因此 , 在國(guó)外 , RLG 已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用 ,成為中等精度至高精度捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的重要部件。作為為捷聯(lián)系統(tǒng)提供信息的重要傳感器,RLG 的精度將直接影響捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。雖然使用高精度的激光陀螺能取得滿意的效果,但其成本也較高 。因而, 研究 RLG 輸出的隨機(jī)誤差, 并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要的處理, 對(duì)于構(gòu)成實(shí)際的捷聯(lián)系統(tǒng)是有重要意義的 。文獻(xiàn)3首先對(duì)RLG 的輸出信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻分析, 并采用 Allan 方差方法對(duì) RLG 的隨機(jī)誤差進(jìn)行了分析和計(jì)算 ,然后采用數(shù)字信號(hào)處理的混合濾波技術(shù)對(duì) RLG信號(hào)進(jìn)行了處理, 有效地降低了噪聲。

發(fā)展建議可以參考相關(guān)情況, 把握激光陀螺應(yīng)用開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵時(shí)刻, 根據(jù)我國(guó)國(guó)情以及國(guó)內(nèi)激光陀螺工業(yè)的現(xiàn)狀, 力爭(zhēng)迎頭趕上。以下是對(duì)國(guó)內(nèi)激光陀螺工業(yè)發(fā)展的一些建議:

(1)研究現(xiàn)有的激光陀螺成熟的產(chǎn)品, 致力于開(kāi)展難度較大技術(shù)的研究。 注重基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展和完善, 盡量延長(zhǎng)激光陀螺儀的壽命和工作穩(wěn)定性能, 鞏固和提高抖動(dòng)激光陀螺, 速率激光陀螺和四頻差動(dòng)激光陀螺的精度;

(2)提高和改善激光陀螺穩(wěn)頻電路、穩(wěn)頻電路穩(wěn)定性能以及激光陀螺本身器件的工藝。 應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)于激光陀螺的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理和優(yōu)化;

(3)通過(guò)改進(jìn)算法和改善誤差建模, 來(lái)剔除激光陀螺的誤差以及由于引入了偏頻技術(shù)而帶來(lái)的誤差, 盡量提高激光陀螺純捷聯(lián)的精度;

(4)研究和設(shè)計(jì)新的算法和組合, 使得激光陀螺和其它的導(dǎo)航設(shè)備能夠很好地實(shí)現(xiàn)信息融合, 從而改善組合導(dǎo)航的精度和實(shí)時(shí)性能;

(5)增加各個(gè)慣導(dǎo)研制單位之間的分工協(xié)作, 博采眾長(zhǎng)，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ), 從而, 最大限度地提高國(guó)內(nèi)整體水平。 增加激光陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域, 力爭(zhēng)在新的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮積極作用;

(6)關(guān)注新技術(shù)和新工藝進(jìn)展, 構(gòu)思和設(shè)計(jì)新的慣導(dǎo)組件—尤其是可以彌補(bǔ)激光陀螺鎖區(qū)的新式導(dǎo)航組件。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李嘉騫 - 博士 - 同濟(jì)大學(xué)