[科普中國]-環(huán)式激光陀螺

環(huán)式激光陀螺 （縮寫為RLG）包括一個環(huán)式激光儀，在同一光路中反向傳播同一光源輸出的激光，通過薩格納克效應(yīng)來檢測外界環(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)的進展主要可以概況為三個方面:激光陀螺研制技術(shù)的進步;對激光陀螺系統(tǒng)研究方法的深入和激光陀螺應(yīng)用領(lǐng)域的擴展。 激光陀螺發(fā)展的最新動態(tài), 對國內(nèi)激光陀螺工業(yè)有重要的參考價值, 將有助于提高我國環(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)。美國斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺儀的實驗裝置。1966年，美國霍尼威爾公司開始使用石英作腔體，并研究出交變機械抖動偏頻法，使這項技術(shù)有了實用的可能。經(jīng)過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，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)。

激光陀螺以其獨特的優(yōu)點和性能在新興的固態(tài)陀螺領(lǐng)域處于非常重要的地位，對現(xiàn)代的導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和進步起著不可替代的作用。在陀螺技術(shù)進展過程中…，動力調(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。雖然科技進步將會使得光纖陀螺(FOG)和微機械陀螺(MEMs)精度會越來越高，但是，已經(jīng)成熟的激光陀螺系統(tǒng)在今后相當(dāng)長的一段時期內(nèi)仍將保持其突出的優(yōu)勢，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中處于重要的地位。

簡介1963年美國的Macek與Davis首次進行了環(huán)式激光陀螺的實驗。全世界不同的機構(gòu)隨后進一步研制環(huán)式激光技術(shù)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中數(shù)以萬計的環(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，平均故障間隔超過60,000小時。

環(huán)式激光器的工作模式。

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

環(huán)式激光陀螺廣泛應(yīng)用于軍機、民航飛機、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)的進展主要可以概況為三個方面：激光陀螺研制技術(shù)的進步；對激光陀螺系統(tǒng)研究方法的深入和激光陀螺應(yīng)用領(lǐng)域的擴展6激光陀螺發(fā)展的最新動態(tài)，對國內(nèi)激光陀螺工業(yè)有重要的參考價值。

發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的進步和工藝水平的提高，環(huán)形激光陀螺領(lǐng)域也出現(xiàn)了嶄新的進展，主要反映在以下3個方面：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Honeyweu公司的抖動激光陀螺的軟件、硬件技術(shù)已相當(dāng)成熟。新式激光陀螺的進展雖然包括了一些關(guān)于機械抖動激光陀螺和四頻差動激光陀螺的技術(shù)改進方面的研究，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展。

微型三軸激光陀螺儀是慣性測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)合獨立武器(Jsow)、全球鷹無人偵察機導(dǎo)航系統(tǒng)、烈火偵察機導(dǎo)航系統(tǒng)、P一3合成孔徑雷達天線、P一3c反潛巡邏機改進系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)航向參考備份系統(tǒng)、陀螺羅盤傳感系統(tǒng)和先進兩棲攻擊戰(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，由美國常規(guī)打擊武器計劃辦公室(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)制造自動化工程實現(xiàn)技術(shù)。通過美國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目于2002年6月完成，生產(chǎn)的微三軸激光陀螺儀型號為T16-B 121。

據(jù)初步估算，如果T16-b的產(chǎn)量達到12000個，每套器件的成本將會節(jié)約641美元，所以，M鋤Tech的100萬美元的投資，將會給海軍和空軍節(jié)約大約700萬美元。為了能夠研制結(jié)構(gòu)更簡單、功耗更小、使用更方便的新式激光陀螺儀器，各國科學(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，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)者試驗的環(huán)形半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的角度測量元件能夠正常工作，并且成功進行了微機械轉(zhuǎn)動半導(dǎo)體激光器件中兩組相向傳播振動光波的頻差自檢測p o。用于試驗的半導(dǎo)體環(huán)形激光器包括了長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)形激光器終端進行電壓測試獲得，從而不會損失光學(xué)環(huán)路中的能量。拍頻作為檢測旋轉(zhuǎn)速度的一個功能測量，同時，還通過改變旋轉(zhuǎn)半徑來研究檢測精度對于旋轉(zhuǎn)半徑的依賴程度。試驗證明：該半導(dǎo)體激光系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)檢測靈敏度特性和鯽瑚效應(yīng)的理論預(yù)測吻合很好，這表明半導(dǎo)體環(huán)形激光器可以用來作為光學(xué)陀螺使用。此外,試驗還證明: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)有的先進攔截機技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航項目需要更高的信號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)形激光陀螺儀進行初始化和處理數(shù)據(jù)時，能夠削減潛在的大量相關(guān)噪聲。當(dāng)考慮到以上要求時，現(xiàn)有的信號處理算法都沒有達到最優(yōu)狀態(tài)。為了能夠給商業(yè)和軍事應(yīng)用提供一個最優(yōu)的激光陀螺儀使用備選方案，近年來，美國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)法達到激光陀螺儀的極限精度方面，做了比較多的探索、開發(fā)和研究工作。

200l～2002年，美國佛羅里達高科技領(lǐng)域研究中，Hon—eywell公司和佛羅里達的大學(xué)進行了合作項目研究。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)實時自適應(yīng)削減噪聲的算法Ho和集成電路的實現(xiàn)。主要研究和實現(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)的實時自適應(yīng)濾波器，能夠評估系統(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)雜性和計算效率等。該項目的實施，還有一個重要的意義，就是進行把激光陀螺的整體精度提高到其理論所能達到的極限精度的嘗試。

在從新的角度認(rèn)識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對激光陀螺的特性和相關(guān)問題進行解釋。他們提出的概念是：光動力學(xué)，即當(dāng)具有線動量或者角動量的光和外力或慣性系統(tǒng)的力動量相互作用時候，運動系統(tǒng)的時間和維數(shù)不發(fā)生改變。關(guān)于激光陀螺的許多現(xiàn)象都可以用這個新發(fā)展的理論來解釋。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)光動力學(xué)理論，激光陀螺存在的鎖區(qū)，其實是激光陀螺諧振腔中激光力動量精度的一個反映。根據(jù)這個全新的概念，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的概念。

在對于激光陀螺慣性系統(tǒng)的建模改進和數(shù)據(jù)分析方面，加拿大的學(xué)者利用先進的小波理論(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)，重新建立了針對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的模型。對比傳統(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)彈精度的級別上，注重實時自適應(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量單元(inenial measureInent unit)，包括三軸陀螺、三軸加速度計。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)飛機導(dǎo)航系統(tǒng)的主要光學(xué)陀螺儀。戰(zhàn)略級別、高性能的機械陀螺對于當(dāng)前的戰(zhàn)術(shù)級別的導(dǎo)彈來說太昂貴了。因此，導(dǎo)航級別的光學(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個激光陀螺和3個加表，1個激光陀螺和2個加表、1個激光陀螺和3個加表等。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)實際系統(tǒng)的誤差和精度需要，選擇不同模式有效地測量運動載體的各種參數(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)展新一代擴大空間活動能力的空間運載火箭
(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，美國調(diào)研設(shè)計四級的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)，其平均故障間隔時問長達到20000h，并且綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光纖陀螺和微機械陀螺。除了空間運載火箭和衛(wèi)星上應(yīng)用激光陀螺以外，激光陀螺還被應(yīng)用于深水自動機器人等領(lǐng)域。在地震的分析和探測中，國外學(xué)者也充分地利用了環(huán)形激光陀螺儀器。他們利用環(huán)形激光陀螺進行地震探測中的自回歸分析。主要利用單軸的環(huán)形激光陀螺對于地震波數(shù)據(jù)的探測、分析和測試，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測量運動物體的形變情況。通過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，采用測量船舶變形的分析方法，通過卡爾曼濾波器處理這些模塊輸出信號來估計載體的動態(tài)和靜態(tài)形變量。計算運動物體形變量的計算過程中，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：一個新型的僅僅包括加速度計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)。把加速度計固定在步行者的腳上配合磁傳感器，感受腳的姿態(tài)、振動和方向，從而更精確地計算出步行者的步長大小和步行的方向，同時，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)，對該系統(tǒng)進行考核和測試。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)的一個突出應(yīng)用。2

環(huán)形激光陀螺信號分析與處理環(huán)形激光陀螺(RLG)是基于 Sagnac 效應(yīng)的新型陀螺 ,與傳統(tǒng)的機械陀螺相比有許多突出的優(yōu)點:它具有較高的穩(wěn)定性和可靠性、較大的動態(tài)范圍、啟動較快 。因此 , 在國外 , 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 輸出的隨機誤差, 并根據(jù)實際情況進行必要的處理, 對于構(gòu)成實際的捷聯(lián)系統(tǒng)是有重要意義的 。文獻3首先對RLG 的輸出信號進行了時頻分析, 并采用 Allan 方差方法對 RLG 的隨機誤差進行了分析和計算 ,然后采用數(shù)字信號處理的混合濾波技術(shù)對 RLG信號進行了處理, 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)用開發(fā)的關(guān)鍵時刻, 根據(jù)我國國情以及國內(nèi)激光陀螺工業(yè)的現(xiàn)狀, 力爭迎頭趕上。以下是對國內(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, 盡量延長激光陀螺儀的壽命和工作穩(wěn)定性能, 鞏固和提高抖動激光陀螺, 速率激光陀螺和四頻差動激光陀螺的精度;

(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)用信號處理技術(shù)對于激光陀螺的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)先處理和優(yōu)化;

(3)通過改進算法和改善誤差建模, 來剔除激光陀螺的誤差以及由于引入了偏頻技術(shù)而帶來的誤差, 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)備能夠很好地實現(xiàn)信息融合, 從而改善組合導(dǎo)航的精度和實時性能;

(5)增加各個慣導(dǎo)研制單位之間的分工協(xié)作, 博采眾長，達到優(yōu)勢互補, 從而, 最大限度地提高國內(nèi)整體水平。 增加激光陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域, 力爭在新的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮積極作用;

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

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李嘉騫 - 博士 - 同濟大學(xué)