[科普中國]-激光陀螺儀

陀螺儀分類

一般把陀螺儀分為激光陀螺、光纖陀螺、微機(jī)械陀螺和壓電陀螺，這些都是屬于電子式的，可跟GPS、磁阻芯片以及加速度計(jì)一起制造成為慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

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。

也就是說當(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，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。1976年等提出了現(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，工作可靠等等優(yōu)點(diǎn)，所以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。

激光陀螺儀國外概況美國斯佩里公司于1963 年首次做出了激光陀螺儀的實(shí)驗(yàn)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(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 年美國國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，美國空軍表示要堅(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 年美國提出了戰(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10．4 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，美國進(jìn)行了激光陀螺捷聯(lián)性能的研究（SPS）。麥克唐納·道格拉斯公司被選為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。

國外激光陀螺儀的研制單位很多，其中，美國和法國研制的水平較高，此外還有俄羅斯、德國等國家。

1.美國

美國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

輸出信號(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 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HGl500 一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

法國的激光陀螺儀和系統(tǒng)技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)力。法國SWXTANT 公司和SAGEM 公司均從70 年代開始研究激光陀螺技術(shù)，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 型激光陀螺儀首先用于“美洲虎”直升機(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”4 火箭的飛行，1990 年SEXTANT 公司在法國未來戰(zhàn)略導(dǎo)彈項(xiàng)目上中標(biāo)。

（2）SAGEM 公司

SAGEM 公司從1977 年開始研究環(huán)行激光陀螺儀。1987 年組裝了第一個(gè)樣機(jī)GLS32 型。在工藝成熟后，主要生產(chǎn)用于航空及潛水艇的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。1987 年組裝了GLC16 型樣機(jī)，主要用于直升機(jī)和小型運(yùn)載火箭的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。

激光陀螺儀原理激光陀螺儀的原理是利用光程差來測(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)出的沿順時(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，回路的周長應(yīng)為光波波長的整數(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)募す飧缮妫ㄟ^光電探測(cè)器和電路輸入與輸出角度成比例的數(shù)字信號(hào)。1

激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)激光陀螺儀的光環(huán)路實(shí)際上是一種光學(xué)振蕩器，按光腔形狀分有三角形陀螺和正方形陀螺，腔體結(jié)構(gòu)有組件式和整體式兩種，一般三角型激光陀螺用的最多。典型的激光陀螺的結(jié)構(gòu)是這樣的：它的底座是一塊低膨脹系數(shù)的三角形陶瓷玻璃，在其上加工出等邊三角形的光腔，陀螺儀就由這樣閉合的三角形光腔組成，三角形的邊長安裝在每個(gè)角上的輸出反射鏡，控制反射鏡和偏量反射鏡限定，在三角形的一條邊上安裝充以低壓氦氖混合氣體的等離子管。

激光陀螺儀工作原理陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量會(huì)很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)為依據(jù)，用它來保持一定的方向，制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大（也可以說是角動(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，所以設(shè)置在飛機(jī)、飛彈中的陀螺儀是靠內(nèi)部所提供的動(dòng)力，使其保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)的。

激光陀螺儀的特點(diǎn)激光陀螺儀沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件，沒有角動(dòng)量，也不需要方向環(huán)框架，框架伺服機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸承，導(dǎo)電環(huán)及力矩器和角度傳感器等活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單，工作壽命長，維修方便，可靠性高，激光陀螺儀的平均無故障工作時(shí)間已達(dá)到九萬小時(shí)以上。

激光陀螺儀的動(dòng)態(tài)范圍很寬，測(cè)得速率為±1500度每秒，最小敏感角速度小于±0.001度每小時(shí)一下，分辨率為/弧度秒數(shù)量級(jí)，用固有的數(shù)字增量輸出載體的角度和角速度信息，無需精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，很容易轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，方便與計(jì)算機(jī)接口，適合捷聯(lián)式系統(tǒng)使用。

激光陀螺儀的工作溫度范圍很寬（從-55℃~﹢95℃），無需加溫，啟動(dòng)過程時(shí)間短，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間快，接通電源零點(diǎn)幾秒就可以投入正常工作。達(dá)到0.5度每小時(shí)的精度，只需50毫秒時(shí)間，對(duì)武器系統(tǒng)的制導(dǎo)來說，是十分寶貴的。

激光陀螺儀沒有活動(dòng)部件，不存在質(zhì)量不平衡問題，所以對(duì)載體的震動(dòng)及沖擊加速度都不敏感，對(duì)重力加速度的敏感度也可忽略不計(jì)，因而無需不平衡補(bǔ)償系統(tǒng)，輸出信號(hào)沒有交叉耦合項(xiàng)，精度高，偏值小于0.001度每小時(shí)，隨機(jī)漂移小于0.001度每小時(shí)，長期精度穩(wěn)定性好，在9年內(nèi)輸出沒有任何變化，重復(fù)性極好。

激光陀螺儀沒有精密零件，組成陀螺的零件品種和數(shù)量少，機(jī)械加工較少，易于批量生產(chǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)，成本是常規(guī)陀螺的三分之一左右。

激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)原理為噪聲、漂移和閉鎖閾值

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)相位角的隨機(jī)變化。

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。

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)展起來的新型導(dǎo)航儀器，成為新一代捷聯(lián)式慣性導(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。

激光陀螺三軸慣測(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 1×10-4g ；光纖陀螺精度（漂移穩(wěn)定性）≤1°/h ；標(biāo)度固形線性度≤5×10-4 。

激光于1960 年在世界上首次出現(xiàn)。1962 年，美、英、法、前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)開始醞釀研制用激光來作為方位測(cè)向器，稱之為激光陀螺儀。

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)。

用途陀螺儀通常裝置在除了要定出東西南北方向，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。另一方面，陀螺儀也比傳統(tǒng)羅盤方便，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；另一方面，在兩極也會(huì)因?yàn)榈乩肀睒O跟地磁北極的不同而出現(xiàn)很大偏差，所以航空、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。

影響作為飛行器慣導(dǎo)系統(tǒng)核心的慣性器件，在國防科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中占有十分重要的地位。激光陀螺儀花費(fèi)了很長時(shí)間和大量投資解決了閉鎖問題，直到80 年代初才研制出飛機(jī)導(dǎo)航級(jí)儀表，此后就迅速應(yīng)用于飛機(jī)和直升機(jī)，取代了動(dòng)力調(diào)諧陀螺和積分機(jī)械陀螺儀。已廣泛用于導(dǎo)航、雷達(dá)和制導(dǎo)等領(lǐng)域。