激光陀螺儀

　　激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度( Sagnac 效應(yīng))。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時針方向和反時針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉(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)有一個或幾個裝有混合氣體(氦氖氣體)的管子，兩個不透明的反射和一個半透明鏡。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^光電探測器和電路輸入與輸出角度成比例的數(shù)字信號。

圖1 環(huán)形激光器

　　相比于傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺儀，激光陀螺儀的主要優(yōu)點(diǎn)有：

　　(1)可靠性高，壽命長；

　　(2)啟動速度快；

　　(3)動態(tài)范圍大；

　　(4)比例因子線性度好；

　　(5)抗振動沖擊性能好；

　　(6)體積小、重量輕、功耗低；

　　(7)數(shù)字量輸出；

　　(8)無交叉耦合效應(yīng)；

　　(9)對加速度不敏感。

　　這些特點(diǎn)使它特別適用于構(gòu)建捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

01慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)、姿態(tài)測量與控制

　　激光陀螺儀最重要的應(yīng)用是慣性測量如慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)、姿態(tài)測量與控制。慣性導(dǎo)航是一種自主的導(dǎo)航技術(shù)，它不需要外界信息即可實現(xiàn)導(dǎo)航，因此具有隱蔽性好、不受外界干擾等優(yōu)點(diǎn)，在軍事場合具有重要的價值。機(jī)載合成孔徑雷達(dá)和紅外傳感器、艦載衛(wèi)星通信天線、星載紅外傳感器和攝像機(jī)等需要精確的傳感器姿態(tài)信息來對傳感器的運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)償或者對傳感器的姿態(tài)進(jìn)行控制。

　　在航空上，陀螺儀用來測量飛機(jī)的姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角、航向角)和角速度，以它為核心構(gòu)成的慣導(dǎo)系統(tǒng)可以為飛機(jī)提供姿態(tài)、航向、速度和位置，即導(dǎo)航所需的所有參量，因此被稱為飛機(jī)上的中心信息源。目前大多數(shù)西方的軍用和民用飛機(jī)都采用激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，如F-22、F-35、SU-30等戰(zhàn)機(jī)以及B747、A320等民航機(jī)。

　　在航海上，陀螺儀早已成為航海的重要導(dǎo)航儀器。航海慣導(dǎo)能夠為艦船提供位置、姿態(tài)、速度等數(shù)據(jù)，不僅可用于艦船自身的導(dǎo)航，還可為艦載武器提供方位基準(zhǔn)或穩(wěn)定平臺。Sperry公司的MK39系列激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)已被超過24個國家的海軍用于各種艦船平臺，MK-49 激光陀螺導(dǎo)航儀已成為北約12個國家的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，AN/WSN-7系列激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)是美國海軍水面艦船和潛艇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，并在2001就已完成全部航母換裝此系統(tǒng)的工作。

　　在地面上，坦克、火炮等常規(guī)兵器的機(jī)動能力和運(yùn)動中攻擊能力對保存自己、打擊敵人極為重要，這就要求它們具有定位定向和導(dǎo)航能力。1989年開始使用的H-726型激光陀螺美軍標(biāo)準(zhǔn)地面導(dǎo)航系統(tǒng)，就已用在“帕拉丁”自行榴彈炮、瑞典的BKAN1A和FH-77B型榴彈炮，各種精密測量偵察車和布雷德利戰(zhàn)車等裝備上。

02動態(tài)測角

　　角度測量是幾何量計量技術(shù)的重要組成部分，激光陀螺儀可以實現(xiàn)高精度和高分辨率的動態(tài)角度測量。俄羅斯電子光學(xué)公司(Electrooptika Corp.)研制的激光陀螺測角儀可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)體的外部角度測量等，隨機(jī)誤差0.03角秒，單次測量的總誤差小于0.2角秒。激光陀螺儀測角技術(shù)除了精度和分辨率高之外，還有易于自校準(zhǔn)、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)。

03地球物理學(xué)、基礎(chǔ)物理學(xué)

　　將激光陀螺安裝在望遠(yuǎn)鏡上可以實時提供其角坐標(biāo)，通過計算機(jī)求出實際角坐標(biāo)與目標(biāo)角坐標(biāo)之間的差值，然后對其姿態(tài)進(jìn)行控制可使之實時跟蹤目標(biāo)，精度可達(dá)亞角秒。與光學(xué)編碼器和圓感應(yīng)同步器相比，激光陀螺體積小、分辨率高，而且安裝調(diào)整非常簡單。通過增大激光陀螺的尺寸可顯著提高精度，新西蘭和德國聯(lián)合研制了超大激光陀螺，其中的UG-2型超大激光陀螺的環(huán)路面積達(dá)834 m2。用超大激光陀螺可以觀察微小的地震效應(yīng)、固體地面潮汐效應(yīng)(solid earth tides，不同于海洋潮汐效應(yīng))，還有望用來測量引力波等幾種相對論效應(yīng)。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一大缺點(diǎn)是誤差隨時間累加，采用多傳感器信息融合的組合導(dǎo)航、零速修正和旋轉(zhuǎn)調(diào)制等技術(shù)可以從一定程度上克服該問題。采用GPS、星敏感器等與慣性系統(tǒng)進(jìn)行組合，可大大提高激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，減小誤差隨時間的積累。在實時性要求不高的場合，可以采取零速修正技術(shù)，能夠?qū)⒍ㄎ痪葟募儜T性的1海里左右提高到米的量級，適用于對實時性要求不高的場合，如大地測量。采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)后，激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度能提高1到2個數(shù)量級，適合于長期導(dǎo)航。

　　激光陀螺以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在軍事、民用和科研等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。美國霍尼韋爾公司僅型號為GG-1320的激光陀螺即已生產(chǎn)了25萬只以上，且目前仍以1.7萬只每年的產(chǎn)量全速生產(chǎn)，諾斯羅普-格魯曼公司的零閉鎖激光陀螺也已生產(chǎn)了3萬只以上。盡管在價格上面臨微機(jī)電陀螺、光纖陀螺等陀螺的競爭，但在中高精度應(yīng)用領(lǐng)域，激光陀螺仍有廣闊的市場。