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激光陀螺发展历史及研究现状庄杰峰，22012315（东南大学仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096)摘要： 激光陀螺是一种基于 Sagnac 效应的光学传感器，是新一代捷联惯导系统的理想器件，在航空、航海、陆地导航、定位定向、运载火箭、导弹等方面得到了广泛运用本文对激光陀螺的发展历史和研究现状做出了一定论述，并对激光陀螺中的几个关键参数进行了初步探讨关键词：激光陀螺，Sagnac 效应，发展历史，研究现状，关键参数1 引言 （一级标题，四号宋体）激光于 1960 年在世界上首次出现美国斯佩里公司于 1963 年首先做出了激光陀螺仪的实验装置1966 年,美国霍尼威尔公司开始使用石英作腔体,并研究出交变机械抖动偏频法,使这项技术有了实用的可能经过 30 多年的发展和完善,目前,激光陀螺捷联惯导系统在军用、民用方面被广泛应用在中高精度惯导系统中占有相当大的市场激光陀螺以其独特的优点和性能在新兴的固态陀螺领域处于非常重要的地位,对现代的导航系统发展和进步起着不可替代的作用在陀螺技术进展过程中[1],动力调谐陀螺(DTG)已经淘汰,高精度的应用领域中,激光陀螺一直占据着主导位置虽然科技进步将会使得光纤陀螺(FOG)和微机械陀螺(MEMS)精度会越来越高,但是,目前已经成熟的激光陀螺系统在今后相当长的一段时期内仍将保持其突出的优势,在各种应用领域中处于重要的地位。

2 激光陀螺发展历史1913 年，法国科学家 Sagnac 进行了环形光路中外界转动引起干涉条纹变化的实验，并从理论上对此现象进行了解释，提出了著名的 Sagnac 效应但是，随后很长一段时间里，由于没有合适的光源，Sagnac 效应的研究基本上没有任何进展直到 1960 年，激光在世界上首次出现，激光陀螺作为激光技术的一个重要应用领域成为世界各国研究的热点1961 年，美国科学家 C.V.Heer 在美国物理学会上发表了世界上第一篇有关激光陀螺的报道他介绍了采用测量环形激光谐振腔内运转的正反两束激光之间的频率差来感知外界输入角速率的变化[2]随后，美国斯佩里公司于 1963 年首先做出了激光陀螺仪的实验装置1966 年，美国霍尼威尔公司开始使用石英作腔体，并研究出交变机械抖动偏频法，使这项技术有了实用的可能经过 40 多年的发展和完善，目前，激光陀螺捷联惯导系统已广泛应用于军用和民用方面在我国，二频机抖激光陀螺技术也已基本成熟，将作为未来信息化武器装备的关键器件3 激光陀螺关键参数激光陀螺仪的主要关键技术是对漂移、噪声和闭锁阈值的处理和解决,国外的成熟的激光陀螺技术都是从不断解决以上问题的过程中逐步完善和发展起来的。

（1）漂移：激光陀螺仪的漂移表现为零点偏置的不稳定度,主要误差来源是氦氖等离子在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上 （2）噪声：噪声主要来自 2 个方面:一是激光介质的自发发射,这是激光陀螺仪噪声的量子极限;二是目前多数激光陀螺仪采用的抖动偏频技术,造成输入信号的漏失,并导致输出信号相位角的随机变化 （3）闭锁阈值：闭锁阈值将影响到激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度闭锁阈值取决于谐振光路中的损耗,主要是反射镜的损耗减小锁区或消除锁区对于激光陀螺使用的影响是发展多种偏频技术的指导思想偏频技术主要包括如下:恒速偏频技术、交变偏频技术和四频差动技术下图反映了激光陀螺的不同分类方法和类型目前,实现的激光陀螺中,应用最为成熟和广泛的是抖动偏频激光陀螺全固态零锁区无机械运动结构的四频差动激光陀螺是最为理想的激光陀螺发展方向,但是,由于四频差动陀螺谐振腔内元件较多、磁光元件对磁屏蔽要求较高、器件损耗比较大等因素,使得陀螺漂移误差比较明显,实现起来比较困难四频差动陀螺中较新提出的自偏频激光陀螺,理论上可以实现理想的四频差动激光陀螺,但是,由于这种谐振腔体很难稳定工作,所以,实现起来极其困难。

但总体来说,四频差动陀螺展示了激光陀螺技术的发展潜力,该技术在一定程度上将取代机械抖动偏频激光陀螺技术4 激光陀螺发展现状随着科学技术的进步和工艺水平的提高,环形激光陀螺领域也出现了崭新的进展,主要反映在以下 3 个方面:新式的激光陀螺;新的理论和算法;新的应用领域4.1 新式的激光陀螺近几年,新式激光陀螺的进展虽然包括了一些关于机械抖动激光陀螺和四频差动激光陀螺的技术改进方面的研究,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进展在众多激光陀螺的研究机构中，美国Honeywell 公司的抖动激光陀螺的软件、硬件技术已相当成熟，一定程度上可以视作激光陀螺的代表下表体现了 Honeywell 公司在激光陀螺研制上的发展近况为了能够有效地降低成本,使得微型激光陀螺仪的制造技术工程化,2000 年 3 月,由美国常规打击武器计划办公室(PMA-201)倡议,海军航空科学技术办公室的 NAVAIR 制造技术(ManTech)组织资助,研究单片电路的环形激光陀螺(monolithic ring laser gyro)制造自动化工程实现技术为了能够研制结构更简单、功耗更小、使用更方便的新式激光陀螺仪器,各国科学家都在努力地发展环形半导体激光器。

随着环形半导体激光器的成熟和改进,利用环形半导体激光器制造新型环形半导体激光陀螺已经成为可能日本学者试验的环形半导体激光器构成的角度测量元件能够正常工作,并且成功进行了微机械转动半导体激光器件中两组相向传播振动光波的频差自检测用于试验的半导体环形激光器包括了长尾激光二极管放大模块该半导体激光陀螺拍频的信息是在半导体环形激光器终端进行电压测试获得,从而不会损失光学环路中的能量拍频作为检测旋转速度的一个功能测量,同时,还通过改变旋转半径来研究检测精度对于旋转半径的依赖程度试验证明:该半导体激光系统标准检测灵敏度特性和 Sagnac 效应的理论预测吻合很好,这表明半导体环形激光器可以用来作为光学陀螺使用此外,试验还证明:闭锁效应是半导体激光陀螺(semiconductor ring laser gyroscope)的主要噪声源之一4.2 新的理论和算法由于应用的要求，噪声的削减成为激光陀螺研究中一个重要的课题近年来,美国在充分利用激光陀螺仪的硬件资源、尽力削减激光陀螺仪的相关噪声、设法达到激光陀螺仪的极限精度方面,做了比较多的探索、开发和研究工作2001~2002 年,美国佛罗里达高科技领域研究中,Honeywell 公司和佛罗里达的大学进行了合作项目研究。

主要是研究了基于航空航天应用的环形激光陀螺系统实时自适应削减噪声的算法和集成电路的实现主要研究和实现方法包括最小二乘法(least mean square,LMS)和递归最小方差(recursive least square)等算法在内的实时自适应滤波器,能够评估系统的一些均衡性能,如,收敛速率、削减相关噪声效率、组织的复杂性和计算效率等该项目的实施,还有一个重要的意义,就是进行把激光陀螺的整体精度提高到其理论所能达到的极限精度的尝试此外，俄罗斯学者提出了一种新的概念来对激光陀螺的特性和相关问题进行解释他们提出的概念是:光动力学,即当具有线动量或者角动量的光和外力或惯性系统的力动量相互作用时候,运动系统的时间和维数不发生改变关于激光陀螺的许多现象都可以用这个新发展的理论来解释它从新的角度界定了激光陀螺旋转角度的最小量;从新的角度解释了激光陀螺刻度因子的附加衰减原因另外，加拿大的学者利用先进的小波理论(wavelet)、自回归(autoregressive)模型和自相关序列等技术,全面分析了一些具有代表性的惯导系统数据—包括两种激光陀螺(the LTN90-100 和HG1700)数据在内,重新建立了针对捷联惯导系统的模型。

对比传统捷联导航系统的方法表明：该种方法能够有效地提高激光陀螺导航系统的精度由于高精度激光陀螺的价格比较昂贵,并且被政府支配和限定,所以,高精度的激光陀螺的获得和使用受到很大的限制,为了能够充分利用精度较低的激光陀螺,各种信息融合的方法和技术就应运而生了例如:发展了低成本的组合导航系统,并且利用新的标定方法以及改进的卡尔曼滤波方法,提高了导航系统精度；在战术导弹精度的级别上，注重实时自适应的定位和导航方法和技术的使用等4.3 新的应用领域典型的陀螺惯性测量单元,包括三轴陀螺、三轴加速度计在商业用途方面,高精度的光学陀螺仪在航空导航领域得到应用RLS 是应用于商业飞机导航系统的主要光学陀螺仪导航级别的光学陀螺被很好地应用到了中程到远程的武器系统和地面车辆导航系统精度在 1 852 m/h 的 RLG 已在大量的高性能领域中替代了传统意义上的机械转子陀螺仪而可能主导中高精度领域的光纤陀螺 FOG 和 GPS 辅助系统,正在高精度军用和商业领域和激光陀螺做激烈的争夺非完整惯性测量单元的出现,拓宽了激光陀螺的使用范围和功能非完整组合模式包括多种,如,2 个激光陀螺和 3 个加表,1 个激光陀螺和 2 个加表、1 个激光陀螺和 3 个加表等。

把激光陀螺的多种非完整系统应用于车载的导航系统中,既能够根据实际系统的误差和精度需要,选择不同模式有效地测量运动载体的各种参数,又能够减少激光陀螺的使用数量,降低测量系统的成本、功耗和体积,充分利用激光陀螺资源这种地面载体的典型应用系统有火车轨道参数测量系统、地球同步卫星跟踪系统等在地震的分析和探测中,国外学者也充分地利用了环形激光陀螺仪器他们利用环形激光陀螺进行地震探测中的自回归分析主要利用单轴的环形激光陀螺对于地震波数据的探测、分析和测试,并且利用环形激光陀螺捕获记录的地震 P 波和 S 波信息,然后,利用二阶自回归AR2 模型来分析地震波数据,从而得到了一些有意义的结果和结论环形激光陀螺还被用来测量运动物体的形变情况通过在船舶的不同位置安装环形激光陀螺模块,搜集载体的相关信息,采用测量船舶变形的分析方法,通过卡尔曼滤波器处理这些模块输出信号来估计载体的动态和静态形变量计算运动物体形变量的计算过程中,陀螺漂移影响的考虑使得算法的数学模型更为精确由于激光陀螺系统具有较高的精度和优良的特性,所以,除了把激光陀螺作为器件使用以外,激光陀螺系统还被作为标准导航仪器或者方向罗盘使用,去标定或者分析其它导航系统的精度情况。

比如:一个新型的仅仅包括加速度计和磁航向传感器的步行者系统中,就使用到了激光陀螺仪器作为标准的参考系统把加速度计固定在步行者的脚上配合磁传感器,感受脚的姿态、振动和方向,从而更精确地计算出步行者的步长大小和步行的方向,同时,使用了激光陀螺组合导航统作为该系统的参考标准],对该系统进行考核和测试激光陀螺系统用作其它导航系统的参考标准系统,标定其它系统的精度和效果,可以看作是高精度的激光陀螺仪导航系统区别于其它导航系统的一个突出应用5 结束语本文对激光陀螺的原理，历史发展，关键参数，研究现状等进行了初步的探讨，尽管微机械陀螺和光纤陀螺随着科技的进步精度将会越变越高，但是由于激光陀螺的优势，已经相对发展成熟的现状，在今后相当长的一段时间内激光陀螺仍将在惯性器件和相关系统中占有一席之地此外，对于激光陀螺的未来发展方向，也给出几点建议：（1）研究现有的激光陀螺成熟的产品,致力于开展难度较大技术的研究 （2）提高和改善激光陀螺稳频电路、稳频电路稳定性能以及激光陀螺本身器件的工艺 （3）通过改进算法和改善误差建模，来剔除激光陀螺的误差以及由于引入了偏频技术而带来的误差，尽量提高激光陀螺捷联的精度， （4）研究新的算法和组合，使得激光陀螺和其他的导航设备能够很好的实现信息融合，从而改善组合导航的精度和实时性能。

（5）增加各个惯导研制单位的分工协作，取长补短，优势互补 （6）关注新技术和新工艺进展，构思和设计新的惯导组建，尤其是可以弥补激光陀螺锁区的新式导航组件……..参考文献 [1]魏建仓，机抖。