激光陀螺儀

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更新時間: 2013-09-26

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激光陀螺儀,一種能夠精確地確定運動物體的方位的航空儀器。它的發展對一個國家的工業,國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。

激光陀螺儀 -簡介

  現代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種,它們都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的:當光束在一個環形的通道中前進時,如果環形通道本身具有一個轉動速度,那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時,在不同的前進方向上,光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化,如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度,這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀,如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉,也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度,就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實現干涉時的光程差小,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現干涉時,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。
  自從上個世紀七十年代以來,現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。1976年等提出了現代光纖陀螺儀的基本設想,到八十年代以後,現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展,與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發展。由於光纖陀螺儀具有結構緊湊,靈敏度高,工作可*等等優點,所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀,成為現代導航儀器中的關鍵部件。和光纖陀螺儀同時發展的除了環式激光陀螺儀外,還有現代集成式的振動陀螺儀,集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度,體積更小,也是現代陀螺儀的一個重要的發展方向。
激光陀螺儀 -分類

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  現代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種,它們都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的:當光束在一個環形的通道中前進時,如果環形通道本身具有一個轉動速度,那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時,在不同的前進方向上,光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化,如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度,這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀,如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉,也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度,就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實現干涉時的光程差小,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現干涉時,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。
激光陀螺儀 -原理

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  陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉時,角動量很大,旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質,所製造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快,或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然,只要一個很小的力矩,就會嚴重影響到它的穩定性。就像前面第四頁的活動中,我們可以輕易的改變旋轉中車輪轉軸的方向一樣。所以設置在飛機、飛彈中的陀螺儀是*內部所提供的動力,使其保持高速轉動。
激光陀螺儀 -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、飛船、飛彈、人造衛星、潛艇......等等。它是航空、航海及太空導航系統中判斷方位的主要依據。這是因為在高速旋轉下,陀螺儀的轉軸穩定的指向固定方向,將此方向與飛行器的軸心比對后,就可以精確得到飛機的正確方向。羅盤不能取代陀螺儀,因為羅盤只能確定平面的方向;另方面陀螺儀也比傳統羅盤方便可*,因為傳統羅盤是利用地球磁場定向,所以會受到礦物分佈干擾,例如受到飛機的機身或船身含鐵物質的影響;另方面在兩極也會因為地理北極跟地磁北極的不同而出現很大偏差,所以目前航空、航海都已經以陀螺儀以及衛星導航系統作為定向的主要儀器。
激光陀螺儀 -激光陀螺

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原理

  激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度( Sagnac 效應)。在閉合光路中,由同
  一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉,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角速度。激光陀螺儀的基本元件是環形激光器,環形激
  光器由三角形或正方形的石英製成的閉合光路組成,內有一個或幾個裝有混合氣體(氦氖氣
  體)的管子,兩個不透明的反射鏡和一個半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發混合氣體,
  產生單色激光。為維持迴路諧振,迴路的周長應為光波波長的整數倍。用半透明鏡將激光導
  出迴路,經反射鏡使兩束相反傳輸的激光干涉,通過光電探測器和電路輸入與輸出角度成比
  例的數字信號。
  通過右邊的
激光陀螺儀

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示意圖更加容易理解。

  激光陀螺儀的結構
  激光陀螺儀的光環路實際上是一種光學振蕩器,按光腔形狀分有三角形陀螺和正方形陀螺,腔體結構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構是這樣的:它的底座是一塊低膨脹洗漱的三角形陶瓷玻璃,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。
  激光陀螺儀需要突破的主要技原理術為漂移、雜訊和閉鎖閾值。
  激光陀螺儀的特點
  激光陀螺儀沒有旋轉的轉子部件,沒有角動量,也不需要方向環框架,框架伺服機構,旋轉軸承,導電環及力矩器和角度感測器等活動部件,結構簡單,工作壽命長,維修方便,可靠性高,目前激光陀螺儀的平均無故障工作時間已達到九萬小時以上。 
  激光陀螺儀的動態範圍很寬,測得速率為±1500度每秒,最小敏感角速度小於±0.001度每小時一下,解析度為/弧度秒數量級,用固有的數字增量輸出載體的角度和角速度信息,無需精密的模數轉換器,很容易轉換成數字形式,方便與計算機介面,適合捷聯式系統使用。
  激光陀螺儀的工作溫度範圍很寬(從-55℃~﹢95℃),無需加溫,啟動過程時間短,系統反應時間快,接通電源零點幾秒就可以投入正常工作。達到0.5度每小時的精度,只需50毫秒時間,對武器系統的制導來說,是十分寶貴的。
  激光陀螺儀沒有活動部件,不存在質量不平衡問題,所以對載體的震動及衝擊加速度都不敏感,對重力加速度的敏感度也可忽略不計,因而無需不平衡補償系統,輸出信號沒有交叉耦合項,精度高,偏值小於0.001度每小時,隨機漂移小於0.001度每小時,長期精度穩定性好,在9年內輸出沒有任何變化,重複性極好。
  激光陀螺儀沒有精密零件,組成陀螺的零件品種和數量少,機械加工較少,易於批量生產和自動化生產,成本是常規陀螺的三分之一左右。
  激光陀螺儀需要突破的主要技原理術為漂移、雜訊和閉鎖閾值。
激光陀螺儀的飄移

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  激光陀螺儀的飄移表現為零點偏置的不穩定度,主要誤差來源有:諧振光路的折射係數
  具有各向異性,氦氖等離子在激光管中的流動、介質擴散的各向異性等。
激光陀螺儀的雜訊

  激光陀螺儀的雜訊表現在角速度測量上。雜訊主要來自兩個方面:一是激光介質的自發
  發射,這是激光陀螺儀雜訊的量子極限。二是機械抖動為目前多數激光陀螺儀採用的偏頻技
  術,在抖動運動變換方向時,抖動角速率較低,在短時間內,低於閉鎖閾值,將造成輸入信
  號的漏失,並導致輸出信號相位角的隨機變化。
激光陀螺儀的閉鎖閾值

  閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標度因數的線性度和穩定度。閉鎖閾值取決於諧振光路中
  的損耗,主要是反射鏡的損耗
  激光陀螺是在光學干涉原理基礎上發展起來的新型導航儀器,成為新一代捷聯式慣性導航系
  統理想的主要部件,用於對所設想的物體精確定位。石英撓性擺式加速度計是由熔融石英制
  成的敏感元件,撓性擺式結構裝有一個反饋放大器和一個溫度感測器,用於測量沿載體一個
  軸的線加速度。
  光纖陀螺三軸慣測組合由三個光纖陀螺儀和三個石英撓性擺式加速度計組成,可以實時
  地輸出載體的角速度、線加速度、線速度等數據,具有對準、導航和航向姿態參考基準等多
  種工作方式,用於移動載體的組合導航和定位,同時為隨動天線的機械操控裝置提供準確的
  數據。主要性能:加表精度 1×10-4g ;光纖陀螺精度(漂移穩定性)≤1°/h ;標度固形線性度
  ≤5×10-4 。
  激光於1960 年在世界上首次出現。1962 年,美、英、法、前蘇聯幾乎同時開始醞釀研製用激光來作為
  方位測向器,稱之為激光陀螺儀。
  激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度(Sagnac 效應)。在閉合光路中,由同一光源發出的
  沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉,利用檢測相位差或干涉條紋的變化,就可以測出閉合
  光路旋轉角速度。激光陀螺儀的基本元件是環形激光器,環形激光器由三角形或正方形的石英製成的閉合
  光路組成,內有一個或幾個裝有混合氣體(氦氖氣體)的管子,兩個不透明的反射鏡和一個半透明鏡。用
  高頻電源或直流電源激發混合氣體,產生單色激光。為維持迴路諧振,迴路的周長應為光波波長的整數倍。
  用半透明鏡將激光導出迴路,經反射鏡使兩束相反傳輸的激光干涉,通過光電探測器和電路輸入與輸出角
  度成比例的數字信號。
  [相關技術]控制技術;測量技術;半導體技術;微電子技術;計算機技術
激光陀螺儀 -技術難點

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  激光陀螺儀需要突破的主要技術為漂移、雜訊和閉鎖閾值。
激光陀螺儀的飄移

  激光陀螺儀的飄移表現為零點偏置的不穩定度,主要誤差來源有:諧振光路的折射係數具有各向異性,氦氖等離子在激光管中的流動、介質擴散的各向異性等。
激光陀螺儀的雜訊

  激光陀螺儀的雜訊表現在角速度測量上。雜訊主要來自兩個方面:一是激光介質的自發發射,這是激光
  陀螺儀雜訊的量子極限。二是機械抖動為目前多數激光陀螺儀採用的偏頻技術,在抖動運動變換方向時,抖動角速率較低,在短時間內,低於閉鎖閾值,將造成輸入信號的漏失,並導致輸出信號相位角的隨機變化。
激光陀螺儀的閉鎖閾值

  閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標度因數的線性度和穩定度。閉鎖閾值取決於諧振光路中的損耗,主要是
  反射鏡的損耗。
激光陀螺儀 -國外概況

  美國斯佩里公司於1963 年首先次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,並研究出交變機械抖動偏頻法,使這項技術有了使用的可能。1972 年,霍尼威爾公司研製出
  GG-1300 型激光陀螺儀。1974 年美國國防部下令海軍和空軍聯合制定研究計劃,1975 年在戰術飛機上試
  飛成功,1976 年在戰術導彈上試驗成功。
  進入80 年代以來,美國空軍表示要堅定地把激光陀螺應用到空軍系統中去,並與麥克唐納·道格拉斯公
  司簽定了兩項合同,以實施一項名為"綜合慣性基準組件"的研製計劃,其內容是研製一種採用激光陀螺的
  雙盒組件式感測器系統。海軍也計劃在80 年代內將激光陀螺慣導系統用到艦載飛機中,這種系統稱為
  CA1NS1 。陸軍準備將激光陀螺用於陸軍飛機的定位/導航、監視/偵察、火控以及飛行控制系統。
  1985 年美國提出了戰略防禦計劃(SDI)后,激光技術在軍事系統和空間武器上的應用倍受重視。根據
  SDI 預算,1985 財年在這方面投資10.4 億美元,大部分用於開展激光實驗,其中包括激光陀螺的研製。
  90 年代,根據先進巡航導彈和戰術飛機導航的要求,美國進行了激光陀螺捷聯性能的研究(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製單位很多,其中,美國和法國研製的水平較高,此外還有俄羅斯、德國等國家。
  1.美國
  美國研製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
  理想的戰術慣性器件必須同時具有低成本、體積小、重量輕、堅固等幾個特點,霍尼威爾公司的GG1308
  和GG1320 就是為此研製的最新產品。
  該公司採用的關鍵技術如下:
  1)在提高精度方面
  輸出信號的細分技術,在小型化的RLG 中,保持所需的解析度。提高抖動偏頻的頻率,以提高RLG 的
  採樣頻率。小型化RLG 的慣性小,諧振頻率高,在抖動偏頻裝置的設計上,可以提高頻率。由此,可以提
  高RLG 的採樣頻率和捷聯慣性導航系統SINS 的計算頻率,有利於保證捷聯慣性導航系統SINS 的精度。
  2)在降低成本方面
  利用玻璃熔結工藝來實現反射鏡和電極等的密封。採用BK-7 光學玻璃取代Zerodur 等零膨脹係數材料,
  為此需要建立光波在諧振器中諧振的條件,並對溫度誤差採取補償。採用GG1308 組成的一種慣導系統型
  號為HGl500 一IMU。採用GG1320 組成的慣導系統型號為H-764C 。
  (2)基爾福特公司
  在單軸RLG 的基礎上,為滿足小型衛星和航天器的需要,該公司研製了微型三軸激光陀螺儀MRLG。
  該公司採用力反饋式加速度計和MRLG 組成慣性測量組合IMU。這種慣性導航系統也可用於戰術武器,包
  括魚雷。
  2.法國
  法國的激光陀螺儀和系統技術具有很強的實力。法國SWXTANT 公司和SAGEM 公司均從70 年代開始
  研究激光陀螺技術,到目前已經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於"美洲虎"直升
  機飛行。1981 年33cm 型激光陀螺儀在ANS 超音速導彈項目中標,1987 年首次把激光陀螺儀用在"阿里
  安"4 火箭的飛行,1990 年SEXTANT 公司在法國未來戰略導彈項目上中標。
  (2)SAGEM 公司
  SAGEM 公司從1977 年開始研究環行激光陀螺儀。1987 年組裝了第一個樣機GLS32 型。在工藝成熟
  后,主要生產用於航空及潛水艇的捷聯慣導系統。1987 年組裝了GLC16 型樣機,主要用於直升機和小型
  運載火箭的捷聯慣導系統。
激光陀螺儀 -影響

  作為飛行器慣導系統核心的慣性器件,在國防科學技術和國民經濟的許多領域中佔有十分重要的地位。
  激光陀螺儀花費了很長時間和大量投資解決了閉鎖問題,直到80 年代初才研製出飛機導航級儀錶,此後就
  迅速應用于飛機和直升機,取代了動力調諧陀螺和積分機械陀螺儀。目前已廣泛用於導航、雷達和制導等
  領域。

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