国外激光陀螺lasergyroscope的发展与应用

国外激光陀螺laser gyroscope的发展与应用来源：《国外惯性技术信息》2017年第4期，作者：国防科技大学张斌，罗晖，袁保伦，汪之国激光陀螺（RLG）是一种以萨格奈克（Sagnac）效应为基础的光学陀螺，主要用于运动载体的角运动（运动角速度或转动角度）测量。

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：在环形闭合光路中，从某一观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该点时，这对光波的光程（或相位）将由于闭合光路相对于惯性空间的旋转而不同，其光程差（或相位差）与闭合光路的旋转角速度成正比。

在随后的很长一段时间里，由于没有合适的相干光源，光学Sagnac效应的研究基本上没有任何实用性进展。

直到1960年，世界上的第一台激光器诞生以后，激光陀螺作为激光技术的一个重要应用而成为世界各军事强国研究的热点。

1激光陀螺及其特点激光陀螺是由腔体（一般采用超低膨胀系数的微晶玻璃材料）和高质量反射镜构成的环形激光器，腔内运行的顺、逆时针激光能够以不同的频率独立振荡。

由于激光谐振条件的要求，Sagnac效应产生的光程差转换成了顺、逆时针运行激光的频率差，因此极大地提高了陀螺的响应灵敏度。

当激光陀螺固定在运动载体上，并相对于惯性空间以角速度Ω旋转时，该频率差为：，式中为标度因数，它由环形谐振腔的面积A、环路长度L以及激光波长λ决定。

激光陀螺的原理光路如图1所示，采用合光棱镜使其输出的顺、逆时针激光以微小夹角合并，经光电转换后可得到频率为∆v的拍频信号，从而实现载体转动角速度的测量。

图1 激光陀螺原理光路在实际的激光陀螺中，顺、逆时针激光通过反射镜的后向散射或环路中的非均匀损耗发生耦合，导致陀螺输入角速度小于某阈值时，频率差∆v为零，这种现象称为闭锁效应。

为了克服闭锁效应的影响，激光陀螺需要采取偏频措施，即在两束光波之间人为引入较大的频率差，使激光陀螺的工作区远离闭锁区域或者减少处于闭锁区域的时间。

具体的偏频方案有机械抖动偏频、四频差动偏频、恒转偏频、磁镜交变偏频、纵向塞曼效应偏频等，其中以采用机械抖动偏频和四频差动偏频方案的激光陀螺应用最为广泛。

图2 激光陀螺惯性测量单元激光陀螺的一个环路对应一个角速度敏感方向，将三个激光陀螺和三个加速度计正交配置组合构成图2所示的激光陀螺惯性测量单元（IMU），利用IMU测量载体运动的三维角速度和加速度，再通过惯性导航解算得到载体的位置、姿态等信息。

基于激光陀螺的惯性导航系统广泛应用于导航与制导、姿态测量与控制、定位与定向、稳定与瞄准等领域。

传统机电陀螺仪利用高速转动机械转子的定向性和进动性来测定载体相对于惯性空间的转速和方位，而正是由于高速转子自身的抗冲击振动能力差、存在加速度效应、不能快速启动等固有缺陷，使其在惯性导航中的应用受到限制，妨碍其进一步的发展。

美国20世纪80年代研制的MX“和平卫士”洲际导弹上搭载的机电陀螺仪是世界上精度最高的机械式陀螺仪，零偏稳定性达到1.5×10-5(º)/h，使该导弹可以在不依赖外部导航信息的情况下，14000km射程的导航偏差小于100 m，然而这套系统体积庞大，成本也极为高昂。

因此，在后续研制“三叉戟”潜射弹道导弹时就改用了激光陀螺，既降低了系统成本，又大幅度缩减了导航设备的体积。

图3 美国MX洲际导弹的惯性导航舱段与陀螺仪激光陀螺性能的主要评价指标是零偏稳定性、标度因数非线性度和随机游走系数，目前工程实用的中高精度激光陀螺对应的典型指标为：零偏稳定性0.01~0.001 (º)/h，标度因数非线性度10~0.1ppm，随机游走系数0.005~0.0005 (º)/h1/2。

与其它种类的陀螺比较，激光陀螺具有以下显著特点：1）精度适应范围广，可满足不同应用领域的需要。

美国霍尼韦尔公司GG1389陀螺仪的零偏稳定性达到了1.5×10-4(º)/h，是世界上精度最高的激光陀螺。

该公司GG1308陀螺的零偏稳定性为5~1 (º)/h，是世界上体积最小的产品化激光陀螺。

2）动态范围大，动态性能好。

激光陀螺可测转速的动态范围大于108，从千分之几度/小时到超过7200 (º)/s，而且无论转速大小都可以得到线性输出，测量偏差小。

3）标度因数的线性度和稳定性好，动态环境误差小。

绝大多数激光陀螺的腔体采用微晶玻璃材料，其膨胀系数达到10-8量级，光路的面积和长度非常稳定，在工程应用中的标度因数非线性度可以做到0.1ppm，而且在高低温环境下基本保持恒定，特别能适应大温变恶劣环境的应用需求。

4）抗振动、冲击和温变环境能力强。

激光陀螺采用一体化结构，没有活动部件，因此可以承受很高的加速度和强烈的振动冲击，耐高低温环境能力强。

特殊设计的GG1308陀螺甚至可以承受超过1×104g的冲击。

5）角分辨率高。

激光陀螺可以分辨角秒甚至亚角秒量级的精细角度变化，在角度测量上可以实现高精度和高分辨率的动态测量。

6）性能稳定，在工作寿命内，仪表可以做到免校准。

7）快速启动。

激光陀螺可做到瞬时启动，一般不需要预热、稳定时间。

8）功耗低、寿命长、可靠性好和易维护。

激光陀螺存储寿命可达20万小时以上，平均无故障工作时间（MTBF）高达数万小时。

9）既是速率陀螺，也是位置陀螺，使用灵活，应用范围广。

10）对加速度不敏感，没有交叉耦合效应。

11）直接数字输出，系统构成简单。

2国外激光陀螺的发展历程激光陀螺的问世要追溯到20世纪60年代，其发展过程大体可分为四个阶段。

研究起步阶段（1962—1965年）1960年，自世界上的第一台激光器问世以后，人们就提出利用此技术来实现光学陀螺。

1961年，美国科学家Heer C V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，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变化的方法。

1962年，美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿激光陀螺的研制。

美国斯佩里公司于1963年2月研制出世界上第一台环形激光陀螺试验装置，该装置的正方形光路边长为1m，可测量旋转速率。

图4 第一台环形激光陀螺试验装置潜心研究与关键技术突破阶段（1965—1975年）在随后的研制过程中，激光陀螺的闭锁效应、零偏误差等给后续的工程实用研制带来了诸多困难，世界各国均陆续下马，只剩下美国以霍尼韦尔公司为代表的少数几家公司和少量科研人员还在继续努力，致力于从原理和技术上进行解决。

直到1966年，霍尼韦尔公司提出了利用交变机械抖动偏频法来克服陀螺闭锁效应影响的技术方案，为激光陀螺的研制指明了方向，才重新在世界上掀起了激光陀螺研制的新一轮热潮。

霍尼韦尔公司于1972年率先研制出机械抖动偏频的单轴激光陀螺GG1300。

1974年美国海军和空军联合制定研究计划，1975年在战术飞机上试飞成功，1976年在战术导弹上试验成功，标志着激光陀螺从此进入实用阶段。

批量生产技术攻关与实用阶段（1975—1984年）1978年，霍尼韦尔公司的激光陀螺开始小批量生产。

1982年，其研制的ARINC704激光陀螺惯性基准系统正式投入民用航线实用。

到1983年9月，已为波音公司提供了216套惯性导航系统，平均无故障工作时间达1万小时。

但在这一段时间里，批产的激光陀螺也出现了因为使用可靠性问题而批量召回的现象。

1982年，霍尼韦尔公司开始批量生产GG1342陀螺，并采用该陀螺为美国海军研制了第一个专门用于舰船的高精度激光陀螺导航仪（SLN），并于1984年在海军导航试验船上试验成功。

1984年，霍尼韦尔公司以H-726型激光陀螺动态基准装置为基础，采用纯捷联编排方式，研制出适用于战车和自行火炮的组件式定位定向系统，1985—1987年在各种战车和自行火炮上进行了试验，1989年被选为美军的标准地面导航系统。

1977年12月，美国斯佩里公司在海军的资助下，以该公司的MK16机电陀螺稳定系统为基础改装研制成MK16 ModⅡ型捷联式激光陀螺稳定装置工程样机，为舰载火炮控制系统提供舰船的纵、横摇姿态数据，并于1978年2月在美国海军塞勒斯号（DDG-11）导弹驱逐舰上进行了首次海上试验，其性能远优于原有的MK16型机电陀螺稳定系统。

1980年，在MK16 ModⅡ型的基础上，斯佩里公司增加了一个方位分度器并对卡尔曼滤波器作了相应修改，研制成功了水面舰艇捷联式激光陀螺导航仪，其性能参数优于当时海军的规范要求。

1982年，霍尼韦尔公司为美国海军研制了第一个专门用于美国海军水面舰艇的高精度激光陀螺导航仪，即SLN舰用激光陀螺导航仪。

该系统采用双轴转位方案，使用霍尼韦尔公司已经批量生产的GG1342激光陀螺和森德斯坦数据控制公司的Q型挠性加速度计构成惯性测量组件，1984年在海军导航试验船上进行了试验。

同期，罗克韦尔公司研制了RLGN激光陀螺导航仪，其惯性测量装置由3个G16B激光陀螺和1个MOD ⅦA型三轴加速度计组成，系统采用单轴旋转方式，惯性组件绕舰船龙骨轴连续旋转，于1985年进行了海上试验和鉴定。

1982年8月，美国航空发展中心与霍尼韦尔公司签订了合同价款共120万美元的合同，研制攻击型核潜艇用的三个高精度GG1389激光陀螺，为进一步研制定位精度优于0.1 n mile/h 的舰艇用激光陀螺导航系统做准备。

1984年，利顿公司开始研制激光陀螺船用惯性导航仪，经初样、正样和试验样机阶段，于1991年提供了两套试验样机进行了实验室和海上试验，1993年定型为AN/WSN-5L，导航定位精度（CEP）为1 n mile/6h，并首先装备“伯克”级导弹驱逐舰（DDG-64）。

大批量生产与拓展应用阶段（1984年至今）激光陀螺应用初期主要集中于航空与航海领域，但由于其独特的优点，很快就向其它领域拓展，并迅速发展起来。

3国外激光陀螺的生产现状01美国霍尼韦尔公司霍尼韦尔公司是世界激光陀螺研究的先驱者，长期以来一直领跑国际激光陀螺领域的最新进展、最高水平与应用研究，也是世界上激光陀螺产量最大、应用水平最高的厂家。

霍尼韦尔公司研制的激光陀螺以三角形光路的二频机械抖动陀螺为主，典型型号有GG1308、GG1320、GG1328、GG1330、GG1342、GG1389等，其性能可以满足不同精度惯性系统的要求。

GG1308是小体积、低成本激光陀螺的最典型代表，该陀螺三角形光路的边长仅2cm，采用BK7光学玻璃（相当于中国的K9玻璃）为腔体，陀螺镜片和电极采用低熔点玻璃烧结密封，总体积小于32.8cm³，质量为60g，每支售价仅为1000美元，零偏稳定性为5~1 (º)/h。