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激光陀螺仪的知识

激光陀螺仪的知识



关于陀螺运动的基础理论研究大约是从18世纪展开的,直到19世纪中期以后,陀螺才开始进入实用阶段。开始是用它来替代装配在钢制外壳船舶上的磁罗盘导航仪。第一次世界大战中,美国海军首先研制成功陀螺导航仪,相继应用于航海和航空,作为不可缺少的精密导航仪器。20世纪初出现了飞机陀螺稳定器和自动驾驶仪,1950年出现了惯性导航系统,从而为精确导航提供了技术装备的支持。近几十年来,各种高精度、长寿命、大过载的惯性元件和比较精密的陀螺系统,已经在航海、航空和航天中得到了广泛的应用。

陀螺仪可以装配在固定基座或运动基座(如飞机、火箭和卫星)上,可以单独使用,也可以由多个陀螺仪和有关元部件组成陀螺系统。利用陀螺的稳定性效应可以制成稳定仪,当船舶在海浪作用下发生侧向滚动时,由该装置所产生的陀螺力矩可以减小船舶的侧滚,保持船舶的稳定,还可以利用陀螺效应使船舶左右摇动以达到破冰的目的。

利用陀螺特性可制成测量飞机航向的飞行仪表,或测量物体角速度的陀螺仪表。20世纪20年代初,速率陀螺仪首先用作飞机的基本飞行仪表,继而用来为防空火力控制瞄准器提供前置角数据,还广泛应用于飞行器、车辆、火炮控制系统的角度控制伺服系统中以改善系统的动态品质。飞行姿态对于飞机的运动状态和保证飞行安全都有重要的意义,因此,陀螺地平仪或指引地平仪通常被作为测量飞机俯仰和倾侧姿态的重要飞行仪表。

20世纪初出现的陀螺平台惯性导航系统是一种利用质量作加速度的敏感元件,一般有加速度计、陀螺平台、计算机,以及控制、显示部件等组成。它是完全自足式的导航系统,以力学中的惯性原理为依据,与周围物理环境无关,不靠辐射能量和无线电等的辅助,不受外界干扰,导航精度完全取决于元件本身。惯性导航系统可以作为导航的独立装置来使用,也可以作为调整器而结合自动驾驶仪来控制运载器。目前已大量使用的捷联式惯性导航系统,不用陀螺平台而把运载器上的加速度计(通常是三个速率陀螺仪)的信号直接输入计算机,因而能降低造价和提高可靠性。陀螺平台惯性导航系统广泛应用于对导航精度有较高要求的武器系统中,比如发射弹道导弹的核潜艇,飞行时间短但精确度要求极高的洲际弹道导弹,飞行时间较长但精确程度要求较高的战略轰炸机或巡航导弹。20世纪末期,利用激光方向性强、单色性好、亮度高和相干性好等特点结合陀螺的特性,激光陀螺诞生了。
  现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可*等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外,还有现代集成式的振动陀螺仪,集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度,体积更小,也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。
    现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种,它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪,如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出,干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小,所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度,而谐振式的陀螺仪在实现干涉时,它的光程差较大,所以它所要求的光源必须有很好的单色性。
     陀螺仪基本上就是运用物体高速旋转时,角动量很大,旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质,所制造出来的定向仪器。不过它必需转得够快,或者惯量够大(也可以说是角动量要够大)。不然,只要一个很小的力矩,就会严重影响到它的稳定性。就像前面第四页的活动中,我们可以轻易的改变旋转中车轮转轴的方向一样。所以设置在飞机、飞弹中的陀螺仪是*内部所提供的动力,使其保持高速转动。
   陀螺仪通常装置在除了要定出东西南北方向,还要能判断上方跟下方的交通工具或载具上,像是飞机、飞船、飞弹、人造卫星、潜艇......等等。它是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据。这是因为在高速旋转下,陀螺仪的转轴稳定的指向固定方向,将此方向与飞行器的轴心比对后,就可以精确得到飞机的正确方向。罗盘不能取代陀螺仪,因为罗盘只能确定平面的方向;另方面陀螺仪也比传统罗盘方便可*,因为传统罗盘是利用地球磁场定向,所以会受到矿物分布干扰,例如受到飞机的机身或船身含铁物质的影响;另方面在两极也会因为地理北极跟地磁北极的不同而出现很大偏差,所以目前航空、航海都已经以陀螺仪以及卫星导航系统作为定向的主要仪器。
    激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度( Sagnac 效应)。在闭合光路中,由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉,利用检测相位差或干涉条纹的变化,就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器,环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成,内有一个或几个装有混合气体(氦氖气体)的管子,两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体,产生单色激光。为维持回路谐振,回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路,经反射镜使两束相反传输的激光干涉,通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。

激光陀螺仪需要突破的主要技术为漂移、噪声和闭锁阈值。

1. 激光陀螺仪的飘移
   激光陀螺仪的飘移表现为零点偏置的不稳定度,主要误差来源有:谐振光路的折射系数具有各向异性,氦氖等离子在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等。

2. 激光陀螺仪的噪声
   激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。噪声主要来自两个方面: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。二是机械抖动为目前多数激光陀螺仪采用的偏频技术,在抖动运动变换方向时,抖动角速率较低,在短时间内,低于闭锁阈值,将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. 激光陀螺仪的闭锁阈值
   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激光陀螺是在光学干涉原理基础上发展起来的新型导航仪器,成为新一代捷联式惯性导航系统理想的主要部件,用于对所设想的物体精确定位。石英挠性摆式加速度计是由熔融石英制成的敏感元件,挠性摆式结构装有一个反馈放大器和一个温度传感器,用于测量沿载体一个轴的线加速度。  

[国外概况]

 美国斯佩里公司于1963 年首先次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,使这项技术有了使用的可能。1972 年,霍尼威尔公司研制出
 GG-1300 型激光陀螺仪。1974 年美国国防部下令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。

 进入80 年代以来,美国空军表示要坚定地把激光陀螺应用到空军系统中去,并与麦克唐纳·道格拉斯公司签定了两项合同,以实施一项名为"综合惯性基准组件"的研制计划,其内容是研制一种采用激光陀螺的双盒组件式传感器系统。海军也计划在80 年代内将激光陀螺惯导系统用到舰载飞机中,这种系统称为CA1NS1 。陆军准备将激光陀螺用于陆军飞机的定位/导航、监视/侦察、火控以及飞行控制系统。

1985 年美国提出了战略防御计划(SDI)后,激光技术在军事系统和空间武器上的应用倍受重视。根据
 SDI 预算,1985 财年在这方面投资10.4 亿美元,大部分用于开展激光实验,其中包括激光陀螺的研制。

90 年代,根据先进巡航导弹和战术飞机导航的要求,美国进行了激光陀螺捷联性能的研究(SPS)。麦
克唐纳·道格拉斯公司被选为SPS 的主承包商,其次还有霍尼威尔、利顿、洛克威尔、辛格·基尔福特等公
司参加。

国外激光陀螺仪的研制单位很多,其中,美国和法国研制的水平较高,此外还有俄罗斯、德国等国家。

1.美国

美国研制激光陀螺仪的厂家有霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司。

(1)霍尼威尔公司
理想的战术惯性器件必须同时具有低成本、体积小、重量轻、坚固等几个特点,霍尼威尔公司的GG1308
和GG1320 就是为此研制的最新产品。

该公司采用的关键技术如下:

1)在提高精度方面

输出信号的细分技术,在小型化的RLG 中,保持所需的分辨率。提高抖动偏频的频率,以提高RLG 的
采样频率。小型化RLG 的惯性小,谐振频率高,在抖动偏频装置的设计上,可以提高频率。由此,可以提
高RLG 的采样频率和捷联惯性导航系统SINS 的计算频率,有利于保证捷联惯性导航系统SINS 的精度。

2)在降低成本方面

利用玻璃熔结工艺来实现反射镜和电极等的密封。采用BK-7 光学玻璃取代Zerodur 等零膨胀系数材料,

为此需要建立光波在谐振器中谐振的条件,并对温度误差采取补偿。采用GG1308 组成的一种惯导系统型
号为HGl500 一IMU。采用GG1320 组成的惯导系统型号为H-764C 。

(2)基尔福特公司
在单轴RLG 的基础上,为满足小型卫星和航天器的需要,该公司研制了微型三轴激光陀螺仪MRLG。
该公司采用力反馈式加速度计和MRLG 组成惯性测量组合IMU。这种惯性导航系统也可用于战术武器,包
括鱼雷。

2.法国
法国的激光陀螺仪和系统技术具有很强的实力。法国SWXTANT 公司和SAGEM 公司均从70 年代开始
研究激光陀螺技术,到目前已经形成不同尺寸和精度的激光陀螺仪。

(1)SEXTANT 公司

SEXTANT 公司1972 年开始研究激光陀螺仪,1979 年SEXTANT 型激光陀螺仪首先用于"美洲虎"直升
机飞行。1981 年825px 型激光陀螺仪在ANS 超音速导弹项目中标,1987 年首次把激光陀螺仪用在"阿里
安"4 火箭的飞行,1990 年SEXTANT 公司在法国未来战略导弹项目上中标。

(2)SAGEM 公司

SAGEM 公司从1977 年开始研究环行激光陀螺仪。1987 年组装了第一个样机GLS32 型。在工艺成熟后,主要生产用于航空及潜水艇的捷联惯导系统。1987 年组装了GLC16 型样机,主要用于直升机和小型运载火箭的捷联惯导系统。