激光陀螺仪工作原理-激光陀螺仪的研究进展.docx

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激光陀螺仪工作原理激光陀螺仪的研究进展
摘要：本文概述了激光陀螺仪的国内外发展概况、与传统机械陀螺仪相比下的优缺点、需要突破的技术及其改进方案，重点分析了激光陀螺仪的物理原理，闭锁现象的产生及其解决的三种方法。希望通过对激光陀螺仪的这些方面的介绍，从一个侧面阐明了物理学与现在科技的联系。关键词：激光陀螺仪光程差闭锁现象频差引言陀螺仪是惯性导航的重要惯性器件，直接决定惯性导航系统的精度。由于陀螺仪在任何环境下都有自主的导航能力，所以自其问世以来，引起人们的极度关注，被应用于航海、航空、航天、军事等各个方面。特别是激光陀螺仪的问世，更脱离了原始机械陀螺仪高速旋转的刚体的缺点，增加了许多优点，使其在惯性导航系统中绝对的优势，广泛应用于大型民用客机、军用飞机、运输机、导弹、火箭和航天飞机上，并且在精密仪器测量中广泛应用的激光惯性测量系统也是以激光陀螺为惯性器件。在科学技术迅猛发展的今天，陀螺仪（特别是激光陀螺仪）的相关技术的发展衡量着一个国家科学技术发展水平和国防实力的重要标志之一，具有强大的生命力和广泛的应用前景。一、陀螺的发展简史陀螺的原意为高速旋转的刚体，而现在一般将能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有100多年的发展史，发展过程大致分为4个阶段：第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺[2]。其中机械支撑、气体悬浮、液体悬浮、磁悬浮、静电悬浮等都属于机械陀螺仪，机械陀螺仪是利用机械转子的定向性、进动性制作的角速度传感器。气浮、液浮和静电悬浮支撑技术是机械陀螺仪的技术基础。在长达数十年的时间内，机械陀螺仪的零漂稳定性已经从10（度/小时）左右下降到0.000015（度/小时），几乎降低了6个数量级，但真正工程应用中的陀螺仪却长期停留在0.01（度/小时）。高精度的机械陀螺仪十分昂贵，例如：一台浮球平台系统的研制费用超过千万美元，即使在投入批量生产以后，每套产品的成本也高达数百万美元。而相对于机械陀螺仪，20世纪60年代初诞生的激光陀螺仪在成本、性能、可靠性等方面具有明显的优势，所以许多国家积极研制激光陀螺仪技术。下面来具体看看激光陀螺仪的发展情况。二、激光陀螺仪的国内外发展概况传统的机械陀螺仪，不论是第一阶段的滚珠轴承陀螺，还是第二第三阶段的液浮气浮陀螺，甚至是静电陀螺，都离不开高速旋转的机械转子。由于高速转子容易产生质量不平衡，易受加速度的影响，且需要一段预热时间才能达到稳定的转速、成本高等问题，使用起来很不方便。因此研制无高速转子的陀螺成为人们关心的问题。1960年激光在世界上首次出现，于是乎1962年，美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪。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，这种系统称为航空母舰飞机惯性导航系统CAINS(CarrierAircraftInertialNavigationSystem)。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（StrategicDefenseInitiative）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年财政在这方面投资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。（一）美国的发展概况基尔福特公司在单轴RLG(Ring-LaserGyro)的基础上，为满足小型卫星和航天器的