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1、浅述陀螺仪与惯性技术的发展现状激光陀螺仪激光陀螺仪的定义 激光于1960 年在世界上首次出现。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。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，
2、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。技术难点 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
3、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。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
4、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
5、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
6、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
7、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 33cm 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
8、， 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。影响 作为飞行器惯导系统核心的惯性器件，在国防科学技术和国民经济的许多领域中占有十分重要的地位。激光陀螺仪花费了很长时间和大量投资解决了闭锁问题，直到80 年代初才研制出飞机导航级仪表，此后就迅速应用于飞机和直升机，取代了动力调谐陀螺和积分机械陀螺仪。目前已广泛用于导航、雷达和
9、制导等领域。光纤陀螺仪光纤陀螺仪的定义 光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。技术难点 光纤陀螺仪需要突破的主要技术为灵敏度消失、噪声和光纤双折射引起的漂移和偏振状态改变引起的比例因子不稳定。1. 灵敏度消失在旋转速率接近零时，灵敏度会消失。这是由于检测器中的光密度正比于Sagnac 相移的余
10、弦量所引起。2. 噪声问题光纤陀螺仪的噪声是由于瑞利背向散射引起的。为了达到低噪声， 应采用小相干长度的光源。3. 光纤双折射引起的漂移如果两束相反传播的光波在不同的光路上，就会产生飘移。 造成光路长度差的原因是单模光纤有两正交偏振态，此两种偏振态光波一般以不同速度传播。由于环境影响， 使两正交偏振态随机变化。4. 偏振状态改变引起的比例因子不稳定。国外概况 光纤陀螺仪自1976 年美国犹他州立大学首先研制出试验装置，随后，世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了很大的人力、物力和精力研究这一有发展前途的新型光纤旋转速率传感器。 随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展，光纤陀螺仪已经实现了惯性
11、器件的突破性进展。在国外，l /h 至 0.01/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1 /h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012 采用了 l /h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996 年达到 0.01/h ；2001 年达到 0.001 /h；2006 年达到 0.0001 /h ，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。一、光纤陀螺仪的类型光纤陀螺仪按原理上分类，可以分为：干涉仪式、谐振腔式和光纤型环型激光陀螺仪。干涉仪式光纤陀螺仪按照光路的组成又可以分为：消偏型、全光纤型和集成光学型。谐振腔式光纤陀螺仪按照光路的组成又
12、可以分为：全光纤型和集成光学型。光纤型环形激光陀螺仪是一种利用光纤环形腔中的受激布里渊散射的方向性增益效应来实现利用 Sagnet 效应检测谐振速率，其原理与激光陀螺仪完全相似。由于无需复杂的调制解调检测技术，国际上倍受重视。二、各国研制情况1.美国美国的光纤陀螺研制单位有：利顿公司、霍尼威尔公司、 德雷泊实验室公司、斯坦福大学以及光纤传感技术公司等。（1）利顿公司研制的光纤陀螺利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已经产品化。1988 年研制出 SCIT 实验惯性装置，惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。1989 年公司研制的CIGIF 论证系统飞行试验装置。1991/1992
13、年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系统。 1992 年研制出GPS/INS 组合导航系统。（2）霍尼韦尔公司的集成光学光纤陀螺霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti 内扩散集成光学相位调制器。采用的其他器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km 保偏光纤构成的传感环圈。为了满足惯性级光纤陀螺的要求，霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式光纤陀螺采用了集成光学多功能芯片技术以及全数字闭环电路。（3）美国德雷珀实验室美国德雷珀实验室从1978 年起为 JPL 空间应用研制高精度光纤陀螺，曾研制过谐
14、振腔式光纤陀螺，研制了9 年，由于背向散射误差限制了精度，后来改为采用干涉仪式方案。在研制干涉仪式光纤陀螺的过程中，采用了三大技术措施：a.把光源、探测器和前置放大器做成一个模块；b.光纤传感环圈结构影响精度很大，采用了无骨架绕制光纤环圈的技术途径；c.多功能集成光学器件模块，包括了所有其余的光纤陀螺的光纤器件。德雷珀实验室的研究人员认为：目前0.01/h 的干涉仪式光纤陀螺成本较高，需要研制自动生产线，降低成本，保证质量。对于今后的发展问题，德雷珀实验室的研究人员认为：a.惯性级的干涉仪式光纤陀螺仪，可以取代动力调谐陀螺仪，并逐渐取代激光陀螺仪；b.惯性级干涉仪式光纤陀螺仪的难点是必须采用1
15、km 长度的保偏光纤，如果改用谐振腔式光纤陀螺仪方案，则长度可减为10m 左右的光纤。为此谐振腔式光纤陀螺仍在作为研制方向，使光纤陀螺仪小型化的谐振腔式光纤陀螺的难点在于：控制电路比干涉仪式光纤陀螺复杂。随着 ASIC 技术的发展，将来有可能得到满意的解决，使谐振腔式光纤陀螺成为产品。采用干涉仪式和谐振腔式混合方案的光纤陀螺仪具有良好的发展前景。2.日本日本研制光纤陀螺的单位有东京大学尖端技术室、日立公司、 住友电工公司、三菱公司、日本航空电子工业公司。日本的干涉式光纤陀螺仪已经完成了基础研究，正进入实用化阶段。偏值漂移已经达到XX。东京大学进行研究的谐振腔光纤陀螺仪取得了很大进展。日立公司研
16、制用于汽车导航系统的光纤陀螺，1991 年用于日产汽车。在日本， 光纤陀螺作为汽车的旋转速率传感器已进入市场。利用光纤陀螺仪进行导航时，用车轮转速计传感器测移动距离，用光纤陀螺测量车体的回转，同时采用图象匹配、GPS系统等配合计算汽车的位置和方位，显示在信息处理器上。2. 俄罗斯俄罗斯的光纤陀螺有全光纤型和集成光学型。全光纤型采用的是光纤技术，即所有的光纤器件都做在同一根光纤上。Fizoptika 公司研制的光纤陀螺已经商品化，产品型号有：VG949、 VG941B 等。影响 光纤陀螺仪作为继激光陀螺仪之后出现的新一代陀螺，各国的研制工作已经取得了重大的进展。光纤陀螺仪的研制对惯性导航和控制领域十分重要，随着计算机、 微电子和光纤技术的发展和应用，它将取代传统的机械陀螺和平台惯导系统。1. 引言国际国内的中远程导弹和运载火箭，无不采用惯性制导。惯性制导的核心部分是惯性仪表，即陀螺仪、 加速度计以及由它们组成的平台测量系统和速率捷联测量系统。随着火箭技术的发展，惯性仪表在最近的40 年里，
