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激光陀螺仪

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  • 发布时间:2016/1/7 16:23:41
  • 作者:量值溯源
定义
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)。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。
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激光陀螺仪简介

  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。

环形激光器

图1 环形激光器

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激光陀螺仪特点

  相比于传统的机电陀螺仪,激光陀螺仪的主要优点有:

  (1)可靠性高,寿命长;

  (2)启动速度快;

  (3)动态范围大;

  (4)比例因子线性度好;

  (5)抗振动冲击性能好;

  (6)体积小、重量轻、功耗低;

  (7)数字量输出;

  (8)无交叉耦合效应;

  (9)对加速度不敏感。

  这些特点使它特别适用于构建捷联式惯性导航系统。

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激光陀螺仪的典型应用

01惯性导航与制导、姿态测量与控制

  激光陀螺仪最重要的应用是惯性测量如惯性导航和制导、姿态测量与控制。惯性导航是一种自主的导航技术,它不需要外界信息即可实现导航,因此具有隐蔽性好、不受外界干扰等优点,在军事场合具有重要的价值。机载合成孔径雷达和红外传感器、舰载卫星通信天线、星载红外传感器和摄像机等需要精确的传感器姿态信息来对传感器的运动进行补偿或者对传感器的姿态进行控制。

  在航空上,陀螺仪用来测量飞机的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)和角速度,以它为核心构成的惯导系统可以为飞机提供姿态、航向、速度和位置,即导航所需的所有参量,因此被称为飞机上的中心信息源。目前大多数西方的军用和民用飞机都采用激光陀螺惯导系统,如F-22、F-35、SU-30等战机以及B747、A320等民航机。

  在航海上,陀螺仪早已成为航海的重要导航仪器。航海惯导能够为舰船提供位置、姿态、速度等数据,不仅可用于舰船自身的导航,还可为舰载武器提供方位基准或稳定平台。Sperry公司的MK39系列激光陀螺惯导系统已被超过24个国家的海军用于各种舰船平台,MK-49 激光陀螺导航仪已成为北约12个国家的标准设备,AN/WSN-7系列激光陀螺导航系统是美国海军水面舰船和潜艇的标准设备,并在2001就已完成全部航母换装此系统的工作。

  在地面上,坦克、火炮等常规兵器的机动能力和运动中攻击能力对保存自己、打击敌人极为重要,这就要求它们具有定位定向和导航能力。1989年开始使用的H-726型激光陀螺美军标准地面导航系统,就已用在“帕拉丁”自行榴弹炮、瑞典的BKAN1A和FH-77B型榴弹炮,各种精密测量侦察车和布雷德利战车等装备上。

02动态测角

  角度测量是几何量计量技术的重要组成部分,激光陀螺仪可以实现高精度和高分辨率的动态角度测量。俄罗斯电子光学公司(Electrooptika Corp.)研制的激光陀螺测角仪可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转体的外部角度测量等,随机误差0.03角秒,单次测量的总误差小于0.2角秒。激光陀螺仪测角技术除了精度和分辨率高之外,还有易于自校准、测量速度快等优点。

03地球物理学、基础物理学

  将激光陀螺安装在望远镜上可以实时提供其角坐标,通过计算机求出实际角坐标与目标角坐标之间的差值,然后对其姿态进行控制可使之实时跟踪目标,精度可达亚角秒。与光学编码器和圆感应同步器相比,激光陀螺体积小、分辨率高,而且安装调整非常简单。通过增大激光陀螺的尺寸可显著提高精度,新西兰和德国联合研制了超大激光陀螺,其中的UG-2型超大激光陀螺的环路面积达834 m²。用超大激光陀螺可以观察微小的地震效应、固体地面潮汐效应(solid earth tides,不同于海洋潮汐效应),还有望用来测量引力波等几种相对论效应。

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激光陀螺仪应用前景

  惯性导航系统的一大缺点是误差随时间累加,采用多传感器信息融合的组合导航、零速修正和旋转调制等技术可以从一定程度上克服该问题。采用GPS、星敏感器等与惯性系统进行组合,可大大提高激光陀螺导航系统的精度,减小误差随时间的积累。在实时性要求不高的场合,可以采取零速修正技术,能够将定位精度从纯惯性的1海里左右提高到米的量级,适用于对实时性要求不高的场合,如大地测量。采用旋转调制技术后,激光陀螺惯性导航系统的精度能提高1到2个数量级,适合于长期导航。

  激光陀螺以其独特的优点在军事、民用和科研等领域具有广泛的应用。美国霍尼韦尔公司仅型号为GG-1320的激光陀螺即已生产了25万只以上,且目前仍以1.7万只每年的产量全速生产,诺斯罗普-格鲁曼公司的零闭锁激光陀螺也已生产了3万只以上。尽管在价格上面临微机电陀螺、光纤陀螺等陀螺的竞争,但在中高精度应用领域,激光陀螺仍有广阔的市场。


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