現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對一個(gè)國家的工業(yè)，國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。

簡介

　　現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的：當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。
自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。1976年等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展，與此同時(shí)激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可*等等優(yōu)點(diǎn)，所以目前光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動(dòng)陀螺儀，集成式的振動(dòng)陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

分類

　　現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的：當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。
編輯本段
原理

　　陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動(dòng)量要夠大)。不然，只要一個(gè)很小的力矩，就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。就像前面第四頁的活動(dòng)中，我們可以輕易的改變旋轉(zhuǎn)中車輪轉(zhuǎn)軸的方向一樣。所以設(shè)置在飛機(jī)、飛彈中的陀螺儀是*內(nèi)部所提供的動(dòng)力，使其保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)。
編輯本段
用途

　　陀螺儀通常裝置在除了要定出東西南北方向，還要能判斷上方跟下方的交通工具或載具上，像是飛機(jī)、飛船、飛彈、人造衛(wèi)星、潛艇......等等。它是航空、航海及太空導(dǎo)航系統(tǒng)中判斷方位的主要依據(jù)。這是因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)下，陀螺儀的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定的指向固定方向，將此方向與飛行器的軸心比對后，就可以精確得到飛機(jī)的正確方向。羅盤不能取代陀螺儀，因?yàn)榱_盤只能確定平面的方向；另方面陀螺儀也比傳統(tǒng)羅盤方便可*，因?yàn)閭鹘y(tǒng)羅盤是利用地球磁場定向，所以會(huì)受到礦物分布干擾，例如受到飛機(jī)的機(jī)身或船身含鐵物質(zhì)的影響；另方面在兩極也會(huì)因?yàn)榈乩肀睒O跟地磁北極的不同而出現(xiàn)很大偏差，所以目前航空、航海都已經(jīng)以陀螺儀以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為定向的主要儀器。

激光陀螺#p#分頁標(biāo)題#e#

原理
激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度（ Sagnac 效應(yīng)）。在閉合光路中，由同
一光源發(fā)出的沿順時(shí)針方向和反時(shí)針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測相位差或干涉條
紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。激光陀螺儀的基本元件是環(huán)形激光器，環(huán)形激
光器由三角形或正方形的石英制成的閉合光路組成，內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)裝有混合氣體（氦氖氣
體）的管子，兩個(gè)不透明的反射鏡和一個(gè)半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發(fā)混合氣體，
產(chǎn)生單色激光。為維持回路諧振，回路的周長應(yīng)為光波波長的整數(shù)倍。用半透明鏡將激光導(dǎo)
出回路，經(jīng)反射鏡使兩束相反傳輸?shù)募す飧缮?，通過光電探測器和電路輸入與輸出角度成比
例的數(shù)字信號。
通過右邊的  示意圖更加容易理解。
激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)
激光陀螺儀的光環(huán)路實(shí)際上是一種光學(xué)振蕩器 ，按光腔形狀分有三角形陀螺和正方形陀螺，腔體結(jié)構(gòu)有組件式和整體式兩種，一般三角型激光陀螺用的最多。典型的激光陀螺的結(jié)構(gòu)是這樣的：它的底座是一塊低膨脹洗漱的三角形陶瓷玻璃，在其上加工出等邊三角形的光腔，陀螺儀就由這樣閉合的三角形光腔組成，三角形的邊長安裝在每個(gè)角上的輸出反射鏡 ，控制反射鏡和偏量反射鏡限定，在三角形的一條邊上安裝充以低壓氦氖混合氣體的等離子管。
激光陀螺儀需要突破的主要技原理術(shù)為漂移、噪聲和閉鎖閾值。
激光陀螺儀的飄移
激光陀螺儀的飄移表現(xiàn)為零點(diǎn)偏置的不穩(wěn)定度，主要誤差來源有：諧振光路的折射系數(shù)
具有各向異性，氦氖等離子在激光管中的流動(dòng)、介質(zhì)擴(kuò)散的各向異性等。
激光陀螺儀的噪聲
激光陀螺儀的噪聲表現(xiàn)在角速度測量上。噪聲主要來自兩個(gè)方面：一是激光介質(zhì)的自發(fā)
發(fā)射，這是激光陀螺儀噪聲的量子極限。二是機(jī)械抖動(dòng)為目前多數(shù)激光陀螺儀采用的偏頻技
術(shù)，在抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)變換方向時(shí)，抖動(dòng)角速率較低，在短時(shí)間內(nèi)，低于閉鎖閾值，將造成輸入信
號的漏失，并導(dǎo)致輸出信號相位角的隨機(jī)變化。
激光陀螺儀的閉鎖閾值
閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標(biāo)度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定度。閉鎖閾值取決于諧振光路中
的損耗，主要是反射鏡的損耗
激光陀螺是在光學(xué)干涉原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型導(dǎo)航儀器，成為新一代捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系
統(tǒng)理想的主要部件，用于對所設(shè)想的物體精確定位。石英撓性擺式加速度計(jì)是由熔融石英制
成的敏感元件，撓性擺式結(jié)構(gòu)裝有一個(gè)反饋放大器和一個(gè)溫度傳感器，用于測量沿載體一個(gè)
軸的線加速度。
光纖陀螺三軸慣測組合由三個(gè)光纖陀螺儀和三個(gè)石英撓性擺式加速度計(jì)組成，可以實(shí)時(shí)
地輸出載體的角速度、線加速度、線速度等數(shù)據(jù)，具有對準(zhǔn)、導(dǎo)航和航向姿態(tài)參考基準(zhǔn)等多
種工作方式，用于移動(dòng)載體的組合導(dǎo)航和定位，同時(shí)為隨動(dòng)天線的機(jī)械操控裝置提供準(zhǔn)確的
數(shù)據(jù)。主要性能：加表精度 1×10-4g ；光纖陀螺精度(漂移穩(wěn)定性)≤1°/h ；標(biāo)度固形線性度
≤5×10-4 。
激光于1960 年在世界上首次出現(xiàn)。1962 年，美、英、法、前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)開始醞釀研制用激光來作為
方位測向器，稱之為激光陀螺儀。
激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度（Sagnac 效應(yīng)）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的
沿順時(shí)針方向和反時(shí)針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮妫脵z測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合
光路旋轉(zhuǎn)角速度。激光陀螺儀的基本元件是環(huán)形激光器，環(huán)形激光器由三角形或正方形的石英制成的閉合
光路組成，內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)裝有混合氣體（氦氖氣體）的管子，兩個(gè)不透明的反射鏡和一個(gè)半透明鏡。用
高頻電源或直流電源激發(fā)混合氣體，產(chǎn)生單色激光。為維持回路諧振，回路的周長應(yīng)為光波波長的整數(shù)倍。
用半透明鏡將激光導(dǎo)出回路，經(jīng)反射鏡使兩束相反傳輸?shù)募す飧缮?，通過光電探測器和電路輸入與輸出角
度成比例的數(shù)字信號。
[相關(guān)技術(shù)]控制技術(shù)；測量技術(shù)；半導(dǎo)體技術(shù)；微電子技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)

技術(shù)難點(diǎn)

　　激光陀螺儀需要突破的主要技術(shù)為漂移、噪聲和閉鎖閾值。
激光陀螺儀的飄移
激光陀螺儀的飄移表現(xiàn)為零點(diǎn)偏置的不穩(wěn)定度，主要誤差來源有：諧振光路的折射系數(shù)具有各向異性，氦氖等離子在激光管中的流動(dòng)、介質(zhì)擴(kuò)散的各向異性等。
激光陀螺儀的噪聲
激光陀螺儀的噪聲表現(xiàn)在角速度測量上。噪聲主要來自兩個(gè)方面：一是激光介質(zhì)的自發(fā)發(fā)射，這是激光
陀螺儀噪聲的量子極限。二是機(jī)械抖動(dòng)為目前多數(shù)激光陀螺儀采用的偏頻技術(shù)，在抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)變換方向時(shí)，抖動(dòng)角速率較低，在短時(shí)間內(nèi)，低于閉鎖閾值，將造成輸入信號的漏失，并導(dǎo)致輸出信號相位角的隨機(jī)變化。
激光陀螺儀的閉鎖閾值
閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀標(biāo)度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定度。閉鎖閾值取決于諧振光路中的損耗，主要是
反射鏡的損耗。

國外概況

　　美國斯佩里公司于1963 年首先次做出了激光陀螺儀的實(shí)驗(yàn)裝置。1966 年美國霍尼威爾公司開始使用
石英作腔體，并研究出交變機(jī)械抖動(dòng)偏頻法，使這項(xiàng)技術(shù)有了使用的可能。1972 年，霍尼威爾公司研制出#p#分頁標(biāo)題#e#
GG-1300 型激光陀螺儀。1974 年美國國防部下令海軍和空軍聯(lián)合制定研究計(jì)劃，1975 年在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上試
飛成功，1976 年在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上試驗(yàn)成功。
進(jìn)入80 年代以來，美國空軍表示要堅(jiān)定地把激光陀螺應(yīng)用到空軍系統(tǒng)中去，并與麥克唐納·道格拉斯公
司簽定了兩項(xiàng)合同，以實(shí)施一項(xiàng)名為"綜合慣性基準(zhǔn)組件"的研制計(jì)劃，其內(nèi)容是研制一種采用激光陀螺的
雙盒組件式傳感器系統(tǒng)。海軍也計(jì)劃在80 年代內(nèi)將激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)用到艦載飛機(jī)中，這種系統(tǒng)稱為
CA1NS1 。陸軍準(zhǔn)備將激光陀螺用于陸軍飛機(jī)的定位/導(dǎo)航、監(jiān)視/偵察、火控以及飛行控制系統(tǒng)。
1985 年美國提出了戰(zhàn)略防御計(jì)劃（SDI）后，激光技術(shù)在軍事系統(tǒng)和空間武器上的應(yīng)用倍受重視。根據(jù)
SDI 預(yù)算，1985 財(cái)年在這方面投資10．4 億美元，大部分用于開展激光實(shí)驗(yàn)，其中包括激光陀螺的研制。
90 年代，根據(jù)先進(jìn)巡航導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)導(dǎo)航的要求，美國進(jìn)行了激光陀螺捷聯(lián)性能的研究（SPS）。麥
克唐納·道格拉斯公司被選為SPS 的主承包商，其次還有霍尼威爾、利頓、洛克威爾、辛格·基爾福特等公
司參加。
國外激光陀螺儀的研制單位很多，其中，美國和法國研制的水平較高，此外還有俄羅斯、德國等國家。
1.美國
美國研制激光陀螺儀的廠家有霍尼威爾、利頓、斯佩里等公司。
（1）霍尼威爾公司
理想的戰(zhàn)術(shù)慣性器件必須同時(shí)具有低成本、體積小、重量輕、堅(jiān)固等幾個(gè)特點(diǎn)，霍尼威爾公司的GG1308
和GG1320 就是為此研制的最新產(chǎn)品。
該公司采用的關(guān)鍵技術(shù)如下：
1）在提高精度方面
輸出信號的細(xì)分技術(shù)，在小型化的RLG 中，保持所需的分辨率。提高抖動(dòng)偏頻的頻率，以提高RLG 的
采樣頻率。小型化RLG 的慣性小，諧振頻率高，在抖動(dòng)偏頻裝置的設(shè)計(jì)上，可以提高頻率。由此，可以提
高RLG 的采樣頻率和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS 的計(jì)算頻率，有利于保證捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)SINS 的精度。
2）在降低成本方面
利用玻璃熔結(jié)工藝來實(shí)現(xiàn)反射鏡和電極等的密封。采用BK-7 光學(xué)玻璃取代Zerodur 等零膨脹系數(shù)材料，
為此需要建立光波在諧振器中諧振的條件，并對溫度誤差采取補(bǔ)償。采用GG1308 組成的一種慣導(dǎo)系統(tǒng)型
號為HGl500 一IMU。采用GG1320 組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)型號為H-764C 。
（2）基爾福特公司
在單軸RLG 的基礎(chǔ)上，為滿足小型衛(wèi)星和航天器的需要，該公司研制了微型三軸激光陀螺儀MRLG。
該公司采用力反饋式加速度計(jì)和MRLG 組成慣性測量組合IMU。這種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也可用于戰(zhàn)術(shù)武器，包
括魚雷。
2.法國
法國的激光陀螺儀和系統(tǒng)技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)力。法國SWXTANT 公司和SAGEM 公司均從70 年代開始
研究激光陀螺技術(shù)，到目前已經(jīng)形成不同尺寸和精度的激光陀螺儀。
（1）SEXTANT 公司
SEXTANT 公司1972 年開始研究激光陀螺儀，1979 年SEXTANT 型激光陀螺儀首先用于"美洲虎"直升
機(jī)飛行。1981 年33cm 型激光陀螺儀在ANS 超音速導(dǎo)彈項(xiàng)目中標(biāo)，1987 年首次把激光陀螺儀用在"阿里
安"4 火箭的飛行，1990 年SEXTANT 公司在法國未來戰(zhàn)略導(dǎo)彈項(xiàng)目上中標(biāo)。
（2）SAGEM 公司
SAGEM 公司從1977 年開始研究環(huán)行激光陀螺儀。1987 年組裝了第一個(gè)樣機(jī)GLS32 型。在工藝成熟
后，主要生產(chǎn)用于航空及潛水艇的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。1987 年組裝了GLC16 型樣機(jī)，主要用于直升機(jī)和小型
運(yùn)載火箭的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。

影響

　　作為飛行器慣導(dǎo)系統(tǒng)核心的慣性器件，在國防科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中占有十分重要的地位。
激光陀螺儀花費(fèi)了很長時(shí)間和大量投資解決了閉鎖問題，直到80 年代初才研制出飛機(jī)導(dǎo)航級儀表，此后就
迅速應(yīng)用于飛機(jī)和直升機(jī)，取代了動(dòng)力調(diào)諧陀螺和積分機(jī)械陀螺儀。目前已廣泛用于導(dǎo)航、雷達(dá)和制導(dǎo)等
領(lǐng)域。