环式激光陀螺

环式激光陀螺 （缩写为RLG）包括一个环式激光仪，在同一光路中反向传播同一光源输出的激光，通过萨格纳克效应来检测外界环形的旋转角速度。1

环形激光陀螺是当前高精度捷联惯导系统中最重要的设备之一, 它在军用领域和商用领域获得了广泛的应用。和环形激光陀螺相关的进展主要可以概况为三个方面:激光陀螺研制技术的进步;对激光陀螺系统研究方法的深入和激光陀螺应用领域的扩展。 激光陀螺发展的最新动态, 对国内激光陀螺工业有重要的参考价值, 将有助于提高我国环形激光陀螺技术水平。

背景激光于1960年在世界上首次出现。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，使这项技术有了实用的可能。经过30多年的发展和完善，激光陀螺捷联惯导系统在军用、民用方面被广泛应用。在中高精度惯导系统中占有相当大的市场，在波音747-400，757，767，737，空中客车A320，A340等均装备了激光陀螺惯性基准系统。

激光陀螺以其独特的优点和性能在新兴的固态陀螺领域处于非常重要的地位，对现代的导航系统发展和进步起着不可替代的作用。在陀螺技术进展过程中…，动力调谐陀螺(D’rG)已经淘汰，高精度的应用领域中，激光陀螺一直占据着主导位置。虽然科技进步将会使得光纤陀螺(FOG)和微机械陀螺(MEMs)精度会越来越高，但是，已经成熟的激光陀螺系统在今后相当长的一段时期内仍将保持其突出的优势，在各种应用领域中处于重要的地位。

简介1963年美国的Macek与Davis首次进行了环式激光陀螺的实验。全世界不同的机构随后进一步研制环式激光技术，惯性导航系统中数以万计的环式激光陀螺工作在高精度状态，漂移不确定性好于0.01°/小时，平均故障间隔超过60,000小时。

环式激光器的工作模式。

环式激光陀螺的优点是没有移动部件，因而没有摩擦，也就没有内在的漂移。相比于传统的机械陀螺，它更为紧凑、更轻。

环式激光陀螺广泛应用于军机、民航飞机、船只、空间飞行等惯性导航系统。

形激光陀螺是当前高精度捷联惯导系统中最重要的设备之一，它在军用领域和商用领域获得了广泛的应用。和环形激光陀螺相关的进展主要可以概况为三个方面：激光陀螺研制技术的进步；对激光陀螺系统研究方法的深入和激光陀螺应用领域的扩展6激光陀螺发展的最新动态，对国内激光陀螺工业有重要的参考价值。

发展现状随着科学技术的进步和工艺水平的提高，环形激光陀螺领域也出现了崭新的进展，主要反映在以下3个方面：新式的激光陀螺；新的理论和算法；新的应用领域。下面分别予以介绍。

新式激光陀螺陀螺发展的不同阶段，都会有新式陀螺的出现、发展和使用。Honeywell公司的陀螺发展表格有助于更好地了解激光陀螺系统的发展历程及其所处的位置。

美国Honeyweu公司的抖动激光陀螺的软件、硬件技术已相当成熟。新式激光陀螺的进展虽然包括了一些关于机械抖动激光陀螺和四频差动激光陀螺的技术改进方面的研究，但是，主要成果仍然是在激
光陀螺的小型化、工程化和激光陀螺的新型化方面的进展。

微型三轴激光陀螺仪是惯性测量单元中最昂贵的关键器件，广泛应用在众多的武器系统中，如，联合独立武器(Jsow)、全球鹰无人侦察机导航系统、烈火侦察机导航系统、P一3合成孔径雷达天线、P一3c反潜巡逻机改进系统的标准航向参考备份系统、陀螺罗盘传感系统和先进两栖攻击战车导航系统等。为了能够有效地降低成本，使得微型激光陀螺仪的制造技术工程化，2000年3月，由美国常规打击武器计划办公室(PMA-201)倡议，海军航空科学技术办公室的NAVAIR制造技术(ManTech)组织资助，研究单片电路的环形激光陀螺(mon01ithic ring laser gyr0)制造自动化工程实现技术。通过美国PMA 201，0mce of Naval Research、Kea而tt GuidaIlce aIld Navigation corp．和Electm—Optics Center的联合研制，该激光陀螺小型化工程化项目于2002年6月完成，生产的微三轴激光陀螺仪型号为T16-B 121。

据初步估算，如果T16-b的产量达到12000个，每套器件的成本将会节约641美元，所以，M锄Tech的100万美元的投资，将会给海军和空军节约大约700万美元。为了能够研制结构更简单、功耗更小、使用更方便的新式激光陀螺仪器，各国科学家都在努力地发展环形半导体激光器。随着环形半导体激光器的成熟和改进，利用环形半导体激光器制造新型环形半导体激光陀螺已经成为可能。日本学者试验的环形半导体激光器构成的角度测量元件能够正常工作，并且成功进行了微机械转动半导体激光器件中两组相向传播振动光波的频差自检测p o。用于试验的半导体环形激光器包括了长尾激光二极管放大模块。该半导体激光陀螺拍频的信息是在半导体环形激光器终端进行电压测试获得，从而不会损失光学环路中的能量。拍频作为检测旋转速度的一个功能测量，同时，还通过改变旋转半径来研究检测精度对于旋转半径的依赖程度。试验证明：该半导体激光系统标准检测灵敏度特性和鲫瑚效应的理论预测吻合很好，这表明半导体环形激光器可以用来作为光学陀螺使用。此外,试验还证明:闭锁效应是半 导体激光陀螺(semiconductor ring laser gyroscope)的主要噪声源之一。

新的理论和方法由于现有的先进拦截机技术和卫星导航项目需要更高的信号处理速度和更低的环境噪声，这些都要求基于惯性系统的环形激光陀螺仪进行初始化和处理数据时，能够削减潜在的大量相关噪声。当考虑到以上要求时，现有的信号处理算法都没有达到最优状态。为了能够给商业和军事应用提供一个最优的激光陀螺仪使用备选方案，近年来，美国在充分利用激光陀螺仪的硬件资源、尽力削减激光陀螺仪的相关噪声、设法达到激光陀螺仪的极限精度方面，做了比较多的探索、开发和研究工作。

200l～2002年，美国佛罗里达高科技领域研究中，Hon—eywell公司和佛罗里达的大学进行了合作项目研究。主要是研究了基于航空航天应用的环形激光陀螺系统实时自适应削减噪声的算法Ho和集成电路的实现。主要研究和实现方法包括最小二乘法(1east mean square，LMs)和递归最小方差(recursive least square)等算法在内的实时自适应滤波器，能够评估系统的一些均衡性能，如，收敛速率、削减相关噪声效率、组织的复杂性和计算效率等。该项目的实施，还有一个重要的意义，就是进行把激光陀螺的整体精度提高到其理论所能达到的极限精度的尝试。

在从新的角度认识和分析激光陀螺方面，俄罗斯学者提出了一种新的概念来对激光陀螺的特性和相关问题进行解释。他们提出的概念是：光动力学，即当具有线动量或者角动量的光和外力或惯性系统的力动量相互作用时候，运动系统的时间和维数不发生改变。关于激光陀螺的许多现象都可以用这个新发展的理论来解释。它从新的角度界定了激光陀螺旋转角度的最小量；从新的角度解释了激光陀螺刻度因子的附加衰减原因。根据光动力学理论，激光陀螺存在的锁区，其实是激光陀螺谐振腔中激光力动量精度的一个反映。根据这个全新的概念，不仅能够定义激光陀螺回转仪常量，而且还构想出了自主激光加速度计的概念。

在对于激光陀螺惯性系统的建模改进和数据分析方面，加拿大的学者利用先进的小波理论(wavelet)、自回归(autoregressive)模型和自相关序列等技术，全面分析了一些具有代表性的惯导系统数据一包括两种激光陀螺(the LTN90-100和HGl700)数据在内，重新建立了针对捷联惯导系统的模型。对比传统捷联导航系统的方法表明：该种方法能够有效地提高激光陀螺导航系统的精度。由于高精度激光陀螺的价格比较昂贵，并且被政府支配和限定，所以，高精度的激光陀螺的获得和使用受到很大的限制，为了能够充分利用精度较低的激光陀螺，各种信息融合的方法和技术就应运而生了。例如：发展了低成本的组合导航系统，并且利用新的标定方法以及改进的卡尔曼滤波方法，提高了导航系统精度；在战术导弹精度的级别上，注重实时自适应的定位和导航方法和技术的使用等

新的应用领域典型的陀螺惯性测量单元(inenial measureInent unit)，包括三轴陀螺、三轴加速度计。在商业用途方面，高精度的光学陀螺仪在航空导航领域得到应用。RLS是应用于商业飞机导航系统的主要光学陀螺仪。战略级别、高性能的机械陀螺对于当前的战术级别的导弹来说太昂贵了。因此，导航级别的光学陀螺被很好地应用到了中程到远程的武器系统和地面车辆导航系统。精度在1 852h的RIC已在大量的高性能领域中替代了传统意义上的机械转子陀螺仪。而可能主导中高精度领域的光纤陀螺F0lG和GPS辅助系统，正在高精度军用和商业领域和激光陀螺做激烈的争夺。

由于激光陀螺具有的优良特性，除了以上传统的三轴激光陀螺惯性导航系统及其所应用的空间和地面领域外，激光陀螺还被推广应用到其它方面。非完整惯性测量单元的出现，拓宽了激光陀螺的使用范围和功能。非完整组合模式包括多种，如，2个激光陀螺和3个加表，1个激光陀螺和2个加表、1个激光陀螺和3个加表等。把激光陀螺的多种非完整系统应用于车载的导航系统中，既能够根据实际系统的误差和精度需要，选择不同模式有效地测量运动载体的各种参数，又能够减少激光陀螺的使用数量，降低测量系统的成本、功耗和体积，充分利用激光陀螺资源。这种地面载体的典型应用系统有火车轨道参数测量系统、地球同步卫星跟踪系统等。在发展新一代的洲际弹道导弹(intercontinental ballisticmissile)和发展新一代扩大空间活动能力的空间运载火箭
(space launch vehicle)方面，激光陀螺也是其导航系统的首选。在充分综合考虑了性能、成本、技术水平和相关的指标后，2002年，美国调研设计四级的SLV，其首选导航设备是Honeywell的高精度环形激光陀螺系统，其平均故障间隔时问长达到20000h，并且综合性能远远高于光纤陀螺和微机械陀螺。除了空间运载火箭和卫星上应用激光陀螺以外，激光陀螺还被应用于深水自动机器人等领域。在地震的分析和探测中，国外学者也充分地利用了环形激光陀螺仪器。他们利用环形激光陀螺进行地震探测中的自回归分析。主要利用单轴的环形激光陀螺对于地震波数据的探测、分析和测试，并且利用环形激光陀螺捕获记录的地震P波和s波信息，然后，利用二阶自回归AR2模型来分析地震波数据，从而得到了一些有意义的结果和结论。

环形激光陀螺还被用来测量运动物体的形变情况。通过在船舶的不同位置安装环形激光陀螺模块，搜集载体的相关信息，采用测量船舶变形的分析方法，通过卡尔曼滤波器处理这些模块输出信号来估计载体的动态和静态形变量。计算运动物体形变量的计算过程中，陀螺漂移影响的考虑使得算法的数学模型更为精确。

由于激光陀螺系统具有较高的精度和优良的特性，所以，除了把激光陀螺作为器件使用以外，激光陀螺系统还被作为标准导航仪器或者方向罗盘使用，去标定或者分析其它导航系统的精度情况。比如：一个新型的仅仅包括加速度计和磁航向传感器的步行者系统中，就使用到了激光陀螺仪器作为标准的参考系统。把加速度计固定在步行者的脚上配合磁传感器，感受脚的姿态、振动和方向，从而更精确地计算出步行者的步长大小和步行的方向，同时，使用了激光陀螺组合导航系统作为该系统的参考标准，对该系统进行考核和测试。激光陀螺系统用作其它导航系统的参考标准系统，标定其它系统的精度和效果，可以看作是高精度的激光陀螺仪导航系统区别于其它导航系统的一个突出应用。2

环形激光陀螺信号分析与处理环形激光陀螺(RLG)是基于 Sagnac 效应的新型陀螺 ,与传统的机械陀螺相比有许多突出的优点:它具有较高的稳定性和可靠性、较大的动态范围、启动较快 。因此 , 在国外 , RLG 已经得到了广泛的应用 ,成为中等精度至高精度捷联惯导系统的重要部件。作为为捷联系统提供信息的重要传感器,RLG 的精度将直接影响捷联惯导系统的导航精度。虽然使用高精度的激光陀螺能取得满意的效果,但其成本也较高 。因而, 研究 RLG 输出的随机误差, 并根据实际情况进行必要的处理, 对于构成实际的捷联系统是有重要意义的 。文献3首先对RLG 的输出信号进行了时频分析, 并采用 Allan 方差方法对 RLG 的随机误差进行了分析和计算 ,然后采用数字信号处理的混合滤波技术对 RLG信号进行了处理, 有效地降低了噪声。

发展建议可以参考相关情况, 把握激光陀螺应用开发的关键时刻, 根据我国国情以及国内激光陀螺工业的现状, 力争迎头赶上。以下是对国内激光陀螺工业发展的一些建议:

(1)研究现有的激光陀螺成熟的产品, 致力于开展难度较大技术的研究。 注重基础工业的发展和完善, 尽量延长激光陀螺仪的寿命和工作稳定性能, 巩固和提高抖动激光陀螺, 速率激光陀螺和四频差动激光陀螺的精度;

(2)提高和改善激光陀螺稳频电路、稳频电路稳定性能以及激光陀螺本身器件的工艺。 应用信号处理技术对于激光陀螺的原始数据进行预先处理和优化;

(3)通过改进算法和改善误差建模, 来剔除激光陀螺的误差以及由于引入了偏频技术而带来的误差, 尽量提高激光陀螺纯捷联的精度;

(4)研究和设计新的算法和组合, 使得激光陀螺和其它的导航设备能够很好地实现信息融合, 从而改善组合导航的精度和实时性能;

(5)增加各个惯导研制单位之间的分工协作, 博采众长，达到优势互补, 从而, 最大限度地提高国内整体水平。 增加激光陀螺的应用领域, 力争在新的应用领域发挥积极作用;

(6)关注新技术和新工艺进展, 构思和设计新的惯导组件—尤其是可以弥补激光陀螺锁区的新式导航组件。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学