国内外激光陀螺调研报告1、激光陀螺的发展历程和水平1.1激光陀螺发展历程1913年法国物理学家G. Sagnac提出环形光干涉与输入角速度成正比的sagnac 效应。

1960年7月7日第一台红宝石固体激光器诞生。

美国人C. V. Heer(1961年)和A. H. Rosenthal（1962年）提出将激光器用于Sagnac干涉仪构成激光陀螺。

1962年0.6328μm波长He-Ne气体激光器实现运转。

此时美、英、法、前苏联开始研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪，其原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。

1963年2月美国斯佩里公司的Macek和Davis宣布他们用环形行波激光器感测转速率获得成功，研制出世界上第一台环形激光陀螺实验装置，该装置的光程长达4米，精度约50 /h。

激光陀螺固有的闭锁效应以及零漂误差等给激光陀螺的研制带来许多困难，直到70年代，美国和法国的一些公司才陆续有激光陀螺产品问世。

1972年，霍尼韦尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪，经随后的改进后其零漂值达0.004º/h，尺寸大小为18cm×20cm×5cm，重量为3公斤。

1975年，霍尼韦尔公司又研制出机械抖动偏频的单轴激光陀螺，并首次成功地应用于战术飞机。

激光陀螺从此进入实用阶段。

并且成功地应用到战术导弹、直升机、潜艇、运载火箭等项目上。

80年代初期，激光陀螺进入批量生产阶段。

1982年，霍尼韦尔公司研制的ARINC 704激光陀螺惯性基准系统正式投入民用航线使用，该系统使用的是GG1342激光陀螺。

现在，世界上的大中型民航客机（如波音系列和空中客车系列）基本上都安装了激光陀螺惯性基准系统，用于导航与稳定。

80年代后期，霍尼韦尔公司和Litton 公司研制成功的激光陀螺产品零漂值优于0.01º/h，在航空领域获得广泛的应用。

90年代，又解决了激光陀螺的光学集成和数字化技术，使其更加易于工程实现。

1994年2月，日本H-2运载火箭呼啸升空，激光陀螺首次在航天运载器中取代挠性陀螺。

此外，法国Sextant公司研制的二频抖动激光陀螺，零漂值达0.005º/h，也用于阿里亚娜4火箭、阿里亚娜5火箭、军用机和远程导弹上。

90年代末期，美国Litton公司研制了四频差动激光陀螺，采用光学方法消除陀螺“闭锁”现象，所以又称为第二代激光陀螺，其零漂值已达0.001º/h，使激光陀螺精度又达到一个新的水平，其最佳时的零漂值已优于0.0003º/h，显然会成为纯惯性远程军用武器系统的优选对象。

1.2激光陀螺当前发展水平当目、前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美、英、德、法、日本、俄罗斯和中国，其中美国和法国研制的水平最高，激光陀螺技术发展很成熟，并形成了二频机抖、四频差动、空间三轴、塞曼陀螺等不同类型的系列产品。

总的来说激光陀螺将向高精度高可靠和小型化、低成本两大方向发展。

目前最高水平的激光陀螺为霍尼韦尔公司生产的GG-1389型陀螺仪，其零漂值为0.00015º/h，输入速率动态范围1500º/s，使用寿命20万小时以上，平均无故障时间大于1万小时，输入轴对准稳定度达到微弧量级。

低成本、小体积的激光陀螺以霍尼韦尔的GG1308为代表，其采用BK-7级（类似我国K9）玻璃，通过镜片、电极整体烧结工艺一次成形，总体积小于2立方英寸，其精度可达1º/h，重量为60克，能承受20g的振动，每个仅为1000美元。

由于这种激光陀螺体积小，重量轻，成本低，所以在武器装备上得到广泛应用。

由GG1308陀螺组成的一种INS型号主要有两种：一是HG1500-IMU，其中的QA-700加速度计的偏置稳定性为0.5mg，标度因数稳定性为500ppm，量测轴失准度为103"，体积为17.3cm×15.2cm×7.4cm，重量为3公斤，主要用于炸弹制导等。

二是HG1700-IMU，它也包含了3个GG1308激光陀螺和3个Bendix公司的RBA-500石英振梁加速度计，其主要用于联合直接攻击弹和制导多管火箭发射系统等武器系统。

截至到2003年9月，HG1700已交付65000套。

霍尼韦尔的另一种低成本陀螺为GG1320，其精度为0.1 º/h，重量为100克，输入速率可达+800度。

采用GG1320组成的INS型号为H-764C，定位精度<1.0nm/h，其中的加速度计为QA2000。

体积为17.8cm×17.8cm×27.9cm，重量为9.1公斤。

2、激光陀螺分类及其特点概述2.1激光陀螺分类激光陀螺原理上根本不同于普通的机电式陀螺。

常规机电转子陀螺依据普通的刚体力学原理按照机械储能方式工作，而激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的量子光学仪表，其依据基于广义相对论的Sagnac效应。

所谓的Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点出发的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同。

其相位差（或光程差）的大小与闭合光路的转动速率成正比。

激光谐振腔内的相位差又可以成为放大数百万倍的频率差，这样就可以通过测量光电信号的频率来测量物体的角速度、角度等。

与传统的机电式陀螺仪相比，激光陀螺仪构成简单，其主体为微晶玻璃腔体以及反射镜构成一个光学环形谐振腔，另外还有偏频系统、稳频控制系统、信号读出系统、信号处理系统、高压电源、磁屏蔽单元等部分。

激光陀螺的类型分类有多种：根据有无增益介质，激光陀螺分为、无源腔激光陀螺和有源腔激光陀螺。

目前几乎所有激光陀螺都是有源型的。

根据陀螺的处理闭锁效应的方式不同(偏频方式不同)，有源腔激光陀螺分为二频型和四频型两种。

其中二频陀螺根据偏频特点又分为机械抖动偏频、恒转偏频、磁镜交变偏频。

四频陀螺根据偏频特点又分为法拉第效应偏频、塞曼效应偏频。

陀螺按腔形又可分为平面型、非平面型。

其中平面型包括大多数单轴二频激光陀螺和腔内含有光学法拉第和水晶四频激光陀螺。

空间型包括集成在一块玻璃上的空间三轴激光陀螺，自偏频和塞曼两种四频激光陀螺。

按反射镜种类又可分为介质膜片激光陀螺和棱镜激光陀螺。

目前所有实用的激光陀螺均使用0.6328 um 的 He-Ne气体激光陀螺。

近年来，还出现了一些新型半导体、光纤谐振式激光陀螺。

这些陀螺已经脱离了传统的 He-Ne气体激光陀螺的框架，在某些方面可能具有更大的发展潜力。

美日法德和国内一些单位正在努力开展研究，取得了一些较好的实验结果。

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。

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Sagnac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。

可以预测随着半导体和光学技术的发展，这些结构更简单、功耗更小、使用更方便的新式激光陀螺仪有可能在未来的市场上出现。

2.2几种典型激光陀螺的特点下面我们对目前较为成熟的几种激光陀螺作一些点评。

（1）平面二频机抖目前，实现的激光陀螺中，应用最为成熟和广泛的是单轴抖动偏频激光陀螺，已经形成系列化产品。

该型陀螺具有制造工艺相对简单，成本较低，工程实现较为方便等特点。

采用交变偏频，对偏频的稳定性要求大大地降低了，易于实现。

交变偏频正、负半周波形和振幅的不对称性不会造成积累性的误差。

腔内无元件，对温度不太敏感,有利于实现中、高精度。

但每个抖动周期两次过锁区，带来过锁误差。

有活动部件，抗冲击振动能力相对较弱、由于工作在抖动状态，在系统使用上相对麻烦些。

短时间离散噪声相对大些，某些应用场合不利。

另外精度和小型化往往不能兼顾。

（2）磁镜交变偏频激光陀螺该陀螺采用交变磁场对反射片特殊膜层的克尔效应实现偏频。

它可以实现交变方波，减小过锁区的时间，从而减小过锁误差。

工作于饱和状态的磁镜，对励磁电流的稳定性要求不高，容易实现。

没有活动部件，结构简单，耐冲击能力强。

但由于谐振腔内必须维持P偏振光振荡，而磁镜对P光反射率较低，因此实现低损耗腔，对磁镜制备要求很高。

为了抑制S偏振光，腔内有元件，增加了腔振腔的损耗，并带来相应的零漂。

偏频量不易做大，难以实现高精度。

（3）速率偏频激光陀螺该陀螺采用速率转台实现偏频。

在锁区内停留的时间短，从而使锁区引起的随机游走噪声大为减少，有利于实现高精度。

采用交变偏频，对转动的稳定性要求降低。

腔内无元件，有利于实现高精度。

通过来回转动可以对陀螺零偏进行调制以减小零偏对系统的影响。

由于要用转台来实现交变转动，因此结构比较复杂。

有活动部件，耐冲击振动能力较差。

不容易标定，系统的导航解算相对比较复杂。

（4）棱镜激光陀螺在单轴抖动偏频激光陀螺中，还有一类特殊的激光陀螺，与大多数激光陀螺采用多层介质反射膜片不同该种陀螺采用在布氏角全透射和全反射的棱镜实现激光高反射。

这类陀螺静态环境下精度可以做到较高，但由于受棱镜磁偏转特性、特殊的气体稳频、全反射激光耦合输出的影响，动态环境下精度往往不高，难以实现工程化、小型化和高精度。

（5）空间三轴激光陀螺将三个二频激光陀螺集成在一整块微晶玻璃上，该种陀螺继承了单轴二频激光陀螺的大部分技术，可以一定程度上实现小型化和高精度，系统应用带来较大方便。

但制造难度较大，另外也难以达到很高精度。

（6）平面四频差动激光陀螺全固态零锁区无机械运动结构的四频差动激光陀螺是最为理想的激光陀螺发展方向。

由于采用法拉第偏频的四频差动陀螺为全固态，耐冲击振动能力强。

由于工作于锁区以外，从原理上消除了锁区带来的影响，有利于实现高精度，短时间离散噪声相对较小，某些应用场合有利。

但工作于园偏振光状态，对磁场变化敏感。

谐振腔内存在磁光元件，工艺难度加大，器件损耗也比较大。

旋光晶体的光轴失配将导致残余椭圆度，使谐振腔变得不稳定。

（7）四频差动塞曼激光陀螺对采用磁场塞曼效应实现偏频的空间异面型四频激光陀螺来说，腔内没有元件，全固态，耐冲击振动能力强。

但工作于园偏振光状态，对磁场变化敏感，磁屏蔽要求高。

偏频使增益介质产生变化，带来误差，不易达到高精度。