環式雷射陀螺

環式雷射陀螺 （縮寫為RLG）包括一個環式雷射儀，在同一光路中反向傳播同一光源輸出的雷射，通過薩格納克效應來檢測外界環形的旋轉角速度。

環形雷射陀螺是當前高精度捷聯慣導系統中最重要的設備之一, 它在軍用領域和商用領域獲得了廣泛的套用。和環形雷射陀螺相關的進展主要可以概況為三個方面:雷射陀螺研製技術的進步;對雷射陀螺系統研究方法的深入和雷射陀螺套用領域的擴展。 雷射陀螺發展的最新動態, 對國內雷射陀螺工業有重要的參考價值, 將有助於提高我國環形雷射陀螺技術水平。

基本介紹

• 中文名：環式雷射陀螺
• 外文名：ring laser gyro
• 縮寫：RLG
• 套用領域：主要軍用領域和商用領域

背景

雷射於1960年在世界上首次出現。美國斯佩里公司於1963年首先做出了雷射陀螺儀的實驗裝置。1966年，美國霍尼威爾公司開始使用石英作腔體，並研究出交變機械抖動偏頻法，使這項技術有了實用的可能。經過30多年的發展和完善，雷射陀螺捷聯慣導系統在軍用、民用方面被廣泛套用。在中高精度慣導系統中占有相當大的市場，在波音747-400，757，767，737，空中客車A320，A340等均裝備了雷射陀螺慣性基準系統。

雷射陀螺以其獨特的優點和性能在新興的固態陀螺領域處於非常重要的地位，對現代的導航系統發展和進步起著不可替代的作用。在陀螺技術進展過程中…，動力調諧陀螺(D’rG)已經淘汰，高精度的套用領域中，雷射陀螺一直占據著主導位置。雖然科技進步將會使得光纖陀螺(FOG)和微機械陀螺(MEMs)精度會越來越高，但是，已經成熟的雷射陀螺系統在今後相當長的一段時期內仍將保持其突出的優勢，在各種套用領域中處於重要的地位。

簡介

1963年美國的Macek與Davis首次進行了環式雷射陀螺的實驗。全世界不同的機構隨後進一步研製環式雷射技術，慣性導航系統中數以萬計的環式雷射陀螺工作在高精度狀態，漂移不確定性好於0.01°/小時，平均故障間隔超過60,000小時。

環式雷射器的工作模式。

環式雷射陀螺的優點是沒有移動部件，因而沒有摩擦，也就沒有內在的漂移。相比於傳統的機械陀螺，它更為緊湊、更輕。

環式雷射陀螺廣泛套用于軍機、民航飛機、船隻、空間飛行等慣性導航系統。

形雷射陀螺是當前高精度捷聯慣導系統中最重要的設備之一，它在軍用領域和商用領域獲得了廣泛的套用。和環形雷射陀螺相關的進展主要可以概況為三個方面：雷射陀螺研製技術的進步；對雷射陀螺系統研究方法的深入和雷射陀螺套用領域的擴展6雷射陀螺發展的最新動態，對國內雷射陀螺工業有重要的參考價值。

發展現狀

隨著科學技術的進步和工藝水平的提高，環形雷射陀螺領域也出現了嶄新的進展，主要反映在以下3個方面：新式的雷射陀螺；新的理論和算法；新的套用領域。下面分別予以介紹。

新式雷射陀螺

陀螺發展的不同階段，都會有新式陀螺的出現、發展和使用。Honeywell公司的陀螺發展表格有助於更好地了解雷射陀螺系統的發展歷程及其所處的位置。

美國Honeyweu公司的抖動雷射陀螺的軟體、硬體技術已相當成熟。新式雷射陀螺的進展雖然包括了一些關於機械抖動雷射陀螺和四頻差動雷射陀螺的技術改進方面的研究，但是，主要成果仍然是在激
光陀螺的小型化、工程化和雷射陀螺的新型化方面的進展。

微型三軸雷射陀螺儀是慣性測量單元中最昂貴的關鍵器件，廣泛套用在眾多的武器系統中，如，聯合獨立武器(Jsow)、全球鷹無人偵察機導航系統、烈火偵察機導航系統、P一3合成孔徑雷達天線、P一3c反潛巡邏機改進系統的標準航向參考備份系統、陀螺羅盤感測系統和先進兩棲攻擊戰車導航系統等。為了能夠有效地降低成本，使得微型雷射陀螺儀的製造技術工程化，2000年3月，由美國常規打擊武器計畫辦公室(PMA-201)倡議，海軍航空科學技術辦公室的NAVAIR製造技術(ManTech)組織資助，研究單片電路的環形雷射陀螺(mon01ithic ring laser gyr0)製造自動化工程實現技術。通過美國PMA 201，0mce of Naval Research、Kea而tt GuidaIlce aIld Navigation corp．和Electm—Optics Center的聯合研製，該雷射陀螺小型化工程化項目於2002年6月完成，生產的微三軸雷射陀螺儀型號為T16-B 121。

據初步估算，如果T16-b的產量達到12000個，每套器件的成本將會節約641美元，所以，M鋤Tech的100萬美元的投資，將會給海軍和空軍節約大約700萬美元。為了能夠研製結構更簡單、功耗更小、使用更方便的新式雷射陀螺儀器，各國科學家都在努力地發展環形半導體雷射器。隨著環形半導體雷射器的成熟和改進，利用環形半導體雷射器製造新型環形半導體雷射陀螺已經成為可能。日本學者試驗的環形半導體雷射器構成的角度測量元件能夠正常工作，並且成功進行了微機械轉動半導體雷射器件中兩組相向傳播振動光波的頻差自檢測p o。用於試驗的半導體環形雷射器包括了長尾雷射二極體放大模組。該半導體雷射陀螺拍頻的信息是在半導體環形雷射器終端進行電壓測試獲得，從而不會損失光學環路中的能量。拍頻作為檢測旋轉速度的一個功能測量，同時，還通過改變旋轉半徑來研究檢測精度對於旋轉半徑的依賴程度。試驗證明：該半導體雷射系統標準檢測靈敏度特性和鯽瑚效應的理論預測吻合很好，這表明半導體環形雷射器可以用來作為光學陀螺使用。此外,試驗還證明:閉鎖效應是半 導體雷射陀螺(semiconductor ring laser gyroscope)的主要噪聲源之一。

新的理論和方法

由於現有的先進攔截機技術和衛星導航項目需要更高的信號處理速度和更低的環境噪聲，這些都要求基於慣性系統的環形雷射陀螺儀進行初始化和處理數據時，能夠削減潛在的大量相關噪聲。當考慮到以上要求時，現有的信號處理算法都沒有達到最優狀態。為了能夠給商業和軍事套用提供一個最優的雷射陀螺儀使用備選方案，近年來，美國在充分利用雷射陀螺儀的硬體資源、盡力削減雷射陀螺儀的相關噪聲、設法達到雷射陀螺儀的極限精度方面，做了比較多的探索、開發和研究工作。

200l～2002年，美國佛羅里達高科技領域研究中，Hon—eywell公司和佛羅里達的大學進行了合作項目研究。主要是研究了基於航空航天套用的環形雷射陀螺系統實時自適應削減噪聲的算法Ho和積體電路的實現。主要研究和實現方法包括最小二乘法(1east mean square，LMs)和遞歸最小方差(recursive least square)等算法在內的實時自適應濾波器，能夠評估系統的一些均衡性能，如，收斂速率、削減相關噪聲效率、組織的複雜性和計算效率等。該項目的實施，還有一個重要的意義，就是進行把雷射陀螺的整體精度提高到其理論所能達到的極限精度的嘗試。

在從新的角度認識和分析雷射陀螺方面，俄羅斯學者提出了一種新的概念來對雷射陀螺的特性和相關問題進行解釋。他們提出的概念是：光動力學，即當具有線動量或者角動量的光和外力或慣性系統的力動量相互作用時候，運動系統的時間和維數不發生改變。關於雷射陀螺的許多現象都可以用這個新發展的理論來解釋。它從新的角度界定了雷射陀螺旋轉角度的最小量；從新的角度解釋了雷射陀螺刻度因子的附加衰減原因。根據光動力學理論，雷射陀螺存在的鎖區，其實是雷射陀螺諧振腔中雷射力動量精度的一個反映。根據這個全新的概念，不僅能夠定義雷射陀螺迴轉儀常量，而且還構想出了自主雷射加速度計的概念。

在對於雷射陀螺慣性系統的建模改進和數據分析方面，加拿大的學者利用先進的小波理論(wavelet)、自回歸(autoregressive)模型和自相關序列等技術，全面分析了一些具有代表性的慣導系統數據一包括兩種雷射陀螺(the LTN90-100和HGl700)數據在內，重新建立了針對捷聯慣導系統的模型。對比傳統捷聯導航系統的方法表明：該種方法能夠有效地提高雷射陀螺導航系統的精度。由於高精度雷射陀螺的價格比較昂貴，並且被政府支配和限定，所以，高精度的雷射陀螺的獲得和使用受到很大的限制，為了能夠充分利用精度較低的雷射陀螺，各種信息融合的方法和技術就應運而生了。例如：發展了低成本的組合導航系統，並且利用新的標定方法以及改進的卡爾曼濾波方法，提高了導航系統精度；在戰術飛彈精度的級別上，注重實時自適應的定位和導航方法和技術的使用等

新的套用領域

典型的陀螺慣性測量單元(inenial measureInent unit)，包括三軸陀螺、三軸加速度計。在商業用途方面，高精度的光學陀螺儀在航空導航領域得到套用。RLS是套用於商業飛機導航系統的主要光學陀螺儀。戰略級別、高性能的機械陀螺對於當前的戰術級別的飛彈來說太昂貴了。因此，導航級別的光學陀螺被很好地套用到了中程到遠程的武器系統和地面車輛導航系統。精度在1 852h的RIC已在大量的高性能領域中替代了傳統意義上的機械轉子陀螺儀。而可能主導中高精度領域的光纖陀螺F0lG和GPS輔助系統，正在高精度軍用和商業領域和雷射陀螺做激烈的爭奪。

由於雷射陀螺具有的優良特性，除了以上傳統的三軸雷射陀螺慣性導航系統及其所套用的空間和地面領域外，雷射陀螺還被推廣套用到其它方面。非完整慣性測量單元的出現，拓寬了雷射陀螺的使用範圍和功能。非完整組合模式包括多種，如，2個雷射陀螺和3個加表，1個雷射陀螺和2個加表、1個雷射陀螺和3個加表等。把雷射陀螺的多種非完整系統套用於車載的導航系統中，既能夠根據實際系統的誤差和精度需要，選擇不同模式有效地測量運動載體的各種參數，又能夠減少雷射陀螺的使用數量，降低測量系統的成本、功耗和體積，充分利用雷射陀螺資源。這種地面載體的典型套用系統有火車軌道參數測量系統、地球同步衛星跟蹤系統等。在發展新一代的洲際彈道飛彈(intercontinental ballisticmissile)和發展新一代擴大空間活動能力的空間運載火箭
(space launch vehicle)方面，雷射陀螺也是其導航系統的首選。在充分綜合考慮了性能、成本、技術水平和相關的指標後，2002年，美國調研設計四級的SLV，其首選導航設備是Honeywell的高精度環形雷射陀螺系統，其平均故障間隔時問長達到20000h，並且綜合性能遠遠高於光纖陀螺和微機械陀螺。除了空間運載火箭和衛星上套用雷射陀螺以外，雷射陀螺還被套用於深水自動機器人等領域。在地震的分析和探測中，國外學者也充分地利用了環形雷射陀螺儀器。他們利用環形雷射陀螺進行地震探測中的自回歸分析。主要利用單軸的環形雷射陀螺對於地震波數據的探測、分析和測試，並且利用環形雷射陀螺捕獲記錄的地震P波和s波信息，然後，利用二階自回歸AR2模型來分析地震波數據，從而得到了一些有意義的結果和結論。

環形雷射陀螺還被用來測量運動物體的形變情況。通過在船舶的不同位置安裝環形雷射陀螺模組，蒐集載體的相關信息，採用測量船舶變形的分析方法，通過卡爾曼濾波器處理這些模組輸出信號來估計載體的動態和靜態形變數。計算運動物體形變數的計算過程中，陀螺漂移影響的考慮使得算法的數學模型更為精確。

由於雷射陀螺系統具有較高的精度和優良的特性，所以，除了把雷射陀螺作為器件使用以外，雷射陀螺系統還被作為標準導航儀器或者方向羅盤使用，去標定或者分析其它導航系統的精度情況。比如：一個新型的僅僅包括加速度計和磁航向感測器的步行者系統中，就使用到了雷射陀螺儀器作為標準的參考系統。把加速度計固定在步行者的腳上配合磁感測器，感受腳的姿態、振動和方向，從而更精確地計算出步行者的步長大小和步行的方向，同時，使用了雷射陀螺組合導航系統作為該系統的參考標準，對該系統進行考核和測試。雷射陀螺系統用作其它導航系統的參考標準系統，標定其它系統的精度和效果，可以看作是高精度的雷射陀螺儀導航系統區別於其它導航系統的一個突出套用。

環形雷射陀螺信號分析與處理

環形雷射陀螺(RLG)是基於 Sagnac 效應的新型陀螺 ,與傳統的機械陀螺相比有許多突出的優點:它具有較高的穩定性和可靠性、較大的動態範圍、啟動較快 。因此 , 在國外 , RLG 已經得到了廣泛的套用 ,成為中等精度至高精度捷聯慣導系統的重要部件。作為為捷聯繫統提供信息的重要感測器,RLG 的精度將直接影響捷聯慣導系統的導航精度。雖然使用高精度的雷射陀螺能取得滿意的效果,但其成本也較高 。因而, 研究 RLG 輸出的隨機誤差, 並根據實際情況進行必要的處理, 對於構成實際的捷聯繫統是有重要意義的 。文獻首先對RLG 的輸出信號進行了時頻分析, 並採用 Allan 方差方法對 RLG 的隨機誤差進行了分析和計算 ,然後採用數位訊號處理的混合濾波技術對 RLG信號進行了處理, 有效地降低了噪聲。

發展建議

可以參考相關情況, 把握雷射陀螺套用開發的關鍵時刻, 根據我國國情以及國內雷射陀螺工業的現狀, 力爭迎頭趕上。以下是對國內雷射陀螺工業發展的一些建議:

(1)研究現有的雷射陀螺成熟的產品, 致力於開展難度較大技術的研究。 注重基礎工業的發展和完善, 儘量延長雷射陀螺儀的壽命和工作穩定性能, 鞏固和提高抖動雷射陀螺, 速率雷射陀螺和四頻差動雷射陀螺的精度;

(2)提高和改善雷射陀螺穩頻電路、穩頻電路穩定性能以及雷射陀螺本身器件的工藝。 套用信號處理技術對於雷射陀螺的原始數據進行預先處理和最佳化;

(3)通過改進算法和改善誤差建模, 來剔除雷射陀螺的誤差以及由於引入了偏頻技術而帶來的誤差, 儘量提高雷射陀螺純捷聯的精度;

(4)研究和設計新的算法和組合, 使得雷射陀螺和其它的導航設備能夠很好地實現信息融合, 從而改善組合導航的精度和實時性能;

(5)增加各個慣導研製單位之間的分工協作, 博採眾長，達到優勢互補, 從而, 最大限度地提高國內整體水平。 增加雷射陀螺的套用領域, 力爭在新的套用領域發揮積極作用;

(6)關注新技術和新工藝進展, 構思和設計新的慣導組件—尤其是可以彌補雷射陀螺鎖區的新式導航組件。