激光陀螺儀

　　激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度( Sagnac 效應)。在閉合光路中，由同一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉，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角速度。激光陀螺儀的基本元件是環形激光器，環形激光器由三角形或正方形的石英制成的閉合光路組成，內有一個或幾個裝有混合氣體(氦氖氣體)的管子，兩個不透明的反射和一個半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發混合氣體，產生單色激光。為維持路諧振，回路的周長應為光波波長的整數倍。用半透明鏡將激光導出回路，經反射鏡使兩束相反傳輸的激光干涉，通過光電探測器和電路輸入與輸出角度成比例的數字信號。

圖1 環形激光器

　　相比于傳統的機電陀螺儀，激光陀螺儀的主要優點有：

　　(1)可靠性高，壽命長；

　　(2)啟動速度快；

　　(3)動態范圍大；

　　(4)比例因子線性度好；

　　(5)抗振動沖擊性能好；

　　(6)體積小、重量輕、功耗低；

　　(7)數字量輸出；

　　(8)無交叉耦合效應；

　　(9)對加速度不敏感。

　　這些特點使它特別適用于構建捷聯式慣性導航系統。

01慣性導航與制導、姿態測量與控制

　　激光陀螺儀最重要的應用是慣性測量如慣性導航和制導、姿態測量與控制。慣性導航是一種自主的導航技術，它不需要外界信息即可實現導航，因此具有隱蔽性好、不受外界干擾等優點，在軍事場合具有重要的價值。機載合成孔徑雷達和紅外傳感器、艦載衛星通信天線、星載紅外傳感器和攝像機等需要精確的傳感器姿態信息來對傳感器的運動進行補償或者對傳感器的姿態進行控制。

　　在航空上，陀螺儀用來測量飛機的姿態角(俯仰角、橫滾角、航向角)和角速度，以它為核心構成的慣導系統可以為飛機提供姿態、航向、速度和位置，即導航所需的所有參量，因此被稱為飛機上的中心信息源。目前大多數西方的軍用和民用飛機都采用激光陀螺慣導系統，如F-22、F-35、SU-30等戰機以及B747、A320等民航機。

　　在航海上，陀螺儀早已成為航海的重要導航儀器。航海慣導能夠為艦船提供位置、姿態、速度等數據，不僅可用于艦船自身的導航，還可為艦載武器提供方位基準或穩定平臺。Sperry公司的MK39系列激光陀螺慣導系統已被超過24個國家的海軍用于各種艦船平臺，MK-49 激光陀螺導航儀已成為北約12個國家的標準設備，AN/WSN-7系列激光陀螺導航系統是美國海軍水面艦船和潛艇的標準設備，并在2001就已完成全部航母換裝此系統的工作。

　　在地面上，坦克、火炮等常規兵器的機動能力和運動中攻擊能力對保存自己、打擊敵人極為重要，這就要求它們具有定位定向和導航能力。1989年開始使用的H-726型激光陀螺美軍標準地面導航系統，就已用在“帕拉丁”自行榴彈炮、瑞典的BKAN1A和FH-77B型榴彈炮，各種精密測量偵察車和布雷德利戰車等裝備上。

02動態測角

　　角度測量是幾何量計量技術的重要組成部分，激光陀螺儀可以實現高精度和高分辨率的動態角度測量。俄羅斯電子光學公司(Electrooptika Corp.)研制的激光陀螺測角儀可用于光學多面體和光學編碼器的校準、旋轉體的外部角度測量等，隨機誤差0.03角秒，單次測量的總誤差小于0.2角秒。激光陀螺儀測角技術除了精度和分辨率高之外，還有易于自校準、測量速度快等優點。

03地球物理學、基礎物理學

　　將激光陀螺安裝在望遠鏡上可以實時提供其角坐標，通過計算機求出實際角坐標與目標角坐標之間的差值，然后對其姿態進行控制可使之實時跟蹤目標，精度可達亞角秒。與光學編碼器和圓感應同步器相比，激光陀螺體積小、分辨率高，而且安裝調整非常簡單。通過增大激光陀螺的尺寸可顯著提高精度，新西蘭和德國聯合研制了超大激光陀螺，其中的UG-2型超大激光陀螺的環路面積達834 m2。用超大激光陀螺可以觀察微小的地震效應、固體地面潮汐效應(solid earth tides，不同于海洋潮汐效應)，還有望用來測量引力波等幾種相對論效應。

　　慣性導航系統的一大缺點是誤差隨時間累加，采用多傳感器信息融合的組合導航、零速修正和旋轉調制等技術可以從一定程度上克服該問題。采用GPS、星敏感器等與慣性系統進行組合，可大大提高激光陀螺導航系統的精度，減小誤差隨時間的積累。在實時性要求不高的場合，可以采取零速修正技術，能夠將定位精度從純慣性的1海里左右提高到米的量級，適用于對實時性要求不高的場合，如大地測量。采用旋轉調制技術后，激光陀螺慣性導航系統的精度能提高1到2個數量級，適合于長期導航。

　　激光陀螺以其獨特的優點在軍事、民用和科研等領域具有廣泛的應用。美國霍尼韋爾公司僅型號為GG-1320的激光陀螺即已生產了25萬只以上，且目前仍以1.7萬只每年的產量全速生產，諾斯羅普-格魯曼公司的零閉鎖激光陀螺也已生產了3萬只以上。盡管在價格上面臨微機電陀螺、光纖陀螺等陀螺的競爭，但在中高精度應用領域，激光陀螺仍有廣闊的市場。