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激光陀螺仪的结构原理和特点有哪些

 时间:2019-08-22 | 浏览: 次 | 来源:天羿领航

  今天小编结合激光陀螺仪的结构原理和特点,以及激光陀螺仪的用途为大家作个介绍。

  美国早在上世纪60年代就开始了对激光陀螺仪的研究,并于70年代将其用于制导武器上。中国前后也成立了专门的研究室,用于研究激光陀螺仪。相对于西方来说,中国各种基础设备及技术手段都是相当落后的,加上西方的封锁,中国进行这项实验几乎是没有任何外力可以依靠的,而在专家的带领下,我国历时43年,终于研制出了全内腔绿色氦氖激光器,使得中国成了美、俄、法之后,世界上第四个可独立研制激光陀螺仪的国家。

  而激光陀螺仪的研制成功,对于我国航空航天以及军事领域,都是有着非常深远的影响意义,而最令人欣慰的是在此过程中中国收获了一大批宝贵的科技人才,其中就包括技术带头人高伯龙院士,正是这些科技人才的不断努力,中国武器才有了创新和发展的契机,中国才有了迈向世界一流军事强国的契机。

  现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。

  传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。一般把陀螺仪分为激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺和压电陀螺,这些都是属于电子式的,可跟GPS、磁阻芯片以及加速度计一起制造成为惯性导航控制系统。

  现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种,它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。

  也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪,如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。

  从这个简单的介绍可以看出,干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小,所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度,而谐振式的陀螺仪在实现干涉时,它的光程差较大,所以它所要求的光源必须有很好的单色性。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。

  由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外,还有现代集成式的振动陀螺仪,集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度,体积更小,也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。

  激光陀螺仪的用途

  陀螺仪通常装置在除了要定出东西南北方向,还要能判断上方跟下方的交通工具或载具上,像是飞机、飞船、飞弹、人造卫星、潜艇等等。它是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据。这是因为在高速旋转下,陀螺仪的转轴稳定的指向固定方向,将此方向与飞行器的轴心比对后,就可以精确得到飞机的正确方向。罗盘不能取代陀螺仪,因为罗盘只能确定平面的方向。

  另一方面,陀螺仪也比传统罗盘方便,因为传统罗盘是利用地球磁场定向,所以会受到矿物分布干扰,例如受到飞机的机身或船身含铁物质的影响;另一方面,在两极也会因为地理北极跟地磁北极的不同而出现很大偏差,所以航空、航海都已经以陀螺仪以及卫星导航系统作为定向的主要仪器。

  激光陀螺仪的结构和原理

  激光陀螺仪的光环路实际上是一种光学振荡器,按光腔形状分有三角形陀螺和正方形陀螺,腔体结构有组件式和整体式两种,一般三角型激光陀螺用的最多。典型的激光陀螺的结构是这样的:它的底座是一块低膨胀系数的三角形陶瓷玻璃,在其上加工出等边三角形的光腔,陀螺仪就由这样闭合的三角形光腔组成,三角形的边长安装在每个角上的输出反射镜,控制反射镜和偏量反射镜限定,在三角形的一条边上安装充以低压氦氖混合气体的等离子管。

 

  激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度( Sagnac 效应)。在闭合光路中,由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉,利用检测相位差或干涉条纹的变化,就可以测出闭合光路旋转角速度。

  激光陀螺仪的基本元件是环形激光器,环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成,内有一个或几个装有混合气体(氦氖气体)的管子,两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体,产生单色激光。为维持回路谐振,回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路,经反射镜使两束相反传输的激光干涉,通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。

  激光陀螺仪的特点

  激光陀螺仪没有旋转的转子部件,没有角动量,也不需要方向环框架,框架伺服机构,旋转轴承,导电环及力矩器和角度传感器等活动部件,结构简单,工作寿命长,维修方便,可靠性高,激光陀螺仪的平均无故障工作时间已达到九万小时以上。

  激光陀螺仪的动态范围很宽,测得速率为±1500度每秒,最小敏感角速度小于±0.001度每小时一下,分辨率为/弧度秒数量级,用固有的数字增量输出载体的角度和角速度信息,无需精密的模数转换器,很容易转换成数字形式,方便与计算机接口,适合捷联式系统使用。

  激光陀螺仪的工作温度范围很宽(从-55℃~﹢95℃),无需加温,启动过程时间短,系统反应时间快,接通电源零点几秒就可以投入正常工作。达到0.5度每小时的精度,只需50毫秒时间,对武器系统的制导来说,是十分宝贵的。

  激光陀螺仪没有活动部件,不存在质量不平衡问题,所以对载体的震动及冲击加速度都不敏感,对重力加速度的敏感度也可忽略不计,因而无需不平衡补偿系统,输出信号没有交叉耦合项,精度高,偏值小于0.001度每小时,随机漂移小于0.001度每小时,长期精度稳定性好,在9年内输出没有任何变化,重复性极好。

  激光陀螺仪没有精密零件,组成陀螺的零件品种和数量少,机械加工较少,易于批量生产和自动化生产,成本是常规陀螺的三分之一左右。

  激光陀螺仪需要突破的主要技术原理为噪声、漂移和闭锁阈值

  噪声

  激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。噪声主要来自两个方面:一是激光介质的自发发射,这是激光陀螺仪噪声的量子极限。二是机械抖动为多数激光陀螺仪采用的偏频技术,在抖动运动变换方向时,抖动角速率较低,在短时间内,低于闭锁阈值,将造成输入信号的漏失,并导致输出信号相位角的随机变化。

  飘移

  激光陀螺仪的飘移表现为零点偏置的不稳定度,主要误差来源有:谐振光路的折射系数具有各向异性,氦氖等离子在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等。

  闭锁阈值

  闭锁阈值将影响到激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度。闭锁阈值取决于谐振光路中的损耗,主要是反射镜的损耗激光陀螺是在光学干涉原理基础上发展起来的新型导航仪器,成为新一代捷联式惯性导航系统理想的主要部件,用于对所设想的物体精确定位。石英挠性摆式加速度计是由熔融石英制成的敏感元件,挠性摆式结构装有一个反馈放大器和一个温度传感器,用于测量沿载体一个轴的线加速度。

  激光陀螺仪三轴惯测组合由三个光纤陀螺仪和三个石英挠性摆式加速度计组成,可以实时地输出载体的角速度、线加速度、线速度等数据,具有对准、导航和航向姿态参考基准等多种工作方式,用于移动载体的组合导航和定位,同时为随动天线的机械操控装置提供准确的数据。主要性能:加表精度 1×10-4g ;光纤陀螺精度(漂移稳定性)≤1°/h ;标度固形线性度≤5×10-4 。激光于1960 年在世界上首次出现。1962 年,美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿研制用激光来作为方位测向器,称之为激光陀螺仪。

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