現代陀螺儀(yi) 是一種能夠精確地確定運動物體(ti) 的方位的儀(yi) 器，它是現代航空，航海，航天和國防工業(ye) 中廣泛使用的一種慣性導航儀(yi) 器，它的發展對一個(ge) 國家的工業(ye) ，國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義(yi) 。傳(chuan) 統的慣性陀螺儀(yi) 主要是指機械式的陀螺儀(yi) ，機械式的陀螺儀(yi) 對工藝結構的要求很高，結構複雜，它的精度受到了很多方麵的製約。

簡介

　　現代光纖陀螺儀(yi) 包括幹涉式陀螺儀(yi) 和諧振式陀螺儀(yi) 兩(liang) 種，它們(men) 都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一個(ge) 環形的通道中前進時，如果環形通道本身具有一個(ge) 轉動速度，那麽(me) 光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個(ge) 通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對於(yu) 環路在靜止時的光程都會(hui) 產(chan) 生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產(chan) 生幹涉來測量環路的轉動速度，這樣就可以製造出幹涉式光纖陀螺儀(yi) ，如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的幹涉，也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度，就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀(yi) 。從(cong) 這個(ge) 簡單的介紹可以看出，幹涉式陀螺儀(yi) 在實現幹涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀(yi) 在實現幹涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。
自從(cong) 上個(ge) 世紀七十年代以來，現代陀螺儀(yi) 的發展已經進入了一個(ge) 全新的階段。1976年等提出了現代光纖陀螺儀(yi) 的基本設想，到八十年代以後，現代光纖陀螺儀(yi) 就得到了非常迅速的發展，與(yu) 此同時激光諧振陀螺儀(yi) 也有了很大的發展。由於(yu) 光纖陀螺儀(yi) 具有結構緊湊，靈敏度高，工作可*等等優(you) 點，所以目前光纖陀螺儀(yi) 在很多的領域已經完全取代了機械式的傳(chuan) 統的陀螺儀(yi) ，成為(wei) 現代導航儀(yi) 器中的關(guan) 鍵部件。和光纖陀螺儀(yi) 同時發展的除了環式激光陀螺儀(yi) 外，還有現代集成式的振動陀螺儀(yi) ，集成式的振動陀螺儀(yi) 具有更高的集成度，體(ti) 積更小，也是現代陀螺儀(yi) 的一個(ge) 重要的發展方向。

分類

　　現代光纖陀螺儀(yi) 包括幹涉式陀螺儀(yi) 和諧振式陀螺儀(yi) 兩(liang) 種，它們(men) 都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一個(ge) 環形的通道中前進時，如果環形通道本身具有一個(ge) 轉動速度，那麽(me) 光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個(ge) 通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對於(yu) 環路在靜止時的光程都會(hui) 產(chan) 生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產(chan) 生幹涉來測量環路的轉動速度，這樣就可以製造出幹涉式光纖陀螺儀(yi) ，如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的幹涉，也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度，就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀(yi) 。從(cong) 這個(ge) 簡單的介紹可以看出，幹涉式陀螺儀(yi) 在實現幹涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀(yi) 在實現幹涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。
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原理

　　陀螺儀(yi) 基本上就是運用物體(ti) 高速旋轉時，角動量很大，旋轉軸會(hui) 一直穩定指向一個(ge) 方向的性質，所製造出來的定向儀(yi) 器。不過它必需轉得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然，隻要一個(ge) 很小的力矩，就會(hui) 嚴(yan) 重影響到它的穩定性。就像前麵第四頁的活動中，我們(men) 可以輕易的改變旋轉中車輪轉軸的方向一樣。所以設置在飛機、飛彈中的陀螺儀(yi) 是*內(nei) 部所提供的動力，使其保持高速轉動。
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用途

　　陀螺儀(yi) 通常裝置在除了要定出東(dong) 西南北方向，還要能判斷上方跟下方的交通工具或載具上，像是飛機、飛船、飛彈、人造衛星、潛艇......等等。它是航空、航海及太空導航係統中判斷方位的主要依據。這是因為(wei) 在高速旋轉下，陀螺儀(yi) 的轉軸穩定的指向固定方向，將此方向與(yu) 飛行器的軸心比對後，就可以精確得到飛機的正確方向。羅盤不能取代陀螺儀(yi) ，因為(wei) 羅盤隻能確定平麵的方向；另方麵陀螺儀(yi) 也比傳(chuan) 統羅盤方便可*，因為(wei) 傳(chuan) 統羅盤是利用地球磁場定向，所以會(hui) 受到礦物分布幹擾，例如受到飛機的機身或船身含鐵物質的影響；另方麵在兩(liang) 極也會(hui) 因為(wei) 地理北極跟地磁北極的不同而出現很大偏差，所以目前航空、航海都已經以陀螺儀(yi) 以及衛星導航係統作為(wei) 定向的主要儀(yi) 器。

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原理
激光陀螺儀(yi) 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(chuan) 輸的兩(liang) 束光和光幹涉，利用檢測相位差或幹涉條
紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉角速度。激光陀螺儀(yi) 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製成的閉合光路組成，內(nei) 有一個(ge) 或幾個(ge) 裝有混合氣體(ti) （氦氖氣
體(ti) ）的管子，兩(liang) 個(ge) 不透明的反射鏡和一個(ge) 半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發混合氣體(ti) ，
產(chan) 生單色激光。為(wei) 維持回路諧振，回路的周長應為(wei) 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(liang) 束相反傳(chuan) 輸的激光幹涉，通過光電探測器和電路輸入與(yu) 輸出角度成比
例的數字信號。
通過右邊的  示意圖更加容易理解。
激光陀螺儀(yi) 的結構
激光陀螺儀(yi) 的光環路實際上是一種光學振蕩器 ，按光腔形狀分有三角形陀螺和正方形陀螺，腔體(ti) 結構有組件式和整體(ti) 式兩(liang) 種，一般三角型激光陀螺用的最多。典型的激光陀螺的結構是這樣的：它的底座是一塊低膨脹洗漱的三角形陶瓷玻璃，在其上加工出等邊三角形的光腔，陀螺儀(yi) 就由這樣閉合的三角形光腔組成，三角形的邊長安裝在每個(ge) 角上的輸出反射鏡 ，控製反射鏡和偏量反射鏡限定，在三角形的一條邊上安裝充以低壓氦氖混合氣體(ti) 的等離子管。
激光陀螺儀(yi) 需要突破的主要技原理術為(wei) 漂移、噪聲和閉鎖閾值。
激光陀螺儀(yi) 的飄移
激光陀螺儀(yi) 的飄移表現為(wei) 零點偏置的不穩定度，主要誤差來源有：諧振光路的折射係數
具有各向異性，氦氖等離子在激光管中的流動、介質擴散的各向異性等。
激光陀螺儀(yi) 的噪聲
激光陀螺儀(yi) 的噪聲表現在角速度測量上。噪聲主要來自兩(liang) 個(ge) 方麵：一是激光介質的自發
發射，這是激光陀螺儀(yi) 噪聲的量子極限。二是機械抖動為(wei) 目前多數激光陀螺儀(yi) 采用的偏頻技
術，在抖動運動變換方向時，抖動角速率較低，在短時間內(nei) ，低於(yu) 閉鎖閾值，將造成輸入信
號的漏失，並導致輸出信號相位角的隨機變化。
激光陀螺儀(yi) 的閉鎖閾值
閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀(yi) 標度因數的線性度和穩定度。閉鎖閾值取決(jue) 於(yu) 諧振光路中
的損耗，主要是反射鏡的損耗
激光陀螺是在光學幹涉原理基礎上發展起來的新型導航儀(yi) 器，成為(wei) 新一代捷聯式慣性導航係
統理想的主要部件，用於(yu) 對所設想的物體(ti) 精確定位。石英撓性擺式加速度計是由熔融石英製
成的敏感元件，撓性擺式結構裝有一個(ge) 反饋放大器和一個(ge) 溫度傳(chuan) 感器，用於(yu) 測量沿載體(ti) 一個(ge)
軸的線加速度。
光纖陀螺三軸慣測組合由三個(ge) 光纖陀螺儀(yi) 和三個(ge) 石英撓性擺式加速度計組成，可以實時
地輸出載體(ti) 的角速度、線加速度、線速度等數據，具有對準、導航和航向姿態參考基準等多
種工作方式，用於(yu) 移動載體(ti) 的組合導航和定位，同時為(wei) 隨動天線的機械操控裝置提供準確的
數據。主要性能：加表精度 1×10-4g ；光纖陀螺精度(漂移穩定性)≤1°/h ；標度固形線性度
≤5×10-4 。
激光於(yu) 1960 年在世界上首次出現。1962 年，美、英、法、前蘇聯幾乎同時開始醞釀研製用激光來作為(wei)
方位測向器，稱之為(wei) 激光陀螺儀(yi) 。
激光陀螺儀(yi) 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(chuan) 輸的兩(liang) 束光和光幹涉，利用檢測相位差或幹涉條紋的變化，就可以測出閉合
光路旋轉角速度。激光陀螺儀(yi) 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製成的閉合
光路組成，內(nei) 有一個(ge) 或幾個(ge) 裝有混合氣體(ti) （氦氖氣體(ti) ）的管子，兩(liang) 個(ge) 不透明的反射鏡和一個(ge) 半透明鏡。用
高頻電源或直流電源激發混合氣體(ti) ，產(chan) 生單色激光。為(wei) 維持回路諧振，回路的周長應為(wei) 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(liang) 束相反傳(chuan) 輸的激光幹涉，通過光電探測器和電路輸入與(yu) 輸出角
度成比例的數字信號。
[相關(guan) 技術]控製技術；測量技術；半導體(ti) 技術；微電子技術；計算機技術

技術難點

　　激光陀螺儀(yi) 需要突破的主要技術為(wei) 漂移、噪聲和閉鎖閾值。
激光陀螺儀(yi) 的飄移
激光陀螺儀(yi) 的飄移表現為(wei) 零點偏置的不穩定度，主要誤差來源有：諧振光路的折射係數具有各向異性，氦氖等離子在激光管中的流動、介質擴散的各向異性等。
激光陀螺儀(yi) 的噪聲
激光陀螺儀(yi) 的噪聲表現在角速度測量上。噪聲主要來自兩(liang) 個(ge) 方麵：一是激光介質的自發發射，這是激光
陀螺儀(yi) 噪聲的量子極限。二是機械抖動為(wei) 目前多數激光陀螺儀(yi) 采用的偏頻技術，在抖動運動變換方向時，抖動角速率較低，在短時間內(nei) ，低於(yu) 閉鎖閾值，將造成輸入信號的漏失，並導致輸出信號相位角的隨機變化。
激光陀螺儀(yi) 的閉鎖閾值
閉鎖閾值將影響到激光陀螺儀(yi) 標度因數的線性度和穩定度。閉鎖閾值取決(jue) 於(yu) 諧振光路中的損耗，主要是
反射鏡的損耗。

國外概況

　　美國斯佩裏公司於(yu) 1963 年首先次做出了激光陀螺儀(yi) 的實驗裝置。1966 年美國霍尼威爾公司開始使用
石英作腔體(ti) ，並研究出交變機械抖動偏頻法，使這項技術有了使用的可能。1972 年，霍尼威爾公司研製出#p#分頁標題#e#
GG-1300 型激光陀螺儀(yi) 。1974 年美國國防部下令海軍(jun) 和空軍(jun) 聯合製定研究計劃，1975 年在戰術飛機上試
飛成功，1976 年在戰術導彈上試驗成功。
進入80 年代以來，美國空軍(jun) 表示要堅定地把激光陀螺應用到空軍(jun) 係統中去，並與(yu) 麥克唐納·道格拉斯公
司簽定了兩(liang) 項合同，以實施一項名為(wei) "綜合慣性基準組件"的研製計劃，其內(nei) 容是研製一種采用激光陀螺的
雙盒組件式傳(chuan) 感器係統。海軍(jun) 也計劃在80 年代內(nei) 將激光陀螺慣導係統用到艦載飛機中，這種係統稱為(wei)
CA1NS1 。陸軍(jun) 準備將激光陀螺用於(yu) 陸軍(jun) 飛機的定位/導航、監視/偵(zhen) 察、火控以及飛行控製係統。
1985 年美國提出了戰略防禦計劃（SDI）後，激光技術在軍(jun) 事係統和空間武器上的應用倍受重視。根據
SDI 預算，1985 財年在這方麵投資10．4 億(yi) 美元，大部分用於(yu) 開展激光實驗，其中包括激光陀螺的研製。
90 年代，根據先進巡航導彈和戰術飛機導航的要求，美國進行了激光陀螺捷聯性能的研究（SPS）。麥
克唐納·道格拉斯公司被選為(wei) SPS 的主承包商，其次還有霍尼威爾、利頓、洛克威爾、辛格·基爾福特等公
司參加。
國外激光陀螺儀(yi) 的研製單位很多，其中，美國和法國研製的水平較高，此外還有俄羅斯、德國等國家。
1.美國
美國研製激光陀螺儀(yi) 的廠家有霍尼威爾、利頓、斯佩裏等公司。
（1）霍尼威爾公司
理想的戰術慣性器件必須同時具有低成本、體(ti) 積小、重量輕、堅固等幾個(ge) 特點，霍尼威爾公司的GG1308
和GG1320 就是為(wei) 此研製的最新產(chan) 品。
該公司采用的關(guan) 鍵技術如下：
1）在提高精度方麵
輸出信號的細分技術，在小型化的RLG 中，保持所需的分辨率。提高抖動偏頻的頻率，以提高RLG 的
采樣頻率。小型化RLG 的慣性小，諧振頻率高，在抖動偏頻裝置的設計上，可以提高頻率。由此，可以提
高RLG 的采樣頻率和捷聯慣性導航係統SINS 的計算頻率，有利於(yu) 保證捷聯慣性導航係統SINS 的精度。
2）在降低成本方麵
利用玻璃熔結工藝來實現反射鏡和電極等的密封。采用BK-7 光學玻璃取代Zerodur 等零膨脹係數材料，
為(wei) 此需要建立光波在諧振器中諧振的條件，並對溫度誤差采取補償(chang) 。采用GG1308 組成的一種慣導係統型
號為(wei) HGl500 一IMU。采用GG1320 組成的慣導係統型號為(wei) H-764C 。
（2）基爾福特公司
在單軸RLG 的基礎上，為(wei) 滿足小型衛星和航天器的需要，該公司研製了微型三軸激光陀螺儀(yi) MRLG。
該公司采用力反饋式加速度計和MRLG 組成慣性測量組合IMU。這種慣性導航係統也可用於(yu) 戰術武器，包
括魚雷。
2.法國
法國的激光陀螺儀(yi) 和係統技術具有很強的實力。法國SWXTANT 公司和SAGEM 公司均從(cong) 70 年代開始
研究激光陀螺技術，到目前已經形成不同尺寸和精度的激光陀螺儀(yi) 。
（1）SEXTANT 公司
SEXTANT 公司1972 年開始研究激光陀螺儀(yi) ，1979 年SEXTANT 型激光陀螺儀(yi) 首先用於(yu) "美洲虎"直升
機飛行。1981 年33cm 型激光陀螺儀(yi) 在ANS 超音速導彈項目中標，1987 年首次把激光陀螺儀(yi) 用在"阿裏
安"4 火箭的飛行，1990 年SEXTANT 公司在法國未來戰略導彈項目上中標。
（2）SAGEM 公司
SAGEM 公司從(cong) 1977 年開始研究環行激光陀螺儀(yi) 。1987 年組裝了第一個(ge) 樣機GLS32 型。在工藝成熟
後，主要生產(chan) 用於(yu) 航空及潛水艇的捷聯慣導係統。1987 年組裝了GLC16 型樣機，主要用於(yu) 直升機和小型
運載火箭的捷聯慣導係統。

影響

　　作為(wei) 飛行器慣導係統核心的慣性器件，在國防科學技術和國民經濟的許多領域中占有十分重要的地位。
激光陀螺儀(yi) 花費了很長時間和大量投資解決(jue) 了閉鎖問題，直到80 年代初才研製出飛機導航級儀(yi) 表，此後就
迅速應用於(yu) 飛機和直升機，取代了動力調諧陀螺和積分機械陀螺儀(yi) 。目前已廣泛用於(yu) 導航、雷達和製導等
領域。