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激光陀螺仪

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  • 宣布时间:2016/1/7 16:23:41
  • 作者:量值溯源
界说
激光陀螺仪的原理是使用光程差来丈量旋转角速率( Sagnac 效应)。现代光纤陀螺仪包括干预式陀螺仪协调振式陀螺仪两种,它们都是凭证塞格尼克的理论生长起来的。
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激光陀螺仪简介

  激光陀螺仪的原理是使用光程差来丈量旋转角速率( Sagnac 效应)。在闭合光路中,由统一光源发出的沿顺时针偏向和反时针偏向传输的两束光和光干预,使用检测相位差或干预条纹的转变,就可以测出闭合光路旋转角速率。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淆气体(氦氖气体)的管子,两个不透明的反射和一个半透明镜。用高频电源或直流电源引发混淆气体,爆发单色激光。为维持路谐振,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预,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。

环形激光器

图1 环形激光器

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激光陀螺仪特点

  相比于古板的机电陀螺仪,激光陀螺仪的主要优点有:

  (1)可靠性高,寿命长 ;

  (2)启动速率快 ;

  (3)动态规模大 ;

  (4)比例因子线性度好 ;

  (5)抗振动攻击性能好 ;

  (6)体积小、重量轻、功耗低 ;

  (7)数字量输出 ;

  (8)无交织耦合效应 ;

  (9)对加速率不敏感。

  这些特点使它特殊适用于构建捷联式惯性导航系统。

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激光陀螺仪的典范应用

01惯性导航与制导、姿态丈量与控制

  激光陀螺仪最主要的应用是惯性丈量如惯性导航和制导、姿态丈量与控制。惯性导航是一种自主的导航手艺,它不需要外界信息即可实现导航,因此具有隐藏性好、不受外界滋扰等优点,在军事场合具有主要的价值 ;睾铣煽拙独状锖秃焱獯衅鳌⒔⒃匚佬峭ㄑ短煜摺⑿窃睾焱獯衅骱蜕阆窕刃枰既返拇衅髯颂畔⒗炊源衅鞯脑硕傩信獬セ蛘叨源衅鞯淖颂傩锌刂。

  在航空上,陀螺仪用来丈量飞机的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)和角速率,以它为焦点组成的惯导系统可以为飞机提供姿态、航向、速率和位置,即导航所需的所有参量,因此被称为飞机上的中心信息源。现在大大都西方的军用和民用飞机都接纳激光陀螺惯导系统,如F-22、F-35、SU-30等战机以及B747、A320等民航机。

  在航海上,陀螺仪早已成为航海的主要导航仪器。航海惯导能够为舰船提供位置、姿态、速率等数据,不但可用于舰船自身的导航,还可为舰载武器提供方位基准或稳固平台。Sperry公司的MK39系列激光陀螺惯导系统已被凌驾24个国家的水师用于种种舰船平台,MK-49 激光陀螺导航仪已成为北约12个国家的标准装备,AN/WSN-7系列激光陀螺导航系统是美国水师水面舰船和潜艇的标准装备,并在2001就已完玉成部航母换装此系统的事情。

  在地面上,坦克、火炮等通例武器的无邪能力和运动中攻击能力对生涯自己、攻击仇人极为主要,这就要求它们具有定位定向和导航能力。1989年最先使用的H-726型激光陀螺美军标准地面导航系统,就已用在“帕拉丁”自行榴弹炮、瑞典的BKAN1A和FH-77B型榴弹炮,种种细密丈量侦探车和布雷德利战车等装备上。

02动态测角

  角度丈量是几何量计量手艺的主要组成部分,激光陀螺仪可以实现高精度和高区分率的动态角度丈量。俄罗斯电子光学公司(Electrooptika Corp.)研制的激光陀螺测角仪可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转体的外部角度丈量等,随机误差0.03角秒,单次丈量的总误差小于0.2角秒。激光陀螺仪测角手艺除了精度和区分率高之外,尚有易于自校准、丈量速率快等优点。

03地球物理学、基础物理学

  将激光陀螺装置在望远镜上可以实时提供其角坐标,通过盘算机求呈现实角坐标与目的角坐标之间的差值,然后对其姿态举行控制可使之实时跟踪目的,精度可达亚角秒。与光学编码器和圆感应同步器相比,激光陀螺体积小、区分率高,并且装置调解很是简朴。通过增大激光陀螺的尺寸可显著提高精度,新西兰和德国团结研制了超大激光陀螺,其中的UG-2型超大激光陀螺的环路面积达834 m?。用超大激光陀螺可以视察细小的地动效应、固体地面潮汐效应(solid earth tides,差别于海洋潮汐效应),尚有望用来丈量引力波等几种相对论效应。

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激光陀螺仪应用远景

  惯性导航系统的一大弱点是误差随时间累加,接纳多传感器信息融合的组合导航、零速修正和旋转调制等手艺可以从一定水平上战胜该问题。接纳GPS、星敏感器等与惯性系统举行组合,可大大提高激光陀螺导航系统的精度,减小误差随时间的积累。在实时性要求不高的场合,可以接纳零速修正手艺,能够将定位精度从纯惯性的1海里左右提高到米的量级,适用于对实时性要求不高的场合,如大地丈量。接纳旋转调制手艺后,激光陀螺惯性导航系统的精度能提高1到2个数目级,适合于恒久导航。

  激光陀螺以其奇异的优点在军事、民用和科研等领域具有普遍的应用。美国霍尼韦尔公司仅型号为GG-1320的激光陀螺即已生产了25万只以上,且现在仍以1.7万只每年的产量全速生产,诺斯罗普-格鲁曼公司的零闭锁激光陀螺也已生产了3万只以上。只管在价钱上面临微机电陀螺、光纤陀螺等陀螺的竞争,但在中高精度应用领域,激光陀螺仍有辽阔的市场。


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