MEMS激光陀螺仪综述详解

MEMS激光陀螺仪综述姓名：赵琬婷学号：22013305

1.陀螺仪的发展简史

陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。

2、激光陀螺仪概述

现代陀螺仪是一种能够精确的定位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，它的精度受到了许多方面的制约。

3、激光陀螺仪的原理及分类

3.1激光陀螺仪的原理

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。

3.2激光陀螺仪的分类

激光陀螺原理上根本不同于普通的机电式陀螺。常规机电转子陀螺依据普通的刚体力学原理按照机械储能方式工作，而激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的

量子光学仪表，其依据基于广义相对论的Sagnac效应。所谓的Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点出发的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同。其相位差（或光程差）的大小与闭合光路的转动速率成正比。激光谐振腔内的相位差又可以成为放大数百万倍的频率差，这样就可以通过测量光电信号的频率来测量物体的角速度、角度等。

图1：激光陀螺仪的结构示意图

与传统的机电式陀螺仪相比，激光陀螺仪构成简单，其主体为微晶玻璃腔体以及反射镜构成一个光学环形谐振腔，另外还有偏频系统、稳频控制系统、信号读出系统、信号处理系统、高压电源、磁屏蔽单元等部分。

激光陀螺的类型分类有多种：根据有无增益介质，激光陀螺分为、无源腔激光陀螺和有源腔激光陀螺。目前几乎所有激光陀螺都是有源型的。

根据陀螺的处理闭锁效应的方式不同(偏频方式不同)，有源腔激光陀螺分为二频型和四频型两种。其中二频陀螺根据偏频特点又分为机械抖动偏频、恒转偏频、磁镜交变偏频。四频陀螺根据偏频特点又分为法拉第效应偏频、塞曼效应偏频。

陀螺按腔形又可分为平面型、非平面型。其中平面型包括大多数单轴二频激光陀螺和腔内含有光学法拉第和水晶四频激光陀螺。空间型包括集成在一块玻璃上的空间三轴激光陀螺，自偏频和塞曼两种四频激光陀螺。

按反射镜种类又可分为介质膜片激光陀螺和棱镜激光陀螺。

目前所有实用的激光陀螺均使用0.6328 um 的 He-Ne气体激光陀螺。近年来，还出现了一些新型半导体、光纤谐振式激光陀螺。

图2：单片半导体环形激光陀螺仪结构原理图

这些陀螺已经脱离了传统的 He-Ne气体激光陀螺的框架，在某些方面可能具有更大的发展潜力。美日法德和国内一些单位正在努力开展研究，取得了一些较好的实验结果。日本学者试验的环形半导体激光器构成的角度测量元件能够正常工作，并且成功进行了微机械转动半导体激光器件中两组相向传播振动光波的频差自检测。用于试验的半导体环形激光器包括了长尾激光二极管放大模块。该半导体激光陀螺拍频的信息是在半导体环形激光器终端进行电压测试获得，从而不会损失光学环路中的能量。拍频作为检测旋转速度的一个功能测量，同时，还通过改变旋转半径来研究检测精度对于旋转半径的依赖程度。试验证明:该半导体激光系统标准检测灵敏度特性和Sagnac效应的理论预测吻合很好，这表明半导体环形激光器可以用来作为光学陀螺使用。此外，试验还证明:闭锁效应是半导体激光陀螺(semiconductor ring laser gyroscope)的主要噪声源之一。

可以预测随着半导体和光学技术的发展，这些结构更简单、功耗更小、使用更方便的新式激光陀螺仪有可能在未来的市场上出现。

4、激光陀螺仪的关键技术指标

4.1 激光陀螺仪的飘移

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。

4.2 激光陀螺仪的噪声

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。二是机械抖动为目前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。

4.3 激光陀螺仪的闭锁阈值

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。

光纤陀螺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。

5、激光陀螺的发展历程和水平

5.1激光陀螺发展历程

1913年法国物理学家G. Sagnac提出环形光干涉与输入角速度成正比的sagnac效应。1960年7月7日第一台红宝石固体激光器诞生。美国人C. V. Heer (1961年)和A. H. Rosenthal（1962年）提出将激光器用于Sagnac干涉仪构成激光陀螺。

1962年0.6328μm波长He-Ne气体激光器实现运转。此时美、英、法、前苏联开始研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪，其原理是利用光程差来测量旋转角速度（Sagnac效应）。1963年2月美国斯佩里公司的Macek和Davis宣布他们用环形行波激光器感测转速率获得成功，研制出世界上第一台环形激光陀螺实验装置，该装置的光程长达4米，精度约50 /h。

激光陀螺固有的闭锁效应以及零漂误差等给激光陀螺的研制带来许多困难，直到70年代，美国和法国的一些公司才陆续有激光陀螺产品问世。1972年，霍尼韦尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪，经随后的改进后其零漂值达0.004o/h，尺寸大小为

18cm×20cm×5cm，重量为3公斤。1975年，霍尼韦尔公司又研制出机械抖动偏频的单轴激光陀螺，并首次成功地应用于战术飞机。激光陀螺从此进入实用阶段。并且成功地应用到战术导弹、直升机、潜艇、运载火箭等项目上。

80年代初期，激光陀螺进入批量生产阶段。1982年，霍尼韦尔公司研制的ARINC 704激光陀螺惯性基准系统正式投入民用航线使用，该系统使用的是GG1342激光陀螺。现在，世界上的大中型民航客机（如波音系列和空中客车系列）基本上都安装了激光陀螺惯性基准系统，用于导航与稳定。80年代后期，霍尼韦尔公司和Litton公司研制成功的激光陀螺产品零漂值优于0.01o/h，在航空领域获得广泛的应用。

90年代，又解决了激光陀螺的光学集成和数字化技术，使其更加易于工程实现。1994年2月，日本H-2运载火箭呼啸升空，激光陀螺首次在航天运载器中取代挠性陀螺。此外，法国Sextant公司研制的二频抖动激光陀螺，零漂值达0.005o/h，也用于阿里亚娜4火箭、阿里亚娜5火箭、军用机和远程导弹上。

90年代末期，美国Litton公司研制了四频差动激光陀螺，采用光学方法消除陀螺“闭锁”现象，所以又称为第二代激光陀螺，其零漂值已达0.001o/h，使激光陀螺精度又达到一个新的水平，其最佳时的零漂值已优于0.0003o/h，显然会成为纯惯性远程军用武器系统的优选对象。

5.2激光陀螺当前发展水平

当目、前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美、英、德、法、日本、俄罗斯和中国，其中美国和法国研制的水平最高，激光陀螺技术发展很成熟，并形成了二频机抖、四频差动、空间三轴、塞曼陀螺等不同类型的系列产品。总的来说激光陀螺将向高精度高可靠和小型化、低成本两大方向发展。

目前最高水平的激光陀螺为霍尼韦尔公司生产的GG-1389型陀螺仪，其零漂值为0.00015o/h，输入速率动态范围1500o/s，使用寿命20万小时以上，平均无故障时间大于1万小时，输入轴对准稳定度达到微弧量级。

低成本、小体积的激光陀螺以霍尼韦尔的GG1308为代表，其采用BK-7级（类似我国K9）玻璃，通过镜片、电极整体烧结工艺一次成形，总体积小于2立方英寸，其精度可达1o/h，重量为60克，能承受20g的振动，每个仅为1000美元。由于这种激光陀螺体积小，重量轻，成本低，所以在武器装备上得到广泛应用。

图3：GG1308陀螺

由GG1308陀螺组成的一种INS型号主要有两种：一是HG1500-IMU，其中的QA-700加速度计的偏置稳定性为0.5mg，标度因数稳定性为500ppm，量测轴失准度为103"，体积为17.3cm×15.2cm×7.4cm，重量为3公斤，主要用于炸弹制导等。二是HG1700-IMU，它也包含了3个GG1308激光陀螺和3个Bendix公司的RBA-500石英振梁加速度计，其主要用于联合直接攻击弹和制导多管火箭发射系统等武器系统。截至到2003年9月，HG1700已交付65000套。霍尼韦尔的另一种低成本陀螺为GG1320，其精度为0.1 o/h，重量为100克，输入速率可达+800度。采用GG1320组成的INS 型号为H-764C，定位精度<1.0nm/h，其中的加速度计为QA2000。体积为17.8cm×17.8cm×27.9cm，重量为9.1公斤。

参考文献：

[1]邱立波.光电惯性技术[M].北京:宇航出版社,1998.146-158.

[2]郭秀中.惯导系统陀螺仪理论[M].北京:国防工业出版社,1996.25-31.

[3]杨培根、龚智柄．光电惯性技术．兵器工业出版社，1999

[4]高伯龙、李树棠．激光陀螺．国防科大出版社，1984．

[5]岳明桥,李高鹏. 空基激光陀螺捷联惯导系统导航精度的分析与研究[J].战术导弹技术.

2005(04)

[6]邢艳丽,危志英,张树侠. 激光陀螺仪的测试实验研究[J].鱼雷技术.2002（02）

[7]王坚,周静.光纤陀螺技术及其在军事领域的应用展望[J].中国测试技术.2006（04）

[8]梁阁亭,惠俊军,李玉平.陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹.2006(04)

[9]张均红,赵君辙.惯性导航中陀螺仪的研究现状及发展趋势[J].科协论坛(下半月)

2008（07）

[10]周海波,刘建业,赖际舟,李荣冰.光纤陀螺仪的发展现状[J].传感器技术.2005(06)

[11]刘敏.激光陀螺的物理原理[J].唐山师范学院学报.2005(05)

[12]龚宪生,唐一科,李东科.激光陀螺仪定位系统支架结构及其动态设计[J].精密制造与自动化.2003(S1)