激光陀螺技术及应用
激光陀螺的工作原理基于萨格奈克(Sagnac)效应，当环形激光器相对于惯性空间转动时，顺、逆时针方向运转的光将产生与转动线性相关的光程差。依据对环形激光器输出光相位的实时检测，获得物体相对于惯性空间的转动角速率。激光陀螺的工作原理区别于传统的机械式陀螺仪，属于一种特色鲜明的角速率传感器。
1963年，美国斯佩利公司首次报道了激光陀螺原理试验，利用边长1 m的正方形闭合光路首次测得50º/h的低转速，引起了惯性技术领域的轰动。1964年前后，全世界许多国家的几十家研究机构相继开展了激光陀螺研究，吹响了激光陀螺研制和应用的冲锋号，随后各种激光陀螺相继出现，技术不断进步、性能不断提高。
激光陀螺与传统机械式依靠转子高速旋转的陀螺仪相比，其主要优势在于：没有转子活动部件，精度高、长期精度稳定性好、测试重复性极好、寿命长。与同为光学陀螺仪的光纤陀螺相比，激光陀螺的标度因数非常稳定，且动态特性好。总之，到目前为止，虽然各种新型陀螺仪不断出现，但是还没有出现一种在实际环境下综合性价比、环境适应性能和激光陀螺媲美的惯性传感器，特别是在“对标度因数稳定性要求极高的中等精度应用中，零锁区激光陀螺应是首选”。(引自2010年国外权威惯性技术专家语)
图1 激光陀螺
图2 三个激光陀螺构成的惯性导航系统
激光陀螺实物如图1所示。利用三台激光陀螺仪组成的一套导航系统，如图2所示，他能精确感知物体在惯性空间内的坐标。用他给武器平台导航，能让战机突防能力更强、舰船跑得更远、导弹打得更准，特别是在没有卫星导航的情况下，同样能精确打击目标。
在近年发生的局部现代战争中，以激光陀螺为核心的惯性技术已成为不可替代的关键。
1982年5月的英阿马岛海战，阿根廷空军一架装有惯性导航系统的“超军旗”(Super Etendard)飞机在30 km外发射了一枚“飞鱼”(Exocet)空对舰导弹，击沉了造价1.84亿英镑的谢菲尔德(Sheffield)号导弹驱逐舰。虽然当时海面风速很高，可对空舰导弹飞行轨迹产生强烈的干扰，但是由于机上的惯性导航系统对导弹进行了攻击前的姿态和航向对准调整，导弹本身也采取惯性制导系统，最终成功命中目标。
2011年开始的叙利亚争端，以美国为代表的一派向叙利亚政府军发射了大量装有惯性制导的武器，如“战斧”(Tomahawk)式巡航导弹、“杰达姆”(JADAM)联合直接攻击弹等，而俄罗斯则以“山毛榉”(SA-11)防空导弹系统、“凯旋”(S-400)防空导弹系统、米格-31K战机携带高超音速导弹“匕首”(Кинжал)进行抵抗和攻击，在这些武器上均有激光陀螺的身影。
激光陀螺的光学结构
图3 四边形反射镜式激光陀螺结构简图
以四边形激光陀螺为例，其结构简图如图3所示。激光陀螺的核心是以气体作为增益介质的环形激光器。这类环形激光器一般采用镀膜反射镜组成腔体；压电可调镜作为激光器稳频伺服器，直接控制腔长实现稳频；直流高压放电为激光管活性气体介质提供激励；通过设计对称的双阳极、单阴极，避免朗缪尔效应 (朗缪尔效应：高电压造成的阳极高密度聚集的激活气体原子沿截面以抛物线型的速度分布向低分子密度的阴极扩散，形成的朗缪尔流会引起陀螺的零偏误差)。
国内外基于反射镜激光陀螺技术路线开展研究的单位很多：
以Honeywell公司的GG1308激光陀螺为例，这种陀螺是小体积、低成本激光陀螺的最典型代表，该陀螺三角形光路的边长仅2 cm，采用BK-7光学玻璃为腔体，总体积小于32.8cm³，质量为60 g，每支售价仅为1000美元。采用该陀螺的惯导系统主要有HGl500 IMU和HGl700 IMU两种，主要用于美军JDAM联合直接攻击炸弹和制导多管火箭发射系统等装备，是Honeywell公司乃至全世界产量最大的激光陀螺。
图4 Honeywell公司HG1700 IMU及其内部的三个GG1308陀螺
此外，研究激光陀螺的单位还包括美国的Litton公司(已被Northrop Grumman公司并购)、Singerʹs Kearfott公司，法国Sextant公司、Sagemcom公司，俄罗斯POLYUS研究所，乌克兰Arsenal factory，日本JAE公司等多家。
图5 Sextant公司Single33激光陀螺和空间三轴激光陀螺
图6 日本JAE公司激光陀螺
图7 棱镜结构及光路示意图
图8 棱镜式陀螺光学结构
图7是棱镜式激光陀螺用单棱镜光路结构图。图8是四边形棱镜式激光陀螺结构简图。这类陀螺通过全反射棱镜构成环形谐振腔，优点在于无反射镜背向散射，陀螺锁区小；完全免镀膜，使陀螺工作可以适应某些极端环境条件。但同时，由于光在棱镜中存在一段传输距离，因而对磁屏蔽、热屏蔽、环境温度变化过程中的稳频要求比较苛刻。目前，由这种棱镜式激光陀螺构成的惯导系统已经列装我军某几个型号的武器装备，在国防现代化过程中发挥作用。
图9 印度技术人员在装配棱镜式陀螺
激光陀螺的分类
激光陀螺的分类方法很多，按照腔形几何结构分为：平面腔激光陀螺和异面腔激光陀螺；
按照陀螺敏感轴数分为：单轴激光陀螺和三轴一体式激光陀螺。
这里，我们主要根据激光陀螺采取的偏频技术方式不同，可分为二频工作模式和四频工作模式两种类型。
图10 按照谐振腔工作频率数量分类激光陀螺
二频工作模式主要分为机械抖动偏频、速率偏频、磁镜偏频、塞曼偏频四种。
其中，机械抖动偏频是目前激光陀螺偏频技术中应用最广、也是最成功的。但这种技术会带来如机械噪声、圆锥误差、划桨误差等问题，并且活动部件造成陀螺抗冲击、耐振动能力下降。速率偏频通过承载陀螺的转台做交变转动实现，由于结构上存在活动部件，这种陀螺抗冲击能力差、安装误差不易标定、体积大、价格昂贵。磁镜偏频受到磁镜磁光效应系数和谐振腔损耗的限制，偏频量不容易提高，难以实现高精度。塞曼偏频由于谐振腔内振荡光在单一方向上是单频的，因此也属于二频陀螺范畴。这种陀螺的优点是无活动部件，但是环形谐振腔损耗大，圆偏振光对外磁场特别敏感，这种陀螺也很难实现高精度。
四频工作模式主要分为塞曼四频、四频差动式陀螺、法拉第偏频陀螺三种。这类陀螺工作时谐振腔内同时振荡四个频率，利用磁光非互易效应实现偏频。四频陀螺的优点在于无活动部件、“全固态”地解决了闭锁问题。但是，这类陀螺一方面通过附加磁场和光学非互易元件获得四频振荡，另一方面附加磁场对陀螺零偏稳定性造成负面影响，增加了谐振腔损耗，并对温度及磁场变化比较敏感。
除了上述已获得工程应用的四频激光陀螺外，近年来还涌现出各种新类型的激光陀螺四频工作研究。例如：2011年报道过国外科研团队通过气体增益介质的非线性色散效应在陀螺环腔内混频，进而提高陀螺极限精度的方案。2014年报导了国外团队利用87Rb 蒸汽作为非线性介质，以0.77 m反射镜腔为基础开展的环形腔四波混频实验研究。近年来，利用“非线性光学效应”研究新型激光陀螺偏频技术，正成为另一个新的热点。
就激光陀螺偏频技术的研究现状而言，以四频工作取代二频工作，以光学偏频取代交变机械抖动偏频是一种趋势。国内沿着反射镜路线开展四频研究的单位主要有国防科学技术大学、中航工业618所、13所、33所等。
目前主要是克服异面腔结构微失谐、偏频附加晶体、磁场等对陀螺精度及稳定性的影响。国防科学技术大学以高伯龙院士为首，对四频差动激光陀螺的研究一直走在国内前列。中航工业第618研究所对非共面腔法拉第偏频陀螺、无源腔四频陀螺等技术，进行了长期、深入地研究。除此之外，北京航空航天大学、北京理工大学等主要开展光纤陀螺和惯性系统的研究，他们也曾经从惯性系统应用的角度，研究过四频陀螺的工作特性。
国外沿着棱镜式激光陀螺路线，开展双纵模四频研究工作的主要是俄罗斯。根据俄罗斯报道，当棱镜式陀螺双纵模工作于增益曲线对称位置实现四频振荡时，由衍射振幅非互易导致的零偏比单模二频振荡小1.5~2倍；由衍射相位非互易导致的零偏，比单模二频振荡小15%~20%，陀螺双模四频工作具备明显优势。另外据说，俄罗斯近年来也开展了棱镜式谐振腔自偏频陀螺的研究，但是对外严密封锁。
2016年以来，西安理工大学机械与精密仪器工程学院联合中国兵器工业激光陀螺技术中心，开始对棱镜式激光陀螺双纵模自偏频技术开展深入研究。实验发现，单纵模机抖偏频陀螺跳模过程中，去掉机抖偏频，短时间内实现了激光双纵模四频振荡，并且可以无偏频地检测出地球自转角速度的天向分量，此时闭锁消失，陀螺处于自偏频状态。目前，在国家自然科学基金及陕西省科技厅等基金资助下，联合技术团队开始对这种独特的双纵模四频激光陀螺自偏频现象的产生机理和影响关键因素开展理论和实验研究。
图11 双纵模自偏频陀螺实验仪表
总之，激光陀螺因其精度优势和工作特性，正在国防和民用建设领域焕发着青春和活力。激光陀螺技术仍然需要发展，这种光学陀螺技术必将发挥越来越重要的作用。
刘健宁，男，西安理工大学机械与精密仪器工程学院讲师，硕士生导师，主要从事激光陀螺技术方面的研究工作。
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