激光陀螺技術及應用
激光陀螺的工作原理基於薩格奈克(Sagnac)效應，當環形激光器相對於慣性空間轉動時，順、逆時針方向運轉的光將產生與轉動線性相關的光程差。依據對環形激光器輸出光相位的實時檢測，獲得物體相對於慣性空間的轉動角速率。激光陀螺的工作原理區別於傳統的機械式陀螺儀，屬於一種特色鮮明的角速率傳感器。
1963年，美國斯佩利公司首次報道了激光陀螺原理試驗，利用邊長1 m的正方形閉合光路首次測得50º/h的低轉速，引起了慣性技術領域的轟動。1964年前後，全世界許多國家的幾十家研究機構相繼開展了激光陀螺研究，吹響了激光陀螺研製和應用的衝鋒號，隨後各種激光陀螺相繼出現，技術不斷進步、性能不斷提高。
激光陀螺與傳統機械式依靠轉子高速旋轉的陀螺儀相比，其主要優勢在於：沒有轉子活動部件，精度高、長期精度穩定性好、測試重複性極好、壽命長。與同為光學陀螺儀的光纖陀螺相比，激光陀螺的標度因數非常穩定，且動態特性好。總之，到目前為止，雖然各種新型陀螺儀不斷出現，但是還沒有出現一種在實際環境下綜合性價比、環境適應性能和激光陀螺媲美的慣性傳感器，特別是在“對標度因數穩定性要求極高的中等精度應用中，零鎖區激光陀螺應是首選”。(引自2010年國外權威慣性技術專家語)
圖1 激光陀螺
圖2 三個激光陀螺構成的慣性導航系統
激光陀螺實物如圖1所示。利用三臺激光陀螺儀組成的一套導航系統，如圖2所示，他能精確感知物體在慣性空間內的座標。用他給武器平臺導航，能讓戰機突防能力更強、艦船跑得更遠、導彈打得更準，特別是在沒有衛星導航的情況下，同樣能精確打擊目標。
在近年發生的局部現代戰爭中，以激光陀螺為核心的慣性技術已成為不可替代的關鍵。
1982年5月的英阿馬島海戰，阿根廷空軍一架裝有慣性導航系統的“超軍旗”(Super Etendard)飛機在30 km外發射了一枚“飛魚”(Exocet)空對艦導彈，擊沉了造價1.84億英鎊的謝菲爾德(Sheffield)號導彈驅逐艦。雖然當時海面風速很高，可對空艦導彈飛行軌跡產生強烈的干擾，但是由於機上的慣性導航系統對導彈進行了攻擊前的姿態和航向對準調整，導彈本身也採取慣性制導系統，最終成功命中目標。
2011年開始的敘利亞爭端，以美國為代表的一派向敘利亞政府軍發射了大量裝有慣性制導的武器，如“戰斧”(Tomahawk)式巡航導彈、“傑達姆”(JADAM)聯合直接攻擊彈等，而俄羅斯則以“山毛櫸”(SA-11)防空導彈系統、“凱旋”(S-400)防空導彈系統、米格-31K戰機攜帶高超音速導彈“匕首”(Кинжал)進行抵抗和攻擊，在這些武器上均有激光陀螺的身影。
激光陀螺的光學結構
圖3 四邊形反射鏡式激光陀螺結構簡圖
以四邊形激光陀螺為例，其結構簡圖如圖3所示。激光陀螺的核心是以氣體作為增益介質的環形激光器。這類環形激光器一般採用鍍膜反射鏡組成腔體；壓電可調鏡作為激光器穩頻伺服器，直接控制腔長實現穩頻；直流高壓放電為激光管活性氣體介質提供激勵；通過設計對稱的雙陽極、單陰極，避免朗繆爾效應 (朗繆爾效應：高電壓造成的陽極高密度聚集的激活氣體原子沿截面以拋物線型的速度分佈向低分子密度的陰極擴散，形成的朗繆爾流會引起陀螺的零偏誤差)。
國內外基於反射鏡激光陀螺技術路線開展研究的單位很多：
以Honeywell公司的GG1308激光陀螺為例，這種陀螺是小體積、低成本激光陀螺的最典型代表，該陀螺三角形光路的邊長僅2 cm，採用BK-7光學玻璃為腔體，總體積小於32.8cm³，質量為60 g，每支售價僅為1000美元。採用該陀螺的慣導系統主要有HGl500 IMU和HGl700 IMU兩種，主要用於美軍JDAM聯合直接攻擊炸彈和制導多管火箭發射系統等裝備，是Honeywell公司乃至全世界產量最大的激光陀螺。
圖4 Honeywell公司HG1700 IMU及其內部的三個GG1308陀螺
此外，研究激光陀螺的單位還包括美國的Litton公司(已被Northrop Grumman公司併購)、Singerʹs Kearfott公司，法國Sextant公司、Sagemcom公司，俄羅斯POLYUS研究所，烏克蘭Arsenal factory，日本JAE公司等多家。
圖5 Sextant公司Single33激光陀螺和空間三軸激光陀螺
圖6 日本JAE公司激光陀螺
圖7 稜鏡結構及光路示意圖
圖8 稜鏡式陀螺光學結構
圖7是稜鏡式激光陀螺用單稜鏡光路結構圖。圖8是四邊形稜鏡式激光陀螺結構簡圖。這類陀螺通過全反射稜鏡構成環形諧振腔，優點在於無反射鏡背向散射，陀螺鎖區小；完全免鍍膜，使陀螺工作可以適應某些極端環境條件。但同時，由於光在稜鏡中存在一段傳輸距離，因而對磁屏蔽、熱屏蔽、環境溫度變化過程中的穩頻要求比較苛刻。目前，由這種稜鏡式激光陀螺構成的慣導系統已經列裝我軍某幾個型號的武器裝備，在國防現代化過程中發揮作用。
圖9 印度技術人員在裝配稜鏡式陀螺
激光陀螺的分類
激光陀螺的分類方法很多，按照腔形幾何結構分為：平面腔激光陀螺和異面腔激光陀螺；
按照陀螺敏感軸數分為：單軸激光陀螺和三軸一體式激光陀螺。
這裡，我們主要根據激光陀螺採取的偏頻技術方式不同，可分為二頻工作模式和四頻工作模式兩種類型。
圖10 按照諧振腔工作頻率數量分類激光陀螺
二頻工作模式主要分為機械抖動偏頻、速率偏頻、磁鏡偏頻、塞曼偏頻四種。
其中，機械抖動偏頻是目前激光陀螺偏頻技術中應用最廣、也是最成功的。但這種技術會帶來如機械噪聲、圓錐誤差、划槳誤差等問題，並且活動部件造成陀螺抗衝擊、耐振動能力下降。速率偏頻通過承載陀螺的轉檯做交變轉動實現，由於結構上存在活動部件，這種陀螺抗衝擊能力差、安裝誤差不易標定、體積大、價格昂貴。磁鏡偏頻受到磁鏡磁光效應係數和諧振腔損耗的限制，偏頻量不容易提高，難以實現高精度。塞曼偏頻由於諧振腔內振盪光在單一方向上是單頻的，因此也屬於二頻陀螺範疇。這種陀螺的優點是無活動部件，但是環形諧振腔損耗大，圓偏振光對外磁場特別敏感，這種陀螺也很難實現高精度。
四頻工作模式主要分為塞曼四頻、四頻差動式陀螺、法拉第偏頻陀螺三種。這類陀螺工作時諧振腔內同時振盪四個頻率，利用磁光非互易效應實現偏頻。四頻陀螺的優點在於無活動部件、“全固態”地解決了閉鎖問題。但是，這類陀螺一方面通過附加磁場和光學非互易元件獲得四頻振盪，另一方面附加磁場對陀螺零偏穩定性造成負面影響，增加了諧振腔損耗，並對溫度及磁場變化比較敏感。
除了上述已獲得工程應用的四頻激光陀螺外，近年來還湧現出各種新類型的激光陀螺四頻工作研究。例如：2011年報道過國外科研團隊通過氣體增益介質的非線性色散效應在陀螺環腔內混頻，進而提高陀螺極限精度的方案。2014年報導了國外團隊利用87Rb 蒸汽作為非線性介質，以0.77 m反射鏡腔為基礎開展的環形腔四波混頻實驗研究。近年來，利用“非線性光學效應”研究新型激光陀螺偏頻技術，正成為另一個新的熱點。
就激光陀螺偏頻技術的研究現狀而言，以四頻工作取代二頻工作，以光學偏頻取代交變機械抖動偏頻是一種趨勢。國內沿著反射鏡路線開展四頻研究的單位主要有國防科學技術大學、中航工業618所、13所、33所等。
目前主要是克服異面腔結構微失諧、偏頻附加晶體、磁場等對陀螺精度及穩定性的影響。國防科學技術大學以高伯龍院士為首，對四頻差動激光陀螺的研究一直走在國內前列。中航工業第618研究所對非共面腔法拉第偏頻陀螺、無源腔四頻陀螺等技術，進行了長期、深入地研究。除此之外，北京航空航天大學、北京理工大學等主要開展光纖陀螺和慣性系統的研究，他們也曾經從慣性系統應用的角度，研究過四頻陀螺的工作特性。
國外沿著稜鏡式激光陀螺路線，開展雙縱模四頻研究工作的主要是俄羅斯。根據俄羅斯報道，當稜鏡式陀螺雙縱模工作於增益曲線對稱位置實現四頻振盪時，由衍射振幅非互易導致的零偏比單模二頻振盪小1.5~2倍；由衍射相位非互易導致的零偏，比單模二頻振盪小15%~20%，陀螺雙模四頻工作具備明顯優勢。另外據說，俄羅斯近年來也開展了稜鏡式諧振腔自偏頻陀螺的研究，但是對外嚴密封鎖。
2016年以來，西安理工大學機械與精密儀器工程學院聯合中國兵器工業激光陀螺技術中心，開始對稜鏡式激光陀螺雙縱模自偏頻技術開展深入研究。實驗發現，單縱模機抖偏頻陀螺跳模過程中，去掉機抖偏頻，短時間內實現了激光雙縱模四頻振盪，並且可以無偏頻地檢測出地球自轉角速度的天向分量，此時閉鎖消失，陀螺處於自偏頻狀態。目前，在國家自然科學基金及陝西省科技廳等基金資助下，聯合技術團隊開始對這種獨特的雙縱模四頻激光陀螺自偏頻現象的產生機理和影響關鍵因素開展理論和實驗研究。
圖11 雙縱模自偏頻陀螺實驗儀表
總之，激光陀螺因其精度優勢和工作特性，正在國防和民用建設領域煥發著青春和活力。激光陀螺技術仍然需要發展，這種光學陀螺技術必將發揮越來越重要的作用。
劉健寧，男，西安理工大學機械與精密儀器工程學院講師，碩士生導師，主要從事激光陀螺技術方面的研究工作。
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