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详解激光陀螺技术及其典型应用

导读: 激光陀螺是基于Sagnac效应来测量角速度的光学仪表。激光陀螺的基本元件是环形激光器,与通常的直腔或折叠腔激光器的主要区别在于它是一种行波激光器,沿环形谐振腔顺时针和逆时针运行的激光能够以不同的频率独立振荡。

  激光陀螺简介

  激光陀螺是基于Sagnac效应来测量角速度的光学仪表。所谓Sagnac效应是指,在任意形状的闭合光路中,从某观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后再次回到该观察点时,这对反向运行光波所经历的光程将由于闭合光路相对于惯性空间的旋转而不同,光程差与闭合光路的转动角速率成正比。激光陀螺的基本元件是环形激光器,与通常的直腔或折叠腔激光器的主要区别在于它是一种行波激光器,沿环形谐振腔顺时针和逆时针运行的激光能够以不同的频率独立振荡。激光的谐振条件要求腔长为激光波长的整数倍,因此Sagnac效应所导致的光程差转换成反向运行激光的频率差,该频差与环形激光器相对惯性空间转动的角速率成正比。通过测量激光陀螺瞬时的频差或一段时间内拍频振荡周期数,即可实现角速率或角度的高精度测量。

  美国斯佩里公司于1963年演示了世界上第一台激光陀螺装置,掀起了激光陀螺研制的热潮,但马上就遇到了一大困难,即闭锁问题。由于光学元件的背向散射和环形谐振腔的损耗非均匀性,激光陀螺中的反向光波发生耦合,结果是它们的振荡频率趋于同步,不能测量较低的角速率。闭锁阈值典型值为100o/h,比一般惯性导航的要求大4个数量级。为了使激光陀螺能够测量较小的角速率,需要采用偏频技术,不同偏频方案就衍生了不同类型的激光陀螺。

  较为自然想到的一种方案是给激光陀螺一个较大的实际或等效的恒定角速度,使其测量区域偏离闭锁区域,称为恒定偏频,这种方案遇到的最大困难是对偏频的稳定性要求极高而难以实现。四频差动法巧妙地克服了这个问题。在四频差动激光陀螺中,两个正交偏振的二频激光陀螺共用一个谐振腔,它们的偏频相同但对角速度的响应符号相反,通过对两个激光陀螺的频差再次差动,即可将偏频消除而且获得双倍的灵敏度。在实际研制中这种方案的关键是克服腔内偏频元件的不利影响。美国前利顿公司(现并入诺斯罗普-格鲁曼公司)在1991年开始批产这种激光陀螺,注册商标为零闭锁激光陀螺。

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