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标题: 光电惯性技术发展现状 [转载] [打印本页]

作者: chenwen 时间: 2003-12-29 22:37
标题: 光电惯性技术发展现状 [转载]
1998年底，有情报称中国正要求俄罗斯提供光纤陀螺，用于最新一代的弹道导弹。朝鲜的弹道导弹也曾获得这种技术。较老的中国导弹依靠普通的机械陀螺，但中国的导弹设计实验室已不再欢迎这些验证过的系统。

1998年，法国的赛克斯坦航空技术公司和俄罗斯的Rousskaya航空电子公司联合改进米格-29战斗机，其中一项重点是打算将通过现代化的带有埋入GPS的环形激光陀螺惯性导航系统改进的导航和武器瞄准系统加装到飞机上。技术往往滞后于西方的俄罗斯将结束机械陀螺的时代。

在西方，美国的空军和海军积极采用环形激光陀螺（RLG）技术，将其安装在大量新造或改进的飞机上。西欧国家的空军步伐稍慢，所以，尽管在新造和改进项目中趋于采用环形激光装置，但基于万向架机械陀螺的惯性导航系统仍然大量服役着。

环形激光角速度传感器（虽然它们没有机械陀螺通常具有的旋转质量，但往往还是将其称为环形激光陀螺）的研制始于20世纪60年代中期，当时认为这种技术是潜在的比机械陀螺更可靠的替代品。20世纪70年代早期，作出开发捷联惯性导航系统的决定，使环形激光陀螺获得飞速的发展，采用这种技术不再需要将陀螺和加速度测量计安装到万向架平台上。这种想法要求陀螺和加速度测量计具有更高的性能。

在万向架系统上的陀螺的旋转测程在每小时几千度到每小时几十度之间。而捷联系统将必须应付飞机在全机动状态下可能出现的最大旋转速度，这个速度可能会达到每秒钟几百度。对于硬件设计者来说幸运的是，加速度测量计需要改进的程度则小得多。

尽管20世纪70年代在技术上作了最大的努力，但机械陀螺仍无法达到所需要的性能。只有新开发的环形激光陀螺能够使捷联惯性导航系统进入实用阶段。

环形角速度传感器通常是工作在整体式固体玻璃中的环形导管内的激光器。光路一般是三角形（有时是方形），每个角部有一面反射镜,使光线从一条直边转到下一条直边。光路中填充维持介质，通常是氦/氖混合气体。在一个阴极和其它阳极间施加了高电压，用来产生放电，随后形成沿导管传播的两条激光束，一条顺时针（CW），另一条逆时针（CCW）。

根据Sagnac效应，任何沿垂直于导管平面的轴线的陀螺旋转将使两波产生相对相位的偏移。相差与旋转的速度和矢量方向成比例。其中一面镜子是半反射镜，可使两束光的一部分传出而到达光电阴极，在探测器的敏感表面上形成干涉条纹。任何陀螺旋转产生的相差通过干涉条纹的移动情况来探测。

在过去的二十年，环形激光陀螺已发展成为一种可靠的、一定程度下不受环境影响的惯性旋转传感器，并能够承受较大的机械振动，而性能不会持久下降。尽管不够完美，但正在尝试改进设计。

设计工作在某一频率下的激光器可能会出现不希望产生的其它频率的波型（模）。霍尼韦尔公司设计了一种反射镜结构，使不希望产生的波型的衰减超过激光器的增益。为了在环形激光器陀螺的反射镜中反射633纳米辐射而消除650纳米的辐射，一项1994年的专利描绘了一种结构：即第一、第二和第三个反射镜分别包含折射率高低依次更替的材料层。不需要的频率的衰减是通过选择这些材料层的光学厚度比例来实现。

当低速旋转时，激光陀螺可能受锁区现象的影响，光路中反射镜的后向散射将其中一条振动波束的能量耦合到反向传播的波束上，当出现这种情况，相向的两条光束将一起锁在所谓的锁点频率上。结果在死区范围内，器件失去对低速旋转的感测。

解决这个问题的一种普通办法是采用机械抖动。抖动应用可以采取三种方法。雷西昂公司采用的方法是使整个环形激光陀螺结构以恒定的速度旋转。霍尼韦尔公司的设计方案是采用周期振荡。诺思罗普·格鲁曼公司的办法是使用磁光偏移反射镜。机械抖动存在的缺点导致一些公司开展研究来探索一种称为多振荡器的可替换环形激光陀螺结构，这种结构中的顺、逆时针波束具有独立的频率。实践证明这种方法极难实现，但已经获得一些进展。

利顿公司研制出一种一对双模环形激光陀螺工作在一个环形腔内的的多频振荡环形激光陀螺。在这种多振荡器中，环形光腔实质上含有左旋圆偏振光（LCP）光束对和右旋圆偏振光（RLP）光束对，每对光束包括沿顺时针和逆时针相向而行的两束光。这种双模环形激光陀螺的每对光束互相独立运作。为了实现在同一个环形腔中独立运行两个陀螺，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间要有频率差（一般为几百兆赫），这种频率区分称为互易分离。

单个的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光陀螺仍然存在锁区现象。可采用一种称为非互易分离的又一次偏频来避免。利顿公司开发的这种技术在多频振荡中应用非互易分离技术，使左旋圆偏振光陀螺的偏频与右旋圆偏振光陀螺的大小相等，方向相反。当两个陀螺的输出相加时，结果信号对主体旋转的灵敏度是单陀螺的两倍，并和偏频的大小无关。采用这种方法，多频振荡的差动特点使其对诸如磁场或温度变化可能产生的偏置偏差不敏感。

通常，1～2角度秒的分辨率可满足导航应用；但在瞄准和跟踪领域的许多新的应用要求更好的角分辨率。多频振荡环形激光陀螺的这些应用要求很高的分辨率输出（低于0.01甚至0.001角度秒）。有很多这类应用最好采用改进的角分辨率进行瞄准和跟踪，诸如地基或天基观测台与望远镜的定位。存在几种改善分辨率的技术，特别是现代化的数字技术。这些技术依靠抽样数据系统，并对混淆错误敏感。

利顿公司已经设计出一种改进多频振荡环形激光陀螺的输出信号分辨率的技术。这种技术基于一种快速滤波器，快速滤波器采用2兆赫的抽样频率，并进行陀螺数据的过滤，从而有效地提高分辨率，而不生产显著的时延。这种快速滤波技术在多个抽样上求平均值，具有良好的抗噪声度。已经开发出一种基于锁相环路的抽样频率线性调频脉冲技术，该技术能够保持长时间的频率稳定，并显著消除混淆效应。

其它一些公司保持怀疑态度，抖动方法远没有濒临灭亡。马可尼电子系统公司的导航与光电系统分部的Anthony King在1998年的《GEC评论》（第四期第三页）上称：我认为多频振荡技术的任何优点都伴随着相应的困难。惯性导航技术的整体效能将不会有太显著的进展。我们的环形激光陀螺继续采用耐用而可靠的机械抖动方式。

广泛认为环形激光陀螺使导航系统更加可靠，但King称这是谬误的。在飞机环境下，当今好的旋转轮陀螺的平均出错时间间隔为几万小时，并且没有限制寿命的机械磨损。尚未验证环形激光陀螺在这两方面更为出色。实际上，通常是相关电子组件的可靠性决定着惯性导航系统的平均出错时间间隔。

试验和理论数据已经表明，激光陀螺的输出功率是温度和工作时间的函数。输出功率随时间逐渐减小，最后低于可用水平。1998年霍尼韦尔公司的一种采用激光强度、读出强度、模电压（推导出的值）和其它陀螺参数的测量来预测激光陀螺寿命的方法获得专利。在设备的整个寿命期间，对这些作为时间函数的参数进行监测，陀螺装置向惯性导航系统发出即将失效的警告。能够依据估计剩下的时间，发出不同级别的警告。

尽管气体激光器是实际所有环形激光陀螺的基础，但存在某些缺点。这种激光器结构是机械敏感和热敏感的，并且小型化程度受所需的最小放大长度限制。气体放电要求高压，而激光器的整体功率是很低的。为了避免锁区而推出的具有极小散射光的反射镜十分昂贵。

一种解决办法是转向二极管泵浦的固体环形激光陀螺，它没有可动部件，对外界的干扰不敏感，拥有简单化的机械结构，更适于小型化，并且提供的测量分辨率和测量精度与高质量的氦氖环形激光陀螺相似。

1997年，戴姆勒-本茨航空航天公司研制的一种二极管泵浦单片固体环形激光器获得专利，其激光介质由方形或矩形的参杂晶体或玻璃材料组成。在共同的固体材料中，两束环形波沿相反方向旋转，并同时被放大。所得陀螺的旋转速度由这两束环形波的频差导出。

Sagnac效应也用于另一种光传感器-光纤陀螺（Fog）中。这种传感器使用相对廉价的光半导体将相反旋转的光波发射进入光纤，光路沿着盘绕的光纤传播。

来自半导体激光二极管的光被诸如半透镜等分束器分为强度几乎相等的两束光。一束沿光纤线圈的顺时针方向，而另一束为逆时针方向。通过盘绕线圈之后，两光束由分束器重新结合，然后传到光电探测器，测出旋转导致的Sagnac相移大小。虽然是一种实用的陀螺，但光纤线圈有明显的热与机械敏感性，而且角分辨率较低。

如同所有的精确测量装置，光纤陀螺也存在一些缺陷，包括角度随机游动、零偏不稳定性和零偏偏位。角度随机游动是陀螺输出信号中来自光电探测器的散粒噪声和热噪声的宽带随机噪声造成的；而当陀螺不旋转时，零偏不稳定性会产生计示角速度的波动。

零偏不稳定性（有时也叫作零偏漂移）与零偏偏位不可混淆。零偏偏位是陀螺在没有围绕敏感转轴旋转时错误指示出的微小旋转速度。比如在地面导航系统的应用中，当车辆静止时，可以通过测量计示旋转速度来估计零偏偏位值，只要知道了这个值，就可以从陀螺输出中将之减去，而获得准确的旋转速度。

一个光纤陀螺制造商讲述，在这项技术的早期，公司的工程师困惑于高质量和高灵敏度陀螺生产的固定而无法解释的计示结果，一个被告知该现象的外行人员发现，这个值与地球旋转导致的某种东西相对应。在精确的应用中，这种现象能够导致15°/小时的输出。

在为高精度惯性导航系统设计的陀螺中，出现强磁场产生的法拉利效应可能影响传感线圈中激光束，形成非互易光路。在敏感性较弱的应用中，镍铁高导磁合金屏蔽能够避免这种影响。KVH公司告诉使用其E芯光纤陀螺的预期用户，如果他们应用时要将陀螺放在很强磁场（50高斯）的附近，建议进行实际测试来确定灵敏度。在典型的车辆安装中希望没有这种效应。

光纤陀螺的输出容易掺有噪声，这些噪声一部分来自光纤，一部分归结于放大的结果，这种放大将表示相移的信号转换成可用于控制和操纵的信号。

光纤陀螺的基本输出是模拟信号，但大部分现有的助航系统采用的是数字电子装置。柯蒂斯·赖特公司的D.Cesaretti介绍了该公司激光陀螺中使用的数字接口：使用的总线接口允许以8千赫的更新速率同步读出所有与之相连的传感器。根据奈奎斯特定理，可传送的最大频率为4千赫。采用的传输协议可以检测和抑制传送错误。这样确保在传送陀螺信号过程中，信号品质没有降低。

模拟传送允许12比特或通过努力最大达到16比特的分辨率。这可以使旋转速度的分辨率在不溢出的情况下达到1000°/秒的极佳分辨率。

数字传送的另一个优点是具有准确识别出错的功能。在一个模拟信号传送中，速度为零可能意味两种情况：系统停止工作或是出现传送错误（比如电缆中断）。一个未探测到的错误导致的后果可能是非常糟糕的，因为结果是所谓的开环响应-转塔或武器在非控制的方式下由陀螺进行稳定。采用基于协议的数字传送系统，即使陀螺输出为零，仍以规则的数字格式间隔传送该信息。如果电缆中断或被战斗破坏切断，就不再接收到这一数字数据，然后系统能够作出适当的反应。

全球定位系统（GPS）卫星导航接收机和惯性导航系统相结合的趋势越来越紧密，起初用这种方法来提高导航的准确度，其惯性导航系统保持作为主要的传感器，而GPS是二级修正装置。但是如果能够保证GPS的有效性，它就可以作为主要的助航系统，而当卫星信号暂时丢失时，用惯性导航系统接替。许多情况下，这种任务要求陀螺具有0.1～1°/小时的精度，而不是普通惯性导航系统所要求的0.002～0.01°/小时精度，精度比普通全规格惯性导航系统差的传感器就能够完成这种任务。对于制造商，比环形激光陀螺廉价得多的光纤陀螺非常适合这种任务。

同时，环形激光陀螺和光纤陀螺替代品的研究也在进行。霍尼韦尔公司已经成功研制出它的半球谐振陀螺，俄罗斯的Ramenskoye Design公司也已开发出这种技术，但这种方法还没有被广泛采纳。

可能会出现新式光学陀螺。两个来自俄罗斯的研究人员在1996年的一项专利中写到：值得注意的是，迄今所有成功的光学陀螺都是基于光束沿闭环传播的Sagnac效应。因此，关于旋转传感器基于电磁波沿旋转系统传播的旋转效应，还没有其它表现形式的先例。结果，在几乎所有介绍环形激光陀螺和光纤陀螺的出版物中，描述的旋转传感器除了具有垂直于转轴的圆形闭合光路外，就没有其它类型的光束传播途径。

这里揭示的概念不依赖于Sagnac效应，因为其光束或电磁辐射不是沿着平面闭合光路传播，而是平行于陀螺旋转轴的方向。因此在环形激光陀螺或光纤陀螺的传统优先工艺之外，出现了为数不多的新工艺。仪器在谐振子中激发产生电磁场，使电磁波沿平行于物体旋转轴的传播轴传播。探测到的电磁波的磁场分量指示物体的角速度。

如果发明者的想法是正确的，并获得资金支持，那么就可能出现与环形激光陀螺及光纤陀螺竞争的新式光学陀螺。但是有一点我们必须留意：并不是所有具有前途的想法最终都能成为产品，从20世纪70年代开始，核磁共振陀螺已成为研究的课题。尽管可能还在进行一些有限的工作，但没有迹象表明，在可预见的将来核磁共振陀螺会成为实用的传感器。

作者: ooxx 时间: 2003-12-30 07:12
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嗯不錯喔
多增加知識

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