机械抖动棱镜型激光陀螺信号特性分析

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1、机械抖动棱镜型激光陀螺信号特性分析第一章绪论1.1研究背景和意义当前以及未来的航空，航天，军事以及高科技等领域，导航控制技术占据着举足轻重的地位。所谓导航，是将飞机，航天器，导弹，舰船等航行体按预先制定的计划和要求，从出发地引导到目的地的过程。承担上述任务的系统即称之为导航系统。一个完善的导航系统，必须具有随时反馈载体的姿态，速度，位置等运行状态参数的能力。目前，能够测得上述参数的系统根据其原理的不同分为无线电导航系统，天文导航系统，卫星导航系统和惯性导航系统等。随着航空航天技术的不断发展和对于导航系统性能要求的提高，越来越多的航天器要求导航系统能够自动检测出载体的运行参数

2、，并反馈至控制系统进行控制。由于惯性是所有质量体的基本属性，所以建立在惯性原理基础上的惯性导航系统可以不通过与外界交换任何信息，就能够实现全天候，全球范围内，所有介质环境下自主隐蔽地工作。因此，从目前的发展情况来看，以陀螺，加速度计等惯性元件为核心的惯性导航系统由于其在体积，应用环境，和可靠性方面拥有的巨大优势，是当前航空航天飞行器导航系统的核心部件[1]。陀螺作为完全自主式导航系统中的核心惯性元件，从1852年法国科学家傅科（Foucault）的地球自转验证装置为陀螺原型问世起点，到如今尚在实验室阶段的原子陀螺，这期间出现了机电陀螺，液浮陀螺，挠性陀螺，静电陀螺，激光陀螺

3、，光纤陀螺，微机电陀螺等多种式样的陀螺。按照陀螺发展的时间顺序，各阶段的典型陀螺产品如下。最早阶段的陀螺仪是在1930年以前实现的，经历了牛顿三大定律，傅科陀螺定义，安修茨（Anschutz）摆式陀螺罗经，舒勒（Schuler）调谐原理四大重大科研成果阶段，其主要形式为滚珠轴承支撑转子的框架陀螺，例如机械转子陀螺和机电陀螺。20世纪40年代到50年代，正值火箭技术发展初期，各国对更高精度和可靠性的陀螺产品具有很强的需求，在这一背景下，使用气体活液体浮力轴承支撑的浮动式框架陀螺诞生。1951年，由美国麻省理工学院德雷帕实验室（DraperLaboratory）成功研制出单自由

4、度液浮陀螺，使陀螺实现了惯性级精度要求[2]。1965年英国皇家航空研究院成功研制了挠性陀螺[3]，并将这种形式的陀螺不断优化，使其精度可以达到0.001°/h。1968年，漂移小于0.005°/h的G6B4型动压陀螺也获得成功研制。1960年，激光问世之后，世界各国的科学家将目光转向了这种新型的载体来构建陀螺。1963年美国科学家迈克（Macke）和戴维斯（Davis）首次报道了环形激光谐振腔的萨格奈克效应（SagnacEffect）的验证试验[4]，开启了光学陀螺时代。同年，美国斯派利（Sperry）公司利用激光作为相干光源，成功研制出了世界上首台环形激

5、光陀螺。1976年，随着光纤通信技术的发展，美国科学家瓦力（V.Vali）和邵特维（R.Shorthill）在犹他州立大学成功研制出光纤陀螺[6-7]。经过多年的不懈努力，以霍尼韦尔公司的激光陀螺GG1389为典型核心器件的惯导产品是目前民用航空飞行器的标准机载惯性导航系统核心部件。图1.1所示即为典型的由三个三边形陀螺相互正交构成的三轴捷联惯导系统。20世纪70年代，传统的支撑式陀螺的精度和性能获得了新的提升。由具有超高真空静电悬浮支撑的静电陀螺研制成功，是当时精度最高的陀螺产品。1974年，美国霍尼韦尔（Honeys）技术的硅微陀螺被提出。1991年，美国麻省理工学院德

6、雷帕实验室成功研制出微型惯性测量组合，并应用于增程制导炮弹[9]。MEMS陀螺因为其超小的体积和可靠性，现在被广泛应用在民用电子产品领域。图1.3所示意法半导体公司生产的LYPR540AH三轴陀螺仪在扫描电子显微镜中的图像。使用先进的微电子工艺，可以在诸如这样的手持设备中装配这样的陀螺仪原件，以使设备获得感知自身姿态变化的能力。第二章棱镜式激光陀螺的结构与工作原理按照第一章中图1.5给出的激光陀螺分类，本文研究的有源棱镜式激光陀螺为具有一条敏感轴的交变抖动偏频式谐振腔型四边形激光陀螺。这种陀螺是根据其内运行的正反激光束在谐振状态下的频率差来完成角度测量的。本质上来说，第三代

7、陀螺的角速率测量原理都是基于萨格奈克效应，其严格的数学推导要采用广义相对论而建立[28]。本章不追求严密的数学论证，仅通过狭义相对论对棱镜式激光陀螺的结构和工作原理做出简要阐述。2.1激光陀螺角速率测量原理激光陀螺是基于萨格奈克效应的环形干涉仪。萨格奈克效应由法国科学家萨格奈克提出，它构成了现代光学陀螺的理论基础。如图2.1所示，在任意几何形状的闭合光学环路中，从任意点出发，沿相反方向传播的两束光波，绕行一周返回该点时，如果闭合光路相对惯性空间沿某方向转动，则两束光波的相位将发生变化，这种现象称为萨格奈克效应。需要