空间三轴激光陀螺现状与展望

0 引言

惯性技术的发展始终围绕着以陀螺为代表的惯性仪表技术发展为核心主线，形成以转子陀螺、光学陀螺、振动陀螺、原子陀螺等为代表的基于不同工作原理的多种类型的陀螺技术，在军民两类市场的牵引下，向着 “提升性能、缩减成本、减小体积、降低功耗、满足需求”的方向不断发展。激光陀螺作为光学陀螺的典型代表，其技术起源于20世纪60年代，70年代后期进入实用领域，成为捷联式惯性导航系统的理想部件。它具有快速启动、全固态、抗冲击振动能力强、动态范围大、精度高、寿命长、可靠性好、动态误差小等优点，并且能直接数字输出，非常方便与计算机相结合。特别是具备优异的温度性能和出色的标度因数稳定性，使其成为高精度惯性导航与测量系统的主要选择。

激光陀螺是典型的基于Sagnac原理的角速度传感器，核心敏感单元是以微晶玻璃为骨架的环形氦氖激光器，陀螺的基本性能与敏感光路面积成正比例关系，故高精度激光陀螺的体积和质量通常都比较大。例如，零偏稳定性达到0.003（°）／h的激光陀螺其敏感单元环形激光器外形尺寸一般为70mm～90mm，质量一般在1.5kg～2.0kg，在以电力或燃料为动力的运动载体上，这已成为了负担或重要影响因素，很大程度上限制了激光陀螺的进一步应用。

为解决这一矛盾，国内外研究机构在单轴激光陀螺技术发展成熟的基础上，提出了基于一体化集成和元件共用思想的 “空间三轴激光陀螺”技术方案。该型陀螺将三个敏感环路正交集成于一块微晶玻璃基体上，采用反射镜、抖动系统、电源电路系统等共用的技术方案，在相同光学敏感尺寸下，三轴陀螺组合的外形尺寸、质量、功耗、元器件数量大幅度减少，为激光陀螺的高精度、小型化、低成本提供了一种全新的发展思路。

1 原理与组成

空间三轴激光陀螺属于二频机抖激光陀螺的一类，其工作原理与二频机抖激光陀螺相同，均为基于光学Sagnac效应的角速度传感器，通常是以采用直流高压激励的有源环形氦氖气体激光器作为敏感单元，机械抖动方式实现偏频解锁。当载体运动时，集成于一体的三个测量轴可同时敏感载体在三个正交方向的角运动信息，实现三自由度角运动测量。

空间三轴激光陀螺典型光路布局如图1所示[1]，由正六面体六个面心所构建的三个正交正方形光路分别代表三个敏感光学环路，具有相同的几何特征和标度因数，其结构组成主要包括：

1）光学谐振腔：单个微晶玻璃块体，六个反射镜，其中任意一个反射镜为两个敏感光学环路所共用。

2）放电电极：一个或三个阴极，三个或六个阳极，一般采用单阴极六阳极旋转对称布局结构，阴极为三个敏感环路所共用，同时为三个激光器提供电子。

3）抖动机构：单抖轮或双抖轮，内置式或外置式，无论哪种抖动机构均为三个敏感环路所共用。对于正交布局的方案，抖动轴与三个测量轴夹角均为54.7356°，同时实现三路同幅度抖动偏频。

4）电源与控制电路：采用共用技术，一个高压电源给三个敏感环路同时供电提供增益，一块控制电路模块同时完成三个测量环路的稳流控制、稳频控制和机抖控制。空间三轴激光陀螺典型的控制及信息功能框图如图2所示。

图1 空间三轴激光陀螺示意图Fig.1 Diagram of space triaxial ring laser gyroscope

2 主要特点

作为单轴机抖激光陀螺的集成创新，除具备单轴机抖激光陀螺的基本特点之外，空间三轴激光陀螺还具有很多独特的优势，主要包括以下几个方面。

图2 空间三轴激光陀螺功能框图Fig.2 Functional block diagram of space triaxial ring laser gyroscope

2.1 体积小、质量小、功耗低

激光陀螺的精度与光学环路尺寸成正比例关系，对于同等规格的光学敏感环路，空间三轴激光陀螺的空间最大尺寸是采用三只单轴激光陀螺组合的60%。如图3所示，该结构大幅度减小了捷联惯性导航系统的尺寸，特别是对于采用旋转调制的惯性导航系统，空间三轴独有的测量轴布排形式极大地节约了回转空间，是旋转调制式激光陀螺惯性导航的首选。在质量方面，集成设计大幅度减少了陀螺微晶玻璃用料和结构性材料，单抖动系统减少了低膨胀合金用料，空间三轴激光陀螺的质量在三只单轴陀螺组合的基础上减小了50%以上。高压电源一体化设计、电路一体化设计、稳频回路和抖动回路负载的减少，直接降低了整个陀螺约30%的功耗。

文章来源：《中国惯性技术学报》 网址: http://www.zggxjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0717/743.html