一 激光陀螺發(fā)展歷史

　　1913年，法國科學家Sagnac進行了環(huán)形光路中外界轉動引起干涉條紋變化的實驗，并從理論上對此現(xiàn)象進行了解釋，提出了著名的sagnac效應 。但是，隨后很長一段時間里，由于沒有合適的相干光源，光學Sagnac效應的研究基本上沒有任何進展。直到1960年，激光在世界上首次出現(xiàn)，激光陀螺作為激光技術的一個重要應用領域成為世界各國研究的熱點。1961年，美國科學家C.V。Heer在美國物理學會上發(fā)表了世界上第一篇有關激光陀螺的報道。他介紹了采用測量環(huán)形激光諧振腔內運轉的正反兩束激光之間的頻率差來感知外界輸入角速率的變化口 。隨后，美國斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺儀的實驗裝置。1966年，美國霍尼威爾公司開始使用石英作腔體，并研究出交變機械抖動偏頻法，使這項技術有了實用的可能。經(jīng)過40多年的發(fā)展和完善，目前，激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)已廣泛應用于軍用和民用方面。在我國，二頻機抖激光陀螺技術也已基本成熟，將作為未來信息化武器裝備的關鍵器件。

　　二 激光陀螺優(yōu)點

　　傳統(tǒng)的陀螺儀利用高速轉動的機械轉子的定向性和進動性來測定相對于慣性空間的轉速和方位。但 E是由于高速轉子的存在所帶來的缺陷，如不耐沖擊振動，何加速度效應等等，使其在慣性導航中的應用受到了限制，妨礙了進一步的發(fā)展 。而激光陀螺的工作原理與常規(guī)機電陀螺完全不同，它具有下列優(yōu)點：

　　1.性能穩(wěn)定，抗干擾能力強。激光陀螺由于沒有高速轉子，因而堅固可靠、耐沖擊振動、抗加速度性能好。

　　2.精度高。美國的高精度激光陀螺達到0.0005°/h，中高精度產(chǎn)品的零漂在0.001°-,0.01°/h之間。

　　3.動態(tài)范圍寬，可測動態(tài)轉速范圍高。

　　4.壽命長?？煽啃院?。國外產(chǎn)品的壽命已達10萬小時以上，平均無故障時間(MTBF)優(yōu)于1萬小時

　　5.標度因數(shù)穩(wěn)定。國外激光陀螺的標度因數(shù)穩(wěn)定度高達1ppm，國內激光陀螺的標度因數(shù)穩(wěn)定度也己達到10 ppm。

　　6.啟動迅速。由于沒有象機電陀螺一樣存在馬達的啟動與穩(wěn)定問題，激光陀螺啟動后可短時間內(3-8s)輸出信息。

　　7.數(shù)字量輸出、無需模數(shù)轉換。激光陀螺的輸出信號是脈沖形式，對脈沖進行計數(shù)就得到對應轉動角度的數(shù)字量，便于計算機處理，不需要高精度的AD電路。

　　8.對于同樣的精度和性能要求，激光陀螺的成本比機電陀螺低。

　　9.功耗低，體積小，重量輕。

　　10.既是速率陀螺，也是位置陀螺。使用靈活，應用范圍廣。

　　三 國外激光陀螺應用情況

　　目前世界上研制和生產(chǎn)激光陀螺及其系統(tǒng)的主要國家有美，英、德、法、日本和俄羅斯，其中美國和法國研制的水平最高，激光陀螺技術發(fā)展很成熟，并形成了二頻機抖、四頻差動、空間三軸、塞曼陀螺等不同類犁的系列產(chǎn)品，目前已經(jīng)達到最高水平的零漂值為0。00015。/h，輸入速率動態(tài)范圍±1500。/s，使用壽命20萬小時以上，輸入軸對準穩(wěn)定度達到微弧量級 。

　　美國研制激光陀螺儀的廠家有霍尼威爾，利頓、斯佩里和辛格?；鶢柛Ｌ氐裙?。斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺儀的實驗裝置。1972年，霍尼威爾公司研制出GO-1300型激光陀螺儀。1974年美國國防部下令海軍和空軍聯(lián)合制定研究計劃，1975年在戰(zhàn)術飛機試飛成功，1976年在戰(zhàn)術導彈試驗成功。此后，激光陀螺儀在航空，航天、航海、戰(zhàn)車定位定向方面廣泛應用。

　　法國SEXTANT公司在1972年開始研究激光陀螺儀，成功應用于“美洲虎”直升機、ANS超音速導彈和“阿里安’'4火箭，并在法國未來戰(zhàn)略導彈項目上中標。SAGEM公司從1977年開始研究環(huán)行激光陀螺儀，應用于航空及潛水艇的捷聯(lián)慣導系統(tǒng);其生產(chǎn)的GLCl6型樣機主要用于直升機和小型運載火箭的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。1994年2月，日本H2運載火箭呼嘯升空，激光陀螺首次在航天運載器中取代撓性陀螺。，國外激光陀螺實用產(chǎn)品精度性能參數(shù)如表1。1所示

　　美軍現(xiàn)役戰(zhàn)斗機、航空制導武器等大多都裝備了激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。為了提高激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的精度和可靠性，美軍采用GPS與之進行組合來提高系統(tǒng)的導航精度，這樣就可以通過低成本、中等精度的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)與GPS組合得到高精度的導航系統(tǒng)。在科索沃戰(zhàn)爭中，美軍使用的各類作戰(zhàn)飛機、戰(zhàn)斧II型巡航導彈，GBU-15航窄制導炸彈等均采用激光陀螺捷聯(lián)慣導/GPS組合導航系統(tǒng)。當采用P(Ⅵ碼GPS時，組合導航系統(tǒng)的精度可以達到8m(CEP)。科索沃戰(zhàn)爭后，美軍加大了激光陀螺捷聯(lián)慣WGPS組合導航系統(tǒng)的生產(chǎn)量，以滿足制導武器的需求。并且美軍計劃在未來十年里將組合導航系統(tǒng)的精度提高到3m(CEP)。

　　四 國內激光陀螺應用情況

　　國內激光陀螺起步于六十年代，大約七十年代初，清華大學、國防科技大學、蘇州第一光學儀器。，中國計量科學院、航空部303所先后開始了激光陀螺的研究，曾進行過抖動偏頻、四頻差動激光陀螺的方案與實驗，同時對激光陀螺的基本理論進行了探討。八十年代，航空部618所、航天部12所、國防科技大學、清華大學等開始了第一輪的激光陀螺研究。到“八五’期間，國防科技大學。航空部618所先后進行了技術鑒定。“九五”期間及以后，國內進行激光陀螺元件與整機研制的單位主要是：中國航空工業(yè)總司618所和國防科技大學。在激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)技術研究領域，國內起步于80年代初期，80年末開始從前蘇聯(lián)引進少量二頻機抖激光陀螺開展關鍵技術的研究工作，國產(chǎn)激光陀螺樣機研制成功后則轉向主要針對國產(chǎn)激光陀螺開展系統(tǒng)研究工作。

　　發(fā)展至今，國產(chǎn)激光陀螺已成功應用于現(xiàn)役武器裝備改造和新型武器系統(tǒng)研制。八五”初期，國防科技大學率先引進俄羅斯生產(chǎn)的KM2型二頻機抖激光陀螺，研制出國內第一套激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)，并成功應用于無人駕駛核化偵察裝甲車。之后，又引進俄羅斯生產(chǎn)的 e3二頻機抖激光陀螺研制出激光陀螺定位定向導航系統(tǒng)。成功應用于軍用機器人系統(tǒng)。同期研制的激光陀螺捷聯(lián)慣性定位定向系統(tǒng)樣機也已成功應用于”，陣地聯(lián)測子系統(tǒng)，解決了武器系統(tǒng)在復雜氣象、地理環(huán)境下的定位、定向、導航問題，提高了部隊的反應能力 ，目前國防科大等科研院所也在開展遠程彈載，船(艇)載激光陀螺捷聯(lián)慣性測量組合系統(tǒng)的研究

中科科美制造陀螺混氣臺

　　我國作為發(fā)展中國家，樹立了打贏高技術條件下局部戰(zhàn)爭為目標的戰(zhàn)爭觀，這就決定了我軍裝備發(fā)展中必須堅持有所為和有所不為發(fā)展策略。而有所為的核心是必須首先對空中來犯之敵給予有效打擊。要達到這一基本目的就必須強化空空、面空、地空、艦空等戰(zhàn)術導彈武器的發(fā)展和強化獲得這些武器使用的平臺和信息的技術。同時必須具有一定的威懾反擊能力，相應地加強地地導彈、反艦武器的發(fā)展。

　　國外上述戰(zhàn)術導彈武器的裝備和發(fā)展中。幾乎無一例外地均采用了慣性測量單元(IMU)作為中制導的核心部件。通過慣性+GPS，慣性+無線電指令，慣性+雷達，慣性+紅外/激光，慣性+圖象等等實現(xiàn)了導彈的精確打擊和智能化，實現(xiàn)了離軸發(fā)射和發(fā)射后不管的新空戰(zhàn)模式，實現(xiàn)了面防空和面反導的能力。其典型裝備如戰(zhàn)斧、愛國者、AM。1 20、HUMRAAM(高機動車載防空系統(tǒng))、R.27、R.77、PBB—AE、S-300、X-59、花崗巖、SS。N。12、捕鯨叉、米卡，箭1/2等等。

　　因此慣性測量單元(IMU)已經(jīng)成為戰(zhàn)術武器的核心傳感器，已成為當今高技術武器裝備中必須優(yōu)先發(fā)展和大力加強的關鍵技術和環(huán)節(jié)。

　　我國目前的戰(zhàn)術武器的慣性技術主要基于撓性陀螺，存在最大的問題是動態(tài)范圍小、準備時間長、環(huán)境適應性差、可靠性低和標校周期短。

　　基于激光陀螺的慣性測量單元恰好可以較為有效地解決上述問題。

　　國內激光陀螺經(jīng)過20余年的研制，逐漸形成了多個研制核心，個別單位目前已經(jīng)形成了一定的小批量生產(chǎn)能力。其中618所為某重點戰(zhàn)機型號配套的激光陀螺組合已經(jīng)批量交付。航天33所為某重點型號配套激光陀螺已經(jīng)進行了靶試，航天13所的慣導系統(tǒng)也進行了試飛。。目前我國除飛機外，近程地地導彈、中程空空導彈、遠程空空導彈、地空導彈、艦空導彈、反艦導彈、巡航導彈、魚雷武器、等多種戰(zhàn)術導彈武器應用對激光陀螺慣性測量單元都有強烈需求

　　我國研制生產(chǎn)的激光陀螺性能也達到了一定水平，如618所 研制的激光陀螺由于采用了微處理器電子控制模塊，使激光陀螺的尺寸和重量都到了減少，同時還擴大了激光陀螺的工作溫度范圍，提高了漂移的重復性，達到0.01°～0.005°/h同時還減少了激光陀螺的隨機游走，達到0.002°～0.003°/h(指標對比參加表1)

　　五 激光陀螺生產(chǎn)關鍵設備

　　在激光陀螺生產(chǎn)過程中，會用到陀螺儀表檢測裝置、陀螺儀充油裝置、陀螺儀充排氣臺、高真空釬焊退火爐等，北京中科科美科技股份有限公司是國內最早從事陀螺儀表生產(chǎn)裝備制造廠商，其生產(chǎn)的設備廣泛應用于國內各個陀螺生產(chǎn)企業(yè)幾研究所。陀螺儀表生產(chǎn)裝備市場占有率超過80%。以下是幾種關鍵陀螺生產(chǎn)設備簡介

　　5.1陀螺儀專用檢測裝置

　　用于陀螺儀除氣、充氣及密封檢漏。廣泛應用于航空、航天、船舶等軍工業(yè)及民用領域。該系統(tǒng)具有防爆安全措施;系統(tǒng)采用濾油裝置，具有環(huán)保措施，泵的排氣口裝有防毒過濾器。

　　技術參數(shù)

　　1.系統(tǒng)極限真空度：1×10^-5Pa;

　　2.系統(tǒng)工作真空度：1×10^-4Pa;

　　3.系統(tǒng)漏氣率：≤1×10^-10Pa•m³/s;

　　4.系統(tǒng)放氣率：≤1×10^-7Pa•m³/s;

　　5.充氣壓力范圍： 100Pa-100kPa;

　　6.系統(tǒng)連續(xù)工作時間：≥36 h;

　　7.真空儲存罐耐壓：≤20atm;

　　8.真空儲存罐內氣體露點≤-65℃。

　　5.2陀螺儀真空滴油臺

　　應用領域

　　高真空滴油臺可提供一個清潔無油的高真空環(huán)境，可用于精密儀表、陀螺、精密傳感器和變送器等需要充注高純度油的器件上，實現(xiàn)其加熱除氣及充油。

　　技術參數(shù)

　　1.空載冷態(tài)極限真空：優(yōu)于5.0×10^-5Pa;

　　2.加熱溫度：20℃～600℃;

　　3.充油速度可控：1～10滴/分(可調)或根據(jù)要求定制。

　　5.3激光陀螺充排氣臺

　　應用概述

　　主要用于激光陀螺諧振腔陰極的真空處理。具有無油蒸汽污染，排氣速度快，極限真空度高等特點，而且具有停水、停電自動保護報警和系統(tǒng)過壓保護功能。

　　技術參數(shù)

　　1.系統(tǒng)極限真空度：5×10^-7Pa;

　　2.鐘罩極限真空度：5×10^-4 Pa;

　　3.烘烤溫度：400℃可控可調;

　　4.鐘罩內徑：定制;

　　5.提升高度：按需求;

　　6.工件個數(shù)：5-10個;

　　5.4高真空釬焊退火爐系統(tǒng)

　　產(chǎn)品描述

　　該系列設備主要用于陀螺儀表，在真空環(huán)境下做釬焊、退火等工藝處理。

　　技術參數(shù)

　　1.系統(tǒng)極限真空度5×10^-5Pa;

　　2.工作真空度1×10^-4Pa。

　　3.系統(tǒng)漏率≤1×10-10Pam³/S;

　　4.最高加熱溫度≥1000℃;

　　5.升溫速率0.5～10℃/min;

　　6.溫度均勻性≤±5℃;

　　7.控溫精度≤±2℃;

　　8.均溫區(qū)范圍≥∅250mm×400mm。