【2017年整理】MEMS激光陀螺仪综述.doc

MEMS激光陀螺仪综述 姓名：赵琬婷 学号1.陀螺仪的发展简史 　陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。 2、激光陀螺仪概述 现代陀螺仪是一种能够精确的定位运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度 Sagnac 效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。 3.2激光陀螺仪的分类 激光陀螺原理上根本不同于普通的机电式陀螺。常规机电转子陀螺依据普通的刚体力学原理按照机械储能方式工作，而激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的量子光学仪表，其依据基于广义相对论的Sagnac效应。所谓的Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点出发的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同。其相位差（或光程差）的大小与闭合光路的转动速率成正比。激光谐振腔内的相位差又可以成为放大数百万倍的频率差，这样就可以通过测量光电信号的频率来测量物体的角速度、角度等。 图1：激光陀螺仪的结构示意图 与传统的机电式陀螺仪相比，激光陀螺仪构成简单，其主体为微晶玻璃腔体以及反射镜构成一个光学环形谐振腔，另外还有偏频系统、稳频控制系统、信号读出系统、信号处理系统、高压电源、磁屏蔽单元等部分。 激光陀螺的类型分类有多种：根据有无增益介质，激光陀螺分为、无源腔激光陀螺和有源腔激光陀螺。目前几乎所有激光陀螺都是有源型的。 根据陀螺的处理闭锁效应的方式不同(偏频方式不同)，有源腔激光陀螺分为二频型和四频型两种。其中二频陀螺根据偏频特点又分为机械抖动偏频、恒转偏频、磁镜交变偏频。四频陀螺根据偏频特点又分为法拉第效应偏频、塞曼效应偏频。 陀螺按腔形又可分为平面型、非平面型。其中平面型包括大多数单轴二频激光陀螺和腔内含有光学法拉第和水晶四频激光陀螺。空间型包括集成在一块玻璃上的空间三轴激光陀螺，自偏频和塞曼两种四频激光陀螺。 按反射镜种类又可分为介质膜片激光陀螺和棱镜激光陀螺。 目前所有实用的激光陀螺均使用0.6328 um 的 He-Ne气体激光陀螺。近年来，还出现了一些新型半导体、光纤谐振式激光陀螺。 图2：单片半导体环形激光陀螺仪结构原理图 这些陀螺已经脱离了传统的 He-Ne气体激光陀螺的框架，在某些方面可能具有更大的发展潜力。美日法德和国内一些单位正在努力开展研究，取得了一些较好的实验结果。日本学者试验的环形半导体激光器构成的角度测量元件能够正常工作，并且成功进行了微机械转动半导体激光器件中两组相向传播振动光波的频差自检测。用于试验的半导体环形激光器包括了长尾激光二极管放大模块。该半导体激光陀螺拍频的信息是在半导体环形激光器终端进行电压测试获得，从而不会损失光学环路中的能量。拍频作为检测旋转速度的一个功能测量，同时，还通过改变旋转半径来研究检测精度对于旋转半径的依赖程度。试验证明:该半导体激光系统标准检测灵敏度特性和Sagnac效应的理论预测吻合很好，这表明半导体环形激光器可以用来作为光学陀螺使用。此外，试验还证明:闭锁效应是半导体激光陀螺(semiconductor ring laser gyroscope)的主要噪声源之一。 可以预测随着半导体和光学技术的发展，这些结构更简单、功耗更小、使用更方便的新式激光陀螺仪有可能在未来的市场上出现。 4、激光陀螺仪的关键技术指标 4.1 激光陀螺仪的飘移 激光陀螺仪的飘移表现为零点偏置的不稳定度，主要误差来源有：谐振光路的折射系数具有各向异性，氦氖等离子在激光管