解析“定位神器”激光陀螺的原理

时间:2014-07-15 09:48来源:光粒网作者:yeyan 点击:
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摘要:激光陀螺仪的原理是使用光程差来测量旋转角速度(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,使用检测相位差或干涉条纹的变化,就能够测出闭合光路旋转角速度。

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  被称为茫茫海天“定位神器”的激光陀螺,一直是世界各国国防科技竞争的制高点。40多年前,时任国防科委副主任的钱学森将写有激光陀螺简单原理的两张小纸条交给国防科技大学。如今,国防科大激光陀螺技术创新团队已成为该研究领域的国家队和主力军,成功研制出多种型号的激光陀螺,多项技术达到国际一流水平,创造了中国在该领域的多个第一。

  激光陀螺仪的原理是使用光程差来测量旋转角速度(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,使用检测相位差或干涉条纹的变化,就能够测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的根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,两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体,发生单色激光。为维持回路谐振,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,经过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。

  相关媒体报道,经过国防科技大学43年的艰苦攻关,我国成为世界上第四个能独立研制激光陀螺的国家。激光陀螺集光、机、电、算等尖端科技于一身。广泛覆盖陆海空天多个领域,有效提升了精确打击能力。上市公司中航天晨光、航天电子、华天酒店控股子公司华天光电等有激光陀螺惯导系统。

解析“定位神器”激光陀螺的原理

  激光陀螺以其独特的优点在军事、民用和科研等领域具有广泛的应用。

  激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度(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,两个不透明的反射镜和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体,产生单色激光。为维持回路谐振,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。

  陀螺仪通常装置在除了要定出东西南北方向,还要能判断上方跟下方的交通工具或载具上,像是飞机、飞船、飞弹、人造卫星、潜艇等等。它是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据。这是因为在高速旋转下,陀螺仪的转轴稳定的指向固定方向,将此方向与飞行器的轴心比对后,就可以精确得到飞机的正确方向。罗盘不能取代陀螺仪,因为罗盘只能确定平面的方向。另一方面,陀螺仪也比传统罗盘方便,因为传统罗盘是利用地球磁场定向,所以会受到矿物分布干扰,例如受到飞机的机身或船身含铁物质的影响;另一方面,在两极也会因为地理北极跟地磁北极的不同而出现很大偏差,所以航空、航海都已经以陀螺仪以及卫星导航系统作为定向的主要仪器。

激光陀螺又称为环形激光器

  激光陀螺又称为环形激光器

  作为飞行器惯导系统核心的惯性器件,在国防科学技术和国民经济的许多领域中占有十分重要的地位。激光陀螺仪花费了很长时间和大量投资解决了闭锁问题,直到80年代初才研制出飞机导航级仪表,此后就迅速应用于飞机和直升机,取代了动力调谐陀螺和积分机械陀螺仪。已广泛用于导航、雷达和制导等领域。

  43年的发展,团队已成为中国激光陀螺研究领域的国家队和主力军,创造了中国在该领域的多个第一:第一台高精度反射率透射率测试仪;第一个激光陀螺实验室样机、工程化样机;第一个实现激光陀螺产业化生产;第一家具有独立知识产权并能全闭环研制生产激光陀螺的单位……

  然而,由于保密需要,团队成员的学术论文不能公开发表;由于攻关进程紧张,他们没有时间准备报奖材料,43年来只报了三次奖,两次获得国家科技进步二等奖。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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