激光陀螺的工作原理基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)，當(dāng)環(huán)形激光器相對于慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順、逆時(shí)針方向運(yùn)轉(zhuǎn)的光將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)線性相關(guān)的光程差。依據(jù)對環(huán)形激光器輸出光相位的實(shí)時(shí)檢測，獲得物體相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率。激光陀螺的工作原理區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械式陀螺儀，屬于一種特色鮮明的角速率傳感器。

1963年，美國斯佩利公司首次報(bào)道了激光陀螺原理試驗(yàn)，利用邊長1 m的正方形閉合光路首次測得50o/h的低轉(zhuǎn)速，引起了慣性技術(shù)領(lǐng)域的轟動(dòng)。1964年前后，全世界許多國家的幾十家研究機(jī)構(gòu)相繼開展了激光陀螺研究，吹響了激光陀螺研制和應(yīng)用的沖鋒號(hào)，隨后各種激光陀螺相繼出現(xiàn)，技術(shù)不斷進(jìn)步、性能不斷提高。

激光陀螺與傳統(tǒng)機(jī)械式依靠轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀相比，其主要優(yōu)勢在于：沒有轉(zhuǎn)子活動(dòng)部件，精度高、長期精度穩(wěn)定性好、測試重復(fù)性極好、壽命長。與同為光學(xué)陀螺儀的光纖陀螺相比，激光陀螺的標(biāo)度因數(shù)非常穩(wěn)定，且動(dòng)態(tài)特性好?？傊?，到目前為止，雖然各種新型陀螺儀不斷出現(xiàn)，但是還沒有出現(xiàn)一種在實(shí)際環(huán)境下綜合性價(jià)比、環(huán)境適應(yīng)性能和激光陀螺媲美的慣性傳感器，特別是在“對標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性要求極高的中等精度應(yīng)用中，零鎖區(qū)激光陀螺應(yīng)是首選”。(引自2010年國外權(quán)威慣性技術(shù)專家語)

激光陀螺實(shí)物如圖1所示。利用三臺(tái)激光陀螺儀組成的一套導(dǎo)航系統(tǒng)，如圖2所示，他能精確感知物體在慣性空間內(nèi)的坐標(biāo)。用他給武器平臺(tái)導(dǎo)航，能讓戰(zhàn)機(jī)突防能力更強(qiáng)、艦船跑得更遠(yuǎn)、導(dǎo)彈打得更準(zhǔn)，特別是在沒有衛(wèi)星導(dǎo)航的情況下，同樣能精確打擊目標(biāo)。

在近年發(fā)生的局部現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，以激光陀螺為核心的慣性技術(shù)已成為不可替代的關(guān)鍵。

1982年5月的英阿馬島海戰(zhàn)，阿根廷空軍一架裝有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的“超軍旗”(Super Etendard)飛機(jī)在30 km外發(fā)射了一枚“飛魚”(Exocet)空對艦導(dǎo)彈，擊沉了造價(jià)1.84億英鎊的謝菲爾德(Sheffield)號(hào)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦。雖然當(dāng)時(shí)海面風(fēng)速很高，可對空艦導(dǎo)彈飛行軌跡產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，但是由于機(jī)上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對導(dǎo)彈進(jìn)行了攻擊前的姿態(tài)和航向?qū)?zhǔn)調(diào)整，導(dǎo)彈本身也采取慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，最終成功命中目標(biāo)。

2011年開始的敘利亞爭端，以美國為代表的一派向敘利亞政府軍發(fā)射了大量裝有慣性制導(dǎo)的武器，如“戰(zhàn)斧”(Tomahawk)式巡航導(dǎo)彈、“杰達(dá)姆”(JADAM)聯(lián)合直接攻擊彈等，而俄羅斯則以“山毛櫸”(SA-11)防空導(dǎo)彈系統(tǒng)、“凱旋”(S-400)防空導(dǎo)彈系統(tǒng)、米格-31K戰(zhàn)機(jī)攜帶高超音速導(dǎo)彈“匕首”(Кинжал)進(jìn)行抵抗和攻擊，在這些武器上均有激光陀螺的身影。

圖3 四邊形反射鏡式激光陀螺結(jié)構(gòu)簡圖

以四邊形激光陀螺為例，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。激光陀螺的核心是以氣體作為增益介質(zhì)的環(huán)形激光器。這類環(huán)形激光器一般采用鍍膜反射鏡組成腔體；壓電可調(diào)鏡作為激光器穩(wěn)頻伺服器，直接控制腔長實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻；直流高壓放電為激光管活性氣體介質(zhì)提供激勵(lì)；通過設(shè)計(jì)對稱的雙陽極、單陰極，避免朗繆爾效應(yīng) (朗繆爾效應(yīng)：高電壓造成的陽極高密度聚集的激活氣體原子沿截面以拋物線型的速度分布向低分子密度的陰極擴(kuò)散，形成的朗繆爾流會(huì)引起陀螺的零偏誤差)。

國內(nèi)外基于反射鏡激光陀螺技術(shù)路線開展研究的單位很多：

以Honeywell公司的GG1308激光陀螺為例，這種陀螺是小體積、低成本激光陀螺的最典型代表，該陀螺三角形光路的邊長僅2 cm，采用BK-7光學(xué)玻璃為腔體，總體積小于32.8cm3，質(zhì)量為60 g，每支售價(jià)僅為1000美元。采用該陀螺的慣導(dǎo)系統(tǒng)主要有HGl500 IMU和HGl700 IMU兩種，主要用于美軍JDAM聯(lián)合直接攻擊炸彈和制導(dǎo)多管火箭發(fā)射系統(tǒng)等裝備，是Honeywell公司乃至全世界產(chǎn)量最大的激光陀螺。

圖4 Honeywell公司HG1700 IMU及其內(nèi)部的三個(gè)GG1308陀螺

此外，研究激光陀螺的單位還包括美國的Litton公司(已被Northrop Grumman公司并購)、Singer?s Kearfott公司，法國Sextant公司、Sagemcom公司，俄羅斯POLYUS研究所，烏克蘭Arsenal factory，日本JAE公司等多家。

圖5 Sextant公司Single33激光陀螺和空間三軸激光陀螺 

圖6 日本JAE公司激光陀螺

除了上述以反射鏡構(gòu)成腔體的激光陀螺，還有一類激光陀螺通過全反射棱鏡構(gòu)成環(huán)形激光諧振腔，這一類型的激光陀螺屬于俄羅斯原創(chuàng)。目前，俄羅斯鮑曼莫斯科科技大學(xué)與POLYUS研究所合作形成的技術(shù)聯(lián)合體正沿著棱鏡式激光陀螺的技術(shù)路線開展研究。此外，中國、韓國、印度也相繼引進(jìn)了這種激光陀螺技術(shù)，并開始批量化生產(chǎn)。

圖7是棱鏡式激光陀螺用單棱鏡光路結(jié)構(gòu)圖。圖8是四邊形棱鏡式激光陀螺結(jié)構(gòu)簡圖。這類陀螺通過全反射棱鏡構(gòu)成環(huán)形諧振腔，優(yōu)點(diǎn)在于無反射鏡背向散射，陀螺鎖區(qū)??；完全免鍍膜，使陀螺工作可以適應(yīng)某些極端環(huán)境條件。但同時(shí)，由于光在棱鏡中存在一段傳輸距離，因而對磁屏蔽、熱屏蔽、環(huán)境溫度變化過程中的穩(wěn)頻要求比較苛刻。目前，由這種棱鏡式激光陀螺構(gòu)成的慣導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)列裝我軍某幾個(gè)型號(hào)的武器裝備，在國防現(xiàn)代化過程中發(fā)揮作用。

圖9 印度技術(shù)人員在裝配棱鏡式陀螺    

激光陀螺的分類方法很多，按照腔形幾何結(jié)構(gòu)分為：平面腔激光陀螺和異面腔激光陀螺；

按照陀螺敏感軸數(shù)分為：單軸激光陀螺和三軸一體式激光陀螺。

這里，我們主要根據(jù)激光陀螺采取的偏頻技術(shù)方式不同，可分為二頻工作模式和四頻工作模式兩種類型。

圖10 按照諧振腔工作頻率數(shù)量分類激光陀螺

二頻工作模式主要分為機(jī)械抖動(dòng)偏頻、速率偏頻、磁鏡偏頻、塞曼偏頻四種。

其中，機(jī)械抖動(dòng)偏頻是目前激光陀螺偏頻技術(shù)中應(yīng)用最廣、也是最成功的。但這種技術(shù)會(huì)帶來如機(jī)械噪聲、圓錐誤差、劃槳誤差等問題，并且活動(dòng)部件造成陀螺抗沖擊、耐振動(dòng)能力下降。速率偏頻通過承載陀螺的轉(zhuǎn)臺(tái)做交變轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)上存在活動(dòng)部件，這種陀螺抗沖擊能力差、安裝誤差不易標(biāo)定、體積大、價(jià)格昂貴。磁鏡偏頻受到磁鏡磁光效應(yīng)系數(shù)和諧振腔損耗的限制，偏頻量不容易提高，難以實(shí)現(xiàn)高精度。塞曼偏頻由于諧振腔內(nèi)振蕩光在單一方向上是單頻的，因此也屬于二頻陀螺范疇。這種陀螺的優(yōu)點(diǎn)是無活動(dòng)部件，但是環(huán)形諧振腔損耗大，圓偏振光對外磁場特別敏感，這種陀螺也很難實(shí)現(xiàn)高精度。

四頻工作模式主要分為塞曼四頻、四頻差動(dòng)式陀螺、法拉第偏頻陀螺三種。這類陀螺工作時(shí)諧振腔內(nèi)同時(shí)振蕩四個(gè)頻率，利用磁光非互易效應(yīng)實(shí)現(xiàn)偏頻。四頻陀螺的優(yōu)點(diǎn)在于無活動(dòng)部件、“全固態(tài)”地解決了閉鎖問題。但是，這類陀螺一方面通過附加磁場和光學(xué)非互易元件獲得四頻振蕩，另一方面附加磁場對陀螺零偏穩(wěn)定性造成負(fù)面影響，增加了諧振腔損耗，并對溫度及磁場變化比較敏感。

除了上述已獲得工程應(yīng)用的四頻激光陀螺外，近年來還涌現(xiàn)出各種新類型的激光陀螺四頻工作研究。例如：2011年報(bào)道過國外科研團(tuán)隊(duì)通過氣體增益介質(zhì)的非線性色散效應(yīng)在陀螺環(huán)腔內(nèi)混頻，進(jìn)而提高陀螺極限精度的方案。2014年報(bào)導(dǎo)了國外團(tuán)隊(duì)利用87Rb 蒸汽作為非線性介質(zhì)，以0.77 m反射鏡腔為基礎(chǔ)開展的環(huán)形腔四波混頻實(shí)驗(yàn)研究。近年來，利用“非線性光學(xué)效應(yīng)”研究新型激光陀螺偏頻技術(shù)，正成為另一個(gè)新的熱點(diǎn)。

就激光陀螺偏頻技術(shù)的研究現(xiàn)狀而言，以四頻工作取代二頻工作，以光學(xué)偏頻取代交變機(jī)械抖動(dòng)偏頻是一種趨勢。國內(nèi)沿著反射鏡路線開展四頻研究的單位主要有國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中航工業(yè)618所、13所、33所等。

目前主要是克服異面腔結(jié)構(gòu)微失諧、偏頻附加晶體、磁場等對陀螺精度及穩(wěn)定性的影響。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)以高伯龍?jiān)菏繛槭?，對四頻差動(dòng)激光陀螺的研究一直走在國內(nèi)前列。中航工業(yè)第618研究所對非共面腔法拉第偏頻陀螺、無源腔四頻陀螺等技術(shù)，進(jìn)行了長期、深入地研究。除此之外，北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)等主要開展光纖陀螺和慣性系統(tǒng)的研究，他們也曾經(jīng)從慣性系統(tǒng)應(yīng)用的角度，研究過四頻陀螺的工作特性。

國外沿著棱鏡式激光陀螺路線，開展雙縱模四頻研究工作的主要是俄羅斯。根據(jù)俄羅斯報(bào)道，當(dāng)棱鏡式陀螺雙縱模工作于增益曲線對稱位置實(shí)現(xiàn)四頻振蕩時(shí)，由衍射振幅非互易導(dǎo)致的零偏比單模二頻振蕩小1.5~2倍；由衍射相位非互易導(dǎo)致的零偏，比單模二頻振蕩小15%~20%，陀螺雙模四頻工作具備明顯優(yōu)勢。另外據(jù)說，俄羅斯近年來也開展了棱鏡式諧振腔自偏頻陀螺的研究，但是對外嚴(yán)密封鎖。

2016年以來，西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院聯(lián)合中國兵器工業(yè)激光陀螺技術(shù)中心，開始對棱鏡式激光陀螺雙縱模自偏頻技術(shù)開展深入研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單縱模機(jī)抖偏頻陀螺跳模過程中，去掉機(jī)抖偏頻，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了激光雙縱模四頻振蕩，并且可以無偏頻地檢測出地球自轉(zhuǎn)角速度的天向分量，此時(shí)閉鎖消失，陀螺處于自偏頻狀態(tài)。目前，在國家自然科學(xué)基金及陜西省科技廳等基金資助下，聯(lián)合技術(shù)團(tuán)隊(duì)開始對這種獨(dú)特的雙縱模四頻激光陀螺自偏頻現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理和影響關(guān)鍵因素開展理論和實(shí)驗(yàn)研究。

圖11 雙縱模自偏頻陀螺實(shí)驗(yàn)儀表

總之，激光陀螺因其精度優(yōu)勢和工作特性，正在國防和民用建設(shè)領(lǐng)域煥發(fā)著青春和活力。激光陀螺技術(shù)仍然需要發(fā)展，這種光學(xué)陀螺技術(shù)必將發(fā)揮越來越重要的作用。