激光陀螺基本原理及重要参数.docx

激 光 陀 螺 基 本 原 理 及 重 要 参 数

激光陀螺是一种基于Sa驴ac效座的角度传感器，具有可索性高｀精度高、成本低的特点其甚本匝理是测昼旋转闭合光路中顺..逆时针的两束光的频率差亨并由频军经计霖得到闭合光路角速率。Sa驴ac效应可发生于任意形状的闭合环形光路兮

刚3年，法国物理学家萨格奈克发明了一种可以旋转的环形干涉仪，将同—光源发出的光通过分束镜分成两束光，这使两束光在同一环路中反向传播一周后会合，在屏幕上产生干涉条纹，这就是S呜nac干涉仪m.

在环形光沿中，沿脱｀逆时针方向的伤束光独立地传捎。当这个环形光路相对于惯性空间不转动酌，根据对称性可知；颠、逆时针的光程长度是相同的心但是当此光路相对于恨性空间以角速度9转动时，这种对称性将被破坏，lfA、逆光桯将会不同”lg

B}A

B}

c·w

尸c cw \

Q -

图2！; Sa阻1ac效应示怠图

如阳2.l所示圆形光路中i顺时针光束(CW.)和逆时针光束(CCW)同时从A点出发以光速C沿光路反问传播。当圆形光路不发生转动时，顺时针光(CW}的光程与逆时针光的光程(CCW)相同，均为LO；当圆形光路以角速质9顺时针转动时，反闱光束对将六能同时间到原点A令藤因在于光束传措一周的时间t=2咄IC

内，点A将会运动到8点，正反两束光将在B点会合，会合时过时针光(CCW)

传播的光程将比顺时针(C光W)传播的党程小AL。,

如＝凸＋丛/2

顺时针光(CW)的光程为

(2-1)

逆时针光(CCW)的光程为

L心 ＝h-丛f2

(2-2)

则顺、逆时针光程差为

丛＝L,ew-L,((,.,=4心IC

(2-3)

式(2.3)表明，环形光路相对于惯性空间的转动角速度9与此环形光路的闭合光路面积、光速C以及l巍 逆光的光程差凶有关，当环形光路确定以后，光程差丛，与转动角速度Q为线性关系，测出非互易的光程差即得到转动角速度的值。一般情况下光程差非常微小以至于测星此值非常困难。例如；1925年，Miehe勋n-Gale用它来测量地球自转枭年15(o)忙 7.3 xIO一5rad/s,在600叶的m2

的矩形坏跺中，仅能产生0.18μm的光程差，相当于1/J条干涉条纹的位移。上面的分析说明，将Sa邸ac效匣实际应用到角度测噩中，需要将光程差转换

成对转动呐应灵敏度更高的参县。激光出现以，后激光增益介质被引入到环形谐振腔中，构成激光陀媒激光陀螺能够将微小的光程差转换为频率差俨使得利用Sa即ac效应进行角度测量成为现实．

在单模对运转的环形激光器中，顺、逆时针揉荡的激光行波频率分别取决千

顺、逆时针的闭合腔长

—V(.,=q—C ,Vrwc -=q C

—

(2-4)

L(W Lrcw

环形谐振腔转动时，非互易的顺、逆时针光程经将转化为相应的吸率差．

令

Av=，Ver-V”

(2-5)

则有

AvIv=ALIL,

Av＝仁L）!丛＝,乌u (6)

式(2七）即是激光陀螺的基本原理公(9式)，其表明：测鱼顺、逆激光行波的频差，即可通过计算到得相应的转动角速度Q。同样以上面测尝地球自转角速度的例子说明，地球自转对应的光程差丛，为0.18凹\,.而v／丘2.6x101H劝LIii，因此可

得A产0.47xrn1Hz。可以君出，用振荡激光的频率差代替光程差来感测转动角速

度的灵敏度一次提高5了个数虽级，当然，实际应用当中不会建造这么大的谐振腔．以实际应用的典型环形激光为例器：三面反射镜构成的正三角形谐振腔，腔长L为20cm，波长1为0.,6328μm，则4A／让动29Hz{o)/h，这表明地球自转9 产J5(o)/h

将产生4.4比的频率差。这完全是可测的，

激光陀螺中顺、逆光束的频率差可以通过两束光干的涉叠加产生的条纹进行感测．对于波1长为0.6328pm的激光，其频率数鱼级为10，而以地球自转为例，其产生的频率差仅为4.4Hz.俏振念相同，强度、频儿率乎相同的一对光束相干叠加，产生的干涉条纹的变化速度就是顺、逆时针光束对的频率．差通过测虽单位时间内干涉条纹的移动数目即可得到光束对频率差．将(2式-6)两边对时间1．进

行积分

伈小＝忒4A

Qdr (2-7)

即

N4A

N

=—0

让

(2.8)

式(2·8)也激光陀蝶的原理公式，描述了干涉条纹数目与被测角度之间的关系。式中, N为t时间内，激光陀抚所渝出的脉冲信号个数，即于涉条纹的数目，0为1时间内激光陀螺所转过的角值