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导航学-导航学2-2-2019
联系方式：
朱智勤
办公室：测绘学院空间定位与导航工程研究所（4楼-423房间）
电话： 68758531 (office) **********
Ema路光程
La = Lb = L
当干涉仪以ω相对惯性空间旋转，则会引起两路光程不等。
推导光程差
分离点的切向线速度
v 在分束点两侧光路上的投影都为
光束 a 逆行一周，回到分束点时多走了一段光程
另有
Sagnac干涉仪 光程差
求解方程组，得到
类似地，对于光束 b，可以求得
两束光回到分束点时，光程差
考虑到 c 远大于 Lω，上式近似为
光程差与输入角速度成正比，该结论对其它形状的环路也成立。
迈克尔逊实验：
矩形面积 A = 600×300 m2
光源波长λ=
计算得：
ΔL=，即 λ/ 4
干涉条纹只移动了 1/ 4 条纹间距
如果用来测量 0/h 的角速度，则干涉条纹将只移动 1/ 400 条纹间距
测量精度无法保证
激光陀螺 结构
激光陀螺相对干涉仪的改进
无源谐振腔 => 激光谐振腔
测量光程差 => 谐振频率差
谐振腔结构：
激光管(光源) + 反射镜(光路)
激光管 = 氦氖气体 + 端面镜片
谐振腔结构及原理
介质受激=>从基态到高能态
=>粒子数反转分布
光通过激活物质=>获得增益=>
环形腔=>获得足够大的增益
反射膜厚度λ/ 4 => 获得所需波长
选择环路周长 => 形成同相驻波
端面镜片 => 获得偏振光
设激光环绕一周的光程为 L，是激光波长λ的整数倍 q，即
λ= L / q
激光频率为 V，则
V·λ= c
故 V = c·q / L
当谐振腔以ω绕其平面法线旋转
Va = c·q / La
Vb = c·q / Lb
两束激光的频差
两束激光的频差正比于输入角速度
其干涉条纹以一定的速度移动
激光陀螺 频差产生
激光陀螺 频差测量
例：三角形谐振腔边长=
激光波长λ=
用来测地球转动角速度
激光陀螺 结构工艺
激光介质：氦氖气体（频谱纯度高、反向散射小）
腔体材料：熔凝石英、Cer-vit陶瓷
谐振腔尺寸：周长200～450mm
谐振腔形状：三角形、四边形
（优缺点： K = 4A / Lλ）
装配组合：分离式、整体式
整体式激光陀螺介绍
谐振腔和光路
反射镜的安装（反射膜、凹面、半透）
氦氖气体
阴阳电极：双阳极
控制回路：凹镜、激励电压
激光陀螺 零偏误差
激光陀螺误差源：不同于转子陀螺
误差分类
零偏误差：输入角速度为零时激光陀螺的频差输出（0 / h）
主要原因：郎缪尔流效应
直流放电，激活原子移向阳极
阳极的激活原子向阴极扩散
两种作用综合，形成郎缪尔流
导致激光在介质中传播时折射率不同，造成附加光程差及频差输出
补偿措施：双阳极方案
激光陀螺 标度因数与自锁误差
标度因数误差
激光陀螺频差输出公式
K值不稳定，也会引起输出误差
K值大小的影响因素：
谐振腔周长
谐振腔形状
激光波长( / / )
K值稳定性控制途径：
激光波长
谐振腔周长
280mm ～ ～ 5×10-6
120mm ～ ～ 3×10-4
自锁效应
自锁区： -ωL～ωL
典型值：3600/h
激光陀螺 自锁原因及对策
产生原因：反射镜的反向散射
顺时针传播光束 A 的反向散射 A’
A’ 和逆时针传播光束 B 相耦合
频率牵引（B 与 A’ 频率趋同）
类似地，A 与 B’ 也频率趋同
最终A与B频率趋同，无频差输出
克服自锁效应的途径：
正面途径：尽力减小自锁区（提高光学元件质量和气体纯度）
间接途径：偏频
输出偏置量ω0，工作点移出自锁区
激光陀螺 机械抖动偏频
机械恒定偏频：使激光陀螺绕输入 轴相对基座以足够大的ω0恒速旋转
缺点：陀螺体积重量增大，ω0难控
机械抖动偏频：采用高频角振动
谐振腔按曲线 1 的相对基座振动
当基座相对惯性空间无转动时，
谐振腔按曲线 1 相对惯性空间振动
输出频差均值为零
当基座以ωA相对惯性空间旋转
谐振腔按曲线 2 相对惯性空间振动
正半周输出频差平均值大于负半周
陀螺输出频差均值不为零