第3章 激光測量 2013510

1激光在精密測量中的應(yīng)用激光干涉測量激光衍射測量激光測距激光干涉測量技術(shù)

干涉測量技術(shù)是以光波干涉原理為基礎(chǔ)進行測量的一門技術(shù)。20世紀60年代以來，由于激光的出現(xiàn)使干涉測量技術(shù)得到長足發(fā)展。干涉測量技術(shù)大都是非接觸測量，具有很高的測量靈敏度和精度。干涉測量應(yīng)用范圍十分廣泛，可用于位移、長度、角度、面形、介質(zhì)折射率的變化及振動等方面的測量。在測量技術(shù)中，常用的干涉儀有邁克爾遜干涉儀、馬赫-澤德干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀、菲索干涉儀等；70年代以后，抗環(huán)境干擾的外差干涉儀(交流干涉儀)發(fā)展迅速，如雙頻激光干涉儀等；近年來，光纖干涉儀的出現(xiàn)使干涉儀結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊，干涉儀性能也更加穩(wěn)定。在干涉測量中，干涉儀以干涉條紋來反映被測件的信息，其原理是將光分成兩路，干涉條紋是兩路光光程差相同點聯(lián)成的軌跡。而光程差△是干涉儀兩支光路光程之差，可用下式表示

式中，nj、ni分別為干涉儀兩支光路的介質(zhì)折射率：li，lj分別為干涉儀兩支光路的幾何路程差。若把被測件放入干涉儀的一支光路中，干涉儀的光程差將隨著被測件的位置與形狀而變，干涉條紋也隨之變化，測量出干涉條紋的變化量，便可直接獲得l或n，還可間接獲得l或n有關(guān)的各種被測信息。激光干涉測量長度和位移

激光干涉儀是一種所謂“增量法”測長的儀器，它是把目標反射鏡與被測對象固聯(lián)，參考反射鏡固定不動，當目標反射鏡隨被測對象移動時，兩路光束的光程差即發(fā)生變化，干涉條紋也將發(fā)生明暗交替變化。若用光電探測器接收，當被測對象移動一定距離時，條紋亮暗交替變化一次．光電探測器輸出信號將變化一個周期，記錄下信號變化的周期數(shù)，便確定了被測長度。以邁克爾遜干涉儀為例，設(shè)在測量開始時，一束激光經(jīng)分光器B被分成兩束，它們經(jīng)參考反射鏡M1和目標反射鏡M2后沿原路返回，并在分光點O處重新相遇，兩束光的光程差式中n為空氣的折射率，Lm為目標反射鏡M2到分光點O的距離。Lc為參考反射鏡M1到分光點O的距離。

測量結(jié)束時。目標反射鏡M2移過被測長度L后，處于M2’的位置。此時兩光束的光程差

邁克爾遜干涉儀測長示意圖在測量開始和結(jié)束這段時間里，光程差的變化量

光程差每變化一個波長，干涉條紋就明暗交替變化一次，則測量過程中與d△相對應(yīng)的干涉條紋變化次數(shù)

式中，λ0為激光光波中心波長

測得干涉條紋的變化次數(shù)K之后，即可由上式求得被測長度L。在實際測量中，采用干涉條紋計數(shù)法，測量開始時使計數(shù)器置零，測量結(jié)束時計數(shù)器的示值即為與被測長度L相對應(yīng)的條紋數(shù)K?？砂焉鲜礁膶憺槭街?，λ=λ0／n，λ是激光光波在空氣中的波長。激光干涉測長儀的主要結(jié)構(gòu)激光光源：它一般是采用單模的He-Ne(同位素)氣體激光器，輸出的是波長為0.6328微米的紅光。為提高光源的單色性，對激光器要采取穩(wěn)頻措施；邁克爾遜干涉儀：由它來產(chǎn)生干涉條紋；（核心部件）可移動平臺：它攜帶著邁克爾遜干涉儀的一塊反射鏡和待測物體一起沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉儀中的干涉條紋移動；光電計數(shù)器：其作用是對干涉條紋的移動進行計數(shù)；顯示和記錄裝置：其作用是顯示和記錄光電計數(shù)器中記下的干涉條紋移動的個數(shù)或與之對應(yīng)的長度；光電顯微鏡：作用是對準待測物體，分別給出起始信號和終止信號；7邁克爾遜干涉儀的基本誤差分析如果我們不考慮計數(shù)N的誤差，則由于波長的不穩(wěn)定所造成的測長L的相對誤差為(前者是干涉測長系統(tǒng)的設(shè)計問題，后者是波長的相對誤差)如果我們要求在一米長的范圍內(nèi)由于波長不穩(wěn)定所引起的測量誤差小于0.1m，則要求激光波長的穩(wěn)定度為上述要求也是對激光頻率穩(wěn)定度的要求。實際上，除頻率不穩(wěn)定引起的誤差外，還有條紋計數(shù)誤差、對準誤差等等一系列的測量誤差。因此，對激光頻率的穩(wěn)定性的要求就更高些。在本書第四章中曾指出，一般環(huán)境條件影響引起的頻率相對變化約為10-7，所以要獲得：的頻率穩(wěn)定度，必須采取一定的穩(wěn)頻措施

激光干涉測量儀的主要部分有：激光干涉儀系統(tǒng)、干涉條紋計數(shù)和處理測量結(jié)果的電子系統(tǒng)及機械系統(tǒng)。

(一)干涉儀系統(tǒng)干涉儀系統(tǒng)主要包括光源、分束器和反射器。

1.激光干涉儀常用光源因為He-Ne激光器輸出激光的頻率和功率穩(wěn)定性高，它以連續(xù)方式運轉(zhuǎn)，在可見光和紅外光區(qū)域里可產(chǎn)生多種波長的激光譜線，所以，He-Ne激光器特別適合作相干光源；

2.干涉儀將一束光分為兩束或幾束的方法

(1)分波陣面法激光器發(fā)出的光經(jīng)準直擴束后，得到一平而光波的波陣面。利用有微小夾角的兩反射鏡Ml和M2(菲涅爾雙面鏡)的反射，將光波的波陣面分為兩部分，然后使二者在屏幕P相遇，在屏上出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，如下圖(a)所示。

(2)分振幅法把一束光分成兩束以上的光束，它們?nèi)哂性瓉聿ǖ牟ㄇ?，但振幅減小了。如邁克爾遜干涉儀。常用的分光器有：平行平板分光器和立方體分光器．如下圖(b)所示二、測量系統(tǒng)組成(a)分波陣面法；(b)分振幅法既分振幅又分偏振(c)分偏振法(3)分偏振法在偏振干涉儀系統(tǒng)中需要采用偏振分光器，它由一對玻璃棱鏡相膠合而成，在其中一塊棱鏡的膠合面上交替蒸鍍氟化鎂和硫化鋅膜層。入射光以布儒斯特角進入介質(zhì)層，經(jīng)多次透射和反射得到高偏振度的S分量反射光和P分量透射光。偏振分光器也可由晶軸正交的偏光棱鏡組成，如渥拉斯頓棱鏡。

3.干涉儀中常用的反射器

(1)平面反射器

偏轉(zhuǎn)將產(chǎn)生附加的光程差，在采用多次反射以提高測量精度的系統(tǒng)或長光程干涉儀中，此項誤差不可忽略；

(2)角錐棱鏡反射器

如下圖(a)所示，它具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除偏轉(zhuǎn)帶來的誤差，是干涉儀中常用的器件。

(3)直角棱鏡反射器

如下圖(b)所示，它的三個角分別為45?、45?

、90?

，光入射在斜面上。它只有兩個反射面，加工起來比較容易，并只對一個方向的偏轉(zhuǎn)敏感。對于垂直人射面的平面偏振光不受干擾。

(4)“貓眼”反射器如下圖(c)所示，它由一個透鏡L和一個凹面反射鏡M組成、反射鏡放在透鏡的主焦點上，從左邊來的入射光束聚焦在反射鏡上，反射鏡又把光束反射到透鏡，并沿與入射光平行的方向射出(與反射鏡的曲率無關(guān))。若反別鏡的曲率中心C’和透鏡的中心C重合，那么當透鏡和反射鏡一起繞C點旋轉(zhuǎn)時，光程保持不變：“貓眼“反射器的優(yōu)點是容易加工和不影響偏振光的傳輸。在光程不長的情況下也可考慮用平面反射鏡代替凹面反射鏡，這樣更容易加工和調(diào)整。4．典型的光路布局

在激光干涉儀光路設(shè)計中，一般應(yīng)遵循“共路原則”，即測量光束與參考光束盡量走同一路徑，以避免大氣等環(huán)境條件變化對兩條光路影響不一致而引起測量誤差。同時，根據(jù)不同應(yīng)用需要，要考慮測量精度、條紋對比度、穩(wěn)定性及實用性等因素。下面介紹幾種從不同角度考慮的典型光路布局。

(1)使用角錐棱鏡反射器這是一種常用的光路布局，如下圖(a)所示，圖中角錐棱鏡可使入射光和反射光在空間分離一定距離，所以，這種光路可避免反射光束返回激光器。激光器是一個光學諧振腔．若有光束返回激光器將引起激光輸出頻率和振幅的不穩(wěn)定。角錐棱鏡還具有抗偏擺和俯仰的性能，可以消除測量鏡偏轉(zhuǎn)帶來的誤差。圖(a)所示光路的缺點是這種成對使用的角錐棱鏡要求配對加工，而且加工精度要求高。故常采用一個作為可動反射鏡。參考光路中用平面反射鏡B作固定反射鏡。使用一個角錐棱鏡作可動反射器還可采用其他幾種光路。圖(b)中，鏡Ml和M3上都鍍有半反半透膜，M1用作分光器，參考光束經(jīng)M1反射后在鏡M3與測量光束迭加，產(chǎn)生干涉。Ml和M3還能做成一體，如圖(c)所示。只用一個角錐棱鏡反射器作動鏡還可以組成圖(d)所示的雙光束干涉儀，它也是一種較理想的光路布局，基本上不受鏡座多余自由度的影響，而且光程增加一倍。

(2)整體式布局這是一種將多個光學元件結(jié)合在一起，構(gòu)成一堅固的組合結(jié)構(gòu)的布局。如右圖所示，立方體分光器上蒸鍍了其他元件。整個系統(tǒng)對外界的抗干擾性較好，抗動鏡多余自由度能力強，測量靈敏度提高一倍。但這種布局調(diào)整起來不方便，對光的吸收較嚴重。1.立方體分光器;2.移動反射鏡(3)光學倍頻布局

為提高干涉儀的靈敏度，可使用光學倍頻(也稱光程差放大器)的棱鏡系統(tǒng)，如下圖所示。角錐棱鏡Ml每移動kλ/2干涉條紋便發(fā)生一次明暗交替變化，k為倍頻系數(shù)，圖中k＝6。利用光學倍頻的干涉系統(tǒng)能用簡單的脈沖計數(shù)做精密測量，而無需進行條紋細分，這種技術(shù)還可使干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，減小溫度、空氣及機械干擾的影響。

(4)零光程差的結(jié)構(gòu)布局在干涉儀中，為使初始光程差不隨環(huán)境條件的變化而變化，常采用參考臂Lc和測量臂Lm相等，并使兩臂布置在儀器同一側(cè)的結(jié)構(gòu)形式。此時，干涉儀的初始光程差Lm-Lc=0，即所謂的零光程差結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。這種結(jié)構(gòu)布局可以提高干涉儀的測量精度。(a)測量時測量光路光程增加；(b)測量時測量光路減小(二)干涉條紋計數(shù)與測量結(jié)果處理系統(tǒng)

1．移相器

激光干涉僅采用光電子計數(shù)時，為了判別可動目標反射鏡的前進和后退，儀器必須能夠進行可逆計數(shù)。另外，為了提高儀器分辨力，還要對干涉條紋進行細分。為達到這些目的，干涉儀必須有兩個位相差為90?的電信號輸出，一個按光程的正弦變化，一個按余弦變化。所以，移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移相方法有以下幾種。(1)階梯板移相下圖是階梯板移相光路圖。在反射鏡MI的半邊蒸鍍一層厚度為d的透明介質(zhì)，使其造成λ/8的階梯，使光束的左右兩半邊產(chǎn)生λ/4的初程差。當兩光電接收器Dl和D2同時對準狹縫中心時，便能獲得相移為π/2的信號輸出。采用階梯板移相容易受大氣擾動引起波陣面畸變的影響。階梯板移相光路圖

(2)金屬膜移相利用金屬膜表面反射和透射時都產(chǎn)生附加位相差的原理，在分光器的分光面上鍍上金屬膜做成金屬膜分幅移相器，如圖所示。它的移相程度取決于鍍層的厚度及其組成。在圖中，光路2中產(chǎn)生干涉的兩束光均經(jīng)過金屬移相膜的一次透射和一次反射，光電接收器接收的是位相相同的兩束激光所形成的干涉條紋。而在光路1中產(chǎn)生干涉的兩束光，一束是經(jīng)過金屬移相膜的兩次反射，另一路則經(jīng)過兩次透射。若金屬移相膜使反射光束和透射光束產(chǎn)生45?位相差，則光電接收器接收的是位相差為90?兩束光的干涉信號。這樣，兩個光電接收器接收的信號位相差為90?

。這種移相方法的優(yōu)點是兩光束受振動和大氣擾動的影響相同，元件少，結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點是兩相干光束的光強不同，影響條紋對比度，改善辦法是在光束強的反射器前放一塊吸收濾光片，使兩束光強接近一致以提高對比度。金屬膜移相光路圖機械法移相原理圖光路2中產(chǎn)生干涉的兩束光均經(jīng)過金屬移相膜的一次透射和一次反射，光電接收器接收的是位相相同的兩束激光所形成的干涉條紋。而在光路1中產(chǎn)生干涉的兩束光，一束是經(jīng)過金屬移相膜的兩次反射，另一路則經(jīng)過兩次透射金屬移相膜使反射光束和透射光束產(chǎn)生45?位相差，則光電接收器接收的是位相差為90?兩束光的干涉信號

(3)分偏振法移相輸入光束是與垂直入射面成45?角的平面偏振光，由分光器和活動反射器反射后，信號光束的輸出還是45?的平面偏振光，因此，它的垂直和水平分量位相相同。在參考光路中加入1/4波片后使參考光變成圓偏振光，它的垂直和水平分量位相差為90?，光束會合后用一個渥拉斯頓棱鏡使垂直分量和水平分量分開，給出兩個干涉條紋，它們的（？）位相差為90?

2.干涉條統(tǒng)計數(shù)及判向原理干涉儀在實際測量位移時，由于測量反射鏡在測量過程中可能需要正、反兩方向的移動，或由于外界振動、導軌誤差等干擾使反射鏡在正向移動中，偶然有反向移動，所以，干涉儀中需設(shè)計方向判別部分，將計數(shù)脈沖分為加和減兩種脈沖，當測量鏡正向移動時所產(chǎn)生的脈沖為正脈沖，而反向移動時所產(chǎn)生的脈沖為減脈沖。將這兩種脈沖送人可逆計數(shù)器進行可逆計算就可以獲得真正的位移值。如果測量系統(tǒng)中沒有判向能力，光電接收器接收的信號是測量鏡正、反兩方向移動的總和，并不代表真正的位移值。圖(a)和圖(b)為判向計數(shù)原理和電路波形圖。通過移相獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強信號。該信號由兩個光電探測器接收，便可獲得與干涉信號相對應(yīng)的兩路相差π/2的正弦信號和余弦信號，經(jīng)放大、整形、倒向及微分等處理，可以獲得四個相位依次相差π/2的脈沖信號。若將脈沖排列的相位順序在反射鏡正向移動時定為1、2、3、4，反向移動時定為1、4、3、2．由此，后續(xù)的邏輯電路便可以根據(jù)脈沖1后面的相位是2還是4判斷脈沖的方向，并送入加脈沖的“門”或減脈沖的“門”，這樣便實現(xiàn)了判向的目的。同時，經(jīng)判向電路后，將一個周期的干涉信號變成四個脈沖輸出信號，使一個計數(shù)脈沖代表1／4干涉條紋的變化，即表示目標鏡的移動距離為λ/8,實現(xiàn)了干涉條紋的四倍頻計數(shù)，相應(yīng)的測量長度為L=Kλ/8

判向計數(shù)原理1.干涉條紋；2.移相系統(tǒng)；3.光電接收系統(tǒng)；4.放大器；5.倒相；6.微分電路；7.可逆計數(shù)器；8.計算機；9.顯示器正向移動時定為1、2、3、4，反向1、4、3、2余弦滯后2023/2/426干涉條紋計數(shù)與判向干涉條紋移相系統(tǒng)光電接收器放大器倒相器(sin)微分電路微分電路(sin)(-sin)光電接收器放大器倒相器(cos)微分電路微分電路(-cos)(cos)可逆計數(shù)器計算機條紋移動判向計數(shù)原理框圖sin

cos00(sin)(-sin)(cos)(-cos)(sin)(-sin)(cos)(-cos)(-cos)(cos)(-cos)(cos)(cos)超前(cos)滯后123434干涉條紋計數(shù)判向電路波形當cos信號超前時（設(shè)為正向）：脈沖信號的順序為1、3、2、4，當cos信號滯后時（應(yīng)為反向）：脈沖信號的順序為1、4、2、3

方向判別電路的原理。先在干涉系統(tǒng)中應(yīng)用移相方法（詳見后述）將干涉條紋分為兩組且彼此位相偏移π/2，分別經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，輸出的兩組光電信號也彼此有π/2的位移偏移，這兩組光電信號分別經(jīng)放大、整形、倒相，變成四個位相依次差π/2的矩形脈沖，再經(jīng)斯密特電路把波形變換成尖脈沖。當工作臺正向移動時，脈沖的排列為1、3、2、4、1；反向移動時，脈沖排列次序為1、4、2、3、1，如圖所示。在邏輯電路上可根據(jù)脈沖1的后面是1或4來判別正向加脈沖或反向減脈沖，并分別逆入加脈沖的“門”或減脈沖的“門”中去，從而可得到總的加脈沖或減脈沖信號。

判向電路除提高了儀器的抗干擾能力外，還把一個周期的干涉條紋變化（即亮暗變化一次）變成四個脈沖輸出信號。因此在測長時，當條紋變一條時，可逆計數(shù)器顯示4個脈沖數(shù)，這等于把條紋4細分了，常稱四倍頻計數(shù)。此時每一脈沖代表λ/8的移動量，所測得的長度辯向電路原理29激光衍射測量31用激光衍射法測量金屬細絲直徑一般的鋼絲直徑常用測微儀以接觸法進行測量，這種方法受測量力的影響很大，即使在測量力較小的情況下，其相對測量誤差也是較大的，而且容易引起細絲的彎曲變形。此外，如測力過小，也由于測量不穩(wěn)定而無法保證測量精度。近年來由于激光技術(shù)的發(fā)展，為測量細絲直徑提供了新的測量原理和方法。

激光測直徑32夫瑯和費衍射原理當光源和衍射場(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狹縫等)無限遠時的衍射稱為夫瑯和費衍射(或平行光衍射)，實際上只要光源、屏幕離衍射物有足夠大的距離部可認為是夫瑯和費衍射。33激光衍射測量原理光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋的屏幕(即衍射場)之間的位置關(guān)系一般分為兩種類型：菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射。單縫衍射測量：

單縫衍射測量的原理：單縫夫瑯和費衍射。條紋的光強可表示為：

圖6-9衍射測量原理圖單縫衍射測量的基本公式:,當被測物體尺寸改變δ時，相當于狹縫尺寸改變δ，衍射條紋的位置也隨之改變,可得3435

式中K＝1，2…正整數(shù)。正負號表示亮暗條紋對稱地分布在中央亮條紋的兩側(cè)，＝0給出了中央亮條紋P0的中心位置。圖為衍射條紋的光強分布圖。由圖可見，隨著衍射角的增加，亮條紋的光強將迅速降低，暗點位置是等距分布的。如采用激光作為光源，由于能量高度集中，條紋可以更加清晰，衍射級次也更高(即能見到的衍射條紋數(shù)目多)。36由前知，夫瑯和費衍射要求光源和衍射場位于無窮遠處，但實際上只要這些距離足夠大便可認為符合夫瑯和費衍射的條件了。為此，如圖所示，設(shè)被測細絲為

d，相當于狹縫。我們采用激光作為光源，由于其發(fā)散角很小，可認為是平行光，所以可免除透鏡L1；并將衍射屏幕放置離細絲較遠處(譬如l＞500mm)，這樣又可免除透鏡L2。于衍射場P處即可獲得一組明暗相間的衍射條紋，只要測得衍射條紋距屏幕中心的距離Sk，便可求得細絲直徑。由于l?a(即d)，此時角很小，故可取:3738間隙測量法

其基于單縫衍射的原理。作尺寸的比較測量,如圖6-11(a)。作工件形狀的輪廓測量，如圖6-11(b)。作為應(yīng)變傳感器使用，如圖6-11(c)。用間隙測量法測量位移,即測量狹縫寬度b的改變量=b’-b,可采用絕對法,求出變化前后的兩個縫寬b和b’，然后相減。也可以用增量法。后者所用公式為圖6-11間隙測量法的應(yīng)用39反射衍射測量法

反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進行衍射測量的。圖6-12反射衍射法原理圖40圓孔衍射測量圖（6-10）表示了圓孔的夫瑯和費衍射原理，接收屏上衍射條紋的光強分布為中心亮斑(即第一暗環(huán))的直徑為圖6-10圓孔的夫瑯禾費衍射原理示意圖41愛里斑測量法?基于圓孔夫朗和費衍射的測量方法稱作愛里斑測量法。原理：用愛里斑中歸一化光強的大小的測量來確定被測孔的直徑。圖6-15是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理圖。圖6-15噴絲頭孔徑的愛里斑測量原理示意圖激光測距原理：主要構(gòu)造：激光發(fā)射器；電源和顯示裝置。激光接收器；記時器電源放大器光電轉(zhuǎn)換器距離顯示器Laser激光發(fā)射器；激光接收器；射向目標來自目標參考光

激光測距的基本公式為：

c——大氣中的光速

t——為光波往返所需時間由于光速極快，對于一個不太大的D來說，t是一個很小的量，例：設(shè)D=15km，c=3×105km/sec

則t=5×10-5sec

由測距公式可知，如何精確測量出時間t的值是測距的關(guān)鍵。由于測量時間t的方法不同，產(chǎn)生了兩種測距方法：脈沖測距和相位測距。44測距方法分類脈沖測距法：測距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測目標反射后，光脈沖回到測距儀接收系統(tǒng)，測量其發(fā)射和接收光脈沖的時間間隔，即光脈沖在待測距離上的往返傳播時間t。脈沖法測距精度大多為米的量級相位測距法：它是通過測量連續(xù)調(diào)制的光波在待測距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化，間接測量時間t。這種方法測量精度較高，因而在大地和工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用

因為令N=1

例：設(shè)fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m一、問題的提出在測量中，如果存在一個脈沖的誤差，則其測距誤差即為1m，這對遠距離測量也許是允許的，但對近距離測量（如50m等），則誤差太大。如要求測距誤差為1cm，則要求時鐘脈沖的頻率應(yīng)為fT=15GHz，這將帶來三個問題：多周期脈沖激光測距

·過高的時鐘脈沖不易獲得；

·高頻電子元器件價格昂貴，穩(wěn)定性較差；

·對電路的性能要求很高。二、多周期測距原理

固定延時多周期脈沖激光測距

當測量距離很小時，則由“發(fā)射→接收→再發(fā)射……”過程中所形成的振蕩回路的頻率就很高。例：當S=1.5m時，測量一次（光脈沖往返一次）所需時間

所以其振蕩回路的頻率為如此高的振蕩頻率對驅(qū)動放大電路響應(yīng)速度要求太高。解決方法：在儀器接收到回波脈沖信號時，不馬上觸發(fā)下一個激光脈沖，而是增加一個固定的延時t0=m0/fT（m0為延時的時鐘脈沖數(shù)）后，才觸發(fā)下一個激光脈沖。

這樣，可有效降低振蕩回路的頻率。具體按以下程序?qū)嵤?/p>

1．發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光脈沖；

2．從發(fā)射時刻開始，計數(shù)器開始計數(shù)；

3．光脈沖從目標返回被接收系統(tǒng)收到回波信號后，不關(guān)閉計數(shù)器，而是經(jīng)一固定延時t0后，再去觸發(fā)激光發(fā)出下一個光脈沖，同時計數(shù)計又開始計數(shù)。以形成周期振蕩信號；

4．經(jīng)N個周期后，關(guān)閉計數(shù)器；

5．將N個周期測量的總時間t減去N個周期延時的時間Nt0的值取平均值，就可得到光脈沖往返一次所需的時間。

6．將該時間代入測距公式后可得所測距離。固定延時再發(fā)射形成：再接收再延時發(fā)射接收

設(shè)時鐘脈沖頻率為fT，測距儀距目標距離為S，光脈沖經(jīng)過N個周期后所走的總路程為L，式中m：計數(shù)計的總計數(shù)脈沖數(shù)；

m0：延時t0內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值。例：設(shè)固定延時t0=200nS，N=150，fT=100MHz，則可算出延時脈沖個數(shù)為：51在工程建設(shè)中進行測量時．常用30m或50m的卷尺(鋼皮尺)一“鏈”復一“鏈”地進行測量，如圖所示，其結(jié)果是整“鏈”數(shù)與卷尺長度的乘積再加上最后不足一整“鏈”，過程可用下式表達

式中D——待測距離；

Ls——測尺長度；

N——零或正整數(shù)，即整鏈數(shù)；

ΔL——不足整尺的距離尾數(shù)。

D＝NLs+ΔL相位式測距儀采用了與上述相似的方法來測量距離，不過它所采用的測尺不是卷尺，而是“光尺”，這把“光尺”是通過對光的強度進行調(diào)制實現(xiàn)的。

相位測距原理52相位測距的測尺相位測距是對發(fā)射的激光強度進行余弦型調(diào)制，光波每傳播一個調(diào)制周期，相位就變化2，相應(yīng)的傳播距離為=cT。所以距離d、光波往返相位差和光波調(diào)制波長之間的關(guān)系為應(yīng)當注意到：此處的并不是光的波長，而是余弦型調(diào)制造成的光強變化對應(yīng)的強度“光波”的“波長”，該調(diào)制波長實際上是被測距離的度量單位，因此把該波長的一半

稱作“測尺”，被測距離可以用該測尺表示為相位測距原理

通過檢測被調(diào)制的連續(xù)激光往返后和初始信號的相位差可使測距精度大大提高。連續(xù)激光經(jīng)過調(diào)制后成為調(diào)制光，設(shè)調(diào)制頻率為fυ，如圖9-11所示。激光往返一周的時間t可以用調(diào)制波的整數(shù)周期數(shù)及不足一個周期的小數(shù)周數(shù)來表示。相位激光測距

圖9-11fυ——調(diào)制頻率（Hz）

N——光波往返全程中的整周期數(shù)

Δ

φ——不是一個周期的位相值

L定義為測距儀的電尺長度：等于調(diào)制波長的二分之一。則相位測距方程為：結(jié)論：因為L為已知的，所以只需測得N和ΔN即可求D。二、相位測距的多值性

在測距方程中deltaN是可以通過儀器測得的，但不能測得N值，因此，以上方程存在多值解，即存在測距的多值性。但若我們預先知道所測距離在一個電尺長度L之內(nèi)，即令N=0，此時，測距結(jié)果將是唯一的。其測距方程變?yōu)椋豪涸O(shè)光調(diào)制頻率為fυ=150×103Hz（高頻調(diào)制）

則電尺長度當被測距離小于1000m時，測距值是唯一的。即在1000m以內(nèi)的測距時N=0（不足一個電尺長度）三、相位測距精度

將兩邊微分后，取有限微量，其中為相對測相精度（一般1/1000可比較容易做到的）例如，對上例而言，即此時測距精度可達1m。從上式可以看出ΔD與調(diào)制頻率fυ成反比，即欲提高儀器的測距精度(即使ΔD減少)，則須提高調(diào)制頻率fv.而由電尺長度公式可知,此時可測距離減少。因此在測相精度受限的情況下，存在以下矛盾：·若想得到大的測量距離→則測距精度不高

·若想得到高的測量精度→（電尺長度短），則測量距離受限制。如何解決這個矛盾呢？59相位測量和多測尺測距當被測距離大于一個波長時，相位超過，因此可以表示為式中是不足2的相位移的尾數(shù)，N為相位移的整數(shù)部分。任何測量交變信號相位移的比相方法都不能確定出相位移的整周期數(shù)，因而當距離d大于測尺長Ls時，就需要更長的測尺來測定距離，但是長的測尺在相位差的測量精度一定的條件下距離的分辨率也會減小，因此既要保證測量精度又要擴大測量的范圍就需要設(shè)置多個測尺，用大的測尺提高測量的范圍，用小的測尺提高測量精度60如果被測距離較長，則可以選用一個較低的測尺頻率即測尺長度較長（大于待測距離）。但由于測尺長度越大，帶來的測距誤差也會越大。例如儀器的測相誤差為0.1％，當測尺長度Ls＝10m時，會引起1cm的距離誤差；而當L＝1000m時，所引起的誤差就可達1m。當被測距離大于基本測尺長度L時，可再選一個或幾個輔助測尺Lsb(又叫粗測測尺)。例如選用兩把測尺，其中Lsb=10米，Lsa＝1000m，用它們分別測量某一段長度為386.57m的距離時，用Lsb測量時可得到不足10m的尾數(shù)6.57m，用Lsa測量可得不足1000m的尾數(shù)386m，將兩者組合起來就可得386.57m，即6.57……Lsb讀數(shù)，386

……Lsa讀數(shù)，386．57m……兩尺組合起來的總讀數(shù)61四、雙頻率相位激光測距

即設(shè)置若干個測量頻率進行測量，現(xiàn)以兩個頻率為例加以說明。設(shè)測量主頻為?1，輔助頻率為?2=k?1（k為<1的系數(shù)，如0.9=k）顯然，此時在儀器中存在2個電尺長度，他們分別為：

此時，L2>L1

“游標”原理：設(shè)兩頻率的光波從儀器發(fā)出時的初位相相同，則只有當D=10L1或10L1的整數(shù)倍時，兩者位相才相等。即兩個調(diào)制頻率的相位差第二次等于0時，兩個頻率的電尺長度L1和L2的末端經(jīng)過若干次后又剛好重合。且在一個周期內(nèi)，相位差與被測距離成正比。（圖9-12）圖9-12

因此，只要測量距離不大于10L1（N≤10），就可根據(jù)（Δφ1-Δφ2）的值來確定N和距離D。采用兩個頻率測距時的測距方程：

上兩式相減，并以L2代入得：

式中：為可測距離的放大倍數(shù)，為新的電尺長度。對上例：，即將電尺長度放大了10倍，或者說在儀器測相精度不變的條件下，可測距離擴大了10倍，即Dmax=10L1。66相位測距與脈沖測距的區(qū)別：調(diào)制方式不同，脈沖測距調(diào)制激光器產(chǎn)生巨脈沖，相位測距調(diào)制激光器產(chǎn)生強度成余弦變化的連續(xù)波信號處理方式不同，脈沖測距用開關(guān)電路高頻脈沖計數(shù)，測量內(nèi)外光路產(chǎn)生的兩個脈沖之間相距的時間，相位測距比較主振信號與返回信號之間相位差，來計算光線從測距儀到被測點傳播往返的時間激光測距的特點軍用激光發(fā)展最快、最成熟的要算激光測距。步兵、炮兵、坦克和飛機對地的測距中已獲得了極佳效果。利用激光像雨點般的那樣，一個脈沖接一個脈沖輻射來測量距離，這種測量方式叫脈沖測距；激光輻射若是連續(xù)的、并利用其相位變化來進行測距，叫連續(xù)波測距。前者結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，白天和夜間可測距離分別小于和大于50公里左右。精度可達1米，因而被廣泛采用。若要求測距精度小于1米，如航測地形變化和海浪起伏等，就要采用后者。它能從空中辨別地面凸起的公路、樹木和機場跑道旁邊不易看清的壕溝或者探測復蓋著白雪的地面高低。一般可測距百余公里，如有合作目標時可測幾百-幾十萬公里。但它的結(jié)構(gòu)復雜，操作麻煩，成本高。所以除測距精度要求特別高的場合外，一般都不采用。

普通光學或微波測距精度想達一米相當困難。當目標很遠，尤其處于背著陽光的暗處時，普通光測距難以勝任；此時若用激光，由于其亮度高，方向性好，就可很好地解決。微波波長比激光長千倍以上，因而易被干擾，常因環(huán)境雜波干擾而無法工作。激光由于其頻率高、單色性好，所以能抗干擾。激光頻率高還意味著不用巨大的天線就能發(fā)射極窄的光束(如束散角1／20度的紅寶石激光，只需直徑7.63cm的天線，而對微波來說，要想得到同樣的散角，天線直徑則要在305米以上)，因此激光裝置小而輕。激光脈沖非常窄，因而能精確地測定物體的距離。激光方向性好(即光束發(fā)散小)，在測量地面某一物體時就不受地面附近其他物體的影響。激光亮度高，射得遠，也就測得遠。激光測距的缺點是受氣象條件的影響。69激光測距的特點激光測距儀與其它測距儀(如光電測距儀等)相比，具備的特點：探測距離遠測距精度高抗干擾性強保密性好體積小重量輕70測距儀對光脈沖的要求光脈沖應(yīng)具有足夠的強度光脈沖的方向性要好光脈沖的單色性要好光脈沖的寬度要窄用于激光測距的激光器：紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器、半導體激光器激光陀螺

—、陀螺和飛行器

陀螺不停旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速越高越穩(wěn)定。它的軸線始終垂直地面，這種特性對飛機、導彈、飛船等飛行器以及船、艦等運動體的導航有特別重要的意義。因為飛行器高速運動時，由于多種因素影響，航向經(jīng)常會偏離正確方向。為了把航向偏離修正回來，就必須經(jīng)常監(jiān)測它們的飛行姿態(tài)，通過控制系統(tǒng)修正其偏差，使它們重新回到正確航向。以導彈為例，當它朝某一目標飛行時，由于氣流等影響，常使飛行姿態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生航向偏差。偏差內(nèi)容可歸納為俯仰、偏航和側(cè)滾：俯仰即指彈頭向下或司上傾斜；偏航即指在水平面內(nèi)向左或向右偏轉(zhuǎn)；側(cè)滾則是彈體繞彈軸滾轉(zhuǎn)。如果置彈丸于OXYZ直角坐標系的原點O處，這三種變化分別相當于彈丸繞Z軸、Y軸、X軸轉(zhuǎn)一定角度。因此常用轉(zhuǎn)動角或轉(zhuǎn)動角速度Ω表示相應(yīng)的變化，陀螺的任務(wù)就是及時監(jiān)測出這些變化，并將這些變化引起的偏差信號送給飛行器內(nèi)的自動駕駛儀，分別控制彈丸的副翼、垂直舵、水平舵等的動作，使各誤差信號消失。此時導彈才會重又回到正確的航向和飛行姿態(tài)。顯然，陀螺對飛行技術(shù)必不可少，而且陀螺監(jiān)測飛行器偏航的角度或角速度的精度大小直接影響到飛行航向的準確度。飛行速度越高，要求陀螺監(jiān)測航向的精度就越高?，F(xiàn)代飛機、導彈、火箭、衛(wèi)星和飛船速度越來越高，與此相適應(yīng)的激光陀螺也就發(fā)展起來了。導彈俯仰、偏航和側(cè)滾坐標示意圖

1913年，薩格奈克（Sagnac）論證了運用無運動部件的光學系統(tǒng)同樣能夠檢測相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)。他采用了一個環(huán)形干涉儀，并證實在兩個反向傳播光路中，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個相位差。

2Sagnac效應(yīng)

理想條件下，環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)如圖1所示。一束光經(jīng)分束器M進入同一光學回路中，分成完全相同的兩束光CCW和CCCW，分別沿順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)相向傳播，當回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動時，將使兩束光產(chǎn)生相位差，該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。

圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)

2Sagnac效應(yīng)圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)如(a)所示，無旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時間相等，為如(b)所示，旋轉(zhuǎn)條件下，2Sagnac效應(yīng)圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳輸時間差傳輸光程差傳輸相位差2Sagnac效應(yīng)圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳輸相位差2Sagnac效應(yīng)如何檢測相位差？利用光的干涉：振動頻率相同、方向相同、相位差恒定

通過檢測光強來檢測相位差，進而檢測轉(zhuǎn)動角速率。問題：旋轉(zhuǎn)角速率產(chǎn)生的光程差太小，很難被檢測。二、激光陀螺是怎樣工作的

飛行器上一般的陀螺最基本的構(gòu)件就是一個高速旋轉(zhuǎn)(每秒上萬轉(zhuǎn))的“飛輪”。在高速旋轉(zhuǎn)時，飛輪的自轉(zhuǎn)軸線能恒指向空間某一方向，并具有極高的穩(wěn)定性。如果飛行器稍稍偏離正確航向時，陀螺就會馬上感受出來，并能控制飛行器，對它進行修正，使之按要求航向飛行。激光陀螺沒有高速飛輪，結(jié)構(gòu)新穎(如圖)，它的“心臟”是一個閉合的三角環(huán)形激光系統(tǒng)。激光器多采用氣體激光器，很少用固體器件。這是因為氣體激光單色性較好(光譜純)，而固體的較差；固體器件表面和其內(nèi)部反向散射的影響也較大。氣體多采用氦氖激光，因為它單色性最好，又易得到連續(xù)輸出、高增益和好的頻牢穩(wěn)定性，可靠壽命又長。目前大多在一整塊優(yōu)質(zhì)石英玻璃中做一個三角形的空腔作為激光傳導，這樣作容易獲得較好的剛性并易于形成穩(wěn)定振蕩。三角形的三個頂點配置有反射鏡；圖中下面的那一塊反射鏡為半透半反射器，它們用光膠方法與石英塊粘接。管內(nèi)抽真空后充以氦氖氣體，目的在于盡可能做到高密封性。其所以作成三角閉合環(huán)形腔，是因為它結(jié)構(gòu)簡單、零件最少。氣體激光管兩端均可以輸出激光，分別沿順時針和反時針方向行進，并構(gòu)成閉合回路(圖中箭號所示)，兩路光通過半透半反射器(合光器)射入一種基于外差探測原理的光電探測器上。隨后再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M入示被器和記錄器。激光器、探測系統(tǒng)與飛行器固接為一體，當飛行器航向正確時，環(huán)形激光器不轉(zhuǎn)，顯然兩路光走的路程相等；當飛行器偏離要求航向旋轉(zhuǎn)一定角度時，環(huán)形激光器也隨著旋轉(zhuǎn)同樣角度，這樣，兩路光將分別多走和少走一段路程而產(chǎn)生了光程差△L。若設(shè)S為閉合三角形面積，c為光速，Ω為飛行器旋轉(zhuǎn)角速度，用簡單的幾何關(guān)系不難導出：顯然可用測定兩路光的光程差△L得到偏航旋轉(zhuǎn)角速度Ω(光速c為常數(shù)，面積S已知)。但一般△L值很小，若表現(xiàn)在干涉條紋上(兩路光符合相干條件)的變化一般只有幾分之一個條紋，測量精度不可能很高。為此，可將很小的光程差重轉(zhuǎn)換成較大的頻率差值，這是因為光頻率?高達1013-1015赫，微小的光程交化即可導致頻率的很大變化。若設(shè)m為干涉級(m=1、2、3……)，λ，?

分別為激光波長和頻率，則L為

L=mλ=mc/?

或

?=mc/L微小的光程差△L將引起光頻率?改變△?

，即

△?=?△L/L△?=4SΩ/Lλ

Ω=Lλ△?/4SLecture13--LaserGyro82Sagnac干涉儀Sagnac干涉

---激光陀螺測量的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)---法國物理學家Sagnac于1913年SM2M1M3Sagnac干涉儀光路結(jié)構(gòu)abQ如果干涉儀相對慣性空間靜止,光路A和B的光程ω當干涉儀以角速度ω相對慣性空間旋轉(zhuǎn),則Lecture13--LaserGyro83M2M1M3SQabω2.2光程差光程差的計算:分束點的切向速度:vv

在分束點處的光路A和B上的投影:當光束a

傳播一周回到分束點,它走過了更多的光程:注意到Lecture13--LaserGyro842.2*光程差的計算由上述兩個方程求解La

和ta,得到類似地，對于光束b,有因此,當兩束光回到分束點時的光程差:因為光速c

遠遠大于Lω，所以可做近似：具體推導：Lecture13--LaserGyro862.3Michelson干涉儀試驗光程差和輸入角速度成正比-----上述公式對任何形狀的閉合光路都成立.Michelson的干涉儀實驗(1925)：矩形面積:A=600×300m2激光的波長λ=0.7μm測量地球的自轉(zhuǎn)角速度，光程差為：ΔL=0.175μm，orλ/4干涉條紋移動了1/4個明暗條紋周期間距.起決定作用的實際上是相位差Lecture13--LaserGyro87LM4M4M1M3M2ω諧振頻率假設(shè)激光諧振腔的光路長度為L,等于q

倍的波長λ

激光的頻率:因此當諧振腔以角速度ω

繞著諧振腔平面的法線方向旋轉(zhuǎn)，則頻率差：Lecture13--LaserGyro883.4諧振頻率差頻率差：

頻差正比于輸入角速度LM4M4M1M3M2ω

理論上講，陀螺在不轉(zhuǎn)動時，兩路光的光程、頻率、振幅均相等；當陀螺轉(zhuǎn)動時，由于產(chǎn)生了光程差而頻率不再相等，這時將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動角速度Ω成比例的差頻△?輸出。也就是說，通過測量光頻的變化△?，就可以獲得精確的航向偏轉(zhuǎn)角速度Ω值。關(guān)于△?的測量，目前多用外差探測方法。上面只討論了一個轉(zhuǎn)動方向．當在三個互相垂直的平面內(nèi)構(gòu)成三個環(huán)形激光器時，就能對三個轉(zhuǎn)動方向進行角度測量。環(huán)形激光器宜以單縱模式運轉(zhuǎn)，因為多模將使差頻輸出中滲雜其他頻率成分，形成噪言和干擾，影響了監(jiān)測精度。另外還要求激光頻率高度穩(wěn)定，因為即使很小的頻率漂移，都將給飛行器旋轉(zhuǎn)角速度Q的測量計算帶來很大的誤差。三、激光陀螺的特點

陀螺分為；機電陀螺、氣浮陀螺、液浮陀螺、振動式陀螺、射流陀螺、靜電陀螺等多種；其中機電陀螺目前應(yīng)用較廣。機電陀螺由于只采用了一般的滾珠軸承，沒有采取特殊措施，所以它無法承受高加速度的沖擊。利用氣體壓力來支承轉(zhuǎn)子的叫氣浮陀螺。它的優(yōu)點是可以在高溫、高加速度環(huán)境下使用，精度也較高，但加工復雜成本高。液浮陀螺與氣浮陀螺類似。振動式有的又叫振梁式陀螺。它與其他陀螺的原則區(qū)別在于它的輸出信號帶有振動特性，它們大多數(shù)沒有旋轉(zhuǎn)部分，因此適合于在高加速度環(huán)境下工作。利用射流技術(shù)測量角速度的叫射流陀螺。它的優(yōu)點是能抗高加速度過載，抗輻射、耐高溫，簡單可靠，缺點是反應(yīng)遲鈍、氣源必須凈化等。激光陀螺的優(yōu)點

(1)由于沒有一股的高速轉(zhuǎn)動“飛輪”，所以工作可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、牢固結(jié)實，能承受幾千g以上的高加速度，比一般陀螺承受能力高50倍以上，這對適應(yīng)飛行器發(fā)射瞬間的高加速度沖擊作用特別有意義。另外，正因為不要轉(zhuǎn)子、軸承等，所以對高角速度相當靈敏，能夠測量高轉(zhuǎn)速，這對宇宙導航很有意義。它可以滿足用在飛船上的陀螺對高精度的要求。

(2)能測的角速度范圍大，可測到12000?／秒，而機電陀螺最大僅可測到400?／秒。

(3)由于反應(yīng)快，從接通到工作僅需30秒鐘，只要一打開開關(guān)就能瞬時投入工作，而使用機電陀螺時，由于必須加熱，熱穩(wěn)定及平臺?；吹冗^程，一般需要10-30分鐘準備時間。

(4)工作不受環(huán)境(比如重力加速度等)影響，因而不必對地球重力場變化作附加修正等。激光陀螺的平均無故障時間可達17000小時，而一船的陀螺僅5000小時。激光陀螺承受速度變化的能力比一般的陀螺高l0倍。

(5)在現(xiàn)代飛行技術(shù)中，陀螺常配以電子計算機。將陀螺監(jiān)測到的數(shù)據(jù)．饋入計算機計算處理后，產(chǎn)生控制指令信號。激光陀螺可以直接以數(shù)字方式輸出，很容易同電子計算機配合，適應(yīng)現(xiàn)代飛行技術(shù)的需要。

(6)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適于批量生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，精度相同的激光陀螺約4萬美元，液浮陀螺7—8萬美元。光纖陀螺基本原理1光纖陀螺的發(fā)展

2光學基礎(chǔ)知識

3Sagnac效應(yīng)

4光纖陀螺（FOG）原理

5光纖陀螺指標

1光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)

四個里程碑：一、1913年法國物理學家Sagnac在物理實驗中發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)角速率對光的干涉現(xiàn)象的影響，這就啟發(fā)人們，利用光的干涉現(xiàn)象來測量旋轉(zhuǎn)角速率。二、1960年，美國科學家梅曼發(fā)明了激光器，產(chǎn)生了單色相干光，解決了光源的問題。三、1966年，英籍華人科學家高錕提出了只要解決玻璃純度和成分，就能獲得光傳輸損耗極低的玻璃光纖的學說。四、1976年，美國猶他大學兩位教授利用Sagnac效應(yīng)研制出世界上第一個光纖陀螺原理樣機。

二十多年來，世界各發(fā)達國家的許多科研機構(gòu)和著名大學都投入了很多的經(jīng)費來研究光纖陀螺。隨著光纖陀螺主要光器件（保偏光纖，Y型電—光調(diào)制波導，光源等）技術(shù)及半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，光纖陀螺的發(fā)展已經(jīng)有了突破性進展,，高精度光纖陀螺已達到低于0.0001o/h的精度，有取代傳統(tǒng)的機械陀螺儀的趨勢。光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機械陀螺儀相比，優(yōu)點是全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

1光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)

目前，光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展成為慣性技術(shù)領(lǐng)域具有劃時代特征的新型主流儀表，其原理、工藝及其關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)的機電式儀表有很大的差別，我國已經(jīng)將光纖陀螺列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)3光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺實現(xiàn)原理

光纖陀螺本質(zhì)上就是一個環(huán)形干涉儀，通過采用多匝光纖線圈來增強相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)引起的Sagnac效應(yīng)。其實現(xiàn)如圖2所示。圖2光纖陀螺實現(xiàn)原理圖3光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺實物圖3光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺實物圖3光纖陀螺基本原理及特點光纖陀螺優(yōu)點

與傳統(tǒng)機電陀螺相比，光纖陀螺無運動部件和磨損部件，為全固態(tài)儀表，成本低，壽命長，重量輕，體積小，動態(tài)范圍大，精度應(yīng)用覆蓋面廣，抗電磁干擾，無加速度引起的漂移，結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，生產(chǎn)工藝簡單，應(yīng)用范圍廣。與激光陀螺相比，光纖陀螺無需幾千伏的點火電壓，無克服“自鎖”用的機械抖動裝置，無超高精度的光學加工，不必非常嚴格的氣體密封，裝配工藝簡便，功耗低，可靠性高?？傊饫w陀螺是一種結(jié)構(gòu)簡單，潛在成本低，潛在精度最高的新型全固態(tài)慣性器件。4光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺應(yīng)用級別劃分級別零偏穩(wěn)定性(度/小時)標度因數(shù)穩(wěn)定性速率級10~10000.1~1%戰(zhàn)術(shù)級0.1~1010~1000ppm慣性級0.01<5ppm戰(zhàn)略級0.001<1ppm4光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺應(yīng)用級別劃分

速率級光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，主要應(yīng)用于機器人、地下建造隧道、管道路徑勘測裝置和汽車導航等對精度要求不高的場合。日本、法國等國家研制、生產(chǎn)的這種精度的陀螺儀，已大批量應(yīng)用到民用領(lǐng)域。戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺具有壽命長、可靠性高和成本低等優(yōu)點，主要用于戰(zhàn)術(shù)導彈、近程/中程導彈和商用飛機的姿態(tài)對準參考系統(tǒng)中。慣性級、戰(zhàn)略級光纖陀螺主要是用于空間定位和潛艇導航，其開發(fā)和研制正逐步走向成熟，美國有關(guān)公司和研究機構(gòu)是研制、生產(chǎn)該級別光纖陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。4光纖陀螺研制及應(yīng)用狀況光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域l

戰(zhàn)略導彈系統(tǒng)和潛艇導航應(yīng)用；l

衛(wèi)星定向和跟蹤；l

天體觀測望遠鏡的穩(wěn)定和調(diào)向；l

各種運載火箭應(yīng)用；l

艦船、巡航導彈和軍、民用飛機的慣性導航；l

光學羅盤及高精度尋北系統(tǒng)；l

戰(zhàn)術(shù)武器制導與控制系統(tǒng)；l

陸地導航系統(tǒng)(+GPS)；l

姿態(tài)／航向基準系統(tǒng)；

l

汽車導航儀、天線／攝像機的穩(wěn)定、石油鉆井定向、機器人控制、各種極限作業(yè)的控制裝置等工業(yè)和民用領(lǐng)域。激光的戰(zhàn)略應(yīng)用全主動式制導

激光照射器與目標尋的器均裝在導彈彈體上。作戰(zhàn)時，激光照射器向目標照射激光，目標尋的器接收目標反射來的激光信號，將導彈導向目標。激光制導激光波束（駕束）制導制導原理：裝置：A--激光照射器；B--導彈發(fā)射器；C--尾部帶有激光接收器的制導導彈。ACBC

利用激光控制炸彈、炮彈、導彈，使這之“長上眼睛”，盯住目標，窮追不舍，直到將它消滅。AAAA激光駕束制導優(yōu)點：系統(tǒng)小巧、輕便、適用于單兵使用；缺點：技術(shù)難度大。B激光器向目標照射激光導彈發(fā)射器發(fā)射導彈，導彈尾部激光接收器接收激光束信號，依接收的信號強弱使導彈保特在激光束中，直至命中目標。

激光全主動式自動制導是把激光目標照射器和激光尋的器裝在同一件武器上，目標照射器不斷地向目標發(fā)射激光束，尋的器自動接收從目標反射回來激光信號，并通過自動控制系統(tǒng)，引導武器準確地奔向目標。主動式制導的抗干擾能力強，因為激光束的能量很小，足以保障引導導彈而敵人又很難發(fā)現(xiàn)。當武器偏離目標時，武器上的光電探測器便會迅速感覺出來，得出武器與波束的偏離角度，然后發(fā)出修正信號，引導武器飛向目標。激光制導武器有許多與眾不同的地方。一是精度高。激光制導炸彈的命中精度只有3-6米，而常規(guī)的炸彈命中精度為300米左右，精度提高了近百倍，比用計算機控制投放的普通炸彈命中率還要高50倍。

二是抗干擾能力強。由于激光有極強的方向性，而且頻率極高，不僅通常的電磁波無法干擾、破壞，就是天空中電磁雜波、地球兩極上空極光的閃爍等，對激光制導也不起作用。

三是價格便宜。使用一枚價值為15000-20000美元的激光制導導彈，就能擊落價值上百萬美元的現(xiàn)代化轟炸機，甚至可以擊沉數(shù)億美元的價值大型驅(qū)逐艦，前者的價值僅是后者的1/67-1/7500。激光制導兵器也有先天不足的短處，激光本身容易受雨、霧、雪、煙、云及霾、氣溶膠等惡劣氣候的影響，不能在任何氣候條件下使用，因此，有時需要其他制導方式的協(xié)助和配合。為了克服激光制導兵器的弱點，軍事技術(shù)專家們正在研究新的技術(shù)，重點發(fā)展對煙、霧、塵埃的穿透能力強，對人眼安全，更適合于戰(zhàn)場使用的長波激光制導。激光方向性精度高的特性，在現(xiàn)代軍事上有獨特的用途從本世紀年代末開始，激光的高方向性，已在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮了巨大作用。

激光制導炸彈是由普通航空炸彈“嫁接”上激光導引頭和控制部件，經(jīng)過認真的改裝而成的?？梢娂す庵茖д◤検浅笋{激光束飛行的“靈巧炸彈”。在所有激光制導武器中，最先應(yīng)用于戰(zhàn)場的就是激光制導炸彈，它可以從高空進行投擲，從而有效地減少了載彈飛機可能遭到的敵低空防空兵器的打擊。

激光制導炸彈中最早的一代是“鋪路”型，也叫“寶石路”，它是在美國研制生產(chǎn)的。1961年，也就是世界上第一臺激光器出現(xiàn)的第二年，美國在“紅石”兵工廠開始研究制造方案，1964年制成試驗樣彈。在60年代的越南戰(zhàn)爭中，美軍就曾用重900公斤的MK-84通用型“鋪路”激光制導炸彈，進行了作戰(zhàn)試驗和鑒定。1967年，在轟炸越南北方軍事重要目標過程，成為命中精度最高的炸彈。美軍為了摧毀靠近河內(nèi)的清化大橋中，曾先后出動6000架次飛機，投彈數(shù)千噸，損失了18架飛機，但仍未能傷著該橋的筋骨。后來，美軍將剛研制出來不久的激光制導武器派上了用場。乘駕激光束的“靈巧炸彈”激光引信和引爆一、激光引信引信，它是引爆彈丸的一種專門裝置，對各種彈丸都必不可少?？刂茝椡枧錾夏繕吮ǖ囊沤信稣ㄒ?。彈丸在接近日標到一定程度時爆炸的叫近炸引信。在實彈射擊或投擲時，由于多種因素的影響，剛好碰上目標的幾率一般很小，比如用炮彈打飛機直接碰上的幾率還不到1％。但隨著彈丸威力的不斷提高，并非一定要碰上，像空-空導彈，若威力圈直徑1公里，只要敵機進入此威力圈，導彈爆炸后靠爆轟波和彈片同樣可以摧毀它。又比如，航空炸彈，若控制它在高地一定高度爆炸，殺傷效果反比碰上炸更好。因此，現(xiàn)代導彈、火箭彈、炮彈、炸彈、水雷等越來越多地采用近炸引信，以提高殺傷效果。當然，由于在彈和目標相互接近和交會的各種狀態(tài)中，存在一個位起爆殺傷效果最好的最佳位置和時刻。因此存在所謂構(gòu)“最佳炸點或炸高”的控制問題。誰來掌握這個“火候”呢?這就是引信。所以最佳炸點或炸高的控制是引信獨有的問題。

引信工作原理是利用目標與背景之間明顯的對比性來鑒別目標的存在。它不斷接收來自目標的信號（目標自身轉(zhuǎn)射或被它反射），當信號強度達到一定程度(距離遠強度弱，距離近強度大，因此強度大小反映彈和目標的交會狀態(tài)），該信號就接通引信的起爆電路，進而引發(fā)彈丸爆炸。引信裝置若是接收無線電信號就叫無線電引信；若是接收紅外線或激光，就分別叫紅外線引信和激光引信；此外還有聲引信、磁引信等。實際上，引信和制導有許多共同點，所不同的是接收信號若用作制導信息就是制導，若用作引爆彈丸就是引信。因此，引信也有所謂主動式、半主動式之分。另外還有被動式引信，響尾蛇導彈的紅外線引信就是典型實例。若紅外信號來自敵機尾噴口的紅外輻射，則彈丸采取尾追攻擊方式。不過激光引信目前多為主動或半主動工作方式。

無線電近炸引信目前應(yīng)用較多，但它的電波信號很容易被對方察覺和截獲，像半導體收音機大小的干擾就足以使引信早炸(不該炸時提前炸)或瞎火(該炸時又不炸)。此外，它的保密抗干擾能力也差，致使定位精度較低，影響最佳炸點成炸高的精確控制。早炸，在紅外引信中亦較難處理，因為凡自身溫度高于絕對零度(-273℃)的物體，都產(chǎn)生程度不同的紅外線輻射，煙、火光、陽光等都會有較強的紅外線成分。響尾蛇導彈若正對太陽發(fā)射(敵機常誘使你這樣發(fā)射)，早炸幾率很高就是這個道理。尤其地面比空中和海面上背景復雜，所以很少看到地面采用紅外線引信。但激光卻由于它的單色性和方向性好而保密抗干擾；同時方向性好又使引信定位精度大大提高；高亮度提高了引信靈敏度；并且便于和激光雷達等協(xié)同作戰(zhàn)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)簡單、輕小的工程實施提供了方便。比如，室溫下半導體激光器為激光引信的單異質(zhì)結(jié)砷化鎵激光器的激發(fā)閾值己降至15安培以下，配套的晶體閘流管、硅光電探測器等均有很大發(fā)展。地對空和空對地以及地對地激光引信各國正在研制。當然，激光引信也不適于全天侯作戰(zhàn)，它受氣象條件影響大。

激光引信目前大多采用主動式，下圖為其原理框圖。激光發(fā)射裝置與接收裝置均置于彈九頭部。發(fā)射部分由激光器和發(fā)射裝置組成，激光朝著目標發(fā)射后，碰到目標而被漫反射(大多數(shù)目標表面相對鏡面較粗糙，屬漫反射體)，其中的一部分就沿原路返回，進入激光接收系統(tǒng)，光電器件將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。由于信號一般很微弱，所以必須由電子線路放大，并進行波形整形和真?zhèn)巫R別等等，才能獲得有用信號。當彈充接近目標到最佳炸點時，信號強度就達到一定程度，從而使執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行起爆任務(wù)。保險和自炸機構(gòu)是引信獨有的。在發(fā)射前的整個勤務(wù)處理及剛發(fā)射后一定距離內(nèi)，由保險機構(gòu)斷開起爆電路以保證安全。當彈丸飛離發(fā)射陣地一定距離后，保險自動解脫，使引信處于臨爆狀態(tài)。自炸機構(gòu)是一旦末捕獲或丟失目標以及引信失靈后，引爆彈丸自毀，以免彈丸落入敵人手中。主動式激光引信方框圖

激光引信若設(shè)計不合理或考慮不周，同樣會影響抗干擾。盡管激光的抗干擾能力較強，而這個問題對引信性能卻極端重要。其影響因素主要有兩方面：外來干擾信號和引信系織內(nèi)部的隨機噪音信號。為了確保引信可靠作用和提高抗干擾能力，可從下列三方面采取措施。

(1)窄視場發(fā)射，激光發(fā)散最好控制在1度以下。砷化鎵激光發(fā)散角在所有激光中最大，約15-20度。必須精心設(shè)計發(fā)射望遠鏡。

(2)接收部分采用窄通帶濾光片性能要穩(wěn)定以減少引信作用距離的散布。光電器件更應(yīng)嚴格篩選，光譜響應(yīng)要靈敏，噪聲要低，在貯存、運輸和使用中性能必須穩(wěn)定。

(3)在電子線路上采取·系列專門措施。引信發(fā)展動向之一是“積木化”，如同積木玩具，有若干標準件，不同要求挑選相應(yīng)的標維件裝配即可。由于積木化具有多變性，能適應(yīng)各種戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求而靈活機動。激光引信和激光制導結(jié)合是近JL年提出的一種新穎設(shè)計思想。它能使結(jié)構(gòu)簡化、零部件充分利用、成本降低。二、激光遙控引燃引爆

電視機若帶有遙控開關(guān)，那么它的開啟與關(guān)閉、換臺、調(diào)音量等就可以通過遙控解決，只要手握類似袖珍收音機大小的遙控器，坐在幾米以外就可以隨心所欲地控制調(diào)節(jié)。激光遙控引燃引爆與此類似，比如公路橋梁上設(shè)防的地雷，可以在幾千米以外，通過不可見的激光束在最佳時刻非?？煽康剡b控起爆，對人員的安全不存在任何危險。如果給激光束“打上”特殊的記號，即編上密碼時，起爆裝置就只接受這種密碼的指令，其他一概“拒之門外”。那么遙控起爆就可以說是絕對可靠。這種就叫激光編碼遙控引燃引爆。

(一)激光遙控引隙引爆的優(yōu)點當然，遙控引燃引爆也可以通過無線電信號。但與之相比較，由于激光束方向性好、亮度高、單色住好，激光相對無線電遙控引爆就有如下優(yōu)點：

(1)抗干擾能力強元線電信號分行空間范圍大，易被對方發(fā)現(xiàn)干擾。激光束相反，發(fā)散很小，抗干擾能力強，因此作用可靠。(2)激光發(fā)射一般都采用望遠系統(tǒng)，而望遠系統(tǒng)通過合理設(shè)計同時又可用于對敵情的觀察，利于掌握最佳引爆時機，充分發(fā)揮爆炸的威力。(3)假如兩種引爆裝置體積重量相同，那么激光遙控距離可遠些，使人員更易隱蔽、更安全。(二)激光遙控的引燃引爆裝置激光編碼遙控引燃引瀑裝置主要由激光編碼發(fā)射部分、接收解碼和給出引爆指令三部分組成。激光的發(fā)射通常是利用望遠系統(tǒng)，遠離爆炸現(xiàn)場。激光器可以是固體釹激光，也可以是砷化鎵半導體激光。它們都可發(fā)射不可見的近紅外激光，不易暴露，隱蔽性好。激光編碼簡單易行的辦法是在單位時間內(nèi)規(guī)定激光脈沖發(fā)射的個數(shù)、一定的脈沖寬度和脈沖間隔。比如一秒鐘內(nèi)發(fā)射5個脈沖，脈沖寬度為50毫秒，脈沖間隔為150毫秒，那么接收部分只接收具有這種特征的遙控激光信號。這種信號即編過碼的信號，而每秒5個脈沖，50毫秒脈寬、150毫秒脈沖間隔即“密碼”。當然，此密碼視需要可以隨時變更，以防被對方發(fā)現(xiàn)干擾。

接收裝置遠離發(fā)射地，但離設(shè)防的雷區(qū)要近，中間通過隱蔽的導線同所埋設(shè)的地雷一一相連，以便傳送引爆指令。激光編碼信號由光學系統(tǒng)接收，通過光電器件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電器件對激光波長是有選擇性的，假如發(fā)射的是砷化鎵激光，一定要選用對波長0.84-0.91微米激光響應(yīng)最敏感的光電器件；若是釹激光，那么就要選用對波長1.06微米激光響應(yīng)最敏感的光電器件，當然，這里有個匹配關(guān)系。反過來這出可以對發(fā)射來的激光是不是我方的信號進行判斷識別。若是我方的信號，讓它進人解碼電路，經(jīng)過放大、整形、計數(shù)等進一步識別解碼。根據(jù)上述的編碼方案，解碼具體可以這樣進行。打個比方說：電路中設(shè)置三道“門”，電信號若每秒5個脈沖第一道門就可打開，讓它通過若信號脈寬不長不短恰好50毫秒，那么第二道門也可打開，若脈沖間隔剛好150毫秒，則第三道門也打開。可以看出，三種編碼若有一種不對，信號都通不過去，這叫三級保險。它可以大大提高引燃引爆的穩(wěn)定可靠。編碼和解碼的方案形式很多，這不過是其中的一種。

經(jīng)過解碼和識別，接收部分判斷確是我方的指令信號，通過高壓發(fā)生器立即產(chǎn)生一個引爆地雷所需的引爆電信號，經(jīng)導線傳給每個地雷上的電雷管，從而引發(fā)地雷爆炸。上述這些過程實際上在一瞬間就全部完成。

(三)激光編碼遙控引爆的應(yīng)用

(1)現(xiàn)代戰(zhàn)爭中防御部隊對預設(shè)的雷區(qū)遠程及時準確可靠的遙控引爆。工兵開山炸石等施工中遠程安全可靠爆破等。

(2)軍事演習和訓練中模擬爆炸燃燒，遙控炸點的遠程顯示與觀測等，這可以大大節(jié)省人力物力而形象逼真。不過，由于激光自身的特點和受氣象條件影響大的限制，它還不適于光路上有遮擋物的場合。另外在遇到陰雨或灰塵煙霧很大的時候，其遙控距離大大減小，效果變差。三、激光直接起爆

不論是激光引信，還是激光遙控引燃引爆，在它們的接收系統(tǒng)中都要有個光電轉(zhuǎn)換過程。然后靠電信號經(jīng)電雷管引發(fā)而起爆戰(zhàn)斗部中的主裝藥，而電雷管隨著無線電技術(shù)的飛躍發(fā)展，卻遇到越來越大的問題。

(1)電雷管對靜電非常敏感，而人身上的靜電可達干伏以上。尤其穿戴人造纖維服裝時靜電更為嚴重。除人身外，環(huán)境靜電場亦會引發(fā)電雷管爆炸。所以電雷管工人操作時絕對禁止穿戴人造纖維衣帽。

(2)電雷管對自然界的雷電、廣播電波、無線電雷達等發(fā)射的射頻電場同樣很敏感，很危險。因此在電雷管研制、生產(chǎn)、勤務(wù)處理和使用中，事故屢次發(fā)生，因電雷管引發(fā)而整個彈丸爆炸的教訓更慘痛。上面說的都是早作炸或意料不到的突然爆炸，而長期貯存變質(zhì)又容易瞎火。針對電雷管存在的問題，60年代國際上出現(xiàn)了不要電雷管和起爆藥的“爆炸線起爆器”，英文縮寫EWD”，它用爆炸線直接起爆彈丸戰(zhàn)斗部中的主裝藥。這樣安全可靠性就可大大改善，被稱為現(xiàn)代火工品的一項新突破。但改善并不等于徹底解決了問題，許多方面仍不能令人滿意。

70年代，隨著激光性能的不斷送高，國外又提出了用激光直接引爆的爆炸裝置，英文縮寫為“LEED”，比EWD更安全可靠。這是因為，不論靜電場、還是射頻場對激光束毫無影響，由于激光的許多獨特性能，不僅作用可靠，而且彈上結(jié)構(gòu)簡單輕小，占空間少，主裝藥可以增加而提高彈丸威力。美國加利福尼亞工藝研究院曾測定了22種藥劑(起爆藥、點火藥、延期藥、煙火劑、猛炸藥和推進劉)對激光的敏感度(簡稱激光感度，定義為藥劑起爆所須的臨界激光能量)，發(fā)現(xiàn)猛炸藥中的泰安對激光最敏感，而猛炸藥是許多彈丸的主裝藥，其次點火藥和延期藥等也比較額感。這就從實驗肯定了該方案實現(xiàn)的可能性。接著美國匹加丁尼兵工廠等通過大量試驗，證明猛炸藥確實容易直接被光能起爆，只不過要求光能必須是一個強脈沖，比如，光束聚焦10-2毫米平方的面積上，希望溫升為1200℃，壓力達104kg／cm2。顯然，高能檄光完全可以滿足此要求。從而肯定丁實現(xiàn)的現(xiàn)實性。

激光直接起爆目前比較現(xiàn)實的一種方案是傳統(tǒng)的電雷管由激光雷管取代。所謂激光雷管就是指裝有光學透鏡和起爆藥的一種光雷管。透鏡將射來的激光束聚焦，其焦點落在