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内容简介

本书是介绍光学陀螺仪新进展的学术专著，内容包括：光电子学的基础知识；光学陀螺仪及其关键器件的工作原理、结构、设计方法与研究进展；光学陀螺的导航系统。为了开发具有我国自主知识产权的新型光学陀螺产品，本书还探讨了多种新型光学陀螺仪的可行性，包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪和集成光学陀螺仪。本书可供电子工程、微电子、精密仪器与机械等专业的高校师生、研究院所的科研人员及生产企业的技术人员阅读参考。

精彩书摘

导航是一门军、民两用的工程技术。虽然国民经济中的多个部门离不开导航技术，例如，海运和民用航空等，但是国防军事斗争的需求始终是推动导航技术发展的主要动力。在第二次世界大战中，德国对英国发射了大量导弹。在这些导弹中，不仅装备了控制飞行的自动驾驶仪，还首次装备了自动定位装置（陀螺积分加速度计和计算器）。由此开始，惯性导航成为导航技术的一个重要组成部分。在“V��1型”巡航导弹中，需要在制导系统中预设目标点的地理位置。当导弹到达目标点上空时，制导系统将控制导弹着陆。在 “V��2型”弹道导弹中，需要在制导系统中预设导弹主动飞行段的地理位置、高度和飞行速度。当导弹到达主动飞行段的终点时，制导系统将发出指令关闭导弹发动机。此后，导弹将按照抛射物体的弹道继续飞行直到落地。应当指出，在上述两种导弹的制导系统中，都采用了滚珠轴承结构的陀螺仪和陀螺积分加速度计。它们的精度很低，导致导弹的落地点误差较大，因而未能对战争的胜负产生重大影响。20世纪50年代，世界进入冷战时期。发展核打击力量成为美国和前苏联的国防军事战略。洲际弹道导弹、远程轰炸机以及战略核潜艇，成为投掷核弹头的三大运载工具。研制新型的惯性导航系统成为美国和前苏联高度重视的科研项目。按照陀螺仪性能指标中的零偏稳定性零偏稳定性来划分，现有陀螺产品分为以下5个档次：（1） 低精度陀螺仪>10°/h；（2） 战术级陀螺仪1~10°/h;（3） 中精度陀螺仪0.1~1°/h;（4） 导航级陀螺仪0.001~0.1°/h;（5） 战略级陀螺仪<0.001°/h。最精密的滚珠轴承结构陀螺仪只能达到战术级。因此，20世纪50年代美国和前苏联面临的艰巨任务是研制精度达到导航级和战略级的新型陀螺仪。采用自动控制、计算机以及半导体等高新技术，美国和前苏联先后研制成功了导航级的液浮陀螺仪，满足了投掷核弹头三大运载工具的导航需求。20世纪60年代，激光技术和光纤通信技术得到广泛应用。依靠这些新技术，光学陀螺仪从科学家的设想发展成为导航级陀螺仪，并迅速取代了液浮陀螺导航系统。到20世纪70年代，光学陀螺捷联式导航系统已经成为导航产品市场中的主体。世界从此进入了光学导航的时代。1. 惯性导航的理论20世纪初，欧美等工业化国家普遍采用钢铁建造大型商船和军舰。在钢质的舰船上，磁罗盘受到环境磁场的影响无法使用。由此产生研制新型航向仪器的需求，它们必须不受环境磁场的影响。在政府的支持下，美、英、德等国先后研制成功了多种结构的摆式陀螺罗经。它们和水压式测速仪组成了舰船自动计程仪，实现了基于航迹推算原理的第一代导航装置。1923年，德国M. Schuler提出了“摆式仪器不受载体运动干扰”的理论。他证明：“如果摆式仪器的摆长等于地球的半径，则在运动的载体上，摆将不会偏离当地的垂线方向。” “Schuler摆”被称为“无扰动摆式仪器”。在地球上，它的摆动周期为84.4min，称为Schuler周期。无扰动摆式仪器成为实现惯性导航的理论基础。显然，为了实现具有Schuler周期的摆式仪器，需要建立陀螺水平稳定平台。在平台中，通过调整平台控制回路的参数，可以实现Schuler周期，构成无扰动的陀螺稳定水平平台。从自动控制理论的角度看，无扰动陀螺稳定水平平台是一种“双通道控制系统”。当载体运动时，当地的“垂线”和“平台”都将转动。如果平台的控制回路能够保证平台的转动角速度与当地垂线的转动角速度同步，那么，平台将始终保持在当地垂线的方向上。实现双通道控制的系统被称为“不变性控制系统”。在无扰动的陀螺稳定水平平台上，如果安装三台线加速度计，分别测量载体的三维运动线加速度加速度，那么，经过计算装置可以获得载体三维运动的线速度信号和位置信号，构成惯性导航系统。2. 液浮陀螺导航系统1954—1956年，作者曾参加前苏联航空工艺研究院（NIAT）组织的“导航级液浮陀螺仪研制计划”。作者承担的课题是：“液浮陀螺框架零件的工艺装备”。按照零件图纸和工艺文件的要求：“框架上两个相对轴承孔之间的同心度误差为0.01mm”。为了调整加工液浮陀螺框架零件的组合机床，作者研制了一种“组合机床光学调整仪”[1，2]。在生产航空陀螺仪的莫斯科Romensk工厂，只有中央计量室的万能工具显微镜可以计量微米级的加工误差。为了检验陀螺框架零件上两孔的同心度误差，该厂设计了一种可拆开为两半的工艺检测零件，在加工后，在万能工具显微镜上测量零件上两孔的边缘线位置，由此推算两孔的同心度误差。在Romensk工厂，采用作者研制的光学调整仪，在一台德国双轴组合机床上，加工了一个工艺检测零件。中央计量室的测量数据表明，该零件上两孔的同心度达到了微米级精度。Romensk工厂给作者签发了技术鉴定证明文件，充分肯定了作者的这项研究成果。1957年6月，前苏联成功地发射了人类第一颗人造地球卫星，这一事件开创了人类实现航天飞行的新时代。在这次发射卫星的运载火箭中，可能使用的就是Romensk工厂批量生产的液浮陀螺仪。1958年11月，前苏联在列宁格勒市召开了第二届全苏高校陀螺仪学术会议，北京航空学院林士谔、文传源和清华大学章燕申组成中国高校代表团应邀出席了会议。会上宣布了以下重要消息：“美国两艘核潜艇在冰下航行两周通过北极到达了英国”。会场上引起了轰动，因为核潜艇导航要求采用战略级陀螺仪，虽然美国是世界上第一个掌握液浮陀螺技术的国家，但达到战略级精度仍然很难。3. 静电陀螺导航系统1959年，海军委托清华大学研制“核潜艇惯性导航系统”（代号49100工程），作者担任技术负责人。此后，作者关注国外有关文献，发现静电陀螺将取代液浮陀螺用于核潜艇导航。
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前言/序言

光学陀螺作为一种惯性器件，从20世纪60年代开始起步，已经历了半个世纪的发展。作为谐振型光学陀螺代表的激光陀螺，已经在航空、船舶等领域取得了巨大应用成就，充分发挥了光学陀螺的高性能、高可靠优势。作为干涉型光学陀螺代表的光纤陀螺，逐步从满足战术武器、近中程导弹应用需求，扩展到了可满足航天、航空、船舶等领域的高精度应用需求。更为重要的是，由于光纤陀螺可大批量生产而降低成本，未来具有更广阔的应用前景。基于Sagnac效应的光学陀螺技术并未满足于已经成熟应用的激光陀螺和光纤陀螺，而是随着技术发展不断涌现新的类型，例如已经相对成熟的新型光学陀螺包括谐振型的集成光波导陀螺、基于光子晶体光纤的干涉型光纤陀螺和谐振型光纤陀螺等。这些新的技术将极大地推动光学陀螺向更高精度、更小体积和重量方向发展。在光学陀螺技术领域，美国一直对我国实行严格的技术封锁。我国只能引进少量俄国和法国的产品。通过测试国外产品性能和生产技术的自主创新，我国迅速实现了光学陀螺产品国产化，满足了国防装备的需要。在研究和开发光学陀螺产品中，西安北方捷瑞光电科技公司和北京航空航天大学取得了丰硕的生产成果，满足了我国有关武器装备的需要。清华大学承担国防预先研究项目，在“光学陀螺定位定向系统”和“集成光学陀螺技术”两个方面取得了研究进展。新型光学陀螺产品的发展方向是： ①保证战略武器装备的精度要求； ②采用集成光电子器件实现微型化。本书由清华和北方捷瑞公司、北航的有关学者共同撰写，侧重对新型光学陀螺原理、关键技术、关键器件及其应用等最新研究进展和成果进行分析、介绍，目的是推动新型光学陀螺技术发展，满足惯性器件行业研究人员了解新技术发展动态的需要。参与本书编写的作者及其分工是：章燕申（清华大学），编写引论、第1、4、7、14章和附录A；张春熹（北京航空航天大学），编写第16章和附录C；蒋军彪（中国兵器工业集团公司第203研究所），编写第11~13章；冯丽爽（北京航空航天大学），编写第18章；金靖（北京航空航天大学），编写第15章和附录B；伍晓明（清华大学），编写第2、3、5、6、8~10、17章。除以上作者外，西安理工大学的刘建宁、贵州大学的马家军、中国兵器工业集团公司第203研究所的谭鹏立分别参加了第11、12章和第13章的编写。全书最后由章燕申和伍晓明整理和统稿。由于我们水平有限、编写时间仓促，书中错讹之处在所难免，敬请读者给予批评指正。张春熹2016年10月于北京

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