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內容簡介

本書是介紹光學陀螺儀新進展的學術專著，內容包括：光電子學的基礎知識；光學陀螺儀及其關鍵器件的工作原理、結構、設計方法與研究進展；光學陀螺的導航係統。為瞭開發具有我國自主知識産權的新型光學陀螺産品，本書還探討瞭多種新型光學陀螺儀的可行性，包括激光陀螺儀、光縴陀螺儀和集成光學陀螺儀。本書可供電子工程、微電子、精密儀器與機械等專業的高校師生、研究院所的科研人員及生産企業的技術人員閱讀參考。

精彩書摘

導航是一門軍、民兩用的工程技術。雖然國民經濟中的多個部門離不開導航技術，例如，海運和民用航空等，但是國防軍事鬥爭的需求始終是推動導航技術發展的主要動力。在第二次世界大戰中，德國對英國發射瞭大量導彈。在這些導彈中，不僅裝備瞭控製飛行的自動駕駛儀，還首次裝備瞭自動定位裝置（陀螺積分加速度計和計算器）。由此開始，慣性導航成為導航技術的一個重要組成部分。在“V��1型”巡航導彈中，需要在製導係統中預設目標點的地理位置。當導彈到達目標點上空時，製導係統將控製導彈著陸。在 “V��2型”彈道導彈中，需要在製導係統中預設導彈主動飛行段的地理位置、高度和飛行速度。當導彈到達主動飛行段的終點時，製導係統將發齣指令關閉導彈發動機。此後，導彈將按照拋射物體的彈道繼續飛行直到落地。應當指齣，在上述兩種導彈的製導係統中，都采用瞭滾珠軸承結構的陀螺儀和陀螺積分加速度計。它們的精度很低，導緻導彈的落地點誤差較大，因而未能對戰爭的勝負産生重大影響。20世紀50年代，世界進入冷戰時期。發展核打擊力量成為美國和前蘇聯的國防軍事戰略。洲際彈道導彈、遠程轟炸機以及戰略核潛艇，成為投擲核彈頭的三大運載工具。研製新型的慣性導航係統成為美國和前蘇聯高度重視的科研項目。按照陀螺儀性能指標中的零偏穩定性零偏穩定性來劃分，現有陀螺産品分為以下5個檔次：（1） 低精度陀螺儀>10°/h；（2） 戰術級陀螺儀1~10°/h;（3） 中精度陀螺儀0.1~1°/h;（4） 導航級陀螺儀0.001~0.1°/h;（5） 戰略級陀螺儀<0.001°/h。最精密的滾珠軸承結構陀螺儀隻能達到戰術級。因此，20世紀50年代美國和前蘇聯麵臨的艱巨任務是研製精度達到導航級和戰略級的新型陀螺儀。采用自動控製、計算機以及半導體等高新技術，美國和前蘇聯先後研製成功瞭導航級的液浮陀螺儀，滿足瞭投擲核彈頭三大運載工具的導航需求。20世紀60年代，激光技術和光縴通信技術得到廣泛應用。依靠這些新技術，光學陀螺儀從科學傢的設想發展成為導航級陀螺儀，並迅速取代瞭液浮陀螺導航係統。到20世紀70年代，光學陀螺捷聯式導航係統已經成為導航産品市場中的主體。世界從此進入瞭光學導航的時代。1. 慣性導航的理論20世紀初，歐美等工業化國傢普遍采用鋼鐵建造大型商船和軍艦。在鋼質的艦船上，磁羅盤受到環境磁場的影響無法使用。由此産生研製新型航嚮儀器的需求，它們必須不受環境磁場的影響。在政府的支持下，美、英、德等國先後研製成功瞭多種結構的擺式陀螺羅經。它們和水壓式測速儀組成瞭艦船自動計程儀，實現瞭基於航跡推算原理的第一代導航裝置。1923年，德國M. Schuler提齣瞭“擺式儀器不受載體運動乾擾”的理論。他證明：“如果擺式儀器的擺長等於地球的半徑，則在運動的載體上，擺將不會偏離當地的垂綫方嚮。” “Schuler擺”被稱為“無擾動擺式儀器”。在地球上，它的擺動周期為84.4min，稱為Schuler周期。無擾動擺式儀器成為實現慣性導航的理論基礎。顯然，為瞭實現具有Schuler周期的擺式儀器，需要建立陀螺水平穩定平颱。在平颱中，通過調整平颱控製迴路的參數，可以實現Schuler周期，構成無擾動的陀螺穩定水平平颱。從自動控製理論的角度看，無擾動陀螺穩定水平平颱是一種“雙通道控製係統”。當載體運動時，當地的“垂綫”和“平颱”都將轉動。如果平颱的控製迴路能夠保證平颱的轉動角速度與當地垂綫的轉動角速度同步，那麼，平颱將始終保持在當地垂綫的方嚮上。實現雙通道控製的係統被稱為“不變性控製係統”。在無擾動的陀螺穩定水平平颱上，如果安裝三颱綫加速度計，分彆測量載體的三維運動綫加速度加速度，那麼，經過計算裝置可以獲得載體三維運動的綫速度信號和位置信號，構成慣性導航係統。2. 液浮陀螺導航係統1954—1956年，作者曾參加前蘇聯航空工藝研究院（NIAT）組織的“導航級液浮陀螺儀研製計劃”。作者承擔的課題是：“液浮陀螺框架零件的工藝裝備”。按照零件圖紙和工藝文件的要求：“框架上兩個相對軸承孔之間的同心度誤差為0.01mm”。為瞭調整加工液浮陀螺框架零件的組閤機床，作者研製瞭一種“組閤機床光學調整儀”[1，2]。在生産航空陀螺儀的莫斯科Romensk工廠，隻有中央計量室的萬能工具顯微鏡可以計量微米級的加工誤差。為瞭檢驗陀螺框架零件上兩孔的同心度誤差，該廠設計瞭一種可拆開為兩半的工藝檢測零件，在加工後，在萬能工具顯微鏡上測量零件上兩孔的邊緣綫位置，由此推算兩孔的同心度誤差。在Romensk工廠，采用作者研製的光學調整儀，在一颱德國雙軸組閤機床上，加工瞭一個工藝檢測零件。中央計量室的測量數據錶明，該零件上兩孔的同心度達到瞭微米級精度。Romensk工廠給作者簽發瞭技術鑒定證明文件，充分肯定瞭作者的這項研究成果。1957年6月，前蘇聯成功地發射瞭人類第一顆人造地球衛星，這一事件開創瞭人類實現航天飛行的新時代。在這次發射衛星的運載火箭中，可能使用的就是Romensk工廠批量生産的液浮陀螺儀。1958年11月，前蘇聯在列寜格勒市召開瞭第二屆全蘇高校陀螺儀學術會議，北京航空學院林士諤、文傳源和清華大學章燕申組成中國高校代錶團應邀齣席瞭會議。會上宣布瞭以下重要消息：“美國兩艘核潛艇在冰下航行兩周通過北極到達瞭英國”。會場上引起瞭轟動，因為核潛艇導航要求采用戰略級陀螺儀，雖然美國是世界上第一個掌握液浮陀螺技術的國傢，但達到戰略級精度仍然很難。3. 靜電陀螺導航係統1959年，海軍委托清華大學研製“核潛艇慣性導航係統”（代號49100工程），作者擔任技術負責人。此後，作者關注國外有關文獻，發現靜電陀螺將取代液浮陀螺用於核潛艇導航。
……

前言/序言

光學陀螺作為一種慣性器件，從20世紀60年代開始起步，已經曆瞭半個世紀的發展。作為諧振型光學陀螺代錶的激光陀螺，已經在航空、船舶等領域取得瞭巨大應用成就，充分發揮瞭光學陀螺的高性能、高可靠優勢。作為乾涉型光學陀螺代錶的光縴陀螺，逐步從滿足戰術武器、近中程導彈應用需求，擴展到瞭可滿足航天、航空、船舶等領域的高精度應用需求。更為重要的是，由於光縴陀螺可大批量生産而降低成本，未來具有更廣闊的應用前景。基於Sagnac效應的光學陀螺技術並未滿足於已經成熟應用的激光陀螺和光縴陀螺，而是隨著技術發展不斷湧現新的類型，例如已經相對成熟的新型光學陀螺包括諧振型的集成光波導陀螺、基於光子晶體光縴的乾涉型光縴陀螺和諧振型光縴陀螺等。這些新的技術將極大地推動光學陀螺嚮更高精度、更小體積和重量方嚮發展。在光學陀螺技術領域，美國一直對我國實行嚴格的技術封鎖。我國隻能引進少量俄國和法國的産品。通過測試國外産品性能和生産技術的自主創新，我國迅速實現瞭光學陀螺産品國産化，滿足瞭國防裝備的需要。在研究和開發光學陀螺産品中，西安北方捷瑞光電科技公司和北京航空航天大學取得瞭豐碩的生産成果，滿足瞭我國有關武器裝備的需要。清華大學承擔國防預先研究項目，在“光學陀螺定位定嚮係統”和“集成光學陀螺技術”兩個方麵取得瞭研究進展。新型光學陀螺産品的發展方嚮是： ①保證戰略武器裝備的精度要求； ②采用集成光電子器件實現微型化。本書由清華和北方捷瑞公司、北航的有關學者共同撰寫，側重對新型光學陀螺原理、關鍵技術、關鍵器件及其應用等最新研究進展和成果進行分析、介紹，目的是推動新型光學陀螺技術發展，滿足慣性器件行業研究人員瞭解新技術發展動態的需要。參與本書編寫的作者及其分工是：章燕申（清華大學），編寫引論、第1、4、7、14章和附錄A；張春熹（北京航空航天大學），編寫第16章和附錄C；蔣軍彪（中國兵器工業集團公司第203研究所），編寫第11~13章；馮麗爽（北京航空航天大學），編寫第18章；金靖（北京航空航天大學），編寫第15章和附錄B；伍曉明（清華大學），編寫第2、3、5、6、8~10、17章。除以上作者外，西安理工大學的劉建寜、貴州大學的馬傢軍、中國兵器工業集團公司第203研究所的譚鵬立分彆參加瞭第11、12章和第13章的編寫。全書最後由章燕申和伍曉明整理和統稿。由於我們水平有限、編寫時間倉促，書中錯訛之處在所難免，敬請讀者給予批評指正。張春熹2016年10月於北京

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