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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。
媒体推荐
本书是介绍光学陀螺仪近期新进展的学术专著，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。
目录
引论
参考文献
第1章波动光学
1.1光的电磁波性质
1.2Maxwell方程
1.3光在自由空间中的传播
1.4Gauss光束
1.5光的偏振
1.6双光束干涉
1.7多光束干涉
1.8光的相干性
1.9光的衍射
1.10Fresnel衍射
1.11Fraunhofer衍射
1.12衍射光栅
1.13光学仪器的分辨率
参考文献
第2章集成光电子学
2.1概述
2.2平面光波导
2.3平面波导的光传播模式
2.4单模的平面波导
2.5光波导模式的有效折射率
2.6波导模式的电磁学描述
2.7Goos—Hanchen位移
2.8脊形波导
2.9波导的传输损耗
2.10弯曲波导
2.11波导与光路的耦合
2.12光波导传输损耗的测量
参考文献
第3章光纤光学
3.1概述
3.2光纤结构
3.3光纤传输损耗
3.4双折射与偏振光纤
3.5光纤材料
3.6光纤元件
参考文献
第4章量子光学
4.1光的产生与辐射
4.2Plank热辐射理论
4.3光电效应
4.4辐射压力与Compton效应
4.5氢原子的光谱系列
4.6Boor氢原子模型
4.7Frank和Hertz的实验
4.8氢原子的量子物理学模型
4.9自由粒子的运动
4.10在无限高墙一维势能阱中的粒子
4.11线性简谐振荡器
4.12矩形势能门槛的反射与透射
4.13有限宽度的矩形势能障碍区
4.14隧道效应
4.15受激辐射与激光器
参考文献
第5章激光振荡
5.1激光的特性
5.2原子辐射
5.3激光产生的条件
5.4激光光谱与增宽
5.5激光泵浦
参考文献
第6章半导体激光器
6.1半导体基础知识
6.1.1能带与Fermi能级
6.1.2半导体中的光吸收与光增益
6.2半导体激光器的种类
6.2.1同质结激光器
6.2.2异质结激光器
6.2.3量子阱激光器
6.2.4垂直腔表面发射半导体激光器
6.3半导体激光器的材料
6.4激光二极管的输出特性
6.5超辐射发光二极管
参考文献
第7章光学陀螺系统的设计方法
7.1概述
7.2干涉型光学陀螺仪的设计方法
7.2.1闭环式干涉型光学陀螺仪的系统结构
7.2.2抑制标度因数误差的方法
7.2.3抑制零位漂移的方法
7.2.4抑制随机游走的方法
7.2.5战术级产品设计的实例
7.2.6战略级产品设计的实例
7.3谐振型光学陀螺仪的设计方法
7.3.1双向环形激光器的设计方法
7.3.2光路控制方法
7.3.3抖动偏频装置的设计方法
7.3.4读出装置的设计方法
7.3.5导航级产品设计的实例
参考文献
第8章窄带二极管激光器
8.1概述
8.2谐振型集成光学陀螺对光源的要求
8.3二极管激光器用于有源腔集成光学陀螺的可行性
8.4分布反馈式二极管激光器的研制
8.5分布反馈式二极管激光器的设计方法
8.6外腔式二极管激光器的设计方法
8.7二极管激光器线宽的测试方法
参考文献
第9章宽带光源
9.1超辐射发光二极管
9.1.1SLD工作原理
9.1.2管芯的封装
9.1.3外延层的设计与工艺
9.1.4外延层的性能参数
9.1.5纵向结构的设计
9.1.6光谱特性的测试
9.1.7光功率特性的测试
9.1.8偏振特性的测试
9.2掺铒超荧光光纤光源
9.2.1放大自发辐射
9.2.2双程与单程结构
9.2.3仿真计算
9.2.4功率特性
9.2.5光谱特性
9.2.6光谱特性的温度稳定性
9.2.7光纤陀螺对掺铒光纤光源的反馈作用
参考文献
第10章集成光电子器件
10.1概述
10.2无源平面光波导材料的淀积
10.3光刻工艺
10.4干法刻蚀工艺
10.5离子交换工艺
10.6无源Sagnac效应敏感环
10.7有源Sagnac效应敏感环
参考文献
……
第11章反射镜式激光陀螺
第12章全反射棱镜式激光陀螺
第13章激光陀螺捷联惯性导航系统
第14章激光陀螺系统的结构
第15章干涉式光纤陀螺仪
第16章光纤陀螺及其导航系统
第17章循环干涉型光学陀螺
第18章集成光学陀螺仪
附录A量子光学中的数学工具
附录BSagnac效应
附录C捷联惯性导航系统基础理论知识
名词索引
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
文摘
引论
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“V1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 “V2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。1965年5月，作者提议的“静电陀螺项目”被列为清华大学的重点。作者被指定为自动控制、精密仪器和电子工程三系联合的“静电陀螺科研组”负责人。1965年9月，清华大学和上海交通大学应邀参加了“全国核潜艇导航系统研制会议”（代号915工程）。会上，两校共同建议的“静电陀螺项目”被列为“915205工程”，并指定清华大学为牵头单位，常州航海仪器厂为研制基地。到1966年“文化大革命”之前，清华大学静电陀螺科研组已取得“静电支承力（静电场强）与真空度”实验研究、静电陀螺原理样机设计以及空心铝质静电陀螺转子加工等多项成果。1967年，清华大学收到“915205工程”的研制经费。作者组织了本校15人，连同上海交通大学5人，一起到常州航海仪器厂开展研制工作。1969年，在三方人员的努力下，静电陀螺原理样机的实验样机获得成功，样机被送往北京军事博物馆展出。遗憾的是，由于经费被停发，参加研制的三方被逼退出“915205工程”。直到1972年海军决定恢复研制，但应用目标由核潜艇改为“海防巡航导弹”（代号721工程）。因为静电陀螺必须满足导弹发射的环境条件，而受到静电击穿场强的限制，静电陀螺承受过载加速度和冲击加速度的能力较低，721工程的研制难度较大。1972年，参加研制的三方针对上述难点重新设计静电陀螺的工程样机，采用： ①超高真空陶瓷的电极结构；②铍材料的转子；③方波静电支承电路等。此外在常州航海仪器厂还建立了环境试验设备，包括： ①高温和低温的恒温箱；②测试过载加速度的离心机；③模拟导弹发射状态的冲击试验台等。1976年，在三方人员的努力下，静电陀螺及其三轴稳定平台的工程样机都已研制成功\[3\]。721工程的领导部门组织了以下严格的装备性能测试：（1） 巡航导弹的工作环境试验，在北京航天工业部511试验站完成；（2） 模拟巡航导弹航迹的飞行试验，在海军“里2型”飞机上进行了13次飞行试验；（3） 导弹搭载试验，单个静电陀螺在“海鹰2型”导弹上通过了试验。在取得上述成果后，被中断的“915205工程”在1980年得到恢复。研制目标转为战略级静电陀螺，由三方联合研制，作者被指定为总设计师。1990年，在三方人员的努力下，核潜艇静电陀螺的工程样机研制成功，并通过了船舶工业部的技术鉴定。1993年后，核潜艇静电陀螺转入国防装备研制。除美、苏之外，我国成为世界上第三个掌握了静电陀螺技术的国家。1983年后，作者多次访问了美国Stanford大学的“静电陀螺研制组”（代号GPB）。为了在卫星中测定“相对论效应”造成的微小角速度，GPB研制了实心石英转子的“超导静电陀螺”。GPB从美国宇航局（NASA）每年获得几千万美元经费，并从美国各地聘用了有生产经验的工艺师，在转子四轴研磨机、转子圆球度计量等方面均有很好的研究成果。1991年，作者访问了俄罗斯“电气仪器研究所”，该所生产核潜艇静电陀螺导航系统。据俄方介绍：在20世纪70年代，国家投入20亿美元的经费，用于研制和生产静电陀螺中的铍材料转子和陶瓷电极等部件。和国外相比，我国研制核潜艇静电陀螺投入的资金和人力都比较少，而进度则较快，原因之一是在全国开展协作，对此作者深有体会。例如，1968年作者在常州和上海的一些工厂协作时，对方一听说这是我国核潜艇的项目，立刻接受协作任务，并高质量地完成。
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。
媒体推荐
本书是介绍光学陀螺仪近期新进展的学术专著，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。
目录
引论
参考文献
第1章波动光学
1.1光的电磁波性质
1.2Maxwell方程
1.3光在自由空间中的传播
1.4Gauss光束
1.5光的偏振
1.6双光束干涉
1.7多光束干涉
1.8光的相干性
1.9光的衍射
1.10Fresnel衍射
1.11Fraunhofer衍射
1.12衍射光栅
1.13光学仪器的分辨率
参考文献
第2章集成光电子学
2.1概述
2.2平面光波导
2.3平面波导的光传播模式
2.4单模的平面波导
2.5光波导模式的有效折射率
2.6波导模式的电磁学描述
2.7Goos—Hanchen位移
2.8脊形波导
2.9波导的传输损耗
2.10弯曲波导
2.11波导与光路的耦合
2.12光波导传输损耗的测量
参考文献
第3章光纤光学
3.1概述
3.2光纤结构
3.3光纤传输损耗
3.4双折射与偏振光纤
3.5光纤材料
3.6光纤元件
参考文献
第4章量子光学
4.1光的产生与辐射
4.2Plank热辐射理论
4.3光电效应
4.4辐射压力与Compton效应
4.5氢原子的光谱系列
4.6Boor氢原子模型
4.7Frank和Hertz的实验
4.8氢原子的量子物理学模型
4.9自由粒子的运动
4.10在无限高墙一维势能阱中的粒子
4.11线性简谐振荡器
4.12矩形势能门槛的反射与透射
4.13有限宽度的矩形势能障碍区
4.14隧道效应
4.15受激辐射与激光器
参考文献
第5章激光振荡
5.1激光的特性
5.2原子辐射
5.3激光产生的条件
5.4激光光谱与增宽
5.5激光泵浦
参考文献
第6章半导体激光器
6.1半导体基础知识
6.1.1能带与Fermi能级
6.1.2半导体中的光吸收与光增益
6.2半导体激光器的种类
6.2.1同质结激光器
6.2.2异质结激光器
6.2.3量子阱激光器
6.2.4垂直腔表面发射半导体激光器
6.3半导体激光器的材料
6.4激光二极管的输出特性
6.5超辐射发光二极管
参考文献
第7章光学陀螺系统的设计方法
7.1概述
7.2干涉型光学陀螺仪的设计方法
7.2.1闭环式干涉型光学陀螺仪的系统结构
7.2.2抑制标度因数误差的方法
7.2.3抑制零位漂移的方法
7.2.4抑制随机游走的方法
7.2.5战术级产品设计的实例
7.2.6战略级产品设计的实例
7.3谐振型光学陀螺仪的设计方法
7.3.1双向环形激光器的设计方法
7.3.2光路控制方法
7.3.3抖动偏频装置的设计方法
7.3.4读出装置的设计方法
7.3.5导航级产品设计的实例
参考文献
第8章窄带二极管激光器
8.1概述
8.2谐振型集成光学陀螺对光源的要求
8.3二极管激光器用于有源腔集成光学陀螺的可行性
8.4分布反馈式二极管激光器的研制
8.5分布反馈式二极管激光器的设计方法
8.6外腔式二极管激光器的设计方法
8.7二极管激光器线宽的测试方法
参考文献
第9章宽带光源
9.1超辐射发光二极管
9.1.1SLD工作原理
9.1.2管芯的封装
9.1.3外延层的设计与工艺
9.1.4外延层的性能参数
9.1.5纵向结构的设计
9.1.6光谱特性的测试
9.1.7光功率特性的测试
9.1.8偏振特性的测试
9.2掺铒超荧光光纤光源
9.2.1放大自发辐射
9.2.2双程与单程结构
9.2.3仿真计算
9.2.4功率特性
9.2.5光谱特性
9.2.6光谱特性的温度稳定性
9.2.7光纤陀螺对掺铒光纤光源的反馈作用
参考文献
第10章集成光电子器件
10.1概述
10.2无源平面光波导材料的淀积
10.3光刻工艺
10.4干法刻蚀工艺
10.5离子交换工艺
10.6无源Sagnac效应敏感环
10.7有源Sagnac效应敏感环
参考文献
……
第11章反射镜式激光陀螺
第12章全反射棱镜式激光陀螺
第13章激光陀螺捷联惯性导航系统
第14章激光陀螺系统的结构
第15章干涉式光纤陀螺仪
第16章光纤陀螺及其导航系统
第17章循环干涉型光学陀螺
第18章集成光学陀螺仪
附录A量子光学中的数学工具
附录BSagnac效应
附录C捷联惯性导航系统基础理论知识
名词索引
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
文摘
引论
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“V1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 “V2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。1965年5月，作者提议的“静电陀螺项目”被列为清华大学的重点。作者被指定为自动控制、精密仪器和电子工程三系联合的“静电陀螺科研组”负责人。1965年9月，清华大学和上海交通大学应邀参加了“全国核潜艇导航系统研制会议”（代号915工程）。会上，两校共同建议的“静电陀螺项目”被列为“915205工程”，并指定清华大学为牵头单位，常州航海仪器厂为研制基地。到1966年“文化大革命”之前，清华大学静电陀螺科研组已取得“静电支承力（静电场强）与真空度”实验研究、静电陀螺原理样机设计以及空心铝质静电陀螺转子加工等多项成果。1967年，清华大学收到“915205工程”的研制经费。作者组织了本校15人，连同上海交通大学5人，一起到常州航海仪器厂开展研制工作。1969年，在三方人员的努力下，静电陀螺原理样机的实验样机获得成功，样机被送往北京军事博物馆展出。遗憾的是，由于经费被停发，参加研制的三方被逼退出“915205工程”。直到1972年海军决定恢复研制，但应用目标由核潜艇改为“海防巡航导弹”（代号721工程）。因为静电陀螺必须满足导弹发射的环境条件，而受到静电击穿场强的限制，静电陀螺承受过载加速度和冲击加速度的能力较低，721工程的研制难度较大。1972年，参加研制的三方针对上述难点重新设计静电陀螺的工程样机，采用： ①超高真空陶瓷的电极结构；②铍材料的转子；③方波静电支承电路等。此外在常州航海仪器厂还建立了环境试验设备，包括： ①高温和低温的恒温箱；②测试过载加速度的离心机；③模拟导弹发射状态的冲击试验台等。1976年，在三方人员的努力下，静电陀螺及其三轴稳定平台的工程样机都已研制成功\[3\]。721工程的领导部门组织了以下严格的装备性能测试：（1） 巡航导弹的工作环境试验，在北京航天工业部511试验站完成；（2） 模拟巡航导弹航迹的飞行试验，在海军“里2型”飞机上进行了13次飞行试验；（3） 导弹搭载试验，单个静电陀螺在“海鹰2型”导弹上通过了试验。在取得上述成果后，被中断的“915205工程”在1980年得到恢复。研制目标转为战略级静电陀螺，由三方联合研制，作者被指定为总设计师。1990年，在三方人员的努力下，核潜艇静电陀螺的工程样机研制成功，并通过了船舶工业部的技术鉴定。1993年后，核潜艇静电陀螺转入国防装备研制。除美、苏之外，我国成为世界上第三个掌握了静电陀螺技术的国家。1983年后，作者多次访问了美国Stanford大学的“静电陀螺研制组”（代号GPB）。为了在卫星中测定“相对论效应”造成的微小角速度，GPB研制了实心石英转子的“超导静电陀螺”。GPB从美国宇航局（NASA）每年获得几千万美元经费，并从美国各地聘用了有生产经验的工艺师，在转子四轴研磨机、转子圆球度计量等方面均有很好的研究成果。1991年，作者访问了俄罗斯“电气仪器研究所”，该所生产核潜艇静电陀螺导航系统。据俄方介绍：在20世纪70年代，国家投入20亿美元的经费，用于研制和生产静电陀螺中的铍材料转子和陶瓷电极等部件。和国外相比，我国研制核潜艇静电陀螺投入的资金和人力都比较少，而进度则较快，原因之一是在全国开展协作，对此作者深有体会。例如，1968年作者在常州和上海的一些工厂协作时，对方一听说这是我国核潜艇的项目，立刻接受协作任务，并高质量地完成。
| ISBN | 9787302473527 |
|---|---|
| 出版社 | 清华大学出版社 |
| 作者 | 章燕申 |
| 尺寸 | 16 |