大型测地激光陀螺仪研究综述_张风雷.pdf

第51卷 第3期2023 年 3 月华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.51 No.3Mar.2023大型测地激光陀螺仪研究综述张风雷1 柳奎2 陆泽晃2 张洁2(1湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003；2华中科技大学物理学院，基础物理量测量教育部重点实验室，湖北省引力与量子物理重点实验室，精密重力测量国家重大科技基础设施，湖北 武汉 430074)摘要 以大型测地型激光陀螺仪为研究对象，对近几年的相关研究进展进行了总结首先阐述大型激光陀螺仪原理及其在测地学、旋转地震学、基础物理等领域的相关应用；然后根据运转机制的不同，介绍主动和被动激光陀螺仪的工作原理，并分析国内外大型主、被动激光陀螺仪的研究现状；最后从高Q值环形腔、超稳参考光源、陀螺仪闭环锁定、环形腔腔长稳定控制等方面详细介绍面向精密重力测量国家重大科技基础设施(PGMF)建设的大型被动激光陀螺仪的研究进展，同时指出该系统目前的受限因素及未来大型激光陀螺仪的研究方向关键词 大型激光陀螺仪；地球自转；标度因子；旋转地震学；Lense-Thirring效应中图分类号 P312.1 文献标志码 A 文章编号 1671-4512(2023)03-0120-12Review of large-scale geodetic laser gyroscopesZHANG Fenglei1 LIU Kui2 LU Zehuang2 ZHANG Jie2(1School of Electrical and Electronic Engineering，Hubei Polytechnic University，Huangshi 435003，Hubei China；2School of Physics，MOE Key Laboratory of Fundamental Physical Quantities Measurements，Hubei Key Laboratory of Gravitation and Quantum Physics，PGMF，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)Abstract The large-scale geodetic laser gyroscope is the research object，and specifically the relevant research progress in recent years were summarizedFirstly，the principles of the laser gyroscope and its related applications in the fields of geodesy，rotational seismology，and fundamental physics were explainedThen，laser gyroscopes were divided into the two types according to the different operation modes，and the current research status of the active and the passive laser gyroscopes in the world were introducedFinally，the large-scale passive laser gyroscopes based on the national precise gravity measurement facility(PGMF)in Huazhong University of Science and Technology were detailed，including the high Q-factor ring cavity，ultra-stable laser light source，the closed-loop locking operation，cavity length stabilization，etcAt the same time，the current limitations of the system and future research directions were also presentedKey words large-scale laser gyroscope；earth rotation；scale factor；rotational seismology；Lense-Thirring effectMacek和Davis等1-3于1963年成功研制了第一台激光陀螺仪，在之后20 a内，激光陀螺仪作为高精度转动测量传感器得到了大力发展小型导航激光陀螺仪面积一般小于0.02 m2，周长小于30 cm，灵敏度约为 110-3()/h1/2，零偏不稳定性约为 110-4()/h，被广泛应用于商业及军事领域中的飞机、舰艇、导弹等装备的惯性导航系统中不同于导航陀螺仪，大型激光陀螺仪被用来进行地球自转角速度的实时精密测量，因此需要极高的灵敏度及长期稳定性由于激光陀螺仪灵敏度与尺寸正相关，因DOI：10.13245/j.hust.230309收稿日期 2022-01-13作者简介 张风雷(1991-)，男，讲师；张 洁(通信作者)，教授，E-mail：基金项目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(61875065，12004129，91536116)；国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目(2017YFA0304400)；广东省重点领域研发计划资助项目(2019B030330001)第 3 期张风雷，等：大型测地激光陀螺仪研究综述此后者需要更大尺寸然而随着陀螺仪尺寸的增大，环形腔自由光谱范围(free spectral range，FSR)减小，主动激光陀螺仪中的He-Ne激光很难保持单纵模运行2-4另外，由于背向散射效应导致腔内两束激光频率互锁，使得陀螺仪测量误差增加，甚至无法进行转动探测5-9过大尺寸引入的标度因子不稳定等其他技术因素导致大型测地激光陀螺仪的研究较为滞后随着超高反射率腔镜镀膜技术的显著提升，低热膨胀材料制作及陀螺仪标度因子稳定控制等相关技术的发展，大型激光陀螺仪成为精密测量地球转速的一种新手段大型激光陀螺仪分为主动式激光陀螺仪和被动式激光陀螺仪，新西兰坎特伯雷大学于1993年研制的大型主动激光陀螺仪C-I(Canterbury-I)首次成功实现解锁地球转速测量之后10，大型主动激光陀螺仪得到快速发展，如超稳激光陀螺仪 G-ring(Grossring)、超大陀螺仪 UG-2(Ultragrossring-2)、正四面体大型三维陀螺仪 ROMY(rotational motions for seismology)及旨在地面上验证广义相对论的GINGER(Gyroscopes IN General Relativity)计划等11-18被动激光陀螺仪也取得很大进展，如美国麻省理工学院、美国空军学院、美国加州理工学院等单位研制的被动激光陀螺仪19-23为满足国家精密重力测量研究设施需求，同时服务于我国空间引力波探测计划“天琴计划”，为卫星的精确定轨提供高精度地球定向参数(earth orientation parameters，EOP)，华中科技大学于 2014年开始，先后研制了1 m1 m和3 m3 m大型被动激光陀螺仪24-28相较于主动激光陀螺仪，被动激光陀螺仪更易于实现增加腔内激光功率来降低系统散粒噪声极限可见用于精密测量地球转速的大型激光陀螺仪在近30 a期间从无到有，且灵敏度指标也取得巨大改进由于目前还没有文献对近些年大型激光陀螺仪研究现状进行较为全面的梳理，尤其是被动激光陀螺仪的相关研究，因此首先简单介绍大型激光陀螺仪的原理与应用，然后对近年来的大型激光陀螺仪研究现状进行总结，最后详细介绍面向精密重力测量国家重大科技基础设施(precise gravity measurement facility，PGMF)的大型被动激光陀螺仪的研究进展，同时指出该研究发现的主要问题及未来大型激光陀螺仪的研究方向1 大型激光陀螺仪原理与应用 1.1激光陀螺仪原理激光陀螺仪的工作原理是基于 Sagnac 效应，即两束激光在闭合的环形腔内沿着相反方向传播，当环形腔旋转时，两束激光的共振频率分别会发生蓝移和红移，从而产生频率差值29-30该频率差值正比于旋转速率，称为Sagnac频率，且满足fs=4AP，(1)式中：fs为Sagnac频率；A为两束激光传播路径围绕的面积；为激光波长；P为环形腔周长；为环形腔旋转角速度因此通过测量 Sagnac频率便可得陀螺仪环形腔的转速，仅须将陀螺仪环形腔与地球捷联即可测量地球自转角速度另外，根据腔内激光光源的不同，激光陀螺仪可分为主动激光陀螺仪和被动激光陀螺仪如图1所示，主动激光陀螺仪自身可看作一台双向出光的激光器，环形腔内填充着增益介质，在泵浦源激励下产生两束沿着相反方向传播的激光；而被动激光陀螺仪的腔内激光是由外部独立激光光源产生两束激光，并通过相关锁定技术沿着相反方向注入环形腔内主、被动激光陀螺仪原理都是基于 Sagnac效应，陀螺仪灵敏度最终受限于系统散粒噪声s，该散粒噪声为31-32s=cP4AQhvptT，(2)式中：c为光速；Q为腔品质因子；h为普朗克常数；v为激光频率；pt为腔内激光透射功率；T为积分时间为维持单纵模运行，主动激光陀螺仪腔内激光功率不得不保持较低状态，透射光功率在nW量级，而被动激光陀螺仪采用外部激光注入锁定的运转机制，腔内功率很高，透射光可做到mW量级甚至更高2-3在同等技术参数条件下，后者可通过增加腔内激光功率来降低系统的散粒噪声极限，因此拥有更优的潜在极限水平另外，主动激光陀螺仪中的背向散射效应由腔内存在增益介质而被放大，从而引入较大测量误差虽然被动激光陀螺仪的背向散射噪声可通过差 (a)主动激光陀螺仪 (b)被动激光陀螺仪图1激光器陀螺仪原理简图121华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 51 卷模运行机制被大幅抑制，但是非共模噪声如FSR漂移噪声、剩余幅度调制(residual amplitude modulation，RAM)噪声等难以被共模抑制，从而成为目前被动陀螺仪的主要限制因素6,8-9,24-251.2大型激光陀螺仪应用地球以平均转速 7.29210-5 rad/s 自西向东旋转，由于日、月及其他行星的引力作用，地球自身椭球状结构且质量分布不均匀，以及全球性大气环流、洋流、潮汐等地球物理效应等因素，使得地球自转角速度并不是恒定不变的，大小和转轴方向时刻发生变化33-34高精度实时测量地球转速对地球物理、大地测量、基础物理研究等都具有重大意义目前成熟的地球自转角速度测量方法大多基于空间大地测量技术，联合使用甚长基线干涉仪(very long baseline interferometry，VLBI)、月地测距、地卫测距、全球导航卫星系统、多普勒无线电定轨定位系统等35-38这种方法虽有很高的精度，但数据解算及更新周期较长对比其他测量技术，大型激光陀螺仪兼备高探测灵敏度以及高时间分辨率，甚至具有实时精密测量地球自转角速度的潜力11,391.2.1测地学国际天球参考系与国际地球参考系的时空坐标变换对测地学、天文学以及航天科技而言具有重要意义，而两参考系的变换需要精确的 EOP 参数，该参数中第一类世界时及地极坐标可通过测量地球自转角速度获得40-42不论是在地面上实现精确定位，还是在太空中实现精准定轨，都须获取精确的EOP数据若要在地面实现亚厘米级定位精度，则天长变化量的测量精度需好于0