激光陀螺儀的原理是利用光程差來(lái)測量旋轉角速度( Sagnac 效應)。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時(shí)針?lè )较蚝头磿r(shí)針?lè )较騻鬏數膬墒夂凸飧缮?，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉角速度。激光陀螺儀的基本元件是環(huán)形激光器，環(huán)形激光器由三角形或正方形的石英制成的閉合光路組成，內有一個(gè)或幾個(gè)裝有混合氣體(氦氖氣體)的管子，兩個(gè)不透明的反射和一個(gè)半透明鏡。用高頻電源或直流電源激發(fā)混合氣體，產(chǎn)生單色激光。為維持路諧振，回路的周長(cháng)應為光波波長(cháng)的整數倍。用半透明鏡將激光導出回路，經(jīng)反射鏡使兩束相反傳輸的激光干涉，通過(guò)光電探測器和電路輸入與輸出角度成比例的數字信號。

圖1 環(huán)形激光器

　　相比于傳統的機電陀螺儀，激光陀螺儀的主要優(yōu)點(diǎn)有：

　　(1)可靠性高，壽命長(cháng)；

　　(2)啟動(dòng)速度快；

　　(3)動(dòng)態(tài)范圍大；

　　(4)比例因子線(xiàn)性度好；

　　(5)抗振動(dòng)沖擊性能好；

　　(6)體積小、重量輕、功耗低；

　　(7)數字量輸出；

　　(8)無(wú)交叉耦合效應；

　　(9)對加速度不敏感。

　　這些特點(diǎn)使它特別適用于構建捷聯(lián)式慣性導航系統。

01慣性導航與制導、姿態(tài)測量與控制

　　激光陀螺儀最重要的應用是慣性測量如慣性導航和制導、姿態(tài)測量與控制。慣性導航是一種自主的導航技術(shù)，它不需要外界信息即可實(shí)現導航，因此具有隱蔽性好、不受外界干擾等優(yōu)點(diǎn)，在軍事場(chǎng)合具有重要的價(jià)值。機載合成孔徑雷達和紅外傳感器、艦載衛星通信天線(xiàn)、星載紅外傳感器和攝像機等需要精確的傳感器姿態(tài)信息來(lái)對傳感器的運動(dòng)進(jìn)行補償或者對傳感器的姿態(tài)進(jìn)行控制。

　　在航空上，陀螺儀用來(lái)測量飛機的姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角、航向角)和角速度，以它為核心構成的慣導系統可以為飛機提供姿態(tài)、航向、速度和位置，即導航所需的所有參量，因此被稱(chēng)為飛機上的中心信息源。目前大多數西方的軍用和民用飛機都采用激光陀螺慣導系統，如F-22、F-35、SU-30等戰機以及B747、A320等民航機。

　　在航海上，陀螺儀早已成為航海的重要導航儀器。航海慣導能夠為艦船提供位置、姿態(tài)、速度等數據，不僅可用于艦船自身的導航，還可為艦載武器提供方位基準或穩定平臺。Sperry公司的MK39系列激光陀螺慣導系統已被超過(guò)24個(gè)國家的海軍用于各種艦船平臺，MK-49 激光陀螺導航儀已成為北約12個(gè)國家的標準設備，AN/WSN-7系列激光陀螺導航系統是美國海軍水面艦船和潛艇的標準設備，并在2001就已完成全部航母換裝此系統的工作。

　　在地面上，坦克、火炮等常規兵器的機動(dòng)能力和運動(dòng)中攻擊能力對保存自己、打擊敵人極為重要，這就要求它們具有定位定向和導航能力。1989年開(kāi)始使用的H-726型激光陀螺美軍標準地面導航系統，就已用在“帕拉丁”自行榴彈炮、瑞典的BKAN1A和FH-77B型榴彈炮，各種精密測量偵察車(chē)和布雷德利戰車(chē)等裝備上。

02動(dòng)態(tài)測角

　　角度測量是幾何量計量技術(shù)的重要組成部分，激光陀螺儀可以實(shí)現高精度和高分辨率的動(dòng)態(tài)角度測量。俄羅斯電子光學(xué)公司(Electrooptika Corp.)研制的激光陀螺測角儀可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準、旋轉體的外部角度測量等，隨機誤差0.03角秒，單次測量的總誤差小于0.2角秒。激光陀螺儀測角技術(shù)除了精度和分辨率高之外，還有易于自校準、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)。

03地球物理學(xué)、基礎物理學(xué)

　　將激光陀螺安裝在望遠鏡上可以實(shí)時(shí)提供其角坐標，通過(guò)計算機求出實(shí)際角坐標與目標角坐標之間的差值，然后對其姿態(tài)進(jìn)行控制可使之實(shí)時(shí)跟蹤目標，精度可達亞角秒。與光學(xué)編碼器和圓感應同步器相比，激光陀螺體積小、分辨率高，而且安裝調整非常簡(jiǎn)單。通過(guò)增大激光陀螺的尺寸可顯著(zhù)提高精度，新西蘭和德國聯(lián)合研制了超大激光陀螺，其中的UG-2型超大激光陀螺的環(huán)路面積達834 m2。用超大激光陀螺可以觀(guān)察微小的地震效應、固體地面潮汐效應(solid earth tides，不同于海洋潮汐效應)，還有望用來(lái)測量引力波等幾種相對論效應。

　　慣性導航系統的一大缺點(diǎn)是誤差隨時(shí)間累加，采用多傳感器信息融合的組合導航、零速修正和旋轉調制等技術(shù)可以從一定程度上克服該問(wèn)題。采用GPS、星敏感器等與慣性系統進(jìn)行組合，可大大提高激光陀螺導航系統的精度，減小誤差隨時(shí)間的積累。在實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，可以采取零速修正技術(shù)，能夠將定位精度從純慣性的1海里左右提高到米的量級，適用于對實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，如大地測量。采用旋轉調制技術(shù)后，激光陀螺慣性導航系統的精度能提高1到2個(gè)數量級，適合于長(cháng)期導航。

　　激光陀螺以其獨特的優(yōu)點(diǎn)在軍事、民用和科研等領(lǐng)域具有廣泛的應用。美國霍尼韋爾公司僅型號為GG-1320的激光陀螺即已生產(chǎn)了25萬(wàn)只以上，且目前仍以1.7萬(wàn)只每年的產(chǎn)量全速生產(chǎn)，諾斯羅普-格魯曼公司的零閉鎖激光陀螺也已生產(chǎn)了3萬(wàn)只以上。盡管在價(jià)格上面臨微機電陀螺、光纖陀螺等陀螺的競爭，但在中高精度應用領(lǐng)域，激光陀螺仍有廣闊的市場(chǎng)。