Macek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1×10-3 (º)/h1/2，零偏不稳定性约为1×10-4 (º)/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 m×1 m和3 m×3 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=4AλPΩ，(1)式中：fs为Sagnac频率；A为两束激光传播路径围绕的面积；λ为激光波长；P为环形腔周长；Ω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．10.13245/j.hust.230309.F001图1激光器陀螺仪原理简图(a) 主动激光陀螺仪 (b) 被动激光陀螺仪主、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δs，该散粒噪声为[31-32]δs=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[6,8-9,24-25]．1.2　大型激光陀螺仪应用地球以平均转速7.292×10-5 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[11,39]．1.2.1　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0.1 ms，同时地球自转轴的测量误差小于0.01角秒[3]．为避免背景引力扰动影响天琴卫星编队等边三角形的几何稳定性，须对天琴卫星精确定轨以及对轨道进行实时修正[43-45]．由于EOP测量存在偏差，由国际天球参考系转换到国际地球参考系的卫星轨道也存在偏差，具体转换公式为[45]ΔXΔYΔZ=YΔθ+ZΔXP-XΔθ-ZΔYP-XΔXP+YΔYP，(3)式中：ΔX，ΔY和ΔZ为空间3个方向的轨道偏移量；X，Y和Z为卫星在国际地球参考坐标系中的坐标；ΔXP和ΔYP为极移测量误差；Δθ=2π× 1.002 737 812×(ΔαUT1-ΔαUTC)为地球自转角测量误差，其中αUT1和αUTC分别为第一类世界时和协调世界时，由于地球转速的不均匀性，导致在第一类世界时发生微小变化，从而有地球自转角的测量误差，因此EOP参数的测量精度影响着卫星定轨及实时修正．目前EOP数据是由国际地球自转与参考系统服务平台发布的，其快速发布周期约为一周，难以做到实时性，若仅利用预报值，则EOP测量误差便会增大[38-40]．大型激光陀螺仪G-ring精密测量到周日极移、地球固体潮汐等地球物理信号，经连续稳定运转243 d，成功探测到钱德勒摆动以及周年极移信号，且该数据与VLBI提供的数据较为相符[46-48]．另外，相比于单独使用VLBI数据，VLBI联合陀螺仪的数据分析会将Y方向极移及UT1的测量误差分别改善16%和12%[3,39]．1.2.2　旋转地震学地震波不仅包含三维平动分量，还具有三维转动分量．捷联在地球表面的大型激光陀螺仪对地面转动的测量极为敏感，地震波中的旋转分量传播到陀螺仪所在位置时，会引起局部地面的转动，这些转动信号会叠加在地球转动信号中被陀螺仪所探测到[49-53]．旋转地震波的角速度大多分布在1×10-14 rad/s至1 rad/s之间，其频率分布在mHz至几十Hz的频段内[3,14]．另外，随着大型激光陀螺仪灵敏度的不断提高，已经具备观测实验室环境微震活动中的旋转分量的能力[51]．目前分布在世界各地的大型激光陀螺仪均已成功观测到地震波的旋转分量，各地大型激光陀螺仪连同常规地震仪进行组网观测地震波，这对于宽频带地震起源、地震构造、大地测量学和地面运动的研究都具有重要意义．1.2.3　基础物理根据爱因斯坦广义相对论理论，通过求解广义相对论场方程并取低阶近似可得旋转的大质量物体的引力场，如地球、太阳等，该引力场除包含牛顿引力场外，还含有引磁场，因此国际天球参考系与国际地球参考系进行时空坐标变换时，引磁效应不可忽略[15-18,54-56]．地球是一个旋转的大质量球体，因此可利用捷联在地球表面的大型激光陀螺仪检验该引磁效应，激光陀螺仪观测量δf可近似表示为δf≅4AλPΩEcos(θ+α)-2GMEc2MEsinθsinα+GIEc2RE32cos θcos α+sin θsin α, (4)式中：ΩE为地球转速；θ为余纬；α为陀螺仪平面法向与所在地子午面之间的夹角；G为牛顿引力常数；ME为地球质量；RE为地球平均半径；c为光速；IE为地球转动惯量；方括号内的3项分别为由单纯Sagnac效应、De Sitter测地岁差和Lense-Thirring旋进引起的频率差，后两个相对论效应约在10-14 rad/s量级[16]．目前的引磁效应验证实验均在太空中开展，如美国的“引力探针B计划(GP-B)”利用太空轨道中的四个高精度超导陀螺仪已探测到De Sitter测地岁差和Lense-Thirring框架拖拽效应，探测精度分别为0.28%和19%[54]．另外意大利的Ciufolini和Pavlis等利用激光测距卫星LAGEOS-1和LAGEOS-2的节点进动数据在10%的精度范围内验证了Lense-Thirring效应[55-56]．目前世界上精度最高的大型激光陀螺仪G-ring分辨率在1×105 s积分时间内达到2×10-13 rad/s，距离相对论效应检验指标仅差一个数量级，因此大型激光陀螺仪是在地面上验证广义相对论效应的最佳候选之一[12]．2 大型激光陀螺仪研究现状2.1　大型主动激光陀螺仪主动激光陀螺仪大多采用波长约为632.8 nm的He-Ne激光作为腔内传播激光．通常将比例为50∶1约百帕量级的He∶Ne气体混合物作为增益介质，均匀填充于环形腔内，由激励源激励产出激光．近年来研究人员也尝试诸如543.3，611.8和1 152.3 nm等其他波长的大型激光陀螺仪[57-59]．根据式(1)可知：激光陀螺仪尺寸越大，灵敏度越高，因此为追求超高灵敏度，陀螺仪环绕面积越来越大．从第一台成功探测到地球转速的面积仅有0.75 m2的C-I发展到面积为834 m2的UG-2，然而尺寸增大会降低腔体结构稳定性，影响标度因子稳定性和恶化背向散射噪声，进而限制陀螺仪分辨率[2,13,60]．根据环形腔构造不同，大型激光陀螺仪可分为一体化和分体式陀螺仪．一体化指将整块低热膨胀材料如Zerodur、超低热膨胀(Ulrta-low expansion，ULE)材料等加工制作成环形腔腔体，再将高反镜光胶至腔体各角上，形成闭合腔．这种构造的陀螺仪如C-II(Canterbury-II)、G-ring等长期稳定性得到很大改善[61-62]．除价格极为昂贵外，受限于制作工艺，难以用于更大尺寸陀螺仪上，尤其是大型激光陀螺仪如UG系列、ROMY和GINGER等．2.1.1　UG-2激光陀螺仪新西兰坎特伯雷大学是大型测地激光陀螺仪研究的先行者．该小组在C-I基础上成功研制C-II，其探测灵敏度及稳定性均得到了很大改善，角速度分辨率在800 s 积分时间内达到了2×10-11 rad/s [61]．后为追求更高的探测灵敏度，该小组又增大陀螺仪的尺寸，建立一系列的超大型激光陀螺仪[13,60,63]．其中UG-2尺寸达到39.7 m×21.0 m，建立在南纬43.58º的新西兰克什米尔地下30 m的山洞实验室内，是目前世界上尺寸最大的激光陀螺仪．由于尺寸超大，UG-2采用分体式结构设计，用于装载高反镜的4个不锈钢真空角腔直接水平安装在4个混凝土地基上，角腔之间用多根直径为100 mm的不锈钢管道连接，由此形成面积约为834 m2呈矩形状的陀螺仪环形腔．由于腔镜高阶像差及散射损耗较大，该环形腔Q值约为1.5×1012，平均每个腔镜的反射损耗高达170×10-6~250×10-6，比预期值高了10倍多[13]．由地球转动引起的Sagnac频率为2 177.6 Hz，标度因子为4.34×107 Hz/(rad•s-1)．这种超大型分体式结构腔极易受环境因素的影响，如温度和气压的波动以及地面振动等原因导致陀螺仪机械稳定性变差．此外，由于环形腔臂长太长，几个角秒的腔镜倾斜便可导致可观的光束偏移，即相邻腔镜上反射光点位移，从而导致标度因子变化．该小组在实验中发现导致光束漂移的原因主要是由实验室环境气压引起的腔镜倾斜，为此在每个真空角腔后面放置1个CCD(charge coupled device)监控光束的漂移，4个CCD的参考面均为实验室地面，在几天的测量时间内，光束反射光点的水平方向漂移量约为70 μm，竖直方向漂移量约为40 μm，相对标度因子稳定度在10-9量级[60]．根据这些漂移数据计算出相应的标度因子变化，采用回归分析的算法扣除其对Sagnac频率的影响．在光束指向偏移扣除后，增益降低对标度因子的贡献占据了主导地位，同样地，这部分影响也可根据模型扣除掉．最终UG-2角速度分辨率在2 000 s 积分时间内达到2.9×10-12 rad/s[13]．2.1.2　G-ring激光陀螺仪由德国慕尼黑工业大学为主建造的位于巴伐利亚州威兹尔大地测量天文台的G-ring是目前灵敏度指标最高且最稳定的大型激光陀螺仪．为保持环形腔的机械稳定性及热稳定性，G-ring采用热膨胀系数为1.4×10-8 K-1、直径为4.25 m、厚为25 cm的Zerodur作为环形腔基底，高反腔镜分别通过Zerodur棒与基底固连成一体化的环形腔．腔体被放置在花岗岩基底上，然后通过直径为2.7 m、高10 m的混凝土柱连接至岩石层，使得陀螺仪与地球捷联起来[62]．为降低实验室环境因素的影响，该小组搭建了半地下实验室，以及多个温度隔离层，使得实验室1 d温度波动仅有5 mK，年温度波动为±0.5 K．2012年该小组对陀螺仪环境进行气压稳定控制，2013年又利用参考主动氢钟的光学频率梳作为频率参考，将腔长锁定至该频率参考上，进一步提高腔长稳定性．在5 d测量时间内，FSR抖动峰峰值为1 kHz，腔长抖动峰峰值约为33.7 pm，同时陀螺仪灵敏度基本达到理论散粒噪声极限，并在1×105 s积分时间内，角速度分辨率达到2×10-13 rad/s[12，62]．文献[64]表明当局部倾斜和已知模型的地球物理信号的影响扣除后，背向散射耦合是目前限制G-ring长期稳定性的主要因素之一．尽管对陀螺仪环境进行气压主动控制以及多级被动温度隔离，但每天mK量级的温度漂移会致使腔镜缓慢移动，导致背向散射激光相位发生改变，使得由背向散射引入的两束激光频率拖拽量直接贡献到Sagnac频率测量误差中，在100 d的测量时间内，该频率误差约为3 mHz．另外，由于散射激光相位是时变的，导致短期内难以实时充分修正背向散射误差．此外，腔内激光的功率稳定性也会影响当前G-ring的分辨率，即使利用反馈控制策略对功率进行稳定控制，参考电压的漂移及波动也会导致激光功率不稳定，进而影响系统分辨率．2.1.3　ROMY激光陀螺仪目前一维激光陀螺仪难以准确标定式(1)中的面积矢量法向与地球自转轴之间的夹角，进而难以给出绝对地球自转角速度．因此在G-ring基础上，为了进行地球自转角速度的矢量观测，又同时将大型激光陀螺仪应用于旋转地震学的相关研究，德国慕尼黑工业大学与慕尼黑大学合作开展ROMY的研制．ROMY坐落于隶属德国慕尼黑大学的菲尔斯滕费尔德布鲁克地球物理观测站，是由4个边长为12 m单轴三角形结构的激光陀螺仪呈严格正四面体结构分布，它是世界上首个并且是目前唯一一台大型三维激光陀螺仪[14,65]．ROMY整体放置于地下实验室且与地球固连，每个单轴陀螺仪的腔体都由不锈钢真空管道组成．ROMY中任意3个陀螺仪即可测量并解算出绝对地球自转角速度，包含相对于局域惯性参考系的地球自转轴指向及旋转速率，而第4个陀螺仪可检验测量是否具有一致性．在47 d的测量时间内，ROMY测得地球自转轴在X方向变化量为0.35±0.02角秒，在Y方向变化量为0.47±0.07角秒，平均转速约为7.292 1×10-5 rad/s[65]．4个单轴陀螺仪的最好分辨率指标在约120 s积分时间内达到1×10-10 rad/s~1×10-11 rad/s水平．短期稳定性受限于激光频率漂移及腔内激光模式跳变，长期稳定性受限于光束指向随机游走导致的陀螺仪面积法向矢量漂移．除实验室背景物理场波动外，主要原因是分体式大型激光陀螺仪环形腔的机械稳定性难以维持[65]．2.1.4　GINGER计划意大利比萨大学与国家核物理研究院最早于2011年合作提出利用大型三维激光陀螺仪在地面上验证Lense-Thirring和De Sitter等广义相对论效应的GINGER研究计划[15-18,66]．GINGER陀螺仪计划由边长6 m的大型主动激光陀螺仪组成的严格正八面体结构，采用6个高反镜分布在正八面体的各顶点处构成3个彼此垂直的正方形陀螺仪组．为验证相对论效应，GINGER将被建立在地下1 000 m的格兰萨索山洞实验室中，每台陀螺仪均采用波长为632.8 nm的He-Ne激光，预期环形腔损耗2×10-6，标度因子稳定性要求好于1×10-12，水平放置的陀螺仪面积法向矢量方向测量准确度须好于nrad，最终角速度分辨率目标约为积分时间一天时的稳定性1×10-14 rad/s[66]．在搭建如此庞大且复杂的系统之前，该小组先后搭建G-Pisa，GP2(G-Pisa 2)及GINGERino等不同尺寸的主动激光陀螺仪，用于验证GINGER系统中的多项关键技术[67-74]．周长达24 m、面积达36 m2的大尺寸三维环形腔须采用分体式结构设计，为保证GINGER标度因子稳定性及陀螺仪长期稳定运行，该小组拟采用将三台陀螺仪对角线构成的FP(Fabry-Pérot)腔锁定至同一参考激光的稳定控制策略[66,69-70]．另外，通过同时测量腔长及两对角线的绝对长度，可获得陀螺仪标度因子数值，从而实时解算出绝对地球自转角速度．为验证控制技术可行性，该小组搭建尺寸为1.6 m×1.6 m原型机GP2，利用PDH(Pound-Drever-Hall)锁定技术将对角腔镜组成的两个FP腔锁定至相对频率稳定度为10-12量级的碘分子稳频激光上，在12 h测量时间内，两条对角线长度抖动分别约为19和22 nm，该实验结果目前主要受限于实验室温度波动和环路锁定带宽[73]．为测试格兰萨索山洞实验室内的陀螺仪系统长期稳定性，以及大地测量学和旋转地震学的研究，该小组在G-Pisa的基础上搭建了尺寸为3.6 m×3.6 m的GINGERino．为提高陀螺仪系统机械稳定性，GINGERino的真空系统被牢固地安装在3 t重的呈X形状的大理石平台上，平台被放置于每月温度漂移仅有0.1 K，地面倾斜抖动约几十nrad的山洞实验室内．GINGERino角速度分辨率在400 s积分时间内达到3×10-11 rad/s，在经过背向散射噪声扣除、功率稳定等系统优化之后，该陀螺仪实现长达90 d的长期运转[72]．纵使在如此稳定的实验平台上，分体式自由运转的主动激光陀螺仪GINGERino仍存在跳模现象，由此产生近20%运行空档时间[74]．2.2　大型被动激光陀螺仪早在1977年美国麻省理工学院的 Ezekiel 与 Balsamo首次提出利用腔外激光以锁定方式注入环形腔的被动激光陀螺仪的实验方案．为验证此方案，该小组搭建了尺寸仅有17.5 cm×17.5 cm 的被动激光陀螺仪，并将其放置于转动平台上，最终验证陀螺仪角速度分辨率在10 s积分时间内达到4.9×10-5 rad/s，为被动激光陀螺仪的发展奠定了基础[19]．此后该小组搭建尺寸为0.7 m×0.7 m的用于测量地球物理信号的被动激光陀螺仪，由于系统背向散射噪声的限制，最终获得在90 s积分时间内角速度分辨率为2.7×10-8 rad/s[20]．美国空军学院于1984年搭建尺寸为0.13 m×0.13 m的被动激光陀螺仪原型机，旨在研制大型被动激光陀螺仪(58 m2)用于精密测量地球物理信号[75]．该陀螺仪利用腔长调制技术将波长632.8 nm的两束沿着相反方向传播的He-Ne激光锁定至环形腔，并将该陀螺仪放在处于隔振平台的转台上，用于隔离地面振动的影响，此外对整个陀螺仪系统进行温度控制，最终在10 s积分时间内获得5.7×10-7 rad/s的分辨率指标，距离该系统散粒噪声极限仅差一个量级．该小组发现气流及气压变化等因素导致反射光引入了额外的相位噪声，该噪声频段分布较高，经光电探测器进入锁定系统，且由于系统锁定环路带宽有限，难以对该噪声进行有效抑制，因此限制了陀螺仪灵敏度指标．另外，陀螺仪长期不稳定性是由主环路激光的功率漂移导致的[22]．为测量地面引力波探测器LIGO(laser interferometer gravitational-wave observatory)基站地面倾斜，并协助LIGO探测器扣除地面振动噪声，2016年美国加州理工学院研制了尺寸为0.75 m×0.75 m的被动激光陀螺仪．该陀螺仪采用PDH锁定技术将两束激光沿着相反的方向注入环形腔内，同时利用差模运行机制抑制背向散射噪声，并在高于0.5 Hz频段内，灵敏度达到2.7×10-8 rad∙s-1∙Hz-1/2，该指标的限制因素为陀螺仪系统机械振动噪声及电子噪声[23]．为抑制被动激光陀螺仪中的电子噪声，2019年麻省理工学院的LIGO实验室提出零差式被动激光陀螺仪，并搭建边长0.2 m的陀螺仪验证该方案的可行性，最终灵敏度指标为5×10-8 rad∙ s-1∙Hz-1/2，且在0.15 s积分时间内系统最好角速度分辨率为1.5×10-7 rad/s．目前该系统受限于入射光束指向抖动噪声、背向散射噪声及采集系统的量化噪声[21]．为满足PGMF和天琴计划的实时精密监测地球转速，获取EOP参数的需求，同时用于旋转地震学、地球物理以及基础物理等领域的研究，华中科技大学引力中心于2014年开始，先后研制了尺寸为1 m×1 m和3 m×3 m 的大型被动激光陀螺仪 [24-28]．1 m陀螺仪(HUST-0)采用大理石基底以及PDH锁定技术，在差模运行机制下，最好灵敏度指标达到2×10-9 rad∙s-1∙Hz-1/2，该系统受限于RAM噪声和腔长漂移噪声[24]．3 m陀螺仪系统(HUST-1)直接与实验室地面捷联，采用腔长锁定方式抑制腔长漂移噪声，最终HUST-1的灵敏度指标达到1.7×10-9 rad∙s-1∙Hz-1/2，同时在1 000 s积分时间内，角速度分辨率达到7×10-10 rad/s[26]．这为开展更大尺寸的大型被动激光陀螺仪打下良好的基础．3 面向PGMF大型被动激光陀螺仪3.1　1 m×1 m被动激光陀螺仪原型机(HUST-0)国内外对被动激光陀螺仪的研究较少，为积累经验和研究相关技术问题，为下一步研制更大型及更高灵敏度的激光陀螺仪打下坚实基础，华中科技大学引力中心首先搭建HUST-0．该陀螺仪采用分体式结构设计，利用尺寸为1.8 m×1.8 m×0.25 m，质量为2.7 t，热膨胀系数为1×10-6 K-1的花岗岩平台作为陀螺仪环形腔的基底．为降低腔内气流对精细度和光程的影响，4个高反腔镜通过特殊设计的支持结构安装至不锈钢真空系统，同时该真空系统通过螺栓牢固地安装在花岗岩基底上，腔内真空度约为2×10-6 Pa，整个陀螺仪装置被水平安置在北纬30.52º的山洞实验室内．位于真空室内的4个反射率约为99.999%的腔镜组成一个腔长为4 m，面积为1 m2的正方形腔，环形腔的FSR为75 MHz，精细度为1.4×105，Q值为5.9×1011．该系统采用波长1 064 nm固体激光器作为激光源，并利用PDH锁定技术将两束相反方向传播的激光锁定至环形腔内，理论Sagnac频率为34.7 Hz．为抑制背向散射效应引入的两个锁定环路的耦合，将两束激光分别锁定至环形腔的不同纵模上，称为差模运行，且共振频率相差一个FSR，这便巧妙地避开了锁定耦合．系统差模运行时，降低了背向散射的影响，但由于两束激光的频率差变为Sagnac频率和FSR之和，导致两束激光关于腔长变化的共模抑制比降低5个量级，因此腔长漂移噪声限制了灵敏度指标，尤其是在低频段，然而此噪声可以通过腔长的实时监控扣除掉．HUST-0于2017年9月首次运行并成功实现地球转速的测量，经过2 a系统优化后，灵敏度达到2×10-9 rad·s-1·Hz-1/2@5~100 Hz，受限于PDH锁定系统中的剩余幅度调制噪声[24]．3.2　3 m×3 m大型被动激光陀螺仪(HUST-1)为提高陀螺仪灵敏度，在HUST-0的基础上，又展开了尺寸为3 m×3 m大型被动激光陀螺仪(HUST-1)的研制．该陀螺仪方案包含超稳参考光源、Sagnac干涉仪和光路、锁定、探测及数据采集等系统．其中超稳参考光源由激光器同时锁定至超稳FP腔及参考主动氢钟的飞秒光学频率梳上获得；干涉仪采用分体式结构设计，通过特殊设计的真空系统水平安装至山洞实验室地面上；锁定系统是基于现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)硬件开发的数字控制系统，以实现陀螺仪闭环锁定、远程控制、自锁定及长期连续运行等功能；数据采集系统是基于PXIe(PXI express)机箱搭建，用于Sagnac信号以及实验室背景物理场信号的同步采集与处理．陀螺仪采用PDH锁定技术实现激光注入，通过差模运行策略抑制背向散射噪声，同时利用腔长稳定控制技术实现标度因子稳定以及腔长漂移噪声抑制．3.2.1　超稳参考光源为满足陀螺仪相对腔长稳定度好于7×10-13τ-1/2的指标需求(τ为积分时间)，首先以超稳FP腔的共振频率作为频率参考，通过PDH锁定技术将激光锁定至频率参考上，以此获得超稳激光．之后为抑制该超稳激光的长期频率漂移噪声，利用光梳架桥方法将该超稳激光锁定至氢钟，从而获得长期频率稳定的超稳参考光源[26]．实验方案如图2所示．10.13245/j.hust.230309.F002图2超稳参考光源原理图超稳激光系统包含激光器、超稳FP腔、温控系统、PDH光路及伺服控制系统．该系统采用线宽4.4 kHz，精细度3.5×105的全ULE材料10 cm FP腔作为频率参考．为降低环境温度波动造成的超稳激光频率漂移，将FP腔放置于真空度为1×10-7 Pa的真空室中，并对其进行温度控制，温控点设置为FP腔的零膨胀温度点36℃，在8 d测量时间内，温度波动均方根值仅有0.71 mK．为降低外界振动噪声，利用有限元分析方法仿真并设计FP腔振动不敏感的支撑结构及支撑位置．另外，开发一套可实现PDH锁定、快速扫频及自锁的数字控制系统．最终获得在1 s积分时间内，频率稳定度2.4×10-15，平均线性漂移率30 mHz/s的超稳激光．根据超稳激光和氢钟频率噪声特性，若要超稳激光锁定至氢钟，获取氢钟长期频率稳定度的同时，不会恶化超稳激光的短期频率稳定度，则需要mHz量级的闭环锁定带宽，传统模拟控制器难以实现，因此采用数字锁定技术．实验原理如图2所示，超稳激光经光纤传递至光梳平台，与参考氢钟的光梳拍频，拍频信号与参考氢钟的直接数字频率合成器进行鉴相，从而获取超稳激光漂移误差，该误差信号经数字滤波后反馈至声光调制器(acousto-optic modulator，AOM)进行频率漂移补偿．为评估该超稳参考光源的频率稳定性，搭建了两套完全独立的光源系统，并进行24 h连续拍频比对，结果如图3所示．红色曲线表示两套超稳参考光源的拍频艾伦偏差，该光源的相对频率稳定度短期跟随超稳激光，稳定度为2.4×10-15@1 s，同时长期跟随氢钟，稳定度为3.6×10-15@104 s，而在积分时间为100 s时，稳定度为1.2×10-14，该数值基本是超稳激光和氢钟的频率稳定度交叉点，这也说明系统闭环锁定带宽已经十分接近理想带宽点．10.13245/j.hust.230309.F003图3陀螺仪超稳参考光源稳定性评估3.2.2　高Q值Sagnac干涉仪高Q值环形腔是Sagnac干涉仪的核心装置，根据式(2)，该Q值直接影响陀螺仪系统的散粒噪声极限．干涉仪采用分体式结构设计，包含高反镜、真空角腔、基座及真空管道等部分．环形腔是由放置于真空角腔的4个高反镜组成的边长3 m的正方形腔，4个真空角腔安装在4个基座内，角腔之间用真空管道连接，并利用离子泵来维持干涉仪的真空度．为抑制腔长漂移以及稳定标度因子，本小组对真空角腔进行特殊结构设计，在其两个角腔内嵌入了压电陶瓷(piezo-electric transducer，PZT)装置，快速PZT自由运转的共振频率约为10 kHz，且直接作用到腔镜上．为保持环形腔的对称性，将装有快速PZT的真空角腔呈对角线分布．另外，考虑到山洞实验室温度季节性波动，经测量由不锈钢腔体和地面混凝土的热胀冷缩效应导致的腔长漂移量约为36 μm．为弥补快速PZT行程较短，难以补偿大范围的腔长漂移，因此还设计了位移台来维持腔长稳定，以满足系统需求．陀螺仪环形腔闭合后，利用腔衰荡方法测量了环形腔的光学性能指标，测得腔内光子有效寿命约为667.1 μs，环形腔腔长12 m，激光频率281.6 THz，腔线宽约为238.6 Hz，精细度约为1×105，FSR约为25 MHz，Q值约为1.2×1012，平均每个腔镜的反射率约为99.998 5%．3.2.3　陀螺仪闭环锁定运行为将腔外两束激光注入高Q值环形腔内，以实现HUST1成功闭环运转，从而进行地球旋转信号探测，采用成熟的PDH锁定方法将沿着顺时针(clockwise，CW)和逆时针(counterclockwise，CCW)方向传播的两束激光同时分别锁定至环形腔上．鉴于前期实验研究，HUST-1采用差模运行机制，实验方案如图4所示．10.13245/j.hust.230309.F004图4HUST-1闭环锁定原理图波长1 064 nm的固体激光器输出一束激光，经光纤隔离器及分束器后分为两束激光．一束激光通过光纤电光调制器(electro-optic modulator，EOM)进行相位调制，调制频率为8 MHz，然后经保偏光纤传递至角腔1处的光学面包板，最后经模式匹配和偏振匹配光路后，沿着CW方向注入环形腔中，该路激光称为主环路激光，锁定环路称为主环路．另一束激光同样经过EOM相位调制、模式及偏振匹配后，从角腔3处沿着CCW方向注入环形腔，称为从环路激光．考虑差模运行需求，在从环路的光路中添加1个AOM进行移频，移频量约为75 MHz，使得主、从环路激光被锁定至相差3个FSR的不同腔纵模上．同时该AOM也是从环路锁定的执行机．另外，在角腔2处搭建了马赫-曾德尔干涉光路用于探测Sagnac频率．在角腔4处，用两个CCD监视两环路锁定状态，图5是HUST-1闭环锁定且稳定运转时的实物图，其中角腔4上显示的2个亮斑即为正反注入的两束锁定激光的TEM00模．10.13245/j.hust.230309.F005图5运行中的HUST-1实物图主环路激光锁定结果直接决定着两路激光相对于环形腔的共模抑制比，因此主环路的增益越高越好．HUST-1使用1 Hz处频率噪声约为10 kHz/Hz1/2的低噪声固体激光器作为光源，几十kHz锁定带宽即可满足主环路在低频处高增益的需求．另外，为满足系统实时诊断、远程操作、自动锁定及长期连续运行等需求，HUST-1采用基于FPGA的数字控制系统进行闭环锁定，同时开发了针对被动激光陀螺仪的锁定、快速扫频及自锁定等算法．最终实现主环路闭环锁定带宽约为30 kHz，在1 Hz频率处，主环路增益达到110 dB．通过调节锁定参数，可以优化开环传递函数的增益线型，使得系统处于最佳锁定状态．3.2.4　腔长稳定控制实验室温度、气压、振动等环境因素引起的腔镜之间相对位移会造成环形腔腔长漂移．在HUST-1差模运行的机制下，为将腔长漂移引起的FSR抖动噪声抑制到系统散粒噪声以下，须将腔长漂移噪声抑制到8.2×10-12 m/Hz1/2水平，该指标也对超稳参考光源频率稳定度提供了理论依据．因此为抑制腔长漂移噪声，提高陀螺仪长期稳定性，须对腔长进行稳定控制．控制策略是利用主环路激光与超稳参考光源拍频获取腔长漂移误差，该误差信号经数字滤波后反馈至陀螺仪角腔处的PZT上进行腔长稳定控制．在主环路锁定带宽内，CW激光的频率变化可以表征腔长变化，其关系式可表示为Δνcw/νcw=-ΔLcavity/Lcavity，(5)式中：Δνcw为主环路激光频率变化量；νcw为主环路激光频率；ΔLcavity为腔长变化量；Lcavity为环形腔腔长．因此可利用超稳参考光源作为频率参考，使主环路激光与之拍频即可获得腔长漂移误差ΔLcavity．利用输出本底噪声为1×10-7 V/Hz1/2的数据采集卡作为数字控制器，将频率计数器实时采集的误差信号利用通用接口总线的通信方式传输至PXIe进行数据实时处理，频率计数器的采样周期为20 ms．数据处理算法主要由基于有限冲激响应的低通滤波以及数字比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation，PID)算法构成．PID输出信号反馈至角腔内的PZT，从而进行腔长稳定控制．最后将CW激光与另一套独立的超稳激光拍频，以此来评估锁定后的腔长稳定性．锁定后的腔长稳定性测量结果如图6所示，其中蓝色曲线为腔长未锁定时的腔长漂移噪声，在0.1~1 000 mHz处其表现为1/f噪声，在1 Hz至高频段，该值为5×10-11 m/Hz1/2，受限于地面振动本底噪声．而红色曲线表示腔长锁定后的残余腔长漂移噪声，在0.1 mHz处，其值为5.6×10-9 m/Hz1/2，比未锁定时提高了近4个量级．在1~500 mHz频段，残余腔长漂移噪声表现近似为白噪声，而600 mHz处凸起的部分意味着腔长锁定环路的闭环带宽．另外，黑色曲线为另一套独立的参考超稳激光频率噪声转换的长度参考噪声，远低于目前腔长漂移噪声的水平[25]．10.13245/j.hust.230309.F006图6腔长漂移噪声功率谱密度3.2.5　HUST-1灵敏度测量及噪声汇总目前HUST-1的灵敏度是国内外大型被动激光陀螺仪中的最好指标，经过对系统主要噪声的测量与评估，各项主要噪声对陀螺仪探测灵敏度的影响如图7所示．图中红色曲线为目前HUST-1的探测灵敏度，其在1~10 Hz频段内达到1×10-9 rad/s/Hz1/2．在0.000 1~0.2 Hz频段内，系统主要受限于由RAM引起的鉴频系统噪声(粉色曲线)；在0.2~1.0 Hz频段内，残余腔长漂移噪声占主导因素(棕色曲线)；在1~10 Hz频段内，马赫-曾德尔干涉仪引入的噪声为主要噪声(蓝色曲线)．10.13245/j.hust.230309.F007图7HUST-1灵敏度及噪声对比4 总结与展望用于测地的大型激光陀螺仪拥有超高的探测灵敏度及稳定性，可用于旋转地震学，地球物理学，测地学及基础物理等重要领域．影响大型激光陀螺仪精密测量地球自转角速度的因素可分为内部因素和外部因素．内部因素主要有环形腔结构稳定性及非互易性、背向散射耦合、光束指向游走等因素．因此如何保持腔体稳定是下一步主要工作，除采用温度控制、气压稳定外，可将环形腔对角线组成的FP腔以及环形腔通过光梳为桥梁锁定至光钟，难点在于锁定过程中，如何保持腔体对称性．另外，目前被动激光陀螺仪中锁定噪声成为限制因素，突破该噪声的新锁定方案的研究迫在眉睫．外部因素是陀螺仪所在实验室背景物理场变化，以及众多地球物理信号的干扰，针对这些问题，可采用山洞实验室、隔振地基、温度和气压控制等主、被动抑制方法．对于单轴陀螺仪而言，地面倾斜变化直接引入环形腔法向矢量与地球自转轴之间夹角的测量误差，虽然可利用高精度倾斜仪监控并利用相关算法扣除，但倾斜仪自身漂移尚难以解决，利用原子干涉重力仪搭配陀螺仪或许是一种潜在的解决方法．本研究对主、被动激光陀螺仪的运行原理及区别进行阐述，并介绍了大型激光陀螺仪的应用，总结归纳了国内外大型主、被动激光陀螺仪的研究现状，最后详细介绍了面向PGMF大型被动激光陀螺仪的研制情况．