利用空间三轴激光陀螺三个谐振腔光路相互垂直和腔镜共用特性，设计了一种反射镜在腔内氦氖放电等离子体作用下的损耗变化实时测量方法，研究了反射镜的损耗变化过程。实验表明，放电时反射镜的损耗迅速增加并趋于稳定，断电后损耗迅速下降而后趋于平缓并在后续放置过程中缓慢下降至初始值。进一步地，对断电后的陀螺开展了低温和高温实验，研究了反射镜损耗的变化规律。为研究等离子体作用下损耗变化的机理，基于气体放电流体模型，对激光陀螺腔内氦氖等离子体的特性进行了仿真，得到了腔内反射镜表面电子和主要离子的能量及分布。仿真结果表明：等离子体中的电子具有较高的能量，将使反射镜产生更多缺陷，改变反射镜的光学特性。研究结果对于进一步研究反射镜在等离子体作用下的稳定性具有重要意义。

激光陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度、高可靠性的角速度传感器。以激光陀螺为核心部件的激光陀螺惯性导航系统是目前市场占比最高的惯性导航系统，激光陀螺及其惯性导航系统的研究关乎社会生活及安全。首先，本文阐明了激光陀螺及其惯性导航系统的基本原理，回顾了激光陀螺惯性导航系统的发展进程，介绍了近年来国内外有代表性的激光陀螺惯性导航系统的型号。然后，归纳总结了长航时激光陀螺惯性导航系统的关键技术，梳理了误差标定技术、初始对准技术、旋转调制技术、高可靠性容错技术、地球物理场补偿技术的研究现状。最后，总结展望了长航时激光陀螺惯性导航系统关键技术的发展趋势。

激光陀螺是惯性导航系统的理想元件, 成功应用于陆、海、天、空等领域, 但激光陀螺对温度非常敏感, 外界温度变化会导致激光陀螺两路光路不对称, 从而影响输出角速度的准确性。采用温度场仿真软件Icepak, 建立激光陀螺温度场模型; 研究激光陀螺在外部不均匀热边界条件下, 陀螺腔体两阳极侧温度分布情况。仿真结果表明, 壳体内部对流换热系数增加3倍, 两侧阳极温差可以减小50%; 同时壳体与抖动机构之间的热阻对热传导有较大影响, 会引起21%的温差; 且在腔体表面贴比例系数为1 000∶1的各向异性传热材料, 不均匀温度区会快速地向其他区域扩散, 两阳极测温度均匀性较好。为陀螺内部温度均匀化设计及工程化提供了指导。

在小型无人直升机领域, 激光陀螺捷联惯导不仅用于导航, 而且用于飞行姿态控制, 对激光陀螺捷联惯导的导航精度和实时性都有较高要求。而传统的高阶有限脉冲响应(FIR)低通滤波器对激光陀螺惯性测量单元(IMU)输出信号滤波后会产生较大的时间延迟, 使得滤波后信号难以满足系统姿态控制的要求。为了兼顾测量精度和响应时间, 研究了一种最小均方(LMS)自适应陷波器与低阶FIR低通滤波器相结合的滤波方法, 并在其中引入了无限脉冲响应(IIR)窄带滤波器, 解决了抖频参考信号的获取问题。理论分析和试验结果表明: 该方法不仅能有效消除抖动偏频信号和外界高频噪声的影响, 而且可以显著缩短延迟时间至2 ms, 具有很高的工程实用价值。

激光陀螺作为惯性导航系统的重要部件, 其对角速度的输出精度对导航系统的定位定向精度起到决定性作用。当外部环境(如温度环境)发生改变时, 激光陀螺的光路会发生一定的形变, 这会导致激光陀螺的输入轴发生偏移, 进而导致激光陀螺敏感载体的角速度不准确。对激光陀螺光路形变进行了一定的简化, 并从理论计算和数值仿真两方面对光路形变引入的激光陀螺输入轴的偏移进行了计算分析。仿真结果表明, 光路的形变与输入轴的偏移量呈正相关关系, 当激光陀螺两平面镜上激光光斑各移动0.2 mm时, 激光陀螺输入轴偏移角的余弦值为0.999 96, 即引入的角速度误差为0.004%。在理论分析的指导下设计了实验, 试验结果表明, 在温度环境发生较大变化时, 部分激光陀螺的光路会发生形变, 并导致激光陀螺输入轴发生偏移偏移角的余弦值约为0.999 980, 即引入的角速度误差为0.002%。为建立激光陀螺光路稳定模型提供一定的参考。

从激光陀螺的锁区理论模型出发, 通过研究激光陀螺的锁区、综合背向散射以及光强信号之间的关系, 分析了光强信号中所包含的锁区信号的特性, 设计了滤波处理电路和信号提取算法, 通过多阶滤波、精确采样和坐标变换跟踪, 将光强信号中提取出的锁区信号进行控制, 抑制了综合背向散射, 充分发挥光学器件的性能, 可降低激光陀螺仪长时间工作产生的零偏漂移, 提高激光陀螺的零偏稳定性。

利用射频激励电容耦合等离子体放电装置产生等离子体，分别采用氧、空气、氩、氖等离子体对Ta2O5/Al2O3激光陀螺反射镜进行处理，试验研究了等离子体气压和等离子体种类对Ta2O5/Al2O3激光陀螺反射镜光学损耗的影响。通过比对实验、能谱、光电子能谱分析测试等技术手段，对Ta2O5/Al2O3激光陀螺反射镜在等离子体环境下出现的损耗变化现象、机理进行了探讨。Ta2O5/Al2O3激光陀螺反射镜经氧等离子体处理后的损耗变化量最大，达到了15 ppm(1 ppm=1×10-6)，为另3种等离子体处理后损耗变化量的2～4倍。定位出了Ta2O5/Al2O3激光陀螺反射镜等离子体环境下产生吸收具体膜层为最外层2LAl2O3，发现了2LAl2O3在氧、氩等离子体作用下吸收损耗在一定程度上产生可逆变化的现象，结合XPS分析，对这一可逆现象从薄膜中游离O、Ar与等离子体中粒子之间相互作用产生缺陷等角度进行了探讨。提出了进一步提升Ta2O5/Al2O3激光陀螺反射镜等离子体环境稳定性的技术措施。