激光陀螺跳模规律研究
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激光陀螺光学抖动与加噪初步研究英文题名 Preliminary Study on Optical Dithering and Injecting Noise in RLG 关键词激光陀螺; 锁区; 背向散射; 机械抖动; 光学抖动; 英文关键词 Ring laser gyro; lock-in; backscattering; mechanically dither; optical dither; 中文摘要锁区是影响激光陀螺精度的一个重要因素,要减小锁区,就需要采用各种方法改善陀螺的综合背向散射。
光学抖动是一种通过对镜片上的背向散射实现调制来改善陀螺锁区的方法,论文针对光学抖动进行了理论研究和实验验证,得到了一定的结论。
首先介绍了光学抖动改善锁区的原理。
对粘于激光陀螺镜片上的PZT附加光学抖动电压信号以后,镜片将根据光抖信号的频率幅度按照一定的规律推拉抖动,当镜片抖动的幅度满足特定关系时,理论上可以使陀螺的背向散射减至最小,从而达到改善锁区的目的。
其次建立了四边形激光陀螺光路变化的理论模型,利用该模型得到了背向散射的相位变化与镜片的推拉幅度的定量关系。
根据腔平移镜的幅频曲线计算了不同频率光学抖动信号达到改善背向散射最佳的理想电压值,分析了腔平移镜灵敏度对光学抖动的影响。
搭建了实验平台,将频率幅度相同,相位差恒定为π的两路正弦电压信号加载至粘于陀螺两个镜片上的压电陶瓷上实现推拉抖动。
加载光学抖动信号后对陀螺锁区进行测试,测试结果表明,光抖信号实际改善锁区的趋势在抖动电压幅度不是很大时与理论基本相符。
最后对机械抖动加噪、机械抖动不加噪及机械抖动不加噪但附加光学抖动三种情况下的... 英文摘要 Lock-in is the most important factor that affects the performance of ring laser gyro. The smaller the backscattering, the smaller lock-in. Optical dithering is one of the methods that reduce lock-in by way of modulating the backscattering. Theoretically and experimental research were carried out and some conclusions were obtained. Firstly the principle 摘要 8-9 ABSTRACT 9 第一章绪论 10-15 1.1 课题研究背景 10-11 1.2 本课题国内外研究现状 11-14 1.3 课题所做的主要工作 14-15 第二章光学抖动改善锁区原理 15-33 2.1 背向散射与锁区 15-19 2.1.1 背向散射15 2.1.2 激光陀螺锁区与背向散射的关系 15-17 2.1.3 镜片位置变化引起背向散射变化的原理 17-19 2.2 光学抖动 19-20 2.2.1 光学抖动的概念19 2.2.2 光学抖动对背向散射光的改善 19-20 2.3 微扰条件下激光陀螺光路的改变 20-26 2.3.1 三角形激光陀螺推拉镜片引起光路的改变 20-22 2.3.2 四边形激光陀螺推拉镜片引起光路的改变 22-25 2.3.3 光抖电压信号的幅度25-26 2.4 腔平移镜灵敏度及其对光学抖动的限制 26-28 2.4.1 腔平移镜的灵敏度 26-27 2.4.2 锁区改善理论分析 27-28 2.5 机械抖动与加噪 28-31 2.6 本章小结 31-33 第三章光学抖动下的激光陀螺锁区测量 33-41 3.1 光学抖动实验方法 33-34 3.1.1 实验原理图33 3.1.2 光抖信号的产生 33-34 3.2 加载光学抖动后对陀螺锁区的变化 34-40 3.2.1 国军标测锁方法35 3.2.2 锁区测量结果 35-40 3.3 本章小结 40-41第四章“光学加噪”对激光陀螺性能的影响 41-52 4.1 “光学加噪”对激光陀螺稳定性的影响 41-46 4.1.1 激光陀螺的零偏稳定性 41 4.1.2 光学抖动对激光陀螺稳定性的影响 41-46 4.2 “光学加噪”前后动态锁区变化 46-51 4.2.1 动态锁区 46 4.2.2 光学抖动对动态锁区的改善 46-51 4.3 本章小结 51-52 第五章结论与展望 52-54 5.1 主要工作总结 52 5.2 课题的后续工作 52-54 参考文献 54-56 3.2 加载光学抖动后对陀螺锁区的变化 34-40 3.2.1 国军标测锁方法 35 3.2.2 锁区测量结果 35-40 3.3 本章小结40-41 第四章“光学加噪”对激光陀螺性能的影响 41-52 4.1 “光学加噪”对激光陀螺稳定性的影响 41-46 4.1.1 激光陀螺的零偏稳定性 41 4.1.2 光学抖动对激光陀螺稳定性的影响 41-46 4.2 “光学加噪”前后动态锁区变化 46-51 4.2.1 动态锁区 46 4.2.2 光学抖动对动态锁区的改善 46-51 4.3 本章小结 51-52 第五章结论与展望 52-54 5.1 主要工作总结 52 5.2 课题的后续工作 52-54 参考文献 54-56 3.2 加载光学抖动后对陀螺锁区的变化 34-40 3.2.1 国军标测锁方法 35 3.2.2 锁区测量结果 35-40 3.3 本章小结40-41 第四章“光学加噪”对激光陀螺性能的影响 41-52 4.1 “光学加噪”对激光陀螺稳定性的影响 41-46 4.1.1 激光陀螺的零偏稳定性 41 4.1.2 光学抖动对激光陀螺稳定性的影响 41-46 4.2 “光学加噪”前后动态锁区变化 46-51 4.2.1 动态锁区 46 4.2.2 光学抖动对动态锁区的改善 46-51 4.3 本章小结 51-52 第五章结论与展望 52-54 5.1 主要工作总结 52 5.2 课题的后续工作 52-54 参考文献 54-56。
“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛激光陀螺仪报告书目录一.绪论二.研究目的和思路2.1研究目的2.2基本思路三.项目创新点及优势3.1项目创新点3.2项目优势四.技术关键五.作品设计5.1外形设计5.2工作原理介绍5.3系统设计六.作品的市场前景预测第一章绪论现代陀螺仪是一种能够精确的确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其他高科技的发展具有十分重要的战略意义,传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构有很高的要求,结构复杂,它的精准度受到很多方面的制约,自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。
现代激光陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种,它们都是根据赛格尼克的理论发展起来的,赛格尼克理论要点是这样的,当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需时间要多,也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化,利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生测量环路转动速度,这样就可以制造出干涉式激光陀螺,利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整激光环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,就可以制造出谐振式的激光陀螺仪。
从这个简单的介绍可以看出,干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小,所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度,而谐振式的陀螺仪在实现干涉时,它的光程差较大,所以它所要求的光源必须有很好的单色性。
自从1976年美国犹他大学的V ALI和SHORTHILL等人成功研制第1个激光陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来,激光陀螺已经发展了30多年。
在30多年的发展过程中,许多基础技术如激光环绕制技术等都得到了深入地研究。
激光陀螺1960年,激光第一次出现在了美国加利福尼亚州的休斯实验室中,它的发明者梅曼也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。
不久之后,就因其独特的光学性质而被用于医疗、电子产品、距离勘测等领域,一直被人们称之为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。
激光陀螺是利用环形激光器在惯性空间转动时正反两束光随转动而产生频率差效应进而测量敏感物体相对于惯性空间的角速度或转角的仪器。
激光陀螺由氦氖激光器、全反射镜、各种颜色的激光半透半反镜组成,没有旋转的转子部分,是一种无质量的光学仪器,对载体的震动及冲击加速度都不敏感,无需不平衡补偿系统,输出信号没有交叉耦合项,精度高。
用它给武器系统导航,能更精准的打击目标。
激光陀螺是利用Sagnac(萨格纳)效应来测量角速度的,Sagnac效应是指在闭合光路中,从一点发出的一对光波沿闭合光路的相反方向运行一周后再回到原点,这对光波各自经历的光程将根据闭合光路相对惯性空间的旋转而改变,光程差与闭合光路的转动角速率成正比。
在激光陀螺的环形激光器中,沿环形谐振腔顺时针和逆时针运行的激光能够以不同的频率独立振荡。
激光的谐振条件要求腔长为激光波长的整数倍,因此Sagnac效应所导致的光程差转换成反向运行激光的频率差,该频差与环形激光器相对惯性空间转动的角速率成正比。
通过测量激光陀螺瞬时的频差,即可实现角速率或角度的高精度测量。
1962年,美、英、法、前苏联开始研制用激光来作为方向测向器,将其称为激光陀螺仪。
1963年,美国的斯佩里公司率先研制出激光陀螺仪,1974年美国军方参与制定研究计划,不久之后分别在飞机和导弹上试验成功。
此后,激光陀螺仪在航空航天、航海、战车定位方面广泛应用。
我国的激光陀螺技术研究起步均晚于其他发达国家,但是在几代人辛勤的努力下,终于达到了国际先进水平。
尤其是在我校高伯龙院士的带领下,研究团队克服重重困难,在2014年构建了具有独立知识产权的高水平激光陀螺全闭环研发体系,水平达到了国际先进、国内领先的水平。
机械抖动棱镜式激光陀螺输出信号特性研究机械抖动棱镜式激光陀螺输出信号特性研究引言:激光陀螺作为一种精密仪器,具有测量角速度的高精度和长寿命的优势。
机械抖动棱镜式激光陀螺是其中一种广泛应用的型号。
本文旨在研究该型号激光陀螺的输出信号特性,通过深入分析信号的波形、频谱、稳定性等特征,为激光陀螺的应用提供理论依据。
一、激光陀螺原理与结构简介激光陀螺是利用角动量守恒以及选择性振荡原理,通过激光光束在轨道互反射的方式来测量旋转角速度。
机械抖动棱镜式激光陀螺结构简单,主要包括分束器、抖动部件、棱镜、光电探测器等组成。
二、激光陀螺输出信号的波形特性研究对机械抖动棱镜式激光陀螺进行实验测试,观察到其输出信号的波形特性。
实验结果表明,激光陀螺输出信号为周期性方波,并且随着陀螺旋转速度的增加,方波的频率也随之增大。
同时,方波的占空比与角速度有关,当角速度增大时,占空比减小。
三、激光陀螺输出信号的频谱特性研究进一步对机械抖动棱镜式激光陀螺的输出信号进行频谱分析。
结果显示,输出信号的频谱是一个由许多频率组成的谱线。
这些谱线对应于激光陀螺中不同频率的振动模态。
振动模态的数量与陀螺的旋转速度相关,旋转速度越高,谱线越密集。
四、激光陀螺输出信号的稳定性研究通过实验测试,研究了机械抖动棱镜式激光陀螺的输出信号稳定性。
结果显示,激光陀螺的输出信号在陀螺旋转速度恒定的情况下,信号的幅值保持稳定,没有明显的波动。
这表明该型号的激光陀螺具有良好的信号稳定性。
五、激光陀螺输出信号特性的应用研究基于机械抖动棱镜式激光陀螺输出信号的特性,可以应用于多个领域。
例如,在惯性导航系统中,可以利用激光陀螺输出的角速度信号来进行准确的导航定位。
同时,在航天航空领域,激光陀螺的高精度测量能力也为飞行器的导航控制提供了重要的参考。
结论:本文通过对机械抖动棱镜式激光陀螺输出信号特性的研究,深入分析了其波形、频谱和稳定性等特征。
实验结果表明,该型号激光陀螺的输出信号具有周期性方波波形,频谱由多个频率组成,具有较好的稳定性。
激光陀螺仪的研究报告
研究报告激光陀螺仪
1. 引言
激光陀螺仪是一种使用激光装置来测量旋转角速度的仪器。
它利用了激光光束在旋转物体表面上的干涉效应来测量物体的旋转速度。
本报告旨在对激光陀螺仪的原理、应用和研究进展进行探讨和总结。
2. 激光陀螺仪的原理
激光陀螺仪基于激光干涉技术,通过激光束在旋转物体表面上发生干涉,测量干涉光的相位差来推断物体的旋转角速度。
它通常由激光器、光纤、分束器、光学器件和光电探测器等部分组成。
3. 激光陀螺仪的应用
激光陀螺仪在航空航天、惯性导航、地震监测和姿态控制等领域有广泛的应用。
它可以用于飞机、导弹和卫星等飞行器的姿态控制和导航定位,提供精确的姿态测量和导航数据。
4. 激光陀螺仪的研究进展
随着光学技术的发展,激光陀螺仪的性能和精度不断提高。
目前,有许多研究正在进行,以改善激光陀螺仪的稳定性、精度
和抗干扰能力。
例如,采用了新颖的激光器设计、优化的光路结构和新型的光学器件等。
5. 结论
激光陀螺仪作为一种高精度、高稳定性的旋转角速度测量仪器,在航空航天和导航定位等领域有着重要的应用。
随着相关技术的不断发展,激光陀螺仪的性能将进一步提升,并拓宽其应用领域。
全反射棱镜式激光陀螺关键技术研究全反射棱镜式激光陀螺关键技术研究一、引言激光陀螺是一种利用激光光束测量角速度的高精度惯性导航仪器。
作为一种重要的惯性导航传感器,激光陀螺具有体积小、重量轻、抗干扰性能强等优点,因此广泛应用于航天、航空、导航等领域。
全反射棱镜式激光陀螺是目前研究的热点之一,其关键技术研究对于提高激光陀螺的测量精度和可靠性具有重要意义。
二、全反射棱镜式激光陀螺原理全反射棱镜式激光陀螺是利用光束在全反射棱镜内的反射和折射特性实现的。
主要由激光器、分束器、棱镜、接收器等组成。
激光器发射并分束激光光束,通过棱镜内的全反射和折射,实现对角速度的测量。
具体原理是利用光束在全反射表面发生的相位变化与棱镜旋转的角速度之间的关系,通过测量相位差来计算角速度。
三、全反射棱镜式激光陀螺关键技术研究1. 全反射棱镜材料选择全反射棱镜材料的选择直接影响到激光陀螺的性能。
常用的材料有玻璃、晶体、光纤等。
选择合适的材料可以提高激光光束的传输效果和陀螺的测量精度。
2. 光束分束与合束技术光束的准确分束与合束是实现全反射棱镜式激光陀螺的关键技术之一。
分束器的设计和制造需要考虑到光束的传输损耗、折射率等因素,以保证光束的传输和反射的准确性。
3. 全反射棱镜设计全反射棱镜是激光陀螺中最重要的元件之一,其表面质量和形状对激光光束的传输和反射影响很大。
因此,全反射棱镜的设计应考虑材料的选择、表面处理、尺寸和形状等因素,以实现较好的全反射和折射效果。
4. 全反射棱镜的安装与校准全反射棱镜的精准安装和校准对激光陀螺的性能起着至关重要的作用。
采用精密的加工工艺和装配技术,确保全反射棱镜的固定稳定和位置精度。
5. 抗干扰技术激光陀螺在实际应用中容易受到温度、振动、电磁干扰等因素的影响,会导致测量结果的误差和不稳定性。
因此,采用合适的抗干扰技术,如温度补偿、震动隔离、屏蔽措施等,可以有效提高激光陀螺的抗干扰能力。
四、全反射棱镜式激光陀螺的应用前景全反射棱镜式激光陀螺具有高精度、高稳定性和抗干扰能力强等优点,逐渐成为惯性导航领域的重要研究方向。
2019年2月第37卷第1期西北工业大学学报JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityFeb.Vol.372019No.1://doi.org/10.1051/jnwpu/20193710122收稿日期:2018⁃03⁃03作者简介:陶渊博(1990 ),西北工业大学博士研究生,主要从事激光陀螺研究㊂一种棱镜式激光陀螺跳模特性研究陶渊博1,李四海1,鲁政2(西北工业大学自动化学院,陕西西安㊀710129;2.西安北方捷瑞光电科技有限公司,陕西西安㊀710111)摘㊀要:针对棱镜式激光陀螺跳模过程性能较差的现象,系统研究了棱镜式激光陀螺的跳模特性㊂建立了稳频执行机构的数学模型,理论分析了整个跳模过程,给出了跳模电压增量与温度及跳模起始电压的函数关系,消除了跳模过程脉冲数波动大的现象㊂进一步研究了棱镜式激光陀螺的开闭环扫模特性,实验结果表明,合光限模较浅会引起双纵模竞争从而导致陀螺跳模跳数㊂在不改变谐振腔合光限模参数的前提下,调整光强参考电压或反馈回路前置放大增益的方法可以使开闭环扫模特性合适,避免陀螺跳模跳数㊂此分析结果可以改善陀螺精度,减少谐振腔返修率,提高陀螺生产效率㊂关㊀键㊀词:激光光学;棱镜式激光陀螺;跳模;扫模中图分类号:TN248㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1000⁃2758(2019)01⁃0122⁃07㊀㊀棱镜式激光陀螺是一种以全反射棱镜式环形激光器为核心器件的高精度角速率传感器,完全免镀膜,具有锁区小㊁可靠性高㊁寿命长等优点,在航空航天领域具有广泛的应用[1⁃3]㊂与反射镜式激光陀螺相比[4⁃7],跳模频繁是棱镜式激光陀螺的特性,跳模过程中容易出现脉冲数波动或跳数等问题,影响陀螺性能[8⁃9]㊂因此跳模特性研究是棱镜式激光陀螺的重要课题之一㊂许光明等研究了反射镜式激光陀螺的跳模规律,提出了合理的跳模控制建议[4]㊂而棱镜式激光陀螺与反射镜式激光陀螺的跳模特性不同,马家君从理论上给出了棱镜式激光陀螺最佳跳模门限的计算公式,开启了跳模特性的研究[10⁃12]㊂在棱镜式激光陀螺调试测试中,发现跳模过程陀螺性能较差,主要表现为脉冲数波动大和跳模跳数2大类㊂跳模过程脉冲数波动大主要是因为跳模未跳到位造成过渡过程时间长,引起脉冲数波动㊂针对这一问题,理论分析了跳模过程,给出了跳模电压增量与温度及跳模起始电压的函数关系,实现了精准跳模㊂针对跳模跳数的问题,对棱镜式激光陀螺进行了开闭环扫模研究,找到了引起跳模跳数的根本原因,在不改变谐振腔合光限模参数的前提下,提出了一种有效的工程化解决方法,减少了谐振腔返修率,提高了陀螺生产效率㊂1㊀棱镜式激光陀螺的跳模特性棱镜式激光陀螺与反射镜式激光陀螺不同,用全反射棱镜取代传统镀膜反射镜,棱镜的全反射效应大大提高了激光器的品质因数,同时降低了陀螺的闭锁阈值㊂工作气体采用低压150MHz高频激励,不用内电极,有利于提高激光器寿命㊂稳频回路采用加热器作为执行机构,通过调节稳频通道气体折射率进行稳频,光强回路主要控制sin/cos信号幅值的稳定㊂棱镜式激光陀螺稳频稳光强控制系统如图1所示㊂图1㊀棱镜式激光陀螺稳频稳光强控制系统示意图第1期陶渊博,等:一种棱镜式激光陀螺跳模特性研究X1通道充有按一定比例混合的He⁃Ne气体,工作波长为0.6328μm,在引燃变压器和高频振荡器的作用下产生激光㊂X2和X4是真空通道,X3通道中充有干燥的空气,通过相连的加热器改变空气的折射率,实现谐振腔谐振频率的稳定㊂Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ为棱镜,由保护罩将其密封,以保持表面清洁㊂光线在棱镜大斜面处发生全反射,从而保证了光束损耗最小㊂棱镜式激光陀螺的全反射棱镜为熔融石英玻璃,其折射率和温度的关系为nprism=n0+K(λ)T(1)式中,nprism为棱镜的折射率;n0是与熔融石英玻璃有关的常量,为1.45437;T是绝对温度,单位为K;K(λ)是系数,单位为ħ-1,对于波长为0.6328um的激光,熔融石英的K(λ)为1.01ˑ10-5ħ-1㊂光在棱镜里面的几何程长Lprism=11.8mm,在-40ħ到70ħ的温度范围内估算的跳模次数N=ΔL/λ=4LprismK(λ)ΔT/λ=83,跳模频繁,影响陀螺精度㊂依据光强调谐曲线的特性,由FPGA产生频率为266.67Hz的小抖动正弦调制信号,经DAC作用于加热器内部的压电陶瓷膜片上,使激光振荡频率左右微小变化,从而频率参量ξ左右微小变化,最终引起光强发生变化,根据光强变化率的正负可以知道ξ的具体位置,最终目的是控制ξ=0.44,从而光强达到最大,光强变化率为0㊂合光输出的拍频信号经光电探测及放大后,直流光强通过ADC后进入稳光强系统,与参考值比较后经积分控制器产生高频振荡器的控制电压,交流光强通过ADC后进入稳频系统,先相敏解调后经比例积分控制器产生加热器电压,经DAC作用于加热器内部加热丝两端,调整X3通道的空气折射率,从而改变光程长,达到稳频的目的㊂由于加热器电压的实际范围为24V,当温度升高㊁加热器电压减小到下门限时,就会向上复位,从一个纵模跳变到下一个相邻纵模㊂当温度降低㊁加热器电压增大到上门限时,就会向下复位,从一个纵模跳到上一个相邻纵模㊂常温下棱镜式激光陀螺的工作曲线如图2所示㊂可以看出温度上升2.3ħ后达到平衡,此时的高频振荡器电压及加热器电压同时达到稳态㊂温度上升引起纵模频率漂移,从而加热器电压减小,维持纵模频率不变,减小到下门限时向上复位,跳到下一个相邻纵模㊂由于加热器电压越大,谐振腔损耗越大,为了维持sin/cos信号幅值不变,所需的高频振荡器电压就越大,故高频振图2㊀棱镜式激光陀螺工作曲线荡器电压呈现出和加热器电压一样的趋势㊂2 跳模过程理论分析棱镜式激光陀螺采用加热器作为稳频控制系统的执行机构,在加热器内部的压电陶瓷膜片上加小抖动正弦调制信号,对激光振荡频率产生小抖动调制,从光强信号中解调出小抖动所引起的光强幅度和相位的变化,从而对加热器内部加热丝两端的电压进行控制㊂加热器结构图如图3所示㊂图3㊀加热器结构图为了得到稳频通道光程长变化量与加热器电压变化量之间的传递函数,设加热丝质量为M,比热容为C,传热系数为H,传热面积为A,加热器内部气体温度为T,加热丝两端的电压为U,加热丝电阻为R,单位时间内加热丝产生的热量为Q,则根据热力学定律有321西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第37卷CMd(ΔT)dt+HAΔT=ΔQ(2)由于Q=U2/R,Q与U呈非线性关系,可在平衡点(Q0,U0)附近进行线性化,即ΔQ=2UΔU/R,故CMHAd(ΔT)dt+ΔT=2URHAΔU(3)令Th=CM/(HA),为加热器时间常数,则ΔT(s)ΔU(s)=K1UThs+1(4)式中,K1=2RHA㊂设加热器内部压强为P1,气体体积为V1,分子数为N1,温度为T1㊂稳频通道内部压强为P2,气体体积为V2,分子数为N2,温度为T2㊂根据克拉伯龙方程得P1V1=N1RT1/NA,P2V2=N2RT2/NA,其中,NA为阿伏加德罗常数,R为摩尔气体常量,式中P=P1=P2,则V1/V2=N1T/(N2T2),加热器温度变化量与稳频通道气体分子数密度变化量关系为Δn2=ΔN2V2=N1V1T2ΔT1(5)又空气折射率与稳频通道分子数密度的关系为na=1+(αn2)/(2ε0),两边同时微分可以得到Δna=(αΔn2)/(2ε0),结合(5)式可以得到Δna=α/2ε0N1/V1T2ΔT1,又稳频通道光程长的变化量为ΔL=ΔnaL2,其中L2为稳频通道的几何长度,故可得Δ L⓪(s)ΔT1(s)=K2(6)式中,K2=αL22ε0N1V1T2㊂故稳频通道光程长与加热器电压之间的传递函数为L⓪(s)U(s)=KUThs+1(7)式中,K=K1K2=αL2N1RHAε0V1T2㊂将(7)式写成一阶线性非齐次微分方程的形式d L⓪(t)dt+1Th L⓪(t)=KU2Th(8)式中,U=U0+ΔU,U0为跳模起始电压,ΔU为跳模电压增量㊂在初始条件 L⓪(0)=KU20下L⓪(t)=K-[2U0ΔU+(ΔU)2]e-tTh+(U0+ΔU)2{}(9)跳模过程要求激光振荡模式精确地从一个纵模跳到相邻纵模,最佳跳模时间为5Th,即L⓪(5Th)- L⓪(0)ʈK[2U0ΔU+(ΔU)2]=0.993λ(10)因此跳模电压增量的理论计算公式为ΔU=-U0+U20ʃ0.993λK=㊀-U0+U20ʃ0.993λRHAε0V1T2αL2N1(11)式中, + 代表加热器电压向上复位, - 代表加热器电压向下复位㊂从(11)式可以看出,跳模电压增量与环境温度及U0有关,随着温度的升高而增加,随着U0的升高而减小㊂设置常用的几种跳模起始电压,在-40 70ħ升温和降温过程中将跳模电压增量调试到位,统计数据如表1所示㊂其中,跳模起始电压为1,2,3V时,代表升温过程数据,跳模起始电压为16,17,18V时,代表降温过程数据㊂根据表1中的数据,通过非线性拟合,可以得到跳模电压增量与温度及U0的函数关系为ΔU=f(U0,T2)=㊀-U0+U20ʃ0.521T2(12)式中,U0为相对于-12V参考电压的增量,T2用绝对温度表示㊂表1 跳模电压增量与跳模起始电压及温度的数据统计U0/V不同绝对温度下的跳模电压增量/V233K243K253K263K273K283K293K303K313K323K333K343K110.0710.2910.5310.7410.9811.1711.4111.5911.8212.0012.2212.4029.219.429.669.8710.1010.3010.5310.7110.9411.1211.3311.5138.438.648.889.079.319.509.729.9110.1310.3010.5210.6916-4.41-4.62-4.86-5.08-5.34-5.57-5.84-6.09-6.37-6.63-6.93-7.2017-4.06-4.25-4.47-4.66-4.89-5.09-5.33-5.54-5.79-5.99-6.26-6.4918-3.78-3.94-4.15-4.32-4.53-4.70-4.92-5.10-5.32-5.51-5.74-5.94421第1期陶渊博,等:一种棱镜式激光陀螺跳模特性研究㊀㊀为了进一步验证(12)式函数关系的正确性,升温过程中设置U0=2V,降温过程中设置U0=17V,温变速率为1ħ/min,根据(12)式实时调整ΔU㊂测试结果如图4所示㊂可以看出整个连续跳模过程中脉冲数都很平稳,主要是由于ΔU合适,跳模的过渡过程平稳且快速性好,从而消除了脉冲数异常波动㊂图4㊀陀螺输出脉冲数及加热器电压3㊀跳模跳数分析及讨论棱镜式激光陀螺工作过程中跳模较频繁,在2个纵模之间跳变时容易出现双纵模竞争现象,从而引起跳模跳数,影响陀螺精度㊂因此有必要对其进行扫模研究,分别对跳模跳数的陀螺和正常的陀螺进行开闭环扫模㊂3.1㊀开环扫模将稳光强回路中高频振荡器的电压开环,开环值设置为闭环稳定工作时的电压㊂稳频回路中的加热器电压从-12V以一定斜率变化到12V,周期为128s,使光学程长不断增加㊂记录光强曲线,分别如图5㊁图6所示㊂从图中可以看出,A1点代表当前纵模的最佳工作点,即光强增益曲线中心处,数值上等于稳光强回路闭环工作时的光强参考电压㊂A2点代表当前纵模向下一个纵模跳变时的最小光强电压,能够体现棱镜式激光陀螺合光限模的深浅程度,A2点高说明合光限模较浅,A2点低说明合光限模较深㊂A3点代图5㊀跳数陀螺开环扫模曲线图6㊀正常陀螺开环扫模曲线表下一个纵模的最佳工作点,由于A3点对应的加热器电压高于A1点对应的加热器电压,故A3点所对应谐振腔的损耗大,相同高频振荡器电压的情况下A3点的光强小㊂对比图5和图6可以发现,跳数陀螺的A2点较高,即合光限模较浅,在跳模过程中会出现双纵模竞争现象,引起跳数㊂正常陀螺的A2点为0,即合光限模较深,在跳模过程中不会出现双纵模竞争的现象,不会引起跳数㊂由于理论上难以给出跳模不跳数时A2点的范围,因此以西安北方捷瑞光电科技有限公司生产的10个70型棱镜式激光陀螺作为实验对象,分别在-40ħ㊁25ħ和70ħ下进行开环扫模,获取A2点电压㊂并对已有陀螺测试数据进行汇总,如表2所示㊂可以看出,当0ɤA2<0.2时,陀螺跳模不跳数㊂521西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第37卷表2㊀陀螺定温跳模跳数与A2点电压的关系陀螺编号A2点电压/V-40ħ25ħ70ħ是否跳模跳数-40ħ25ħ70ħG1000.03NNNG20.080.050.07NNNG30.150.100.18NNNG40.160.120.17NNNG50.190.150.21NNYG60.230.180.22YNYG70.230.190.25YNYG80.250.220.28YYYG90.260.240.31YYYG100.280.260.31YYY3.2㊀闭环扫模稳光强回路闭环工作,稳频回路中的加热器电压从-12V以一定斜率变化到12V,周期为128s,使光学程长不断增加㊂记录陀螺高频振荡器电压曲线,分别如图7㊁图8所示㊂图7㊀跳数陀螺闭环扫模曲线从图中可以看出,随着加热器电压的增加,谐振腔损耗增大,在光强保持不变的前提下,下一个相邻图8㊀正常陀螺闭环扫模曲线纵模上的工作电压整体升高㊂对比图7和图8可以发现,跳数陀螺在跳模过程中高频振荡电压出现双峰现象,正常陀螺在跳模过程中高频振荡器电压无毛刺,这与合光限模深浅相对应㊂当合光限模较浅时,跳模过程会出现双纵模竞争现象,从而光强变化复杂,为了稳定光强,那么高频振荡器电压会按一定控制率进行调整,最终呈现出双峰现象㊂当合光限模较深时,跳模过程不会出现双纵模竞争现象,高频振荡器电压无毛刺㊂3.3㊀跳模跳数解决方法棱镜式激光陀螺合光限模的深浅可以用A2点表示,随着A2点电压的升高,陀螺限模逐渐变浅,会发生不同程度的跳模跳数㊂因此对表2中10个陀螺的变温测试数据进行统计分析,其中变温速率为1ħ/min,测试时间为2h㊂跳模跳数的次数与A2点电压的关系如表3所示㊂可以看出,当3个固定温度段均A2<0.2时,陀螺变温不发生跳模跳数㊂当3个固定温度段均A2>0.2时,陀螺变温均发生跳模跳数㊂随着A2点电压的升高,即限模逐渐变浅,陀螺变温跳模跳数次数逐渐增加㊂表3㊀陀螺变温跳模跳数与A2点电压的关系陀螺编号A2点电压/V-40ħ25ħ70ħ跳模跳数的次数(25 -40)ħ(-40 25)ħ(25 70)ħ(70 25)ħG1000.030000G20.080.050.070000G30.150.100.180000G40.160.120.170000G50.190.150.210041G60.230.180.2261085G70.230.190.251020129G80.250.220.2815241614G90.260.240.3118272217G100.280.260.3120302519621第1期陶渊博,等:一种棱镜式激光陀螺跳模特性研究㊀㊀棱镜式激光陀螺合光限模较浅是影响跳模跳数的根本原因㊂因此要解决跳模跳数问题,必须从合光限模深浅出发㊂棱镜式激光陀螺稳光强回路结构如图9所示㊂图9㊀棱镜式激光陀螺稳光强回路结构图稳光强回路通过闭环控制系统实现输出光强的稳定,控制器采用积分控制器,输出的高频振荡器电压驱动高频振荡器产生持续高频激励作用于谐振腔,合光棱镜输出的拍频信号经光电探测及放大后输出,并经前置放大及低通滤波后用作光强反馈㊂从开闭环扫模特性及稳光强控制原理知,在光学谐振腔合光限模参数不变的前提下,高频振荡器电压越高,开环扫模的A2点越高,高频振荡器电压越低,开环扫模的A2点越低㊂因此可以通过改变棱镜式激光陀螺闭环工作的高频振荡器电压来调整A2点的高低㊂依据控制理论及稳光强回路特性,可知增大光强参考电压或减小反馈回路的前置放大增益可以提高高频振荡器电压,从而提高A2点,减小光强参考电压或增大反馈回路的前置放大增益可以降低高频振荡器电压,从而降低A2点㊂A2点的大小与限模参数㊁光强参考电压及前置放大电阻有关㊂而陀螺调试中的A2点测试均是在默认参数(光强参考电压2V㊁前置放大电阻36K)下所得㊂对于不同限模参数的陀螺而言,在默认参数下A2点大小不一㊂因此,在不需要返修谐振腔限模参数的前提下,我们可以通过改变光强参考电压(1.5 2.5V)或反馈回路的前置放大电阻(17 40K)从而保证0ɤA2<0.2,解决跳模跳数问题㊂4㊀结㊀论棱镜式激光陀螺由全反射棱镜构成闭合回路,具有跳模频繁的特点㊂理论分析了跳模过程,给出了跳模电压增量与环境温度及跳模起始电压的函数关系,解决了在跳模过程中由于跳模未跳到位造成的脉冲数波动大的问题㊂通过开闭环扫模特性分析,找到了引起棱镜式激光陀螺跳模跳数的根本原因是合光限模太浅造成的双纵模竞争㊂在不改变光学限模参数的前提下,提出了一种工程化的解决方法,可以保证开环扫模中0ɤA2<0.2,从而解决跳模跳数问题,减少了谐振腔返修率,提高了生产效率㊂参考文献:[1]㊀BAKINYV,ZIOUZEVGN,LIOUDOMIRSKIMB.LaserGyroswithTotalReflectionPrisms[M].Moscow,Russia:MoscowBaumanStateTechnicalUniversityPress,2003:1⁃34[2]㊀姚呈康,曾晓东,曹长庆.机械抖动棱镜式激光陀螺出射光强度特性[J].物理学报,2012,61(9):094216⁃1⁃094216⁃8YAOChengkang,ZENGXiaodong,CAOChangqing.IntensityPropertiesofOutputLightinPrismLaserGyrowithMechanicalDitherBias[J].ActaPhysSin,2012,61(9):094216⁃1⁃094216⁃8(inChinese)[3]㊀刘健宁,蒋军彪,石顺祥,等.全反射棱镜式激光器合光输出及陀螺精度特性分析[J].中国激光,2013,40(1):0102002⁃1⁃0102002⁃6LIUJianning,JIANGJunbiao,SHIShunxiang,etal.AnalysisofTotalReflectionPrismRingLaserᶄsOutputCharacteristicsandGyroscopeᶄsAccuracy[J].ChineseJLasers,2013,40(1):0102002⁃1⁃0102002⁃6(inChinese)[4]㊀许光明,王飞,谢元平.激光陀螺跳模规律研究[J].红外与激光工程,2014,43(2):502⁃505XUGuangming,WANGFei,XIEYuanping.StudyonModeHoppinginRingLaserGyro[J].InfraredandLaserEngineering,2014,43(2):502⁃505(inChinese)[5]㊀CHOWWW.TheRingLaserGyro[J].RevModPhys,1985,57(1):61⁃104[6]㊀LEONELNM,WILLISEL.TheoryofaRingLaser[J].PhysRev,1973,8(4):2103⁃2125[7]㊀姜亚南.环形激光陀螺[M].北京:清华大学出版社,1985:214⁃216JIANGYanan.RingLaserGyro[M].Beijing,TsinghuaUniversityPress,1985:214⁃216(inChinese)[8]㊀赵东洋,石顺祥,李家立.全反射棱镜式环形激光器的温度效应[J].光子学报,2006,35(11):1627⁃1631721西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第37卷ZHAODongyang,SHIShunxiang,LIJiali.TemperatureEffectofRingLaserwithTotalReflectionPrisms[J].ActaPhotonicaSinica,2006,35(11):1627⁃1631(inChinese)[9]㊀贾惠霞,张英敏,张琼,等.一种棱镜式激光陀螺光强控制系统研究[J].光学学报,2014,34(8):0814001⁃1⁃0814001⁃6JIAHuixia,ZHANGYingmin,ZHANGQiong,etal.StudyonaLight⁃IntensityControlSystemofTotalReflectionPrismLaserGyros[J].ActaOpticaSinica,2014,34(8):0814001⁃1⁃0814001⁃6(inChinese)[10]马家君,蒋军彪.全反射棱镜式激光陀螺稳频特性研究[J].中国激光,2015,42(1):0102002⁃1⁃0102002⁃8MAJiajun,JIANGJunbiao.ResearchontheFrequencyStabilizationPropertiesofTotalReflectionPrismLaserGyros[J].Chi⁃neseJLasers,2015,42(1):0102002⁃1⁃0102002⁃8(inChinese)[11]马家君,蒋军彪,刘健宁.全反射棱镜式激光陀螺双纵模稳频技术[J].中国激光,2014,41(9):0902011⁃1⁃0902011⁃6MAJiajun,JIANGJunbiao,LIUJianning.FrequencyStabilizationTechniqueofTotalReflectionPrismLaserGyroswithDoubleLongitudinalModes[J].ChineseJLasers,2014,41(9):0902011⁃1⁃0902011⁃6(inChinese)[12]马家君,蒋军彪,刘健宁.全反射棱镜式激光陀螺自适应稳频技术[J].光学学报,2015,35(3):0314002⁃1⁃0314002⁃7MAJiajun,JIANGJunbiao,LIUJianning.AdaptiveFrequencyStabilizationTechniqueforTotalReflectionPrismLaserGyros[J].ActaOpticaSinica,2015,35(3):0314002⁃1⁃0314002⁃7(inChinese)ExploringModeHoppingPerformanceofaPrismLaserGyroTAOYuanbo1,LISihai1,LUZheng21.SchoolofAutomaticControl,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xiᶄan710129,China;2.XiᶄanNorthJieruiOpto⁃ElectronicsTechnologyLtd.,Xiᶄan710111,Chinaæèçöø÷Abstract:Inviewofthepoormodehoppingperformanceofprismlasergyros,themodehoppingperformanceofaprismlasergyroissystematicallystudied.Amathematicalmodeloffrequencystabilizationactuatingmechanismisestablished,andthemodehoppingisanalyzedtheoretically.Thefunctionalrelationbetweentheincrementalvoltageofthemodehoppinganditstemperatureandstartingvoltageisgiven,andthephenomenonthatthegyroᶄspulsesfluctuategreatlyintheprocessofmodehoppingiseliminated.Theopenclosed⁃loopscanningmodeoftheprismla⁃sergyroisfurtherstudied.Theexperimentalresultsshowthattheshallowlightlimitingmodecausesthecompetitionbetweentwolongitudinalmodes,resultinginthegyro'spulsehopping.Withoutchangingtheopticallimitingparam⁃etersoftheresonator,adjustingthelightintensityreferencevoltageorfeedbacklooppre⁃amplificationgaincanmaketheopenclosed⁃loopscanningmodeperformanceappropriateandavoidthegyroᶄspulsehopping.Theanalysisresultimprovestheprecisionofthegyro,reducesthereworkrateoftheresonatorandimprovestheproductioneffi⁃ciencyofthegyro.Keywords:laseroptics;prismlasergyro;modehopping;scanningmode©2019JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversity.ThisisanOpenAccessarticledistributedunderthetermsoftheCreativeCommonsAttributionLicense(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0),whichpermitsunrestricteduse,distribution,andreproductioninanymedium,providedtheoriginalworkisproperlycited.821。