全反射棱镜式激光陀螺稳频技术-.研究

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1、第二章全反射棱镜式激光陀螺结构和工作原理ZⅣ=p拈差矽其中秒=【触是f时间内环形腔相对于惯性空间的总转角。在应用中，利用光学拍频方法检测出频差Av和脉冲数Ⅳ，的转速臼和转动角度0，即为激光陀螺的输出公式：IQ：丝△yI口：丝Ⅳ(2-11)进而求出每一瞬间(2-12)L4A其中，4,4／2／,一般称之为激光陀螺的标度因数。它的稳定性是衡量激光陀螺精度的一个关键参量。由于环路面积么和激光波长A对于一个确定的激光器是一个定值，那么标度因数唯一取决于谐振腔光学腔长L，要保证标度因数的稳定，就要保证谐振腔长度稳定。为避免程长￡受到诸如温度等环境因素的影响而发生变化，所以必须采取主动稳频措施。2．1

2、．3各种类型的激光陀螺虽然激光陀螺的基本原理都基于Sagnac效应，但国内、外不同研究单位研制的不同型号的激光陀螺在结构上各有差异。目前世界上从事激光陀螺研制、生产的公司、机构中，美国的霍尼韦尔公司和利顿公司最具实力。这两家公司，特别是霍尼韦尔公司的水平代表了世界激光陀螺的技术水平。霍尼韦尔公司的各型号陀螺基本采用三角形谐振腔和机械抖动偏频技术。‘其大致结构如图2．2所示：棱镜图2-2三角形谐振腔机械抖动偏频激光陀螺利顿公司也是激光陀螺仪的主要研制和生产者。它主要采用的是四边形谐振腔和机械抖动偏频方案，其大致结构如图2．3所示：全反射棱镜式激光陀螺稳频技术研究压电陶瓷阳镀阴极图2．3正方

3、形谐振腔机械抖动偏频激光陀螺上述陀螺都采用镀膜反射镜组成腔体，采用压电元件直接控制腔长进行稳频，采用直流高压(DCD)放电为激光管活性气体介质提供激励，这种激励方式由于高电压造成的阳极高密度聚集的激活气体原子沿截面以抛物线型的速度分布向低分子密度的阴极扩散，形成的朗缪尔流将不可避免的带来朗缪尔效应，朗缪尔效应会引起陀螺的零偏误差。所以，通常这类陀螺设计两个对称阳极、一个阴极来尽量消除朗缪尔效应对精度的影响。以美国霍尼韦尔公司GGl308型反射镜式激光陀螺的性能参数说明这类陀螺的发展水平。GGl308采用三角形谐振腔，单边长0．8英寸(对应于1308最后两位数字)，光路总长2．4英寸。主要

4、性能指标如下：零偏稳定性lo／hr：随机游走o．125。／√hr；标度因数o．2～lo／pulse：输入轴对准误差2x10。3rad寿命_>2000hr；功耗S0．9w。除了反射镜式激光陀螺之外，还有一种激光陀螺采用全反射棱镜组成腔体。这类陀螺的研制，以俄罗斯的水平最高。1990--1995年的5年间，俄罗斯研制出腔长为0．45m和0．28m的全反射棱镜式激光陀螺，它们的谐振腔是由4块全反射棱镜构成，以腔长为0．28m的陀螺为例，其零偏稳定性0．010／hr；随机游走0．003。／√llr：标度因数2．30”／pulse；寿命>_100000hr；总损耗<_50ppm。性能全面优于传统的

5、反射镜式激光陀螺。通常棱镜式激光陀螺的谐振腔有三种结构，分别为：四棱镜矩形腔、二棱镜矩形腔、三棱镜三角形腔。三种结构分别使用如图2-4所示的三种棱镜：(a)转折光线900的全反射棱镜，(b)转折光线1800的全反射棱镜，(c)转折光线600的全反射棱镜。第二章全反射棱镜式激光陀螺结构和工作原理!(b)1800旋转棱镜图2-4不同转角的棱镜示意图棱镜式激光陀螺采用全反射棱镜组成腔体；通过控制温度进而控制谐振腔中一段气体折射率达到控制谐振腔腔长进行稳频的目的；采用低电压射频放电激励He．Ne气体：在腔体内部安装了温度传感器，实现实时的温度补偿，以提高陀螺仪的精度；采用机械抖动偏频技术，同时增

6、加随机抖动噪声，进一步改善抖动偏频效果，减小动态锁区。这些特点使其具备了性能稳定、抗干扰能力强、寿命长、可靠性好等优点，作为一种高精度惯性敏感仪表，有着广阔的应用前景。§2．2全反射棱镜式激光陀螺概述2．2．1全反射棱镜式激光陀螺的结构图2．5棱镜式激光陀螺结构简图1．微晶玻璃2．全反射棱镜3．毛细管4．空气罩5．合光棱镜6．毛细激光管10全反射棱镜式激光陀螺稳频技术研究对图2．5中各部分进行说明：l、微晶玻璃，在20Dc～80℃温度范围内，平均线性膨胀系数仅为7．O×10巧℃～，保证在陀螺正常工作温度范围内，谐振腔因受热膨胀发生的形变在稳频系统补偿的可控范围之内；2、全反射棱镜，以熔融

7、石英为材料，可透过紫外光和可见光。在强辐射条件下，不发生感光效应。棱镜材料的折射率对温度变化较敏感。在加工工艺里，四只全反射棱镜分成两类：第一类棱镜有一个通光面磨成球面，以提高谐振腔的稳定性；第二类棱镜所有通光面都是平面；3、毛细管，内充一个标准大气压下的空气。这部分气体直接参与稳频过程；4、空气罩，起到保护棱镜免受外部磁场影响，同时储存空气的作用；5、合光棱镜，使谐振腔内顺、逆时针的光耦合，输出入射到双平板光电探测器上；6、毛细激