惯性器件原理-第七章激光陀螺

第七章激光陀螺美国1961年，美国科学家Heer提出了用环形激光器测量转速的理论，即激光陀螺的理论，这为光学陀螺的发展奠定了理论基础。1963年：美国科学家Speller在一个惯性传感器的会议上介绍了激光陀螺装置（测出1度/秒的角速率）；美国斯佩里公司于首先做出了激光陀螺仪的实验装置。1974年，霍尼威尔公司研制出0.01度/小时的激光陀螺仪。1975年在战术飞机上试飞成功1976年在战术导弹上试验成功80年代后，美国空军把激光陀螺应用到空军系统90年代，根据先进巡航导弹和战术飞机导航的要求，美国进行了提高激光陀螺捷联系统性能的研究（SPS）7.1概述国内外发展状况60年发明激光第七章激光陀螺法国法国SWXTANT公司和SAGEM公司均从70年代开始研究激光陀螺技术，到目前已经形成不同尺寸和精度的激光陀螺仪。SEXTANT公司1972年开始研究激光陀螺仪1979年SEXTANT型激光陀螺仪首先用于“美洲虎”直升机飞行1981年33cm型激光陀螺仪在ANS超音速导弹项目中标1987年首次把激光陀螺仪用在“阿里安”4火箭的飞行1990年SEXTANT公司在法国未来战略导弹项目上中标中国60年代末，起步（清华、西北电讯工程学院、东风仪表厂）70年代末，清华大学、国防科技大学、苏州第一光学仪器厂、中国计量科学院、航空303所90年后，有关研究所相继开展了陀螺温度误差特性及其建模补偿的研究工作目前，国内国防科大和中航618所、航天33所、13所7.1概述第七章激光陀螺1、动态范围宽，线性度好2、启动响应快，准备时间短3、数字输出，不需要A/D转换7.1概述激光陀螺特点激光陀螺仪的工作原理是建立在两束沿着三角形排列的三面镜子折射的激光束基础上的。一条顺时针前进，另外一条逆时针前进。当仪器静止的时候，两条激光束完成一个周期都用了相同的时间。当仪器旋转时，一条激光束的路径变短，另外一条激光束的路径变长了。通过测量两条激光束走完一个周期所用时间的不同，旋转角就可以被测量出来。第七章激光陀螺偏颇组件程长控制组件信号读出系统环形激光器----核心逻辑电路电源组件安装结构电磁屏蔽罩等7.2激光陀螺的工作原理7.2.1激光陀螺的构成第七章激光陀螺7.2激光陀螺的工作原理7.2.1激光陀螺的构成激光介质：氦氖气体（频谱纯度高、反向散射小）腔体材料：熔凝石英、Cer-vit陶瓷谐振腔尺寸：周长200～450mm谐振腔形状：三角形、四边形（优缺点：K=4A/Lλ）装配组合：分离式、整体式整体式激光陀螺介绍谐振腔和光路反射镜的安装氦氖气体阴阳电极：双阳极控制回路：凹镜、激励电压第七章激光陀螺7.2激光陀螺的工作原理7.2.1激光陀螺的构成三轴整体式：用于捷联惯导系统集三个谐振腔于一块腔体材料两种三轴整体式光路方案1.三角形的光路方案（9反射镜）2.四边形的光路方案（6反射镜）优点：体积小、重量轻、结构简单、可靠性好（第二代激光陀螺技术）第七章激光陀螺同方向：沿光轴方向传播的光子同频率、同位相：谐振腔环路周长等于所需激光波长的整数倍同偏振：布氏窗S光反射镜7.2激光陀螺的工作原理7.2.2激光陀螺仪的工作原理第七章激光陀螺7.2激光陀螺的工作原理7.2.2激光陀螺仪的工作原理第七章激光陀螺7.2激光陀螺的工作原理7.2.2激光陀螺仪的工作原理两光束混合方案第七章激光陀螺7.2激光陀螺的工作原理7.2.2激光陀螺仪的工作原理激光陀螺仪输出装置原理第七章激光陀螺7.2激光陀螺的工作原理7.2.2自锁效应自锁效应:主要是沿相反方向传播的两束光之间的相互耦合作用引起。顺时针传播光束A的反向散射A’A’和逆时针传播光束B相耦合频率牵引（B与A’频率趋同）类似地，A与B’也频率趋同最终A与B频率趋同，无频差输出第七章激光陀螺7.2激光陀螺的工作原理7.2.2自锁效应解决途径：缩小自锁区：为此，必须对光学元件的质量和工作气体的纯度等提出极高的要求，以改善光路的均匀性。偏频技术：在两束相向行波之间引入特定的偏频量，以确保在任何待测输入转速的情况下，环形激光器相向行波间的频差均远大于闭锁频率输出偏置量ω0，工作点移出自锁区)(0KV0/KV第七章激光陀螺7.3激光陀螺的偏频技术7.3.1机械抖动偏频技术典型的机械抖动偏频激光陀螺激光陀螺正弦抖动偏频示意图第七章激光陀螺7.3激光陀螺的偏频技术7.3.1机械抖动偏频技术第七章激光陀螺7.3激光陀螺的偏频技术7.3.1机械抖动偏频技术机抖偏频是目前最成熟的偏频方案，尤其适用三轴整体式的激光陀螺第七章激光陀螺7.3激光陀螺的偏频技术7.3.2速率偏频技术速率偏频激光陀螺采用无刷直流力矩电机驱动，以恒定的转动速度强迫环形激光器（通常是激光陀螺整体）绕垂直于谐振腔环路平面的轴线做大幅度来回转动，为谐振腔内相向行波模对提供所需的交变偏频，其来回转动的换向周期一般为10s左右。缺点：陀螺体积重量增大，ω0难控第七章激光陀螺7.3激光陀螺的偏频技术7.3.3磁镜交变偏频技术磁镜交变偏频引入的偏频信号与机械抖动偏频的信号，在形式上具有共同之处，也是给陀螺引人一个快速变化的偏频量。只不过磁镜偏频是利用具有横向克尔磁光效应的反射镜作为环形激光谐振腔的一面反射镜，提供非互易的相位变化，给谐振腔内相向行波引人频差，而机械抖动则是以谐振腔的交变旋转引人频差。对称入射的线偏振光施加垂直于入射面的横向磁场产生相位差或光程差把激光陀螺的一个反射镜做成磁镜磁场周期性变化，产生周期性偏频第七章激光陀螺7.4激光陀螺光学谐振腔程长控制7.4.1光学谐振腔程长控制的必要性激光陀螺的标度因数：激光陀螺的输出：解决方案：程长控制激光陀螺标度因数变化将导致误差，影响标度因数的因素：谐振腔周长谐振腔形状激光波长(0.6328/1.15/3.39)第七章激光陀螺7.4激光陀螺光学谐振腔程长控制7.4.1光学谐振腔程长控制的必要性即使环形腔采用热胀系数极低的材料制作，程长的变化量也很容易与波长相当或大于波长腔内介质的热变化也会引起光程长度波动传输波长变化因此，除了采用低热胀系数的材料制作腔体之外，还必须采用有效的主动手段来控制程长。第七章激光陀螺7.4激光陀螺光学谐振腔程长控制7.4.2程长控制的基本方法环形激光器的程长控制通常采用激光增益曲线稳频技术来实现环形激光陀螺的稳颗通常也是采用压电元件驱动环形腔的一面或多面反射镜沿反射镜面法线方向平移对激光腔长进行调节，将纵模频率稳定于中心频率处。第七章激光陀螺7.4激光陀螺光学谐振腔程长控制7.4.2程长控制的基本方法0sin()dcacdcVVVVVt第七章激光陀螺7.4激光陀螺光学谐振腔程长控制7.4.2程长控制的基本方法0sin()dcacdcVVVVVt第七章激光陀螺7.4激光陀螺光学谐振腔程长控制7.4.3程长控制电路0sin()dcacdcVVVVVt典型的程长控制基本电路原理光强包络扫描曲线第七章激光陀螺0sin()dcacdcVVVVVt捷联惯导系统：大角度大速率转子陀螺难满足，激光光纤陀螺出现基本原理：Sagnac效应，工作物质是激光束，全固态陀螺优点结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载大、可靠性高、数字输出发展1960激光器出现1963Sperry制成首台激光陀螺样机1970s中精度突破，达惯性级1980s初开始应用于各个领域早期研制的机构Honeywell：三角形谐振腔，机械抖动偏频Litton：四边形谐振腔，机械抖动偏频Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频国内研制、应用状况1970s中后期开始研制，1990前后进入实用1990s中后期应用达到高峰面临问题成本较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求