激光陀螺及減小閉鎖效應(yīng)的方法

申恒艷，吳平，范偉

(中國(guó)航天科工集團(tuán)7801 研究所，湖南 長(zhǎng)沙410205 )

0 引言

現(xiàn)代武器系統(tǒng)中，慣性技術(shù)被廣泛應(yīng)用，作為慣性測(cè)量裝置的陀螺，是慣性技術(shù)的關(guān)鍵部件，受到廣泛的重視。傳統(tǒng)的陀螺是指高速旋轉(zhuǎn)的剛體，但由于質(zhì)量不平衡，容易受到加速度影響及要使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定需要提前預(yù)熱等問(wèn)題，使用起來(lái)極不方便，因此無(wú)需高速轉(zhuǎn)子的陀螺成為各國(guó)關(guān)心的問(wèn)題。1975 年激光陀螺在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上成功試飛，開(kāi)啟了激光陀螺迅速發(fā)展的序幕，并逐步開(kāi)始取代機(jī)械陀螺，應(yīng)用在各類導(dǎo)彈、尋北儀、飛機(jī)等領(lǐng)域。

1 激光陀螺工作原理

Sapnac 效應(yīng)是激光陀螺的工作原理。同一點(diǎn)發(fā)出的兩束單色光在旋轉(zhuǎn)的圓環(huán)光路內(nèi)分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鞑ィ瑢?duì)于圓環(huán)上的某點(diǎn)，兩束光傳播一周所產(chǎn)生的光程差正比于圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)際上，對(duì)于任意形狀的閉合環(huán)路來(lái)說(shuō)，都成立。

2 閉鎖效應(yīng)

但在現(xiàn)實(shí)中，環(huán)路不可能是均勻的，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的角速度較小時(shí)，激光陀螺就會(huì)沒(méi)有輸出，即激光陀螺不能敏感小角度，這種現(xiàn)象叫做閉鎖。由于閉鎖效應(yīng)的存在，激光陀螺不能測(cè)量小轉(zhuǎn)速，甚至相差很遠(yuǎn)，嚴(yán)重的影響了檢測(cè)精度。

閉鎖效應(yīng)如圖1 所示。圖1 (a)說(shuō)明在理想情況下順、逆兩束單色光的頻率差與轉(zhuǎn)動(dòng)角速率成正比;圖1 (b)可以看出，當(dāng)存在閉鎖時(shí)實(shí)際曲線與理想曲線存在差別:當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速滿足＜ΩL(ΩL稱為閉鎖閾值)時(shí)，沿順、逆時(shí)針兩個(gè)方向傳播的兩束單色光的頻率被閉鎖同步，使得激光陀螺沒(méi)有輸出;并且，即使在＞ΩL以外，實(shí)際曲線仍與理想曲線不重合，存在明顯的非線性區(qū)。

即閉鎖效應(yīng)的存在，使得激光陀螺具有如下特點(diǎn):①當(dāng)激光陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率小于閉鎖閾值時(shí)輸出為零，②在輸入角速度大于閉鎖閾值且很接近時(shí)，輸出嚴(yán)重失真。

圖1 激光陀螺閉鎖效應(yīng)示意圖

3 采用偏頻技術(shù)降低鎖區(qū)對(duì)激光陀螺的影響

可以看出，閉鎖效應(yīng)是使用者不希望的。目前減小鎖區(qū)影響常用的方法主要有兩種:一是降低鎖區(qū);二是采用偏頻技術(shù)使激光陀螺工作脫離鎖區(qū)。

3.1 光學(xué)抖動(dòng)及改善鎖區(qū)原理

采用鍍膜和調(diào)整光路可以減小背向散射以達(dá)到降低激光陀螺鎖區(qū)的目的。基本原理如圖2 所示，鏡3和鏡4 上粘貼靈敏度相同的PZT，在PZT 上加載交變電壓信號(hào)OPSa 和POSb，振動(dòng)幅度相同、頻率相同但相位相差π，在通電的整個(gè)過(guò)程中，鏡3 和鏡4 會(huì)按照信號(hào)的頻率以一定的幅度來(lái)回抖動(dòng)，而陀螺的腔長(zhǎng)即光路長(zhǎng)度不變，位置的改變會(huì)改變背向散射光的大小，進(jìn)而改變了鎖區(qū)的大小，這種方法稱為光學(xué)抖動(dòng)。

圖2 試驗(yàn)光路圖

假設(shè)鏡3 上的散射光為e = Esin(ωt + Δφ)，通電后，鏡3 的抖動(dòng)為h = Hsin(ω0t)，使得鏡3 的散射光產(chǎn)生相位改變，改變量為Δφ =sin(ω0t)，因此散射光就相應(yīng)的變?yōu)?/p>

對(duì)公式(1)進(jìn)行貝賽爾－傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，有

式中:Jn(M)為第一類貝賽爾函數(shù)，M =為改變量的調(diào)制指數(shù);0 次項(xiàng)即EJ0(M)sinωt 為散射光中未受到調(diào)制的部分，該部分散射光對(duì)鎖區(qū)影響最大。理論分析表明當(dāng)背向散射光的相位改變量調(diào)制指數(shù)，即M= 2.405，5.520，8.654 等適當(dāng)值時(shí)，例如 M =2.405 ，H = 0.541λ，會(huì)有J0(M)= 0 ，這樣，鏡3 的散射光中未受分就等于0，而散射調(diào)制光全部分布在ω+ω0和ω －ω0的整數(shù)倍上，通過(guò)選擇合適的ω0，使邊頻帶與主頻帶不混迭，散射光的綜合背向散射系數(shù)就會(huì)減小，從而達(dá)到降低激光陀螺鎖區(qū)的目的。但由于PZT 的靈敏度受限，J0(M)= 0 只存在于理想狀態(tài)，因此，光學(xué)抖動(dòng)通常要與機(jī)械抖動(dòng)配合，才能達(dá)到改善鎖區(qū)提高激光陀螺精度的目的。

3.2 正弦機(jī)械抖動(dòng)系統(tǒng)

用壓電元件和彈簧片相結(jié)合構(gòu)成振子，施加以正弦抖動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)閉合激光器垂直于諧振腔回路所在的平面軸線快速來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光陀螺在鎖區(qū)外工作，這就是機(jī)械偏頻的原理。但由于每個(gè)正弦抖動(dòng)周期內(nèi)總有一段時(shí)間不能促使陀螺逃離鎖區(qū)，這就會(huì)使陀螺的輸出信息產(chǎn)生隨機(jī)性丟失，如果陀螺工作時(shí)間包含多個(gè)正弦抖動(dòng)周期，那么這種丟失就會(huì)產(chǎn)生多次積累，這稱為動(dòng)態(tài)鎖區(qū)。

加載正弦機(jī)械抖動(dòng)偏頻后，激光陀螺上加載正弦機(jī)械抖動(dòng)偏頻后的輸入輸出曲線如圖3 所示［1－3］，曲線中的多個(gè)平臺(tái)就構(gòu)成了陀螺的動(dòng)態(tài)鎖區(qū)。理論上=2.405，5.520，8.654，... (其中ΩD為最大抖動(dòng)幅度，ω 為機(jī)抖頻率)等特殊值時(shí)，可以使零階鎖區(qū)降為零［4］。

圖3 激光陀螺輸入輸出曲線

正弦機(jī)械抖動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)抖激光陀螺的核心部件，是工作于諧振狀態(tài)的正弦波振蕩器，其性能直接關(guān)系機(jī)抖激光陀螺的檢測(cè)精度。其功能框圖如圖4 所示。

圖4 激光陀螺機(jī)械抖動(dòng)系統(tǒng)方框圖

4 小結(jié)

激光陀螺由于具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為構(gòu)成是捷聯(lián)慣性測(cè)量組合的理想器件，具有光明的前景，應(yīng)用越來(lái)越廣。閉鎖是影響激光陀螺精度的一個(gè)重要因素，對(duì)減小閉鎖效應(yīng)方法的研究涉及到力學(xué)、光學(xué)等多個(gè)專業(yè)，具有重大的工程實(shí)際意義。

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