激光陀螺反射鏡散射檢測方法

韓宗虎，胡曉東

（中國航空工業(yè)集團(tuán) 西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

激光陀螺反射鏡散射檢測方法

韓宗虎，胡曉東

（中國航空工業(yè)集團(tuán) 西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

閉鎖效應(yīng)是影響激光陀螺性能的重要因素, 而光束在反射鏡表面反射時的背向散射則是形成閉鎖效應(yīng)的主要原因。基于矢量疊加理論，對激光陀螺反射鏡背向散射對諧振腔總背向散射的影響進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出一種反射鏡散射的在線測量方法，以半導(dǎo)體激光器為光源構(gòu)成遠(yuǎn)心光路，通過顯微鏡收集散射光，并利用CCD記錄反射鏡膜面的散射光場。根據(jù)散射圖樣對反射鏡進(jìn)行篩選，并最終確定反射鏡膜面的安裝位置與方向。在某型激光陀螺上進(jìn)行了實驗，結(jié)果表明使用該方法選配可以將鎖區(qū)合格率由原來的75%提升至95%，改進(jìn)效果明顯。該檢測方法結(jié)構(gòu)簡單，可有效控制由反射鏡散射引起的鎖區(qū)超標(biāo)問題，在激光陀螺反射鏡的在線檢測及激光陀螺裝調(diào)方面有很好應(yīng)用前景。

激光陀螺；背向散射；鎖區(qū)；顯微成像；表面缺陷

激光陀螺具有動態(tài)范圍大，耐沖擊振動能力強，對與加速度有關(guān)的誤差不敏感，啟動時間短，可靠性高等一系列優(yōu)點，是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想元件，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括航天、航空、航海和陸地各種運動載體的導(dǎo)航制導(dǎo)定位定向和姿態(tài)控制，是精確制導(dǎo)武器和各種作戰(zhàn)平臺實現(xiàn)精確打擊和精確姿態(tài)控制的核心和關(guān)鍵部件[1-2]。縱觀激光陀螺的發(fā)展過程，主要是同閉鎖效應(yīng)斗爭的歷史，而背向散射則是激光陀螺鎖區(qū)形成的主要原因[3-4]。由于環(huán)形諧振腔內(nèi)背向散射作用，部分入射光沿原路返回，使得順時針旋轉(zhuǎn)的光(CW)和逆時針旋轉(zhuǎn)的光(CCW) 相互耦合，從而形成了鎖區(qū)[5-6]。激光陀螺中背向散射主要來源有反射鏡的非完整性、光學(xué)元件（如光欄）的散射、氣體中塵埃的散射與吸收等[7-8]。普遍認(rèn)為, 光束在反射鏡表面反射時的背向散射對能量耦合具有重要貢獻(xiàn), 是形成鎖區(qū)的主要原因[9-10]。本文將就激光陀螺反射鏡散射檢測方法展開研究。

1 理論分析

首先對于激光陀螺反射鏡背向散射對諧振腔總背向散射的影響進(jìn)行分析。如圖1所示，為方便起見設(shè)環(huán)行激光陀螺腔形是四邊形的，并且假定背向散射主要發(fā)生在四面反射鏡上，其中，M1、M4為平面反射鏡，M2、M3為球面反射鏡，各反射鏡背向散射系數(shù)分別為r1、r2、r3、r4。

圖1 四鏡諧振腔Fig. 1 Four-mirror resonator

設(shè)沿環(huán)行諧振腔順時針轉(zhuǎn)播光束的電場強度為E0，起點O取在M4處。順時針光在M1反射鏡上散射前光的電場強度為

經(jīng)反射鏡M1背向散射后到達(dá)O點光的電場強度為

同理可得由M2、M3及M4引起的背向散射在O點光的電場強度為

考慮到所有反射鏡散射光具有相干性, 可以得到綜合散射系數(shù)與各反射鏡散射系數(shù)的關(guān)系為

總的背向散射光是由各個背向散射源產(chǎn)生的背向散射光矢量疊加而成。如圖2所示，從數(shù)學(xué)角度分析，要減小背向散射合矢量有兩種方法：①調(diào)整各矢量相位；②減小各矢量幅值。在反射鏡背向散射系數(shù)相同的情況下，可以通過調(diào)節(jié)加在PZT壓電驅(qū)動器上的電壓改變背向散射光矢量相位。當(dāng)相位在0 到 2π之間變化時，總耦合系數(shù)模量在零到最大值之間呈現(xiàn)正弦周期性變化，從而實現(xiàn)對諧振腔綜合背向散射系數(shù)的調(diào)節(jié)。如圖3所示，在所有散射源散射強度既定的條件下，可以通過調(diào)節(jié)各散射矢量的相位，使得背向散射光強矢量和最小，這也是動態(tài)鎖區(qū)控制的基本思想[11]。然而，要想從根本上減小背向散射就必須降低每個反射鏡的散射值，即控制單片反射鏡背向散射矢量的幅值。如此背向散射合矢量最大值以及變化范圍均可得到有效控制，從而在根本上降低諧振腔的背向散射。然而受基礎(chǔ)工業(yè)的限制，激光陀螺反射鏡的質(zhì)量短時間內(nèi)很難實現(xiàn)跨越性的提升，更不可能達(dá)到百分之百的反射率，但是可以依靠有效的測試手段對待裝配的反射鏡片進(jìn)行檢測，以找出均勻性最好的區(qū)域作為反射鏡的工作區(qū)，從而實現(xiàn)降低背向散射控制鎖區(qū)的目的。

圖2 復(fù)平面上矢量相加的不同情況：(a) 任意情況；(b) 和最小；(c) 和最大Fig.2 Four complex vector summation on complex number plane: (a) random; (b) minimum; (c) maximum

圖3 諧振腔總背向散射光的電場強度隨相位變化關(guān)系Fig.3 Effect of complex vector phase on resonator backscattering intensity

2 系統(tǒng)設(shè)計

圖4 表面散射示意圖Fig.4 Schematic of surface scattering

嚴(yán)格意義上的背向散射，其方向與入射光方向相同，對其直接測量是極其困難的。傳統(tǒng)的測量方法采用積分球測量全積分散射（TIS）。由于背向散射能量僅皮瓦量級，屬微弱信號，探測難度大，且易受噪聲影響，測量精度難以提高。在實際測試過程中大量的實驗數(shù)據(jù)均表明，由表面不均勻性引起的背向散射與體散射往往是相互對應(yīng)的，即體散射較大的鏡片背向散射通常也較大。如圖4所示，我們可以利用樣品表面上方一定立體角（θ）內(nèi)散射光強度表征背向散射光強度，即采用立體角積分方法進(jìn)行散射的檢測。

正是基于該思想，我們搭建了激光陀螺反射鏡散射檢測系統(tǒng)。如圖5所示，該檢測系統(tǒng)由控制計算機、CCD像機、圖像采集卡、顯微鏡、樣品位移及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、激光光源及光束控制系統(tǒng)等組成。為保證與實際使用環(huán)境光源一致，系統(tǒng)采用632.8 nm的激光作為光源。為去除空氣中粒子或是光路中器件瑕疵導(dǎo)致的雜散光的干擾，從而得到均勻的出射光斑，采用空間濾波器對激光光束進(jìn)行空間濾波。因光斑尺寸不足以覆蓋整個工作表面，需使用闊束鏡對光束進(jìn)行闊束。然后用反射鏡控制光束以45°角度斜入射至樣品表面。激光陀螺反射鏡屬超光滑表面元件，其主要散射源尺寸僅為亞微米到幾十微米量級，需采用顯微成像的方法才能獲得圖像信息。為保證收集的散射光強度，同時要求物鏡的工作距離不能過小，以免阻擋入射和反射光路，應(yīng)采用大數(shù)值孔徑的物鏡。收集的散射光經(jīng)CCD成像后通過數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并上傳至控制計算機。樣品臺周邊采用全黑不透光低反射率的材料，減少雜散光對瑕疵散射光的影響。

圖5 檢測系統(tǒng)框圖Fig.5 Block-diagram of detecting instrument

3 實驗結(jié)果及分析

經(jīng)測試后的實驗結(jié)果如圖6所示，鏡片的散射源有兩種，即點狀散射源和線狀散射源。點狀散射源一般是由鏡片基底缺陷，鍍膜過程中污染所致。該散射源與入射方向無關(guān)，如膜面的有效工作區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)該類散射源，一般需更換反射鏡。而線狀散射源一般由加工工藝導(dǎo)致，且具有方向性特征。如圖7所示，線狀散射源只有在特定的角度入射時才能顯現(xiàn)，這也正是反射鏡裝調(diào)過程中應(yīng)避免的。實驗還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射方向與線狀散射源垂直時散射的強度最大。偏離垂直時，散射強度隨之減小，直至消失。

圖6 測試結(jié)果Fig.6 Test results

圖7 旋轉(zhuǎn)不同角度時樣品散射情況Fig.7 Scattering image for different rotation angle:

圖8 轉(zhuǎn)過不同角度時的歸一化散射光強Fig.8 Normalized scattering intensity for different rotation angles

圖8所示為膜面散射光強的歸一化灰度均值隨鏡片旋轉(zhuǎn)角度的變化關(guān)系，由圖可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至約50°（相對于初始標(biāo)定位置轉(zhuǎn)過的角度）時，由于線狀散射源導(dǎo)致圖像的灰度均值升高，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)則灰度值減小。實際使用時，應(yīng)挑選一定范圍內(nèi)散射光強變化緩慢且均值較低的角度作為激光的入射方向。對于圖8所示樣品可以考慮選取與初始標(biāo)定位置旋轉(zhuǎn)100°～110°左右的方向為入射方向。

為了驗證該方法對于鎖區(qū)控制的可行性，我們選取了兩組共20個樣本進(jìn)行試驗，其中一組采用現(xiàn)有的方法進(jìn)行選配和裝調(diào)，另外一組則采用本文所提出的方法對反射鏡進(jìn)行選配和測量，并找到散射最小的角度安裝。實驗結(jié)果如圖9所示，10個未使用該方法選配的樣本中有4個出鎖值均大于于0.1 (°)/s，而使用該方法選配的10個樣本出鎖值均小于0.1 (°)/s。進(jìn)而我們在某型抖動激光陀螺上擴大了樣本數(shù)量做進(jìn)一步驗證，實驗結(jié)果表明在使用該方法選配的100個左右的樣本中，鎖區(qū)合格率達(dá)到95%以上，改進(jìn)效果明顯。對于未使用該方法選配的樣本中鎖區(qū)超標(biāo)的樣本，我們又利用該系統(tǒng)進(jìn)行重新選配和裝調(diào)，結(jié)果全部合格。

圖9 樣本鎖區(qū)值Fig. 9 Lock-in values of samples

4 結(jié) 論

本文基于立體角積分方法，提出一種反射鏡激光散射的在線測量方法。該測量方法結(jié)構(gòu)簡單，精度高，速度快，可以實現(xiàn)非接觸實時檢測，既可實現(xiàn)反射鏡的分級篩選，又能為反射鏡的裝調(diào)提供指導(dǎo)，同時也為反射鏡的加工制造提供了改進(jìn)的方向。經(jīng)實驗證明該方法可以有效控制由反射鏡散射引起的鎖區(qū)超標(biāo)問題，在工件的在線檢測方面具有較高的工程應(yīng)用價值。

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Method of mirror scattering test for laser gyro

HAN Zong-hu, HU Xiao-dong
(The Flight Automatic Control Research Institute of Aviation Industry of China, Xi’an 710065, China)

A key factor that influences the performance of laser gyro is lock-in effect, whose main reason is the backscattering caused by mirror reflection. In this paper, the effect of mirror backscattering on the total backscattering of laser gyro was analyzed, and a test method for mirror backscattering was proposed. The semiconductor laser was chosen as the laser source, and the scattering of the mirror was collected through a microscope. Then the image was acquired by a CCD camera. According to the scattering pattern, the mirror could be selected. Furthermore, the position and direction for installation could ultimately be determined. Experiments were conducted for a certain type of laser gyro, and the results show that the pass rate is increased from 75% to 95% by using this method. The structure is simple with high-precision fast untouched real time test. It turns out that the lock-in of laser gyro induced by the mirror scattering could be effectively controlled. This method has good application prospect in the real time work-piece test.

laser gyro; backscattering; lock-in; microscopic imaging; surface defects

O436

A

1005-6734(2015)04-0540-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.04.022

2015-04-13；

2015-07-28

航空基金支撐項目（61901060301）資助課題

韓宗虎（1961—），男，博士，研究員，從事激光陀螺方面的研究。huxd03@163.com