空間三軸激光陀螺雙通道調腔技術研究

楊士杰，汪世林，邱宏波

(北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

0 引言

激光陀螺是一種利用Sagnac效應敏感運動載體角速度的慣性器件，具有精度高、可靠性高、動態范圍寬、啟動時間短等優點，廣泛應用于中高精度導航領域[1-3]。空間三軸激光陀螺是單軸激光陀螺的集成方案，通過反射鏡復用的方式將三個敏感環路正交集成于一塊微晶玻璃基體上，相較于單軸激光陀螺組合，具有體積小、質量小、功耗低等優勢，已成為捷聯式慣性導航系統的理想部件[4-5]。

空間三軸激光陀螺的核心部件為光學諧振腔，其制作難點除諧振腔體的精密加工外，還有諧振腔的精密裝調，即調腔過程。調腔是指通過精確調整環形光路中球面反射鏡的位置，優化激光光束在諧振腔內部的傳輸路徑，以使基模高斯光束獲得最大的模體積與最小的損耗。調腔的質量將直接影響激光陀螺的閉鎖閾值、隨機游走系數和零偏穩定性等參數。目前，單軸激光陀螺調腔技術的相關研究多有報道，文獻[6]介紹了三角形諧振腔的調腔原理及方法，并分析了不同腔長對調腔精度的要求；文獻[7]設計了一種基于視覺的調腔系統，通過分析光闌和光斑圖像對反射鏡位置進行閉環控制；文獻[8]提出了一種傾斜接觸式調腔方法，依靠反射鏡自身重力保證調腔過程中反射鏡與陀螺基體貼片面的高平行度要求。空間三軸激光陀螺可沿用單軸激光陀螺調腔技術進行調腔，但由于反射鏡的復用，三個敏感環路在空間上互相關聯，實際調腔效率和質量并不理想。文獻[9]提出了一種在有源腔狀態下對空間三軸激光陀螺進行調腔的方法，但需特殊結構的腔長角度控制鏡配合，且調節能力受壓電陶瓷靈敏度限制，只能在小范圍內調腔。隨著空間三軸激光陀螺工程化應用的不斷發展，亟需一種適用于空間三軸激光陀螺的新型諧振腔裝調技術。

本文針對空間三軸激光陀螺的調腔難題，在單軸激光陀螺調腔設備和傳統調腔方法的基礎上，結合空間三軸激光陀螺的結構特點，提出了雙通道調腔設備及簡化的調腔方法，并搭建了原理樣機進行空間三軸激光陀螺調腔實驗，驗證了雙通道調腔技術的有效性。

1 空間三軸激光陀螺的調腔原理

空間三軸激光陀螺共有六面反射鏡，包括三面球面反射鏡(以S1、S2、S3表示)和三面平面反射鏡(均以P表示)，其典型空間結構為八面體結構，如圖1所示。

在此空間結構的每一個頂角位置可安裝一面球面反射鏡或一面平面反射鏡，由任意兩組對頂角共可形成三個相互正交的正方形光路。此三個環形諧振光路具有相同的幾何特征，稱為空間三軸激光陀螺的三個通道[10]。每個通道均包含兩面球面反射鏡和兩面平面反射鏡，形成一個激光振蕩的諧振腔，等價為一個單軸激光陀螺，如圖2所示。

理想情況下，各諧振腔內的激光束均能垂直入射進光闌中心(以兩球面鏡連線中心處為例)，而激光陀螺基體貼片面的加工誤差將使反射鏡發生歪扭或偏移，進而使諧振腔內激光束偏離理想運行路徑，光闌處激光束入射點與入射角度也將發生改變。在圖3所示坐標系下，此光路變動數學關系可用式(1)表示[11-12]

(1)

式中，δi表示各反射鏡的法向(zi向)位移，δix與δiy表示各反射鏡法向矢量變化的2個正交分量；X和Y表示光闌中心處光束的徑向位移;φx和φy表示光闌中心處光束的傾斜角；θ為光線在反射鏡處的入射角；R為兩球面鏡的曲率半徑；L為正方形光路的邊長。

圖3 光路分析坐標系Fig.3 Coordinate system for analyzing beam path

基模高斯光束通過光闌的單次衍射損耗可用式(2)進行分析[13]

(2)

式中，ωx和ωy為光闌處的光斑長短軸半徑；s為積分區域。光束入射方向的變化將改變積分域s的大小和形狀，入射點的變化將等效為積分域s的平移，兩者均會影響基模高斯光束在光闌處的衍射損耗，并最終反映為諧振腔總損耗值的增大。

因此，依據各通道中光斑與光闌中心的相對位置或損耗值較最小值的偏離程度可衡量該通道的失準誤差。平面反射鏡裝配位置的改變并不影響光路，只能通過移動球面反射鏡，尋找其最佳安裝位置以使該誤差最小化。

空間三軸激光陀螺調腔的難點在于，移動某球面反射鏡將同時改變兩通道中的光束路徑，如球面反射鏡S1在通道I內沿x軸的移動，在通道III內將轉變為沿y軸的移動。因此，對空間三軸激光陀螺進行調腔，不能只補償某一通道的失準誤差，而應充分考慮三個通道的相關性，使各個通道的失準誤差一致且趨于最小。

2 空間三軸激光陀螺傳統調腔技術

2.1 傳統調腔設備

實際工程應用中，激光陀螺的調腔過程需要專門的調腔設備(腔損儀)輔助調節球面反射鏡的安裝位置。傳統的腔損儀將參考光束注入空間三軸激光陀螺的某一通道，依據諧振腔出射光束的特征參數(如衰減時間或諧振峰半波全寬等)來準確測定該通道的損耗值[14-16]，并實時監測光斑與光闌的相對位置。其原理如圖4所示。

圖4 傳統腔損儀原理圖Fig.4 Schematic diagram of traditional cavity loss measuring instrument

其中，掃頻激光器產生頻率周期性變化的參考激光束，反射鏡組用以改變光束的傳播方向，偏振片可調整透射光束的偏振方向。參考光束在空間三軸激光陀螺某一通道內往復振蕩后出射，出射光功率信號由光電探測器實時接收，光斑與光闌中心的相對位置由電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)進行捕獲。

2.2 傳統調腔方法

借助于傳統的腔損儀對空間三軸激光陀螺進行調腔，每次只能調節其中一個通道。調節球面反射鏡S1和S2使通道I損耗最小，然后調節球面反射鏡S3使通道II損耗最小，理想情況下通道III損耗也應為最小。由于激光陀螺基體存在加工誤差，通道III內將出現誤差累積，導致損耗與最小值的偏差較大，而調節任一面球面反射鏡將同時改變兩個通道的狀態，已無可調節的自由度。傳統的調腔方法采用循環逐步逼近的方式反復調節球面反射鏡的安裝位置，均分三個通道的失準誤差，其簡要步驟如圖5所示。

空間三軸激光陀螺的傳統調腔方法為兩層循環結構，步驟較為繁瑣，主要原因在于：每面反射鏡均屬于兩個通道，調節某面反射鏡將同時改變兩個通道的狀態，但腔損儀只能監測其中一個通道的狀態變化，信息量的缺失只能通過頻繁切換測試通道和增加操作次數來補償。

3 雙通道調腔技術

3.1 雙通道調腔設備

空間三軸激光陀螺的結構特點與傳統腔損儀功能特性的矛盾制約了調腔效率的提高。若腔損儀可同時監測兩個通道中光斑與光闌中心相對位置及諧振腔損耗值，則調腔流程可大幅簡化。按照這一思路設計了雙通道腔損儀，其簡要結構如圖6所示。

圖5 傳統調腔流程圖Fig.5 Flow chart of traditional cavity adjustment process

圖6 雙通道腔損儀原理圖Fig.6 Schematic diagram of two-channel cavity loss measuring instrument

雙通道腔損儀同時將兩束參考光束分別注入空間三軸激光陀螺的兩個通道，由兩個CCD和光電探測器分別監測兩個通道的狀態變化。每個參考光路的元器件配置及損耗測試方法可與傳統腔損儀一致，部分裝置如掃頻激光器驅動電路等可共用。需注意的是，兩路參考光束在激光陀螺固定位置處的夾角應嚴格與陀螺內兩個環形諧振光路的夾角相匹配，以保證兩束參考光束均能在陀螺內諧振。

3.2 簡化的調腔方法

借助于雙通道腔損儀，在空間三軸激光陀螺的調腔過程中，調節某一球面反射鏡的安裝位置，可同時監測其所在兩個通道狀態的變化。在雙通道腔損儀的基礎上，可對傳統調腔方法進行簡化，簡化后的調腔步驟如圖7所示。

圖7 簡化調腔流程示意圖Fig.7 Flow chart of simplified cavity adjustment process

利用雙通道腔損儀對空間三軸激光陀螺進行調腔，相較于傳統的調腔方法，減少了一層內循環，省去了頻繁切換測試通道的過程。如調節球面反射鏡S3時，可依據雙通道腔損儀給出的通道II和通道III的狀態信息，直接尋找出球面反射鏡S3的最佳安裝位置。

4 實驗驗證

按照雙通道腔損儀的原理架構搭建了實驗樣機，采用雙通道調腔技術對空間三軸激光陀螺進行調腔實驗。其中，掃頻激光器利用壓電陶瓷的逆壓電效應改變諧振腔長，實現了參考激光頻率調諧。壓電陶瓷用鋸齒波電壓驅動，電壓范圍設置為0～100V，掃描頻率設置為4Hz，在一個掃描周期內參考激光頻率至少改變一個縱模間隔。光電探測器由光電二極管和跨阻放大器組成，接收諧振腔輸出光束并轉換為0～5V內的電壓信號。

實驗所用激光陀螺工作光束均為S偏振光，調腔時需旋轉偏振片將參考光束調整為同一偏振方向，并用時間衰減技術準確測定該偏振模式的損耗。實驗過程中獲得的典型光斑與光闌中心相對位置圖像如圖8所示。

圖8 光斑與光闌圖像Fig.8 Image of laser spot and aperture

諧振腔出射光強達到峰值時，由聲光開關快速切斷光路，諧振腔出射光強將呈指數形式下降，如圖9所示。根據出射光強自最大值下降至其1/e的時間即衰減時間，按式(3)計算損耗值[17-18]

(3)

式中，δ為諧振腔損耗值;L′為環形諧振腔光程;c為光速;τ為衰減時間。

圖9 時間衰減信號波形圖Fig.9 Cavity ring-down signal waveform

按照相同的工藝標準，在三個通道失準誤差相同的要求下，利用傳統調腔技術和雙通道調腔技術對空間三軸激光陀螺進行調腔，并進行三組對比實驗，記錄每次調腔耗時，統計結果如表1所示。

利用傳統調腔技術完成空間三軸激光陀螺調腔的平均耗時為5.3h，而利用雙通道調腔技術完成空間三軸激光陀螺調腔的平均耗時為1.7h。雙通道調腔技術使空間三軸激光陀螺的調腔耗時縮短了約70%。

表1 兩種調腔技術對比

5 結論

本文針對空間三軸激光陀螺調腔步驟繁瑣、耗時較長的問題，分析了傳統腔損儀和傳統調腔方法的局限，結合空間三軸激光陀螺的結構特點，提出了雙通道腔損儀及簡化的調腔方法，并搭建了原理樣機進行實驗驗證。結果表明，利用雙通道腔損儀和簡化的調腔方法，可使空間三軸激光陀螺的調腔耗時縮短約70%，驗證了雙通道調腔技術的有效性。在實驗過程中發現，完成雙參考光路初始校正耗時較長，后續可通過優化空間三軸激光陀螺固定裝置加以解決。