空間三軸激光陀螺雙通道調(diào)腔技術(shù)研究

楊士杰，汪世林，邱宏波

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

0 引言

激光陀螺是一種利用Sagnac效應(yīng)敏感運(yùn)動(dòng)載體角速度的慣性器件，具有精度高、可靠性高、動(dòng)態(tài)范圍寬、啟動(dòng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中高精度導(dǎo)航領(lǐng)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(fù)用的方式將三個(gè)敏感環(huán)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(zhì)量小、功耗低等優(yōu)勢，已成為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想部件[4-5]。

空間三軸激光陀螺的核心部件為光學(xué)諧振腔，其制作難點(diǎn)除諧振腔體的精密加工外，還有諧振腔的精密裝調(diào)，即調(diào)腔過程。調(diào)腔是指通過精確調(diào)整環(huán)形光路中球面反射鏡的位置，優(yōu)化激光光束在諧振腔內(nèi)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(diào)腔的質(zhì)量將直接影響激光陀螺的閉鎖閾值、隨機(jī)游走系數(shù)和零偏穩(wěn)定性等參數(shù)。目前，單軸激光陀螺調(diào)腔技術(shù)的相關(guān)研究多有報(bào)道，文獻(xiàn)[6]介紹了三角形諧振腔的調(diào)腔原理及方法，并分析了不同腔長對(duì)調(diào)腔精度的要求；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于視覺的調(diào)腔系統(tǒng)，通過分析光闌和光斑圖像對(duì)反射鏡位置進(jìn)行閉環(huán)控制；文獻(xiàn)[8]提出了一種傾斜接觸式調(diào)腔方法，依靠反射鏡自身重力保證調(diào)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(diào)腔技術(shù)進(jìn)行調(diào)腔，但由于反射鏡的復(fù)用，三個(gè)敏感環(huán)路在空間上互相關(guān)聯(lián)，實(shí)際調(diào)腔效率和質(zhì)量并不理想。文獻(xiàn)[9]提出了一種在有源腔狀態(tài)下對(duì)空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔的方法，但需特殊結(jié)構(gòu)的腔長角度控制鏡配合，且調(diào)節(jié)能力受壓電陶瓷靈敏度限制，只能在小范圍內(nèi)調(diào)腔。隨著空間三軸激光陀螺工程化應(yīng)用的不斷發(fā)展，亟需一種適用于空間三軸激光陀螺的新型諧振腔裝調(diào)技術(shù)。

本文針對(duì)空間三軸激光陀螺的調(diào)腔難題，在單軸激光陀螺調(diào)腔設(shè)備和傳統(tǒng)調(diào)腔方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合空間三軸激光陀螺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了雙通道調(diào)腔設(shè)備及簡化的調(diào)腔方法，并搭建了原理樣機(jī)進(jìn)行空間三軸激光陀螺調(diào)腔實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雙通道調(diào)腔技術(shù)的有效性。

1 空間三軸激光陀螺的調(diào)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(jié)構(gòu)為八面體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在此空間結(jié)構(gòu)的每一個(gè)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(duì)頂角共可形成三個(gè)相互正交的正方形光路。此三個(gè)環(huán)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(gè)通道[10]。每個(gè)通道均包含兩面球面反射鏡和兩面平面反射鏡，形成一個(gè)激光振蕩的諧振腔，等價(jià)為一個(gè)單軸激光陀螺，如圖2所示。

理想情況下，各諧振腔內(nèi)的激光束均能垂直入射進(jìn)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(fā)生歪扭或偏移，進(jìn)而使諧振腔內(nèi)激光束偏離理想運(yùn)行路徑，光闌處激光束入射點(diǎn)與入射角度也將發(fā)生改變。在圖3所示坐標(biāo)系下，此光路變動(dòng)數(shù)學(xué)關(guān)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(gè)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(biāo)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(jìn)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(qū)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(diǎn)的變化將等效為積分域s的平移，兩者均會(huì)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(jù)各通道中光斑與光闌中心的相對(duì)位置或損耗值較最小值的偏離程度可衡量該通道的失準(zhǔn)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(dòng)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(diào)腔的難點(diǎn)在于，移動(dòng)某球面反射鏡將同時(shí)改變兩通道中的光束路徑，如球面反射鏡S1在通道I內(nèi)沿x軸的移動(dòng)，在通道III內(nèi)將轉(zhuǎn)變?yōu)檠貀軸的移動(dòng)。因此，對(duì)空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔，不能只補(bǔ)償某一通道的失準(zhǔn)誤差，而應(yīng)充分考慮三個(gè)通道的相關(guān)性，使各個(gè)通道的失準(zhǔn)誤差一致且趨于最小。

2 空間三軸激光陀螺傳統(tǒng)調(diào)腔技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)調(diào)腔設(shè)備

實(shí)際工程應(yīng)用中，激光陀螺的調(diào)腔過程需要專門的調(diào)腔設(shè)備(腔損儀)輔助調(diào)節(jié)球面反射鏡的安裝位置。傳統(tǒng)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(jù)諧振腔出射光束的特征參數(shù)(如衰減時(shí)間或諧振峰半波全寬等)來準(zhǔn)確測定該通道的損耗值[14-16]，并實(shí)時(shí)監(jiān)測光斑與光闌的相對(duì)位置。其原理如圖4所示。

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

其中，掃頻激光器產(chǎn)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(diào)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(nèi)往復(fù)振蕩后出射，出射光功率信號(hào)由光電探測器實(shí)時(shí)接收，光斑與光闌中心的相對(duì)位置由電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)進(jìn)行捕獲。

2.2 傳統(tǒng)調(diào)腔方法

借助于傳統(tǒng)的腔損儀對(duì)空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔，每次只能調(diào)節(jié)其中一個(gè)通道。調(diào)節(jié)球面反射鏡S1和S2使通道I損耗最小，然后調(diào)節(jié)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(yīng)為最小。由于激光陀螺基體存在加工誤差，通道III內(nèi)將出現(xiàn)誤差累積，導(dǎo)致?lián)p耗與最小值的偏差較大，而調(diào)節(jié)任一面球面反射鏡將同時(shí)改變兩個(gè)通道的狀態(tài)，已無可調(diào)節(jié)的自由度。傳統(tǒng)的調(diào)腔方法采用循環(huán)逐步逼近的方式反復(fù)調(diào)節(jié)球面反射鏡的安裝位置，均分三個(gè)通道的失準(zhǔn)誤差，其簡要步驟如圖5所示。

空間三軸激光陀螺的傳統(tǒng)調(diào)腔方法為兩層循環(huán)結(jié)構(gòu)，步驟較為繁瑣，主要原因在于：每面反射鏡均屬于兩個(gè)通道，調(diào)節(jié)某面反射鏡將同時(shí)改變兩個(gè)通道的狀態(tài)，但腔損儀只能監(jiān)測其中一個(gè)通道的狀態(tài)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(shù)來補(bǔ)償。

3 雙通道調(diào)腔技術(shù)

3.1 雙通道調(diào)腔設(shè)備

空間三軸激光陀螺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳統(tǒng)腔損儀功能特性的矛盾制約了調(diào)腔效率的提高。若腔損儀可同時(shí)監(jiān)測兩個(gè)通道中光斑與光闌中心相對(duì)位置及諧振腔損耗值，則調(diào)腔流程可大幅簡化。按照這一思路設(shè)計(jì)了雙通道腔損儀，其簡要結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)調(diào)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(shí)將兩束參考光束分別注入空間三軸激光陀螺的兩個(gè)通道，由兩個(gè)CCD和光電探測器分別監(jiān)測兩個(gè)通道的狀態(tài)變化。每個(gè)參考光路的元器件配置及損耗測試方法可與傳統(tǒng)腔損儀一致，部分裝置如掃頻激光器驅(qū)動(dòng)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(yīng)嚴(yán)格與陀螺內(nèi)兩個(gè)環(huán)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(nèi)諧振。

3.2 簡化的調(diào)腔方法

借助于雙通道腔損儀，在空間三軸激光陀螺的調(diào)腔過程中，調(diào)節(jié)某一球面反射鏡的安裝位置，可同時(shí)監(jiān)測其所在兩個(gè)通道狀態(tài)的變化。在雙通道腔損儀的基礎(chǔ)上，可對(duì)傳統(tǒng)調(diào)腔方法進(jìn)行簡化，簡化后的調(diào)腔步驟如圖7所示。

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

利用雙通道腔損儀對(duì)空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔，相較于傳統(tǒng)的調(diào)腔方法，減少了一層內(nèi)循環(huán)，省去了頻繁切換測試通道的過程。如調(diào)節(jié)球面反射鏡S3時(shí)，可依據(jù)雙通道腔損儀給出的通道II和通道III的狀態(tài)信息，直接尋找出球面反射鏡S3的最佳安裝位置。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照雙通道腔損儀的原理架構(gòu)搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，采用雙通道調(diào)腔技術(shù)對(duì)空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔實(shí)驗(yàn)。其中，掃頻激光器利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)改變諧振腔長，實(shí)現(xiàn)了參考激光頻率調(diào)諧。壓電陶瓷用鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)，電壓范圍設(shè)置為0～100V，掃描頻率設(shè)置為4Hz，在一個(gè)掃描周期內(nèi)參考激光頻率至少改變一個(gè)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(zhuǎn)換為0～5V內(nèi)的電壓信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)所用激光陀螺工作光束均為S偏振光，調(diào)腔時(shí)需旋轉(zhuǎn)偏振片將參考光束調(diào)整為同一偏振方向，并用時(shí)間衰減技術(shù)準(zhǔn)確測定該偏振模式的損耗。實(shí)驗(yàn)過程中獲得的典型光斑與光闌中心相對(duì)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(qiáng)達(dá)到峰值時(shí)，由聲光開關(guān)快速切斷光路，諧振腔出射光強(qiáng)將呈指數(shù)形式下降，如圖9所示。根據(jù)出射光強(qiáng)自最大值下降至其1/e的時(shí)間即衰減時(shí)間，按式(3)計(jì)算損耗值[17-18]

(3)

式中，δ為諧振腔損耗值;L′為環(huán)形諧振腔光程;c為光速;τ為衰減時(shí)間。

圖9 時(shí)間衰減信號(hào)波形圖Fig.9 Cavity ring-down signal waveform

按照相同的工藝標(biāo)準(zhǔn)，在三個(gè)通道失準(zhǔn)誤差相同的要求下，利用傳統(tǒng)調(diào)腔技術(shù)和雙通道調(diào)腔技術(shù)對(duì)空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔，并進(jìn)行三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，記錄每次調(diào)腔耗時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

利用傳統(tǒng)調(diào)腔技術(shù)完成空間三軸激光陀螺調(diào)腔的平均耗時(shí)為5.3h，而利用雙通道調(diào)腔技術(shù)完成空間三軸激光陀螺調(diào)腔的平均耗時(shí)為1.7h。雙通道調(diào)腔技術(shù)使空間三軸激光陀螺的調(diào)腔耗時(shí)縮短了約70%。

表1 兩種調(diào)腔技術(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

本文針對(duì)空間三軸激光陀螺調(diào)腔步驟繁瑣、耗時(shí)較長的問題，分析了傳統(tǒng)腔損儀和傳統(tǒng)調(diào)腔方法的局限，結(jié)合空間三軸激光陀螺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了雙通道腔損儀及簡化的調(diào)腔方法，并搭建了原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，利用雙通道腔損儀和簡化的調(diào)腔方法，可使空間三軸激光陀螺的調(diào)腔耗時(shí)縮短約70%，驗(yàn)證了雙通道調(diào)腔技術(shù)的有效性。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，完成雙參考光路初始校正耗時(shí)較長，后續(xù)可通過優(yōu)化空間三軸激光陀螺固定裝置加以解決。