大型激光陀螺儀的研究進(jìn)展

翟二江,郭文閣,徐學(xué)東,全秋葉,張立松,劉師彤,魏明明

(1.西安石油大學(xué)理學(xué)院,陜西 西安 710065；2.中國科學(xué)院國家授時中心時頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710600)

1 引 言

大型激光陀螺儀是精確監(jiān)測地球自轉(zhuǎn)角度速度的傳感器[1]。相比于慣性導(dǎo)航的激光陀螺儀通常的面積小于0.02 m2,對應(yīng)的周長小于0.3 m,最佳靈敏度約為5.7×10-7rad/(s·Hz1/2),性能水平足以滿足慣性導(dǎo)航要求,但對大多數(shù)地球物理應(yīng)用來說,還差幾個數(shù)量級。大型的光纖陀螺儀也可以作為測量角速度的儀器,美國的霍尼韋爾公司生產(chǎn)的光纖陀螺儀在恒溫條件下,利用閉鎖控制技術(shù),使用光纖長度為3 km的光纖陀螺測量精度達(dá)到1×10-9rad/s,在進(jìn)行溫度補(bǔ)償可以達(dá)到10-10rad/s,需要考慮溫度梯度效應(yīng)的影響,使用環(huán)境苛刻,同時測量精度也不足以滿足超高精度測量的需求[2]。由于標(biāo)度因子和靈敏度隨兩束反向傳播的激光束所包圍的區(qū)域增加,優(yōu)化標(biāo)度因子是激光陀螺儀傳感器進(jìn)行改進(jìn)的合理途徑。事實(shí)證明,研究大型激光陀螺儀設(shè)計方案是可行的。

目前國內(nèi)外研究用于測量地球參數(shù)的技術(shù)主要利用甚長基線干涉測量法(Very Long Baseline Interfermetry,VLBI)、衛(wèi)星定軌測距法、月球激光測距法、多普勒軌道法等空間大地測量技術(shù)對EOP進(jìn)行監(jiān)測[3]。這些測量技術(shù)都與地球旋轉(zhuǎn)軸沒有直接聯(lián)系,VLBI技術(shù)通過構(gòu)建模型與地球旋轉(zhuǎn)軸相連,最終精度尚不清楚。大型激光陀螺儀安裝在地球表面,是直接參照地球旋轉(zhuǎn)軸的空間大地測量裝置。大型激光陀螺儀的測量精度和穩(wěn)定性能夠測量地球旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生的微小變化量,目前國內(nèi)外設(shè)計的大型激光陀螺儀光學(xué)腔的面積從0.748 m2到367.5 m2,測量靈敏度從7.2×10-10rad/s到4.7×10-12rad/s[4]。本文主要對國內(nèi)外的大型激光陀螺儀發(fā)展和應(yīng)用狀況進(jìn)行簡要介紹,以及影響大型激光陀螺儀精度的原因和改進(jìn)方法。

2 大型激光陀螺儀設(shè)計方案

2.1 基本原理

大型激光陀螺的基本工作原理是依托于Sagnac效應(yīng)的[5]。如圖1所示,在閉合的光學(xué)環(huán)路中,將兩束相向傳播的光波從該環(huán)路中任意一點(diǎn)出發(fā),各自環(huán)形一周。令閉合光路相對于慣性坐標(biāo)系沿某一方向轉(zhuǎn)動,則兩束光會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。由于光速的不變性,兩束光到達(dá)新的光源位置所用的時間不同。

圖1 Sagnac效應(yīng)的基本原理

光束在順時針和逆時針方向傳輸所用的時間,同時可得時間差:

(1)

因?yàn)閏2?(ΩR)2,故可以忽略(ΩR)2的取值,得到(2)式:

(2)

(3)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)大型激光陀螺儀的工作原理,目前主要設(shè)計的方案分為主動式和被動式大型激光陀螺儀[6]。如圖2所示,為主動式激光陀螺儀。主動式激光陀螺儀環(huán)形腔內(nèi)部有增益介質(zhì),實(shí)質(zhì)上是雙向輸出激光束的激光器,國際上采用波長為633 nm的He-Ne激光。采用四個不銹鋼或者耐熱玻璃制成的環(huán)形回路,四個角分別放置高反射鏡,將激光束鎖定在環(huán)形腔兩個方向的共振模式上,最后探測輸出信號。

(1～4反射鏡、5～6平面鏡、7強(qiáng)度分束器、8光電探測器、9激光增益)

被動式陀螺儀環(huán)形腔內(nèi)沒有增益介質(zhì),由外部注入激光后分別鎖定到環(huán)形腔傳輸?shù)膬蓚€方向的共振模式上。如圖3所示,為被動式激光陀螺儀。

(1～4反射鏡、5～6平面鏡、7強(qiáng)度分束器、8光電探測器、9激光器)

主動式激光陀螺儀結(jié)構(gòu)相對簡單,在設(shè)計中可以避免高精細(xì)度光學(xué)腔模式以及激光反饋鎖定等復(fù)雜問題,得到在具體實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計,如在新西蘭設(shè)計建造的主動式大型激光陀螺儀C-I、C-II、G0、UG-1、UG-2和UG-3等。

但是當(dāng)陀螺儀環(huán)形腔長達(dá)米量級以后,過窄的自由光譜區(qū)頻率間隔遠(yuǎn)小于增益介質(zhì)的增益寬帶,導(dǎo)致激光模式出現(xiàn)干擾,為了避免模式干擾影響陀螺儀的測量精度,主動式大型激光陀螺儀適用于較低的光功率條件下。被動式大型激光陀螺儀不設(shè)計增益介質(zhì),可以運(yùn)行在較強(qiáng)的光束狀態(tài)下,對提升測量靈敏度的發(fā)展具有潛力,如MIT-1977、MIT-1981、USAFA-1988、Caltech均為被動式大型激光陀螺儀。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 高Q值Sagnac干涉儀

品質(zhì)因數(shù)Q是環(huán)形腔最重要的指標(biāo)之一,表示環(huán)形腔局域內(nèi)部耦合光子能量的能力大小。在高Q值環(huán)形腔的耦合體系中,微小的諧振頻差即可產(chǎn)生較大的可檢測信號,Q值影響著諧振腔的檢測靈敏度。Q值的表達(dá)式為:

(4)

其中,w為環(huán)形腔的頻率；W是腔內(nèi)存儲的光能總量；P為光子能力在單位時間內(nèi)的損耗；用dW/dt來表示；τ代表光子壽命,也就是環(huán)形腔內(nèi)單個光子的存儲時間,目前主要是從環(huán)形腔的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工工藝上面提高環(huán)形腔的品質(zhì)因數(shù)[7]。

2.3.2 尺度因子的穩(wěn)定

目前影響尺度因子穩(wěn)定性的因素主要來源于多個方面,環(huán)形腔體的形變量、增益介質(zhì)的波動等均會影響尺度因子的穩(wěn)定性,在第5節(jié)提供具體的解決方案。

2.3.3 后向散射效應(yīng)

散射光引起的模式間的耦合,主要干擾源來自反射鏡的缺陷以及表面的微塵顆粒所影響。激光束產(chǎn)生散射現(xiàn)象,針對此次影響,在第5節(jié)中提供具體的處理方案。

3 大型激光陀螺儀的發(fā)展歷程

20世紀(jì)中期,國外已經(jīng)開始研究大型激光陀螺Sagnac效應(yīng)的應(yīng)用范圍,主要用于地球科學(xué)領(lǐng)域。

1993年,德國慕尼黑大學(xué)Schreiber教授和新西蘭的學(xué)者設(shè)計建造大型激光陀螺,用于測量地球潮汐、地軸傾斜角等。1998年,在德國Wettzell天文觀測站設(shè)計了一個大型激光陀螺儀—G-ring[5],如圖4(a)所示G-ring大型激光陀螺儀的平面結(jié)構(gòu),環(huán)形腔的面積16m2,腔的品質(zhì)因數(shù)Q=3.5×1012,測得地球自轉(zhuǎn)靈敏度約10-9,并且測量定日長(Length Of Day,LOD)精度可以達(dá)到0.13 ms。

2005年,在美國的Southern California建造的大型激光陀螺—GEOsensor[9-10],如圖4(b)所示GEOsensor大型激光陀螺儀平面結(jié)構(gòu),尺寸規(guī)格為1.6×1.6m2,測量靈敏度噪聲1.08×10-10rad/(s·Hz1/2),主要用于監(jiān)測地震引起的地球參數(shù)波動,并開展用于大地科學(xué)方面的研究。

2014年,在意大利建造的大型激光陀螺儀—GP2[8],如圖4(c)所示為GP2大型激光陀螺儀平面結(jié)構(gòu),環(huán)形腔的面積2.56 m2,不銹鋼體結(jié)構(gòu),腔的品質(zhì)因數(shù)Q=4.6×1011,測得拍頻差Δf=184 Hz,采用波長633 nm的He-Ne激光束。目前此陀螺處于調(diào)試轉(zhuǎn)態(tài),后期將應(yīng)用在地球科學(xué)領(lǐng)域。

2014年,意大利的研究團(tuán)隊設(shè)計了建造大型激光陀螺儀—GINGERino[9],如圖4(e)GINGERino大型激光陀螺儀模型結(jié)構(gòu),腔體為正四面體結(jié)構(gòu),環(huán)形腔的面積12.96 m2,在400 s的積分時間下精度可達(dá)3.2×10-11rad/s。在2017年,自動運(yùn)行情況下,經(jīng)過持續(xù)采集數(shù)天的測量數(shù)據(jù),得到地震寬帶的功率譜密度為10-10rad/(s·Hz1/2),最大分辨率為3×10-11rad/s。該陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)是可以同時在不同方向上測量到地球自轉(zhuǎn)角速度的分量,從而可以綜合不同方向上的分量測量結(jié)果最終得出地球自轉(zhuǎn)角速度矢量的變化。

2019年,華中科技大學(xué)開展了大型激光陀螺儀的研究,設(shè)計1 m×1 m大型激光陀螺儀原樣機(jī)[10],如圖4(d)所示為1 m×1 m的大型激光陀螺儀平臺搭建。該激光陀螺經(jīng)過不斷的調(diào)試完善,目前儀器的測量靈敏度噪聲已降低至2.9×10-9rad/(s·Hz1/2),并在2000 s累計積分下,精度可達(dá)到了2.9×10-9rad/s。當(dāng)前該激光陀螺儀主要用于開展地球物理效應(yīng)探測等研究工作。

圖4 各種大型激光陀螺儀

目前世界上設(shè)計的大型激光陀螺儀情況如表1所示。

表1 世界各國大型激光陀螺儀

4 大型激光陀螺儀在測量地球參數(shù)(EOP)中的應(yīng)用

大型激光陀螺儀通過測量地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的Sagnac效應(yīng),然后經(jīng)過對陀螺儀測量的輸出信號進(jìn)行解調(diào),即可解算出地球自轉(zhuǎn)瞬時速度。利用光學(xué)陀螺儀精確測量地球自轉(zhuǎn)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地球固體潮觀測、旋轉(zhuǎn)地震波探測、引力磁效應(yīng)等科學(xué)研究領(lǐng)域。

目前德國在Wettzel天文觀測站設(shè)計建造的 4 m×4 m的大型激光陀螺儀—G-ring[11],在現(xiàn)階段屬于穩(wěn)定性最好的大型激光陀螺儀,角速度測量精度達(dá)到2×10-13rad/s,經(jīng)過解算后得到UT1的測量精度可以進(jìn)入0.1 ms/day的范圍。

在意大利中部的薩索國際地下實(shí)驗(yàn)室設(shè)計的大型激光陀螺儀—GINGERino[12],在無人值守的情況下,連續(xù)采集數(shù)天的測量數(shù)據(jù),得到地震帶寬的功率譜密度為10-10rad/(s·Hz1/2),最大分辨率為3×10-11rad/s,可分析地球轉(zhuǎn)動信號和平移信號之間的相關(guān)性。

5 面臨的問題以及解決辦法

大型激光陀螺儀環(huán)形腔增大必然會帶來一些問題。環(huán)形腔體的幾何形變對尺度因子的影響,環(huán)形腔受到外界因素(溫度、應(yīng)力)的影響,導(dǎo)致腔體出現(xiàn)不同程度的非線性形變。目前工程上的解決辦法是控制環(huán)形腔對角線法,進(jìn)而監(jiān)測腔體的幾何形變。在環(huán)形腔的對角線上設(shè)計FP諧振腔,通過檢測諧振腔內(nèi)光信號的頻率差來判斷對角線長度是否發(fā)生變化。當(dāng)對角線長度發(fā)生改變時,可根據(jù)檢測到的變化信號計算對角線變化的準(zhǔn)確長度,進(jìn)而判斷環(huán)形腔的變化情況,從而對陀螺儀的幾何形狀進(jìn)行調(diào)整,以穩(wěn)定標(biāo)度因數(shù)。

除此以外優(yōu)化幾何形變對尺度因子的影響常用的方法有三類:

(1)科學(xué)設(shè)計結(jié)構(gòu)、建立最優(yōu)的外形結(jié)構(gòu)并合理地使用熱膨脹變化量少的材料,減少溫度對靈敏度的影響。例如微晶玻璃和非洲花崗巖等。

(2)通過理論模型以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析,建立大型激光陀螺的靜動態(tài)溫度補(bǔ)償模型,進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償。

(3)控制陀螺儀的使用環(huán)境,使陀螺儀工作在外界因素影響不明顯或者無人為干擾的環(huán)境中。

在理想情況下,腔內(nèi)反向傳播的光束是絕對獨(dú)立的。由于腔鏡的缺陷產(chǎn)生后向散射,從而導(dǎo)致兩束光之間存在耦合,采用校正的方法也是針對高反射鏡開展。

通常抑制后向散射效應(yīng)對激光光束影響的常用方法有以下幾種:

(1)從工藝上考慮,采用超高反射率(99.999 %)的反射鏡。

(2)采用離子束濺射(IBS)技術(shù)對反射鏡進(jìn)行鍍膜,其中涂的高反射介質(zhì)膜沉積在超拋光襯底(熔融石英)上,大幅度提高了反射能力。IBS技術(shù)沉積工藝制備的鏡面涂層附著力好,雜質(zhì)少,吸收損失小。IBS技術(shù)已成為生產(chǎn)高精度光學(xué)測量所需的高反射鏡的涂層方法。

(3)從操作上考慮,采用工作波長更長的激光束。理論上,當(dāng)瑞利散射和激光波長存在一定相關(guān)性的條件下,后向散射振幅將大大降低。在較長波長的大型環(huán)形激光陀螺儀中,可以預(yù)期改善大型激光陀螺儀測量精度的性能。

6 總 結(jié)

目前大型激光陀螺儀成功的應(yīng)用于測量EOP,成為實(shí)現(xiàn)高精度測量UT1的重要技術(shù)手段。近幾年,國內(nèi)積極開展大量研究工作在光學(xué)陀螺儀的理論及應(yīng)用方面,并取得很好的成果,但是滿足高精度的應(yīng)用于地球科學(xué)需要加大應(yīng)用研究的力度和深度。雖然到目前為止,優(yōu)化幾何形變、抑制后向散射效應(yīng),為提高靈敏度帶來了可能性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,大型激光陀螺儀需要進(jìn)一步提高應(yīng)用研究水平,以滿足高精度測量地球角速度、日長變化以及月地間測量等方面涉及更多的應(yīng)用。