激光陀螺

M4
频差正比于输入角速度 干涉条纹以相应的速度平移
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3.5*算例 算例
逆时针光束 顺时针光束
三角形的谐振腔， 三角形的谐振腔，周长 L 111.76 =3×111.76mm ×
半透反射镜
条纹
波长 λ= 0.6328µm 测量地球转速，得到： 测量地球转速，得到：
光程差的计算: 光程差的计算 分束点的切向速度: 分束点的切向速度
L L 0 v = cos 45 ω = ω 4 2 4 v 在分束点处的光路 A 和 B 上的投影 上的投影:
0
ω
M3
a b
M1
L v n = v cos 45 = ω Q 8 S 传播一周回到分束点, 当光束 a 传播一周回到分束点 它走过了 更多的光程: 更多的光程 L La = L + v n t a = L + ω ⋅ t a t a = La / c 注意到 8
ω 条纹
角度
顺时针光束
计数器 光检测 器
角速率
光检测器
合光棱镜
脉冲
频率计
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1. 激光陀螺简介 2. Sagnac 效应及其引起的光程差 3. 激光陀螺的频差输出 4. 激光陀螺装配及工艺 5. 激光陀螺的误差及对策
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3.1 环形激光陀螺 环形激光陀螺(RLG): 结构
激光陀螺相对干涉仪的改进: 激光陀螺相对干涉仪的改进
M3
被动式的 谐振腔
M2
激光谐振 腔
ω M1 L M4
光程差
M4
谐振频率 差
谐振腔的结构： 谐振腔的结构： 光源) 光路) 激光管 (光源 + 反射镜 (光路 光源 光路 激光管 = 氦氖气体 + 断面偏振镜片
光检测器
合光棱镜
4A 4 × 0.11176 2 × sin 60 0 / 2 ∆V = ω = × 7.29 × 10 −5 ≈ 7.43Hz Lλ 3 × 0.11176 × 0.6328 × 10 −6
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3.6 信号读取
逆时针光束 半透反射镜
14
3.2 激光的谐振产生
3. 波长 反射膜的厚度控制在 λ/4 获得期望的波长
M3
4. 相同相位 选择回路的周长
ω M1 L M4 M2
得到同相位的驻波 5. 偏振 端面偏振镜片
M4
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15
3.3 谐振频率
M3
假设激光谐振腔的光路长度为 L, 等于 q 倍的波长 λ
16
3.4 谐振频率差
频率差： 频率差： ∆V = Vb − Va
M3
qc qc ( La − Lb )qc ∆L ⋅ qc = − = ≈ La Lb La Lb L2
ω M1 L M4 M2
4 Aω qc 4 Aq 4A L 4A = ⋅ 2 = 2 ω = 2 ω = ω = Kω c L L L λ Lλ
+
导致对从不同方向入射的光有不同的折射率 从而导致两束光之间附加的光程差 导致两束光之间附加的频率差
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5.1*双阳极的方案 双阳极的方案
补偿对策: 补偿对策 双阳极方案
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5.2 标度系数误差
激光陀螺的输出表达式： 激光陀螺的输出表达式：
v
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2.2*光程差的计算 光程差的计算
由上述两个方程求解 La 和 ta, 得到
La = L 1 − Lω /(8c) L 1 + Lω /(8c)
类似地， 类似地，对于光束 b, 有
Lb =
因此, 当两束光回到分束点时的光程差 因此 当两束光回到分束点时的光程差: L2ω /(4c) ∆L = La − Lb = 1 − ( Lω ) 2 /(8c) 2 因为光速 c 远远大于 Lω，所以可做近似： ，所以可做近似：
不同于机械陀螺
零偏 -- 零输入时的频差输出 (0/h) 主要原因 --- Langmuir 流效应
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5.1 零偏误差 – Languir 流效应
−
直流放电: 直流放电 激活的原子 → 阳极 阴极 ← 阳极附近激活原子的密度增大 形成对流: 形成对流 Langmuir 流
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5.3*自锁 原因 自锁: 自锁
∆v
− ωL
原因： 原因：反射镜的反向散射
0 ωL
ω
A’ A
ω
A
自锁区: 自锁区 -ωL～ωL 典型值: 典型值 3600/h 光束 A 产生反向散射光束 A’
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5.3*自锁 反向散射 自锁: 自锁
L2 16 ( L / 4 ) 2 ∆L ≈ ω = ω = 4Aω 4c 4c c
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2.3 Michelson 干涉仪试验
光程差和输入角速度成正比 ----- 上述公式对任何形状的闭合光 路都成立. 路都成立 Michelson 的干涉仪实验 的干涉仪实验(1925)： ： 矩形面积: 矩形面积 A = 600×300 × 激光的波长 λ= 0.7µm 测量地球的自转角速度，光程差为： 测量地球的自转角速度，光程差为： ∆L=0.175µm，or λ/ 4 ， 个明暗条纹周期间距. 干涉条纹移动了 1/4 个明暗条纹周期间距 m2
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3.2 激光的谐振产生
1. 介质
M3
激活的气体 从基态跃迁到高能态
M2
ω M1 L M4
粒子数翻转分布 2. 增益的获得 光束穿过激活的介质 能量获得增益 在闭合回路中不断获得增益 增益足够大
M4
Creating resonance:
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1. 激光陀螺简介 2. Sagnac 效应及其引起的光程差 3. 激光陀螺的频差输出 4. 激光陀螺装配及工艺 5. 激光陀螺的误差及对策
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5.1 零偏误差
误差源: 误差源 误差分类: 误差分类
A D G
2. 矩形方案
E D C
I
B
E H
A B
F C F
优点: 紧凑， 优点 紧凑， 可靠
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4.3 主要工艺突破
Cer-vit 陶瓷玻璃取代 了石英 ---- 提高了热稳定性 使用了光胶和接触焊技术 ---- 避免了氦氖气体泄露和甲醛对 气体介质的污染 反射镜涂层工艺的革新, 反射镜涂层工艺的革新 ---- 避免了涂层的变质
M2
Sagnac 干涉仪 光路结构 如果干涉仪相对惯性空间静止, 如果干涉仪相对惯性空间静止 光路 A 和 B 的光程
ω
M3
a b
Q
M1
La = Lb = L
当干涉仪以角速度 ω 相对惯性 空间旋转, 空间旋转 则 La ≠ Lb
S
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8
2.2 光程差
M2
机械陀螺: 机械陀螺 转子式或振动式 激光陀螺: 激光陀螺 为满足 SINS 的需求 基本原理: 基本原理 Sagnac 效应 优点: 优点 结构简单 动态范围宽 启动和响应快 过载能力大 可靠性高 输出易于数字化 全固态结构形式
O
H I
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3
1.2 激光陀螺 发展历程 激光陀螺:
光束 A 产生反向散射光束 A’ A’ 和光束 B 耦合 频率牵引效应( 频率牵引效应 B 和 A’ ) A’ = A B = B’ A A’ B’ B
B
ω
A
类似地, 类似地 牵引效应也存在于 A 和 B’ 之间 的频率趋于相同, 最终 A 和 B 的频率趋于相同 导致零输出
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发展历程 1960 -- 激光器出现 1963 -- Sperry 公司研制出首台激光陀螺样机 1970s中期 -- 精度获得突破 达到惯性级 中期 精度获得突破, 1980s -- 开始得到应用 早期研制机构 Honeywell: Litton Sperry 谐振腔形状 三角形 矩形 三角形 偏频方案 机械抖动 机械抖动 磁镜偏频
L = qλ ⇒ λ =
M2
ω M1 L M4
L q
激光的频率: 激光的频率
M4
Vq =
c
因此
绕着谐振腔平面的法线方向旋转， 当谐振腔以角速度 ω 绕着谐振腔平面的法线方向旋转，则 qc qc Vb = Va = Lb La 频率差： 频率差：
qc Vq = L
λ
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ω0
ω
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5.3 自锁 解决方案 自锁:
利用偏置频率ω 利用偏置频率 0 把工作点移出自锁 区
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4.1 装配
整体式激光陀螺 谐振腔同时作为激光管 谐振腔充满了氦氖气体 光路: 光路 反射镜
一个凹面反射镜 一个半透反射镜 阴极和阳极： 阴极和阳极：双阳极
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4.2 三轴整体式激光陀螺
的需求, 为更好地满足 SINS 的需求 在同一块腔体材料上加工出三个谐 振腔 ---- triad. 三轴激光陀螺的两种光路方案： 三轴激光陀螺的两种光路方案： 1. 三角形方案
起决定作用的实际 上是相位差
4A ∆L = ω c
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1. 激光陀螺简介 2. Sagnac 效应及其引起的光程差 3. 激光陀螺的频差输出 4. 激光陀螺装配及工艺 5. 激光陀螺的误差及对策
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4.1 装配
产生激光的介质： 产生激光的介质： 频谱纯度高, 氦氖气体 (频谱纯度高 反 频谱纯度高 向散射小) 向散射小 腔体材料： 腔体材料： 高温熔凝的石英或陶瓷 玻璃 腔体周长: 腔体周长 200～450mm ～ 腔体形状：三角形或矩形 腔体形状： 装配方式： 装配方式：分离式或整体式
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1. 激光陀螺简介 2. Sagnac 效应及其引起的光程差 3. 激光陀螺的频差输出 4. 激光陀螺装配及工艺 5. 激光陀螺的误差及对策
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2.1 Sagnac 干涉仪
Sagnac 干涉 --- 激光陀螺测量的基础 发现 --- 法国物理学家 Sagnac 于 1913 年
Laser Gyro
激光陀螺
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1. 激光陀螺简介 2. Sagnac 效应及其引起的光程差 3. 激光陀螺的频差输出 4. 激光陀螺装配及工艺 5. 激光陀螺的误差及对策
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1.1 激光陀螺简介
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5.3 自锁 解决方案 自锁:
对策: 对策 直接法 -- 减小自锁区 (提高光学器件的质量和气 提高光学器件的质量和气 体介质的纯度 间接法 -- 偏频 利用偏置频率ω 利用偏置频率 0 把工作点移出自锁 区
∆v
∆V = K (ω + ω 0 )
ω = ∆V / K − ω 0
− ωL
0 ωL
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4
1.3 产品 - GG1389
GG1389 -- Honeywell (1980)
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1.4 激光陀螺 国内的研制情况 激光陀螺:
国内的研制及应用 1970s 中后期 -- 开始研究和试制 1990 前后 -- 进入应用 1990s 中后期 应用达到高峰 中后期-仍面临的问题: 仍面临的问题 造价仍比较高 体积仍然偏大 不能完全满足 SINS 的要求
∆V = Kω
K 值的扰动导致误差 值的因素: 影响 K 值的因素
K=
4A Lλ
谐振腔的周长选取及控制 谐振腔的形状选取 激光的波长 (0.6328 / 1.15 / 3.39 µm ) 小型化面临 的挑战 28cm ～ 0.010/h ～ 5×10-6 × 12cm ～ 0.10/h ～ 3×10-4 ×