惯性技术课件14--激光陀螺 (哈工大版,1-16全)

1、lecture 13 - laser gyro1laser gyro激光陀螺激光陀螺 lecture 13 - laser gyro2outline 1. 激光陀螺简介激光陀螺简介2. sagnac 效应及其引起的光程差效应及其引起的光程差3. 激光陀螺的频差输出激光陀螺的频差输出4. 激光陀螺装配及工艺激光陀螺装配及工艺5. 激光陀螺的误差及对策激光陀螺的误差及对策lecture 13 - laser gyro31.1 激光陀螺简介激光陀螺简介机械陀螺机械陀螺: 转子式或振动式转子式或振动式 激光陀螺激光陀螺: 为满足为满足 sins 的需求的需求hio基本原理基本原理: sagnac 效应

2、效应优点优点:q 结构简单结构简单q 动态范围宽动态范围宽q 启动和响应快启动和响应快q 过载能力大过载能力大q 可靠性高可靠性高q 输出易于数字化输出易于数字化q 全固态结构形式全固态结构形式lecture 13 - laser gyro41.2 激光陀螺激光陀螺: 发展历程发展历程发展历程发展历程q 1960 - 激光器出现激光器出现q 1963 - sperry 公司研制出首台激光陀螺样机公司研制出首台激光陀螺样机q 1970s中期中期 - 精度获得突破精度获得突破, 达到惯性级达到惯性级q 1980s - 开始得到应用开始得到应用 早期研制机构早期研制机构sperrylittonhon

3、eywell:偏频方案偏频方案谐振腔形状谐振腔形状机械抖动机械抖动三角形三角形机械抖动机械抖动矩形矩形磁镜偏频磁镜偏频三角形三角形lecture 13 - laser gyro51.3 产品产品 - gg1389gg1389 - honeywell (1980)lecture 13 - laser gyro61.4 激光陀螺激光陀螺: 国内的研制情况国内的研制情况国内的研制及应用国内的研制及应用q 1970s 中后期中后期 - 开始研究和试制开始研究和试制q 1990 前后前后 - 进入应用进入应用q 1990s 中后期中后期- 应用达到高峰应用达到高峰仍面临的问题仍面临的问题:q 造价仍比较

4、高造价仍比较高q 体积仍然偏大体积仍然偏大q 不能完全满足不能完全满足 sins 的要求的要求lecture 13 - laser gyro7outline 1. 激光陀螺简介激光陀螺简介2. sagnac 效应及其引起的光程差效应及其引起的光程差3. 激光陀螺的频差输出激光陀螺的频差输出4. 激光陀螺装配及工艺激光陀螺装配及工艺5. 激光陀螺的误差及对策激光陀螺的误差及对策lecture 13 - laser gyro82.1 sagnac 干涉仪干涉仪sagnac 干涉干涉 - 激光陀螺测量的基础激光陀螺测量的基础 发现发现 - 法国物理学家法国物理学家 sagnac 于于 1913 年年

5、sm2m1m3sagnac 干涉仪干涉仪光路结构光路结构abq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, 光路光路 a 和和 b 的光程的光程lllba当干涉仪以角速度当干涉仪以角速度 相对惯性相对惯性空间旋转空间旋转, 则则 ball lecture 13 - laser gyro9m2m1m3sqab2.2 光程差光程差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:v2445cos40llvv 在分束点处的光路在分束点处的光路 a 和和 b 上的投影上的投影:845cos0lvvn当光束当光束 a 传播一周回到分束点传播一周回到分束点, 它走过了它走过了更多的光程

6、更多的光程: aanatlltvll8注意到注意到 cltaa/lecture 13 - laser gyro102.2 光程差的计算光程差的计算由上述两个方程求解由上述两个方程求解 la 和和 ta, 得到得到 )8/(1cllla类似地，对于光束类似地，对于光束 b, 有有 )8/(1clllb因此因此, 当两束光回到分束点时的光程差当两束光回到分束点时的光程差: balll222)8/()(1)4/(clcl因为光速因为光速 c 远远大于远远大于 l，所以可做近似：，所以可做近似： cll42cl44162)/(ca4lecture 13 - laser gyro112.3 michel

7、son 干涉仪试验干涉仪试验cal4光程差和输入角速度成正比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 = 600300 m2激光的波长激光的波长 = 0.7m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=0.175m，or / 4干涉条纹移动了干涉条纹移动了 1/4 个明暗条纹周期间距个明暗条纹周期间距.起决定作用的实际起决定作用的实际上是相位差上是相位差lecture 13 - laser gyro12outline 1. 激光陀螺

8、简介激光陀螺简介2. sagnac 效应及其引起的光程差效应及其引起的光程差3. 激光陀螺的频差输出激光陀螺的频差输出4. 激光陀螺装配及工艺激光陀螺装配及工艺5. 激光陀螺的误差及对策激光陀螺的误差及对策lecture 13 - laser gyro13lm4m4m1m3m23.1*环形激光陀螺环形激光陀螺(rlg): 结构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:被动式的被动式的谐振腔谐振腔 激光谐振激光谐振腔腔光程差光程差 谐振频率谐振频率差差 谐振腔的结构谐振腔的结构：q 激光管激光管 (光源光源) + 反射镜反射镜 (光路光路)q 激光管激光管 = 氦氖气体氦氖气体 +

9、断面偏振镜片断面偏振镜片lecture 13 - laser gyro14lm4m4m1m3m23.2 激光的谐振产生激光的谐振产生creating resonance:1. 介质介质q 激活的气体激活的气体q 从基态跃迁到高能态从基态跃迁到高能态q 粒子数翻转分布粒子数翻转分布2. 增益的获得增益的获得q 光束穿过激活的介质光束穿过激活的介质q 能量获得增益能量获得增益q 在闭合回路中不断获得增益在闭合回路中不断获得增益q 增益足够大增益足够大lecture 13 - laser gyro15lm4m4m1m3m23.2 激光的谐振产生激光的谐振产生3. 波长波长q 反射膜的厚度控制在反射膜

10、的厚度控制在 /4q 获得期望的波长获得期望的波长4. 相同相位相同相位q 选择回路的周长选择回路的周长q 得到同相位的驻波得到同相位的驻波5. 偏振偏振q 端面偏振镜片端面偏振镜片 lecture 13 - laser gyro16lm4m4m1m3m23.3 谐振频率谐振频率假设激光谐振腔的光路长度为假设激光谐振腔的光路长度为 l, 等于等于 q 倍的波长倍的波长 qlql激光的频率激光的频率:cvq因此因此 lqcvq当谐振腔以角速度当谐振腔以角速度 绕着谐振腔平面的法线方向旋转，则绕着谐振腔平面的法线方向旋转，则aalqcv bblqcv 频率差：频率差：lecture 13 - la

11、ser gyro173.4 谐振频率差谐振频率差频率差：频率差：abvvvbalqclqcbaballqcll)(2lqcl24lqcca24laqlla24la4kq 频差正比于输入角速度频差正比于输入角速度q 干涉条纹以相应的速度平移干涉条纹以相应的速度平移lm4m4m1m3m2lecture 13 - laser gyro18条纹条纹光检测器光检测器逆时针光束逆时针光束顺时针光束顺时针光束半透反射镜半透反射镜合光棱镜合光棱镜111.763.5*算例算例三角形的谐振腔，周长三角形的谐振腔，周长 l =3111.76mm 波长波长 = 0.6328m 测量地球转速，得到：测量地球转速，得到：

12、lav456021029. 7106328. 011176. 032/60sin11176. 04hz43. 7lecture 13 - laser gyro193.6 信号读取信号读取光检测光检测器器脉冲脉冲频率计频率计角速率角速率计数器计数器角度角度条纹条纹光检测器光检测器逆时针光束逆时针光束顺时针光束顺时针光束半透反射镜半透反射镜合光棱镜合光棱镜lecture 13 - laser gyro20outline 1. 激光陀螺简介激光陀螺简介2. sagnac 效应及其引起的光程差效应及其引起的光程差3. 激光陀螺的频差输出激光陀螺的频差输出4. 激光陀螺装配及工艺激光陀螺装配及工艺5.

13、激光陀螺的误差及对策激光陀螺的误差及对策lecture 13 - laser gyro214.1 装配装配产生激光的介质产生激光的介质：氦氖气体氦氖气体 (频谱纯度高频谱纯度高, 反反向散射小向散射小) 腔体材料腔体材料：高温熔凝的石英或陶瓷高温熔凝的石英或陶瓷玻璃玻璃 腔体周长腔体周长: 200450mm 腔体形状腔体形状：三角形或矩形：三角形或矩形装配方式装配方式：分离式或整体式：分离式或整体式 lecture 13 - laser gyro224.1 装配装配整体式激光陀螺整体式激光陀螺谐振腔同时作为激光管谐振腔同时作为激光管谐振腔充满了氦氖气体谐振腔充满了氦氖气体全反射全反射 + 一个

14、半透一个半透 光路光路:其中一个凹面全反射其中一个凹面全反射阴极和阳极阴极和阳极：双阳极：双阳极lecture 13 - laser gyro234.2 三轴整体式激光陀螺三轴整体式激光陀螺为更好地满足为更好地满足 sins 的需求的需求, 在同一块腔体材料上加工出三个谐在同一块腔体材料上加工出三个谐振腔振腔 - 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. 三角形方案三角形方案abcdefigh2. 矩形方案矩形方案abcdfe优点优点: 紧凑，紧凑，可靠可靠lecture 13 - laser gyro24outline 1. 激光陀螺简介激光陀螺简介2. sa

15、gnac 效应及其引起的光程差效应及其引起的光程差3. 激光陀螺的频差输出激光陀螺的频差输出4. 激光陀螺装配及工艺激光陀螺装配及工艺5. 激光陀螺的误差及对策激光陀螺的误差及对策lecture 13 - laser gyro255.1 零偏误差零偏误差误差源误差源:不同于机械陀螺不同于机械陀螺误差分类误差分类: 零偏零偏 - 零输入时的频差输出零输入时的频差输出 (0/h) 主要原因主要原因 - langmuir 流效应流效应lecture 13 - laser gyro265.1 零偏误差零偏误差 languir 流效应流效应 q 直流放电直流放电: 激活的原子激活的原子 阳极阳极q 阴极

16、阴极 阳极附近激活原子的密度增大阳极附近激活原子的密度增大q 形成对流形成对流: langmuir 流流q 导致对从不同方向入射的光有不同的折射率导致对从不同方向入射的光有不同的折射率q 从而导致两束光之间附加的光程差（实际是相位差）从而导致两束光之间附加的光程差（实际是相位差）q 导致两束光之间附加的频率差导致两束光之间附加的频率差lecture 13 - laser gyro275.1*双阳极的方案双阳极的方案补偿对策补偿对策: 双阳极方案双阳极方案 阳极阳极阴极阴极阳极阳极朗缪尔流朗缪尔流朗缪尔流朗缪尔流lecture 13 - laser gyro285.2 标度系数误差标度系数误差激

17、光陀螺的输出表达式：激光陀螺的输出表达式：kv lak4k 值的扰动导致误差值的扰动导致误差影响影响 k 值的因素值的因素:q 谐振腔的周长选取及控制谐振腔的周长选取及控制q 谐振腔的形状选取谐振腔的形状选取q 激光的波长激光的波长 (0.6328 / 1.15 / 3.39 m ) 小型化面临小型化面临的挑战的挑战28cm 0.010/h 510-6 12cm 0.10/h 310-4lecture 13 - laser gyro29ll0v5.3*自锁自锁: 原因原因自锁区自锁区: - -ll 典型值典型值: 3600/h 原因原因：反射镜的反向散射：反射镜的反向散射 aaaq 光束光束

18、a 产生反向散射光束产生反向散射光束 alecture 13 - laser gyro30aaa5.3 自锁自锁: 反向散射反向散射q 光束光束 a 产生反向散射光束产生反向散射光束 abbq a 和光束和光束 b 耦合耦合q 频率牵引效应频率牵引效应( b 和和 a )aa=bbq 类似地类似地, 牵引效应也存在于牵引效应也存在于 a 和和 b 之间之间=bq 最终最终 a 和和 b 的频率趋于相同的频率趋于相同, 导致零输出导致零输出lecture 13 - laser gyro3105.3 自锁自锁: 解决方案解决方案对策对策:- 减小自锁区（提高光学器件的质量和气减小自锁区（提高光学器

19、件的质量和气体介质的纯度）体介质的纯度）q 直接法直接法 - 偏频偏频 q 间接法间接法 ll0v利用偏置频率利用偏置频率0 把工作点移出自锁把工作点移出自锁区区 )(0kv0/kvlecture 13 - laser gyro320ll0v5.3 自锁自锁: 解决方案解决方案利用偏置频率利用偏置频率0 把工作点移出自锁把工作点移出自锁区区 )(0kv0/kv机械固定偏频机械固定偏频: 使陀螺以一个足够大的角速率使陀螺以一个足够大的角速率 0 绕其输入轴相对基座旋转绕其输入轴相对基座旋转 缺点缺点：增大陀螺体积：增大陀螺体积, 难以精难以精确控制确控制 0lecture 13 - laser gyro335.4 自锁自锁: 机械抖动机械抖动机械抖动机械抖动: 高频的角振动高频的角振动谐振腔按照曲线谐振腔按照曲线 1 相对基座振动相对基座振动q 当基座相对惯性空间静止当基座相对惯性空间静止vll1t谐振腔按照曲线谐振腔按照曲线 1 相对相对惯性空间振动惯性空间振动正负半周陀螺的频差输出幅值相等正负半周陀螺的频差输出幅值相等频差输出的均值为零频差输出的均值为零lecture 13 - laser gyro345.4*自锁自锁: 机械抖动机械抖动q 当基座在惯