当前课程知识点:惯性导航原理 > 第三章 惯性仪表陀螺仪 > 3.4光学陀螺仪 > 3.4.3 激光陀螺仪
这节课由我讲解
第3章
惯性仪表陀螺仪的第4节
光学陀螺仪中的激光陀螺仪
主要解决激光陀螺仪基本结构是什么
量测原理是什么
有什么特点以及主要误差源有哪些
下面分别进行讲解
激光陀螺基本结构
与前面的萨格奈克干涉仪有些相似
但有其自身特点
激光陀螺的光源
采用的是由He-Ne气体激光器
产生的激光光源
包括激光管和电源两部分
激光管内通过抽气管
抽真空后
再通过充气管
充以氦氖混合气体
形成工作介质
它通常由高压予以激励
另外
在激光管的两端
各装有1个满足布氏角的端面镜片
以使光束具有一定的偏振方向
从激光理论可知
激光管中的工作介质在外来激励作用下
原子将从基态被激发到高能级
使得某两个能级之间实现了粒子数的反转分布
此时的工作介质
称为激活物质或增益介质
光通过激活物质时被放大
获得增益
但激活物质的长度不可能做得很长
而且光通过它时还存在损耗
所以光在一次通过激活物质时获得的增益是有限的
为了使受激辐射的光不断放大
获得足够高的增益
并使它的频率
方向偏振
相位都相同
需要有光学谐振腔才行
激光陀螺仪采用的是环形谐振腔
激光管
反射镜
包括半透反射镜
所组成的闭环光路
构成了激光陀螺仪的环形谐振腔
在环形谐振腔内
沿光轴方向传播的光子受到反射镜的不断反射
在腔内不断绕行
这样它就不断地重复通过激活物质
而得到不断放大
激光陀螺仪要求反射镜
反向散射尽可能小
因为
反向散射是会引起误差
因此
反射镜镀有多层薄膜
每层反射膜的厚度
等于所需激光波长的1/4
可使所需波长的光得到最大限度的反射
并抑制了其他波长光的反射
同时
要求光学元件尽可能少
而要构成环形光路
至少需要3个反射镜
所以常见的是
由3个反射镜
构成的三角形激光陀螺仪
和4个反射镜的方形激光陀螺仪
激光陀螺仪的半透反射镜
为一个组合镜
其下面还有有一组
合光棱镜
合光棱镜的作用
是使腔内沿相反方向传播的两束激光
经过棱镜射出后
实现两束光束的共线
以便形成干涉条纹
干涉条纹通过光敏检测器
进行信号采集
激光陀螺仪的工作原理
是基于萨格奈克效应
但从激光陀螺仪结构来看
单纯的相位差法
是无法保证量测精度的
那激光陀螺仪是如何实现高精度量测的呢
下面一起来分析下
激光陀螺仪要求谐振腔
环路周长L
正好等于所需激光波长λ的整数倍
这里的整数记作q
λ为光波的波长
用下标a代表顺时针方向的光
下标b代表逆时针方向的光
这样就使得自镜面反射回的光
形成以镜面为波节点的驻波
于是
只有所需频率或波长的光
才能在腔内形成稳定振荡
而得到不断加强
并使相位也达到同步
由波长λ与频率V的关系可得到这个式子
顺时针方向的光a
对应的频率 Va=光速c*q/La
La为顺时针方向的光a所对应光程
逆时针方向的光b
对的应频率Vb=光速c*q/Lb
Lb为逆时针方向
光b所对应光程
静止时
顺时针方向的光程
La等于逆时针方向的光程Lb
等于环路周长L
显然
顺时针方向的频率Va
与逆时针方向的频率Vb之差
△v是等于0的
当谐振腔绕着
与环路平面相垂直的轴
以角速度ω
相对惯性空间顺时针转动时
两束激光在腔内绕行一周的光程不再相等
两束激光振荡频率之差
即频差或拍频
△v等于
谐振腔环路所包围面积A的4倍
再除以λ与L的乘积
再乘以ω
式中
输入角速度ω前面的系数
我们称为陀螺仪的标度因数
可见
激光陀螺仪的输出频率差
或称为拍频
△v与输入角速度ω成正比
激光陀螺仪
就是采用有源环形谐振腔
和测频差技术来实现高精度测量的
与前面讲过的测光程差方法相比
其测量角速度的灵敏度
大约提高了8个数量级
这是因为
具有一定光程差的两束光的干涉条纹
只是比零图像横移了一段距离
而感测这一段距离的分辨率是有限的
但具有一定频率差的
两束光的干涉条纹
却是以一定的速度
向某一侧不断移动着
感测出
单位时间内通过的条纹数目
即可确定出频差的大小
后者的分辨率
显然要比前者高得多
到这里已经分析了
激光陀螺仪的基本组成和量测原理
通过分析不难得知
与传统的机电陀螺相比
激光陀螺仪具有动态范围大
瞬时启动
精度高
耐冲击振动能力强
可靠性高
直接数字输出等一系列优点
成为惯性导航系统的理想部件
与光纤陀螺相比
激光陀螺仪的工作范围很宽
精度受温度影响较小
但如何提高激光陀螺仪的使用精度
一直是惯性技术研究的热点问题之一
激光陀螺仪的主要误差源有
零偏
闭锁效应和标度因数误差等
零偏是指输入角速度为零时
两束光之间的频差
不等于零
零偏误差的主要原因是朗缪尔流效应
对朗缪尔流效应进行补偿后
仍无法完全消除
零偏是陀螺输出中
必须考虑的一项误差
闭锁指当输入角速度小于某一临界值时
陀螺输出频差为零
即对该范围内输入角速度不敏感
输出信号被自锁或闭锁
闭锁效应会降低陀螺仪的灵敏度
从而造成角速度的量测误差
产生的主要原因是
两束光中一小部分功率发生反向散射
引起两束光之间相互耦合
能量相互渗透
它们的频差小到一定程度时
这两束光的频率
就会被牵引至同步
以致引起输出信号被自锁
通过提高制造及抛光技术可以减小该误差
但无法消除
要进一步减小该误差
需要利用外部控制的常值和时变偏频
加在实际的角速度中
可使激光陀螺仪始终工作在非锁区域内
许多技术
可以产生这种偏频
包括机械抖动偏频
速率偏频
法拉第磁光效应偏频等
机械抖动偏频激光陀螺是世界上最早进入实用的激光陀螺
标度因数误差对精度的影响
是显而易见的
欲保持标度因数不变
关键是要保持谐振腔形状和尺寸的稳定性
因此
要采取措施保证谐振腔形状和尺寸
不受外界因素变化的影响
例如
采用低膨胀系数
且具有高稳定性的材料做腔体
采用光路长度自动调整装置等
上述为本节课内容
谢谢
-1.1惯性导航基本概念
--1.1.3 小节测试
-1.2惯性导航技术发展史
--1.2 知识导授
--1.2.3 小节测试
-1.3惯性导航常用坐标系
--1.3 知识导授
--1.3.1 小节测试
--1.3.2 小节测试
--1.3.3 小节测试
-2.1陀螺仪的定义及分类
--2.1.3 小节测试
-2.2刚体转子陀螺仪的基本特性
--2.2 知识导授
--2.2.3 小节测试
-2.3陀螺仪运动方程的建立
--2.3 知识导授
--2.3.1 小节测试
--2.3.2 小节测试
--2.3.3 小节测试
-2.4陀螺仪运动特性分析
--2.4 知识导授
--2.4.1 小节测试
--2.4.2 小节测试
-第二章 主观题
-3.1三浮陀螺仪
--3.1.3 小节测试
-3.2静电陀螺仪
--3.2.3 小节测试
-3.3动力调谐陀螺仪
--3.3.3 小节测试
-3.4光学陀螺仪
--3.4 知识导授
--3.4.1 小节测试
--3.4.2 小节测试
--3.4.3 小节测试
-3.5振动陀螺仪
--3.5.3 小节测试
-3.6 原子陀螺仪
--3.6.3 小节测试
-第三章 主观题
-4.1加速度计的测量原理
--4.1.3 小节测试
--4.1.5 小节测试
-4.2石英挠性摆式加速度计
--4.2.3 小节测试
-4.3陀螺积分加速度计
--4.3.3 小节测试
-第四章 主观题
-5.1基本概念
--5.1.3 小节测试
-5.2陀螺仪静态误差模型
--5.2.3 小节测试
-5.3加速度计静态误差模型
--5.3.3 小节测试
-5.4惯性仪表误差标定测试
--5.4.3 小节测试
-第五章 主观题
-6.1陀螺稳定平台功能、组成
--6.1.3 小节测试
-6.2陀螺稳定平台工作原理
--6.2.3 小节测试
-6.3陀螺稳定平台性能分析
--6.3.3 小节测试
-6.4平台式惯导系统导航原理
--6.4 知识导授
--6.4.1 小节测试
--6.4.2小节测试
-第六章 主观题
-7.1捷联式惯导系统工作原理
--7.1.3 小节测试
-7.2 四元数及坐标转换
--7.2.3 小节测试
-7.3捷联式惯导系统导航参数解算
--7.3.3 小节测试
-第七章主观题