CN100424470C - 一种激光陀螺调腔方法及其使用的光路程长控制镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光陀螺调腔方法及其使用的光路程长控制镜，本发明调腔方法在激光陀螺增益介质处于激励状态进行，对角度控制元件的两组共4个控制单元分别加载锯齿波电压，在一个二维空间全面扫描闭环光路，同一组相对2个控制单元为同频率反相电压，两组控制单元电压频率相互差10倍，陀螺输出光强最大的扫描电压就是达到最佳闭环谐振光路的调腔电压。光路程长控制镜由槽片、角度控制元件、匹配环和程长控制元件组成，槽片上设置球面反射镜的中心柱可相对于外环偏转，角度控制元件为4象限结构，控制中心柱在两个相互垂直方向偏转，程长控制元件为层状结构，控制中心柱轴向位移。本发明调腔方法符合陀螺实际工作状态，可实现三轴或单轴激光陀螺高精度调腔，调腔时间短，精度高，工作可靠。
Description
技术领域
本发明涉及有源腔激光陀螺的高精度调腔，特别是高集成度的共用六个反射镜的三轴激光陀螺的高精度调腔。
背景技术
激光陀螺的调腔就是调整构成环形回路的数个(三个或三个以上)反射镜的反射方向，使其成为一个闭环的谐振腔，并使该谐振腔具有最大的增益和最小的损耗。传统的调腔方法是采用参考光辅助调腔，它通常是利用球面反射镜镜片上不同点的反射方向不一样来控制光路，使参考光在陀螺腔体内形成谐振来实现调腔的目的。但这种传统调腔方法的基准是从外部引入参考光进行调腔，调腔时腔体所处的状态与充有工作气体的激光陀螺在增益介质处于激励状态下的实际工作状态存在明显差异，这就不可避免的存在诸多缺点：1.调腔时向陀螺腔体输入的一路参考光与腔体的光路孔可能不完全同轴，产生偏差。2.调腔过程是在大气环境下进行的，而有源腔激光陀螺处于实际工作状态时，腔内为低气压，因此实际工作状态时镜片内外的压差与调腔时的内外压差差别较大(二者约相差1atm)，这会引起反射镜片(主要是具有薄底结构的腔长控制镜)的微小变形，使环路中镜片上的各反射点与调腔时的各反射点不一致。3.调腔过程是针对一个未充工作气体的无源腔进行的，不可能涉及到实际工作状态时增益区段的增益特性，因此二者的闭环谐振腔实际存在差异。4.在三轴激光陀螺中(如图1所示)，由于三个陀螺共用六个反射镜片，每个反射镜要负责两个相互正交的激光陀螺，当改变其位置对其中一个需要改变的激光陀螺的光路进行调整时，势必要影响到另一个不需要改变的激光陀螺的光路。三个陀螺相互交织在一起，很难通过有限的人工调整达到最佳的反射镜片位置，不能使三个激光陀螺的光路同时处于相对最理想的闭合环路。
发明内容
本发明目的是为了解决上述传统调腔方法存在的问题，提出一种在激光陀螺的实际工作条件下，即增益介质处于激励状态下仍能调腔(或称在线调腔)，并可对陀螺腔内所有闭环回路进行全面扫描，以确定最佳光路、形成一个最佳闭环谐振腔的调腔方法，特别是解决上述传统调腔方法难以解决的空间正交三轴激光陀螺调腔的技术难题。
为实现本发明目的采用的技术方案是：
调腔时使光路程长控制镜角度控制元件的以角度控制元件中心对称的4个相互独立的象限中两两相对的2个象限组成的两组控制单元分别与激光陀螺的光路环形腔平行和垂直，在激光陀螺增益介质处于激励的状态下对光路程长控制镜的角度控制元件的各个控制单元加载扫描电压，且加载在角度控制元件同一组两个控制单元上的扫描电压为同频率反相电压，使光路程长控制镜的球面反射镜在一个二维空间内对闭环光路进行全面扫描，用光电探测器检测激光陀螺的输出光强，输出光强最大时加载的扫描电压就是达到最佳闭环谐振光路的调腔电压。
本发明方法在调腔扫描时加载的扫描电压最好为锯齿波电压。
本发明方法在调腔扫描时加载在以角度控制元件中心对称的两两相对的2个控制单元分别组成的两组控制单元上的扫描电压频率相互差10倍。
为实现本发明的调腔方法专门设计了一种全新的光路程长控制镜代替已有技术常用的激光陀螺控制镜，这种新的光路程长控制镜由槽片、角度控制元件、程长控制元件和匹配环组成，槽片具有一个在外力作用下易产生相对于槽片外环的平移或偏转的中心柱，球面反射镜设置在该中心柱上，由上下表面皆镀有导电银膜、均匀分布且相互独立的4个象限构成的压电陶瓷角度控制元件设置于槽片中心柱的底部，可使槽片中心柱沿其轴向产生位移的层状结构压电陶瓷程长控制元件设置于角度控制元件底部，材质和厚度与角度控制元件相同，且其上表面开有与角度控制元件的4个象限相对应的4条用于穿引导线的径向细浅槽的匹配环设置于槽片与程长控制元件的外环之间，并与角度控制元件同轴。
本发明的优点是在激光陀螺增益介质处于激励的状态下进行调腔，符合激光陀螺的实际工作状态，完全克服了巳有技术用参考光在大气环境下进行调腔带来的各种缺陷，特别是对三轴激光陀螺能实现高精度调腔，解决了已有技术难于解决的调腔技术难题。本发明设计的光路程长控制镜具有由4个独立象限构成的压电陶瓷角度控制元件，在4个象限分别加载扫描电压控制光路程长控制镜的反射方向来进行调腔，且加载在以角度控制元件中心对称的两两相对的2个象限分别组成的两组控制单元上的扫描电压分别为同频率反相电压，而两组控制单元上的扫描电压频率相互差10倍，使光路程长控制镜的球面反射镜在一个二维空间内对闭环光路进行扫描，实现了对激光陀螺谐振回路的全面扫描调腔，调腔时间短，精度高，工作可靠。
附图说明
图1是本发明用于三轴激光陀螺调腔的光路示意图；
图2是本发明的光路程长控制镜上的角度控制元件立体示意图；
图3是本发明的光路程长控制镜结构示意图；
图4是本发明在光路程长控制镜的角度控制元件上加载扫描电压时反射镜方向发生变化的示意图；
图5是本发明用于三轴激光陀螺的扫描调腔控制框图；
图6是本发明加载在同一组角度控制元件上的一对锯齿波电压信号V-t图。
具体实施方式
下面结合附图并以正交三轴激光陀螺的扫描调腔实施例进一步说明本发明的光路程长控制镜结构及用其调腔的方法。
如图1所示，三个相互正交的环形光路共用六个反射镜，其中反射镜A、C、D是输出镜，反射镜B、E、F是本发明设计的光路程长控制镜(或称程长角度控制镜)，每个镜片同时供两个环路使用。本发明设计的光路程长控制镜结构如图3所示，槽片1是用熔石英或微晶玻璃材料制作，其球面反射镜面在中心柱上，且中心柱在外力作用下较容易产生相对于槽片外环的平移或偏转。设置于槽片1中心柱底部的角度控制元件(或称光路控制元件)2是在一块压电陶瓷上加工成的相互独立的4象限结构(如图2所示)，其上下表面镀有导电银膜，通过在不同象限上加载不同的调腔电压，可以分别控制每个象限的厚度，从而使槽片中心柱产生角度偏转(如图4所示)。同时以角度控制元件中心为对称中心，将4个象限中两两相对的2个象限作为一组控制单元，两组控制单元分别用于控制槽片中心柱在两个相互垂直方向的角度偏转，使光路程长控制镜的球面反射镜在一个二维空间内对闭环光路进行全面扫描。在实施本发明方法时，在角度控制元件同一组控制单元的2个象限加载上频率相同但相位相反的扫描电压，位于槽片1中心柱上的反射镜就会在其原法线方向两侧±θ角范围内进行扫描(如图4所示)。设置于角度控制元件底部的程长控制元件3为层状结构压电陶瓷，通过对其加载控制电压，可使槽片中心柱沿其轴向位移，使闭环光路发生改变。在槽片1与程长控制元件3之间设置一个匹配环6，其材质和厚度与角度控制元件2完全相同，其上表面开有与角度控制元件2的4个象限相对应的4条径向细浅槽，以便对角度控制元件2加载扫描电压的4条控制线从槽中穿过。
在实施本发明方法时，将角度控制元件2的两组控制单元分别与激光陀螺的光路环形腔平行和垂直(对正交三轴激光陀螺就是分别与两正交光路环形腔平行)。在进行调腔扫描时，在水平方向的一组控制单元加频率为f的锯齿波扫描电压，而在垂直方的一组控制单元向则加k倍频或1/k倍频的锯齿波扫描电压(其中k反映了扫描的细度)，这样就能将反射镜的所有角度都扫描到。假设激光陀螺腔体贴片面的光学加工精度优于±2″，因此将角度控制元件的扫描范围确定在±2″。若在两组控制单元(即在两个相互垂直方向)上采用相互差10倍频的扫描电压，则两次扫描的角间距为0.4″，而偏离最佳角度的最大可能值是0.2″，这一偏离角度值在曲率半径为8m的球面反射镜上的位置差约0.008mm，很容易被球面反射镜的自调能力所修正。因此，只需在两组控制单元上加载相互差10倍频的扫描电压，就能对闭环光线进行较为仔细的搜索。若需要更精密的控制参数，则可在上述扫描结束并获得相应的最佳控制参数后，再改变电压和频率参数，在该组参数附近进行一次小范围的精细扫描。
实施本发明方法寻找最佳闭环光路时，给激光陀螺增益介质加上激励工作电压，并根据图5所示的扫描控制框图由锯齿波发生器4产生6路逐级10倍频的扫描电压，最好为锯齿波电压，每路电压分别由电压放大器5放大，并由同一组放大器的正、负端进行正向和反向输出，正向和反向输出电压分别加载在角度控制元件2的一组控制单元的2个象限上。在3个光路程长控制镜的6组控制单元上分别加载6对频率相同，相位相反的扫描电压(如图5所示)，扫描最高频率不大于1kHz，本实施例将最高一对扫描频率定为100Hz，其扫描周期为0.01秒，其它5对频率按10倍的关系逐次递减，扫描周期依次递增为0.1、1、10、100、1000秒。这样，只需1000秒时间，就可完成对三个正交陀螺所有闭环光路的全面扫描。调腔其间，用光电探测器同时检测三个陀螺的输出光强，并由计算机将各路扫描电压和输出光强自动采集保存并自动记录。当输出光强最大(对三轴激光陀螺是三个陀螺的输出光强同时最大或三路光强的乘积最大，而对单轴激光陀螺即指该陀螺输出光强为最大)时加在所有控制单元上的扫描电压就是调腔至最佳闭环谐振光路所需的控制电压。最后，在各控制单元上加上这一组控制电压，就完成了一次高精度的陀螺腔体调腔。
实施本发明时，最好配有光路稳定系统，并选择品质好的压电陶瓷材料，以消除在某一电压下压电陶瓷的伸缩量及加载电压过程对调腔结果的影响。
本发明的调腔方法既可用于空间正交三轴激光陀螺的调腔，也可用于单轴激光陀螺的调腔。
Claims (4)
1. 一种激光陀螺调腔方法，其特征是使光路程长控制镜角度控制元件的以角度控制元件中心对称的4个相互独立的象限中两两相对的2个象限组成的两组控制单元分别与激光陀螺的光路环形腔平行和垂直，在激光陀螺增益介质处于激励的状态下对光路程长控制镜的角度控制元件的各个控制单元加载扫描电压，且加载在角度控制元件同一组两个控制单元上的扫描电压为同频率反相电压，使光路程长控制镜的球面反射镜在一个二维空间内对闭环光路进行全面扫描，用光电探测器检测激光陀螺的输出光强，输出光强最大时加载的扫描电压就是达到最佳闭环谐振光路的调腔电压。
2. 根据权利要求1所述的调腔方法，其特征在于加载的扫描电压为锯齿波电压。
3. 根据权利要求1所述的调腔方法，其特征在于加载在以角度控制元件中心对称的两两相对的两组控制单元上的扫描电压频率相互差10倍。
4. 一种用于权利要求1所述激光陀螺调腔方法的光路程长控制镜，其特征在于它是由将球面反射镜设置于在外力作用下易产生相对于槽片外环的平移或偏转的中心柱上的槽片[1]，设置于槽片[1]中心柱底部的由上下表面皆镀有导电银膜、均匀分布且相互独立的4个象限构成的压电陶瓷角度控制元件[2]，设置于角度控制元件[2]底部可使槽片中心柱沿其轴向产生位移的层状结构压电陶瓷程长控制元件[3]和设置于槽片[1]的外环与程长控制元件[3]之间的材质和厚度与角度控制元件[2]相同并与角度控制元件(2)同轴，且其上表面开有与角度控制元件[2]的4个象限相对应的4条用于穿引导线的径向细浅槽的匹配环[6]组成。
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