CN101036035A - 标度因子稳定的固态激光陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量旋转速度和角位置的固态激光陀螺仪，特别是用于航空工程领域。陀螺仪的性能取决于标度因子(S)的稳定性，标度因子为4A/λ·L，其中L和A分别是激光腔的长度和面积，且λ为没有萨格奈克效应的激光辐射平均波长。对于传统的气体激光器，标度因子的每个参数是以温度独立的方式选择的。固态激光器非常不同于气体激光器，也不能以同样的方式对待。本发明基于标度因子的整体保护提供激光腔光学结构，其中每个参数是温度的变量。本发明公开的这种结构可以避免光学模跳，还公开了用以证明本发明原理可应用于标准材料的几个数字实例。

Description

标度因子稳定的固态激光陀螺仪

技术领域

本发明的领域涉及用于测量旋转速度和角位置的固态激光陀螺仪。这种仪器特别用于航空应用。

背景技术

在大约三十年前发展起来的激光陀螺仪目前具有厂泛的市场和应用。它的工作原理是基于萨格奈克效应(Sagnac effect)，包括在相对的方向传播的两个光学辐射模(optical emission modes)之间的频率差Ω，光学辐射模也称为在旋转驱动下的双向环形激光腔的相反传播模。传统的频率差Ω满足：

其中S＝4A/λ·L

其中S称为激光陀螺仪的标度因子。L和A被分别称为激光腔光学长度和面积，λ为在没有萨格奈克效应下激光辐射的平均波长，且

为激光陀螺仪的角旋转速度。

通过对两束光振动的光谱分析来获得的对Ω的测量，可能以非常高的精度确定

值。

通过电学方法计算角度位置变化过程中移动通过的振动条纹(beat fringes)，也可确定设备角度位置的相对值。

确定激光陀螺仪性能的一个因素是它的标度因子S的稳定稳定性。

在氦/氖型气体激光器中包括激光腔和由氦氖气体混合形成的放大介质，标度因子的温度稳定性取决于波长、激光腔的光学长度和面积的综合稳定性。激光腔面积的稳定性是通过使用由非常小的膨胀系数如Zerodur的材料形成的切片的腔支撑物来获得的。激光波长的稳定性是由原子辐射波长的稳定性决定的。腔的光学长度取决于腔的长度和随温度变化的光学指数。它的稳定性通过控制腔的长度对应于所用的原子谱线来保证。控制是由压电楔装置(piezoelectric wedge)实现的，误差信号由激光发射的光强提供。

然而，放大介质的气态本性是激光陀螺仪制造过程中技术复杂的原因，特别是所需的高气体纯度。再者，它导致激光过早磨损，这种磨损特别是由于气体泄漏，电极损坏以及使用的用于建立粒子群反转的高电压。

目前，可以制造在可见光或近红外工作的固态激光陀螺仪，例如通过使用如搀钕(neodymium-doped)的YAG(钇铝石榴石Yttrium-Aluminium-Garnet)晶体代替氦氖气体混合物，光学泵作用是由激光工作在近红外的激光二极管实现的。半导体材料、晶体矩阵或搀属于稀土族(铒、钇等)离子的玻璃也可用于放大介质。放大介质气态的所有内在问题实际上可以被消除。

然而，激光器中的放大介质不再是气体而是固态，标度因子的稳定性不能由用于气体激光器的处理方法保证。

特别是，放大介质增益曲线的最大值频率随温度变化有很大的变化。例如钕/YAG型激光器在-50度和+100度的温度范围内、在波长1.06微米时，频率变化等于-1.3千兆赫/度。

已知激光腔的自由光谱间隔对应于能分开在腔内振荡的两个频率的光谱间隔。它等用c/L，c为真空中的光速。事实上，在传统尺寸的腔的情况下，也就是说光学长度L等于几十厘米，在固态激光器情况下，增益曲线的光谱宽度相对于自由光谱间隔很大。典型的增益曲线光谱宽度代表几十个自由光谱间隔。在这些条件下，由于这些变化不再有显著意义，当长度L改变时，不再可能建立该腔的长度的控制，且将增益曲线的变化作为误差信号。

而且，光学长度随温度的变化在固体比在气体更大。实际上，由于温度造成的几何长度的变化与光学指数的变化混合作用，这种变化在浓密介质中非常大。结果，更难以使用标准的压电楔对它们进行补偿。

为了避免需要温度补偿标度因子，在激光腔上设置温度传感器可以用于确定温度，然后，根据数学模型，对应于测量温度的标度因子的变化可由此推导出。也可以在角度旋转速度计算中引进这种变化。然而，经验证明，模型目前不足够精确，不能获得满意的精度。

在固态激光腔领域，美国专利US 6614818提出一种光学结构，其通过整体补偿温度漂移而没有模跳来保护辐射模。该结构基于对辐射模数n的保护，n由下式给出：

$n\≈\frac{v.L}{c}$ 其中v为激光器的放大介质增益曲线最大值的频率，L为腔的光学长度。

为了保护该模数，使它满足作为温度函数的变化应为零，由此产生下面的数学关系：

$\frac{1}{v}\·\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}+\frac{1}{L}\·\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dT}}=0$

当它代表补偿标度因子的变化时，这种关系不能应用，这与保护辐射模频率是不同的问题。特别是，在保护标度因子的同时可能有辐射模跳。

发明内容

本发明提出一种基于标度因子整体保护的光学结构，每个参数能随温度改变。

更精确地说，本发明的主题是一种激光陀螺仪，其包括光学长度为L、面积为A的至少一个环形腔以及固态介质，上述参数设计成以下方式，即平均波长λ的两个光学波在腔内相对的方向传播，激光陀螺仪的标度因子S等于

其特征在于，平均波长λ的变化、作为温度T的函数的面积A和光学长度为L的数量的变化使标度因子S随着温度T的变化保持基本恒定。

有利地，腔具有几何周长L₀，所述腔包括至少一个光学元件i，i是从1到光学元件的所有数量之间的整数指数，光学元件i的长度为L_i，光学指数为n_i，x_i等用比率

为光学元件i的光学指数n_i作为温度T的函数的系数变化，α_i为光学元件i的线性膨胀系数，α₀为光学元件i的用于支撑腔的材料的线性膨胀系数，v为放大介质的中心辐射频率，且 为所述频率作为温度函数的系数变化，所述光学元件和放大介质设计为基本满足下列关系：

$(2\·{\mathrm{\α}}_0+\frac{1}{v}\·\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}})[1+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)x_i]-{\mathrm{\α}}_0-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)x_i\·{\mathrm{\α}}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}{x}_i=0$

有利地，为防止光学模跳发生，光学元件和放大介质设计为基本且同时满足下列关系：

${\mathrm{\α}}_0=-\frac{1}{v}\·\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}$

以及

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}-(n_i-1)\·({\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_i)]x_i=0$

最后，腔包括至少一种材料，其中作为T的函数的光学指数的系数变化是负的。并且，腔包括至少一个和多个温度传感器，而且，激光陀螺仪可以包括与所述温度传感器相连的电子处理单元，这使得计算作为标度因子温度函数的剩余变化成为可能。

本发明还涉及一种角速度或角测量系统，其包括如前所述的至少一个激光陀螺仪。该系统包括三个激光陀螺仪，将激光陀螺仪腔定向，从而在三个独立方向进行测量。

附图说明

通过阅读以下描述，并非限制，且结合附图1，可以更好地理解本发明，且本发明的其它优点也变得更加清楚，其中，

图1表示根据本发明的激光陀螺仪的基本图。

具体实施方式

图1表示根据本发明的激光陀螺仪的基本图。它包括：

·腔1由第一材料制成，且包括几个反射镜2、3和4，以及部分反射镜5；

·放大介质6；

·至少一个长度为L7的光学元件7；

·总的组件设计为，两个光学波能在腔内两个相对方向传播。这两个波在图1中由双线表示。这些波经过设置在腔内的不同光学元件。

·以及由点划线表示的光电测量设备8(an opto-electronicmeasurement)，使得基于从部分反射镜5来的两个相反传播的波的干涉图形的基础上的测量值计算角参数成为可能。

如上所述，具有与前注释相同的激光陀螺仪的标度因子S满足S＝4A/λ.L。

可以用相关的频率v代替波长λ。可以获得标度因子新的表达方式，其现在等于：

$S=\frac{4A.v}{c.L}$

系数H等于：

$H=\frac{A}{L_0^2},$ 其中L₀为腔的几何周长，H被称为展弦比(aspect ratio)。

H是基本独立于温度的无量纲参数。如果由腔得到的外部限定与后者对称就特别满足上述条件。表达式中的A再被HL₀ ²I替换得到S为：

$S=\frac{4H.L_0^2.v}{c.L}$

腔包括指数为i的n个光学元件，i是从1到光学元件的所有数量n之间变化的整数指数，每个光学元件i的长度为L_i，光学指数为n_i，所以，下列关系成立：

$L=L_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1).L_i$

标度因子S新的表达式可以写为：

$S=\frac{4H.L_0^2.v}{c.(L_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)L_i)}$

标度因子S作为温度函数的温度条件可以写为：

$\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dT}}=0$ 或

$(2L_0\frac{{\mathrm{dL}}_0}{\mathrm{dT}}v+L_0^2\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}})[L_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)L_i]-L_0^2\·v\·(\frac{{\mathrm{dL}}_0}{\mathrm{dT}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)\frac{{\mathrm{dL}}_i}{\mathrm{dT}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}\·L_i)=0$

在除以v.L₀ ³后，得到

$(\frac{2}{L_0}\frac{{\mathrm{dL}}_0}{\mathrm{dT}}+\frac{1}{v}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}})[1+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)\frac{L_i}{L_0}]-\frac{1}{L_0}\frac{{\mathrm{dL}}_0}{\mathrm{dT}}-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{n_i-1}{L_0}\frac{{\mathrm{dL}}_i}{\mathrm{dT}}-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}\frac{L_i}{L_0}=0$

代入 $x_i=\frac{L_i}{L_0},$ 得到下式：

$(\frac{2}{L_0}\frac{{\mathrm{dL}}_0}{\mathrm{dT}}+\frac{1}{v}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}})[1+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)x_i]-\frac{1}{L_0}\frac{{\mathrm{dL}}_0}{\mathrm{dT}}-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{(n_i-1)x_i}{L_i}\frac{{\mathrm{dL}}_i}{\mathrm{dT}}-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}{x}_i=0$

不同光学元件的膨胀系数等于： ${\mathrm{\α}}_i=\frac{1}{L_i}\frac{{\mathrm{dL}}_i}{\mathrm{dT}}.$ 通过将它们引入上述表达式，可得到下式：

$({2\mathrm{\α}}_0+\frac{1}{v}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}})[1+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)x_i]-{\mathrm{\α}}_0-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)x_i{\mathrm{\α}}_i-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}{x}_i=0$

如权利要求中所请求的表达式，称为关系式1。

在简单情况下，腔仅包括一个光学元件，该光学元件起到放大介质的作用，所述元件具有光学指数n，全长L和膨胀系数α，上述关系现在可以写为：

$({2\mathrm{\α}}_0+\frac{1}{v}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}})[1+(n-1)x]-{\mathrm{\α}}_0-(n-1)\mathrm{\αx}-\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}x=0$

这时，x因此等于

$x=\frac{{\mathrm{\α}}_0+\frac{1}{v}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}}{\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}+(n-1)(\mathrm{\α}-{2\mathrm{\α}}_0-\frac{1}{v}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}})}$

借助举例方式，如果放大介质是工作在1.06微米波长的钕/YAG，那么

·光学指数等于1.82；

·线性膨胀系数α等于每度7.6ppm，ppm表示百万分之一。

·作为温度函数的光学指数的系数变化等于每度7.3ppm

·频率的系数变化 等于每度-4.6ppm；

·且x表示出现在腔中的放大介质百分比。

这时，x等于

$x=\frac{{\mathrm{\α}}_0-4.6}{17.3-1.64{\mathrm{\α}}_0}$

x须位于0和1之间。因此，这能够使得材料的膨胀系数α₀应当满足：

4.6ppm.K^-1＜α₀＜8.3ppm.K^-1，因为这样才可以得到钕-YAG的适当长度，从而能使标度因子几乎独立于温度。

上述关系式1可能保持恒定的标度因子。对于某些应用，可以有利于避免由于模跳造成的激光陀螺仪操作干扰，且保护温度独立的发射模的数，因此产生下述数学关系：

$\frac{1}{v}\·\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}+\frac{1}{L}\·\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dT}}=0$

通过使用如前相同的注释，此关系式也可写为：

$[L_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)L_i]\frac{1}{v}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}+\frac{{\mathrm{dL}}_0}{\mathrm{dT}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}{L}_i+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)\frac{{\mathrm{dL}}_i}{\mathrm{dT}}=0$

在除以L₀后，变为：

$[1+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)x_i]\frac{1}{v}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}+{\mathrm{\α}}_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}{x}_i+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(n_i-1)x_i{\mathrm{\α}}_i=0$

后面的关系式称为关系式2。

关系式1和2的条件应同时满足：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0=-\frac{1}{v}\·\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}\\ \underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}-(n_i-1)({\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_i)]x_i=0\end{array}\right.$

这些条件称为关系式3和4。

如果腔只包括单一光学元件，不必满足上述关系式3和4。如果腔包括至少两个光学元件，很容易同时满足这两个关系。实际上，有两个光学元件时，关系式3和4可以写为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0=-\frac{1}{v}\·\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}\\ [\frac{{\mathrm{dn}}_1}{\mathrm{dT}}-(n_1-1)({\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_1)]x_1+[\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}-(n_2-1)({\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_2)]x_2=0\end{array}\right.$

通过举例的方式，如果材料1是Nd:YAG，作为放大介质，条件3和4变为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0=4.6\mathrm{ppm}.K^{-1}\\ 9.76.x_1+[\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}-(n_2-1)({\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_2)]x_2=0\end{array}\right.$

由于这个膨胀系数是典型的标准硼硅酸盐型玻璃，找到满足条件3的材料是可能的。

x1和x2须是正的，关系式4的意味着：

$\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}-(n_2-1)(4.6-{\mathrm{\&alpha;}}_2)<0$

该条件对于一些玻璃可以满足。通过非限制性实施例，肖特公司(Schott company)参考玻璃PK51A的特性是：

α₂＝12.7ppm.K^-1

dn₂/dT＝-7ppm.K^-1

n₂＝1.5

并且，所以， $\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dT}}-(n_2-1)(4.6-{\mathrm{\&alpha;}}_2)=-3\mathrm{ppm}.K^{-1}$ 因此满足上述条件。

对于该参考玻璃为PK51A，关系式4可以写为：

9.76·x₁-3·x₂＝0

或x₁/x₂＝0.3

例如，如果用于放大的YAG棒长度为5厘米，那么16厘米的PK51A棒允许热量补偿，腔本身由膨胀系数等于4.6ppm.K^-1的材料制成，其为玻璃的典型代表。

因此，对材料的合理选择可以大量补偿温度漂移，对标度因子和光学模起作用。

当然，在膨胀系数或作为温度函数的光学指数的系数变化不是完美线性的情况下，且温度在腔外壳内不均匀分布的情况下，可能通过数学模型的方式改善激光陀螺仪标度因子的测量，其中该数学模型决定了作为热量变化参数的标度因子的很小变化。这时，温度传感器被放置在腔外壳内。

根据本发明的激光陀螺仪能应用到任何角速度或角测量系统。该系统特别地包括三个激光陀螺仪，其腔被定向，以能在三个不同方向进行测量，因而可以确定位置或速度的三个角分量是可能的。

Claims (7)

1.一种激光陀螺仪，包括光学长度为L、面积为A的至少一个环形腔以及固态放大介质，它们设计成以下方式，即平均波长为λ的两个光学波在腔内相对的方向传播，该激光陀螺仪的标度因子S等于

其特征在于，平均波长λ的变化、作为温度T的函数的面积A和光学长度L的数量变化使标度因子S随着温度T的改变基本保持恒定。

2.如权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述腔具有几何周长L₀，所述腔包括至少一个由光学波横穿的光学元件，i是从1到光学元件的所有数量之间变化的整数指数，光学元件i的长度为L_i，光学指数为n_i，x_i等于比率

为光学元件i的光学指数n_i的温度T的函数的系数变化，α_i为光学元件i的线性膨胀系数，α₀为腔的构成材料的线性膨胀系数，v为放大介质的中心辐射频率，且

为所述频率作为温度函数的系数变化，所述光学元件和放大介质设计为基本满足下列关系：

$(2.{\mathrm{\&alpha;}}_0+\frac{1}{v}\&CenterDot;\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}})[1+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}(n_i-1)x_i]-{\mathrm{\&alpha;}}_0-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}(n_i-1)x_i\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_i-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}{x}_i=0.$

3.如权利要求2所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述光学元件和放大介质设计为基本和同时满足下列关系：

${\mathrm{\&alpha;}}_0=-\frac{1}{v}\&CenterDot;\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dT}}$

和

$\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}[\frac{{\mathrm{dn}}_i}{\mathrm{dT}}-(n_i-1)({\mathrm{\&alpha;}}_0-{\mathrm{\&alpha;}}_i)]x_i=0.$

4.如前述权利要求之一所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述腔包括至少一种材料，该材料作为T的函数的光学指数的系数变化是负的。

5.如前述权利要求之一所述的激光陀螺仪，其特征在于，所述腔包括至少一个温度传感器，且该激光陀螺仪包括与所述温度传感器相连的关联电子处理单元，这使得能够计算作为标度因子温度的函数的剩余变化。

6.一种角速度或角测量系统，其特征在于，包括如前述任一权利要求所述的至少一个激光陀螺仪。

7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，该系统包括三个激光陀螺仪，其腔被定向，以在三个独立方向进行测量。

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