CN101929861B - 稳定的固态激光陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种固态激光陀螺仪(100)，具有用于稳定强度以使两个逆向传播模式能够保持平衡的设备(30)，具有至少一个基于所谓的逆向传播模式来计算所述激光陀螺仪的旋转测量(Ω，IΩ)的装置(3)，所谓的逆向传播模式之间具有频率差(Δυmes)，该计算是通过假设两个逆向传播模式之间的频率差(Δυmes)仅由腔的旋转产生来实现的，所述激光陀螺仪还包括：-用于测量控制命令(Co)的装置(23)，-用于存储由用于稳定强度的所述设备(30)引起的频率偏差(Δυb)的行为模型(Mo)作为所述控制命令(Co)的函数的装置(21)，-用于基于所述控制命令(Co)的值和所述模型(Mo)来计算由用于稳定强度的所述设备(30)引起的所述频率偏差(Δυb)的装置(22)，-用于计算由所述频率偏差(Δυb)引起的所述旋转测量(Ω，IΩ)中的偏差(ΔΩb，ΔIΩb)的装置(24)，-用于补偿所述旋转测量(Ω，IΩ)中的所述偏差(ΔΩb，ΔIΩb)的装置(25)。

Description

稳定的固态激光陀螺仪

技术领域

本发明的领域是用于对旋转速度或相对角位移进行测量的固态激光陀螺仪的领域。以度表示的相对角位移，指的是所述运动物体的旋转速度作为时间对函数的积分。这种类型的装置被特别用于航空应用。

三十多年前被开发出的激光陀螺仪目前得到广泛的市场化和应用。其工作原理是基于萨格奈克效应(Sagnac effect)，其引起在被施予旋转运动的双向环形激光腔(bidirectional ring laser cavity)的相反方向上传播的两个被称为逆向传播光学发射模式之间的频率差Δυs。通常，该频率差Δυs由下面的公式获得：

Δυs＝4Aω/λL(A)

其中，L和A分别是腔的波长和面积；λ是无萨格奈克效应的激光发射波长；ω是组件的旋转速度。

两种光学模式间的频率差Δυs通过两个发射束的干涉的频谱分析进行测量。这使得以非常高的精确确定ω的值成为可能。

背景技术

现有技术

观察干涉的条件是两个方向上所发射的强度的稳定性和相对的相等性。由于模式间相互竞争的现象，获得这个不是一件容易达到的事情，该现象意味着两个逆向传播模式之一可能具有以另一模式为代价独占可利用的增益的趋势。

在固态激光陀螺仪中，该问题通过在腔中引入取决于光学模式的传播方向及其强度的光损耗来解决。其原理是根据两个发射模式之间强度的不同，通过反馈设备调节这些损耗，以便以另一模式为代价对较弱的模式进行支持，从而不断地保持两个逆向传播模式之间的平衡。

本申请人提交的专利申请FR0303645，提出了用于固态激光陀螺仪的稳定设备，该设备包括一个用于施加光损耗的反馈系统，其中光损耗取决于传播方向，并基于可逆(reciprocal)旋转、非可逆旋转和偏振三种物理效应的组合。

图1示出了根据现有技术的激光陀螺仪100的整体图。其包括环形腔1，环形腔1由至少三个反射镜11、12、13，固态放大器媒介19和用于稳定强度的设备30组成，该设备30包括偏振元件71、作用于逆向传播模式的偏振态的可逆效应设备7以及同样作用于逆向传播模式的偏振态的非可逆效应设备8，所述设备的至少一种效应是可控制的。组件71、7和8布置在逆向传播光束的传播路径上。具有固态放大器媒介19的激光陀螺仪，被称为固态激光陀螺仪。

当具有初始偏振态的光在光学组件中返程时具有与初始态不同的偏振态时，所述光学组件中存在非可逆光学效应。因此，在非可逆光学旋转器中相反方向上传播的相同光束同样会经历其偏振方向的旋转。当具有初始偏振态的光在光学组件中返程时具有与初始态相同的偏振态时，所述光学组件中存在可逆光学效应。

在腔的出口，两个光学模式5和6由重叠装置44重叠，以便产生包括两个逆向传播模式的干涉的有用信号Su，该两个逆向传播模式的频率Δυmes等于两个光学模式间的频率差。激光陀螺仪还包括用于确定激光陀螺仪旋转测量值的装置3。测量激光陀螺仪的旋转意味着测量代表激光陀螺仪的旋转的量。即，例如，测量激光陀螺仪的旋转速度Ω(用rad.s^-1表示)或者用rad表示的激光陀螺仪的相对角位移IΩ(对应于旋转速度对时间的积分)。该测量装置3包括，例如，用于测量两个模式间的频率差的光电二极管。基于公式A，根据所测量的频率差υmes计算激光陀螺仪100的旋转速度Ω。

作为变体，装置3包括用于从在一个方向和另一个方向上通过的条纹(与两个模式间的频率差相关)的数目来测量速度和旋转方向的装置。例如，该装置3具有例如两个相对于干涉信号的条纹正交布置的光电二极管。

通过在时间上对旋转速度的测量结果进行积分来计算角位移。

在现有技术中计算激光陀螺仪的旋转测量结果时，假设两个逆向传播模式间的频率差完全取决于激光陀螺仪的旋转(萨格奈克效应)。

这些光束5和6的一部分通过两个半反射盘43被采样，并被传送到两个光电探测器42。也可以通过使用第二输出耦合器在腔的出口直接测量光束5和6的强度(本例中第一输出耦合器仅用于测量干涉信号)。

由这两个光电探测器传递的信号代表这两个逆向传播模式5和6的发光强度。该信号被传送到反馈电子模块4，该模块基于接收信号的强度驱动可变效应设备(图上的虚箭头)。和偏振设备71一起，这将导致两个逆向传播光束的偏振态的变化。这些偏振态的变化从而将导致逆向传播光学模式5和6中不同的光损耗。如果一束光比另一束光具有较大的发光强度，则其强度将被更多地衰减，从而使输出光束回归至相同的强度水平。因此，使得双向状态强度得到稳定，并获得稳定和平衡的双向发射。

现有技术的缺点

现有技术的主要缺点是激光陀螺仪的旋转测量中存在偏差，该偏差是由用于稳定强度的设备引起的。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的即限制该偏差。

本发明涉及一种固态激光陀螺仪，所述固态激光陀螺仪具有：至少一个光学腔，其中两个所谓的逆向传播光学模式能够在彼此相反的方向上传播；设备，用于稳定强度以使得能够保持所述两个逆向传播模式的平衡，所述设备在所述腔内具有至少一个光学组件，所述光学组件包括偏振元件、作用于所述逆向传播模式的偏振态的非可逆效应设备、也作用于所述逆向传播模式的所述偏振态的可逆效应设备，用于稳定强度的所述设备具有控制装置，使得能够通过建立控制命令来控制所述可逆效应设备或非可逆效应设备的效应中的至少一个，所述激光陀螺仪还包括用于基于所述所谓的逆向传播模式来计算所述激光陀螺仪的旋转测量的装置，所述所谓的逆向传播模式之间具有频率差，用于计算旋转测量的所述装置通过假设所述两个逆向传播模式之间的所述频率差仅由所述腔的旋转引起来计算旋转测量，其特征在于所述激光陀螺仪还包括：

-用于测量所述控制命令的装置，

-用于存储由用于稳定强度的所述设备引起的频率偏差的行为模型作为所述控制命令的函数的装置，

-用于基于所述控制命令的值和所述模型来计算由用于稳定强度的所述设备引起的所述频率偏差的装置，

-用于计算由所述频率偏差引起的所述旋转测量中的偏差的装置，

-用于补偿所述旋转测量中的所述偏差的装置。

根据本发明的激光陀螺仪还具有以下特征之一，一起或单独：

-所述旋转测量是对所述激光陀螺仪的相对角位移的测量。

-所述旋转测量是对所述激光陀螺仪的旋转速度的测量。

-作为所述控制命令的函数的所述偏差的所述行为模型是线性模型。

-作为所述控制命令的函数的所述偏差的所述行为模型是表格，所述表格列举了作为所述控制命令的值的函数的所述频率偏差的多个值。

-其还包括用于测量所述腔内至少一点的温度的装置。

-用于测量温度的所述装置适于以小于5℃的误差测量温度。

-所述模型还是所述腔内一点或多点的温度的函数。

-用于测量所述控制命令的所述装置以小于或等于10^-4的相对误差测量所述控制命令。

-用于测量所述控制命令的所述装置是用于测量强度的装置。

-用于测量所述控制命令的所述装置是用于测量电压的装置。

本发明的优点

由稳定设备引起的偏差因此被限制，配置有用于稳定强度、施加取决于传播方向的光损耗的系统的激光陀螺仪的精度因此得到改善。

激光陀螺仪的操作原理

根据本发明的激光陀螺仪基于如下事实：设置腔旋转引起两个逆向传播模式间的频率差，该频率差等于这两个模式间的路径长度差。具体地，在激光器中，光束对于其在腔内所经过的路径上的相移必须是2π的倍数。该约束可表示如下：

υ＝p×c/L

其中c是光速，c/L是该激光的自由光谱间隔FSI，并且p是一个对于给定激光为固定值的整数。L是光束在腔内的传输距离，该距离通常等于腔的光学长度。

光束的频率反比于光束在腔内传输的长度，满足如下的关系：

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}=\frac{\mathrm{\Δv}}{v}$

也即是：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{\ΔvL}}{v}=\frac{\mathrm{\Δv}}{\mathrm{pc}}---\left(B\right)$

其中，ΔL是在光束的有效路径长度的改变，而Δυ是由该有效路径长度改变引起的频率改变。

现在，在一个激光陀螺仪中，萨格奈克效应引起由公式A给定的在两个逆向传播光发射模式之间的频率差Δυ。由此可推断出，在相反方向上传播的两个光发射模式之间，萨格奈克效应引起在腔内传输的距离的有效长度差。基于公式A和B，该第一有效路径长度差定义如下：

$\mathrm{\Δ}\frac{4\mathrm{A\ω}}{\mathrm{\λpcL}}=\frac{\mathrm{\Δvs}}{\mathrm{pc}}$

其中Δυs和ΔLs分别为由两个逆向传播模式之间的萨格奈克效应引起的频率差和有效路径长度差。

附图说明

在附图的帮助下，通过阅读下面非限制性地给出的描述，将更清楚地理解本发明，并且其他优点也将显而易见，其中：

图1描绘根据现有技术的激光陀螺仪；

图2描绘根据本发明的激光陀螺仪的整体图；

图3描绘根据本发明，使得可能引起依赖传播方向的损耗的设备的基本原理。

具体实施方式

图2描绘根据本发明的激光陀螺仪。图1和图2(图3也同样)中相同的元件用相同的数字标记标明，将不再重复描述。这里将尝试进行明确的描述来解释由用于稳定激光陀螺仪输出测量中的强度的设备引起的偏差的起源。

对于可逆和非可逆效应是线性偏振简单旋转的情况，图3的例子中示出了组合可逆光学效应和非可逆光学效应的原理。该图的图示描绘一个环形腔，其中能够传播两个逆向传播的光束5和6。为了更清晰起见，将两个光束5和6的传输路径分开，尽管它们是沿相同的路径朝相反的方向传播的。其上的路径方向由第一箭头描绘的外圈描绘第一光束5的传播路径；其上的路径方向由与第一箭头的方向相反的箭头描绘的内圈描绘第二光束6的传播路径。光束在各自路径上的偏振也用矢量描绘。此外，该腔还具有一个由线性偏振器71、作用于线性偏振光的偏振方向的具有可逆效应的第一元件7和同样作用于光的偏振的偏振方向的具有非可逆效应的第二元件8组成的光学组件。第一元件7按顺时针方向将光的偏振旋转α角度，并且第二元件8同样按顺时针方向将光的偏振旋转β角度。考虑第一光束5，其被线性偏振器71线性偏振，连续穿过第一和第二元件，在穿过第一元件后，其偏振方向旋转了α角度，穿过第二元件后，其偏振方向已经旋转了等于α+β的θ_clock角度。

考虑第二光束6，其被线性偏振并以与第一光束5相反的方向连续穿过第二元件和第一元件，穿过第二元件后，其偏振方向已旋转了β角度，穿过第一元件后，其偏振方向已旋转了等于-α+β的角度θ_anticlock。

用于稳定强度的设备的间接效果是它引起两个逆向传播模式的偏振态在它们在腔内传播的路径的部分上发生轻微的分离，其结果是使它们对于腔的双折射敏感。腔的双折射例如取决于诸如放大媒介19的双折射材料的存在。例如，如果放大媒介19包含残留的会导致材料各向异性的机械应力或热应力，它将是双折射的。

此外，腔的双折射也可能来自于不完美的反射镜11、12、13的存在，也就是说，它们引起两个入射光束间的相移，两个入射光束的偏振相对于平面s(垂直于入射平面的平面)有各自不同的取向。然后当光线有不同的偏振时，它们将经历不同的折射率。

在双折射材料中，折射率不唯一，而取决于光线的传播和偏振方向。众所周知，当光束穿过长度为d、折射率为n的折射材料时，任何事情可能发生，好像光束穿过有效长度deff，deff满足：

deff＝n×d

如果两个光束具有不同的偏振方向，当他们穿过或者被双折射材料反射时，它们将经历不同的折射率并因此传播不同的有效长度。

假设在根据本发明的激光陀螺仪的腔中，逆向传播光束的偏振在腔中不同，特别地，在反射镜11、12、13和放大器19处不同，将要明白当激光陀螺仪配置了用于稳定强度的设备30时，在激光腔中的双折射引起逆向传播光束间的第二有效传播长度差ΔLb(第一有效传播长度差源于萨格奈克效应)。

现在，根据公式B，两光束的第二有效传播长度差引起的这两个光束间的第二频率差，满足：

$\mathrm{\ΔLb}=\frac{\mathrm{\ΔvbL}}{v}=\frac{\mathrm{\Δvb}}{\mathrm{pc}}$

其中Δυb是逆向传播光束间的第二频率差，即由腔的双折射所引起的频率偏差。

因此，当使用装置3测量两逆向传播光束间的频率差Δυmes时，其将是由双折射材料引起的频率差和由萨格奈克效应引起的频率差的和。

Δυmes＝Δυb+Δυs

如果通过根据测量的频率差和公式A直接计算激光陀螺仪的旋转速度Ω获得激光陀螺仪的旋转测量，那么由于腔的双折射，计算得到的旋转速度将会有偏差。

基于对条纹的计数而计算的相对角位移IΩ也具有由频率偏差引起角位移偏差ΔIΩb，该频率偏差是由用于稳定强度的设备30引起的。此外，频率偏差Δυb随反馈设备传递的电流而变化，以便稳定逆向传播模式的强度。因此，该偏差是使用激光陀螺仪进行旋转测量时现有技术的固态激光器性能退化的重要原因。

为了改善固态激光陀螺仪的性能，根据本发明的激光陀螺仪包括设备，用于补偿由强度补偿设备30引起的偏差。该设备是一种用于补偿偏差的设备，该偏差是因为存在用于稳定强度的设备而由腔的双折射引起的。因此，该设备包括装置25，用于补偿在装置3执行旋转测量的过程中由腔的双折射引起的偏差。

本申请人注意到由补偿设备引起的频率偏差Δυb取决于反馈电子模块4传送到可变效应设备的驱动命令Co。

可变效应设备是非可逆效应设备8或者可逆效应设备7。为了产生一个具有可变可逆效应的设备，一种可能的解决方案包括使用一个具有双折射的设备，该设备可通过电压命令来控制。由反馈电子模块生成的命令是一个取决于两个逆向传播模式间强度差的电压命令。

为了产生一个具有可变非可逆效应的设备，一种解决方案包括使用例如具有法拉第效应、需要磁场以便操作的磁光设备和例如通过环绕法拉第效应材料的感应线圈改变该磁场。反馈电子模块建立一个取决于逆向传播光束间强度差的电流命令。

当可变效应设备是一个非可逆效应设备时，用于测量控制命令的装置23是用于测量电流的装置。该用于测量电流的装置优选地以小于或等于10^-4的相对值误差测量电流。相对值误差等于测量误差除以测量值。这样的测量由用于测量强度的常规装置执行，例如用于测量已知电阻端子上的电压的装置。这样测得的信号可以是模拟的或数字的。

当可变效应设备是可逆效应设备时，用于测量控制命令的装置23是用于测量电压的装置。该用于测量电压的装置优选地以小于或等于10^-4的相对值误差测量电压。伏特计类型的用于测量电压的常规装置，允许获得这此类型精度。

具体地，当在激光陀螺仪的角位移测量中存在的偏差漂移小于或者等于1/100度每小时时，该激光陀螺仪被称作“高性能激光陀螺仪”。当补偿该偏差时，将不会引起超过1/100度每小时的漂移。为此目的，控制命令测量的相对误差应小于或者等于10^-4。

现在将更详细描述根据本发明的固态激光陀螺仪中的用于补偿由稳定器设备引起的偏差的设备。

该设备包括装置21，用于存储由稳定强度的设备引起的频率偏差Δυb的行为模型Mo，作为控制命令Co的函数。此外，激光陀螺仪还包括：装置22，用于基于控制命令Co和模型Mo来计算由稳定强度的设备引起的频率偏差Δυb；装置24，用于计算在由装置3执行的旋转测量中引起的偏差；以及装置25，用于补偿由腔的双折射引起的偏差，使得激光陀螺仪的输出测量Ωs或IΩs是其中由用于补偿频率的设备引起的偏差已被校正的激光陀螺仪的旋转的测量。用于计算由稳定强度的设备引起的频率偏差的装置22基于控制命令Co的值和偏差的行为模型Mo来计算频率偏差Δυb，其中控制命令Co的值由用于测量控制命令Co的装置23测量，偏差的行为模型Mo为控制命令Co的函数。

模型Mo包括例如表格，该表格列举了针对多个控制命令Co值的偏差值。作为一个变体，模型对应于基于表格建立的模型，同时作为控制命令的函数对偏差的行为进行近似。例如，偏差的行为模型可以是线性模型。

在工厂由常规校准技术建立对应于频率偏差的行为模型Mo的表格。

基于频率偏差，装置24计算激光陀螺仪的旋转测量中的偏差ΔΩb或者ΔIΩb。

在例子中，用于计算旋转测量的装置3计算角速度测量Ω，装置24基于公式A将该频率偏差Δυb转换成角速度偏差ΔΩb。

在旋转测量作为相对角位移IΩ的例子中，将角速度偏差ΔΩb作为时间的函数进一步进行积分，以便给出角位移偏差ΔIΩb。

作为非限制性范例，该范例中偏振分离的典型值为0.1mrad，并且反射镜的s和p平面间的典型相移为1度的量级，旋转速度偏差为100deg/h的量级。

用于补偿由稳定强度的设备引起的偏差的装置25，从旋转速度测量Ω或者相对角位移IΩ，分别减去旋转测量中的旋转速度偏差ΔΩb或者相对角位移偏差ΔIΩb，以便获得输出旋转测量S，该旋转测量S分别是补偿的旋转速度Ωs或者补偿的相对角位移IΩs。

由装置3、21、22、23、24和25形成的组件是用于基于逆向传播模式来计算激光陀螺仪的输出旋转测量的装置。该输出旋转测量是补偿的旋转测量，也就是说，其中由稳定强度的设备引起的偏差至少部分被校正。

在本发明的优选实施例中，由稳定强度的设备引起的偏差的校正模型在激光腔内布置的一个或多个温度传感器的协助下得到改善。例如，腔内的温度变化，会引起所使用的法拉第材料的膨胀或收缩，因此会改变非可逆旋转的值并因此产生偏差。

为此目的，根据本发明的激光陀螺仪包括用于测量腔内的一个或多个点的温度的装置，该装置包括一个或多个用于测量腔内各个点温度的装置。作为控制命令的函数的频率偏差的行为模型还是腔内温度的函数。

优选地，测量温度的装置对温度的测量误差小于5℃。常规的温度传感器即可提供这样的精度。这样的传感器普遍用于惯性导航设备(特别是气体激光陀螺仪)。这样，即可提供所谓的“高性能”的固态激光陀螺仪。

使用具有可逆旋转效应的设备、具有非可逆旋转效应的设备和偏振器，配置有用于稳定强度的设备的固态激光陀螺仪的惯性性能因此得到改善。

本专利申请中描述的计算装置是例如软件类型或者硬件类型的数字计算装置。

Claims (11)

1.一种固态激光陀螺仪(100)，具有：至少一个光学腔(1)，其中两个所谓的逆向传播光学模式(5，6)能够在彼此相反的方向上传播；设备(30)，用于稳定强度以使得能够保持所述两个逆向传播模式的平衡，所述设备(30)在所述腔内具有至少一个光学组件，所述光学组件包括偏振元件(71)、作用于所述逆向传播模式的偏振态的非可逆效应设备(8)、也作用于所述逆向传播模式的所述偏振态的可逆效应设备(7)，用于稳定强度的所述设备(30)具有控制装置(4)，使得能够通过建立控制命令(Co)来控制所述可逆效应设备(7)或非可逆效应设备(8)的效应中的至少一个，所述激光陀螺仪还包括用于基于所述所谓的逆向传播模式来计算所述激光陀螺仪的旋转测量(Ω,IΩ)的装置(3)，所述所谓的逆向传播模式之间具有频率差(Δυmes)，用于计算旋转测量(Ω,IΩ)的所述装置(3)通过假设所述两个逆向传播模式之间的所述频率差(Δυmes)仅由所述腔的旋转引起，来计算旋转测量(Ω,IΩ)，其特征在于所述激光陀螺仪还包括：

-用于测量所述控制命令(Co)的装置(23)，

-用于存储由用于稳定强度的所述设备引起的频率偏差(Δυb)的行为模型(Mo)作为所述控制命令(Co)的函数的装置(21)，

-用于基于所述控制命令(Co)的值和所述模型(Mo)来计算由用于稳定强度的所述设备(30)引起的所述频率偏差(Δυb)的装置(22)，

-用于计算由所述频率偏差(Δυb)引起的所述旋转测量(Ω,IΩ)中的偏差(ΔΩb,ΔIΩb)的装置(24)，

-用于补偿所述旋转测量(Ω,IΩ)中的所述偏差(ΔΩb,ΔIΩb)的装置(25)。

2.根据前述权利要求所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，所述旋转测量是对所述激光陀螺仪的相对角位移的测量。

3.根据权利要求1所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，所述旋转测量是对所述激光陀螺仪的旋转速度(Ω)的测量。

4.根据前述权利要求中任一项所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，作为所述控制命令(Co)的函数的所述偏差的所述行为模型(Mo)是线性模型。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，作为所述控制命令的函数的所述偏差的所述行为模型(Mo)是表格，所述表格列出作为所述控制命令(Co)的值的函数的所述频率偏差的多个值。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，其还包括用于测量所述腔内至少一点的温度的装置。

7.根据权利要求6所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，用于测量温度的所述装置适于以小于5℃的误差测量温度。

8.根据权利要求7所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，所述模型(Mo)还是所述腔内一点或多点的温度的函数。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，用于测量所述控制命令(Co)的所述装置(23)以小于或等于10^-4的相对误差测量所述控制命令。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，用于测量所述控制命令的所述装置(23)是用于测量强度的装置。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的固态激光陀螺仪(100)，其特征在于，用于测量所述控制命令的所述装置(23)是用于测量电压的装置。