CN103674002B - 一种法拉第交变偏频二频激光陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学领域，涉及一种法拉第交变偏频激光陀螺。本发明法拉第交变偏频二频激光陀螺包括非共面谐振腔、四个反射镜、阴极、阳极、法拉第交变偏频组件、增益介质零磁场控制组件。其中，法拉第交变偏频组件设置在两个反射镜之间，由法拉第旋光片和交变偏频磁线圈组成，交变偏频磁线圈环绕在法拉第旋光片上。增益介质零磁场控制组件由设置在增益放电区的磁传感器和磁控制线圈组成，其中，磁传感器设置在磁控制线圈内，并接近增益放电区设置。本发明通过法拉第交变偏频组件可以实现全固态交变偏频，并通过增益介质零磁场控制组件可以降低磁场对增益介质的影响，提高陀螺精度，实现了对全固性和高精度的兼顾，具有较大的实际应用价值。

Description

一种法拉第交变偏频二频激光陀螺

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种法拉第交变偏频二频激光陀螺。

背景技术

激光陀螺作为惯性导航核心传感器受到广泛关注。由于激光陀螺都存在闭锁效应，即当外界转速相对于惯性空间小于某个速率值时，陀螺没有输出信号，为克服激光陀螺频率闭锁效应，必须采用偏频技术，任何实用激光陀螺都有相应偏频技术方案。不同的偏频技术方案要求不同的激光陀螺谐振腔及其振荡激光模式或偏振态，以适应偏频对激光振荡模式或偏振态要求，因此偏频技术方案主宰着激光陀螺技术方案。

激光陀螺偏频就是要求激光陀螺工作频率点远离锁区，使激光陀螺在工作速率范围内，由锁区引起的误差满足要求，并且能有相应消除引入偏频转动或非互易相差的方法，即偏频解调技术。

人们最早想到的方法是常值偏频，这种方法是利用较大的恒速转动或等效恒速转动，使激光陀螺工作频率点恒定地偏置于远离锁区的工作点上。可选用的方法有机械恒速转动、光学非互易相移及气体流动等，然而，要满足激光陀螺动态范围及精度，偏频等效速率必须非常高、非常稳定。假设陀螺精度为0.01°/h，偏频等效速率为500°/sec，可以得出偏频等效速率稳定度要求为：

$\mathrm{\δF}=\frac{0.01}{500\×3600}=5\×{10}^{-9}$

这是任何机械和光学方法都不可能实现的。

解决这个问题，必须采用可消除偏频的其他方法：一种是交变对称偏频技术方案，另一种是双陀螺反对称偏置偏频技术方案，即二频激光陀螺交变偏频和四频激光陀螺反对称偏置偏频方案。事实上，目前实用的激光陀螺是这两个方案直接使用或延伸。

二频激光陀螺偏频工作点没有准确的测量办法，必须采用交变偏频方案，如机械抖动偏频、塞曼偏频等。设计方案保证交变偏频过程中，正、负偏频对称或解调周期远大于偏频周期，这样可以实现理论上偏频解调。

采用常值偏频，能准确、实时检测偏频量值的四频激光陀螺，必须在同一环形腔中维持两个独立正交偏振态的陀螺振荡，并保证两个独立陀螺特性基本相同，是实现消除偏频的基本要求。

四频激光陀螺偏频利用磁光非互易效应如Zeeman效应、Faraday效应，以保证从两个陀螺信号中互相抵消偏频的影响，这种偏频是正、负对称的常值偏频方案，两个陀螺偏频量相减可以消除偏频，故又称为四频差动激光陀螺。这类激光陀螺技术方案必须保证在一个环形腔内实现两个正交偏振态陀螺独立工作，可取方法是左、右旋圆偏振光独立工作，这正好适应磁光非互易效应对左、右旋圆偏振光具有反对称特性。该技术方案主要问题是如何实现在同一谐振腔中左、右旋圆偏振光陀螺同时振荡及两个陀螺特性的反对称，还要解决谐振腔总损耗减小、损耗和色散不随温度变化等问题。

抖动偏频存在交变的机械运动，在有些场合不适合使用，法拉第常值偏频采用四频差动技术，两个垂直偏振光分别工作在增益曲线的两边，远离增益曲线中心，存在较大的色散特性。塞曼偏频利用对于增益介质的塞曼效应，实现偏频，而偏频量正比于增益介质上所外加的磁场和谐振腔工作模式的损耗。在锁区一定的情况下，提升偏频频率量必须以增加谐振腔损耗作为代价，这是陀螺精度提高的矛盾所在，另外，塞曼效应偏频陀螺工作点不处在增益曲线的中心点上，存在较大的温度误差效应。

发明内容

本发明目的是：为解决二频机械抖动激光陀螺存在的机械运动产生的对于测量轴的干扰和塞曼二频激光陀螺虽然是全固态，没有活动部件，但精度难以提高的问题，提出了一种兼顾全固态和高精度的法拉第交变偏频二频激光陀螺。

本发明的技术方案是：一种法拉第交变偏频二频激光陀螺，其包括非共面谐振腔、四个反射镜、阴极、阳极、法拉第交变偏频组件、增益介质零磁场控制组件，其中，所述法拉第交变偏频组件设置在两个反射镜之间，由法拉第旋光片和交变偏频磁线圈组成，其中，交变偏频磁线圈环绕在法拉第旋光片上，增益介质零磁场控制组件由设置在增益放电区的磁传感器和磁控制线圈组成，其中，磁传感器设置在磁控制线圈内，并接近增益放电区设置，所述阴极和阳极设置在反射镜之间。

所述增益介质零磁场控制组件距离增益放电区的距离控制在2mm之内。

所述法拉第旋光片直径在Φ5+0.5mm，厚度在10mm到15mm之间。

本发明的技术效果是：本发明法拉第交变偏频二频激光陀螺一种全固态激光陀螺，具有赖强机械环境的能力，同时通过法拉第交变偏频组件可以有效地实现全固态交变偏频，并通过设置增益介质零磁场控制组件可以有效降低磁场对增益介质的影响，提高陀螺精度，从而有效实现对全固性和高精度的兼顾，具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明法拉第交变偏频二频激光陀螺的正视图；

图2是本发明法拉第交变偏频二频激光陀螺的原理示意图，

其中，1：非共面谐振腔；2：反射镜；3：法拉第旋光片；4：交变偏频磁线圈；5：阴极；6：阳极；7：磁传感器；8：磁控制线圈；9：法拉第交变偏频组件；10：增益介质零磁场控制组件。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明：

请参阅图1，其是本发明法拉第交变偏频二频激光陀螺的正视图。所述法拉第交变偏频二频激光陀螺包括非共面谐振腔1、四个反射镜2、阴极5、阳极6、法拉第交变偏频组件9、增益介质零磁场控制组件10。所述法拉第交变偏频组件9设置在两个反射镜之间，尽量远离放电区域，由法拉第旋光片3和交变偏频磁线圈4组成。其中，法拉第旋光片3直径在Φ5+0.5mm，厚度在10mm到15mm之间，交变偏频磁线圈4环绕在法拉第旋光片3上，用于实现顺、时针光光程差的交替变化，从而引入交变的转动，以实现二频激光陀螺的偏频。增益介质零磁场控制组件10由设置在增益放电区的若干个磁传感器7和磁控制线圈8组成，其中，每个磁传感器7设置在磁控制线圈8内，并尽量接近增益放电区，要求间距控制在2mm之内，以保证测量磁场与增益放电区的磁场尽量一致。所述非共面谐振腔通过非共面角的设计，使得谐振工作模满足1/2谐振腔纵模间隔。阴极5和阳极6设置在反射镜2之间用于放电，产生激光激励。

本发明法拉第交变偏频二频激光陀螺采用合理非共面谐振腔设计，使得谐振腔中左右旋谐振频率相差二分之一纵模间隔，谐振腔中安装合适的法拉第旋光组件，在旋光组件外，设置一定量的线圈，通过合理的选取旋光元件和偏频线圈，使得陀螺偏频量达到一百多KHz,满足陀螺偏频量的要求。在偏频线圈中，加入一定频率的约几百Hz方波的电流，使施加在法拉第偏频旋光片上的磁场交变，实现对陀螺的交变变频。这个偏频量仅与偏频组件系统相关，与谐振腔增益工作特性和损耗特性无光。谐振腔中同样充入同位素He,Ne气体，为了防止模式竞争，1：1的Ne²⁰,Ne²²同位素是必须的。

采用这种偏频后，谐振腔总损耗可以有效地降低，而不存在原理上的任何问题。为了降低外界磁场对于增益介质的影响，增益放电区上设置用于补偿磁场的磁控制线圈，并且在磁控制线圈内设置磁场传感器，以测量相对于增益介质的纵向磁场变化。并根据磁场传感器探测反馈，通过控制系统，实现在增益介质上的磁场为零的控制，从而有效降低圆偏振光陀螺的磁灵敏度误差，消除陀螺误差。

在采用本项相关发明后，该型激光陀螺增益工作介质的工作特性，类似于二频抖动激光陀螺，陀螺工作过程中，处于增益曲线的中心频率处，与增益相关的陀螺误差得到有效降低，激光陀螺精度能够提高1个量级以上，具有积极的技术效果。该陀螺输出偏频同一般抖动偏频激光陀螺，稳偏可以简单的采用传统的交流稳频方案，放电工作激励可以采用传统激光陀螺模式，易于实现，成本较低。

Claims (3)

1.一种法拉第交变偏频二频激光陀螺，其特征在于：包括非共面谐振腔(1)、四个反射镜(2)、阴极(5)、阳极(6)、法拉第交变偏频组件(9)、增益介质零磁场控制组件(10)，其中，所述法拉第交变偏频组件(9)设置在两个反射镜之间，由法拉第旋光片(3)和交变偏频磁线圈(4)组成，其中，交变偏频磁线圈(4)环绕在法拉第旋光片(3)上，增益介质零磁场控制组件(10)由设置在增益放电区的磁传感器(7)和磁控制线圈(8)组成，其中，磁传感器(7)设置在磁控制线圈(8)内，并接近增益放电区设置，所述阴极(5)和阳极(6)设置在反射镜(2)之间，且所述非共面谐振腔通过非共面角的设计，使得谐振腔中左右旋谐振频率相差二分之一纵模间隔。

2.根据权利要求1所述的法拉第交变偏频二频激光陀螺，其特征在于：所述增益介质零磁场控制组件距离增益放电区的距离控制在2mm之内。

3.根据权利要求2所述的法拉第交变偏频二频激光陀螺，其特征在于：所述法拉第旋光片(3)直径在Φ5±0.5mm，厚度在10mm到15mm之间。