CN108303119A - 双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统及检测方法，包括环形激光器，环形激光器的两个角上分别设置有合光棱镜，沿合光棱镜出射的激光束水平位置分别设置有分光镜和反射镜，分光镜反射的激光束水平位置设置有光电探测器、FPGA和双纵模状态控制器，反射镜反射的激光束水平位置设置有双光窗光电探测器、FPGA和计算机控制器，环形激光器通过导线还连接有数字化测试基座、速率转台计算机控制器。检测方法包括：首先，对环形谐振腔的工作频率进行稳频，之后开启速率转台，当环形激光器出闭锁时，在计算机控制器上观察合成的李萨茹图形，读出激光陀螺的闭锁阈值，该系统检测过程简单、处理快捷且装配结果准确。
Description
技术领域
本发明属于精密检测设备技术领域，具体涉及一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统及检测方法。
背景技术
激光陀螺是捷联式惯性导航系统的理想器件，在导弹制导、航空器飞行控制以及航天遥感卫星姿态控制等领域占有重要地位。激光陀螺在工作中都会出现闭锁状态，在该状态下，一切反映陀螺相对于惯性空间的转动信息将全部丢失，陀螺失效。
目前，激光陀螺闭锁阈值检测方法一般是针对单纵模工作激光陀螺，该判断方法存在因电路噪声引起的脉冲数波动，造成陀螺闭锁阈值读出错误的问题，同时，因转台做变速运动，台面轴跳还会导致陀螺提前出锁区。因此，对激光陀螺闭锁状态的研究，特别是在极小转速、极稳定承载、激光器频率稳定条件下，通过准确检测激光陀螺的闭锁阈值，设置最小的偏频量，从而减小对精度的影响，这在激光陀螺领域具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，实现了激光陀螺闭锁阈值的准确检测。
本发明的另一目的是提供上述双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值的检测方法。
本发明采用的技术方案是：一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，包括环形激光器，激光器由呈对称设置的上半腔环形激光器和下半腔环形激光器组成，下半腔环形激光器的远离上半腔环形激光器的两个角上分别设置有能够出射激光束的第一合光棱镜和第二合光棱镜，沿第一合光棱镜出射的激光束水平位置依次设置有分光镜和F-P扫频腔，F-P扫频腔通过导线连接有第一光电探测器，第一光电探测器通过导线连接有示波器，沿分光镜反射的激光束水平位置设置有第二光电探测器，第二光电探测器通过导线连接FPGA，FPGA通过导线连接有双纵模状态控制器，且双纵模状态控制器通过橡胶管与上半腔环形激光器连接，第二合光棱镜出射的激光束水平位置设置有反射镜，沿反射镜反射的激光束水平位置设置有双光窗光电探测器，双光窗光电探测器通过导线连接有第二FPGA，第二FPGA通过导线连接有第一计算机控制器，下半腔环形激光器通过导线还连接有数字化测试基座，数字化测试基座通过导线连接有速率转台，且数字化测试基座位于速率转台的上表面，速率转台通过导线连接有第二计算机控制器。
本发明采用的另一技术方案是：一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值的检测方法，具体步骤如下：
步骤1，引燃下半腔环形激光器中密封的增益气体，对环形谐振腔的工作频率进行稳频；
步骤2，经步骤1后，开启速率转台，进行阶梯加速运动，加速度为0.003°/s，每到一阶梯点进行10s匀速运动；
步骤3，经步骤2后，当环形激光器满足出闭锁条件时，环形激光器输出的干涉条纹在双光窗光电探测器的光敏面上发生定向移动，同时，调节双光窗光电探测器两光窗的间距设置，使两光窗的间距为干涉条纹宽度的1/4；
步骤4，经步骤3后，在第一计算机控制器上观察合成的李萨茹图形，当李萨茹图形整圆周径向幅度小于0.2V，且稳定不变时，此时速率转台上的速率值即为激光陀螺的闭锁阈值。
本发明的特点还在于，
上半腔环形激光器和下半腔环形激光器之间的间距为0.30m～0.42m，且上半腔环形激光器和下半腔环形激光器均固定在导轨上。
分光镜的镜面与第一合光棱镜出射的激光束成倾斜角度设置，镜面倾斜角为45°。
反射镜的镜面与第二合光棱镜出射的激光束成倾斜角度设置，镜面倾斜角为45°。
双纵模状态控制器，包括控制盒，控制盒内设置有镍铬合金加热丝，控制盒的一侧内壁设置有压电陶瓷片，压电陶瓷片的表面粘贴有弹性膜片，控制盒通过橡胶管与上半腔环形激光器连接。
本发明的有益效果是，实现了闭锁阈值检测过程中，环形激光器稳频和频率调谐功能，将双光窗光电探测器输出的sin/cos信号合成李萨茹图形，利用合成图形的边际来判断陀螺是否出锁，从而避免了系统因电路噪声引起的错误判断。
附图说明
图1为本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统的结构示意图；
图2为本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统中双纵模状态控制器的结构示意图；
图3为本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统中检测的干涉条纹图；
图4为本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统中的双纵模稳频方案原理图；
图5为本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统中的双纵模稳频合成误差信号图；
图6为本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统中的双纵模稳频误差信号变化图；
图7为本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统中的双纵模稳频合成误差信号幅度减小图。
图中，1.上半腔环形激光器，2.下半腔环形激光器，3.第一合光棱镜，4.分光镜，5.F-P扫频腔，6.第一光电探测器，7.示波器，8.第一FPGA，9.双纵模状态控制器，10.反射镜，11.双光窗光电探测器，12.第一计算机控制器，13.数字化测试基座，14.速率转台，15.第二计算机控制器，16.第二光电探测器，17.第二FPGA，18.第二合光棱镜，19.控制盒，20.镍铬合金加热丝，21.压电陶瓷片，22.弹性膜片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，如图1所示，包括环形激光器，环形激光器由呈对称设置的上半腔环形激光器1和下半腔环形激光器2组成，上半腔环形激光器1和下半腔环形激光器2之间的间距为0.30m～0.42m，且上半腔环形激光器1和下半腔环形激光器2均固定在导轨上，下半腔环形激光器2的远离上半腔环形激光器1的两个角上分别设置有能够出射激光束的第一合光棱镜3和第二合光棱镜18，沿第一合光棱镜3出射的激光束水平位置依次设置有分光镜4和F-P扫频腔5，分光镜4的镜面与第一合光棱镜3出射的激光束成倾斜角度设置，镜面倾斜角为45°，F-P扫频腔5通过导线连接有第一光电探测器6，第一光电探测器6通过导线连接有示波器7，分光镜4反射的激光束水平位置设置有第二光电探测器16，第二光电探测器16通过导线连接FPGA8，FPGA8通过导线连接有双纵模状态控制器9，双纵模状态控制器9通过橡胶管与上半腔环形激光器1连接。
双纵模状态控制器9，如图2所示，包括控制盒19，控制盒19内设置有镍铬合金加热丝20，控制盒19的一侧内壁设置有压电陶瓷片21，压电陶瓷片21的表面粘贴有弹性膜片22。
沿第二合光棱镜18出射的激光束水平位置设置有反射镜10，反射镜10的镜面与第二合光棱镜18出射的激光束成倾斜角度设置，镜面倾斜角为45°，反射镜10反射的激光束水平位置设置有双光窗光电探测器11，双光窗光电探测器11通过导线连接有第二FPGA17，第二FPGA17通过导线连接有第一计算机控制器12。
下半腔环形激光器2通过导线连接有数字化测试基座13，数字化测试基座13通过导线连接有速率转台14，且数字化测试基座13位于速率转台14的上表面，速率转台14通过导线连接有第二计算机控制器15。
第一光电探测器6、第一FPGA8、双纵模状态控制器9、双光窗光电探测器11、第二光电探测器16和第二FPGA17还可均集成在数字化测试基座13上。
本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统的工作原理是：当引燃下半腔环形激光器2中密封的增益气体，下半腔环形激光器2出射光经由第一合光棱镜3后获得干涉条纹，干涉条纹经由分光镜4分成两束，一束光经由F-P扫频腔5透射后入射光电探测器6，并在示波器7上读取信号；另一束光入射光电探测器6之后转变成电信号，之后经FPGA8处理后，将电信号输出到控制双纵模状态控制器9中，双纵模状态控制器9通过控制上半腔环形激光器1光路气道内的气体折射率，实现环形激光器的稳频，开启速率转台14，随着速率转台14转动速率的增加，环形激光器恰好满足出闭锁条件，此时，环形激光器输出的干涉条纹在双光窗光电探测器11的光敏面上发生定向移动，将双光窗光电探测器11的两光窗的间距设置为干涉条纹的宽度的1/4，之后双光窗光电探测器11获得sin和cos信号，sin和cos信号经由FPGA8处理后，将相位差为π/2的sin和cos信号合成李萨茹图形，并在第一计算机控制器12上实时显示，当第一计算机控制器12上显示的李萨茹图形整圆周径向幅度小于0.2V，且输出信号稳定时，此时速率转台14上的速率值即为激光陀螺的闭锁阈值。
上述双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值的检测方法，具体步骤如下：
步骤1，引燃下半腔环形激光器2中密封的增益气体，对环形谐振腔的工作频率进行稳频；
步骤2，经步骤1后，开启速率转台14，进行阶梯加速运动，加速度为0.003°/s，每到一阶梯点进行10s匀速运动；
阶梯点为每经加速度加速后所到达的速度点；
步骤3，经步骤2后，当环形激光器满足出闭锁条件时，环形激光器输出的干涉条纹在双光窗光电探测器11的光敏面上发生定向移动，同时，调节双光窗光电探测器11两光窗的间距设置，使两光窗的间距为干涉条纹宽度的1/4；
步骤4，经步骤3后，在第一计算机控制器12上观察合成的李萨茹图形，当李萨茹图形整圆周径向幅度小于0.2V，且稳定不变时，此时速率转台14上的速率值即为激光陀螺的闭锁阈值。
本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统中检测的干涉条纹，如图3所示，该干涉条纹的中央为干涉暗纹，根据中央干涉暗纹宽度，确定双光窗光电探测器11两光窗的间距，并将双光窗光电探测器11的两光窗的间距设置为干涉条纹的宽度的1/4，这样可以使得sin和cos信号相位恰好相差π/2，需要说明的是：干涉光斑两边的长尾迹是外光阑衍射造成的，不影响暗纹的提取和使用。
本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，通过在双纵模状态控制器9内的压电陶瓷21上施加交流电压，驱动弹性膜片22施加小抖动，并在激光陀螺光输出中获得光强误差信号，其双纵模稳频方案原理，如图4所示，其中环形激光增益中心频率为V0，激光两纵模分别为V-1和V1，激光两纵模在弹性膜片作用下产生一组误差信号，这组误差信号具有周期相同的特点，且越靠近环形激光器增益曲线频率中心位置的纵模所产生的误差信号越强。两个误差信号分别命名为误差信号Ⅰ和误差信号Ⅱ，误差信号Ⅰ和误差信号Ⅱ由于周期相同，在同一时刻，一个信号使误差光强信号增强，另一个信号恰好减弱，它们的合成信号，如图5所示，合成的误差信号也是一个正弦变化的光强信号；如果环形激光器的工作频率向低端方向移动，即频率降低，误差信号的变化趋势如图6所示，在该情况下图5中靠近中心频率的纵模将会继续靠近中心频率，而远离的纵模将会继续远离，对应的误差信号Ⅰ将进一步增大，误差信号Ⅱ进一步减弱，这样合成误差信号的幅值将升高。相应的，如果频率向高端方向移动，即频率降低升高，误差信号的变化趋势，如图7所示，合成误差信号的幅值将减小，按照上述过程为基本规律，利用数字电路实现将误差信号准确锁定在确定幅值，就能够使双纵模在增益曲线任意位置实现稳频，稳频通过改变双纵模控制器内部的镍铬合金加热丝20的放热率，从而使毛细腔内一段气体的折射率发生改变，可以控制环形激光器的光学腔长，达到稳频的目的。
本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，根据双纵模振荡频率位置位于增益曲线中心频率两侧的特点，设计利用双纵模状态控制器9，以温度——折射率——光学腔长为控制传递函数，实现了稳频和频率调谐功能。
本发明一种双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统及检测方法，采取新的闭锁阈值读出方法，将双光窗光电探测器11输出的sin/cos信号合成李萨茹图形，判断李萨如图形径向幅度及稳定程度，判断激光陀螺是否出锁区，同时，速率转台14采取阶梯型速率变化、每个速率阶梯做匀速转动，避免了速率转台14做加速运动时，台面在电机牵引下存在较大轴跳，造成激光陀螺提前出锁，进而影响闭锁阈值测量结果的准确性。
Claims (6)
1.双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，其特征在于，包括环形激光器，所述激光器由呈对称设置的上半腔环形激光器(1)和下半腔环形激光器(2)组成，所述下半腔环形激光器(2)的远离上半腔环形激光器(1)的两个角上分别设置有能够出射激光束的第一合光棱镜(3)和第二合光棱镜(18)，沿所述第一合光棱镜(3)出射的激光束水平位置依次设置有分光镜(4)和F-P扫频腔(5)，所述F-P扫频腔(5)通过导线连接有第一光电探测器(6)，所述第一光电探测器(6)通过导线连接有示波器(7)，沿所述分光镜(4)反射的激光束水平位置设置有第二光电探测器(16)，所述第二光电探测器(16)通过导线连接FPGA(8)，所述FPGA(8)通过导线连接有双纵模状态控制器(9)，且所述双纵模状态控制器(9)通过橡胶管与上半腔环形激光器(1)连接，所述第二合光棱镜(18)出射的激光束水平位置设置有反射镜(10)，沿所述反射镜(10)反射的激光束水平位置设置有双光窗光电探测器(11)，所述双光窗光电探测器(11)通过导线连接有第二FPGA(17)，所述第二FPGA(17)通过导线连接有第一计算机控制器(12)，所述下半腔环形激光器(2)通过导线还连接有数字化测试基座(13)，所述数字化测试基座(13)通过导线连接有速率转台(14)，且所述数字化测试基座(13)位于速率转台(14)的上表面，所述速率转台(14)通过导线连接有第二计算机控制器(15)。
2.根据权利要求1所述的双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，其特征在于，所述上半腔环形激光器(1)和所述下半腔环形激光器(2)之间的间距为0.30m～0.42m，且所述上半腔环形激光器(1)和所述下半腔环形激光器(2)均固定在导轨上。
3.根据权利要求1所述的双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，其特征在于，所述分光镜(4)的镜面与第一合光棱镜(3)出射的激光束成倾斜角度设置，镜面倾斜角为45°。
4.根据权利要求1所述的双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，其特征在于，所述反射镜(10)的镜面与第二合光棱镜(18)出射的激光束成倾斜角度设置，镜面倾斜角为45°。
5.根据权利要求1所述的双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值检测系统，其特征在于，所述双纵模状态控制器(9)，包括控制盒(19)，所述控制盒(19)内设置有镍铬合金加热丝(20)，所述控制盒(19)的一侧内壁设置有压电陶瓷片(17)，所述压电陶瓷片(17)的表面粘贴有弹性膜片(18)，所述控制盒(19)通过橡胶管与上半腔环形激光器(1)连接。
6.双纵模激光陀螺频率可调谐闭锁阈值的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，引燃下半腔环形激光器(2)中密封的增益气体，对环形谐振腔的工作频率进行稳频；
步骤2，经步骤1后，开启速率转台(14)，进行阶梯加速运动，加速度为0.003°/s，每到一阶梯点进行10s匀速运动；
步骤3，经步骤2后，当环形激光器满足出闭锁条件时，环形激光器输出的干涉条纹在双光窗光电探测器(11)的光敏面上发生定向移动，同时，调节双光窗光电探测器(11)两光窗的间距设置，使两光窗的间距为干涉条纹宽度的1/4；
步骤4，经步骤3后，在第一计算机控制器(12)上观察合成的李萨茹图形，当李萨茹图形整圆周径向幅度小于0.2V，且稳定不变时，此时速率转台(14)上的速率值即为激光陀螺的闭锁阈值。
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