CN113686360A - 一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统,主要解决传统激光多普勒测振仪只能单点测频、无法实现制造误差有效补偿以及测量中条纹相机读取信息效率低的技术难题。该测量方法为：激光器发出线激光并扩束为面平行光；面平行光被分成两路，其中一路通过凸透镜的曲率调控，垂直入射至半球谐振子表面，并被半球谐振子反射形成反射信号；另一路作为相干信号，与反射信号汇聚并被收束，形成拍频信号；拍频信号进入条纹相机内部，并通过条纹相机超高速连续的成像方法，实现半球谐振子驻波漂移的全局测量。本发明可一次完成半球谐振子的全局测量，快速精确实现驻波漂移过程的建模，在半球谐振子加工、检测等领域具有重要应用。

Description

一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统

技术领域

本发明属于光学精密诊断技术领域，具体涉及一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统。

背景技术

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固态陀螺仪，它的工作原理是基于半球谐振子绕中心轴旋转时产生的哥氏效应，利用半球唇壳的径向振动驻波进动效应感测基座旋转，具有惯导级性能的高精度。与传统的陀螺相比半球谐振陀螺还具有体积小、功耗低、可靠性高、机械部件结构简单、启动时间短、断电时稳定、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、对线性过载不敏感等优点，在海陆空天，火箭、卫星、石油、测绘、民航等领域得到广泛应用。

惯性系统工作精度主要取决于陀螺的精度,而半球谐振子漂移又是影响陀螺精度的重要原因。半球谐振子阻尼以及加工过程中造成的内部缺陷、质量分布不均匀、残余应力、几何尺寸偏差等均会导致谐振子各轴谐振频率不相等,造成半球谐振子的驻波漂移，极大地影响陀螺的最终性能。我国目前在半球谐振子高精度标定和补偿方面的设备很缺乏，半球陀螺的整体精度与国外差距明显。

理论证明，偏差四次谐波是导致谐振子漂移的主要原因，当半球谐振子存在偏差的四次谐波时将导致谐振子中出现两个展成的固有轴系，谐振子沿这两个刚度轴中的每个轴振动的固有频率分别能达到极大值和极小值。大小刚度轴的出现产生频率的裂解，两个轴向的频率之差称为频差。当激励不沿固有轴方向时，偏差的四次谐波会使谐振子振型的驻波向固有轴缓慢漂移从而造成漂移误差。

传统消除谐振子驻波漂移的方式是通过激光多普勒测振仪分别测量大小刚度轴的频率，建立频率之差与谐振子驻波漂移的关系，再利用机械平衡和电平衡补偿掉四次谐波，从而提高半球谐振子的精度。

其中激光多普勒测频原理如下：

当激光测振仪发出的激光与半球谐振子表面相互接触时，结构的振动会造成反射激光的频率变化(即多普勒效应)，多普勒频移大小与谐振子振动的速度关系式为：

其中，谐振子的移动速率是入射激光波长。通过检测反射激光频率的变化量可得到结构的振动幅度大小，即可得到谐振子的周期与频率值。但激光多普勒测振仪单次只能获取谐振子一个点的频率信息，无法得到谐振子整个圆周频率分布以及漂移过程。若对同一个点的频率进行多次测量还存在一致性差的问题。

综上所述，传统的频差测量方法只能间接大致的反应谐振子驻波漂移的状态，无法量化驻波漂移过程中的谐振子圆周各点频率大小分布、驻波漂移角度和漂移空间位置随时间的演化过程，即无法精准的获取驻波漂移模型及半球谐振子的实时漂移误差。同时，传统的条纹相机采用面阵CCD读出的线条纹数据的方式存在读出方式时间冗余问题，无法实现不同时间窗口信息的连续衔接，也导致该谐振子驻波的信息无法实时获取。

发明内容

本发明旨在提供一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统，用以克服传统激光多普勒测振仪只能单点测频的局限性，以及无法实现制造误差的有效补偿的技术问题，同时也解决条纹相机读取信息效率较低且不能连续采样的技术难题。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法，其特殊之处是，包括以下步骤：

步骤一：将N个测量单元均布在半球谐振子最大圆周所在平面同时工作,N≥3；每个测量单元的激光器发出激光被扩束为面平行光；

步骤二：扩束后的面平行光被分成两路，其中一路通过凸透镜的曲率调控，垂直入射至半球谐振子表面，与半球谐振子接触后改变频率，并被半球谐振子反射形成反射信号；另一路作为相干信号，与反射信号汇聚并被收束，形成拍频信号；

步骤三：拍频信号进入条纹相机内部，并通过条纹相机成像；

步骤四：将N个测量单元的成像数据拼接，实现半球谐振子驻波漂移的全局测量。

优选地，步骤一中所述N为3，3个激光器发出3束激光被扩束为3束面平行光；步骤二中3束面平行光垂直入射至半球谐振子表面，分别覆盖半球谐振子边缘120°的圆周范围，实现半球谐振子的360°覆盖。

优选地，步骤三中所述通过条纹相机成像具体为：

3.1数字延迟器t0时刻触发条纹相机工作，目标光信号进入条纹相机被转化为电信号；

3.2所述电信号按时间序列被划分为多个时间窗口，以t＝1/(f×Δt)作为一个时间窗口，在该时间窗口进入条纹相机阴极的电信号被附加高频扫描信号的扫描偏转板偏转；其中，f为高频扫描信号的频率，f取值为100KHZ～2MHz；Δt为条纹相机的工作周期，Δt取值为20us～500ns；

3.3偏转后的电信号依次到达线阵CCD，形成1/(f×Δt)行CCD阵列数据；

3.4数字延迟器在t0时刻同时触发线阵CCD采集第一行数据，再经过Δt后数字延迟器触发线阵CCD采集第二行数据，依此类推，直至一个时间窗口的CCD阵列数据采集结束，其中，线阵CCD的采集频率为100KHZ～2MHz；

3.5重复步骤3.2至步骤3.4，直至所有时间窗口的CCD阵列数据采集结束；

3.6拼接所有时间窗口的CCD阵列数据，实现跨时间窗口连续信号的重建，最终通过显示单元展示目标图像。

为了提高测量结果的准确度，所述激光器为连续可见光激光器；所述激光波长为300nm～700nm时信息采集效率较优。

优选地，所述激光器为HeNe激光器时，测量结果误差率最低。

优选地，所述激光波长为532nm时，激光的利用率以及信息的采集率最佳。

此外，本发明还提供了一种半球谐振子驻波漂移的全局测量系统，其特殊之处是，包括N个测量单元，N≥3，且每个测量单元之间相对于半球谐振子的中心夹角为360°/N；

每个测量单元包括激光器、扩束镜、第一分束镜、第二分束镜、反光单元、第四分束镜、凸透镜、收束镜及条纹相机；

所述激光器用于发射激光；

所述扩束镜、第一分束镜依次设置在激光器的激光光路上；所述第二分束镜、凸透镜及半球谐振子依次设置在第一分束镜的透射光路上；所述凸透镜的出射光与半球谐振子的入射表面垂直，且聚焦于半球谐振子的球心；

所述激光器发射的激光经第一分束镜分为透射的第一光路和反射的第二光路；第一光路经第二分束镜透射、凸透镜曲率调控后垂直到达半球谐振子的表面，然后经半球谐振子反射后返回至第二分束镜，再经第二分束镜反射后形成反射信号；

所述反光单元、第四分束镜、收束镜及条纹相机依次设置在第一分束镜的反射光路上，且第四分束镜位于第二分束镜的反射光路上；

所述第二光路经反光单元反射、第四分束镜透射后形成干涉信号，干涉信号与所述反射信号汇聚形成拍频信号；

所述条纹相机用于接收拍频信号并成像。

优选地，所述反光单元也可为分束镜。

优选地，当N取3时，则每个凸透镜的出射光分别覆盖半球谐振子边缘120°的圆周范围。

本发明与现有技术相比，有益效果如下：

1、本发明采用一维超快诊断设备条纹相机与激光多普勒技术相结合的频率测量方法，可实现半球谐振子实时全周空间频率分布测量，突破了传统激光多普勒测振仪只能获取单点频率值的局限性。

2、本发明提出了通过凸透镜实现一维激光与半球谐振子表面各点垂直的具体实施方法，给出了半球陀螺全局测量的具体方案。

3、本发明可实时精准获取半球谐振子驻波漂移的演化过程，为驻波漂移模型的建立以及漂移误差消除提供可靠的依据。

4、本发明可一次完成谐振子一周多点频率的测量，快速精确实现驻波漂移过程的建模，在半球谐振子加工、检测和应用中具有潜在的重要应用。

5、本发明在高重频扫描电路的基础上提出采用CCD阵列逐行读取的方式，不仅不会影响到条纹信息的精准采集，而且单次极少量的一维像元阵列读出，可以大幅的提升CCD对信息的采集速率。

6、本发明通过线阵CCD不同时间序列读出的方式，避免了读出时间冗余问题。

7、本发明提出采用高频扫描电路结合基于线阵读出的CCD器件以及阵列不同时间序列读出的方式，满足条纹相机跨时间窗口连续信号实时采集的性能需求，实现不同连续信号在不同时间窗口内的有效衔接，以及长持续信号的连续采集。

8、本发明可以实现条纹相机在纳秒及百皮秒时间分辨下获取长持续时间信号的完整演化过程。

附图说明

图1为本发明一种半球谐振子驻波漂移的全局测量系统示意图。

图2为本发明一种半球谐振子驻波漂移的全局测量系统中条纹相机成像方法示意图。

图3为本发明一种半球谐振子驻波漂移的全局测量系统中条纹相机成像的线阵CCD信息采集过程的示意图。

图4为本发明一种半球谐振子驻波漂移的全局测量系统中凸透镜结构示意图。

图5为本发明一种半球谐振子驻波漂移的全局测量系统中半球谐振子全局测量系统示意图。

图中：

1-激光器，2-扩束镜，3-第一分束镜，4-第二分束镜，5-反光单元，6-第四分束镜，7-凸透镜，8-半球谐振子，9-收束镜，10-条纹相机，11-数字延迟器，12-狭缝，13-扫描偏转板，14-线阵CCD，15-计算机终端。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚，需要说明的是：附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

下面对本发明一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法进行阐述：

结合图1，图2，图3，本发明借助半球谐振子沿圆周各点谐振频率以及频率随时间的演化过程可以准确建立裸振子的驻波漂移模型，从而提升漂移误差补偿效率，同时通过条纹相机的成像方法，最终实现半球谐振子驻波漂移的全局测量，具体方法如下：

1.将N个测量单元均布在半球谐振子最大圆周所在平面同时工作,N≥3；每个测量单元的激光器发出激光并经扩束镜扩束，激光器为可连续光激光器，最好为HeNe激光器；发射激光的波长为300nm～700nm时，到达半球谐振子表面的光子可被有效利用，当波长为532nm时，光子的利用率最佳；

2.扩束后的激光被第一分束镜分成两路，其中一路通过凸透镜垂直入射至半球谐振子表面，与半球谐振子接触后改变自身的频率，形成反射信号，其中在激光投影半球谐振子处，通过凸透镜的曲率调控实现光场曲面与谐振子表面的各点垂直接触；另一路作为相干信号，与经过半球谐振子反射回的反射信号汇聚并实现信号的拍频。

3.条纹相机作为高时间分辨一维成像探测器，拍频信号进入条纹相机内部，并通过条纹相机成像，成像方法如下：

3.1数字延迟器触发条纹相机工作，目标光信号通过条纹相机的狭缝进入条纹相机内部，光信号被转换成电信号；

3.2电信号按时间序列被划分为多个时间窗口,不同时间窗口的电信号被附加高频扫描信号(s1/s2/s3…)的偏转板偏转到不同的空间位置,其中s1/s2/s3分别表示不同时间窗口内的扫描电压。以t＝1/(f×Δt)作为一个时间窗口，在该时间窗口进入条纹相机阴极的电信号被附加高频扫描信号的扫描偏转板偏转；其中，f为高频扫描信号的频率，其扫描频率在100KHZ～2MHz之间可使得条纹相机实现高速采样，Δt为条纹相机的工作周期，当Δt为20us～500ns时，可实现连续的超高速采样效率；

3.3上述被偏转的电信号依次在不同时刻以及空间位置到达线阵CCD，形成1/(f×Δt)行CCD阵列数据；

3.4数字延迟器在t0时刻触发线阵CCD采集第一行数据，线阵CCD14的采集频率为100KHZ～2MHz；再经过Δt后数字延迟器触发线阵CCD14采集第二行数据(如图3所示)，依此类推，直至一个时间窗口CCD阵列数据采集结束；

3.5重复步骤3.2至步骤3.4，直至所有时间窗口的CCD阵列数据采集结束,图2中，t1/t2/t3…表示为不同时间窗口内采集的CCD阵列数据；

3.6拼接所有时间窗口的CCD阵列数据，实现跨时间窗口连续信号的重建，最终通过计算机终端用于将采集的电信号进行重建并展示。

4.将N个测量单元的成像数据拼接，实现半球谐振子驻波漂移的全局测量。结合图1和图4，本发明一种半球谐振子驻波漂移的全局测量系统，包括N个测量单元，N≥3，且每个测量单元之间相对于半球谐振子(8)的中心夹角为360°/N。每个测量单元包括激光器1、扩束镜2、第一分束镜3、第二分束镜4、反光单元5、第四分束镜6、凸透镜7、收束镜9及条纹相机10；激光器1用于发射激光，开始工作；扩束镜2、第一分束镜3、第二分束镜4、凸透镜7、半球谐振子8依次设置在激光器1的激光光路上，其中凸透镜7设于第二分束镜4和半球谐振子8之间，用于调控光子进入半球谐振子8的方向，凸透镜7的出射光与半球谐振子8表面垂直，不仅可充分利用光子，同时可完整的获取半球谐振子8表面各点的准确信息；反光单元5设置在第一分束镜3的反射光路上，反光单元5为第三分束镜；第四分束镜6设置在第二分束镜4的反射光路上，且位于第三分束镜的反射光路上；收束镜9设置在第四分束镜6的反射光路上；条纹相机10设置在收束镜9的出射光路上。

以上，当N取3时，每个凸透镜7的出射光分别覆盖半球谐振子边缘120°的圆周范围。

本发明的全局测量系统的工作方式为：激光器1发射激光，经过扩束镜2扩束后到达第一分束镜3，第一分束镜3将扩束的光子分成两条光路，第一光路经第一分束镜3透射，第二光路经第一分束镜3反射，两条光路路径如下：

1、第一光路到达第二分束镜4，一部分光子经第二分束镜4反射后失效；另一部分光子经第二分束镜4透射后，又经凸透镜7进行曲率调控后垂直到达半球谐振子8表面，经半球谐振子8反射原路返回至第二分束镜4，之后经第二分束镜4反射到达第四分束镜6。

2、第二光路到达第三分束镜5，一部分光子经第三分束镜5透射后失效；另一部分光子经第三分束镜5反射后到达第四分束镜6。

以上两路光在第四分束镜6处汇聚后被收束镜9收束，收束的光子到达条纹相机，经条纹相机的偏转扫描转化为电信号，从而实现拍频信号的获取。与此同时数字延迟器11触发条纹相机10工作；条纹相机10包括狭缝12、扫描偏转板13和线阵CCD 14；目标光信号经条纹相机10阴极转换为电信号，电信号通过狭缝12进入条纹相机10内部，经扫描偏转板13偏转后，被线阵CCD 14采集；为保证电信号可快速通过，狭缝12的大小为10um；扫描偏转板13附加了频率为100KHZ～2MHz的高频扫描信号，实现超高速的信号采集效率；线阵CCD14可实现信号的及时传递，缩短了信息的读取过程，避免信息读出过程时间冗余等问题。计算机终端15用于将采集的电信号进行重建并展示。

另外，结合图4，由于激光在与半球谐振子8相互作用时要求光的方向与半球谐振子8表面相互垂直。所以在光学聚焦部分，通过合理设计凸透镜7的焦距保证平行光聚焦于半球谐振子8的球心，从而保证光线与半球谐振子8表面始终处于相互垂直状态。

结合图5，为了保证单次获取半球谐振子8整个圆周的频率分布状态，本发明采用三个等效的测量单元，每个测量单元的光路均覆盖半球谐振子边缘120°的圆周范围，三路激光与半球谐振子8相互作用最终实现半球谐振子8整个圆周信息的一次性快速采集。

本发明也可采用四个等效的测量单元，每个测量单元的光路均覆盖半球谐振子边缘90°的圆周范围，四路激光与半球谐振子8相互作用最终实现半球谐振子8整个圆周信息的一次性快速采集。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法，其特征在于,包括以下步骤：

步骤一：将N个测量单元均布在半球谐振子最大圆周所在平面同时工作,N≥3；每个测量单元的激光器发出激光被扩束为面平行光；

步骤二：扩束后的面平行光被分成两路，其中一路通过凸透镜的曲率调控，垂直入射至半球谐振子表面，与半球谐振子接触后改变频率，并被半球谐振子反射形成反射信号；另一路作为相干信号，与反射信号汇聚并被收束，形成拍频信号；

步骤三：拍频信号进入条纹相机内部，并通过条纹相机成像；

步骤四：将N个测量单元的成像数据拼接，实现半球谐振子驻波漂移的全局测量。

2.根据权利要求1所述的半球谐振子驻波漂移的全局测量方法，其特征在于：步骤一中所述N为3，3个激光器发出3束激光被扩束为3束面平行光；步骤二中3束面平行光垂直入射至半球谐振子表面，分别覆盖半球谐振子边缘120°的圆周范围，实现半球谐振子的360°覆盖。

3.根据权利要求2所述的半球谐振子驻波漂移的全局测量方法，其特征在于，步骤三中所述通过条纹相机成像具体为：

3.1数字延迟器t0时刻触发条纹相机工作，目标光信号进入条纹相机被转化为电信号；

3.2所述电信号按时间序列被划分为多个时间窗口，以t＝1/(f×Δt)作为一个时间窗口，在该时间窗口进入条纹相机阴极的电信号被附加高频扫描信号的扫描偏转板偏转；其中，f为高频扫描信号的频率，f取值为100KHZ～2MHz；Δt为条纹相机的工作周期，Δt取值为20us～500ns；

3.3偏转后的电信号依次到达线阵CCD，形成1/(f×Δt)行CCD阵列数据；

3.4数字延迟器在t0时刻同时触发线阵CCD采集第一行数据，再经过Δt后数字延迟器触发线阵CCD采集第二行数据，依此类推，直至一个时间窗口的CCD阵列数据采集结束，其中，线阵CCD的采集频率为100KHZ～2MHz；

3.5重复步骤3.2至步骤3.4，直至所有时间窗口的CCD阵列数据采集结束；

3.6拼接所有时间窗口的CCD阵列数据，实现跨时间窗口连续信号的重建，最终通过显示单元展示目标图像。

4.根据权利要求1或2或3所述的半球谐振子驻波漂移的全局测量方法，其特征在于：所述激光器为连续可见光激光器；所述激光波长为300nm～700nm。

5.根据权利要求4所述的半球谐振子驻波漂移的全局测量方法，其特征在于：所述激光器为HeNe激光器。

6.根据权利要求5所述的半球谐振子驻波漂移的全局测量方法，其特征在于：所述激光波长为532nm。

7.一种半球谐振子驻波漂移的全局测量系统，其特征在于：包括N个测量单元，N≥3，且每个测量单元之间相对于半球谐振子(8)的中心夹角为360°/N；

每个测量单元包括激光器(1)、扩束镜(2)、第一分束镜(3)、第二分束镜(4)、反光单元(5)、第四分束镜(6)、凸透镜(7)、收束镜(9)及条纹相机(10)；

所述激光器(1)用于发射激光；

所述扩束镜(2)、第一分束镜(3)依次设置在激光器(1)的激光光路上；所述第二分束镜(4)、凸透镜(7)及半球谐振子(8)依次设置在第一分束镜(3)的透射光路上；所述凸透镜(7)的出射光与半球谐振子(8)的入射表面垂直，且聚焦于半球谐振子(8)的球心；

所述激光器(1)发射的激光经第一分束镜(3)分为透射的第一光路和反射的第二光路；第一光路经第二分束镜(4)透射、凸透镜(7)曲率调控后垂直到达半球谐振子(8)的表面，然后经半球谐振子(8)反射后返回至第二分束镜(4)，再经第二分束镜(4)反射后形成反射信号；

所述反光单元(5)、第四分束镜(6)、收束镜(9)及条纹相机(10)依次设置在第一分束镜(3)的反射光路上，且第四分束镜(6)位于第二分束镜(4)的反射光路上；

所述第二光路经反光单元(5)反射、第四分束镜(6)透射后形成干涉信号，干涉信号与所述反射信号汇聚形成拍频信号；

所述条纹相机(10)用于接收拍频信号并成像。

8.根据权利要求7所述的半球谐振子驻波漂移的全局测量系统，其特征在于：所述反光单元(5)为分束镜。

9.根据权利要求7或8所述的半球谐振子驻波漂移的全局测量系统，其特征在于：N取3，且每个凸透镜(7)的出射光分别覆盖半球谐振子边缘120°的圆周范围。

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