CN117367400B - 基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺 - Google Patents
基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117367400B CN117367400B CN202311647669.5A CN202311647669A CN117367400B CN 117367400 B CN117367400 B CN 117367400B CN 202311647669 A CN202311647669 A CN 202311647669A CN 117367400 B CN117367400 B CN 117367400B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- path length
- temperature
- resonant cavity
- cavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 title claims abstract description 22
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 50
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 23
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 20
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 16
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 11
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 11
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 6
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002028 premature Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011797 cavity material Substances 0.000 description 85
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002789 length control Methods 0.000 description 3
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/66—Ring laser gyrometers
- G01C19/661—Ring laser gyrometers details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
- H01S3/131—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
- H01S3/134—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation in gas lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
- H01S3/136—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling devices placed within the cavity
- H01S3/137—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling devices placed within the cavity for stabilising of frequency
Abstract
本发明公开了一种基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺，属于惯性导航技术领域。当激光频率处于非工作频率时，本发明根据个测量位置的温度值的离散情况，预测激光陀螺是否处于稳定状态，从而确定程长调节组件的启动数量。避免多个程长调节组件共同作用进一步加大激光陀螺的各点温差，增大测量误差。同时当谐振腔处于降温状态优先启动折射率调节方法，提高调节范围，避免激光陀螺过早跳模。当谐振腔处于升温状态，优先启动反射镜调节方法，降低升温引起的折射损耗。本发明可以避免因程长调节加剧温度变化，使得整个程长调节过程温度变化收敛。进一步的，本发明通过支架的感应加热代替压电陶瓷的加热，有利于保持谐振腔的真空状态。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺。
背景技术
申请号为CN201310675655.4的中国专利公开了一种激光陀螺腔长控制系统及控制方法，该方法利用激光陀螺经合光后输出的拍频信号进行腔长控制，将拍频信号进行幅值检波，经与参考电压求差放大后得到腔长控制信号，通过三点比较法控制使得该信号稳定在增益曲线的顶点，从而确定程长。另外，申请号为CN202211352990.6的中国专利公开了一种基于机械纳米步进调节激光陀螺的背向散射的装置和方法，通过测试激光陀螺的激光腔长变化时的激光功率输出变化，确定被测试的激光陀螺的背向散射的最小位置，避开了复杂的电路控制，提高仪表性能。然而在激光陀螺的工作过程中，高低温的剧烈变化会引起激光陀螺的谐振腔材料的热胀冷缩，引起谐振腔腔体变形，各个反射镜在温度变化时产生角度变形，使反射方向发生变化造成闭环光路失调，同时温度的变化又增加了折射损耗，提高了稳频难度。因此有必要提出一种根据温度变化调节谐振腔程长并稳定激光频率的方法。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺。当激光频率处于非工作频率时，本发明根据工作温度的变化情况确定调节激光频率，避免因程长调节加剧温度变化，使得整个程长调节过程温度变化收敛，降低稳频难度。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于谐振腔程长调节的激光稳频方法，包括以下步骤：
步骤1：多个温度采集组件测量谐振腔的腔外温度，将第二程长调节组件连接至谐振腔的气体通道，将第一程长调节组件连接至第一球面反射镜；
步骤2：引燃变压器向阴极提供第一激励电压，第一激励电压在阴极与两个阳极之间分别生成第一激光和第二激光；
步骤3：第一激光和第二激光经过合光棱镜耦合形成光斑信号，信号分析器根据光斑信号测量激光相位和激光频率，基于激光相位测量激光陀螺的角速度；
步骤4：若激光频率等于谐振腔的谐振频率，返回至步骤2，否则基于多个采样时刻的腔外温度生成温度序列，提取温度序列的位置关联参数和时间关联参数，其中，根据采样时刻k的腔外温度Te k预测腔内温度Tk，，ΔTk-i为采样时刻k-i的腔外温升，ak-i为采样时刻k-i的温度影响系数，i=1,2,...,5，多个腔内温度按照采样时刻的顺序组成温度序列，根据温度序列中同一采样时刻的p个测量位置的腔内温度生成温度方差，第k个采样时刻的温度方差/>， />为第k个采样时刻的测量位置x的腔内温度，/>为第k个采样时刻的腔内温度的平均值；再根据多个采样时刻的温度方差计算位置关联参数，位置关联参数/>，y为温度序列中采样时刻的数量，根据温度序列的同一测量位置的y个采样时刻的腔内温度生成温度变化值，第x个测量位置的温度变化值/>，/>为测量位置x的第k+1个采样时刻的腔内温度，/>为测量位置x的第k个采样时刻的腔内温度；再根据多个测量位置的温度变化值计算时间关联参数，时间关联参数/>，p为测量位置的数量；
步骤5：若位置关联参数大于方差基准值，进入步骤6，否则进入步骤7；
步骤6：进入单调节模式，若时间关联参数大于零，经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置，否则经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，进入步骤8；
步骤7：进入双调节模式，若时间关联参数大于零，先经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置，再经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，否则，先经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，再经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置；
步骤8：根据气体通道的折射率调节引燃变压器的输出功率，重新提取激光频率，若激光频率等于谐振腔的谐振频率，返回至步骤2，否则引燃变压器调整至第二激励电压后，再返回至步骤2。
一种根据所述基于谐振腔程长调节的激光稳频方法的激光陀螺，包括：
激光激发组件，该激光激发组件包括引燃变压器、阴极以及两组阳极，引燃变压器向阴极提供第一激励电压，第一激励电压在阴极与两个阳极之间分别生成第一激光和第二激光；
光路组件，该光路组件包括谐振腔、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜；
激光采集组件，该激光采集组件包括合光棱镜和信号分析器，第一激光经谐振腔、第一球面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，第二激光经谐振腔、第二球面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，信号分析器测量激光频率；
多个温度采集组件，温度采集组件用于提取谐振腔的腔外温度；
第一程长调节组件，第一程长调节组件连接至第一球面反射镜；
第二程长调节组件，第二程长调节组件连接至谐振腔的气体通道；
一稳频控制器，稳频控制器生成温度序列并根据温度序列控制第一程长调节组件或第二程长调节组件。
在本发明中，所述第一程长调节组件包括交流电源、玻璃底座、热敏感支架以及加热螺线管，玻璃底座固定在谐振腔内，加热螺线管安装在玻璃底座外侧，第一球面反射镜安装在热敏感支架上，交流电源向加热螺线管通入交流电压，热敏感支架调节第一球面反射镜的位置。
在本发明中，根据交流电源的电压与热敏感支架伸长量的第一传递函数调节谐振腔的物理程长，其中，该第一传递函数为Δh=K1t(U0+ΔU1)2/(CmR1)，Δh为热敏感支架的伸长量，U0为交流电源的初始电压，ΔU1为交流电源的电压增量，C为热敏感支架的比热、m为热敏感支架的质量，R1为热敏感支架的电阻、K1为热敏感支架的热膨胀系数，t为交流电压的通电时间。
在本发明中，所述第二程长调节组件包括线性电源、隔离室、加热丝、压电陶瓷膜片以及软管，加热丝与压电陶瓷膜片固定在隔离室内，隔离室经软管连接气体通道，线性电源向加热丝通入直流电，加热丝调整气体通道的气体温度。
在本发明中，根据线性电源的电压变化与总光学程长变化的第二传递函数调节总光学程长，其中，该第二传递函数为ΔL=ΔU2(K2K3U)/(T0+1)，ΔL为总光学程长的增量，ΔU2为线性电源的电压增量，U为线性电源的初始电压，T0为加热器时间常数，K2为第一导热系数，K3为第二导热系数。
实施本发明的这种基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺，具有以下有益效果：本发明设置两种程长调节方法，当激光频率处于非工作频率时，本发明根据多个测量位置的腔内温度的离散情况，预测激光陀螺是否处于稳定状态，从而确定程长调节组件的启动数量。避免多个程长调节组件的升温作用进一步加大激光陀螺的各点温差，进而增大测量误差。同时当谐振腔处于降温状态优先启动折射率调节方法，延缓温度降低，避免激光陀螺过早跳模。当谐振腔处于升温状态，优先启动反射镜调节方法，避免谐振腔升温引起的折射损耗。本发明可以避免因程长调节加剧温度变化，使得整个程长调节过程温度变化收敛。进一步的，本发明通过支架的感应加热代替压电陶瓷的加热，有利于保持谐振腔的真空状态。
附图说明
图1为本发明基于谐振腔程长调节的激光稳频方法的流程图；
图2为本发明激光陀螺调节程长的示意图；
图3为本发明第一程长调节组件的结构图；
图4为本发明在谐振腔安装温度采集组件的示意图；
图5为本发明的谐振腔不同测量位置的温度值示意图；
图6为本发明的谐振腔同一测量位置的温度曲线示意图；
图7为本发明激光光束的总光学程长示意图；
图8为本发明优选的光斑信号转换为电压信号的流程图；
图9为本发明激光陀螺的系统框图。
附图中各附图标记为：101阳极、102隔离室、103阴极、104加热螺线管、105玻璃底座、106热敏感支架、107第一球面反射镜、108压电陶瓷膜片、109软管、110加热丝、201传感器。
具体实施方式
为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。
激光陀螺工作中不可避免的发热，当受到温度、振动环境的影响时，谐振腔的腔体会发生形变，第一激光和第二激光产生损耗、谐振频率发生变化，激光陀螺不再工作在光斑信号的光强峰值点，导致激光陀螺的性能下降。根据行波谐振腔理论，谐振腔内第一激光和第二激光的谐振频率与总光学程长具有反比例关系，因此为了稳定第一激光和第二激光的谐振频率，需要通过第一程长调节组件驱动第一球面反射镜发生位移来动态调节总光学程长，实现第一激光和第二激光频率的稳定。当温度变化剧烈，通过改变第一球面反射镜的位移无法达到稳定第一激光和第二激光的谐振频率的目的，所以通过第二程长调节组件改变稳频通道的气体折射率进而改变激光陀螺的总光学程长。
实施例一
如图1至图7所示本发明的一种基于谐振腔程长调节的激光稳频方法，包括以下步骤。
步骤1：多个温度采集组件测量谐振腔的腔外温度，将第二程长调节组件连接至谐振腔的气体通道，将第一程长调节组件连接至第一球面反射镜。如图2所示，所述第一程长调节组件包括交流电源、玻璃底座105、热敏感支架106以及加热螺线管104。所述第二程长调节组件包括线性电源、隔离室102、加热丝110、压电陶瓷膜片108以及软管109。第一程长调节组件通过热敏感支架106与第一球面反射镜107连接，第二程长调节组件通过软管109与谐振腔的气体通道连接。如图3所示，热敏感支架106可以是纯铝支架，纯铝支架的膨胀与温度呈线性关系。
步骤2：引燃变压器向阴极提供第一激励电压，第一激励电压在阴极与阳极之间分别生成第一激光和第二激光。第一激光经过气体通道、第一球面反射镜、第一真空通道、第一平面反射镜、稳频通道、第二平面反射镜、第二真空通道、第二球面反射镜到达合光棱镜，第二激光经过气体通道、第二球面反射镜到达合光棱镜。
步骤3：第一激光和第二激光经过合光棱镜耦合形成光斑信号，信号分析器根据光斑信号测量激光相位和激光频率，基于激光相位测量激光陀螺的角速度。根据行波谐振腔理论，谐振腔内第一激光和第二激光的激光频率必须满足v=qc/L，其中，v是激光频率，c是光速，q是纵模阶数，L是第一激光和第二激光的总光学程长。
步骤4：若激光频率等于谐振腔的谐振频率，返回至步骤2，否则基于多个采样时刻的腔外温度生成温度序列，提取温度序列的位置关联参数和时间关联参数。如图4所示，多个传感器201均匀分布在激光陀螺外壳上、第一程长调节组件上、第二程长调节组件上，用于生成温度序列。
根据采样时刻k的腔外温度Te k预测腔内温度Tk，，ΔTk-i为采样时刻k-i的腔外温升，ak-i为采样时刻k-i的温度影响系数，i=1,2,...,5，多个腔内温度按照采样时刻的顺序组成温度序列。温度影响系数是指历史温度对当前温度的影响系数，ak-1可以取值0.6，/>。通常ak-1大于ak-2，即距离当前采样时刻的时间越长，温度影响系数越小。温度序列为p×y的二维矩阵，由p个测量位置的y个采样时刻的腔内温度组成。根据温度序列中同一采样时刻的p个测量位置的腔内温度生成温度方差，第k个采样时刻的温度方差/>， />为第k个采样时刻的测量位置x的腔内温度，为第k个采样时刻的腔内温度的平均值；再根据多个采样时刻的温度方差计算位置关联参数，位置关联参数/>，y为温度序列中采样时刻的数量。根据温度序列的同一测量位置的y个采样时刻的腔内温度生成温度变化值，第x个测量位置的温度变化值，/>为测量位置x的第k+1个采样时刻的腔内温度，/>为测量位置x的第k个采样时刻的腔内温度；再根据多个测量位置的温度变化值计算时间关联参数，时间关联参数/>，p为测量位置的数量。
步骤5：若位置关联参数大于方差基准值，进入步骤6，否则进入步骤7。预设方差基准值为1，如图5所示，第k次采样时刻的多个测量位置的腔内温度在[24.384,28.689]℃的范围内，选取腔内温度Tk={24.863、25.341、25.819、26.297、26.776、27.254、27.732、28.21、28.689}，本实施例中测量位置p=9个，生成温度方差，计算得出/>=(24.863+25.341+25.819+26.297+26.776+27.254+27.732+28.21+28.689)/9≈26.776，S(k)≈1.53，进而根据温度方差计算出位置关联参数。
步骤6：进入单调节模式，若时间关联参数大于零，经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置，否则经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，进入步骤8。时间关联参数大于零表示腔内温度上升，当腔内温度上升时，第一激光和第二激光产生损耗、谐振频率发生变化，需要经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置，改变总光学程长。如图6所示，同一测量位置的多个采样时刻的腔内温度在[25,50]℃的范围内，选取一段时间内随时间从远到近同一测量位置的多个采样时刻的腔内温度Tk={25、26、28、30、33、34、35、36、40、42、43、45、47、50}，本实施例中采样时刻的数量y =14个，生成温度变化值，计算得出F(x)=(1×1+2×2+2×3+3×4+1×5+1×6+1×7+4×8+2×9+1×10+2×11+2×12+3×13)=186，进而根据温度变化值计算出时间关联参数。
步骤7：进入双调节模式，若时间关联参数大于零，先经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置，再经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，否则，先经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，再经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置。
步骤8：根据气体通道的折射率调节引燃变压器的输出功率，重新提取激光频率，若激光频率等于谐振腔的谐振频率，返回至步骤2，否则引燃变压器调整至第二激励电压后，再返回至步骤2。若激光频率仍不等于谐振腔的谐振频率，说明调节组件不能满足程长调节要求。引燃变压器跳至下一纵模，重新扫描激光频率。第二激励电压为下一纵模的基准电压。随着气体通道的折射率的增加，谐振腔损耗增大。调节引燃变压器的输出功率，以保持光斑信号的亮度。输出功率的调节量以满足光斑信号的读取为条件，在此不做赘述。
如图7所示，总光学程长L=L1+2L2+n1L3+4n2L4，其中L1为气体通道的物理程长，L2为真空通道的物理程长，L3为稳频通道的物理程长，L4为合光棱镜中的物理程长，n1为稳频通道的气体折射率，n2为合光棱镜的折射率，n1=1+(an)/(2e0)，其中a为平均极化率，n 为分子数密度，e0为真空电容率。通过第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置，改变气体通道的物理程长和真空通道的物理程长，通过第二程长调节组件调整气体通道的折射率，改变总光学程长。
实施例二
如图8所示，本实施例进一步公开了第一程长调节组件根据光斑信号调节程长的方法。
光斑信号被信号分析器采集，经过光电转换器将光斑信号转换为电压信号，经过前置放大器将电压信号进行放大，经过A/D转换器将电压信号转换为数字信号，经过DSP芯片对数字信号进行存储及去除噪声等处理，经过D/A转换器将数字信号转换为电压信号，经过功率放大电路放大电压信号，放大后的电压信号输入至交流电源。光电转换器与前置放大器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与DSP芯片的数据输入端连接，DSP芯片的数据输出端与D/A转换器的输入端连接，D/A转换器输出端与功率放大电路连接，功率放大电路与交流电源连接，交流电源与加热螺线管连接，加热螺线管对热敏感支架加热，热敏感支架连接在激光陀螺谐振腔的第一球面反射镜上，控制激光陀螺的气体通道的物理程长和真空通道的物理程长。当交流电源对加热螺线管施加的电压增大时，热敏感支架膨胀导致第一球面反射镜的位移向前，激光陀螺气体通道的物理程长和真空通道的物理程长减小，当交流电源对加热螺线管施加的电压减小时，热敏感支架收缩导致第一球面反射镜的位移向后，激光陀螺气体通道的物理程长和真空通道的物理程长增大。激光陀螺总光学程长的变化引起光斑信号的变化，通过光斑信号的变化调节总光学程长。
实施例三
如图9所示，本实施例公开了根据所述基于谐振腔程长调节的激光稳频方法的激光陀螺，包括：激光激发组件、光路组件、激光采集组件、多个温度采集组件、第一程长调节组件、第二程长调节组件、一稳频控制器。参照图2，所述激光激发组件包括引燃变压器、阴极103、两组阳极101。引燃变压器向阴极103提供第一激励电压，第一激励电压在阴极103与两组阳极101之间分别生成第一激光和第二激光。所述光路组件包括谐振腔、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜。所述激光采集组件包括合光棱镜和信号分析器，第一激光经谐振腔、第一球面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，第二激光经谐振腔、第二球面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，信号分析器测量激光频率。所述温度采集组件用于提取谐振腔的腔外温度。具体来说，如图4所示，温度采集组件包括一组信号采集器和多组传感器201。传感器201安装在谐振腔的多个位置，并测量腔外温度。信号采集器接收温度信号并发送至稳频控制器。所述第一程长调节组件连接至第一球面反射镜107。所述第二程长调节组件连接至谐振腔的气体通道。所述稳频控制器生成温度序列并根据温度序列控制第一程长调节组件或第二程长调节组件。
参照图3，所述第一程长调节组件包括交流电源、玻璃底座105、热敏感支架106以及加热螺线管104，玻璃底座105固定在谐振腔内，加热螺线管104安装在玻璃底座105外侧，第一球面反射镜107安装在热敏感支架106上，交流电源向加热螺线管104通入交流电压，热敏感支架106调节第一球面反射镜107的位置。
根据交流电源的电压与热敏感支架106伸长量的第一传递函数调节谐振腔的物理程长，该第一传递函数为Δh=K1t(U0+ΔU1)2/CmR1，Δh为热敏感支架106的伸长量，U0为交流电源的初始电压，ΔU1为交流电源的电压增量，C为热敏感支架106的比热、m为热敏感支架106的质量，R1为热敏感支架106的电阻、K1为热敏感支架106的热膨胀系数，t为交流电压的通电时间。
所述第二程长调节组件包括线性电源、隔离室102、加热丝110、压电陶瓷膜片108、以及软管109，加热丝110与压电陶瓷膜片108固定在隔离室102内，隔离室102经软管109连接气体通道，线性电源向加热丝110通入直流电，加热丝110调整气体通道的气体温度。
根据线性电源的电压变化与总光学程长变化的第二传递函数调节总光学程长，其中，该第二传递函数为ΔL=ΔU2(K2K3U)/(T0+1)，ΔL为总光学程长的增量，ΔU2为线性电源的电压增量，U为线性电源的初始电压，T0为加热器时间常数，K2为第一导热系数，K3为第二导热系数。加热器时间常数是指加热器电阻丝的导热效率，由加热器的物理形态决定。与加热丝110的比热、加热丝110的质量，传热系数以及传热面积有关。K2=2/(R2HA)，K3=an2L4N1/(2e0V1T1)，R2为加热丝110的电阻，H为传热系数，A为传热面积，a为平均极化率，n2为合光棱镜的折射率，L4为合光棱镜中的物理程长，N1为隔离室102内部气体的分子数，e0为真空电容率，V1为隔离室102内部气体的体积，T1为稳频通道内部气体的温度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于谐振腔程长调节的激光稳频方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：多个温度采集组件测量谐振腔的腔外温度，将第二程长调节组件连接至谐振腔的气体通道，将第一程长调节组件连接至第一球面反射镜；
步骤2：引燃变压器向阴极提供第一激励电压，第一激励电压在阴极与两个阳极之间分别生成第一激光和第二激光；
步骤3：第一激光和第二激光经过合光棱镜耦合形成光斑信号，信号分析器根据光斑信号测量激光相位和激光频率，基于激光相位测量激光陀螺的角速度；
步骤4：若激光频率等于谐振腔的谐振频率，返回至步骤2，否则基于多个采样时刻的腔外温度生成温度序列，提取温度序列的位置关联参数和时间关联参数，其中，根据采样时刻k的腔外温度Te k预测腔内温度Tk，，ΔTk-i为采样时刻k-i的腔外温升，ak-i为采样时刻k-i的温度影响系数，i=1,2,...,5，多个腔内温度按照采样时刻的顺序组成温度序列，根据温度序列中同一采样时刻的p个测量位置的腔内温度生成温度方差，第k个采样时刻的温度方差/>， />为第k个采样时刻的测量位置x的腔内温度，/>为第k个采样时刻的腔内温度的平均值；再根据多个采样时刻的温度方差计算位置关联参数，位置关联参数/>，y为温度序列中采样时刻的数量，根据温度序列的同一测量位置的y个采样时刻的腔内温度生成温度变化值，第x个测量位置的温度变化值/>，/>为测量位置x的第k+1个采样时刻的腔内温度，/>为测量位置x的第k个采样时刻的腔内温度；再根据多个测量位置的温度变化值计算时间关联参数，时间关联参数/>，p为测量位置的数量；
步骤5：若位置关联参数大于方差基准值，进入步骤6，否则进入步骤7；
步骤6：进入单调节模式，若时间关联参数大于零，经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置，否则经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，进入步骤8；
步骤7：进入双调节模式，若时间关联参数大于零，先经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置，再经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，否则，先经第二程长调节组件调整气体通道的折射率，再经第一程长调节组件调整第一球面反射镜的位置；
步骤8：根据气体通道的折射率调节引燃变压器的输出功率，重新提取激光频率，若激光频率等于谐振腔的谐振频率，返回至步骤2，否则引燃变压器调整至第二激励电压后，再返回至步骤2。
2.一种根据权利要求1所述的基于谐振腔程长调节的激光稳频方法的激光陀螺，其特征在于，包括：
激光激发组件，该激光激发组件包括引燃变压器、阴极以及两组阳极，引燃变压器向阴极提供第一激励电压，第一激励电压在阴极与两个阳极之间分别生成第一激光和第二激光；
光路组件，该光路组件包括谐振腔、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜；
激光采集组件，该激光采集组件包括合光棱镜和信号分析器，第一激光经谐振腔、第一球面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，第二激光经谐振腔、第二球面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，信号分析器测量激光频率；
多个温度采集组件，温度采集组件用于提取谐振腔的腔外温度；
第一程长调节组件，第一程长调节组件连接至第一球面反射镜；
第二程长调节组件，第二程长调节组件连接至谐振腔的气体通道；
一稳频控制器，稳频控制器生成温度序列并根据温度序列控制第一程长调节组件或第二程长调节组件。
3.根据权利要求2所述的激光陀螺，其特征在于，所述第一程长调节组件包括交流电源、玻璃底座、热敏感支架以及加热螺线管，玻璃底座固定在谐振腔内，加热螺线管安装在玻璃底座外侧，第一球面反射镜安装在热敏感支架上，交流电源向加热螺线管通入交流电压，热敏感支架调节第一球面反射镜的位置。
4.根据权利要求3所述的激光陀螺，其特征在于，根据交流电源的电压与热敏感支架伸长量的第一传递函数调节谐振腔的物理程长，其中，该第一传递函数为Δh=K1t(U0+ΔU1)2/(CmR1)，Δh为热敏感支架的伸长量，U0为交流电源的初始电压，ΔU1为交流电源的电压增量，C为热敏感支架的比热、m为热敏感支架的质量，R1为热敏感支架的电阻、K1为热敏感支架的热膨胀系数，t为交流电压的通电时间。
5.根据权利要求4所述的激光陀螺，其特征在于，所述第二程长调节组件包括线性电源、隔离室、加热丝、压电陶瓷膜片以及软管，加热丝与压电陶瓷膜片固定在隔离室内，隔离室经软管连接气体通道，线性电源向加热丝通入直流电，加热丝调整气体通道的气体温度。
6.根据权利要求5所述的激光陀螺，其特征在于，根据线性电源的电压变化与总光学程长变化的第二传递函数调节总光学程长，其中，该第二传递函数为ΔL=ΔU2(K2K3U)/(T0+1)，ΔL为总光学程长的增量，ΔU2为线性电源的电压增量，U为线性电源的初始电压，T0为加热器时间常数，K2为第一导热系数，K3为第二导热系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311647669.5A CN117367400B (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311647669.5A CN117367400B (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117367400A CN117367400A (zh) | 2024-01-09 |
| CN117367400B true CN117367400B (zh) | 2024-03-05 |
Family
ID=89406221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311647669.5A Active CN117367400B (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117367400B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117685944B (zh) * | 2024-01-23 | 2024-04-16 | 江西驰宇光电科技发展有限公司 | 一种激光陀螺的跳模控制方法及跳模控制装置 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5100236A (en) * | 1985-02-14 | 1992-03-31 | Rockwell International Corporation | Two servo loop passive ring laser gyroscope |
| US6891149B1 (en) * | 1998-09-22 | 2005-05-10 | Qinetiq Limited | Optical phase detector |
| CN105352490A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-02-24 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统及方法 |
| CN105588521A (zh) * | 2014-11-17 | 2016-05-18 | 中国航空工业第六一八研究所 | 一种球面反射镜半径的测量方法 |
| CN105698820A (zh) * | 2016-01-27 | 2016-06-22 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种激光陀螺腔平移镜抖动形变主动补偿装置 |
| CN110763220A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-02-07 | 西安邮电大学 | 一种基于温度补偿的激光陀螺自主选模方法 |
| CN113451882A (zh) * | 2020-09-15 | 2021-09-28 | 中国计量科学研究院 | 一种激光稳频的方法及系统 |
| CN114705175A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-07-05 | 湖南亿诺胜精密仪器有限公司 | 激光陀螺读出光学系统的合光和直流稳频控制一体化装置 |
| CN114899702A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-08-12 | 北京航空航天大学 | 一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111048987B (zh) * | 2019-12-31 | 2021-02-12 | 哈尔滨工业大学 | 基于激光管温度多点采集的高频率复现性激光稳频方法与装置 |
-
2023
- 2023-12-04 CN CN202311647669.5A patent/CN117367400B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5100236A (en) * | 1985-02-14 | 1992-03-31 | Rockwell International Corporation | Two servo loop passive ring laser gyroscope |
| US6891149B1 (en) * | 1998-09-22 | 2005-05-10 | Qinetiq Limited | Optical phase detector |
| CN105588521A (zh) * | 2014-11-17 | 2016-05-18 | 中国航空工业第六一八研究所 | 一种球面反射镜半径的测量方法 |
| CN105352490A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-02-24 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统及方法 |
| CN105698820A (zh) * | 2016-01-27 | 2016-06-22 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种激光陀螺腔平移镜抖动形变主动补偿装置 |
| CN110763220A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-02-07 | 西安邮电大学 | 一种基于温度补偿的激光陀螺自主选模方法 |
| CN113451882A (zh) * | 2020-09-15 | 2021-09-28 | 中国计量科学研究院 | 一种激光稳频的方法及系统 |
| CN114899702A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-08-12 | 北京航空航天大学 | 一种基于光纤环形谐振腔的激光器偏频稳频装置及方法 |
| CN114705175A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-07-05 | 湖南亿诺胜精密仪器有限公司 | 激光陀螺读出光学系统的合光和直流稳频控制一体化装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Green-pumped CW singly resonant optical parametric oscillator based on MgO:PPLN with frequency stabilization;S. Zaske等;《CLEO/Europe - EQEC 2009 - European Conference on Lasers and Electro-Optics and the European Quantum Electronics Conference》;全文 * |
| Yuanbo Tao等.Analysis and Improvement of Frequency Stabilization Characteristics of a Total Reflection Prism Laser Gyro.《IEEE Access》.2018,全文. * |
| 张俊江.环形激光测磁系统的信号检测与稳频.中国激光.1990,(第02期),全文. * |
| 棱镜激光陀螺数字稳光强稳腔长控制系统;黄勇;蒋军彪;;弹箭与制导学报(第06期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117367400A (zh) | 2024-01-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN117367400B (zh) | 基于谐振腔程长调节的激光稳频方法及激光陀螺 | |
| JP5039452B2 (ja) | 磁場計測装置 | |
| US5144632A (en) | Laser with actively stabilized etalon for single frequency operation | |
| EP0454399B1 (en) | Single frequency laser | |
| US5477726A (en) | Apparatus for determining the density of liquids and gases from a period of an oscillator filled with a test sample | |
| US10333269B2 (en) | Controlling output power of a laser amplifier with variable pulse rate | |
| CN101355231A (zh) | 一种单纵模激光器的稳频系统 | |
| JP2002158383A (ja) | レーザ光源の適正駆動温度を決定するための方法および装置 | |
| CN117685944B (zh) | 一种激光陀螺的跳模控制方法及跳模控制装置 | |
| US4972424A (en) | Automatic dither stabilization of a laser cavity | |
| CN109742642A (zh) | 一种固体激光器热焦距测量方法及装置 | |
| RU2352038C1 (ru) | Способ стабилизации частоты излучения лазера | |
| US7529285B2 (en) | Frequency stabilised gas laser | |
| CN109084744B (zh) | 一种激光陀螺动态锁区的处理方法 | |
| CN111092362A (zh) | 基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置 | |
| CN117470209B (zh) | 一种激光陀螺的热平衡控制方法及装置 | |
| JPH02138783A (ja) | 周波数安定レーザの共振器長のアクテイブな熱安定化のためのシステムの切換えの瞬間を決定するための方法および装置 | |
| JP2002158382A (ja) | レーザ光源の適正駆動温度を決定するための方法および装置 | |
| CN108827346A (zh) | 基于连续ring-down的谐振式传感器温度补偿方法 | |
| RU2317531C2 (ru) | Устройство для измерения разности температур | |
| RU2726170C1 (ru) | Генератор с динамическим разогревом термостата ПАВ-резонатора | |
| JPH0666542A (ja) | レーザの共振器アライメント保持装置 | |
| CN116454722A (zh) | 基于分区间预热与非平衡功率锁定的抗温度干扰激光稳频方法与装置 | |
| CN117080853A (zh) | 一种太赫兹双频激光器稳定性控制系统及方法及其使用方法 | |
| Hu et al. | Research on a thermostatic heating control system for optically pumped cesium magnetometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |