楊士杰，汪世林，邱宏波

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

0 引言

激光陀螺是一種利用Sagnac效應(yīng)敏感運(yùn)動載體角速度的慣性器件，具有精度高、可靠性高、動態(tài)范圍寬、啟動時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中高精度導(dǎo)航領(lǐng)域[1-3]?？臻g三軸激光陀螺是單軸激光陀螺的集成方案，通過反射鏡復(fù)用的方式將三個(gè)敏感環(huán)路正交集成于一塊微晶玻璃基體上，相較于單軸激光陀螺組合，具有體積小、質(zhì)量小、功耗低等優(yōu)勢，已成為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想部件[4-5]。

空間三軸激光陀螺的核心部件為光學(xué)諧振腔，其制作難點(diǎn)除諧振腔體的精密加工外，還有諧振腔的精密裝調(diào)，即調(diào)腔過程。調(diào)腔是指通過精確調(diào)整環(huán)形光路中球面反射鏡的位置，優(yōu)化激光光束在諧振腔內(nèi)部的傳輸路徑，以使基模高斯光束獲得最大的模體積與最小的損耗。調(diào)腔的質(zhì)量將直接影響激光陀螺的閉鎖閾值、隨機(jī)游走系數(shù)和零偏穩(wěn)定性等參數(shù)。目前，單軸激光陀螺調(diào)腔技術(shù)的相關(guān)研究多有報(bào)道，文獻(xiàn)[6]介紹了三角形諧振腔的調(diào)腔原理及方法，并分析了不同腔長對調(diào)腔精度的要求；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于視覺的調(diào)腔系統(tǒng)，通過分析光闌和光斑圖像對反射鏡位置進(jìn)行閉環(huán)控制；文獻(xiàn)[8]提出了一種傾斜接觸式調(diào)腔方法，依靠反射鏡自身重力保證調(diào)腔過程中反射鏡與陀螺基體貼片面的高平行度要求?？臻g三軸激光陀螺可沿用單軸激光陀螺調(diào)腔技術(shù)進(jìn)行調(diào)腔，但由于反射鏡的復(fù)用，三個(gè)敏感環(huán)路在空間上互相關(guān)聯(lián)，實(shí)際調(diào)腔效率和質(zhì)量并不理想。文獻(xiàn)[9]提出了一種在有源腔狀態(tài)下對空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔的方法，但需特殊結(jié)構(gòu)的腔長角度控制鏡配合，且調(diào)節(jié)能力受壓電陶瓷靈敏度限制，只能在小范圍內(nèi)調(diào)腔。隨著空間三軸激光陀螺工程化應(yīng)用的不斷發(fā)展，亟需一種適用于空間三軸激光陀螺的新型諧振腔裝調(diào)技術(shù)。

本文針對空間三軸激光陀螺的調(diào)腔難題，在單軸激光陀螺調(diào)腔設(shè)備和傳統(tǒng)調(diào)腔方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合空間三軸激光陀螺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了雙通道調(diào)腔設(shè)備及簡化的調(diào)腔方法，并搭建了原理樣機(jī)進(jìn)行空間三軸激光陀螺調(diào)腔實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雙通道調(diào)腔技術(shù)的有效性。

1 空間三軸激光陀螺的調(diào)腔原理

空間三軸激光陀螺共有六面反射鏡，包括三面球面反射鏡(以S1、S2、S3表示)和三面平面反射鏡(均以P表示)，其典型空間結(jié)構(gòu)為八面體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在此空間結(jié)構(gòu)的每一個(gè)頂角位置可安裝一面球面反射鏡或一面平面反射鏡，由任意兩組對頂角共可形成三個(gè)相互正交的正方形光路。此三個(gè)環(huán)形諧振光路具有相同的幾何特征，稱為空間三軸激光陀螺的三個(gè)通道[10]。每個(gè)通道均包含兩面球面反射鏡和兩面平面反射鏡，形成一個(gè)激光振蕩的諧振腔，等價(jià)為一個(gè)單軸激光陀螺，如圖2所示。

理想情況下，各諧振腔內(nèi)的激光束均能垂直入射進(jìn)光闌中心(以兩球面鏡連線中心處為例)，而激光陀螺基體貼片面的加工誤差將使反射鏡發(fā)生歪扭或偏移，進(jìn)而使諧振腔內(nèi)激光束偏離理想運(yùn)行路徑，光闌處激光束入射點(diǎn)與入射角度也將發(fā)生改變。在圖3所示坐標(biāo)系下，此光路變動數(shù)學(xué)關(guān)系可用式(1)表示[11-12]

(1)

式中，δi表示各反射鏡的法向(zi向)位移，δix與δiy表示各反射鏡法向矢量變化的2個(gè)正交分量；X和Y表示光闌中心處光束的徑向位移;φx和φy表示光闌中心處光束的傾斜角；θ為光線在反射鏡處的入射角；R為兩球面鏡的曲率半徑；L為正方形光路的邊長。

圖3 光路分析坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system for analyzing beam path

基模高斯光束通過光闌的單次衍射損耗可用式(2)進(jìn)行分析[13]

(2)

式中，ωx和ωy為光闌處的光斑長短軸半徑；s為積分區(qū)域。光束入射方向的變化將改變積分域s的大小和形狀，入射點(diǎn)的變化將等效為積分域s的平移，兩者均會影響基模高斯光束在光闌處的衍射損耗，并最終反映為諧振腔總損耗值的增大。

因此，依據(jù)各通道中光斑與光闌中心的相對位置或損耗值較最小值的偏離程度可衡量該通道的失準(zhǔn)誤差。平面反射鏡裝配位置的改變并不影響光路，只能通過移動球面反射鏡，尋找其最佳安裝位置以使該誤差最小化。

空間三軸激光陀螺調(diào)腔的難點(diǎn)在于，移動某球面反射鏡將同時(shí)改變兩通道中的光束路徑，如球面反射鏡S1在通道I內(nèi)沿x軸的移動，在通道III內(nèi)將轉(zhuǎn)變?yōu)檠貀軸的移動。因此，對空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔，不能只補(bǔ)償某一通道的失準(zhǔn)誤差，而應(yīng)充分考慮三個(gè)通道的相關(guān)性，使各個(gè)通道的失準(zhǔn)誤差一致且趨于最小。

2 空間三軸激光陀螺傳統(tǒng)調(diào)腔技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)調(diào)腔設(shè)備

實(shí)際工程應(yīng)用中，激光陀螺的調(diào)腔過程需要專門的調(diào)腔設(shè)備(腔損儀)輔助調(diào)節(jié)球面反射鏡的安裝位置。傳統(tǒng)的腔損儀將參考光束注入空間三軸激光陀螺的某一通道，依據(jù)諧振腔出射光束的特征參數(shù)(如衰減時(shí)間或諧振峰半波全寬等)來準(zhǔn)確測定該通道的損耗值[14-16]，并實(shí)時(shí)監(jiān)測光斑與光闌的相對位置。其原理如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)腔損儀原理圖Fig.4 Schematic diagram of traditional cavity loss measuring instrument

其中，掃頻激光器產(chǎn)生頻率周期性變化的參考激光束，反射鏡組用以改變光束的傳播方向，偏振片可調(diào)整透射光束的偏振方向。參考光束在空間三軸激光陀螺某一通道內(nèi)往復(fù)振蕩后出射，出射光功率信號由光電探測器實(shí)時(shí)接收，光斑與光闌中心的相對位置由電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)進(jìn)行捕獲。

2.2 傳統(tǒng)調(diào)腔方法

借助于傳統(tǒng)的腔損儀對空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔，每次只能調(diào)節(jié)其中一個(gè)通道。調(diào)節(jié)球面反射鏡S1和S2使通道I損耗最小，然后調(diào)節(jié)球面反射鏡S3使通道II損耗最小，理想情況下通道III損耗也應(yīng)為最小。由于激光陀螺基體存在加工誤差，通道III內(nèi)將出現(xiàn)誤差累積，導(dǎo)致?lián)p耗與最小值的偏差較大，而調(diào)節(jié)任一面球面反射鏡將同時(shí)改變兩個(gè)通道的狀態(tài)，已無可調(diào)節(jié)的自由度。傳統(tǒng)的調(diào)腔方法采用循環(huán)逐步逼近的方式反復(fù)調(diào)節(jié)球面反射鏡的安裝位置，均分三個(gè)通道的失準(zhǔn)誤差，其簡要步驟如圖5所示。

空間三軸激光陀螺的傳統(tǒng)調(diào)腔方法為兩層循環(huán)結(jié)構(gòu)，步驟較為繁瑣，主要原因在于：每面反射鏡均屬于兩個(gè)通道，調(diào)節(jié)某面反射鏡將同時(shí)改變兩個(gè)通道的狀態(tài)，但腔損儀只能監(jiān)測其中一個(gè)通道的狀態(tài)變化，信息量的缺失只能通過頻繁切換測試通道和增加操作次數(shù)來補(bǔ)償。

3 雙通道調(diào)腔技術(shù)

3.1 雙通道調(diào)腔設(shè)備

空間三軸激光陀螺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳統(tǒng)腔損儀功能特性的矛盾制約了調(diào)腔效率的提高。若腔損儀可同時(shí)監(jiān)測兩個(gè)通道中光斑與光闌中心相對位置及諧振腔損耗值，則調(diào)腔流程可大幅簡化。按照這一思路設(shè)計(jì)了雙通道腔損儀，其簡要結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)調(diào)腔流程圖Fig.5 Flow chart of traditional cavity adjustment process

圖6 雙通道腔損儀原理圖Fig.6 Schematic diagram of two-channel cavity loss measuring instrument

雙通道腔損儀同時(shí)將兩束參考光束分別注入空間三軸激光陀螺的兩個(gè)通道，由兩個(gè)CCD和光電探測器分別監(jiān)測兩個(gè)通道的狀態(tài)變化。每個(gè)參考光路的元器件配置及損耗測試方法可與傳統(tǒng)腔損儀一致，部分裝置如掃頻激光器驅(qū)動電路等可共用。需注意的是，兩路參考光束在激光陀螺固定位置處的夾角應(yīng)嚴(yán)格與陀螺內(nèi)兩個(gè)環(huán)形諧振光路的夾角相匹配，以保證兩束參考光束均能在陀螺內(nèi)諧振。

3.2 簡化的調(diào)腔方法

借助于雙通道腔損儀，在空間三軸激光陀螺的調(diào)腔過程中，調(diào)節(jié)某一球面反射鏡的安裝位置，可同時(shí)監(jiān)測其所在兩個(gè)通道狀態(tài)的變化。在雙通道腔損儀的基礎(chǔ)上，可對傳統(tǒng)調(diào)腔方法進(jìn)行簡化，簡化后的調(diào)腔步驟如圖7所示。

圖7 簡化調(diào)腔流程示意圖Fig.7 Flow chart of simplified cavity adjustment process

利用雙通道腔損儀對空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔，相較于傳統(tǒng)的調(diào)腔方法，減少了一層內(nèi)循環(huán)，省去了頻繁切換測試通道的過程。如調(diào)節(jié)球面反射鏡S3時(shí)，可依據(jù)雙通道腔損儀給出的通道II和通道III的狀態(tài)信息，直接尋找出球面反射鏡S3的最佳安裝位置。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照雙通道腔損儀的原理架構(gòu)搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，采用雙通道調(diào)腔技術(shù)對空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔實(shí)驗(yàn)。其中，掃頻激光器利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)改變諧振腔長，實(shí)現(xiàn)了參考激光頻率調(diào)諧。壓電陶瓷用鋸齒波電壓驅(qū)動，電壓范圍設(shè)置為0～100V，掃描頻率設(shè)置為4Hz，在一個(gè)掃描周期內(nèi)參考激光頻率至少改變一個(gè)縱模間隔。光電探測器由光電二極管和跨阻放大器組成，接收諧振腔輸出光束并轉(zhuǎn)換為0～5V內(nèi)的電壓信號。

實(shí)驗(yàn)所用激光陀螺工作光束均為S偏振光，調(diào)腔時(shí)需旋轉(zhuǎn)偏振片將參考光束調(diào)整為同一偏振方向，并用時(shí)間衰減技術(shù)準(zhǔn)確測定該偏振模式的損耗。實(shí)驗(yàn)過程中獲得的典型光斑與光闌中心相對位置圖像如圖8所示。

圖8 光斑與光闌圖像Fig.8 Image of laser spot and aperture

諧振腔出射光強(qiáng)達(dá)到峰值時(shí)，由聲光開關(guān)快速切斷光路，諧振腔出射光強(qiáng)將呈指數(shù)形式下降，如圖9所示。根據(jù)出射光強(qiáng)自最大值下降至其1/e的時(shí)間即衰減時(shí)間，按式(3)計(jì)算損耗值[17-18]

(3)

式中，δ為諧振腔損耗值;L′為環(huán)形諧振腔光程;c為光速;τ為衰減時(shí)間。

圖9 時(shí)間衰減信號波形圖Fig.9 Cavity ring-down signal waveform

按照相同的工藝標(biāo)準(zhǔn)，在三個(gè)通道失準(zhǔn)誤差相同的要求下，利用傳統(tǒng)調(diào)腔技術(shù)和雙通道調(diào)腔技術(shù)對空間三軸激光陀螺進(jìn)行調(diào)腔，并進(jìn)行三組對比實(shí)驗(yàn)，記錄每次調(diào)腔耗時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

利用傳統(tǒng)調(diào)腔技術(shù)完成空間三軸激光陀螺調(diào)腔的平均耗時(shí)為5.3h，而利用雙通道調(diào)腔技術(shù)完成空間三軸激光陀螺調(diào)腔的平均耗時(shí)為1.7h。雙通道調(diào)腔技術(shù)使空間三軸激光陀螺的調(diào)腔耗時(shí)縮短了約70%。

表1 兩種調(diào)腔技術(shù)對比

5 結(jié)論

本文針對空間三軸激光陀螺調(diào)腔步驟繁瑣、耗時(shí)較長的問題，分析了傳統(tǒng)腔損儀和傳統(tǒng)調(diào)腔方法的局限，結(jié)合空間三軸激光陀螺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了雙通道腔損儀及簡化的調(diào)腔方法，并搭建了原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，利用雙通道腔損儀和簡化的調(diào)腔方法，可使空間三軸激光陀螺的調(diào)腔耗時(shí)縮短約70%，驗(yàn)證了雙通道調(diào)腔技術(shù)的有效性。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，完成雙參考光路初始校正耗時(shí)較長，后續(xù)可通過優(yōu)化空間三軸激光陀螺固定裝置加以解決。