激光陀螺及减小闭锁效应的方法

申恒艳，吴平，范伟

(中国航天科工集团7801 研究所，湖南 长沙410205 )

0 引言

现代武器系统中，惯性技术被广泛应用，作为惯性测量装置的陀螺，是惯性技术的关键部件，受到广泛的重视。传统的陀螺是指高速旋转的刚体，但由于质量不平衡，容易受到加速度影响及要使转速稳定需要提前预热等问题，使用起来极不方便，因此无需高速转子的陀螺成为各国关心的问题。1975 年激光陀螺在战术飞机上成功试飞，开启了激光陀螺迅速发展的序幕，并逐步开始取代机械陀螺，应用在各类导弹、寻北仪、飞机等领域。

1 激光陀螺工作原理

Sapnac 效应是激光陀螺的工作原理。同一点发出的两束单色光在旋转的圆环光路内分别沿顺时针和逆时针方向传播，对于圆环上的某点，两束光传播一周所产生的光程差正比于圆环的旋转速度，实际上，对于任意形状的闭合环路来说，都成立。

2 闭锁效应

但在现实中，环路不可能是均匀的，当旋转的角速度较小时，激光陀螺就会没有输出，即激光陀螺不能敏感小角度，这种现象叫做闭锁。由于闭锁效应的存在，激光陀螺不能测量小转速，甚至相差很远，严重的影响了检测精度。

闭锁效应如图1 所示。图1 (a)说明在理想情况下顺、逆两束单色光的频率差与转动角速率成正比;图1 (b)可以看出，当存在闭锁时实际曲线与理想曲线存在差别:当输入转速满足＜ΩL(ΩL称为闭锁阈值)时，沿顺、逆时针两个方向传播的两束单色光的频率被闭锁同步，使得激光陀螺没有输出;并且，即使在＞ΩL以外，实际曲线仍与理想曲线不重合，存在明显的非线性区。

即闭锁效应的存在，使得激光陀螺具有如下特点:①当激光陀螺的转动角速率小于闭锁阈值时输出为零，②在输入角速度大于闭锁阈值且很接近时，输出严重失真。

图1 激光陀螺闭锁效应示意图

3 采用偏频技术降低锁区对激光陀螺的影响

可以看出，闭锁效应是使用者不希望的。目前减小锁区影响常用的方法主要有两种:一是降低锁区;二是采用偏频技术使激光陀螺工作脱离锁区。

3.1 光学抖动及改善锁区原理

采用镀膜和调整光路可以减小背向散射以达到降低激光陀螺锁区的目的。基本原理如图2 所示，镜3和镜4 上粘贴灵敏度相同的PZT，在PZT 上加载交变电压信号OPSa 和POSb，振动幅度相同、频率相同但相位相差π，在通电的整个过程中，镜3 和镜4 会按照信号的频率以一定的幅度来回抖动，而陀螺的腔长即光路长度不变，位置的改变会改变背向散射光的大小，进而改变了锁区的大小，这种方法称为光学抖动。

图2 试验光路图

假设镜3 上的散射光为e = Esin(ωt + Δφ)，通电后，镜3 的抖动为h = Hsin(ω0t)，使得镜3 的散射光产生相位改变，改变量为Δφ =sin(ω0t)，因此散射光就相应的变为

对公式(1)进行贝赛尔－傅里叶级数展开，有

式中:Jn(M)为第一类贝赛尔函数，M =为改变量的调制指数;0 次项即EJ0(M)sinωt 为散射光中未受到调制的部分，该部分散射光对锁区影响最大。理论分析表明当背向散射光的相位改变量调制指数，即M= 2.405，5.520，8.654 等适当值时，例如 M =2.405 ，H = 0.541λ，会有J0(M)= 0 ，这样，镜3 的散射光中未受分就等于0，而散射调制光全部分布在ω+ω0和ω －ω0的整数倍上，通过选择合适的ω0，使边频带与主频带不混迭，散射光的综合背向散射系数就会减小，从而达到降低激光陀螺锁区的目的。但由于PZT 的灵敏度受限，J0(M)= 0 只存在于理想状态，因此，光学抖动通常要与机械抖动配合，才能达到改善锁区提高激光陀螺精度的目的。

3.2 正弦机械抖动系统

用压电元件和弹簧片相结合构成振子，施加以正弦抖动信号，驱动闭合激光器垂直于谐振腔回路所在的平面轴线快速来回转动，使激光陀螺在锁区外工作，这就是机械偏频的原理。但由于每个正弦抖动周期内总有一段时间不能促使陀螺逃离锁区，这就会使陀螺的输出信息产生随机性丢失，如果陀螺工作时间包含多个正弦抖动周期，那么这种丢失就会产生多次积累，这称为动态锁区。

加载正弦机械抖动偏频后，激光陀螺上加载正弦机械抖动偏频后的输入输出曲线如图3 所示［1－3］，曲线中的多个平台就构成了陀螺的动态锁区。理论上=2.405，5.520，8.654，... (其中ΩD为最大抖动幅度，ω 为机抖频率)等特殊值时，可以使零阶锁区降为零［4］。

图3 激光陀螺输入输出曲线

正弦机械抖动系统是机抖激光陀螺的核心部件，是工作于谐振状态的正弦波振荡器，其性能直接关系机抖激光陀螺的检测精度。其功能框图如图4 所示。

图4 激光陀螺机械抖动系统方框图

4 小结

激光陀螺由于具有一系列的优点，被认为构成是捷联惯性测量组合的理想器件，具有光明的前景，应用越来越广。闭锁是影响激光陀螺精度的一个重要因素，对减小闭锁效应方法的研究涉及到力学、光学等多个专业，具有重大的工程实际意义。

［1］Chow W W，Gea－Banacloche J，Pedrotti L，et al. The ring laser gyro ［J］. Rev Mod Phys，1985，57 (1):18 －21.

［2］陈林峰，严吉中，韩宗虎. 激光陀螺抖动偏频优化研究［J］. 光子学报，2008，37 (7):2 －4.

［3］谢元平，曾纯，汤建勋. 机械抖动激光陀螺过锁区分析与处理［J］. 光电子·激光，2000，11 (1):3 －4.

［4］汤建勋，付文羽，张广发. 消除抖动偏频激光陀螺动态闭锁误差的试验研究［J］. 光电子·激光，2000，11 (2):1－2.