激光陀螺反射镜散射检测方法

韩宗虎，胡晓东

（中国航空工业集团 西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

激光陀螺反射镜散射检测方法

韩宗虎，胡晓东

（中国航空工业集团 西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

闭锁效应是影响激光陀螺性能的重要因素, 而光束在反射镜表面反射时的背向散射则是形成闭锁效应的主要原因。基于矢量叠加理论，对激光陀螺反射镜背向散射对谐振腔总背向散射的影响进行了分析。在此基础上，提出一种反射镜散射的在线测量方法，以半导体激光器为光源构成远心光路，通过显微镜收集散射光，并利用CCD记录反射镜膜面的散射光场。根据散射图样对反射镜进行筛选，并最终确定反射镜膜面的安装位置与方向。在某型激光陀螺上进行了实验，结果表明使用该方法选配可以将锁区合格率由原来的75%提升至95%，改进效果明显。该检测方法结构简单，可有效控制由反射镜散射引起的锁区超标问题，在激光陀螺反射镜的在线检测及激光陀螺装调方面有很好应用前景。

激光陀螺；背向散射；锁区；显微成像；表面缺陷

激光陀螺具有动态范围大，耐冲击振动能力强，对与加速度有关的误差不敏感，启动时间短，可靠性高等一系列优点，是捷联惯性导航系统的理想元件，其主要应用领域包括航天、航空、航海和陆地各种运动载体的导航制导定位定向和姿态控制，是精确制导武器和各种作战平台实现精确打击和精确姿态控制的核心和关键部件[1-2]。纵观激光陀螺的发展过程，主要是同闭锁效应斗争的历史，而背向散射则是激光陀螺锁区形成的主要原因[3-4]。由于环形谐振腔内背向散射作用，部分入射光沿原路返回，使得顺时针旋转的光(CW)和逆时针旋转的光(CCW) 相互耦合，从而形成了锁区[5-6]。激光陀螺中背向散射主要来源有反射镜的非完整性、光学元件（如光栏）的散射、气体中尘埃的散射与吸收等[7-8]。普遍认为, 光束在反射镜表面反射时的背向散射对能量耦合具有重要贡献, 是形成锁区的主要原因[9-10]。本文将就激光陀螺反射镜散射检测方法展开研究。

1 理论分析

首先对于激光陀螺反射镜背向散射对谐振腔总背向散射的影响进行分析。如图1所示，为方便起见设环行激光陀螺腔形是四边形的，并且假定背向散射主要发生在四面反射镜上，其中，M1、M4为平面反射镜，M2、M3为球面反射镜，各反射镜背向散射系数分别为r1、r2、r3、r4。

图1 四镜谐振腔Fig. 1 Four-mirror resonator

设沿环行谐振腔顺时针转播光束的电场强度为E0，起点O取在M4处。顺时针光在M1反射镜上散射前光的电场强度为

经反射镜M1背向散射后到达O点光的电场强度为

同理可得由M2、M3及M4引起的背向散射在O点光的电场强度为

考虑到所有反射镜散射光具有相干性, 可以得到综合散射系数与各反射镜散射系数的关系为

总的背向散射光是由各个背向散射源产生的背向散射光矢量叠加而成。如图2所示，从数学角度分析，要减小背向散射合矢量有两种方法：①调整各矢量相位；②减小各矢量幅值。在反射镜背向散射系数相同的情况下，可以通过调节加在PZT压电驱动器上的电压改变背向散射光矢量相位。当相位在0 到 2π之间变化时，总耦合系数模量在零到最大值之间呈现正弦周期性变化，从而实现对谐振腔综合背向散射系数的调节。如图3所示，在所有散射源散射强度既定的条件下，可以通过调节各散射矢量的相位，使得背向散射光强矢量和最小，这也是动态锁区控制的基本思想[11]。然而，要想从根本上减小背向散射就必须降低每个反射镜的散射值，即控制单片反射镜背向散射矢量的幅值。如此背向散射合矢量最大值以及变化范围均可得到有效控制，从而在根本上降低谐振腔的背向散射。然而受基础工业的限制，激光陀螺反射镜的质量短时间内很难实现跨越性的提升，更不可能达到百分之百的反射率，但是可以依靠有效的测试手段对待装配的反射镜片进行检测，以找出均匀性最好的区域作为反射镜的工作区，从而实现降低背向散射控制锁区的目的。

图2 复平面上矢量相加的不同情况：(a) 任意情况；(b) 和最小；(c) 和最大Fig.2 Four complex vector summation on complex number plane: (a) random; (b) minimum; (c) maximum

图3 谐振腔总背向散射光的电场强度随相位变化关系Fig.3 Effect of complex vector phase on resonator backscattering intensity

2 系统设计

图4 表面散射示意图Fig.4 Schematic of surface scattering

严格意义上的背向散射，其方向与入射光方向相同，对其直接测量是极其困难的。传统的测量方法采用积分球测量全积分散射（TIS）。由于背向散射能量仅皮瓦量级，属微弱信号，探测难度大，且易受噪声影响，测量精度难以提高。在实际测试过程中大量的实验数据均表明，由表面不均匀性引起的背向散射与体散射往往是相互对应的，即体散射较大的镜片背向散射通常也较大。如图4所示，我们可以利用样品表面上方一定立体角（θ）内散射光强度表征背向散射光强度，即采用立体角积分方法进行散射的检测。

正是基于该思想，我们搭建了激光陀螺反射镜散射检测系统。如图5所示，该检测系统由控制计算机、CCD像机、图像采集卡、显微镜、样品位移及旋转机构、激光光源及光束控制系统等组成。为保证与实际使用环境光源一致，系统采用632.8 nm的激光作为光源。为去除空气中粒子或是光路中器件瑕疵导致的杂散光的干扰，从而得到均匀的出射光斑，采用空间滤波器对激光光束进行空间滤波。因光斑尺寸不足以覆盖整个工作表面，需使用阔束镜对光束进行阔束。然后用反射镜控制光束以45°角度斜入射至样品表面。激光陀螺反射镜属超光滑表面元件，其主要散射源尺寸仅为亚微米到几十微米量级，需采用显微成像的方法才能获得图像信息。为保证收集的散射光强度，同时要求物镜的工作距离不能过小，以免阻挡入射和反射光路，应采用大数值孔径的物镜。收集的散射光经CCD成像后通过数据采集卡采集数据并上传至控制计算机。样品台周边采用全黑不透光低反射率的材料，减少杂散光对瑕疵散射光的影响。

图5 检测系统框图Fig.5 Block-diagram of detecting instrument

3 实验结果及分析

经测试后的实验结果如图6所示，镜片的散射源有两种，即点状散射源和线状散射源。点状散射源一般是由镜片基底缺陷，镀膜过程中污染所致。该散射源与入射方向无关，如膜面的有效工作区域内出现该类散射源，一般需更换反射镜。而线状散射源一般由加工工艺导致，且具有方向性特征。如图7所示，线状散射源只有在特定的角度入射时才能显现，这也正是反射镜装调过程中应避免的。实验还发现，当入射方向与线状散射源垂直时散射的强度最大。偏离垂直时，散射强度随之减小，直至消失。

图6 测试结果Fig.6 Test results

图7 旋转不同角度时样品散射情况Fig.7 Scattering image for different rotation angle:

图8 转过不同角度时的归一化散射光强Fig.8 Normalized scattering intensity for different rotation angles

图8所示为膜面散射光强的归一化灰度均值随镜片旋转角度的变化关系，由图可知，当旋转至约50°（相对于初始标定位置转过的角度）时，由于线状散射源导致图像的灰度均值升高，继续旋转则灰度值减小。实际使用时，应挑选一定范围内散射光强变化缓慢且均值较低的角度作为激光的入射方向。对于图8所示样品可以考虑选取与初始标定位置旋转100°～110°左右的方向为入射方向。

为了验证该方法对于锁区控制的可行性，我们选取了两组共20个样本进行试验，其中一组采用现有的方法进行选配和装调，另外一组则采用本文所提出的方法对反射镜进行选配和测量，并找到散射最小的角度安装。实验结果如图9所示，10个未使用该方法选配的样本中有4个出锁值均大于于0.1 (°)/s，而使用该方法选配的10个样本出锁值均小于0.1 (°)/s。进而我们在某型抖动激光陀螺上扩大了样本数量做进一步验证，实验结果表明在使用该方法选配的100个左右的样本中，锁区合格率达到95%以上，改进效果明显。对于未使用该方法选配的样本中锁区超标的样本，我们又利用该系统进行重新选配和装调，结果全部合格。

图9 样本锁区值Fig. 9 Lock-in values of samples

4 结 论

本文基于立体角积分方法，提出一种反射镜激光散射的在线测量方法。该测量方法结构简单，精度高，速度快，可以实现非接触实时检测，既可实现反射镜的分级筛选，又能为反射镜的装调提供指导，同时也为反射镜的加工制造提供了改进的方向。经实验证明该方法可以有效控制由反射镜散射引起的锁区超标问题，在工件的在线检测方面具有较高的工程应用价值。

（References）：

[1] Hurst R B, Schreiber K U, Wells J R, et al. Mode selection in an ultra-large ring laser gyro[J]. Applied optics, 2012, 51(22): 5591-5595.

[2] Sakharov V K. Model of lock-In in a ring laser and a semiconductor laser gyro[J]. Technical Physics, 2011, 56(8): 1135-1141.

[3] 黄敬霞. 激光散射显微镜的图像采集与处理[D]. 国防科学技术大学, 2007. Huang Jing-xia. Image acquirement and processing for the laser scattering microscope[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2007.

[4] 程翔, 周山昆, 罗晖, 樊振方. 激光陀螺中背向散射的研究[J]. 应用光学, 2011, 32(1): 170-173. Cheng Xiang, Zhou Kun, Luo Hui, Fan Zhen-fang. Backscattering in ring laser gyroscope[J]. Journal of Applied Optics, 2011, 32(1): 170-173.

[5] Ji Wen, Chen Shu-fen, Fu Lei, et al. Properties of a fiber-transmission filter based on Bragg grating and its applications in ring-laser gyros[J]. Optical Engineering, 2012, 51(5): 055001.1-055001.5.

[6] Bondarenko E A. A laser gyro with a four-mirror square resonator: formulas for simulating the dynamics of the synchronisation zone parameters of the frequencies of counterpropagating waves during the device operation in the self-heating regime[J]. Quantum electronics, 2014, 44(4): 364-370.

[7] Bondarenko E A. Calculating the parameters of a synchronisation zone of the frequencies of counterpropagating waves of a laser gyro[J]. Quantum electronics, 2011, 41(9): 824-828.

[8] Belfi J, Beverini N, Bosi F, et al. Performance of "G-Pisa" ring laser gyro at the Virgo site[J]. Journal of seismology, 2012, 16(4): 757-766.

[9] Fan Zhen-fang, Luo Hui, Xiao Guang-zong, et al. Research on lock-in correction for mechanical dithered ring laser gyro[J]. Optical Engineering, 2011, 50(3): 034403-1-034403-5.

[10] Fan Z, Luo H, Lu G, Hu S. Direct dither control without external feedback for ring laser gyro[J]. Optics & Laser Technology, 2012, 44(4): 767-770.

[11] 刘元正, 王京献, 马仰华, 兰佩锋. 激光陀螺锁区最小化控制技术[J]. 光子学报, 2010, 39(5): 781-784. Liu Yuan-zheng, Wang Jing-xian, Ma Yang-hua, Lan Pei-feng. Lock-in zone controlling for ring laser gyro[J]. Acta Photonica Sinica, 2010, 39(5): 781-784.

[12] 刘元正, 张明辉, 张华伟, 兰佩锋. 激光陀螺腔长控制镜改进设计[J]. 中国惯性技术学报, 2013, 21(2): 235-239. Liu Yuan-zheng, Zhang Ming-hui, Zhang Hua-wei, Lan Pei-feng. Optimization design for ring laser gyro path length control mirror[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(2): 235-239.

Method of mirror scattering test for laser gyro

HAN Zong-hu, HU Xiao-dong
(The Flight Automatic Control Research Institute of Aviation Industry of China, Xi’an 710065, China)

A key factor that influences the performance of laser gyro is lock-in effect, whose main reason is the backscattering caused by mirror reflection. In this paper, the effect of mirror backscattering on the total backscattering of laser gyro was analyzed, and a test method for mirror backscattering was proposed. The semiconductor laser was chosen as the laser source, and the scattering of the mirror was collected through a microscope. Then the image was acquired by a CCD camera. According to the scattering pattern, the mirror could be selected. Furthermore, the position and direction for installation could ultimately be determined. Experiments were conducted for a certain type of laser gyro, and the results show that the pass rate is increased from 75% to 95% by using this method. The structure is simple with high-precision fast untouched real time test. It turns out that the lock-in of laser gyro induced by the mirror scattering could be effectively controlled. This method has good application prospect in the real time work-piece test.

laser gyro; backscattering; lock-in; microscopic imaging; surface defects

O436

A

1005-6734(2015)04-0540-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.04.022

2015-04-13；

2015-07-28

航空基金支撑项目（61901060301）资助课题

韩宗虎（1961—），男，博士，研究员，从事激光陀螺方面的研究。huxd03@163.com