机械抖动棱镜式激光陀螺输出信号特性研究
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摘要
棱镜式激光陀螺作为一种应用于姿态测量中的惯性器件，相比于反射镜式陀螺和光纤陀螺，具有启动快，精度高，性能稳定，抗干扰能力强，不需要对棱镜进行镀膜等优点，是一种能够在恶劣工作环境下使用的高精度捷联惯性系统的理想器件。随着国内对应用于导航领域的惯性器件性能要求的不断提高，研制高可靠性，具有稳定输出性能的陀螺受到越来越多科研人员的关注。为了将陀螺的工作状态始终保持在锁区之外，一般常用机械抖动方式进行偏频。在实践中发现，棱镜式激光陀螺的输出信号会产生与抖动相关的幅度调制，严重影响陀螺的测量精度。目前对激光陀螺性能的检测主要是针对成品陀螺进行，对于性能不达标的陀螺，需要全部拆解重新装配，这也是目前造成棱镜式激光陀螺成品率低下和生产成本较高的主要原因。
本文基于某现有型号抖动偏频棱镜式激光陀螺，从几何结构，棱镜材料，光电探测器的装配，陀螺内部传输激光的偏振特性，以及棱镜在抖动状态下的应力分布等方面进行了认真细致的理论分析和实验测量。论文在仿真实验的基础上，给出了陀螺输出信号受到幅度调制的影响机制。通过对陀螺内传输激光偏振态的测量，提出使用偏振光功率对陀螺信号调制特性进行预判的方法。最后，从工程探索的角度出发，提出一种对称型的激光陀螺结构概念，并用计算机仿真试验，与原始结构陀螺进行性能对比，验证了该优化方案所具有的优势。
1.针对抖动偏频棱镜式激光陀螺的输出电压信号产生幅度调制的现象，首次将机械抖动对激光传输轨迹和光电探测器的影响作为分析对象，引入陀螺输出信号特性的研究。通过理论分析和仿真实验，结果表明机械抖动会对陀螺的棱镜产生应力作用，使激光光路发生改变，影响激光输出能量，同时造成光电探测器与出射光束产生相对位移，最终引起陀螺输出信号的幅度受到与抖动相关的调制。通过对所提出模型的仿真结果和真实输出信号波形的对比，证明了本文提出的幅度调制机制的合理性和分析模型的正确性。
2.对陀螺中传输激光的偏振特性进行研究。棱镜式激光陀螺采用布儒斯特角来进行激光光束的折反，本文给出了棱镜式激光陀螺出射光的强度表达式，激光偏振参量与陀螺输出信号调制程度的一般关系。首次提出以出射偏振光的功率值作为依据，来判定陀螺输出信号幅度调制程度的方法。通过对多组陀螺的测量表明，在抖动状态下当陀螺出射偏振光功率小于静止理想状态下的25.5%，标准差大于0.0337dBm，棱镜偏移量大于陀螺腔内传输激光束腰半径的53%时，陀螺输出电压信号幅值相对起伏程度可达到16%以上，严重影响陀螺的测量精度。使用这种基于输出光偏振特性的检测方法，可以在陀螺的装配过程对不合格的部件及时进行修复，显著地提高陀螺的检测与生产效率，缩短生产周期，提高激光陀螺的可靠性。
3.在对非对称型激光陀螺性能进行分析的基础上，首次将对称型全反射棱镜纳入陀螺的结构设计方案，为优化陀螺结构参数，减小出射光功率调制深度提供了新的思路。通过使用有限元分析软件，比较了非对称型陀螺和对称型陀螺的振动模态和动态响应。结果表明，在抖动状态下，对称型陀螺的应力分布具有对称性，棱镜上的应力取值也显著小于非对称棱镜。从仿真的结果来看，使用对称型结构，能够减弱机械抖动对棱镜的应力作用，降低传输激光光轴偏移的程度，有效提高棱镜式激光陀螺输出激光的稳定性，改善输出信号幅度特性。
4.在综合已有分析结论和对称型结构方案的基础上，本文对具有不同折射率和结构参数的棱镜，不同程度的探测器位置偏移对输出信号的影响进行了分析，提出在保证探测器初始位置位于出射激光光斑中心的前提下，选取折射率为1.8857的对称型陀螺的激光陀螺的改善措施。通过对此方案进行数值分析，结果表明，使用对称型的陀螺结构，选取具有合适折射率的对称型棱镜，减小探测器与出射光斑中心的相对位移，可以将出射光幅度调制相比原先减小52.63%以上，显著地改善棱镜式激光陀螺输出信号的稳定性。该方案经检索，尚未见到类似的技术优化方案的报道。
本文所做的研究工作，对于提高棱镜式激光陀螺输出信号稳定性和提高生产效率具有重要的参考价值，对于激光陀螺结构优化设计和提高惯性器件可靠性具有重要的意义。
As a new type of optical inertial device which is used in attitude measurement,prisms laser gyro has drawn many attentions in recent years because of its excellentperformance under the adverse circumstance. Compared with the traditional mirror lasergyro such as reflector gyro and fiber optical gyro, prisms laser gyro has manyadvantages such as a quick starting, high accuracy, stable performance, high abilities ofpreventing interference and no need of coatings. With the increasing requirement ofhigh performance of inertial devices in the area of domestic navigation, the gyro withhigher reliability and stable output quality has become the study focus.To keep the gyroworking status out of lock-in, mechanical dither is usually used. However, it is foundthat the amplitude of output voltage signal of prisms laser gyro is always modulated bydither bias, which strongly influences the measurement accuracy of gyro. Currently, theperformance test is mainly made at the stage of the finished products. Any unqualifiedgyro needs to be disassembled to repair. That's the mainly cause responsible for thelower rate of finished gyro products and higher production cost.
This paper presents a theoretical analysis and experimental research on thegeometrical structure, prism's material, a photodetector assembly situation, polarizationproperties of output light and the stress distribution in prisms of gyro. The mechanismof the output signal modulation has been presented by help of the simulation results oflaser gyro. Based on the polarized measurement results, a new method based on powervalue of output polarized light to estimate the output signal amplitude modulation oflaser gyros is proposed. And a new structure to improve the gyro performances has beenpresented and the numerical simulation is also made to examine the advantages of thenew structure laser gyro.
1. Based on the fact that the amplitude of output voltage signal has been modulatedby dither bias, the effect of mechanical dither to the laser transmission trajectory andphotodetector is calculated and analyzed systematically. By use of the numericalsimulation and finite element analysis methods, it is found that the main factors to causemodulation depth are photodetector deviation and stress induced birefringence in prisms.The comparison between the numerical simulation and experiment shows that by themodel and the mechanism proposed can well describe the coupled light intensity.
2. To test the polarization characteristics of the transmission laser in the prismsgyro, a specified test platform is established. Using the Brewster angle as the laser beam incident angle is a significant characteristic in prisms laser gyro. The analytical formulaof output light intensity in gyro and the relationship between polarized parameters andmodulation depth are given and discussed. For the first time to our knowledge, a newmethod to estimate the amplitude modulation of the gyro output signal is proposed byuse of the polarized power value of the output optical intensity. Experimental resultsshow that when the value of polarized power of output light is below25.5%of that inideal static situation which equals to-23.334dBm, the standard error is over0.0337dBm,and the displacement extent of prism is higher than the53%of radius of the beam waistin gyro cavity, the amplitude modulation extent of gyro output signal can be as high as16%, which can strongly influence measurement precision of laser gyro. According tothe results above, the production efficiency could be improved, and development cyclecould be shortened through testing the polarized power of output light before the prismsare assembled to gyro.
3. Based on the analysis of the performance of an asymmetrical gyro, a new type ofgyro with symmetrical structure is proposed. This symmetry structure provides a newway for optimization design and reduction amplitude modulation for the prisms lasergyro. Compared with the results of finite element analysis between these two kinds ofgyros, it is shown that the stress value distribution is symmetry gyro and the value ismuch smaller than that in asymmetry one in prism. From the results of simulation, usingthe symmetry gyro structure could reduce the stress of the prism and off-axis range ofthe laser beam trajectory in the cavity, and improve the stability of output laser intensityand output signal quality of the laser gyro effectively.
4. Based on the analysis results and the idea of the symmetry gyro structure, theinfluence of the refractive index of the prism and the vibration of photodetector on theoutput laser power of gyro is analysed.An optimization method has been presented. Theinitial position of the detector should be in the center of the output light spot area, andthe prism refractive index should be1.8857. In this case, analysis indicates that the gyrowith symmetric prisms of higher refractive index would improve the performance ofcoupling light and reduce the modulation depth by52.63%at least.
The research results in this paper would provide an important reference forimproving the quality of the output signal and the reliability of prisms laser gyro.
本文基于某现有型号抖动偏频棱镜式激光陀螺，从几何结构，棱镜材料，光电探测器的装配，陀螺内部传输激光的偏振特性，以及棱镜在抖动状态下的应力分布等方面进行了认真细致的理论分析和实验测量。论文在仿真实验的基础上，给出了陀螺输出信号受到幅度调制的影响机制。通过对陀螺内传输激光偏振态的测量，提出使用偏振光功率对陀螺信号调制特性进行预判的方法。最后，从工程探索的角度出发，提出一种对称型的激光陀螺结构概念，并用计算机仿真试验，与原始结构陀螺进行性能对比，验证了该优化方案所具有的优势。
1.针对抖动偏频棱镜式激光陀螺的输出电压信号产生幅度调制的现象，首次将机械抖动对激光传输轨迹和光电探测器的影响作为分析对象，引入陀螺输出信号特性的研究。通过理论分析和仿真实验，结果表明机械抖动会对陀螺的棱镜产生应力作用，使激光光路发生改变，影响激光输出能量，同时造成光电探测器与出射光束产生相对位移，最终引起陀螺输出信号的幅度受到与抖动相关的调制。通过对所提出模型的仿真结果和真实输出信号波形的对比，证明了本文提出的幅度调制机制的合理性和分析模型的正确性。
2.对陀螺中传输激光的偏振特性进行研究。棱镜式激光陀螺采用布儒斯特角来进行激光光束的折反，本文给出了棱镜式激光陀螺出射光的强度表达式，激光偏振参量与陀螺输出信号调制程度的一般关系。首次提出以出射偏振光的功率值作为依据，来判定陀螺输出信号幅度调制程度的方法。通过对多组陀螺的测量表明，在抖动状态下当陀螺出射偏振光功率小于静止理想状态下的25.5%，标准差大于0.0337dBm，棱镜偏移量大于陀螺腔内传输激光束腰半径的53%时，陀螺输出电压信号幅值相对起伏程度可达到16%以上，严重影响陀螺的测量精度。使用这种基于输出光偏振特性的检测方法，可以在陀螺的装配过程对不合格的部件及时进行修复，显著地提高陀螺的检测与生产效率，缩短生产周期，提高激光陀螺的可靠性。
3.在对非对称型激光陀螺性能进行分析的基础上，首次将对称型全反射棱镜纳入陀螺的结构设计方案，为优化陀螺结构参数，减小出射光功率调制深度提供了新的思路。通过使用有限元分析软件，比较了非对称型陀螺和对称型陀螺的振动模态和动态响应。结果表明，在抖动状态下，对称型陀螺的应力分布具有对称性，棱镜上的应力取值也显著小于非对称棱镜。从仿真的结果来看，使用对称型结构，能够减弱机械抖动对棱镜的应力作用，降低传输激光光轴偏移的程度，有效提高棱镜式激光陀螺输出激光的稳定性，改善输出信号幅度特性。
4.在综合已有分析结论和对称型结构方案的基础上，本文对具有不同折射率和结构参数的棱镜，不同程度的探测器位置偏移对输出信号的影响进行了分析，提出在保证探测器初始位置位于出射激光光斑中心的前提下，选取折射率为1.8857的对称型陀螺的激光陀螺的改善措施。通过对此方案进行数值分析，结果表明，使用对称型的陀螺结构，选取具有合适折射率的对称型棱镜，减小探测器与出射光斑中心的相对位移，可以将出射光幅度调制相比原先减小52.63%以上，显著地改善棱镜式激光陀螺输出信号的稳定性。该方案经检索，尚未见到类似的技术优化方案的报道。
本文所做的研究工作，对于提高棱镜式激光陀螺输出信号稳定性和提高生产效率具有重要的参考价值，对于激光陀螺结构优化设计和提高惯性器件可靠性具有重要的意义。
As a new type of optical inertial device which is used in attitude measurement,prisms laser gyro has drawn many attentions in recent years because of its excellentperformance under the adverse circumstance. Compared with the traditional mirror lasergyro such as reflector gyro and fiber optical gyro, prisms laser gyro has manyadvantages such as a quick starting, high accuracy, stable performance, high abilities ofpreventing interference and no need of coatings. With the increasing requirement ofhigh performance of inertial devices in the area of domestic navigation, the gyro withhigher reliability and stable output quality has become the study focus.To keep the gyroworking status out of lock-in, mechanical dither is usually used. However, it is foundthat the amplitude of output voltage signal of prisms laser gyro is always modulated bydither bias, which strongly influences the measurement accuracy of gyro. Currently, theperformance test is mainly made at the stage of the finished products. Any unqualifiedgyro needs to be disassembled to repair. That's the mainly cause responsible for thelower rate of finished gyro products and higher production cost.
This paper presents a theoretical analysis and experimental research on thegeometrical structure, prism's material, a photodetector assembly situation, polarizationproperties of output light and the stress distribution in prisms of gyro. The mechanismof the output signal modulation has been presented by help of the simulation results oflaser gyro. Based on the polarized measurement results, a new method based on powervalue of output polarized light to estimate the output signal amplitude modulation oflaser gyros is proposed. And a new structure to improve the gyro performances has beenpresented and the numerical simulation is also made to examine the advantages of thenew structure laser gyro.
1. Based on the fact that the amplitude of output voltage signal has been modulatedby dither bias, the effect of mechanical dither to the laser transmission trajectory andphotodetector is calculated and analyzed systematically. By use of the numericalsimulation and finite element analysis methods, it is found that the main factors to causemodulation depth are photodetector deviation and stress induced birefringence in prisms.The comparison between the numerical simulation and experiment shows that by themodel and the mechanism proposed can well describe the coupled light intensity.
2. To test the polarization characteristics of the transmission laser in the prismsgyro, a specified test platform is established. Using the Brewster angle as the laser beam incident angle is a significant characteristic in prisms laser gyro. The analytical formulaof output light intensity in gyro and the relationship between polarized parameters andmodulation depth are given and discussed. For the first time to our knowledge, a newmethod to estimate the amplitude modulation of the gyro output signal is proposed byuse of the polarized power value of the output optical intensity. Experimental resultsshow that when the value of polarized power of output light is below25.5%of that inideal static situation which equals to-23.334dBm, the standard error is over0.0337dBm,and the displacement extent of prism is higher than the53%of radius of the beam waistin gyro cavity, the amplitude modulation extent of gyro output signal can be as high as16%, which can strongly influence measurement precision of laser gyro. According tothe results above, the production efficiency could be improved, and development cyclecould be shortened through testing the polarized power of output light before the prismsare assembled to gyro.
3. Based on the analysis of the performance of an asymmetrical gyro, a new type ofgyro with symmetrical structure is proposed. This symmetry structure provides a newway for optimization design and reduction amplitude modulation for the prisms lasergyro. Compared with the results of finite element analysis between these two kinds ofgyros, it is shown that the stress value distribution is symmetry gyro and the value ismuch smaller than that in asymmetry one in prism. From the results of simulation, usingthe symmetry gyro structure could reduce the stress of the prism and off-axis range ofthe laser beam trajectory in the cavity, and improve the stability of output laser intensityand output signal quality of the laser gyro effectively.
4. Based on the analysis results and the idea of the symmetry gyro structure, theinfluence of the refractive index of the prism and the vibration of photodetector on theoutput laser power of gyro is analysed.An optimization method has been presented. Theinitial position of the detector should be in the center of the output light spot area, andthe prism refractive index should be1.8857. In this case, analysis indicates that the gyrowith symmetric prisms of higher refractive index would improve the performance ofcoupling light and reduce the modulation depth by52.63%at least.
The research results in this paper would provide an important reference forimproving the quality of the output signal and the reliability of prisms laser gyro.
引文
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