专利名称：定位三轴激光陀螺测试仪的反射镜的方法，特别在启动该陀螺测试仪时的制作方法
定位三轴激光陀螺测试仪的反射镜的方法，特别在启动该
陀螺测试仪时本发明涉及在包括激光腔的器件中定位移动反射镜的方法，经过该腔的激光波的 功率取决于反射镜的位置。本发明例如适用于激光陀螺测试仪的启动，特别是具有三个轴 的陀螺测试仪。陀螺测试仪是测量角速度的传感器。例如，惯性中心使用三个陀螺测试仪和三个 加速计来在每个时刻全面确定载体的运动，因而重建其位移。单轴激光陀螺测试仪允许测 量围绕单个轴的角速度。它包括环形激光腔，在该腔中两个光束在相反的方向上传播。它 还包括读出系统。当该腔以速度Ω旋转时，光束由于萨格纳克(Sagnac)效应看到其光频 隔开与Ω成比例的量。允许测量该频率差异的器件构成读出系统。环形激光腔由环形光 学腔、激光光束的输出耦合器和具有允许给它供电的系统的光学放大介质组成。光束可在 两个相反的方向上经过由提供封闭路径的至少三个反射镜形成的环形光学腔。当该腔是平 面的时，陀螺测试仪的敏感轴的方向仅仅由平面的法线给出。以反射镜之间的距离的和得 到的光学腔的周长也称为腔长并被标注为L。例如，四个反射镜A、Ε、B和C可形成环形方 光学腔，其长度四倍于边长ΑΕ。光波沿从A到E的顺时针方向穿过该腔，而一个波在从E到 A的逆时针方向上穿过。允许提取经过腔的激光波的强度的一部分的输出耦合器通常由轻 微透射的反射镜之一组成。光学腔也起光谱滤波器的作用只有腔的模——光频为c/L的 倍数的波(其中c是光速)——可在其中环形地传播。对于常规尺寸的腔，也就是说，其中 L小于30cm，两个模之间的光谱间隔大于一千兆赫(GHz)。在激光陀螺测试仪中，激光学放 大介质通常由被密封地约束在腔中的低压氦和氖的气体混合物组成。光放大于是在腔的一 段或多段上产生，在该腔中气体例如借助于阳极和阴极之间的放电被离子化。尽管如此，增 益只在某些光频带中是可用的，另外这些光频带对于给定的气态放大介质相对窄，一般具 有大约一千兆赫的宽度。激光效应于是在放大介质中的增益大于在腔中传播期间和在其反 射镜上反射期间遭受的损失的光频处获得。在氦_氖混合物的情况下，放大频带之一位于 可见光范围内——波长633纳米(nm)附近。通常，反射镜设计成只在这个光频范围内是足 够反射的，以致激光效应只可能在波长633nm附近。使用前面的数量级，腔模可能是离增益 的最大值相对远。在启动陀螺测试仪时，腔的长度L必须因此朝着最佳值被调节，以将模引 导到激光增益的最大值。然而在操作期间，根据在两次通电之间陀螺测试仪所遭受的膨胀 和收缩的热现象，长度L变化。如果在通电期间不使腔的长度适配，则陀螺测试仪不再充分 受益于包含在腔中的放大介质的增益。用于校正该现象的一个当前的解决方案是使用可平移反射镜，S卩，可被移位同时 遵循平移运动的移动反射镜和允许对两个波之一的一部分采样以便测量其强度的反射镜。 移动反射镜的调节由连续的移动完成，同时遵循腔中的平移运动。对于每个移动值，波的强 度被测量。于是目的是朝着相应于强度最大值的移动值收敛，该值相应于允许在最大程度 上受益于激光效应的光学腔的最大增益。但是，根据现有技术启动这样的陀螺测试仪时的 收敛时间常常很长，这是由于各种原因。这关系到本发明打算解决的技术问题之一。现有技术的第一个解决方案在于在第一时间从一端到另一端扫描移动反射镜的整个移动范围，同时测量发射波的强度，然后在第二时间返回到允许测量最大强度的移动 值。然而，这个解决方案遭受滞后现象当返回到相应于最大值的移动值时，某些特征将改 变，且最大值将不再完全在那里。因此需要朝着最大值逐渐收敛的补充时间。现有技术的第二个解决方案在于从移动反射镜的给定位置开始扫描，该位置来自 使外部温度条件相应于移动反射镜的位置的表格并停留在所遇到的第一最大值处。该表格 通常由给定类型的陀螺测试仪的陀螺测试仪制造商提供。该表格使能够提供最大强度或 至少提供接近于最大强度的强度的移动反射镜的位置相应于给定的外部温度条件。然而， 当使光学腔的长度L随着反射镜的移动变化时，发射波不唯一地呈现其强度实际上达到上 限的全局或主最大值；强度仅在一个位置附近最大的局部或次最大值也可在最小值附近突 然出现，导致两个模之间的竞争，一个在增益曲线一侧的出口点上，而另一个在对面重新进 入。因此，移动反射镜可在第一时间暂时停留在相应于次最大值的位置周围，然后仅在第二 时间趋向于相应于主最大值的位置。这个现象相当大地减慢了收敛时间，引起陀螺测试仪 的不可用性。一旦找到相应于增益最大值的移动值，就需要伺服装置，以便执行移动反射镜的 有规律的和具有较小幅度的周期性移动，并校正腔所遭受的热膨胀/收缩现象。这些移动 必须允许通过以准连续的方式改变移动反射镜的位置来跟踪最大值。然而，通过以准连续 的方式改变移动反射镜的位置来跟踪最大值不是容易的事情。尤其是在现有技术的解决方 案中，称为“跳模”的现象被频繁地观察到。这种现象将在本申请的下文中被详述。它以移 动反射镜的突然移动和发射波的频率的突然变化为特征。这仍关系到本发明打算解决的技 术问题之一。还存在包括成对地垂直布置的三个光学腔的具有三个轴的或“三轴”激光陀螺测 试仪。这三个光学腔中的每个重新采用单轴陀螺测试仪的前述操作原理，以测量陀螺测试 仪围绕其敏感轴的角速度。在这些三轴陀螺测试仪中，移动反射镜常常在腔之间被共用，使 得移动反射镜的移动对一个腔的长度没有影响，而是对两个腔的长度有影响。现有技术建 议对这样的三轴陀螺测试仪的三个腔独立地应用前面描述的现有技术的两个解决方案之 一，以在启动时使单轴测试仪收敛。在第一时间，通过前面描述的现有技术的两个方法之一 对这三个腔中的每个连续地确定给予它最大强度的长度。一旦这三个长度被确定，这就在 第二时间确定允许同时实现这三个腔长度的反射镜的三个位置，这通过将在下面被描述的 分析方法。然而，在对三轴陀螺测试仪的三个腔独立地应用现有技术的这两个解决方案时， 没有考虑腔的不可再现性，因而没有考虑其行为的差异。例如，一个腔可跟踪主最大值，而 另一个腔可跟踪次最大值。也不用说，滞后、由次最大值引起的延迟和跳模的现象在它们同 时发生在腔内时于是相当更加难以校正，这些腔的长度是相联系的。具有三个腔的这样的 陀螺测试仪的收敛时间因此更难以控制。这还关系到本发明打算解决的技术问题之一。本发明的目的特别是在启动陀螺测试仪时最小化朝着单轴激光陀螺测试仪的光 学腔的最大增益或朝着三轴激光陀螺测试仪的光学腔的最大增益收敛所必需的时间。为 此，本发明特别提出了激光陀螺测试仪的启动顺序，其包括一个或多个移动反射镜的引导 步骤，该引导步骤改善了光学腔中一个或多个反射镜的初始定位的确定。为此，本发明目的 是在激光腔中定位可平移反射镜的方法。激光腔包括可被激发以便产生光波的光学放大介 质。激光腔还包括由包含可平移反射镜的一组反射镜形成的光学腔，光学腔的长度取决于可平移反射镜的位置。可平移反射镜可在给光学腔赋予放大介质产生至少一个激光波的长 度的位置范围内移动。该方法包括将反射镜重新定位在预定的初始位置处的步骤。该方法 还包括在幅度等于光学腔的间模的范围内平移地移动反射镜以便确保光学腔经过气体提 供增益最大值的长度的步骤，激光波的强度对反射镜所占据的每个位置被测量。该方法还 包括将反射镜定位在相应于最高强度测量的最终位置的步骤。有利地，反射镜的初始位置可从将温度值与给光学腔赋予放大介质在所述温度提 供增益最大值的长度的反射镜位置进行匹配的表格中提取。例如，放大介质可为在激光陀螺测试仪中通过放电可离子化的气体。该方法可包括在涵盖反射镜的移动范围的范围内扫描反射镜但不测量波的强度 的准备步骤，以便减少在移动反射镜的步骤和定位反射镜的步骤之间的滞后。本发明目的同样是在包括三个环形激光腔的器件中定位三个可平移反射镜的方 法。这三个激光腔中的每个包括可被激发以便产生光波的光学放大介质。这三个激光腔中 的每个还包括由包含两个可平移反射镜的一组反射镜形成的光学腔，所述光学腔的长度取 决于所述两个可平移反射镜的位置，所述两个可平移反射镜可在给光学腔赋予放大介质产 生至少一个激光波的长度的位置的范围内移动。这三个可平移反射镜中的每个用于三个光 学腔中的两个的形成。该方法包括将三个反射镜预先定位在初始三个一组的预定位置处的 步骤。该方法还包括在具有小于或等于具有最大间模的光学腔的间模的相同幅度的范围内 同时平移地移动三个反射镜的步骤，以便确保每个光学腔经过放大介质提供增益最大值的 长度。对反射镜所占据的每三个一组位置测量分别经过每个光学腔的激光波的强度。该方 法还包括根据分别允许这三个腔中的每个提供最大强度的反射镜的三个三个一组位置确 定这三个腔中的每个的长度的步骤，在该长度所述腔提供最大强度。该方法还包括确定反 射镜的单一的、最终的三个一组位置的步骤，其允许给这三个腔同时赋予它们提供最大强 度的长度。该方法还包括将反射镜定位在最终三个一组位置处的步骤。有利地，这三个反射镜的初始三个一组位置可从将温度值与分别给每个光学腔赋 予放大介质在所述温度提供最大增益的长度的反射镜的三个位置进行对照的表格中提取。例如，放大介质可为在三轴激光陀螺测试仪中通过放电可离子化的气体。这三个光学腔具有相同的间模，这三个反射镜的移动幅度可等于所述间模的一 半。该方法可包括在涵盖反射镜的移动范围的范围内扫描三个反射镜但不测量波的 强度的准备步骤，以便减少在移动反射镜的步骤和定位反射镜的步骤之间的滞后。如果器件包括调节机构，则该方法可包括比较最终三个一组位置与在给定的延迟 之后调节机构使反射镜会聚所朝着的三个一组位置的最终步骤，该调节机构允许根据最终 三个一组位置起不断地调节可平移反射镜的位置，以便确保腔具有允许它们不断地提供最 大强度的相应长度。如果反射镜之一远离它在定位步骤结束获得的位置超过给定阈值，则 该方法的前面的步骤可重复和/或差值可被存储在存储器和/或禁止器件。本发明还有一个或多个反射镜的初始定位不再依赖于反射镜的伺服系统的操作 频率的主要优点，该系统更适合于跟踪功率最大值，而不是最初找到它，这是因为，它在大 约一赫兹的“慢”频率范围内操作。实现本发明以确定初始位置的系统可在大约一千赫兹 的“快”频率范围内操作。
借助于接下来关于附图
进行的描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，其 中-图Ia由透视图示出根据现有技术的三轴激光陀螺测试仪的光学腔的实例的图 示；-图Ib由曲线示出根据现有技术的陀螺测试仪的光学腔的激光模式的图示；-图2由三条曲线示出在三轴陀螺测试仪的具有相同间模的光学腔所发射的激光 功率根据其所依赖的控制电压的和而变化的实例的图示；-图3由三条曲线示出三轴陀螺测试仪的具有相同间模(intermode)的光学腔所 发射的激光功率根据其所依赖的控制电压的和而变化的实例的图示；-图4和5由两条曲线示出三轴陀螺测试仪的具有相同间模的光学腔的特定特性 的图示；-图6由曲线示出三轴陀螺测试仪的移动反射镜的控制根据正热梯度而变化的图 示；-图7由曲线示出在根据现有技术的激光陀螺测试仪中的光学腔的移动反射镜的 移位中可观察到的滞后现象的图示；-图8和9由两条曲线示出在根据本发明的激光陀螺测试仪中减少滞后的机构的 图示。图Ia由透视图示出根据现有技术的三轴陀螺测试仪的三个光学腔。陀螺测试仪 包括六个反射镜A、B、C、D、E和F。反射镜A、B、C、D、E和F由相等长度1的光路AC、AD、 AE、AF、BC、BD、BE、BF、CD、CF、ED和BF两两连接，这些光路允许光波的传播。放大气体的储 蓄器1、2、3、4、5和6分别靠着反射镜A、B、C、D、E和F布置。由这六个反射镜和十二条光 路形成的多面体内接于立方体，每个反射镜与所述立方体的端面的中心重合。这样实现的 器件包括分别形成三个环形光学腔X、Y和Z的具有相等长度L = 4X 1的三个封闭的光路 ADBF, ACBE和TODE，每个环形光学腔两两垂直。例如，反射镜B、C和D是可平移的，S卩，它 们是平移地移动的。由于压电控制，它们基本上可远离或接近多面体的中心1微米。以这 种方式，这三个光学腔X、Y和Z的相应长度可围绕值L按大约0. 01微米的精度进行调节。 应注意，每个光学腔X、Y和Z的长度依赖于B、C和D中的两个移动反射镜的位置。还应注 意，这些移动反射镜B、C和D中的每个的位置调节X、Y和Z中的两个光学腔的长度。反射 镜A、E和F构成输出耦合器它们允许激光强度的测量。以这种方式，经过三个光学腔X、 Y和Z的波的相应功率可被测量。由三个毛细管连接到气体储蓄器2、3和4的阴极7以及 六个阳极8、9、10、11、12和13允许在光学腔X、Y和Z中激发放大气体，并因此产生经过光 学腔X、Y和Z的激光波。这三个光学腔Χ、Υ和Z可通过首先在以被控制的热膨胀为特征的 材料一例如提供非常弱的热膨胀的材料Z0rodur —的块中开掘光路LAC、AD、AE、AF、 BC、BD、BE、BF、CD、CF、ED和EF来产生。然后反射镜A、B、C、D、E和F以及气体储蓄器1、2、 3、4、5和6可被集成在该块中。图Ib由概略图示出图Ia的陀螺测试仪的光学腔X、Y或Z中的任一个的激光模。 横坐标表示光频。光学腔的长度L确定它可发射的激光模的频率这组频率由c/L的倍数 频率梳组成，即，例如(m-2)Xc/L、(m-1) Xc/L、mXc/L和(m+1) X c/L，其中m是整数。在 启动陀螺测试仪时，每个腔的长度被调节，以将模引导成尽可能靠近放大气体的激光增益
相反，为了获得具有长度LX、LY和Lz的腔，待提供的电压根据下面的方程3被表示 为
权利要求
1.一种在激光腔中定位可平移反射镜的方法，该激光腔包括 -光学放大介质，可被激发以便产生光波；-光学腔，由包括所述可平移反射镜的一组反射镜形成，所述光学腔的长度取决于所述 可平移反射镜的位置，所述可平移反射镜可在给所述光学腔赋予所述放大介质产生至少一 个激光波的长度的位置范围内移动； 所述方法特征在于包括-将所述反射镜预先定位在预定的初始位置处的步骤；-在其幅度等于所述光学腔的间模(K)的范围内平移地移动所述反射镜以便确保所述 光学腔经历气体提供增益最大值(M)的长度的步骤，所述激光波的强度针对所述反射镜占 据的每个位置进行测量；_将所述反射镜定位在相应于最高强度测量的最终位置的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射镜的初始位置是从将温度值反射 镜位置进行对照的表格中提取的，该反射镜位置给光学腔赋予放大介质在所述温度提供增 益最大值(M)的长度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放大介质是通过放电可离子化的气体。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，器件是激光陀螺测试仪。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在涵盖所述反射镜的移动范围的范围 内扫描所述反射镜但没有测量所述波的强度的准备步骤，以便减少在移动反射镜的步骤和 定位反射镜的步骤之间的滞后。
6.一种在包括三个环形激光腔的器件中定位三个可平移反射镜(B，C，D)的方法，所述 三个激光腔中的每个包括-光学放大介质，可被激发以便产生光波；-光学腔(X，Y，Z)，其由包含所述可平移反射镜中的二个的一组反射镜(A，B，C，D，E， F)形成，所述光学腔的长度取决于所述两个可平移反射镜的位置，所述两个可平移反射镜 在给光学腔赋予所述放大介质产生至少一个激光波的长度的位置范围内移动；所述三个可平移反射镜中的每个用于所述三个光学腔中的两个的形成，所述方法特征 在于其包括-将所述三个反射镜预先定位在初始的三个一组的预定的相应位置处的步骤； -在具有小于或等于具有最大间模(KB，K。，KD)的光学腔的间模的相同幅度的范围内同 时平移地移动所述三个反射镜的步骤，以便确保所述光学腔的每个经历所述放大介质提供 增益最大值(M)的长度，分别经过所述光学腔的每个的激光波的强度针对所述反射镜所占 据的每三个一组位置进行测量；_根据分别允许所述三个腔中的每个提供最大强度的所述反射镜的三组位置，确定所 述三个腔中的每个的长度的步骤，在该长度处所述腔提供最大强度；_确定所述反射镜的单一的最终三个一组位置的步骤，允许给所述三个腔同时赋予它 们提供最大强度的长度；-将所述反射镜定位在所述最终三个一组位置处的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述三个反射镜(B，C，D)的初始三个一组 位置是从将温度值与所述反射镜的三个一组位置进行对照的表格提取的，所述反射镜的三个一组位置分别给所述光学腔(X，Y，Z)的每个赋予所述放大介质在所述温度提供最大增 益(M)的长度。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述放大介质是通过放电可离子化的气体。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述器件是三轴陀螺测试仪。
10.如权利要求6所述的方法，所述三个光学腔(X，Y，Z)具有相同的间模(K)，其特征 在于，所述三个反射镜(B，C，D)的移动幅度等于所述间模的一半。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，其包括在涵盖所述反射镜的移动范围的范 围内扫描所述三个反射镜(B，C，D)但不测量所述光波的强度的准备步骤，以便减少在移动 反射镜的步骤和定位反射镜的步骤之间的滞后。
12.如权利要求6所述的方法，所述器件包括调节机构，所述调节机构可根据所述最终 三个一组位置不断地调节所述可平移反射镜(B，C，D)的位置，以便确保所述腔(X，Y，Z)具 有允许它们不断地提供最大强度的相应长度，其特征在于，所述方法包括比较所述最终三 个一组位置与在给定的延迟之后所述调节机构使所述反射镜会聚所朝向的三个位置的最 终步骤，如果所述反射镜之一远离在定位步骤结束后获得的位置超过给定阈值，则所述方 法的前面的步骤重复和/或差值被存储在存储器中和/或禁止所述器件。
全文摘要
本发明涉及在包括三个环形激光腔的器件中定位三个可平移反射镜的方法。三个激光腔中的每个包括能够被激发以便产生光波的光学放大介质。三个激光腔中的每个还包括由包含两个可平移反射镜的一组反射镜形成的光学腔，所述光学腔的长度取决于所述两个可平移反射镜的位置，所述两个可平移反射镜能够在给光学腔赋予放大介质产生至少一个激光波的长度的位置范围内移动。三个可平移反射镜中的每个参与三个光学腔中的两个的形成。该方法包括将三个反射镜预先定位在初始的三个一组的预定位置处的步骤。该方法还包括在具有小于或等于具有最大间模的光学腔的间模的相同幅度的范围内同时平移地移动三个反射镜的步骤，以便确保光学腔的每个具有放大介质提供增益最大值的长度。对反射镜所占据的每三个一组的位置测量分别经过光学腔的每个的激光波的强度。该方法还包括从分别允许三个腔中的每个提供最大强度的反射镜的三个一组位置确定三个腔中的每个的长度的步骤，在该长度上所述腔提供最大强度。该方法还包括确定反射镜的单一的最终三个一组位置的步骤，允许给三个腔同时赋予它们提供最大强度的长度。该方法还包括将反射镜定位在最终的三个一组位置处的步骤。本发明可用于定位和导航。
文档编号H01S3/083GK102007372SQ200980113380
公开日2011年4月6日 申请日期2009年2月11日 优先权日2008年2月15日
发明者E·博诺代, F·古蒂, L·蒂博多, P·沃泽勒 申请人:塔莱斯公司