一种半球谐振陀螺空间球面球心对准装置及对准方法与流程

本发明属于半球谐振陀螺仪领域，特别涉及卫星捷联惯性导航系统中半球谐振陀螺仪激励罩和基座空间球面球心对准装置及对准方法。

背景技术：

半球谐振陀螺（Hemispherical Resonator Gyros，简称HRG）是一种极具发展前景的新型高精度惯导级陀螺，其具有寿命长、稳定性好、可靠性高、噪声低、低功耗、抗辐射、启动时间短、无磨损、耐高冲击和长期稳定性好等特点，在卫星、导弹、定向钻井等领域受到广泛的关注，被国际惯性技术界认为是各类捷联惯性系统中最理想的器件之一。

随着空间探索难度的不断提升，飞行载具对更高精度的半球谐振陀螺提出了迫切的需求。半球谐振陀螺主要技术之一是谐振子驻波的控制技术，这对控制电极间和读出电极间的信号幅度和相位要求非常精确，而电极的物理位置分布精度是直接决定陀螺对谐振子驻波的控制能力，具有位置偏差或者不均匀的电极分布都将增大陀螺对谐振子驻波的控制难度，直接影响半球谐振陀螺的精度，如何实现电极的精确刻蚀是提高半球谐振陀螺性能的关键。

半球谐振陀螺电极均分布于激励罩和基座石英玻璃球面上，采用激光刻蚀金属薄膜来形成。为了实现球面电极的均匀分布和较小的位置偏差，需要在电极刻蚀之前确定基准位置，因此需要进行样件空间球面球心-激光中心对准。

目前的样件空间球面球心-激光中心对准采用的是激光穿孔的对准方法，该方法利用机械加工的手段在半球面直径上加工出一对孔洞10，然后利用一束激光11同时穿过这两个孔洞10来实现激光穿过空间球面球心，完成样件空间球面球心同激光中心的对准。

但是，一方面因为机械加工存在精度限制，很难做到两孔洞10同时处于球面同一直径上，另一方面因为孔洞10存在一定的宽度（约2 mm），纵使激光11光束同时穿过两孔，也很难保证激光无偏差地穿过空间球面球心，如图1所示。因此现有对准方法很难实现高精度的空间球面球心-激光中心对准，存在较大的对准偏差，电极位置偏差高达1.3±0.4度，将直接影响半球谐振陀螺的精度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就是提供一种半球谐振陀螺空间球面球心对准装置及对准方法，本发明采用激光球面反射的对准方法，无需依赖机械加工得到的孔洞，可实现高精度的空间球面球心-激光中心对准。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种半球谐振陀螺空间球面球心对准装置，包括激光光源单元，用于产生稳定的线形激光并照射样件球面；激光信号检测单元，用于识别照射于样件球面上的入射线形激光与通过球面反射后得到的反射线形激光之间是否重叠；以及平移单元，用于安装样件球面并在垂直于入射线形激光方向上平移所述样件球面，以调整样件球面球心与激光光源单元的相对位置。

进一步地，还包括信号反馈单元，信号反馈单元的输入接激光信号检测单元，输出接平移单元，用于将所述激光信号检测单元的输出反馈于平移单元，若照射于样件上的入射线形激光同反射线形激光不重叠，则自动移动平移单元以带动样件平移实现入射线形激光同反射线形激光重叠。

所述样件球面通过夹具固定于平移单元中。

所述激光光源单元为红外激光发生器。

一种半球谐振陀螺空间球面球心对准方法，采用前述的半球谐振陀螺空间球面球心对准装置实现，对准前，先将样件球面安装于平移单元中；对准时，启动激光光源单元使之发射稳定的线形激光并照射到所述样件球面上并得到反射线形激光；激光信号检测单元检测入射线形激光和反射线形激光是否重合，若重合，则样件空间球面球心和激光中心对准；若不重合则移动平移单元，由平移单元带动样件球面平移，直到入射线形激光和反射线形激光重合为止。

光强强的为入射线形激光，光强弱的为反射线形激光；若入射线形激光和反射线形激光不重合需要移动样件球面，则观察反射线形激光相对入射线形激光的位置，将平移单元往入射线形激光所在方向移动，直到入射线形激光和反射线形激光重合为止。

本发明检测入射线形激光和反射线形激光是否重合，若不重叠，则调整所述平移单元带动样件平移最终实现两激光重叠，即可完成空间球面球心-激光中心的对准。相比现有技术，本发明具有如下优点：本发明采用激光球面反射的对准方法，无需依赖机械加工得到的孔洞，可实现高精度的空间球面球心-激光中心对准，最终电极位置偏差从1.3±0.4度提高到0.0±0.2度。

附图说明

图1是现有半球谐振陀螺空间球面球心对准方法示意图。

图2是本发明半球谐振陀螺空间球面球心的对准装置结构模块示意图。

图3是本发明半球谐振陀螺空间球面球心的对准装置侧面示意图。

图4是本发明半球谐振陀螺空间球面球心的对准装置正面示意图。

图5是本发明半球谐振陀螺空间球面球心的对准调控过程示意图。

图6是本发明半球谐振陀螺空间球面球心的对准方法的流程图。

图7是本发明对准效果与传统方法对准效果比较图。

其中，10-孔洞；11-激光；1-样件空间球面；2-激光光源单元；3-激光信号检测单元；4-平移单元；5-信号反馈单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

如图2、图3和图4所示，本发明半球谐振陀螺仪空间球面球心对准装置，用于对准样件球面1的球心与激光光源单元2的激光中心。本发明对准装置包括激光光源单元2，用于产生稳定的线形激光，且激光中心处于线形激光上，使线形激光照射所述样件球面1；激光信号检测单元3，用于检测辨别照射于所述样件球面1上的入射线形激光与通过所述样件球面1反射后得到的反射线形激光之间是否重叠；以及平移单元4，用于在垂直于所述线形激光方向上（单轴向）平移所述样件球面1，调整所述样件球面1球心与激光光源单元2的相对位置。

在本实施例中，所述激光光源单元2为红外激光光源发生器，其内包含振镜，可产生线形图样的激光光束。

在本实施例中，所述平移单元4为单轴平移平台，图示中为x轴。

如图2所示，本发明半球谐振陀螺仪空间球面球心对准装置还包括：信号反馈单元5，设置于所述激光信号检测单元3和平移单元4之间，即信号反馈单元5的输入接激光信号检测单元3，输出接平移单元4，用于将所述激光信号检测单元3的输出反馈于平移单元4，若照射于样件球面1上的入射线形激光同反射线形激光不重叠，则调整所述平移单元4带动样件球面1平移实现两激光重叠，达到自动调控所述平移单元4使得所述样件球面1球心和激光中心对准的目的。

本发明半球谐振陀螺仪空间球面球心的对准装置还可将提供的线形激光改为其他形状图样的激光光束，例如三角形。对准时，可根据需要进行选择。

本发明半球谐振陀螺仪空间球面球心的对准装置还包括夹具，位于所述平移单元4上，用于稳固固定所述样件球面。

此外，本发明半球谐振陀螺仪空间球面球心的对准装置适用范围广泛，可以对准的空间球面种类不限于球面，还适用于其他对称曲面，例如椭球面、抛物面等。

本发明不限于将空间球面球心在x轴方向上（见图3、图4和图5）对准于激光平面上，还可用于在其他方向上对准，可保证空间球面球心对准于任意取向的激光平面。

同时，本发面半球谐振陀螺仪空间球面球心的对准装置对准对象范围广泛，可以对准的样件类别不限于半球谐振陀螺仪，还适用于其他需要曲面对准的物体，例如探照灯反射镜等。

如图5和图6所示，本发明半球谐振陀螺仪空间球面球心对准方法采用前述对准装置实现，对准前，先将样件球面通过夹具稳固地安装于平移单元中；对准时，启动激光光源单元使之发射稳定的线形激光并照射到所述样件球面，同时由于球面对激光的反射作用，得到反射线形激光；激光信号检测单元检测照射于样件空间球面上的入射线形激光和反射线形激光，判断两激光是否重合；若重合，则样件空间球面球心和激光中心对准；若不重合，则通过信号反馈单元将激光信号检测单元的输出信号反馈于平移单元，调控平移单元带动所述样件球面平移直到两激光重合，样件空间球面球心-激光中心对准成功。上述为有信号反馈单元的情况下，系统自动实现位移调整。若没有信号反馈单元，则直接手动移动平移单元，使入射线形激光和反射线形激光重合为止。

实际对准时，由于入射线形激光为向下照射的一个面（假设该面在垂直面上的投影为Y向），这样对准时就只需要球面沿X向移动即可，即只需要调整一个方向。此时可以在X向设置类似滑轨的轨道，将滑块作为平移单元安装在轨道上，滑块与驱动机构连接，由信号反馈单元接驱动机构，驱动机构驱动滑块在轨道上移动，即实现样件球面按需要方向的移动。如果手动对准，则不需要驱动机构。

激光信号检测单元通过如下方法判断入射和反射激光，光强强的为入射线形激光，光强弱的为反射线形激光；若入射线形激光和反射线形激光不重合需要移动样件球面，则观察反射线形激光相对入射线形激光的位置，将平移单元往入射线形激光所在方向移动，直到入射线形激光和反射线形激光重合为止。

本发明半球谐振陀螺仪空间球面球心对准实现的电极位置偏差测量结果与以前方法对比如图7所示，可见本发明实现了高精度的空间球面球心-激光中心对准。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。