定位三軸激光陀螺測試儀的反射鏡的方法，特別在啟動該陀螺測試儀時的制作方法

專利名稱：定位三軸激光陀螺測試儀的反射鏡的方法，特別在啟動該陀螺測試儀時的制作方法
定位三軸激光陀螺測試儀的反射鏡的方法，特別在啟動該
陀螺測試儀時本發明涉及在包括激光腔的器件中定位移動反射鏡的方法，經過該腔的激光波的 功率取決于反射鏡的位置。本發明例如適用于激光陀螺測試儀的啟動，特別是具有三個軸 的陀螺測試儀。陀螺測試儀是測量角速度的傳感器。例如，慣性中心使用三個陀螺測試儀和三個 加速計來在每個時刻全面確定載體的運動，因而重建其位移。單軸激光陀螺測試儀允許測 量圍繞單個軸的角速度。它包括環形激光腔，在該腔中兩個光束在相反的方向上傳播。它 還包括讀出系統。當該腔以速度Ω旋轉時，光束由于薩格納克(Sagnac)效應看到其光頻 隔開與Ω成比例的量。允許測量該頻率差異的器件構成讀出系統。環形激光腔由環形光 學腔、激光光束的輸出耦合器和具有允許給它供電的系統的光學放大介質組成。光束可在 兩個相反的方向上經過由提供封閉路徑的至少三個反射鏡形成的環形光學腔。當該腔是平 面的時，陀螺測試儀的敏感軸的方向僅僅由平面的法線給出。以反射鏡之間的距離的和得 到的光學腔的周長也稱為腔長并被標注為L。例如，四個反射鏡A、Ε、B和C可形成環形方 光學腔，其長度四倍于邊長ΑΕ。光波沿從A到E的順時針方向穿過該腔，而一個波在從E到 A的逆時針方向上穿過。允許提取經過腔的激光波的強度的一部分的輸出耦合器通常由輕 微透射的反射鏡之一組成。光學腔也起光譜濾波器的作用只有腔的模——光頻為c/L的 倍數的波(其中c是光速)——可在其中環形地傳播。對于常規尺寸的腔，也就是說，其中 L小于30cm，兩個模之間的光譜間隔大于一千兆赫(GHz)。在激光陀螺測試儀中，激光學放 大介質通常由被密封地約束在腔中的低壓氦和氖的氣體混合物組成。光放大于是在腔的一 段或多段上產生，在該腔中氣體例如借助于陽極和陰極之間的放電被離子化。盡管如此，增 益只在某些光頻帶中是可用的，另外這些光頻帶對于給定的氣態放大介質相對窄，一般具 有大約一千兆赫的寬度。激光效應于是在放大介質中的增益大于在腔中傳播期間和在其反 射鏡上反射期間遭受的損失的光頻處獲得。在氦_氖混合物的情況下，放大頻帶之一位于 可見光范圍內——波長633納米(nm)附近。通常，反射鏡設計成只在這個光頻范圍內是足 夠反射的，以致激光效應只可能在波長633nm附近。使用前面的數量級，腔模可能是離增益 的最大值相對遠。在啟動陀螺測試儀時，腔的長度L必須因此朝著最佳值被調節，以將模引 導到激光增益的最大值。然而在操作期間，根據在兩次通電之間陀螺測試儀所遭受的膨脹 和收縮的熱現象，長度L變化。如果在通電期間不使腔的長度適配，則陀螺測試儀不再充分 受益于包含在腔中的放大介質的增益。用于校正該現象的一個當前的解決方案是使用可平移反射鏡，S卩，可被移位同時 遵循平移運動的移動反射鏡和允許對兩個波之一的一部分采樣以便測量其強度的反射鏡。 移動反射鏡的調節由連續的移動完成，同時遵循腔中的平移運動。對于每個移動值，波的強 度被測量。于是目的是朝著相應于強度最大值的移動值收斂，該值相應于允許在最大程度 上受益于激光效應的光學腔的最大增益。但是，根據現有技術啟動這樣的陀螺測試儀時的 收斂時間常常很長，這是由于各種原因。這關系到本發明打算解決的技術問題之一。現有技術的第一個解決方案在于在第一時間從一端到另一端掃描移動反射鏡的整個移動范圍，同時測量發射波的強度，然后在第二時間返回到允許測量最大強度的移動 值。然而，這個解決方案遭受滯后現象當返回到相應于最大值的移動值時，某些特征將改 變，且最大值將不再完全在那里。因此需要朝著最大值逐漸收斂的補充時間。現有技術的第二個解決方案在于從移動反射鏡的給定位置開始掃描，該位置來自 使外部溫度條件相應于移動反射鏡的位置的表格并停留在所遇到的第一最大值處。該表格 通常由給定類型的陀螺測試儀的陀螺測試儀制造商提供。該表格使能夠提供最大強度或 至少提供接近于最大強度的強度的移動反射鏡的位置相應于給定的外部溫度條件。然而， 當使光學腔的長度L隨著反射鏡的移動變化時，發射波不唯一地呈現其強度實際上達到上 限的全局或主最大值；強度僅在一個位置附近最大的局部或次最大值也可在最小值附近突 然出現，導致兩個模之間的競爭，一個在增益曲線一側的出口點上，而另一個在對面重新進 入。因此，移動反射鏡可在第一時間暫時停留在相應于次最大值的位置周圍，然后僅在第二 時間趨向于相應于主最大值的位置。這個現象相當大地減慢了收斂時間，引起陀螺測試儀 的不可用性。一旦找到相應于增益最大值的移動值，就需要伺服裝置，以便執行移動反射鏡的 有規律的和具有較小幅度的周期性移動，并校正腔所遭受的熱膨脹/收縮現象。這些移動 必須允許通過以準連續的方式改變移動反射鏡的位置來跟蹤最大值。然而，通過以準連續 的方式改變移動反射鏡的位置來跟蹤最大值不是容易的事情。尤其是在現有技術的解決方 案中，稱為“跳模”的現象被頻繁地觀察到。這種現象將在本申請的下文中被詳述。它以移 動反射鏡的突然移動和發射波的頻率的突然變化為特征。這仍關系到本發明打算解決的技 術問題之一。還存在包括成對地垂直布置的三個光學腔的具有三個軸的或“三軸”激光陀螺測 試儀。這三個光學腔中的每個重新采用單軸陀螺測試儀的前述操作原理，以測量陀螺測試 儀圍繞其敏感軸的角速度。在這些三軸陀螺測試儀中，移動反射鏡常常在腔之間被共用，使 得移動反射鏡的移動對一個腔的長度沒有影響，而是對兩個腔的長度有影響。現有技術建 議對這樣的三軸陀螺測試儀的三個腔獨立地應用前面描述的現有技術的兩個解決方案之 一，以在啟動時使單軸測試儀收斂。在第一時間，通過前面描述的現有技術的兩個方法之一 對這三個腔中的每個連續地確定給予它最大強度的長度。一旦這三個長度被確定，這就在 第二時間確定允許同時實現這三個腔長度的反射鏡的三個位置，這通過將在下面被描述的 分析方法。然而，在對三軸陀螺測試儀的三個腔獨立地應用現有技術的這兩個解決方案時， 沒有考慮腔的不可再現性，因而沒有考慮其行為的差異。例如，一個腔可跟蹤主最大值，而 另一個腔可跟蹤次最大值。也不用說，滯后、由次最大值引起的延遲和跳模的現象在它們同 時發生在腔內時于是相當更加難以校正，這些腔的長度是相聯系的。具有三個腔的這樣的 陀螺測試儀的收斂時間因此更難以控制。這還關系到本發明打算解決的技術問題之一。本發明的目的特別是在啟動陀螺測試儀時最小化朝著單軸激光陀螺測試儀的光 學腔的最大增益或朝著三軸激光陀螺測試儀的光學腔的最大增益收斂所必需的時間。為 此，本發明特別提出了激光陀螺測試儀的啟動順序，其包括一個或多個移動反射鏡的引導 步驟，該引導步驟改善了光學腔中一個或多個反射鏡的初始定位的確定。為此，本發明目的 是在激光腔中定位可平移反射鏡的方法。激光腔包括可被激發以便產生光波的光學放大介 質。激光腔還包括由包含可平移反射鏡的一組反射鏡形成的光學腔，光學腔的長度取決于可平移反射鏡的位置。可平移反射鏡可在給光學腔賦予放大介質產生至少一個激光波的長 度的位置范圍內移動。該方法包括將反射鏡重新定位在預定的初始位置處的步驟。該方法 還包括在幅度等于光學腔的間模的范圍內平移地移動反射鏡以便確保光學腔經過氣體提 供增益最大值的長度的步驟，激光波的強度對反射鏡所占據的每個位置被測量。該方法還 包括將反射鏡定位在相應于最高強度測量的最終位置的步驟。有利地，反射鏡的初始位置可從將溫度值與給光學腔賦予放大介質在所述溫度提 供增益最大值的長度的反射鏡位置進行匹配的表格中提取。例如，放大介質可為在激光陀螺測試儀中通過放電可離子化的氣體。該方法可包括在涵蓋反射鏡的移動范圍的范圍內掃描反射鏡但不測量波的強度 的準備步驟，以便減少在移動反射鏡的步驟和定位反射鏡的步驟之間的滯后。本發明目的同樣是在包括三個環形激光腔的器件中定位三個可平移反射鏡的方 法。這三個激光腔中的每個包括可被激發以便產生光波的光學放大介質。這三個激光腔中 的每個還包括由包含兩個可平移反射鏡的一組反射鏡形成的光學腔，所述光學腔的長度取 決于所述兩個可平移反射鏡的位置，所述兩個可平移反射鏡可在給光學腔賦予放大介質產 生至少一個激光波的長度的位置的范圍內移動。這三個可平移反射鏡中的每個用于三個光 學腔中的兩個的形成。該方法包括將三個反射鏡預先定位在初始三個一組的預定位置處的 步驟。該方法還包括在具有小于或等于具有最大間模的光學腔的間模的相同幅度的范圍內 同時平移地移動三個反射鏡的步驟，以便確保每個光學腔經過放大介質提供增益最大值的 長度。對反射鏡所占據的每三個一組位置測量分別經過每個光學腔的激光波的強度。該方 法還包括根據分別允許這三個腔中的每個提供最大強度的反射鏡的三個三個一組位置確 定這三個腔中的每個的長度的步驟，在該長度所述腔提供最大強度。該方法還包括確定反 射鏡的單一的、最終的三個一組位置的步驟，其允許給這三個腔同時賦予它們提供最大強 度的長度。該方法還包括將反射鏡定位在最終三個一組位置處的步驟。有利地，這三個反射鏡的初始三個一組位置可從將溫度值與分別給每個光學腔賦 予放大介質在所述溫度提供最大增益的長度的反射鏡的三個位置進行對照的表格中提取。例如，放大介質可為在三軸激光陀螺測試儀中通過放電可離子化的氣體。這三個光學腔具有相同的間模，這三個反射鏡的移動幅度可等于所述間模的一 半。該方法可包括在涵蓋反射鏡的移動范圍的范圍內掃描三個反射鏡但不測量波的 強度的準備步驟，以便減少在移動反射鏡的步驟和定位反射鏡的步驟之間的滯后。如果器件包括調節機構，則該方法可包括比較最終三個一組位置與在給定的延遲 之后調節機構使反射鏡會聚所朝著的三個一組位置的最終步驟，該調節機構允許根據最終 三個一組位置起不斷地調節可平移反射鏡的位置，以便確保腔具有允許它們不斷地提供最 大強度的相應長度。如果反射鏡之一遠離它在定位步驟結束獲得的位置超過給定閾值，則 該方法的前面的步驟可重復和/或差值可被存儲在存儲器和/或禁止器件。本發明還有一個或多個反射鏡的初始定位不再依賴于反射鏡的伺服系統的操作 頻率的主要優點，該系統更適合于跟蹤功率最大值，而不是最初找到它，這是因為，它在大 約一赫茲的“慢”頻率范圍內操作。實現本發明以確定初始位置的系統可在大約一千赫茲 的“快”頻率范圍內操作。
借助于接下來關于附圖
進行的描述，本發明的其它特征和優點將變得明顯，其 中-圖Ia由透視圖示出根據現有技術的三軸激光陀螺測試儀的光學腔的實例的圖 示；-圖Ib由曲線示出根據現有技術的陀螺測試儀的光學腔的激光模式的圖示；-圖2由三條曲線示出在三軸陀螺測試儀的具有相同間模的光學腔所發射的激光 功率根據其所依賴的控制電壓的和而變化的實例的圖示；-圖3由三條曲線示出三軸陀螺測試儀的具有相同間模(intermode)的光學腔所 發射的激光功率根據其所依賴的控制電壓的和而變化的實例的圖示；-圖4和5由兩條曲線示出三軸陀螺測試儀的具有相同間模的光學腔的特定特性 的圖示；-圖6由曲線示出三軸陀螺測試儀的移動反射鏡的控制根據正熱梯度而變化的圖 示；-圖7由曲線示出在根據現有技術的激光陀螺測試儀中的光學腔的移動反射鏡的 移位中可觀察到的滯后現象的圖示；-圖8和9由兩條曲線示出在根據本發明的激光陀螺測試儀中減少滯后的機構的 圖示。圖Ia由透視圖示出根據現有技術的三軸陀螺測試儀的三個光學腔。陀螺測試儀 包括六個反射鏡A、B、C、D、E和F。反射鏡A、B、C、D、E和F由相等長度1的光路AC、AD、 AE、AF、BC、BD、BE、BF、CD、CF、ED和BF兩兩連接，這些光路允許光波的傳播。放大氣體的儲 蓄器1、2、3、4、5和6分別靠著反射鏡A、B、C、D、E和F布置。由這六個反射鏡和十二條光 路形成的多面體內接于立方體，每個反射鏡與所述立方體的端面的中心重合。這樣實現的 器件包括分別形成三個環形光學腔X、Y和Z的具有相等長度L = 4X 1的三個封閉的光路 ADBF, ACBE和TODE，每個環形光學腔兩兩垂直。例如，反射鏡B、C和D是可平移的，S卩，它 們是平移地移動的。由于壓電控制，它們基本上可遠離或接近多面體的中心1微米。以這 種方式，這三個光學腔X、Y和Z的相應長度可圍繞值L按大約0. 01微米的精度進行調節。 應注意，每個光學腔X、Y和Z的長度依賴于B、C和D中的兩個移動反射鏡的位置。還應注 意，這些移動反射鏡B、C和D中的每個的位置調節X、Y和Z中的兩個光學腔的長度。反射 鏡A、E和F構成輸出耦合器它們允許激光強度的測量。以這種方式，經過三個光學腔X、 Y和Z的波的相應功率可被測量。由三個毛細管連接到氣體儲蓄器2、3和4的陰極7以及 六個陽極8、9、10、11、12和13允許在光學腔X、Y和Z中激發放大氣體，并因此產生經過光 學腔X、Y和Z的激光波。這三個光學腔Χ、Υ和Z可通過首先在以被控制的熱膨脹為特征的 材料一例如提供非常弱的熱膨脹的材料Z0rodur —的塊中開掘光路LAC、AD、AE、AF、 BC、BD、BE、BF、CD、CF、ED和EF來產生。然后反射鏡A、B、C、D、E和F以及氣體儲蓄器1、2、 3、4、5和6可被集成在該塊中。圖Ib由概略圖示出圖Ia的陀螺測試儀的光學腔X、Y或Z中的任一個的激光模。 橫坐標表示光頻。光學腔的長度L確定它可發射的激光模的頻率這組頻率由c/L的倍數 頻率梳組成，即，例如(m-2)Xc/L、(m-1) Xc/L、mXc/L和(m+1) X c/L，其中m是整數。在 啟動陀螺測試儀時，每個腔的長度被調節，以將模引導成盡可能靠近放大氣體的激光增益
相反，為了獲得具有長度LX、LY和Lz的腔，待提供的電壓根據下面的方程3被表示 為
權利要求
1.一種在激光腔中定位可平移反射鏡的方法，該激光腔包括 -光學放大介質，可被激發以便產生光波；-光學腔，由包括所述可平移反射鏡的一組反射鏡形成，所述光學腔的長度取決于所述 可平移反射鏡的位置，所述可平移反射鏡可在給所述光學腔賦予所述放大介質產生至少一 個激光波的長度的位置范圍內移動； 所述方法特征在于包括-將所述反射鏡預先定位在預定的初始位置處的步驟；-在其幅度等于所述光學腔的間模(K)的范圍內平移地移動所述反射鏡以便確保所述 光學腔經歷氣體提供增益最大值(M)的長度的步驟，所述激光波的強度針對所述反射鏡占 據的每個位置進行測量；_將所述反射鏡定位在相應于最高強度測量的最終位置的步驟。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射鏡的初始位置是從將溫度值反射 鏡位置進行對照的表格中提取的，該反射鏡位置給光學腔賦予放大介質在所述溫度提供增 益最大值(M)的長度。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述放大介質是通過放電可離子化的氣體。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，器件是激光陀螺測試儀。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，包括在涵蓋所述反射鏡的移動范圍的范圍 內掃描所述反射鏡但沒有測量所述波的強度的準備步驟，以便減少在移動反射鏡的步驟和 定位反射鏡的步驟之間的滯后。
6.一種在包括三個環形激光腔的器件中定位三個可平移反射鏡(B，C，D)的方法，所述 三個激光腔中的每個包括-光學放大介質，可被激發以便產生光波；-光學腔(X，Y，Z)，其由包含所述可平移反射鏡中的二個的一組反射鏡(A，B，C，D，E， F)形成，所述光學腔的長度取決于所述兩個可平移反射鏡的位置，所述兩個可平移反射鏡 在給光學腔賦予所述放大介質產生至少一個激光波的長度的位置范圍內移動；所述三個可平移反射鏡中的每個用于所述三個光學腔中的兩個的形成，所述方法特征 在于其包括-將所述三個反射鏡預先定位在初始的三個一組的預定的相應位置處的步驟； -在具有小于或等于具有最大間模(KB，K。，KD)的光學腔的間模的相同幅度的范圍內同 時平移地移動所述三個反射鏡的步驟，以便確保所述光學腔的每個經歷所述放大介質提供 增益最大值(M)的長度，分別經過所述光學腔的每個的激光波的強度針對所述反射鏡所占 據的每三個一組位置進行測量；_根據分別允許所述三個腔中的每個提供最大強度的所述反射鏡的三組位置，確定所 述三個腔中的每個的長度的步驟，在該長度處所述腔提供最大強度；_確定所述反射鏡的單一的最終三個一組位置的步驟，允許給所述三個腔同時賦予它 們提供最大強度的長度；-將所述反射鏡定位在所述最終三個一組位置處的步驟。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述三個反射鏡(B，C，D)的初始三個一組 位置是從將溫度值與所述反射鏡的三個一組位置進行對照的表格提取的，所述反射鏡的三個一組位置分別給所述光學腔(X，Y，Z)的每個賦予所述放大介質在所述溫度提供最大增 益(M)的長度。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述放大介質是通過放電可離子化的氣體。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述器件是三軸陀螺測試儀。
10.如權利要求6所述的方法，所述三個光學腔(X，Y，Z)具有相同的間模(K)，其特征 在于，所述三個反射鏡(B，C，D)的移動幅度等于所述間模的一半。
11.如權利要求6所述的方法，其特征在于，其包括在涵蓋所述反射鏡的移動范圍的范 圍內掃描所述三個反射鏡(B，C，D)但不測量所述光波的強度的準備步驟，以便減少在移動 反射鏡的步驟和定位反射鏡的步驟之間的滯后。
12.如權利要求6所述的方法，所述器件包括調節機構，所述調節機構可根據所述最終 三個一組位置不斷地調節所述可平移反射鏡(B，C，D)的位置，以便確保所述腔(X，Y，Z)具 有允許它們不斷地提供最大強度的相應長度，其特征在于，所述方法包括比較所述最終三 個一組位置與在給定的延遲之后所述調節機構使所述反射鏡會聚所朝向的三個位置的最 終步驟，如果所述反射鏡之一遠離在定位步驟結束后獲得的位置超過給定閾值，則所述方 法的前面的步驟重復和/或差值被存儲在存儲器中和/或禁止所述器件。
全文摘要
本發明涉及在包括三個環形激光腔的器件中定位三個可平移反射鏡的方法。三個激光腔中的每個包括能夠被激發以便產生光波的光學放大介質。三個激光腔中的每個還包括由包含兩個可平移反射鏡的一組反射鏡形成的光學腔，所述光學腔的長度取決于所述兩個可平移反射鏡的位置，所述兩個可平移反射鏡能夠在給光學腔賦予放大介質產生至少一個激光波的長度的位置范圍內移動。三個可平移反射鏡中的每個參與三個光學腔中的兩個的形成。該方法包括將三個反射鏡預先定位在初始的三個一組的預定位置處的步驟。該方法還包括在具有小于或等于具有最大間模的光學腔的間模的相同幅度的范圍內同時平移地移動三個反射鏡的步驟，以便確保光學腔的每個具有放大介質提供增益最大值的長度。對反射鏡所占據的每三個一組的位置測量分別經過光學腔的每個的激光波的強度。該方法還包括從分別允許三個腔中的每個提供最大強度的反射鏡的三個一組位置確定三個腔中的每個的長度的步驟，在該長度上所述腔提供最大強度。該方法還包括確定反射鏡的單一的最終三個一組位置的步驟，允許給三個腔同時賦予它們提供最大強度的長度。該方法還包括將反射鏡定位在最終的三個一組位置處的步驟。本發明可用于定位和導航。
文檔編號H01S3/083GK102007372SQ200980113380
公開日2011年4月6日 申請日期2009年2月11日 優先權日2008年2月15日
發明者E·博諾代, F·古蒂, L·蒂博多, P·沃澤勒 申請人:塔萊斯公司