对激光陀螺锁区影响因素的探讨

对激光陀螺锁区影响因素的探讨

于宏波 1 王旭东 2

1中国人民解放军 91412部队 ，广东湛江 524002

2 中国人民解放军92236部队 ，广东湛江524002

摘要：文章在简单说明激光陀螺闭锁效应及锁区影响因素总体分析思路的基础上，展开了锁区影响因素分析以及锁区阈值变化分析。分析结果表明：在频率参量为28.14兆赫兹的背景下，背向散射相位角为89度的激光陀螺闭锁阈值达到最小值；在相对激发度维持在1.5的条件下，能够确定出激光陀螺闭锁阈值为每小时0.034度。同时，文章还对激光陀螺闭锁效应的减小策略进行了阐述。

关键词：激光陀螺；锁区效应；闭锁阈值

引言：由于闭锁效应的存在，无法使用激光陀螺对偏小转速展开精准测量，难以最大程度发挥出激光陀螺的性能，以此必须要落实对闭锁效应的有效控制。

一、激光陀螺闭锁效应及锁区影响因素总体分析思路

（一）激光陀螺闭锁效应

现实环境条件下，环路并不能保持均匀，旋转角速度相对较低的条件下，激光陀螺输出为0。换言之，激光陀螺对于小角度的敏感程度表现出偏低水平，即闭锁。受到闭锁效应的影响，激光陀螺无法实现对小转速的测量，促使其整体测量精度呈现出较低水平^[1]。

（二）激光陀螺锁区影响因素分析思路

在本次研究中，主要以半经典理论的激光陀螺自洽方程为基础，形成激光陀螺闭锁状态下的闭锁阈值表达式；结合MATLAB软件的应用，落实对三阶微下各个lamb系数变化规律的确定，以此获取激光陀螺闭锁阈值随谐振频率与北向散射角之间的变化关系，并确定最小闭锁阈值的获取条件；促使相对激发度增加，持续减小闭锁阈值。

二、激光陀螺锁区影响因素的具体分析

（一）锁区影响因素分析

设定气体压强为3Torr，腔长为0.28米，保持双同位素等比例配比。在此条件下对lamb系数变化规律进行分析与确定，得到结果如下所示：将参考点设定为双同位素增益介质的中心振动频率，增益系数、自饱和系数、互饱和系数关于中心频率对称；在中心频率位置，可以获取到极小互饱和系数值，同时也能够会获得最大增益系数值与自饱和系数值；在频率增大的情况下，损耗系数和互推斥系数会随之降低，自推斥系数的波动也同时产生衰减状态。

（二）锁区阈值变化分析

在背向散射相位角增加的条件下，频率参量相同时，激光陀螺的大量闭阈值均呈现出随之下降的趋势。分析发现，在-438.2赫兹至12.06赫兹的范围内，以及432.8兆赫兹至800兆赫兹的范围内，激光陀螺闭锁阈值与背向散射相位角之间的关系会先表现出正相关关系，即随着背向散射相位角的增大而增加；然后，在达到极大值点后，激光陀螺闭锁阈值与背向散射相位角之间的关系会呈现出负相关关系，即随着背向散射相位角的增大而减小。当频率参量保持在-537.5兆赫兹至-357.8兆赫兹的范围内，以及357.8兆赫兹至537.7兆赫兹的范围内时，若是背向散射相位角不断增大，则激光陀螺的闭锁阈值减小速度也会随之增加。当激光陀螺背向散射相位角的数值恒定时，其闭锁阈值会在频率参量变化的条件下发生起伏变化。当背向散射相位角保持在56.62度至90度的范围内，且频率参量稳定在-12.06兆赫兹至438.2兆赫兹、-438.2兆赫兹至800兆赫兹的区间内时，激光陀螺闭锁阈值会在一系列频率与背向散射点减小到极小值，该数值无无限接近于0，随后会在背向散射相位角增加的条件下呈现出逐步增加的趋势（激光陀螺闭锁阈值）。

自推斥系数与互推斥系数之间存在着三个交点，对应的频率参量分别为438.2兆赫兹、-438.2兆赫兹以及13.8兆赫兹。其中，当频率参量为438.2兆赫兹、-438.2兆赫兹时，激光陀螺闭锁阈值为极大值；当频率参量为13.8兆赫兹时，激光陀螺闭锁阈值为最小值。若是背向散射相位角从0度逐步提升至90度时，激光陀螺闭锁阈值表现出持续下降的状态，则背向散射相位角应当无限接近于90度但是不能等于90度。在达成上述条件下，激光陀螺闭锁阈值可以显现出最小值。进一步分析发现，在频率参量为28.14兆赫兹的背景下，背向散射相位角为89度的激光陀螺闭锁阈值达到最小值。

设定28.14兆赫兹为激光振荡参数，以此为条件确定背向散射相位角与激发度之间的关系。分析结果表明，在28.14兆赫兹区域，当背向散射相位角增加的条件下，激光陀螺闭锁阈值表现出随之下降的趋势，并在背向散射相位角达到89度后获取到最小数值，随后激光陀闭锁螺阈值有所增高。在这一过程中，背向散射相位角与激发度之间的关系并不明显。在背向散射相位角为0度时，激光陀螺的闭锁阈值与相对激发度之间并不存在相关性，此时激光陀螺闭锁阈值恒定；在背向散射相位角不为0度时，受到激发度增加的影响，激光陀螺闭锁阈值显现出降低状态，但是这种影响相对较小；在背向散射相位角增加时激光陀螺闭锁阈值受到激发度影响的显著程度上升，当背向散射相位角达到89度后，这种影响程度达到最高。在相对激发度由1提升至1.1的条件下，激光陀螺闭锁阈值会在更迅速的条件下降低，之后对闭锁阈值并不会产生较大影响；在相对激发度维持在1.5的条件下，能够确定出激光陀螺闭锁阈值为每小时0.034度。

三、激光陀螺闭锁效应的减小策略分析

想要实现对激光陀螺闭锁效应的有效控制与减小，可以引入偏振技术，以此促使激光陀螺的运行脱离锁区。此时，需要着重关注以下两项内容，具体包括：

第一，光学抖动。设置镀膜并对光路实施微调，能够达到促使背向散射相位角下降的效果，结合其与激光陀螺闭锁阈值之间的关系，可以实现激光陀螺锁区的降低。实践中，将灵敏程度相同的PZT分别粘贴在增益单元一侧设置的两镜片上，同时在PZT上落实交变电压信号的加载，设定频率与振幅保持一致且相位差为π。通电后，这两片镜片会参考信号频率进行一定幅度的来回抖动，而激光陀螺腔长（光路长度）保持恒定，此时，位置变化后背向散射相位角的大小也会随之发生变化，从而促使锁区大小改变^[2]。

第二，机械抖动。出于对提升锁区改善成效、提升激光陀螺精度的考量，应当结合应用光学抖动与机械抖动。实践中，利用弹簧片与压电元件组成振子，并针对该振子施加正线抖动信号，以此促使闭合激光器动作。此时，闭合激光器会垂直于谐振腔回路所在的平面轴发生运动，即迅速、重复性转动；受到闭合激光器来回转动的影响，激光陀螺会在锁区外运行，实现机械片偏振。出于对施加良好机械抖动的考量，可以引入正线机械抖动系统，主要包括移相电路、角位置传感器、功率放大电路、机械抖动装置等等，该系统始终运行于谐振状态下，配合光学抖动的应用，能够收获更为理想的激光陀螺闭锁效应减小成效。

总结：综上所述，受到闭锁效应的影响，激光陀螺无法实现对小转速的测量，促使其整体测量精度呈现出较低水平。因此，为了确保激光陀螺的性能优势，需要对其闭锁效应进行控制与减小。对激光陀螺锁区影响因素进行分析了解到，在频率参量为28.14兆赫兹的背景下，背向散射相位角为89度的激光陀螺闭锁阈值达到最小值；在相对激发度维持在1.5的条件下，能够确定出激光陀螺闭锁阈值为每小时0.034度；通过引入引入偏振技术，可以减小闭锁效应。

参考文献：

[1]何俊峰,王传清.激光陀螺锁区信号提取与控制研究[J].光学与光电技术,2021,19(01):61-68.

[2]陶渊博,李四海,沈彦超.棱镜式激光陀螺锁区特性分析及误差角补偿[J].中国惯性技术学报,2018,26(04):504-510.

作者简介：于宏波 （1982.11）男，党员，籍贯：吉林农安，本科学历，中国人民解放军91412部队 工程师，从事装备修理管理工作。

王旭东（1982.12）男，党员，籍贯：江苏盐城，中国人民解放军92236部队 工程师，从事装备修理管理工作。