激光陀螺反射鏡散射檢測方法

韓宗虎，胡曉東

（中國航空工業(yè)集團 西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

激光陀螺反射鏡散射檢測方法

韓宗虎，胡曉東

（中國航空工業(yè)集團 西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

閉鎖效應(yīng)是影響激光陀螺性能的重要因素, 而光束在反射鏡表面反射時的背向散射則是形成閉鎖效應(yīng)的主要原因。基于矢量疊加理論，對激光陀螺反射鏡背向散射對諧振腔總背向散射的影響進行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出一種反射鏡散射的在線測量方法，以半導體激光器為光源構(gòu)成遠心光路，通過顯微鏡收集散射光，并利用CCD記錄反射鏡膜面的散射光場。根據(jù)散射圖樣對反射鏡進行篩選，并最終確定反射鏡膜面的安裝位置與方向。在某型激光陀螺上進行了實驗，結(jié)果表明使用該方法選配可以將鎖區(qū)合格率由原來的75%提升至95%，改進效果明顯。該檢測方法結(jié)構(gòu)簡單，可有效控制由反射鏡散射引起的鎖區(qū)超標問題，在激光陀螺反射鏡的在線檢測及激光陀螺裝調(diào)方面有很好應(yīng)用前景。

激光陀螺；背向散射；鎖區(qū)；顯微成像；表面缺陷

激光陀螺具有動態(tài)范圍大，耐沖擊振動能力強，對與加速度有關(guān)的誤差不敏感，啟動時間短，可靠性高等一系列優(yōu)點，是捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的理想元件，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括航天、航空、航海和陸地各種運動載體的導航制導定位定向和姿態(tài)控制，是精確制導武器和各種作戰(zhàn)平臺實現(xiàn)精確打擊和精確姿態(tài)控制的核心和關(guān)鍵部件[1-2]?？v觀激光陀螺的發(fā)展過程，主要是同閉鎖效應(yīng)斗爭的歷史，而背向散射則是激光陀螺鎖區(qū)形成的主要原因[3-4]。由于環(huán)形諧振腔內(nèi)背向散射作用，部分入射光沿原路返回，使得順時針旋轉(zhuǎn)的光(CW)和逆時針旋轉(zhuǎn)的光(CCW) 相互耦合，從而形成了鎖區(qū)[5-6]。激光陀螺中背向散射主要來源有反射鏡的非完整性、光學元件（如光欄）的散射、氣體中塵埃的散射與吸收等[7-8]。普遍認為, 光束在反射鏡表面反射時的背向散射對能量耦合具有重要貢獻, 是形成鎖區(qū)的主要原因[9-10]。本文將就激光陀螺反射鏡散射檢測方法展開研究。

1 理論分析

首先對于激光陀螺反射鏡背向散射對諧振腔總背向散射的影響進行分析。如圖1所示，為方便起見設(shè)環(huán)行激光陀螺腔形是四邊形的，并且假定背向散射主要發(fā)生在四面反射鏡上，其中，M1、M4為平面反射鏡，M2、M3為球面反射鏡，各反射鏡背向散射系數(shù)分別為r1、r2、r3、r4。

圖1 四鏡諧振腔Fig. 1 Four-mirror resonator

設(shè)沿環(huán)行諧振腔順時針轉(zhuǎn)播光束的電場強度為E0，起點O取在M4處。順時針光在M1反射鏡上散射前光的電場強度為

經(jīng)反射鏡M1背向散射后到達O點光的電場強度為

同理可得由M2、M3及M4引起的背向散射在O點光的電場強度為

考慮到所有反射鏡散射光具有相干性, 可以得到綜合散射系數(shù)與各反射鏡散射系數(shù)的關(guān)系為

總的背向散射光是由各個背向散射源產(chǎn)生的背向散射光矢量疊加而成。如圖2所示，從數(shù)學角度分析，要減小背向散射合矢量有兩種方法：①調(diào)整各矢量相位；②減小各矢量幅值。在反射鏡背向散射系數(shù)相同的情況下，可以通過調(diào)節(jié)加在PZT壓電驅(qū)動器上的電壓改變背向散射光矢量相位。當相位在0 到 2π之間變化時，總耦合系數(shù)模量在零到最大值之間呈現(xiàn)正弦周期性變化，從而實現(xiàn)對諧振腔綜合背向散射系數(shù)的調(diào)節(jié)。如圖3所示，在所有散射源散射強度既定的條件下，可以通過調(diào)節(jié)各散射矢量的相位，使得背向散射光強矢量和最小，這也是動態(tài)鎖區(qū)控制的基本思想[11]。然而，要想從根本上減小背向散射就必須降低每個反射鏡的散射值，即控制單片反射鏡背向散射矢量的幅值。如此背向散射合矢量最大值以及變化范圍均可得到有效控制，從而在根本上降低諧振腔的背向散射。然而受基礎(chǔ)工業(yè)的限制，激光陀螺反射鏡的質(zhì)量短時間內(nèi)很難實現(xiàn)跨越性的提升，更不可能達到百分之百的反射率，但是可以依靠有效的測試手段對待裝配的反射鏡片進行檢測，以找出均勻性最好的區(qū)域作為反射鏡的工作區(qū)，從而實現(xiàn)降低背向散射控制鎖區(qū)的目的。

圖2 復平面上矢量相加的不同情況：(a) 任意情況；(b) 和最??；(c) 和最大Fig.2 Four complex vector summation on complex number plane: (a) random; (b) minimum; (c) maximum

圖3 諧振腔總背向散射光的電場強度隨相位變化關(guān)系Fig.3 Effect of complex vector phase on resonator backscattering intensity

2 系統(tǒng)設(shè)計

圖4 表面散射示意圖Fig.4 Schematic of surface scattering

嚴格意義上的背向散射，其方向與入射光方向相同，對其直接測量是極其困難的。傳統(tǒng)的測量方法采用積分球測量全積分散射（TIS）。由于背向散射能量僅皮瓦量級，屬微弱信號，探測難度大，且易受噪聲影響，測量精度難以提高。在實際測試過程中大量的實驗數(shù)據(jù)均表明，由表面不均勻性引起的背向散射與體散射往往是相互對應(yīng)的，即體散射較大的鏡片背向散射通常也較大。如圖4所示，我們可以利用樣品表面上方一定立體角（θ）內(nèi)散射光強度表征背向散射光強度，即采用立體角積分方法進行散射的檢測。

正是基于該思想，我們搭建了激光陀螺反射鏡散射檢測系統(tǒng)。如圖5所示，該檢測系統(tǒng)由控制計算機、CCD像機、圖像采集卡、顯微鏡、樣品位移及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、激光光源及光束控制系統(tǒng)等組成。為保證與實際使用環(huán)境光源一致，系統(tǒng)采用632.8 nm的激光作為光源。為去除空氣中粒子或是光路中器件瑕疵導致的雜散光的干擾，從而得到均勻的出射光斑，采用空間濾波器對激光光束進行空間濾波。因光斑尺寸不足以覆蓋整個工作表面，需使用闊束鏡對光束進行闊束。然后用反射鏡控制光束以45°角度斜入射至樣品表面。激光陀螺反射鏡屬超光滑表面元件，其主要散射源尺寸僅為亞微米到幾十微米量級，需采用顯微成像的方法才能獲得圖像信息。為保證收集的散射光強度，同時要求物鏡的工作距離不能過小，以免阻擋入射和反射光路，應(yīng)采用大數(shù)值孔徑的物鏡。收集的散射光經(jīng)CCD成像后通過數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并上傳至控制計算機。樣品臺周邊采用全黑不透光低反射率的材料，減少雜散光對瑕疵散射光的影響。

圖5 檢測系統(tǒng)框圖Fig.5 Block-diagram of detecting instrument

3 實驗結(jié)果及分析

經(jīng)測試后的實驗結(jié)果如圖6所示，鏡片的散射源有兩種，即點狀散射源和線狀散射源。點狀散射源一般是由鏡片基底缺陷，鍍膜過程中污染所致。該散射源與入射方向無關(guān)，如膜面的有效工作區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)該類散射源，一般需更換反射鏡。而線狀散射源一般由加工工藝導致，且具有方向性特征。如圖7所示，線狀散射源只有在特定的角度入射時才能顯現(xiàn)，這也正是反射鏡裝調(diào)過程中應(yīng)避免的。實驗還發(fā)現(xiàn)，當入射方向與線狀散射源垂直時散射的強度最大。偏離垂直時，散射強度隨之減小，直至消失。

圖6 測試結(jié)果Fig.6 Test results

圖7 旋轉(zhuǎn)不同角度時樣品散射情況Fig.7 Scattering image for different rotation angle:

圖8 轉(zhuǎn)過不同角度時的歸一化散射光強Fig.8 Normalized scattering intensity for different rotation angles

圖8所示為膜面散射光強的歸一化灰度均值隨鏡片旋轉(zhuǎn)角度的變化關(guān)系，由圖可知，當旋轉(zhuǎn)至約50°（相對于初始標定位置轉(zhuǎn)過的角度）時，由于線狀散射源導致圖像的灰度均值升高，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)則灰度值減小。實際使用時，應(yīng)挑選一定范圍內(nèi)散射光強變化緩慢且均值較低的角度作為激光的入射方向。對于圖8所示樣品可以考慮選取與初始標定位置旋轉(zhuǎn)100°～110°左右的方向為入射方向。

為了驗證該方法對于鎖區(qū)控制的可行性，我們選取了兩組共20個樣本進行試驗，其中一組采用現(xiàn)有的方法進行選配和裝調(diào)，另外一組則采用本文所提出的方法對反射鏡進行選配和測量，并找到散射最小的角度安裝。實驗結(jié)果如圖9所示，10個未使用該方法選配的樣本中有4個出鎖值均大于于0.1 (°)/s，而使用該方法選配的10個樣本出鎖值均小于0.1 (°)/s。進而我們在某型抖動激光陀螺上擴大了樣本數(shù)量做進一步驗證，實驗結(jié)果表明在使用該方法選配的100個左右的樣本中，鎖區(qū)合格率達到95%以上，改進效果明顯。對于未使用該方法選配的樣本中鎖區(qū)超標的樣本，我們又利用該系統(tǒng)進行重新選配和裝調(diào)，結(jié)果全部合格。

圖9 樣本鎖區(qū)值Fig. 9 Lock-in values of samples

4 結(jié) 論

本文基于立體角積分方法，提出一種反射鏡激光散射的在線測量方法。該測量方法結(jié)構(gòu)簡單，精度高，速度快，可以實現(xiàn)非接觸實時檢測，既可實現(xiàn)反射鏡的分級篩選，又能為反射鏡的裝調(diào)提供指導，同時也為反射鏡的加工制造提供了改進的方向。經(jīng)實驗證明該方法可以有效控制由反射鏡散射引起的鎖區(qū)超標問題，在工件的在線檢測方面具有較高的工程應(yīng)用價值。

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Method of mirror scattering test for laser gyro

HAN Zong-hu, HU Xiao-dong
(The Flight Automatic Control Research Institute of Aviation Industry of China, Xi’an 710065, China)

A key factor that influences the performance of laser gyro is lock-in effect, whose main reason is the backscattering caused by mirror reflection. In this paper, the effect of mirror backscattering on the total backscattering of laser gyro was analyzed, and a test method for mirror backscattering was proposed. The semiconductor laser was chosen as the laser source, and the scattering of the mirror was collected through a microscope. Then the image was acquired by a CCD camera. According to the scattering pattern, the mirror could be selected. Furthermore, the position and direction for installation could ultimately be determined. Experiments were conducted for a certain type of laser gyro, and the results show that the pass rate is increased from 75% to 95% by using this method. The structure is simple with high-precision fast untouched real time test. It turns out that the lock-in of laser gyro induced by the mirror scattering could be effectively controlled. This method has good application prospect in the real time work-piece test.

laser gyro; backscattering; lock-in; microscopic imaging; surface defects

O436

A

1005-6734(2015)04-0540-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.04.022

2015-04-13；

2015-07-28

航空基金支撐項目（61901060301）資助課題

韓宗虎（1961—），男，博士，研究員，從事激光陀螺方面的研究。huxd03@163.com