大型激光陀螺儀的研究進展

翟二江,郭文閣,徐學東,全秋葉,張立松,劉師彤,魏明明

(1.西安石油大學理學院,陜西 西安 710065；2.中國科學院國家授時中心時頻基準實驗室,陜西 西安 710600)

1 引 言

大型激光陀螺儀是精確監(jiān)測地球自轉(zhuǎn)角度速度的傳感器[1]。相比于慣性導航的激光陀螺儀通常的面積小于0.02 m2,對應的周長小于0.3 m,最佳靈敏度約為5.7×10-7rad/(s·Hz1/2),性能水平足以滿足慣性導航要求,但對大多數(shù)地球物理應用來說,還差幾個數(shù)量級。大型的光纖陀螺儀也可以作為測量角速度的儀器,美國的霍尼韋爾公司生產(chǎn)的光纖陀螺儀在恒溫條件下,利用閉鎖控制技術,使用光纖長度為3 km的光纖陀螺測量精度達到1×10-9rad/s,在進行溫度補償可以達到10-10rad/s,需要考慮溫度梯度效應的影響,使用環(huán)境苛刻,同時測量精度也不足以滿足超高精度測量的需求[2]。由于標度因子和靈敏度隨兩束反向傳播的激光束所包圍的區(qū)域增加,優(yōu)化標度因子是激光陀螺儀傳感器進行改進的合理途徑。事實證明,研究大型激光陀螺儀設計方案是可行的。

目前國內(nèi)外研究用于測量地球參數(shù)的技術主要利用甚長基線干涉測量法(Very Long Baseline Interfermetry,VLBI)、衛(wèi)星定軌測距法、月球激光測距法、多普勒軌道法等空間大地測量技術對EOP進行監(jiān)測[3]。這些測量技術都與地球旋轉(zhuǎn)軸沒有直接聯(lián)系,VLBI技術通過構建模型與地球旋轉(zhuǎn)軸相連,最終精度尚不清楚。大型激光陀螺儀安裝在地球表面,是直接參照地球旋轉(zhuǎn)軸的空間大地測量裝置。大型激光陀螺儀的測量精度和穩(wěn)定性能夠測量地球旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生的微小變化量,目前國內(nèi)外設計的大型激光陀螺儀光學腔的面積從0.748 m2到367.5 m2,測量靈敏度從7.2×10-10rad/s到4.7×10-12rad/s[4]。本文主要對國內(nèi)外的大型激光陀螺儀發(fā)展和應用狀況進行簡要介紹,以及影響大型激光陀螺儀精度的原因和改進方法。

2 大型激光陀螺儀設計方案

2.1 基本原理

大型激光陀螺的基本工作原理是依托于Sagnac效應的[5]。如圖1所示,在閉合的光學環(huán)路中,將兩束相向傳播的光波從該環(huán)路中任意一點出發(fā),各自環(huán)形一周。令閉合光路相對于慣性坐標系沿某一方向轉(zhuǎn)動,則兩束光會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。由于光速的不變性,兩束光到達新的光源位置所用的時間不同。

圖1 Sagnac效應的基本原理

光束在順時針和逆時針方向傳輸所用的時間,同時可得時間差:

(1)

因為c2?(ΩR)2,故可以忽略(ΩR)2的取值,得到(2)式:

(2)

(3)

2.2 結構設計

根據(jù)大型激光陀螺儀的工作原理,目前主要設計的方案分為主動式和被動式大型激光陀螺儀[6]。如圖2所示,為主動式激光陀螺儀。主動式激光陀螺儀環(huán)形腔內(nèi)部有增益介質(zhì),實質(zhì)上是雙向輸出激光束的激光器,國際上采用波長為633 nm的He-Ne激光。采用四個不銹鋼或者耐熱玻璃制成的環(huán)形回路,四個角分別放置高反射鏡,將激光束鎖定在環(huán)形腔兩個方向的共振模式上,最后探測輸出信號。

(1～4反射鏡、5～6平面鏡、7強度分束器、8光電探測器、9激光增益)

被動式陀螺儀環(huán)形腔內(nèi)沒有增益介質(zhì),由外部注入激光后分別鎖定到環(huán)形腔傳輸?shù)膬蓚€方向的共振模式上。如圖3所示,為被動式激光陀螺儀。

(1～4反射鏡、5～6平面鏡、7強度分束器、8光電探測器、9激光器)

主動式激光陀螺儀結構相對簡單,在設計中可以避免高精細度光學腔模式以及激光反饋鎖定等復雜問題,得到在具體實際應用中的設計,如在新西蘭設計建造的主動式大型激光陀螺儀C-I、C-II、G0、UG-1、UG-2和UG-3等。

但是當陀螺儀環(huán)形腔長達米量級以后,過窄的自由光譜區(qū)頻率間隔遠小于增益介質(zhì)的增益寬帶,導致激光模式出現(xiàn)干擾,為了避免模式干擾影響陀螺儀的測量精度,主動式大型激光陀螺儀適用于較低的光功率條件下。被動式大型激光陀螺儀不設計增益介質(zhì),可以運行在較強的光束狀態(tài)下,對提升測量靈敏度的發(fā)展具有潛力,如MIT-1977、MIT-1981、USAFA-1988、Caltech均為被動式大型激光陀螺儀。

2.3 關鍵技術

2.3.1 高Q值Sagnac干涉儀

品質(zhì)因數(shù)Q是環(huán)形腔最重要的指標之一,表示環(huán)形腔局域內(nèi)部耦合光子能量的能力大小。在高Q值環(huán)形腔的耦合體系中,微小的諧振頻差即可產(chǎn)生較大的可檢測信號,Q值影響著諧振腔的檢測靈敏度。Q值的表達式為:

(4)

其中,w為環(huán)形腔的頻率；W是腔內(nèi)存儲的光能總量；P為光子能力在單位時間內(nèi)的損耗；用dW/dt來表示；τ代表光子壽命,也就是環(huán)形腔內(nèi)單個光子的存儲時間,目前主要是從環(huán)形腔的材料、結構設計以及加工工藝上面提高環(huán)形腔的品質(zhì)因數(shù)[7]。

2.3.2 尺度因子的穩(wěn)定

目前影響尺度因子穩(wěn)定性的因素主要來源于多個方面,環(huán)形腔體的形變量、增益介質(zhì)的波動等均會影響尺度因子的穩(wěn)定性,在第5節(jié)提供具體的解決方案。

2.3.3 后向散射效應

散射光引起的模式間的耦合,主要干擾源來自反射鏡的缺陷以及表面的微塵顆粒所影響。激光束產(chǎn)生散射現(xiàn)象,針對此次影響,在第5節(jié)中提供具體的處理方案。

3 大型激光陀螺儀的發(fā)展歷程

20世紀中期,國外已經(jīng)開始研究大型激光陀螺Sagnac效應的應用范圍,主要用于地球科學領域。

1993年,德國慕尼黑大學Schreiber教授和新西蘭的學者設計建造大型激光陀螺,用于測量地球潮汐、地軸傾斜角等。1998年,在德國Wettzell天文觀測站設計了一個大型激光陀螺儀—G-ring[5],如圖4(a)所示G-ring大型激光陀螺儀的平面結構,環(huán)形腔的面積16m2,腔的品質(zhì)因數(shù)Q=3.5×1012,測得地球自轉(zhuǎn)靈敏度約10-9,并且測量定日長(Length Of Day,LOD)精度可以達到0.13 ms。

2005年,在美國的Southern California建造的大型激光陀螺—GEOsensor[9-10],如圖4(b)所示GEOsensor大型激光陀螺儀平面結構,尺寸規(guī)格為1.6×1.6m2,測量靈敏度噪聲1.08×10-10rad/(s·Hz1/2),主要用于監(jiān)測地震引起的地球參數(shù)波動,并開展用于大地科學方面的研究。

2014年,在意大利建造的大型激光陀螺儀—GP2[8],如圖4(c)所示為GP2大型激光陀螺儀平面結構,環(huán)形腔的面積2.56 m2,不銹鋼體結構,腔的品質(zhì)因數(shù)Q=4.6×1011,測得拍頻差Δf=184 Hz,采用波長633 nm的He-Ne激光束。目前此陀螺處于調(diào)試轉(zhuǎn)態(tài),后期將應用在地球科學領域。

2014年,意大利的研究團隊設計了建造大型激光陀螺儀—GINGERino[9],如圖4(e)GINGERino大型激光陀螺儀模型結構,腔體為正四面體結構,環(huán)形腔的面積12.96 m2,在400 s的積分時間下精度可達3.2×10-11rad/s。在2017年,自動運行情況下,經(jīng)過持續(xù)采集數(shù)天的測量數(shù)據(jù),得到地震寬帶的功率譜密度為10-10rad/(s·Hz1/2),最大分辨率為3×10-11rad/s。該陀螺儀的優(yōu)點是可以同時在不同方向上測量到地球自轉(zhuǎn)角速度的分量,從而可以綜合不同方向上的分量測量結果最終得出地球自轉(zhuǎn)角速度矢量的變化。

2019年,華中科技大學開展了大型激光陀螺儀的研究,設計1 m×1 m大型激光陀螺儀原樣機[10],如圖4(d)所示為1 m×1 m的大型激光陀螺儀平臺搭建。該激光陀螺經(jīng)過不斷的調(diào)試完善,目前儀器的測量靈敏度噪聲已降低至2.9×10-9rad/(s·Hz1/2),并在2000 s累計積分下,精度可達到了2.9×10-9rad/s。當前該激光陀螺儀主要用于開展地球物理效應探測等研究工作。

圖4 各種大型激光陀螺儀

目前世界上設計的大型激光陀螺儀情況如表1所示。

表1 世界各國大型激光陀螺儀

4 大型激光陀螺儀在測量地球參數(shù)(EOP)中的應用

大型激光陀螺儀通過測量地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的Sagnac效應,然后經(jīng)過對陀螺儀測量的輸出信號進行解調(diào),即可解算出地球自轉(zhuǎn)瞬時速度。利用光學陀螺儀精確測量地球自轉(zhuǎn)目前已經(jīng)廣泛應用于地球固體潮觀測、旋轉(zhuǎn)地震波探測、引力磁效應等科學研究領域。

目前德國在Wettzel天文觀測站設計建造的 4 m×4 m的大型激光陀螺儀—G-ring[11],在現(xiàn)階段屬于穩(wěn)定性最好的大型激光陀螺儀,角速度測量精度達到2×10-13rad/s,經(jīng)過解算后得到UT1的測量精度可以進入0.1 ms/day的范圍。

在意大利中部的薩索國際地下實驗室設計的大型激光陀螺儀—GINGERino[12],在無人值守的情況下,連續(xù)采集數(shù)天的測量數(shù)據(jù),得到地震帶寬的功率譜密度為10-10rad/(s·Hz1/2),最大分辨率為3×10-11rad/s,可分析地球轉(zhuǎn)動信號和平移信號之間的相關性。

5 面臨的問題以及解決辦法

大型激光陀螺儀環(huán)形腔增大必然會帶來一些問題。環(huán)形腔體的幾何形變對尺度因子的影響,環(huán)形腔受到外界因素(溫度、應力)的影響,導致腔體出現(xiàn)不同程度的非線性形變。目前工程上的解決辦法是控制環(huán)形腔對角線法,進而監(jiān)測腔體的幾何形變。在環(huán)形腔的對角線上設計FP諧振腔,通過檢測諧振腔內(nèi)光信號的頻率差來判斷對角線長度是否發(fā)生變化。當對角線長度發(fā)生改變時,可根據(jù)檢測到的變化信號計算對角線變化的準確長度,進而判斷環(huán)形腔的變化情況,從而對陀螺儀的幾何形狀進行調(diào)整,以穩(wěn)定標度因數(shù)。

除此以外優(yōu)化幾何形變對尺度因子的影響常用的方法有三類:

(1)科學設計結構、建立最優(yōu)的外形結構并合理地使用熱膨脹變化量少的材料,減少溫度對靈敏度的影響。例如微晶玻璃和非洲花崗巖等。

(2)通過理論模型以及實驗驗證分析,建立大型激光陀螺的靜動態(tài)溫度補償模型,進行優(yōu)化補償。

(3)控制陀螺儀的使用環(huán)境,使陀螺儀工作在外界因素影響不明顯或者無人為干擾的環(huán)境中。

在理想情況下,腔內(nèi)反向傳播的光束是絕對獨立的。由于腔鏡的缺陷產(chǎn)生后向散射,從而導致兩束光之間存在耦合,采用校正的方法也是針對高反射鏡開展。

通常抑制后向散射效應對激光光束影響的常用方法有以下幾種:

(1)從工藝上考慮,采用超高反射率(99.999 %)的反射鏡。

(2)采用離子束濺射(IBS)技術對反射鏡進行鍍膜,其中涂的高反射介質(zhì)膜沉積在超拋光襯底(熔融石英)上,大幅度提高了反射能力。IBS技術沉積工藝制備的鏡面涂層附著力好,雜質(zhì)少,吸收損失小。IBS技術已成為生產(chǎn)高精度光學測量所需的高反射鏡的涂層方法。

(3)從操作上考慮,采用工作波長更長的激光束。理論上,當瑞利散射和激光波長存在一定相關性的條件下,后向散射振幅將大大降低。在較長波長的大型環(huán)形激光陀螺儀中,可以預期改善大型激光陀螺儀測量精度的性能。

6 總 結

目前大型激光陀螺儀成功的應用于測量EOP,成為實現(xiàn)高精度測量UT1的重要技術手段。近幾年,國內(nèi)積極開展大量研究工作在光學陀螺儀的理論及應用方面,并取得很好的成果,但是滿足高精度的應用于地球科學需要加大應用研究的力度和深度。雖然到目前為止,優(yōu)化幾何形變、抑制后向散射效應,為提高靈敏度帶來了可能性。隨著科學技術的發(fā)展,大型激光陀螺儀需要進一步提高應用研究水平,以滿足高精度測量地球角速度、日長變化以及月地間測量等方面涉及更多的應用。