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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 高精度双光束干涉指零仪的研制 姓名：黄海乐 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：黄云 2010-11 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 利用激光陀螺研制的动态测角系统具有精度高、测量快、动态响应范围宽 等特点。在动态测角的过程中，如何进行瞄准以建立一个可靠的、固定不丢失 的零点是一个关键问题。双光束干涉指零仪具有瞄准脉宽小、精度高、响应速 度快等优点。论文从双光束干涉指零仪的基本原理和光路设计着手，旨在寻找 一种精度高且动态响应能力突出的零位触发系统，以满足环形激光陀螺测角仪 高速动态测角的要求。 首先，基于双光束干涉理论，搭建
2、了指零仪的光路系统，通过实验得到较 好的干涉条纹信息。电路部分先对干涉光强信号进行前置放大，然后针对指零 仪高速响应的要求设计指零脉冲触发电路，得到理想的触发脉冲。 其次，初步分析了指零仪的误差源，主要包括道威棱镜的制造误差、指零 仪的安装误差以及指零脉冲自身的误差，提出了指零仪研制过程中应该注意的 事项。 接着，通过实验测试了指零仪的稳定性和动态响应能力，结果表明在36 /s-360/s的转速下，指零仪的重复精度优于0.20，且动态响应能力突出。 最后，将双光束干涉指零仪应用到激光陀螺测角仪系统中，测试了激光陀 螺的比例因子和随机误差，并进行了整周角的测量实验，结果表明双光束干涉 指零仪能够
3、满足激光陀螺测角仪的应用要求。 主题词主题词主题词主题词：动态测角，指零仪，双光束干涉，激光陀螺 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT Dynamic angular-measuring system with a ring laser gyro (RLG) shows many advantages such as high precision, high speed, wide dynamic response. In the dynamic angular measurement, how to establish a reliable null spot
4、 is a key issue. The null-indicator (NI) using two-beam interference has the narrow pulse width and the high precision. The research starts with the principle and the optical design of the NI, aiming to seek a zero triggering system with a high precision and a fast dynamic response, which can satisf
5、y the requirement of the dynamic RLG goniometer. Firstly, based on the theory of two-beam interference, the optical system of the NI is built, and the good interference fringes are obtained in the experiment. The interference signals are pre-amplified. The triggering circuit of the NI pulse is desig
6、ned in view of the high-speed response requirement, and ultimately the ideal NI pulse is obtained. Secondly, the errors of the NI are analyzed. The errors including the manufacturing error of the Dove prism, the installation error and the NI pulse error are preliminarily analyzed, and the notes in t
7、he system designing are presented. Thirdly, the stability and dynamic response are tested by experiments. The results indicate that the repeatability is better than 0.20 at the rotation speed of 36/s-360/s, and the excellent dynamic response is obtained. Finally, the NI is applied in the RLG goniome
8、ter. The scale factor and the random errors are tested, and the measurement of the integer cycle angular is carried on. The results show that the NI using two-beam interference satisfies the application requirement of the RLG goniometer. Key Words：dynamic angular-measuring , NI, two-beam interferenc
9、e， RLG 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 表表表表 目目目目 录录录录 表 1.1 国外与国内生产的自准直仪的主要技术指标.2 表 2.1 MAX4106 主要性能参数16 表 3.1 道威棱镜的主要技术参数.25 表 4.1 0.2 /r s时两个指零脉冲间的时间间隔部分数据31 表4.2 0.4 /r s时两个指零脉冲间的时间间隔部分数据32 表4.3 0.6 /r s时两个指零脉冲间的时间间隔部分数据33 表4.4 不同转速下的重复精度.35 表4.5 指零仪重复性实验部分数据.36 表5.1 比例因子测试计算的实验结果.43 表5.2 各项随机误差系数值.45
10、表5.3 整周角测试结果部分数据.46 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图图图图 目目目目 录录录录 图1.1 双光束干涉指零仪原理框图.3 图2.1 两束平行光的干涉.6 图2.2 12 II时的干涉光强与干涉图样8 图2.3 12 II=时的干涉光强与干涉图样8 图2.4 21 II?时的干涉光强与干涉图样9 图2.5 双光束干涉指零仪光路原理图.10 图2.6 倒置望远镜系统压缩光束发散角.11 图2.7 分光镜的设计.11 图2.8 光电二极管等效电路.12 图2.9 指零仪的瞄准原理.13 图2.10 干涉场光强计算.13 图2.11 干涉场光强分布.14 图2.1
11、2 指零信号处理电路设计框图.15 图2.13 前置放大电路设计框图.16 图2.14 MAX4106引脚图17 图2.15 光电转换电路.17 图2.16 滤波器的电路设计.17 图2.17 高通滤波器的幅频特性.17 图2.18 主放大器的电路设计.18 图2.19 指零信号的波形.18 图2.20 RC 高通滤波电路19 图2.21 经滤波后的指零信号波形.20 图2.22 电压比较器.20 图2.23 单限比较器的电压传输特性.20 图2.24 比较电路原理图.21 图2.25 比较电路实验结果.21 图2.26 整形电路设计原理图.22 图3.1 道威棱镜.24 图3.2 光轴偏角不
12、同时，角误差和的变化曲线.25 图3.3 干涉条纹的变化情况.26 图3.4 反射镜的放置有误差时干涉条纹的变化情况.26 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 VI 页 图3.5 被测物的放置有误差时的干涉光强.26 图4.1 指零仪稳定性实验.30 图4.2 指零仪稳定性实验方案框图.31 图4.3 重复精度随转速的变化曲线.35 图5.1 激光陀螺测角仪的结构框图.40 图5.2 测角仪输出信号.40 图5.3 比例因子测试实验.42 图5.4 比例因子计算结果图.43 图5.5 ( ) 双对数曲线45 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 国防科学技术大学研究生院硕士
13、学位论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 课题研究背景和意义课题研究背景和意义课题研究背景和意义课题研究背景和意义 角度作为最基本的物理量之一，其测量方法很多，应用的领域也相当广泛。 经济建设、国防建设和科学技术各部门都离不开角度测量问题，诸如切削刀具 的测量，零件有关角度的测量，仪器或机床导轨的检验和装调，以及天文研究， 大地测量，水利、交通建设，导弹和卫星的发射等，都跟角度测量有密切关系 1。根据不同的测量精度、测量范围及自动化程度等要求，发展了丰富的测角 方法，如机械测量、电子测量、光学测量以及光电测量等等。但对于一般的测 角系统而言，都不能在满足大的测角范围的同时，具有较高的测量精度
14、，要进 行非接触的实时动态测量就更困难了。 角度测量技术分为静态测量和动态测量两种 134。对于角度测量技术来 说，目前的主要任务集中在如何提高测量精度和测量分辨率上 467。80 年代中 期，经历了数十年的设计研究工作，制造工艺的逐渐完善使得激光陀螺可以作 为角度传感器应用到飞行器与其他移动载体的惯导系统和角度测量中去。由于 激光陀螺的一些特性，利用它可以进行圆周角高精度、高速的动态测量，并且 可以使整个测量过程自动化。激光陀螺测角技术可以在很短的时间内对刻有数 千条刻度的光学编码器进行校准。 激光陀螺已发展成为在 360整周范围内的高测量精度和高测量分辨率的 角度和角速度传感器，在惯性导航
15、和角度定位方面有重要的用途。应用环形激 光陀螺设计的动态测角系统 8910被认为优于目前任何其它测角技术， 是转速测 量准确度最高的方法之一， 转速测量相对准确度可达到10-6。 环形激光陀螺测角 技术有以下优点：易实现自较，可以在测量过程中确定激光陀螺的比例因子， 从而大大减小测量误差；可以实现高速转角测量，动态响应范围宽；在转速测 量的同时实现转角测量，还可以测量瞬态转速。缺点是加工工艺难以保证，成 本高，对环境要求严格，这是激光陀螺测角没有得到大量应用的最主要原因。 主要误差来源是“闭锁” 、 “零漂” 、 “频率牵引”和地球自转的影响。但激光陀 螺测角在整周角度测量方面是一个非常有前途
16、的发展方向。 激光陀螺测角系统中如何建立一个固定不丢失的零点是动态测角过程中的 一个关键问题 18。高精度的零点定位系统可以使高精度的动态角度测量得以实 现，并且能为角度测量提供相应的基准。传统的 CCD 自准直法 111213在静态测 量中可以满足小角度测角要求，但对于高速动态测角来说，就需要研制一种具 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 2 页 有高速响应能力的指零仪。本课题基于双光束干涉原理，设计指零仪的光学系 统和相应的触发脉冲电路，对指零仪的重复精度及动态响应能力做出评估，并 应用于测角仪系统的实验平台中去，对整个高精度环形激光测角仪系统的研制 有重要意义。 1.2 指零仪的研究指零仪的研究指零仪的研究指零仪的研究现状现状现状现状 1.2.1 传统的自准直仪 自准直仪是利用光学自准直原理，用于小角度测量的重要测量仪器。由于 采用了面阵CCD、线阵CCD、PSD等高分辨率光电探测器，它具有较高的准 确度和测量分辨率，因而被广泛应用于精密的测量工作中，如：在角
