复杂环境下机抖激光陀螺腔变动规律及核心部件优化设计

Mechanically dithered ring laser gyroscope inertial navigation system have become an important direction in inertial technology. Mechanical vibration and fast temperature variation under complex environment will change the resonator cavity length, thereby affecting the measurement accuracy of ring laser gyroscope. In order to improve the performance of ring laser gyroscope, it is necessary to research variation law of the resonator cavity and provide optimized design of core component of ring laser gyroscope.This project can provide solutions for improving mechanically dithered ring laser gyroscope performance against complex environment. The main contents are following: (1) The main sources of resonator cavity variation are investigated quantitatively using vibration signal processing method and finite element analysis method. (2)The deformation and change of the ring resonator are systematically investigated by laser physics principle and matrix optics method. (3)The design criteria is put forward and the core compentants of the laser gyroscope are optimized.A novel mechanically dithered ring laser gyroscope is designed which bias stability is less than 0.002deg/h(-40℃～+60℃,100s variance) and vibration difference is less than 0.05Hz. This project will provide support for further engineered prototype both theoretically and technically and expand the application area of ring laser gyroscope.

机抖激光陀螺惯导系统已成为我国惯性技术领域重要的研究方向，复杂环境下的机械振动、快速温变等会引起谐振腔腔长的改变，进而影响机抖激光陀螺的测量精度。为了提高机抖激光陀螺的精度，有必要全面深入地研究复杂环境下机抖激光陀螺谐振腔腔变动规律并对其核心部件进行优化设计，为提高机抖激光陀螺抗击复杂应用环境提供解决方案。主要研究内容包括：（1）采用振动信号处理方法和有限元分析方法定量分析复杂环境下影响激光陀螺腔体变动的主要来源（2）利用激光物理原理和矩阵光学的方法，深入研究复杂环境下光学谐振腔腔体形变和谐振光路变动规律（3）提出设计准则，对激光陀螺核心部件进行优化设计，研制一种抗击复杂环境的新型的机抖激光陀螺，常值漂移优于0.002deg/h（-40℃～+60℃，百秒方差），振动偏差优于0.05Hz，为进一步工程化样机的研制提供理论和技术支持，为拓展高精度激光陀螺的应用奠定坚实基础。

机抖激光陀螺惯导系统已成为我国惯性技术领域重要的研究方向，复杂环境下的机械振动、快速温变等会引起谐振腔腔长的改变，进而影响机抖激光陀螺的测量精度。为了提高机抖激光陀螺的精度，全面深入地研究复杂环境下机抖激光陀螺谐振腔腔变动规律并对其核心部件进行优化设计，主要包括（1）对振动应力、温度应力等误差因素是对谐振腔的影响规律进行了细致的研究，系统研究了150型、120型、90型、70型、50型、30型机抖激光陀螺等不同类型、不同结构、不同尺寸的陀螺的结构特性，从而获得环形谐振腔光路各个位置的形变；（2）研究了抖动辐条变化和压电陶瓷驱动器结构参数变化的影响规律，开展了机抖激光陀螺抖动机构和光学谐振腔核心部件的性能变化规律研究，分析了光学谐振腔腔体形变规律及谐振光路的变动情况；（3）设计并研制一种了适用于复杂环境的新颖的机械抖动结构和光学谐振腔，提出一种合理的解决方案，陀螺振动过程中的均值极差由1.747Hz下降至0.045Hz，极大地减小了随机振动对陀螺的影响，陀螺百秒方差达到0.00119o/h。将新研制的机抖激光陀螺样机组装成惯性测量单元，完成了双轴旋转调制试验，定位误差优于0.4海里/3天。该项目为提高机抖激光陀螺抗击复杂应用环境提供解决方案，为拓展高精度激光陀螺的应用奠定坚实理论基础。