[发明专利]基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺

说明书

技术领域

本发明属于陀螺技术领域，涉及一种角速率测量装置，具体地说是指一种以Sagnac效应为基础的一种光在闭合光路中传输的方式，使用氟化物楔形腔，利用多光束干涉实现测量角速度的谐振式光学陀螺，具体是一种基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺。

背景技术

陀螺惯性器件作为惯导系统中的核心部件，在国土防空、舰船、潜艇的惯性导航系统、导弹轨道控制、飞行器自主导航等陆、海、空、天制导、导航及控制技术领域以及卫星姿态控制、摄像机稳瞄稳像、大地测量、资源勘测、机器人、电子消费品等行业有着广泛的应用背景，其发展对一个国家的国防事业、基础工业以及高科技产业发展具有重要的意义。

目前，陀螺惯性器件主要有传统机械陀螺、光学陀螺（光纤陀螺、激光陀螺）、微机械（MEMS）陀螺等类型。传统的机械式陀螺仪适用于大载体高精度的惯性导航，但普遍存在体积大、启动时间长、存在可动部件等问题，无法满足深空探测、构建深空探测网络等应用领域对器件性能稳定、功耗低、体积小等要求，以及微型化、隐身化武器装备作战使用要求，难以实现“灵便型”测量系统。微机械陀螺仪近年来受到人们广泛关注，发展非常迅速，微陀螺的性能、精度及可靠性逐步提高，但尚未取得根本突破，没有像微加速度计那样在市场上大量应用。微机械惯性器件随着器件的微小化，其质量和动量也随之急剧减小，其灵敏度和分辨率等指标的提高已达到检测极限状态。光学陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等优点，成为现代导航仪器中不可或缺的关键部分。但光纤陀螺仪需要较为复杂的光电信号处理，成本较高，受温度等环境条件变化影响大，且不易集成。

随着全球卫星定位系统的广泛应用和高新技术的快速发展，现代惯性导航系统改变了发展方向，对惯性器件提出了更高的要求。惯性器件须在保证高精度的同时，更要求具备体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、易于集成等特点。因此，具有高精度、高灵敏度、高可靠性的谐振式光学陀螺成为了重要的发展方向。

陀螺是用于测量角速率和角加速度变化的装置。陀螺的主要原理是Sagnac效应，在惯性空间中，Sagnac效应可以描述为：通过检测谐振腔内顺时针和逆时针传播光束输出的频率差来实现谐振腔旋转角速度的测试。当谐振腔静止时，两束光光波频率相同，频差为零；当谐振腔转动时，两束相反方向传播光光波频率发生变化，而且两束光的频差与转速成线性关系，其表达式为：Δf=4AΩ/λL= DΩ/λ（A为谐振腔的面积，D为谐振腔的直径，L为谐振腔的周长,4A/λL为陀螺的标度因子），故测出Δf，就可以知道旋转角速率Ω的值。

谐振式光学陀螺是一种新型的角速度传感器，与机械陀螺相比，具有全固态，对中立不敏感、启动快等优点；与环形激光陀螺相比，具有无高电压电源、无机械抖动的特点，另外，还具有重量轻、小体积、高灵敏度、低成本、高可靠性、低功耗等特点；与干涉式光纤陀螺相比，可减小由多匝线圈缠绕引起的温度效应和Shupe误差，采用高相干光源波长稳定性高、检测精度高、动态范围大。

谐振很窄的单频激光在谐振式光纤陀螺中传播，会改变光纤线芯的折射率，从而引起Kerr效应。顺、逆时针两束光的光强不匹配也可以造成频率误差，从而印象真正陀螺信号检测频差的精度。当谐振腔的精细度很高光强很强时，会使得石英光纤发生手机辐射，造成布里渊散射，而这种受激辐射会使得谐振频率测量及其不稳定。在光纤谐振腔中，把这种经过一次循环而不改变其偏振状态的的性质称为偏振的本征状态。通常，环境中的温度变化或者外界振动等因素的变化都会引起一个由偏振本征态对应的使谐振峰峰值位置的相对变化，从而引起由偏振波动造成的频率差，这将会直接影响陀螺旋转角速度的测量。

在传统的谐振腔选取中，谐振腔材料大部分使用二氧化硅，因为SiO₂具有良好的绝缘性能及稳定的二氧化硅-硅衬底界面，然而由于由二氧化硅制备的谐振腔Q值低，尺寸也只能做到几十um量级，无法满足陀螺导航级的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于高K氟化物谐振腔的谐振式光学陀螺。

本发明是通过如下技术方案实现的：