消除環(huán)形激光陀螺儀反向散射的制作方法
【專利說明】消除環(huán)形激光陀螺儀反向散射
【背景技術(shù)】
[0001] 在環(huán)形激光陀螺儀（R L G )中，激光光束關(guān)于閉合路徑對向傳播（c 〇 u n t e r -propagate)。通常情況下，路徑長度控制環(huán)調(diào)節(jié)在RLG塊中的光學(xué)路徑長度，以使從環(huán)形激 光陀螺儀輸出的激光輸出功率最大化。當(dāng)RLG靜止于慣性空間時，兩個光束以相同或者大體 上相同的頻率振動。如果系統(tǒng)在慣性空間中旋轉(zhuǎn)，對向傳播光學(xué)激光束以不同的頻率振動。 頻率差異是旋轉(zhuǎn)速率的指示。
[0002] 對于RLG的小旋轉(zhuǎn)速率，從激光反射鏡反向散射(backscatter)的光功率使對向傳 播光學(xué)激光束一起共振和"鎖定（lock-in)"。鎖定使RLG的準(zhǔn)確度降級。在鎖定期間，RLG不 能感測旋轉(zhuǎn)。為了最小化鎖定的影響，RLG是抖動的（周期性地旋轉(zhuǎn)）以使得RLG通過零輸入 速率處于周期性旋轉(zhuǎn)的恒定運(yùn)動中。因此，抖動使得鎖定可能發(fā)生的時間最小化。隨著抖動 旋轉(zhuǎn)減慢并且接近抖動轉(zhuǎn)向點(diǎn)，由于反射鏡反向散射，激光束相互影響，導(dǎo)致每個單個束的 正弦的強(qiáng)度變化。
[0003] 具有大量反向散射的RLG表現(xiàn)出高的角度隨機(jī)游走(ARW)以及差的陀螺儀性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本申請涉及一種環(huán)形激光陀螺儀塊。該環(huán)形激光陀螺儀塊包括被該環(huán)形激光陀螺 儀塊的第一邊(Side)的第一部分和該環(huán)形激光陀螺儀塊的第三邊的第一部分定界的第一 拐角(corner)。該環(huán)形激光陀螺儀塊還包括被環(huán)狀激光陀螺儀塊的第二邊的第一部分和環(huán) 形激光陀螺儀塊的第三邊的第二部分定界的第二拐角。該環(huán)形激光陀螺儀塊還包括被第二 邊的第二部分和第一邊的第二部分定界的第三拐角。當(dāng)所述環(huán)形激光陀螺儀塊的溫度改變 導(dǎo)致所述環(huán)形激光陀螺儀塊的收縮時，第一邊的第一部分使所述第一拐角在所述環(huán)形激光 陀螺儀塊的激光平面中沿朝向所述第二拐角并且垂直于與所述第一拐角相關(guān)聯(lián)的第一反 射鏡的第一法線的方向橫向地（laterally)移位。當(dāng)所述環(huán)形激光陀螺儀塊的溫度改變導(dǎo) 致所述環(huán)形激光陀螺儀塊的膨脹時，第一邊的第一部分使所述第一拐角在所述激光平面中 沿遠(yuǎn)離所述第二拐角并且垂直于所述第一法線的方向橫向地移位。
【附圖說明】
[0005] 應(yīng)理解的是，附圖僅僅描繪了示例性實(shí)施例，并因此不被認(rèn)為在范圍上進(jìn)行限制， 將通過使用附圖以附加特性和細(xì)節(jié)來描述示例性實(shí)施例，在附圖中：
[0006] 圖1示出了支持對向傳播波的三反射鏡環(huán)形激光陀螺儀(RLG)腔體；
[0007] 圖2示出了逆時針(CCW)反向散射波的矢量和；
[0008] 圖3示出了當(dāng)隨機(jī)漂移改進(jìn)(RDI)控制已經(jīng)以推動-牽引方式使第一反射鏡和第二 反射鏡移位時在第一時間處和在第二時間處的RLG腔體；
[0009] 圖4A-4C示出了 CCW反向散射波的相應(yīng)的矢量和；
[0010]圖5示出了在第一溫度處RLG塊中的RLG腔體；
[0011]圖6A示出了在現(xiàn)有技術(shù)RLG塊經(jīng)歷了由于溫度改變而引起的膨脹之后與圖5所示 類似的RLG塊中的現(xiàn)有技術(shù)RLG腔體；
[0012]圖6B示出了根據(jù)本申請的在第一反射鏡和第二反射鏡已經(jīng)響應(yīng)于由于RLG塊的溫 度改變而引起的膨脹而橫向地移位遠(yuǎn)離彼此之后的圖5的RLG塊中的RLG腔體；
[0013]圖7A示出了在RLG±夬經(jīng)歷了由于溫度改變而引起的收縮之后與圖5所示類似的RLG 塊中的現(xiàn)有技術(shù)RLG腔體；
[0014]圖7B示出了根據(jù)本申請的在第一反射鏡和第二反射鏡已經(jīng)響應(yīng)于由于RLG塊的溫 度改變而引起的收縮而橫向地移位朝向彼此之后的圖5的RLG塊的RLG腔體；
[0015]圖8示出了根據(jù)本申請的示例性RLG±夬的拐角的細(xì)節(jié)；
[0016 ]圖9A-9D示出了根據(jù)本發(fā)明的RLG±夬的各種實(shí)施例；
[0017] 圖10A示出了根據(jù)本發(fā)明的在平面中橫向地移位的第一反射鏡的放大視圖；
[0018] 圖10B示出了根據(jù)本發(fā)明的在平面中橫向地移位的第二反射鏡的放大視圖；
[0019]圖11A-11D示出了根據(jù)本發(fā)明的RLG±夬的各種實(shí)施例；
[0020] 圖12A-12C示出了根據(jù)本發(fā)明的相應(yīng)的被動配置的RLG塊的第二拐角的放大視圖， 其中第二拐角被動移位；
[0021] 圖12D示出了根據(jù)本發(fā)明的主動配置的RLG塊的第二拐角的放大視圖，其中第二拐 角主動移位；
[0022] 圖13示出了根據(jù)本申請的RLG的實(shí)施例；
[0023]圖14示出了根據(jù)本申請的一種用于防止由于RLG中的RLG塊的溫度改變而引起的 鎖定的方法；以及
[0024]圖15示出了根據(jù)本申請的一種用于防止由于RLG中的主動配置的RLG塊的溫度改 變而引起的鎖定的方法。
[0025] 根據(jù)通用慣例，各種描述的特征不是按比例繪制的，而是被繪制成強(qiáng)調(diào)關(guān)于示例 性實(shí)施例的特定特征。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 在下述的詳細(xì)描述中，參考形成其一部分并且其中通過特定說明性實(shí)施例的圖示 的方式示出的附圖。然而，應(yīng)理解的是其他實(shí)施例可能被利用，并且可能作出邏輯、機(jī)械以 及電氣的改變。此外，附圖中及說明書中呈現(xiàn)的方法并不被解釋為限制其中可執(zhí)行單獨(dú)步 驟的次序。因此，以下詳細(xì)描述并不作為限制意義。
[0027] 以下描述的系統(tǒng)和方法通過最小化(并在大多數(shù)情況下消除)RLG的組合的反射鏡 反向散射來解決鎖定問題。這通過使(一個或多個)反射鏡之一沿RLG的平面內(nèi)（in-plane) 方向橫向地微定位以改變其相位來完成。還有效地去除由于塊熱膨脹而引起的反向散射相 位改變。
[0028]導(dǎo)致RLG中對向傳播光束的鎖定的反向散射是由于來自反射鏡上的散射位點(diǎn) (site)的光散射的。所有反射鏡都具有散射位點(diǎn)。這些可能是由于位于反射鏡表面的微小 磨損或者粒子而引起的。每個散射位點(diǎn)具有與其反向散射的貢獻(xiàn)相關(guān)聯(lián)的振幅和相位。由 于對向傳播光學(xué)激光束是相干的，因此反射鏡上的所有單獨(dú)的散射位點(diǎn)能夠被總計到一 起，允許每個反射鏡被表征為具有一個反向散射振幅和相位。組合的反向散射效應(yīng)是位于 RLG塊的拐角處的所有反射鏡的反向散射振幅和相位的矢量和。
[0029] 由Theodore J.Podgorski發(fā)明的并授權(quán)于1979年5月1日的題為CONTROL APPARATUS(控制裝置）的美國專利US 4152071描述了一種通過以推動-牽引方式定位換能 器反射鏡(例如，三角形塊中的三個反射鏡中的兩個）以減少反向散射的技術(shù)。當(dāng)?shù)谝粨Q能 器反射鏡被向內(nèi)移動時，第二換能器反射鏡被向外移動相等的量以便在維持RLG塊中的光 學(xué)路徑長度的同時最小化（以及潛在地消除）來自所有反射鏡的組合的反向散射光的振幅 和相位以最大化從該RLG輸出的激光輸出功率。因此，此處稱為"隨機(jī)漂移改進(jìn)"或RDI的這 種換能器反射鏡的定位控制同時地最小化鎖定并維持RLG塊中對向傳播光學(xué)激光束CCW和 CW的路徑長度。兩個換能器反射鏡之間的推動-牽引定相在設(shè)備裝配期間被初始設(shè)定，這可 能不是理想的并且不能被預(yù)測。
[0030] 然而，當(dāng)塊經(jīng)歷熱膨脹或收縮時，來自兩個換能器反射鏡的散射光相位并不被該 隨機(jī)漂移改進(jìn)技術(shù)控制。特別地，當(dāng)陀螺儀塊經(jīng)歷由于溫度改變而引起的熱膨脹或收縮時， 對向傳播光學(xué)激光束入射在兩個換能器反射鏡上的不同點(diǎn)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的， 入射在反射鏡的第一點(diǎn)上的光束與入射在相同反射鏡的第二點(diǎn)上的光束相比具有不同的 相位散射。反射鏡所附著到的RLG塊的熱膨脹或收縮導(dǎo)致對向傳播光學(xué)激光束入射在其處 的點(diǎn)被橫向地移位。這導(dǎo)致兩個換能器反射鏡之間的相位方面的改變并且使RLG的性能降 級。
[0031] 在許多材料中，溫度增長總是導(dǎo)致材料膨脹，而溫度降低總是導(dǎo)致材料收縮。然 而，一些材料被設(shè)計成使在相對大的溫度范圍上在長度方面的相對改變最小化（例如， ZERODUR?)。在某些情況下，在特定溫度處，這些專門設(shè)計的材料可能隨著溫度降低而 經(jīng)歷膨脹并隨著溫度增長而經(jīng)歷收縮。
[0032] 圖1示出了支持對向傳播波的三反射鏡RLG腔體9。順時針(CW)波由矢量E?指示，并 且逆時針(CCW)波由矢量E。?指示。術(shù)語"CW波E。/和"光束CW"在本文可互換地使用。同樣地， 術(shù)語"CCW波E ccw"和"光束CCW"在本文可互換地使用。
[0033]該RLG腔體9由三個反射鏡21-23形成，所述三個反射鏡支持在圖1中示為X-Y平面 的激光平面中對向傳播波E。?和E?的傳播。對向傳播光學(xué)激光束正在其中傳播的X-Y平面在 本文被稱為"激光平面"或"平面內(nèi)"。
[0034]第一反射鏡21的第一入射點(diǎn)41在本文被定義為在RLG腔體9的激光平面X-Y中對向 傳播光波E。?和E?在其上入射的第一反射鏡21的該點(diǎn)。第二反射鏡22的第二入射點(diǎn)42在本 文被定義為在RLG腔體9的激光平面X-Y中對向傳播光波E ccjPEcw在其上入射的第二反射鏡 22的該點(diǎn)。第三反射鏡23的第三入射點(diǎn)40在本文被定義為在RLG腔體9的激光平面X-Y中對 向傳播光波E ccw和Ecw在其上入射的第三反射鏡23的該點(diǎn)。
[0035]第一反射鏡21具有第一入射點(diǎn)41，該第二反射鏡22具有第二入射點(diǎn)42,并且第三 反射鏡23具有第三入射點(diǎn)40。該第一入射點(diǎn)41與該第二入射點(diǎn)42之間的距離被指示為長度 li。該第二入射點(diǎn)42與該第三入射點(diǎn)40之間的距離被指示為長度12。該第三入射點(diǎn)40與該第 一入射點(diǎn)41之間的距離被指示為長度13。
[0036]反向散射波振幅及相位參數(shù)(在此被表示為r和ε)取決于影響振幅r的反射鏡散射 系數(shù)和影響散射光的相位的RLG腔體9中反射鏡的相對位置。CW波(E?)從第一反射鏡21散射 為CCW相干反向散射波，其通常在辦,_處表示。CW波(E?)從第二反射鏡22散射為CCW相干反 向散射波，其通常在R 2, ccw處表示。CW波(Ecw)從第三反射鏡23散射為CCW相干反向散射波，其 通常在R3, ccw處表示。相干反向散射波Rl ccw、R2, ccw以及R3, ccw組合地形成了 RLG腔體9中的整體 CCW反向散射波。
[0037]同樣地，CCW波(E。?)從第一、第二和第三反射鏡21-23中的每一個分別散射為CW相 干反向散射波Ri,cw、R2,cw以及R3,cw。相干反向散射波辦^、1? 2^、以及1?3^組合地形成了1^腔 體9中的整體CW反向散射波。
[0038] 每個CCW相干反向散射波Rl,ccw、R2,ccw和R3,ccw以及每個CW相干反向散射波Rl,cw、R2,cw 和尺3^具有參數(shù)0-4Ρει)，其對相應(yīng)反射鏡唯一并且取決于每個波在其處入射在相應(yīng)反射 鏡上的散射位點(diǎn)（即，第一入射點(diǎn)41、第二入射點(diǎn)42、以及第三入射點(diǎn)40)的位置和性質(zhì)。來 自反射鏡21-23中的每一個的組合的反向散射是單個虛擬散射源，其表示RLG腔體9中反射 鏡21-23上的不同散射波的相干組合。
[0039] 從第三入射點(diǎn)40散射的波被數(shù)學(xué)地描述為;R3 = Eoe1%。從第一入射點(diǎn)41散射
其中λ為對向傳播光束CCW和CW 的波長。從第二入射點(diǎn)42散射的波被數(shù)學(xué)地描述
[0040] 圖2示出了 CCW反向散射波的矢量和RzRi+fc+fc。從第一入射點(diǎn)41、第二入射點(diǎn)42、 以及第三入射點(diǎn)40散射的CCW反向散射波的組合RzRi+fc+fc形成CCW反向散射波。
[0041] 圖3示出了當(dāng)RDI控制已經(jīng)以推動-牽引方式使第一反射鏡21和第二反射鏡22移位 距離Ad時，在第一時間t和在第二時間tJ^RLG腔體9。在第一時間t，第一反射鏡21在內(nèi) (即，更靠近第三反射鏡23)并且第二反射鏡22在外（即，更遠(yuǎn)離第三反射鏡23 )，并且第一入 射點(diǎn)21與第二入射點(diǎn)22之間的距離為li。在第一時間ti，第一入射點(diǎn)41距第三入射點(diǎn)40為距 離13，并且第二入射點(diǎn)42距第三入射點(diǎn)40為距離h。
[0042] 在第二時間t2,第一反射鏡(現(xiàn)通常在21'處表示)在外并且第二反射鏡(現(xiàn)通常在 22'處表示)在內(nèi)，并且第一入射點(diǎn)（現(xiàn)通常在41'處表示）與第二入射點(diǎn)（現(xiàn)通常在42'處表 示)之間的距離為。在第二時間t 2,第一入射點(diǎn)41'距第三入射點(diǎn)40'為距離13'，并且第二 入射點(diǎn)42'距第三入射點(diǎn)40距離為1 2'。應(yīng)當(dāng)注意，（11+12+13)