[0001] 本发明涉及激光陀螺技术领域，具体涉及一种激光陀螺谐振腔背向散射测量系统及测量方法。

[0002] 激光陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度测量传感器，具有可靠性强、稳定性高、动态范围大、尺寸小、工作寿命长等优点，是捷联式惯性导航系统的理想元件，被广泛应用于国防军事、航空航天等领域。

[0003] 当激光陀螺在惯性空间转动时，谐振腔中的两束激光在环形光路中运行时会产生光程差，使得两束激光的谐振频率不同。只要测出顺逆时针两束光的频差，就可得到惯性空间转动角速度。但是，激光陀螺反射镜的背向散射会导致闭锁效应，降低激光陀螺的测量精度；为了提高激光陀螺测量精度，就需要减小谐振腔中的反射镜(包括平面镜和凹面镜)背向散射，这就需要能对背向散射进行检测的设备。现有技术只能对未安装到谐振腔前的单个反射镜组件进行检测，从而得出单个反射镜组件的背向散射水平，再根据复杂的矢量合成方法推算综合背向散射系数，如文献《激光陀螺背向散射研究综述》中所述的立体角积分散射法，通过检测单个反射镜样品表面的散射分布，来测量每面反射镜的背向散射。但是，通过积分散射法检测的是单个反射镜的背向散射水平，再根据矢量公式及经验参数推算综合背向散射系数，这个评价结果是一个间接结果，并且中间受到反射镜安装时的胶装工艺影响，误差较大。即便通过现有技术筛选出4个背向散射水平较低的反射镜，也并不意味着当这4个单独的反射镜共同组成一个激光陀螺谐振腔时其综合背向散射水平就是最低。如文献《激光陀螺背向散射研究综述》中所述，他们之间有较为复杂矢量叠加关系。因此，需要一种可以直接测量装配完成后的激光陀螺谐振腔的背向散射装置来评价最终的综合背向散射水平，为提高激光陀螺精度提供数据指导。

[0004] 现有专利技术中，专利号“201210331273.5”，专利名称为“一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置及方法”的专利，其通过将泵浦光束的一部分能量反馈回环形谐振腔并与腔内背向散射光波干涉，提高了环形谐振腔背向散射信号的信噪比。其存在的主要问题是将正向光束的部分反射回激光陀螺谐振腔并与腔内背向散射光波干涉，这样虽然提高了信噪比，但是利用其专利中所述光电探测器A4测得的信号中既有背向散射光成分，又有正向光成分，所测得的光强不能准确代表背向散射光强度。虽然对于不同的激光陀螺谐振腔产品测量时，其数值能够相对比较出不同产品的背向散射水平，但是由于不同产品间的正向光强度也不同，其数值存在较大误差。

[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0041] 本发明实施例提供一种激光陀螺谐振腔背向散射测量系统，如图1所示，包括沿光路依次设置的激光器5、激光分束器6、1/2波片7、激光陀螺谐振腔13、消光筒光阑B10、光电探测器11、锁相放大器12和激光模式锁频控制器14；所述的‑激光分束器6反射端还设置有全反射镜1，全反射镜1之后还依次设置有垂直水平可调节双平面透镜2、消光筒光阑A3、光电倍增管4，光电倍增管4与锁相放大器12连接；

[0042] 上述激光陀螺谐振腔13如图2所示，激光陀螺谐振腔13的其中两角分别设置有5％透射率平面反射镜A8、5％透射率平面反射镜B9，另外两角分别设置有凹面反射镜A17和凹面反射镜B18，所述的凹面反射镜A17和凹面反射镜B18上分别连接有压电陶瓷作动器A15、压电陶瓷作动器B16；两个凹面反射镜在压电陶瓷作动器的控制下产生沿凹面反射镜法线方向的微小移动。

[0043] 上述激光陀螺谐振腔为环形谐振腔，主要由5％透射率平面反射镜A8、5％透射率平面反射镜B9、凹面反射镜A17和凹面反射镜B18组成，凹面反射镜与压电陶瓷作动器相连接，两个凹面反射镜可在压电陶瓷作动器的控制下产生沿球面反射镜法线方向的微小移动，以改变谐振腔的光路。由于反射镜表面存在缺陷，所以激光光束会在各反射镜表面产生背向散射，四个反射镜产生的背向散射光波相互叠加，形成与激光光束正向传播方向相反的背向散射光束。

[0044] 本发明激光陀螺谐振腔背向散射测量方法，包括以下步骤：

[0045] 1)当每次开始测量前，安装待测的激光陀螺谐振腔13产品时，需先设置锁频控制器14输出任意1路为三角波扫频信号，同时手动微调1/2波片7以调整激光偏振态，同时手动微调刚安装的激光陀螺谐振腔13的位置，在9与10之间光路上插入一张黑色纸板充当简易光屏，观察光屏上是否有激光光斑，当观察到光斑时，说明待测的激光陀螺谐振腔13产品位置准确。

[0046] 2)进一步详细观察，如果光屏上的光斑呈现多重环或者花纹形状且没有明显的中心亮点，则重复调节激光模式锁定控制器14输出的三角波扫频信号的偏置电压大小，直至光屏上光斑呈现出圆形或椭圆形，并且光斑中心比较亮，此时切换锁频控制器14为锁模状态，其产生的控制信号作用于压电陶瓷作动器A15和压电陶瓷作动器B16，用来调节激光陀螺谐振腔腔长，使得两路光信号都为TEM00模式(高斯光束)，信噪比达到最高，此时光路谐振，去掉光屏。

[0047] 3)激光器5发射出的激光信号依次经过激光分束器6和1/2波片7后由5％透射率平面反射镜A8射入激光陀螺谐振腔13中，在激光陀螺谐振腔13中沿顺时针方向传播的正向光经过多次叠加之后，由5％透射率平面反射镜B9射出；

[0048] 4)射出的正向光信号依次入射到消光筒光阑B10和光电探测器11，光电探测器11将接收的光信号转换为电压信号；

[0049] 5)在激光陀螺谐振腔13中沿逆时针方向传播的背向散射光经过多次叠加后，由5％透射率平面反射镜A8射出；

[0050] 6)背向散射光射出后依次经过1/2波片7、激光分束器6、全反射镜1、垂直水平可调节双平面透镜2、消光筒光阑3，最后入射到光电倍增管4，由光电倍增管4转换为电压信号；

[0051] 7)两路电压信号经过锁相放大器12放大滤波后输出给激光模式锁定控制器14，在激光模式锁定控制器14中运行有根据式(1)和式(2)计算的程序，可计算得到背向散射系数r；

[0052]

[0053]

[0054] 式中，I0为注入激光陀螺谐振腔的光强，I为正向透射光强，Ir为背向透射光强，T和T0为激光陀螺谐振腔两个透射镜的光强透过率，典型值为60ppm，δ为激光陀螺谐振腔总损耗。

[0055] 8)同时，锁相放大器12输出的信号传递给激光模式锁定控制器14，调节激光模式锁定控制器14中模糊分数阶控制器输出两路控制信号，一路慢速微调压电陶瓷作动器A15上安装的凹面反射镜A17的位置变化，一路快速微调压电陶瓷作动器B16上安装的凹面反射镜B18的位置变化，使得激光陀螺谐振腔13腔长匹配激光器5的波长满足谐振条件，即满足式3所示的谐振条件，此时正向激光和背向散射激光都为TEM00模式(高斯光束)，信噪比达到最高，便于测量到准确两路激光信号幅值。

[0056] 激光模式锁定控制器14根据式(3)对谐振腔锁模：

[0057]

[0058] 式中，L是谐振腔光学腔长，λ是激光波长，n是任意正整数。

[0059] 本发明激光陀螺谐振腔背向散射测量系统及方法实现了对激光陀螺谐振腔综合背向散射的准确测量，该激光陀螺背向散射测量系统测量精度高，操作简单，为激光陀螺谐振腔的装配提供指导数据，在后期激光陀螺的调腔和筛选中有重要意义。

[0060] 本发明方法采用激光模式锁定控制器对激光陀螺进行模式锁定控制，通过激光模式锁定控制器将其模式锁定在TEM00模上，TEM00模信号特征如图3所示，TEM00高斯光束行波输出与光束前进方向的垂直平面上的强度呈高斯型分布，可实现输出相对均匀，强度中心沿直线传播，传播方向好，发散角度小。

[0061] 本发明所述光路将背向散射光与正向光严格分离，分别使用不同光电探测器测量，通过研究背向散射光对激光陀螺的影响机理，选择使用背向光与正向光的比值(即综合背向散射系数)来评价背向散射水平，具有相对一致性，并且严格符合其物理定义。再者通过锁定到TEM00模时测量背向光与正向光强度来计算背向散射系数，具有较高信噪比。同时，测量时的激光模式与激光陀螺实际工作时的状态一致，更符合实际工况条件，调腔或产品筛选时更具有参考意义。

[0062] 在上述描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受上面公开的具体实施例的限制。

[0063] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。