51, 051405(2014)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2014《中国激光》杂志社
051405-1
抖动激光陀螺谐振腔的热特性研究
兰佩锋 刘元正 王继良 徐宏财
西安飞行自动控制研究所, 陕西 西安 710065
摘要 激光陀螺高低温条件下所产生的热应力、形变对其全温性能有重要影响。传统激光陀螺腔体设计重点关注谐振
腔的光学特性,力学和热学特性研究较少。传统谐振腔结构设计主要采用经验公式与试验方法,设计迭代次数较多,设
计效率低。利用有限元分析方法对抖动激光陀螺谐振腔的主要结构参数与热特性的关系进行研究,得到了谐振腔温度
场的分布,以及谐振腔主要结构参数与谐振腔热应力、热形变之间的关系曲线,为抖动激光陀螺的谐振腔优化设计提供
了重要方法和指导性依据。该研究对提高抖动激光陀螺设计效率、缩短设计周期、降低成本有着重要意义。
关键词 光学器件;激光陀螺;有限元分析;谐振腔;热特性;结构设计
中图分类号 TN249 文献标识码 A doi: 10.3788/LOP51.051405
Research on Thermal Performance for Resonator of Mechanically
Dithered Ring Laser Gyroscopes
Lan Peifeng Liu Yuanzheng Wang Jiliang Xu Hongcai
Flight Automatic Control Research Institute, Xi′an, Shaanxi 710065, China
Abstract Thermal deformation and stress have an important influence on performance of ring laser gyroscopes
(RLG) in high- low temperature. The traditional design methods of RLG are focus on optical performance of
resonator more than mechanical and thermal performance. Generally, the traditional structural design of
resonator is dependent on experienced equation and experiment, which result in more iterative design and lower
efficiency. Relationship between thermal performance and structural parameters is studied by finite element
(FE) method in resonator of mechanically dithered ring laser gyroscopes, the temperature field of resonator and
relationship between thermal performance and structural parameters are obtained, which provide the resonator
of mechanically dithered ring laser gyroscopes with significant and directive method. It has significance to
improve efficiency, shorten hour and reduce cost.
Key words optical devices; laser gyroscope; finite element analysis; resonator; thermal performance; structural
design
OCIS codes 140.1340; 140.3370; 140.3425
1 引 言
激光陀螺是利用激 光 原 理 与 Sagnac 效应 制 成 的 一 种 感 测 角 速度的传感器
[1]
。它具有结构简单 、体 积
小、重量轻、精度高、稳定性好、启动快、动态范围大、寿命长和数字输出等诸多优点,是捷联惯导系统的理想
器件。目前激光陀螺已成功运用于航空、航天、航海以及地面定位与定向等多个领域
[2]
。
作为捷联惯性系统的核心器件,激光陀螺的精度除了受到制造工艺、自身内部参数影响外
[3-4]
,还受到环
境条件和工作条件的影响
[5-7]
。环境温度的剧烈变化直接影响激光陀螺的精度,从而影响惯导系统的工作精
度和可靠性。同时,激光陀螺自身的温度变化对陀螺带来的影响制约着陀螺性能的进一步提高。
温度对激光陀螺的影响主要表现在温度、温度梯度与温度速率三个方面。激光陀螺内部温度的波动和
周 围 环 境 温 度 的变化 都 会 带 来 误 差 。 材料 的 热 胀 冷 缩 会 使激光 陀 螺 谐 振 腔 变 形,引 起 光 路 、损 耗等 的 变
化。从而将最终影响激光陀螺的零偏稳定性与重复性等性能。
收稿日期:2013-11-23; 收到修改稿日期: 2013-12-30; 网络出版日期: 2014-03-28
基金项目:总装预研基金(51309010202)
作者简介: 兰佩锋(1982—),男,硕士,工程师,主要从事激光陀螺设计方面的研究。E-mail: lanpeifeng_553@163.com