CN117470209B - 一种激光陀螺的热平衡控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光陀螺的热平衡控制方法及装置，属于惯性导航领域技术领域。本发明通过多个温度传感器和多个加热器和制冷器，对激光陀螺进行主动热平衡控制，从而降低了谐振腔内的温度梯度，提高了激光陀螺的输出精度。根据多个温度传感器测量的温度数据预测激光陀螺的腔内温度，根据腔内温度控制加热器和制冷器的功率，从而达到主动控制激光陀螺达到热平衡时间的目的。通过上述方法加快激光陀螺达到热平衡，使激光陀螺的零偏稳定，不需要进行软件补偿，提高了激光陀螺的使用方便性。

Description

一种激光陀螺的热平衡控制方法及装置

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种激光陀螺的热平衡控制方法及装置。

背景技术

激光陀螺在工作时，在阴极和阳极之间施加高压，使得腔体内的氦氖气体产生辉光放电，激发增益介质形成粒子束，从而产生激光输出。辉光放电时会在阴极和阳极之间形成辉光放电区。辉光放电时存在大电流和高电压，会有一部分能量转换成热能，造成辉光放电区温度高于谐振腔其它部位的温度。辉光放电区温度升高会对激光陀螺的性能产生不利的影响。一方面，辉光放电区温度高于其它部位温度会加剧谐振腔内部工作气体的热对流效应，从而给环形激光器的输出信号带来零偏误差。另一方面，辉光放电区在谐振腔内产生的局部热源，延缓谐振腔的热平衡，带来较强的热弛豫效应，从而在激光陀螺引起趋势项误差。中国专利申请CN200910062919.2公开了一种激光陀螺温度补偿控制装置及用途，该装置通过在激光陀螺腔体上放置温度传感器和温控器件，自适应温度控制电路根据温度传感器反馈的实际温度和设定温度之差控制半导体温控器，进而改变激光陀螺腔体内的温度。控温最终目的应当是在无外部热源的情况下，激光陀螺温度趋于平衡。激光陀螺各点温度状况复杂，该专利申请没有解决如何保证控温过程的激光陀螺稳定工作。有必要提出一种有效加快热平衡的方法，避免各点温度差异导致测量误差增大。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种激光陀螺的热平衡控制方法及装置。本发明的激光陀螺的热平衡控制方法通过温度传感器测量激光陀螺腔体外的温度，进而确定加热器和制冷器的功率，加快激光陀螺的热平衡，同时根据温度的弛豫效应，提前调整加热器和制冷器的工作状态，避免加热或制冷操作反向拉大温差。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种激光陀螺的热平衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1：激光陀螺具有激光激发组件和光路组件，激光激发组件具有阴极和两组阳极，在激光陀螺的应力孔安装温度传感器，光路组件具有谐振腔，将所述谐振腔划分为多个网格单元；

步骤2：引燃变压器向阴极提供测试电压，测试电压在阴极与两个阳极之间分别生成第一激光和第二激光，激光陀螺进入热失衡状态；

步骤3：若激光陀螺的最大温差小于等于基准平衡阈值，激光陀螺进入热平衡状态，温度传感器采集第一温度数据，根据第一温度数据生成平衡温度矩阵；

步骤4：所述阳极将谐振腔的网格单元分割为激发区和折射区，在激发区设置制冷器，在折射区设置加热器；

步骤5：引燃变压器向阴极提供激励电压，激励电压在阴极与两组阳极之间分别生成第一激光和第二激光，激光陀螺进入热失衡状态；

步骤6：在每一采样周期，温度传感器采集第二温度数据，根据平衡温度矩阵和第二温度数据确定加热器的第一工作参数，再根据第一工作参数和平衡温度矩阵确定制冷器的第二工作参数；

步骤7：基于第一工作参数、第二工作参数和激励电压生成弛豫温差，根据弛豫温差生成修正平衡阈值，重新采集多个第二温度数据，若激光陀螺的最大温差小于等于修正平衡阈值，则进入步骤8，否则返回至步骤5；

步骤8：激光陀螺进入热平衡状态，关闭加热器和制冷器。

在本发明中，在步骤1中，在相邻的四组网格单元设置至少一个应力孔，根据应力孔所在的网格单元给温度传感器赋予身份标识。

在本发明中，在步骤3中，平衡温度矩阵，T_ij为第i行第j列网格单元的热平衡温度，I和J分别表示网格单元的总行数和总列数。

在本发明中，在步骤4中，所述加热器由多组加热片组成，在至少一个网格单元内安装加热片，所述制冷器由多组制冷片组成，在至少一个网格单元内安装制冷片。

在本发明中，在步骤5中，第一激光经谐振腔、第一球面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，第二激光经谐振腔、第二球面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，信号分析器测量第一激光与第二激光的光强信号，根据光强信号调整激励电压。

在本发明中，在步骤6中，所述第一工作参数由每一加热片的加热功率组成，所述第一工作参数P={P₁, P₂,…,P_m}，m为加热片的个数，第m个加热片的加热功率P_m=ΔT₁×ΔT₂/(T_me_m)×K₁×P₀，ΔT₁和ΔT₂分别为基于第二温度数据和平衡温度矩阵确定的第一温差和第二温差，T_m为第m个加热片所在网格单元的热平衡温度，e_m为第m个加热片所在网格单元的第二温度数据，K₁为加热器的增益系数，P₀为加热器的额定功率。

在本发明中，在步骤6中，所述第二工作参数由每一制冷片的制冷功率组成，所述第二工作参数Q={Q₁, Q₂,…,Q_n}，n为制冷片的个数，第n个制冷片的制冷功率。ΔT₃为基于第二温度数据和平衡温度矩阵确定的第三温差，f_n为第n个制冷片所在网格单元的第二温度数据，K₂为制冷器的增益系数，Q₀为制冷器的额定功率，P_s为第s个加热片的加热功率。

在本发明中，在步骤7中，弛豫温差，Q_z为第z个制冷片的制冷功率，U为激励电压，I为激励电流，Δt为采样周期，C为激光陀螺的比热容，M为激光陀螺的质量。

在本发明中，在步骤7中，修正平衡阈值Y=X+ε，ε为基准平衡阈值。

一种根据所述激光陀螺的热平衡控制方法的热平衡控制装置，包括：激光激发组件、激光采集组件、光路组件、温度传感器、制冷器、加热器以及控制器，

激光激发组件用于生成第一激光和第二激光；

激光采集组件包含合光棱镜、信号分析器，信号分析器用于测量第一激光与第二激光的光强信号；

光路组件包含谐振腔，第一激光和第二激光经过谐振腔到达合光棱镜；

温度传感器用于采集激光陀螺的第一温度数据和第二温度数据；

加热器用于加热激光陀螺的至少一个网格单元；

制冷器用于冷却激光陀螺的至少一个网格单元；

所述控制器用于根据第一温度数据和第二温度数据控制加热器和制冷器的开启和关闭。

实施本发明的这种激光陀螺的热平衡控制方法及装置，具有以下有益效果：本发明通过多个温度传感器、加热器和制冷器，对激光陀螺进行主动热平衡控制，从而降低了谐振腔内的温度梯度，提高了激光陀螺的输出精度。根据多个温度传感器测量的温度数据预测激光陀螺的腔内温度，根据腔内温度控制加热器和制冷器的功率，从而主动控制激光陀螺，缩短达到热平衡的时间。同时根据温度的弛豫效应，提前调整加热器和制冷器的工作状态，避免温差进一步拉大。通过上述方法加快激光陀螺达到热平衡，使激光陀螺的零偏稳定，不需要进行软件补偿，提高了激光陀螺的使用方便性。

附图说明

图1为激光陀螺的辉光放电示意图；

图2为本发明激光陀螺的结构图；

图3为本发明激光陀螺的热平衡控制方法的流程图；

图4为本发明激光陀螺网格化的示意图；

图5为本发明激光陀螺安装温度传感器的示意图；

图6为本发明激光陀螺的各坐标点最大温差变化曲线图；

图7为本发明激光陀螺的其中一个坐标点的温度变化曲线图；

图8为本发明的制冷器的安装示意图；

图9为本发明的加热器的安装示意图；

图10为本发明的制冷片的结构图；

图11为本发明激光陀螺的热平衡控制装置的***框图。

附图中各附图标记：101应力孔、102稳频通道、103第一真空通道、104阳极、105气体通道、106阴极、107第二真空通道、108辉光放电区、201网格单元、202制冷片开关、203制冷片、204半导体、205吸热铜片、206加热片开关。

具体实施方式

为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。

激光陀螺是发热器件，本身达到热平衡需几个小时，再加上环境温度等条件的变化，温度场更加复杂难以平衡，温度场的变化引起气流场的变化，导致激光陀螺阴阳两级放电电流不平衡，加剧了朗缪尔流效应，产生零偏的温度漂移。如图1所示，激光粗线部分为辉光放电区108，阴阳两级因电压放热，导致辉光放电区108温度剧烈升高。如图2所示，激光陀螺包括：多个应力孔101、稳频通道102、第一真空通道103、两组阳极104、气体通道105、阴极106、第二真空通道107，辉光放电区108由部分第一真空通道103、部分第二真空通道107和气体通道105组成。为了保持零偏稳定，本发明通过加热器和制冷器加快激光陀螺达到热平衡。

实施例一

如图3至图10所示本发明的一种激光陀螺的热平衡控制方法，包括以下步骤。

步骤1：激光陀螺具有激光激发组件和光路组件，激光激发组件具有阴极和两组阳极，在激光陀螺的应力孔安装温度传感器，光路组件具有谐振腔，将所述谐振腔划分为多个网格单元。在相邻的四组网格单元设置至少一个应力孔，根据应力孔所在的网格单元给温度传感器赋予身份标识。温度传感器所在的网格单元的位置即身份标识。如图4所示，本实施例中，将所述谐振腔划分为 7行7列，总共49个网格单元201。如图5所示，多个温度传感器用于测量不同部位处的温度，分布在腔体表面不同的应力孔101内，温度传感器总共安装了12个，身份标识为：(i,j)，i表示网格单元的行数，j表示网格单元的列数。

步骤2：引燃变压器向阴极提供测试电压，测试电压在阴极与两个阳极之间分别生成第一激光和第二激光，激光陀螺进入热失衡状态。热失衡状态表明激光陀螺谐振腔内各部位温度相差较大，即温度传感器的数据相差较大。激光陀螺启动并开始工作后，阴极与两个阳极之间因测试电压会产生大量热量，导致温度迅速升高，进入热失衡状态。

步骤3：若激光陀螺的最大温差小于等于基准平衡阈值，激光陀螺进入热平衡状态，温度传感器采集第一温度数据，根据第一温度数据生成平衡温度矩阵。在本实施例中，温度传感器有12个，则第一温度数据H₁={t₁,t₂,…,t_d}，d=12，激光陀螺的最大温差△T_max=F_max-F_min，F_max为温度传感器中的最大值，F_min为温度传感器中的最小值，设置基准平衡阈值ε=2℃。当最大温差小于等于基准平衡阈值，激光陀螺进入热平衡状态。如图6所示，激光陀螺的各坐标点的最大温差随时间的增大先升高再降低，当达到热平衡点时，激光陀螺的最大温差△T_max保持不变且不等于0。

如图7所示，激光陀螺的其中一个坐标点的温度随时间的增大而增大，当达到热平衡点时，温度稳定，此时的温度即为热平衡温度。平衡温度矩阵，T_ij为第i行第j列网格单元的热平衡温度，i和j分别为网格单元的行数和列数，I和J分别表示网格单元的总行数和总列数。在本实施例中，温度传感器的身份标识为一维数组，温度平衡矩阵为二维矩阵。为了换算方便可以将温度传感器按照所在位置转化为二维矩阵。例如温度平衡矩阵为7×7矩阵，I=7，J=7。温度传感器有12组，温度传感器对应于温度平衡矩阵的所在位置依次为：{(1,2),(1,6),(2,1),(2,4),(2,7),(4,2),(4,6),(6,1),(6,4),(6,7),(7,2),(7,6)}，相应的第一温度数据H₁={t₁,t₂,…,t₁₂}，则温度平衡矩阵中T₁₂=t₁,T₁₆=t₂,…,T₇₆=t₁₂。温度平衡矩阵中无法直接通过温度传感器测量的网格单元通过与其距离最近的一个或者多个网格单元的热平衡温度计算，例如T₄₄=(T₂₄+T₄₂+T₆₄+T₄₆)/4，其余网格单元依此类推，最终填满7×7的温度平衡矩阵。

步骤4：所述阳极将谐振腔的网格单元分割为激发区和折射区，在激发区设置制冷器，在折射区设置加热器。所述激发区为辉光放电区，辉光放电区发热导致激光陀螺温度升高，因此在激发区放置制冷器，相应地在激光陀螺的折射区放置加热器。所述加热器由多组加热片组成，在至少一个网格单元内安装加热片，所述制冷器由多组制冷片组成，在至少一个网格单元内安装制冷片。如图8所示，激发区的制冷器有13组制冷片203，13组制冷片203所在网格单元201为{(4,1),(4,7),(5,1),(5,7),(6,1),(6,7), (7,1),(7,2),(7,3),(7,4),(7,5),(7,6),(7,7)}，每个制冷片203通过制冷片开关202分别进行控制，功率各不同。如图9所示，折射区的加热器有11组加热片，11组加热片所在网格单元为{(1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(1,5),(1,6),(1,7),(2,1),(2,7),(3,1),(3,7)}，每个加热片通过加热片开关206分别进行控制，功率不同。如图10所示，制冷片203一面与对应的网格单元201相贴，另一面与半导体204相连接，半导体204与吸热铜片205相连接。当有直流电流流入半导体204时，半导体204的两面就会一面吸热另一面发热。利用这个原理，半导体204与吸热铜片205相连接的那一面发热，与制冷片203相贴的那一面吸热，达到制冷片的制冷效果。

步骤5：引燃变压器向阴极提供激励电压，激励电压在阴极与两组阳极之间分别生成第一激光和第二激光，激光陀螺进入热失衡状态。在本实施例中第一激光经谐振腔、第一球面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，第二激光经谐振腔、第二球面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，信号分析器测量第一激光与第二激光的光强信号，可以根据光强信号调整激励电压。

步骤6：在每一采样周期，温度传感器采集第二温度数据，根据平衡温度矩阵和第二温度数据确定加热器的第一工作参数，再根据第一工作参数和平衡温度矩阵确定制冷器的第二工作参数。所述第一工作参数由每一加热片的加热功率组成。第二工作参数由每一制冷片的制冷功率组成。通过加热功率和制冷功率可以控制热平衡的速度，加热功率和制冷功率的优选调整方法可以参照实施例二所述。

步骤7：基于第一工作参数、第二工作参数和激励电压生成弛豫温差，根据弛豫温差生成修正平衡阈值，重新采集多个第二温度数据，若激光陀螺的最大温差小于等于修正平衡阈值，则进入步骤8，否则返回至步骤5。弛豫温差，P_s为第s个加热片的加热功率，Q_z为第z个制冷片的制冷功率，ΔT₁和ΔT₂分别为基于第二温度数据和平衡温度矩阵确定的第一温差和第二温差，U为激励电压，I为激励电流，Δt为采样周期，C为激光陀螺的比热容，M为激光陀螺的质量。修正平衡阈值Y=X+ε，ε为基准平衡阈值。激光陀螺的最大温差△T_max=F_max-F_min，F_max为温度传感器中的最大值，F_min为温度传感器中的最小值。

步骤8：激光陀螺进入热平衡状态，关闭加热器和制冷器。因温度的弛豫现象，到达下一采样周期前，加热器和制冷器可能超额工作，导致温差反向增大，引起温度场震荡。因此需要调整确定热平衡状态的阈值，即根据加热器和制冷器的工作状态调整修正平衡阈值。若激光陀螺的最大温差小于等于修正平衡阈值，提前关闭加热器和制冷器。

实施例二

本实施例进一步公开了计算第一工作参数和第二工作参数的方法。

所述第二温度数据H₂={c₁,c₂,…,c_d}，所述第一工作参数P={P₁, P₂,…,P_m}，m为加热片的个数，第m个加热片的加热功率P_m=ΔT₁×ΔT₂/(T_me_m)×K₁×P₀，ΔT₁和ΔT₂分别为基于第二温度数据和平衡温度矩阵确定的第一温差和第二温差，T_m为第m个加热片所在网格单元的热平衡温度，e_m为第m个加热片所在网格单元的第二温度数据，K₁为加热器的增益系数，P₀为加热器的额定功率。若第m个加热片所在的网格单元没有温度传感器，则选取与第m个加热片距离最近的一个或者多个网格单元的第二温度数据的平均值，具体参照温度平衡矩阵中无法直接通过温度传感器测量的网格单元的热平衡温度计算方法。ΔT₁=T_m-e_m，ΔT₂=c_max-e_m，c_max为第二温度数据中的最大值。

所述第二工作参数Q={Q₁, Q₂,…,Q_n}，n为制冷片的个数，第n个制冷片的制冷功率。ΔT₃为基于第二温度数据和平衡温度矩阵确定的第三温差，f_n为第n个制冷片所在网格单元的第二温度数据，K₂为制冷器的增益系数，Q₀为制冷器的额定功率，P_s为第s个加热片的加热功率。若第n个制冷片所在网格单元没有温度传感器，则选取与第n个制冷片距离最近的一个或者多个网格单元的第二温度数据的平均值，具体参照温度平衡矩阵中无法直接通过温度传感器测量的网格单元的热平衡温度计算方法。ΔT₃=f_n-R_n，其中，R_n为第n个制冷片所在网格单元的热平衡温度。

实施例三

如图11所示，本实施例公开了根据所述激光陀螺的热平衡控制方法的热平衡控制装置，包括：激光激发组件、激光采集组件、光路组件、温度传感器、制冷器、加热器、控制器。所述激光激发组件、激光采集组件、温度传感器分别与控制器连接，控制器分别与加热器与制冷器连接。激光激发组件用于生成第一激光和第二激光，激光激发组件包含阴极、两组阳极、引燃变压器，引燃变压器用于向阴极提供激励电压。激光采集组件包含合光棱镜、信号分析器，信号分析器用于测量第一激光与第二激光的光强信号。光路组件包含谐振腔，第一激光和第二激光经过谐振腔到达合光棱镜。温度传感器用于采集激光陀的第一温度数据和第二温度数据。加热器用于加热激光陀螺的至少一个网格单元。制冷器用于冷却激光陀螺的至少一个网格单元。所述控制器用于根据第一温度数据和第二温度数据控制加热器和制冷器的开启和关闭。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光陀螺的热平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：激光陀螺具有激光激发组件和光路组件，激光激发组件具有阴极和两组阳极，在激光陀螺的应力孔安装温度传感器，光路组件具有谐振腔，将所述谐振腔划分为多个网格单元；

步骤2：引燃变压器向阴极提供测试电压，测试电压在阴极与两个阳极之间分别生成第一激光和第二激光，激光陀螺进入热失衡状态；

步骤3：若激光陀螺的最大温差小于等于基准平衡阈值，激光陀螺进入热平衡状态，温度传感器采集第一温度数据，根据第一温度数据生成平衡温度矩阵；

步骤4：所述阳极将谐振腔的网格单元分割为激发区和折射区，在激发区设置制冷器，在折射区设置加热器；

步骤5：引燃变压器向阴极提供激励电压，激励电压在阴极与两组阳极之间分别生成第一激光和第二激光，激光陀螺进入热失衡状态；

步骤6：在每一采样周期，温度传感器采集第二温度数据，根据平衡温度矩阵和第二温度数据确定加热器的第一工作参数，再根据第一工作参数和平衡温度矩阵确定制冷器的第二工作参数；

步骤7：基于第一工作参数、第二工作参数和激励电压生成弛豫温差，根据弛豫温差生成修正平衡阈值，重新采集多个第二温度数据，若激光陀螺的最大温差小于等于修正平衡阈值，则进入步骤8，否则返回至步骤5；

步骤8：激光陀螺进入热平衡状态，关闭加热器和制冷器，其中，

在步骤3中，平衡温度矩阵，T_ij为第i行第j列网格单元的热平衡温度，I和J分别表示网格单元的总行数和总列数，

在步骤4中，所述加热器由多组加热片组成，在至少一个网格单元内安装加热片，所述制冷器由多组制冷片组成，在至少一个网格单元内安装制冷片，

在步骤6中，所述第一工作参数由每一加热片的加热功率组成，所述第一工作参数P={P₁, P₂,…,P_m}，m为加热片的个数，第m个加热片的加热功率P_m=ΔT₁×ΔT₂/(T_me_m)×K₁×P₀，ΔT₁和ΔT₂分别为基于第二温度数据和平衡温度矩阵确定的第一温差和第二温差，T_m为第m个加热片所在网格单元的热平衡温度，e_m为第m个加热片所在网格单元的第二温度数据，K₁为加热器的增益系数，P₀为加热器的额定功率，

所述第二工作参数由每一制冷片的制冷功率组成，所述第二工作参数Q={Q₁, Q₂,…,Q_n}，n为制冷片的个数，第n个制冷片的制冷功率，ΔT₃为基于第二温度数据和平衡温度矩阵确定的第三温差，f_n为第n个制冷片所在网格单元的第二温度数据，K₂为制冷器的增益系数，Q₀为制冷器的额定功率，P_s为第s个加热片的加热功率，

在步骤7中，弛豫温差，Q_z为第z个制冷片的制冷功率，U为激励电压，I为激励电流，Δt为采样周期，C为激光陀螺的比热容，M为激光陀螺的质量。

2.根据权利要求1所述的激光陀螺的热平衡控制方法，其特征在于，在步骤1中，在相邻的四组网格单元设置至少一个应力孔，根据应力孔所在的网格单元给温度传感器赋予身份标识。

3.根据权利要求1所述的激光陀螺的热平衡控制方法，其特征在于，在步骤5中，第一激光经谐振腔、第一球面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，第二激光经谐振腔、第二球面反射镜、第二平面反射镜到达合光棱镜，信号分析器测量第一激光与第二激光的光强信号，根据光强信号调整激励电压。

4.根据权利要求1所述的激光陀螺的热平衡控制方法，其特征在于，在步骤7中，修正平衡阈值Y=X+ε，ε为基准平衡阈值。

5.一种根据权利要求1所述的激光陀螺的热平衡控制方法的热平衡控制装置，其特征在于，包括：激光激发组件、激光采集组件、光路组件、温度传感器、制冷器、加热器以及控制器，

激光激发组件用于生成第一激光和第二激光；

激光采集组件包含合光棱镜、信号分析器，信号分析器用于测量第一激光与第二激光的光强信号；

光路组件包含谐振腔，第一激光和第二激光经过谐振腔到达合光棱镜；

温度传感器用于采集激光陀螺的第一温度数据和第二温度数据；

加热器用于加热激光陀螺的至少一个网格单元；

制冷器用于冷却激光陀螺的至少一个网格单元；

所述控制器用于根据第一温度数据和第二温度数据控制加热器和制冷器的开启和关闭。