《IEEE Photonics Journal》：Technical Study on Dual-Mirror Cooperative Frequency-Stabilized Induced Backscatter Angle Control for Locking Zones
编辑推荐：
为解决激光陀螺背向散射诱导锁入效应导致性能下降的问题，本文开展了双镜协同稳频方法的研究。研究人员结合光束传输矩阵与矢量理论，通过MATLAB仿真分析，提出一种新颖的协同稳频控制策略。该方法能有效消除相邻纵模间锁入区大小的周期性变化，将锁入阈值降低约38%，使陀螺精度提升约53.8%，为高精度激光陀螺的稳频控制提供了新途径。
在追求高精度导航与姿态控制的领域，激光陀螺扮演着“方向感”核心的角色。然而，其内部存在一个顽固的“幽灵”——背向散射诱导的锁入效应。当陀螺在低转速下运行时，相向传播的两束激光会发生耦合，导致输出信号“卡死”在零值附近，形成一个无法感知转动的“盲区”，即锁入区。这个盲区的存在，严重限制了激光陀螺在低动态环境下的测量精度，成为制约其性能提升的主要误差源。传统的解决办法，如双镜同步稳频，虽然在一定程度上能够抑制锁入效应，但其锁入区的阈值大小会随着工作点的不同而呈现周期性波动。更棘手的是，当激光器发生模式跳变时，系统性能会急剧恶化，这对于追求极致稳定性的高精度应用场景而言，无疑是致命的缺陷。为了“驯服”这个幽灵，缩小甚至稳定控制这个盲区，研究人员将目光投向了锁入效应的核心物理参数——背向散射角，并展开了一项旨在实现锁入阈值最小化调控的创新研究。
研究人员主要运用了理论建模与仿真分析、以及基于扫模的初步稳频点获取与双镜协同控制这几项关键技术方法。他们首先结合光束传输矩阵理论和矢量理论，构建了分析模型，并使用MATLAB对不同稳频工作点下的锁入区阈值变化进行了仿真。在实验控制上，他们先通过扫模获得一个初步的稳频工作点，然后让一面稳频镜专门负责诱导调控，使顺时针与逆时针背向散射角的矢量和趋近于π，而另一面稳频镜则执行频率稳定的任务，从而实现双镜的协同工作。
研究结果
1. 锁入区阈值仿真分析
通过结合光束传输矩阵理论与矢量理论的模型，利用MATLAB仿真揭示了传统双镜同步稳频下，相邻纵模间锁入区大小存在周期性变化。这一定量分析为理解锁入效应不稳定的根源提供了直观依据，并指明了通过调控背向散射角来干预锁入阈值的潜在方向。
2. 双镜协同稳频方法提出
基于仿真揭示的问题，研究提出了一种新颖的双镜协同稳频方法。该方法的核心创新在于将背向散射角的主动调控与频率稳定任务分离，并由两面反射镜协同完成：一面稳频镜（诱导镜）专门用于控制两束光的背向散射角，使其矢量和逼近π；另一面稳频镜则专注于维持激光器的频率稳定。这种分工协同的策略，旨在实现对锁入阈值的主动、最小化控制。
3. 锁入区周期性变化消除
实验结果表明，所提出的双镜协同稳频方法能够有效消除传统方法中观测到的、相邻纵模之间锁入区大小的周期性变化。这证明该协同控制策略成功打破了锁入阈值与稳频工作点之间的固有周期性关联，显著提升了系统的稳定性。
4. 锁入阈值降低与精度提升
性能对比实验显示，与传统的双镜同步稳频方法相比，新提出的协同稳频方法将激光陀螺的锁入阈值降低了约38%。相应地，陀螺的测量精度获得了约53.8%的提升。这一数据强有力地证实了该方法在抑制锁入效应、提升陀螺核心性能方面的有效性。
研究结论与讨论
本研究通过理论分析与实验验证，成功提出并证实了一种基于双镜协同工作的新型频率稳定方法。该方法的核心贡献在于，通过将背向散射角的诱导调控与激光频率稳定任务解耦并协同进行，实现了对激光陀螺锁入阈值的主动最小化控制。实验结果明确显示，该方法不仅有效消除了锁入区在相邻纵模间的周期性波动，更将锁入阈值显著降低了38%，从而带动陀螺整体精度提升超过50%。
这项研究的重要意义在于，它为解决长期困扰高精度激光陀螺的锁入效应问题提供了一条全新的技术路径。不同于以往主要围绕抑制散射本身或改进同步控制策略的思路，本研究直接从锁入效应的关键物理参量——背向散射角入手，通过创新的协同控制架构实现了对锁入区的“精准施治”。这不仅为开发更高性能的激光陀螺产品奠定了坚实的技术基础，其“解耦-协同”的控制思想也可能为其他涉及复杂耦合误差抑制的光学精密测量系统提供有益的借鉴。该研究成果已发表于《IEEE Photonics Journal》，标志着激光陀螺稳频控制领域的一项重要进展。
