75374

.КОЛЬЦЕВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГИРОСКОПЫ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Чтобы измерять малые угловые скорости, используют частотную подставку. С помощью виброподвеса 10 возбуждаются угловые колебания кольцевого лазера относительно корпуса ЛГ.

Русский

2015-01-12

3.27 MB

25 чел.

КОЛЬЦЕВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ГИРОСКОПЫ

Один из первых кольцевых лазеров с трехзеркальным резонатором

Современный трехзеркальный кольцевой лазер (фирма Honeywell)

Современный четырехзеркальный кольцевой лазер гироскопа ЛГ-1

1 – ситалловый моноблок, 2 – аноды, 3 – холодный катод, 4,а – плоские зеркала оптического резонатора, 4,б – сферические зеркала оптического резонатора, 5 – фотодиод, предназначенный для регистрации информационного сигнала, 6 – фотодиоды системы автоматического регулирования периметра, 7 – смесительная призма, 8 – пьезоэлектрические преобразователи, регулирующие положения сферических зеркал, 9 – позиции для размещения геттера, 10 – кольцо для крепления виброподвеса. Газовое наполнение – смесь изотопов 3He:20Ne:22Ne = 32:1:1 с общим давлением 750 Па, суммарный ток газовых разрядов в обоих плечах– 1,2 мА. Периметр резонатора – 28 см, масштабный коэффициент K  6,95·105

Схема кольцевого лазерного гироскопа

          6                                             1       3                            5               

                                                       8                                9                               8

1 – ситалловый моноблок; 2 – аноды; 3 – холодный катод; 4 – зеркала резонатора; 5 – фотодиод для регистрации информационного сигнала; 6 – фотодиоды системы регулирования периметра; 7 – смесительная призма; 8 – пьезоэлектрические преобразователи, регулирующие положения сферических зеркал; 9 – датчик угловой скорости; 10 – виброподвес, 11 –каналы, внутри которых возбуждается активная среда; 12 – диафрагма для селекции поперечных мод.

Кольцевой лазер генерирует два пучка, распространяющиеся навстречу друг другу вдоль периметра резонатора. Вращение гироскопа вокруг оси, перпендикулярной плоскости резонатора, изменяет разность фаз ψ встречных волн (фазу Саньяка); скорость изменения разности фаз определяется угловой скоростью вращения :

,                                   (1)

здесь λ = 0,6328 мкм – длина волны излучения лазера, L – периметр резонатора, S – площадь квадрата, ограниченного лазерными лучами; K – масштабный коэффициент.

Формирование квадратурных сигналов

                                              1                    2

                              

                                   х

Распределение интенсивности лазерного излучения в плоскости фотодиода 5:  

,                                     (2)

Оптические сигналы, поступающие на секции фотодиода 5:

                          (3)

Равномерное вращение ЛГ и явление захвата

Уравнение (1) справедливо, если угловая скорость вращения намного больше порога синхронизации встречных волн (порога захвата) L. Явление синхронизации (захват, lock-in) типично для слабо связанных автогенераторов, настроенных на близкие частоты. В данном случае связь вызвана рассеянием лазерного излучения элементами кольцевого резонатора в направлении встречного луча. Причина – шероховатости на поверхностях зеркал 4 и на ограничивающих пучок участках диафрагмы 12.  

Модель, учитывающая связь встречных волн в ЛГ:

.                                   (4)

Порог захвата L зависит от шероховатости поверхности зеркал. Лазерные гироскопы ЛГ-1 имеют порог захвата в диапазоне 0,02 – 0,15 о/с (техническое требование – не хуже 0,03 о/с). Такие значения L достигаются, когда в направлении встречного пучка рассеивается порядка 10-12 от мощности излучения, падающего на зеркало.

Медленное равномерное вращение, w < wL, решение - постоянная разность фаз ψ = const, при которой правая часть (4) - ноль.

Слабая связь встречных волн из-за обратного рассеяния лазерного излучения внутри кольцевого резонатора приводит к нечувствительности гироскопа к малым угловым скоростям.

Если гироскоп вращается с угловой скоростью = const > wL:

.                    (5)

В пределе >> L (5) - линейная функция времени. В этом случае для измерения угловой скорости достаточно зарегистрировать частоту колебаний фототоков, а для идентификации направления вращения – разность фаз колебаний.

Квадратурные сигналы ЛГ

Когда угловая скорость близка к порогу захвата, без знания величины L выделить информацию о вращении невозможно.

Лазерный гироскоп с вибрационной частотной подставкой

Чтобы измерять малые угловые скорости , используют частотную подставку. С помощью виброподвеса 10 возбуждаются угловые колебания кольцевого лазера относительно корпуса ЛГ.

Угловая скорость кольцевого лазера:

,                                             (6)

где h – угловая скорость вращения корпуса ЛГ, d и f – амплитуда и частота подставки, соответственно. Амплитуда угловых около 2 угловых минут.

Один из квадратурных сигналов ЛГ с вибрационной подставкой

Переход от квадратурных сигналов к подсчету угловых перемещений осуществляется так же, как и в лазерных интерферометрах: сигналы преобразуются в импульсы, соответствующие изменению фазы Саньяка на радиан.

После выделения механического движения из квадратурных сигналов частотную подставку необходимо вычесть. Для регистрации колебаний кольцевого лазера относительно корпуса ЛГ служит электромагнитный датчик угловой скорости 9.

Частотные характеристики лазерного гироскопа

1 – идеальная характеристика, 2 – характеристика ЛГ с вибрационной подставкой, 3 – статическая характеристика при отсутствии подставки

Граница нечувствительности к равномерному вращению лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой называется динамическим порогом захвата D. В случае  перемещения интерференционной картины отражают только колебания лазера и не реагируют на повороты корпуса. Связь динамического и статического порогов захвата:

.                                           (8)

Чтобы исключить систематическую погрешность, вызванную динамическим захватом, амплитуда колебаний ошумляется, а затем изменения фазы Саньяка усредняются во времени.

ЛАЗЕРНЫЕ ГИРОСКОПЫ

С МАГНИТООПТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ

Оптическая схема неплоского кольцевого резонатора

В кольцевых резонаторах с неплоским контуром частота продольной моды зависит от поляризации волны. Моды таких резонаторов представляют собой волны, поляризованные по кругу. Существует разность частот для мод, поляризованных по правому и левому кругу. Разность частот зависит от угла излома контура резонатора .

Расщепление частот продольных мод неплоского кольцевого резонатора в зависимости от направления круговой поляризации волны: Л – по левому кругу, П – по правому кругу

Расщепление частотной зависимости коэффициента усиления

активной среды лазера в продольном магнитном поле (эффект Зеемана)

1 – магнитное поле отсутствует, 2 – в магнитном поле для волны CCW, 3 – в магнитном поле для волны CW, 0 – частота лазерной генерации при отсутствии магнитного поля, CCW , CW - частоты встречных волн при наложении магнитного поля;

Разность частот встречных волн, возникающая при наложении на активную среду магнитного поля, играет роль частотной подставки в ЛГ.

Для достижения погрешности измерения угловой скорости вращения 1о/час, необходимо стабилизировать частоту подставки с точностью 0,3 Гц (10-6), что на практике достигнуто быть не может.

МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ПОДСТАВКА НА ОСНОВЕ

ЗНАКОПЕРЕМЕННОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ

Если использовать переменное магнитное поле, Л и П контура частотной зависимости коэффициента усиления активной среды будут периодически меняться местами. Частота модуляции fb = 200 – 1000 Гц.  Знак частотной подставки периодически изменяется; высокая стабильность подставки должна обеспечиваться лишь на периоде колебаний.

Частотная характеристика зеемановского ЛГ

со знакопеременной подставкой

Недостаток: высокая чувствительность к внешнему магнитному полю (например, к магнитному полю Земли)

Характеристики современных гироскопических датчиков 

(Estimation of Research & Technology Organization under NATO)

ppm – part per million (10-6)

текущее состояние

ближайший прогноз


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23509. ОБ ОСНОВНЫХ ТИПАХ ФРАЗЕОЛОГИЧЕСКИХ ЕДИНИЦ В РУССКОМ ЯЗЫКЕ 159 KB
  Шахматов в своем Синтаксисе русского языка настойчиво подчеркивал чрезвычайную важность вопроса о неразложимых сочетаниях слов не только для лексикологии resp. Под разложением словосочетания писал А. Между тем подобное разложение для некоторых словосочетаний оказывается невозможным. В неразложимых словосочетаниях связь компонентов может быть объяснена с исторической точки зрения но она непонятна немотивирована с точки зрения живой системы современных грамматических отношений.
23510. СТИЛЬ ПИКОВОЙ ДАМЫ 430.5 KB
  ВИНОГРАДОВ СТИЛЬ ПИКОВОЙ ДАМЫ€œ Пушкинский стиль пушкинская манера лирического выражения и повествования почти не описаны и не исследованы. Современнее и резче всего пушкинская манера повествования обозначилась в структуре Пиковой Дамы€œ. Сюжет Пиковой Дамы€œ и профессиональноигрецкие анекдоты В Пиковой Даме€œ семантическое многообразие доведено до предела. Игра в фараон в Пиковой Даме€œ не столько тема авторского повествования сколько тема разговора между персонажами.
23511. Смысл: семь дихотомических признаков 93.5 KB
  Новиков Смысл: семь дихотомических признаков Смысл относится к тем загадочным явлениям которые считаются как бы общеизвестными поскольку постоянно фигурируют как в научном так и обыденном общении. Иногда допускается что смысл принадлежит к тем наиболее общим категориям которые не подлежат определению и должны восприниматься как некоторая данность. В настоящее время в связи с необходимостью решения целого ряда актуальных задач как теоретического так и прикладного характера где понятие смысла играет ключевое значение требуются...
23512. Словообразование как наука 197 KB
  В этом аспекте словообразование рассматривается как одно из важнейших средств пополнения словарного состава языка. Новые слова в языке образуются по определенным правилам моделям схемам – по определенным образцам которые образуют определенный языковой механизм который и называется словообразованием. В языке различают непроизводные слова ех: лес река море стол идти веселый синий – примарные первообразные и производные слова – образованные на базе существующих слов ех: морской речник развеселый лесной. Производные слова...
23513. Русское слово в свете структурно-семантического описания (словообразовательный и морфемный анализ) 240.5 KB
  Роженцова Словообразовательный и морфемный анализ как способ исследования структурносемантических особенностей производного слова Одним из важнейших результатов изучения курса морфемики и словообразования современного русского языка является умение дать словообразовательный и морфемный анализ любого слова. Это умение опирается на теоретические представления о том по каким законам строятся слова в языке как функционируют морфемы как организуется значение производного слова и т. При освоении каждого этапа рекомендуется опираясь на данные...
23514. Морфемика. Морфонология. Словообразование 254 KB
  Оглавление Объяснительная записка 4 Словоизменительные аффиксы и принципы их вычленения 6 Формообразовательные аффиксы и принципы их вычленения 12 Словообразовательные аффиксы и принципы их вычленения 21 Корень как главная морфема в структуре слова 32 Полный морфемный анализ 35 Разбор по составу 38 Библиографический список 39 Объяснительная записка Морфемика – это лингвистическая дисциплина изучающая систему морфем языка типы морфем их строение сочетаемость и морфемную структуру слова. Одним из важнейших результатов изучения курса...
23515. ФОНЕТИКА, ГРАФИКА, ОРФОГРАФИЯ 777.5 KB
  Таким образом своей основной задачей мы считали системное изложение фактов русского языка в соответствии с современными представлениями об устройстве фонетического компонента языка2. Этим обусловлено включение некоторых разделов ранее отсутствовавших в учебниках таких как Перцептивный аспект фонетических описаний Артикуляционная база русского языка Разговорная речь а также существенное расширение сведений из области речепроизводства и речевой акустики при изложении основ перцептивной фонетики мы основывались на тех сведениях...
23516. Лингвотекстологическое исследование Пролога за сентябрьское полугодие по спискам XII – начала XV в. 1.73 MB
  Слова hapax legomena редкие и не учтенные в исторических словарях. Переработка Синаксаря в пространной редакции Пролога. Славянские памяти в Прологе краткой и пространной редакций. Соотношение редакций Пролога204 3.
23517. ЦЕРКОВНОСЛАВЯНСКИЙ ЯЗЫК: КАРТИНА МИРА 74.5 KB
  Устои же эти хранятся передаются и развиваются на высшем духовном уровне народного языка на том уровне где народ осмысляет бесконечность мироздания сущность человеческой природы разумность и сверхразумную премудрость мироустройства. Для русского языка таким высшим духовным уровнем является священный старославянский или если рассматривать его в постепенном историческом развитии церковнославянский язык. В пору создания этого языка славяне были еще единым народом. Чтобы вполне использовать созидательную силу этих понятий нужно всемерно...