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

2018-04-04

3.27 MB

30 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

18521. Современные программы схемотехнического проектирования ИС 47.5 KB
  Лекция 1 Целью данного курса является знакомство с методами и алгоритмами на основе которых разработаны современные программы схемотехнического проектирования ИС а также поддержка определенного уровня знаний языков программирования. Процесс проектирования ИС мо
18522. Методы формирования математической модели схемы 301.5 KB
  Лекция 2 Методы формирования математической модели схемы Математическая модель далее будет использоваться сокращение ММ это совокупность объектов в виде чисел векторов и связей между ними которая отражает существенные с точки зрения проектировщика свойства
18523. Алгоритмы решения математической модели БИС по постоянному току 301.5 KB
  Лекция 3 Алгоритмы решения математической модели БИС по постоянному току Существует несколько способов решения задачи анализа по постоянному току: Первый способ заключается в решении систем уравнений вида: F x = 0
18524. Методы решения ММ БИС во временной области. (динамический анализ) 122.5 KB
  Лекция 4 Методы решения ММ БИС во временной области. динамический анализ Задача Коши Пусть t = ft 1 при условии xa=x0 при . Основное предположение относит...
18525. Анализ многошаговой формулы интегрирования Метод простых итераций. Метод ускоренных итераций Итерации Ньютона-Рафсона 108.5 KB
  Лекция 5 Анализ многошаговой формулы интегрирования Метод простых итераций. Метод ускоренных итераций Итерации НьютонаРафсона. Обратные итерации При неявных методах интегрирования ОДУ возникают нелинейные алгебраические уравнения. Возвратимся к общему виду лине...
18526. Анализ чувствительности 146 KB
  Лекция 6 Анализ чувствительности. Задача расчёта коэффициентов чувствительности выходных параметров схемы логических уровней статической помехозащищённости времени задержки сигнала и т.д. к изменению её входных параметров т.е. параметров компонентов сопротив...
18527. Оптимизация. Классификация методов оптимизации 329 KB
  Лекция 7 Оптимизация Сформулируем задачу оптимизации как задачу поиска экстремума целевой функции ФР. Классификация методов оптимизации 1. По числу параметров: одномерная оптимизация; многомерная оптимизация. 2. По использованию производных:
18528. Способы хранения разреженных матриц 79.5 KB
  Способы хранения разреженных матриц Разреженные матрицы целесообразно хранить таким образом чтобы обеспечить экономию памяти и числа операций необходимы для преобразования матрицы в процессе решения линейной системы а также простоту доступа к любому элементу ма
18529. Меры погрешности решения 359 KB
  Меры погрешности решения Пусть x вычисленное решение СЛАУ Ax=b. Существуют две общеупотребительные меры погрешности в х: вектор ошибки е = х х 1 и невязка r = b Ax = Ax x = Ae