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

21 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

23749. Делимость суммы и разности 49 KB
  Если одно из двух чисел делится на некоторое число а другое не делится на это число то их сумма и разность не делятся на это число Формулировка свойства С 2 вывешивается на доску. 5620 не делится на 8 так как число 56 делится на 8 а число 20 не делится на 8 записываю во второй столбик; 160 – 16 80 делится на 8 так как каждое из чисел делится на 8 записываю в первый столбик; 3200 – 72 ´ 9 делится на 8 так как число 3200 делится на 8 и произведение 72 и 9 тоже делится на 8 записываю в первый столбик. – Как определила что...
23750. Делители и кратные 59 KB
  Основные цели: – формировать способность нового понятия на примере введения понятий делителя числа НОД чисел; – формировать способность построения нового алгоритма на примере нахождения делителей чисел общих делителей НОД; – тренировать способность нахождения парных делителей общих делителей разными способами НОД разными способами. 1 № 385 аб – Чем является числа 60 16 и т. – Какая разница между числами являющимися делителями в первой группе примеров и во второй Возникает затруднение при ответе на поставленный вопрос. – Как...
23751. Рефлексия 56 KB
  первое число делится на 29. каждое число делится на 5: первое оканчивается 5 а второе оканчивается 0. сумма цифр делится на 3 12 значит и всё число делится на 3. оно чётное и сумма цифр делится на 9 27.
23753. Задачи для самопроверки (подготовка к контрольной работе) 61 KB
  3 Вычислительные ошибки. – Назовите номера заданий в которых вы допустили ошибки. – Какие ошибки допущены Разговор проводится по каждому заданию в котором допущена ошибка. Учитель последовательно выясняет у кого из детей на какой алгоритм были допущены ошибки и эти алгоритмы проговариваются во внешней речи.
23754. Набольший общий делитель 34.5 KB
  Основные цели: вывести алгоритм нахождения НОД чисел на основе их разложения на простые множители сформировать способность к использованию выведенного алгоритма для решения задач; повторить и закрепить решение неравенств задач на одновременное движение действия со смешанными числами. – Что даёт нам умение раскладывать числа на простые множители Ещё один метод нахождения делителей числа. – А что зная делители числа мы находили Общие делители НОД. – Как называются все числа кратные 2 Четные числа.
23755. Набольший общий делитель 35.5 KB
  Основные цели: тренировать способность к практическому использованию алгоритма нахождения НОД на основе разложения чисел на простые множители; исследовать частные случаи нахождения НОД когда НОД а b = 1 НОД а b = а; сформировать понятие взаимно простых чисел; повторить и закрепить понятие смежных углов решение задач на одновременное движение примеров на порядок действий. – Здравствуйте ребята – Над какой темой мы с вами работали Нахождение НОД чисел методом разложения на простые множители. – Сегодня мы продолжим исследовать...
23756. Наибольший общий делитель 69.5 KB
  Основная цель: тренировать способность к нахождению НОД на основе разложения чисел на простые множители способность к рефлексии собственной деятельности; повторить и закрепить решение уравнений решение задач методом уравнений графическое изображение множеств с помощью диаграммы Венна. – Какой темой мы занимались на предыдущих уроках Нахождение НОД чисел методом разложения чисел на простые множители. – Чему равен НОД взаимно простых чисел НОД взаимно простых чисел равен 1. – Найдите: а НОД а b; б НОД b с; в НОД а с.
23757. Открытие нового знания 49.5 KB
  – Можно ли утверждать что числа a b и c кратны числу 14 a = b = c = Числа a и b кратны числу 14 т. в разложении этих чисел есть множители числа 14 а число с – нет т. в нём не содержится разложения числа 14. – Найдите частное от деления числа a на число 14 числа b на число 14.