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

26372. ПРИНЦИПЫ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 227 KB
  Количество уровней их названия содержание и назначение могут отличаться в различных сетях но для всех сетей каждый уровень должен предоставлять определённый сервис для более высокого верхнего уровня скрывая реализацию своей задачи. № уровня Наименование Содержание 7 Уровень приложений Предоставление услуг на уровне конечного пользователя: почта теледоступ и прочее 6 Уровень представления данных Интерпретация и сжатие данных 5 Уровень сессии сеансовый Идентификация и проверка полномочий 4 Транспортный уровень Обеспечение корректной...
26373. Математические модели 74 KB
  Математические модели появились вместе с математикой много веков назад. Огромный толчок развитию математического моделирования придало появление ЭВМ. Применение вычислительных машин позволило проанализировать и применить на практике многие математические модели которые раньше не поддавались аналитическому исследованию.
26374. Ме́тод Мо́нте-Ка́рло 42.5 KB
  При проведении анализа по методу МонтеКарло компьютер использует процедуру генерации псевдослучайных чисел для имитации данных из изучаемой генеральной совокупности. В математической литературе часто используется термины последовательность случайных чисел или просто случайные числа . Если использовать точные термины то можно говорить только о случайной последовательности чисел или о случайном значении параметров. Однако в литературе широко используется термины случайные числа и последовательность случайных чисел и это означает что каждое...
26376. Вероятностные модели 47.5 KB
  Моделирование случайных процессов мощнейшее направление в современном математическом моделировании. При компьютерном математическом моделировании случайных процессов нельзя обойтись без наборов так называемых случайных чисел удовлетворяющих заданному закону распределения. Если он помог в чемто мы говорим повезло если оказался не в нашу пользу то сокрушаемся не судьба Многие ученые занимались изучением закономерностей случайных событий. Смоделируем ситуации которые в теории вероятности получили название случайных блужданий.
26377. Понятие модели, моделирования 94 KB
  Вначале понятие модель относилось только к материальным объектам как например манекен модель человеческой фигуры чучело модель животного модели автомобилей самолетов и т. Чертежи рисунки карты это тоже модели но они соответствуют более высокой степени абстрагирования от оригинала поэтому их модельные свойства были осознаны намного позже. В настоящее время понятие модели расширилось оно включает и реальные и так называемые идеальные модели например математические модели.
26378. Виды моделирования 37 KB
  Например можно выделить следующие виды моделирования: Информационное моделирование Компьютерное моделирование Математическое моделирование Математикокартографическое моделирование Молекулярное моделирование Цифровое моделирование Логическое моделирование Педагогическое моделирование Психологическое моделирование Статистическое моделирование Структурное моделирование Физическое моделирование Экономикоматематическое моделирование Имитационное моделирование Эволюционное моделирование ИНФОРМАЦИОННОЕ В своей деятельности человек...
26379. Классификация моделей 73 KB
  Модель называется статической если среди параметров участвующих в ее описании нет временного параметра. Статическая модель в каждый момент времени дает лишь фотографию системы ее срез. Закон Ньютона F=am это статическая модель движущейся с ускорением a материальной точки массой m. Эта модель не учитывает изменение ускорения от одной точки к другой.