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

26 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

25348. ФУНКЦИИ НАДПОЧЕЧНИКОВ 34 KB
  Кортикоиды являются жизненно необходимыми для организма гормонами их отсутствие приводит к смерти. все Процессы восприятия переработки информации и управления поведением организма. Нарушение секреции альдостерона может привести к гибели организма. Они угнетают синтез белков в печени и мышцах создают отрицательный азотистый баланс увеличивают выход свободных аминокислот их переаминирование и стимулируют образование из них ферментов необходимых для новообразования глюкозы вызывая при этом мобилизацию жиров из жировой ткани...
25349. ФУНКЦИИ ПОЛОВЫХ ЖЕЛЕЗ 26 KB
  Как в мужском так и в женском организме выра6атываются и мужские половые гормоны андрогены и женские клрогены которые отличаются по их количеству. Эстрогены обладают анаболическим действием в организме но в меньшей степени чем андрогены. Кроме гормонов эстрогенов в женском организме вырабатывается гормон прогестерон.
25350. УТОМЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРИ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЕ 35.5 KB
  В то же время повторное утомление не доводимое до чрезмерного является средством повышения функциональных возможностей организма. Различают также острое и хроническое общее и локальное скрытое компенсируемое и явное некомпенсируемое утомление. Острое утомление наступает при относительно кратковременной работе если ее интенсивность не соответствует уровне физической подготовленности субъекта.
25351. Состав и функции крови 41 KB
  Существует два понятия: периферическая кровь состоящая из плазмы и находящихся в ней во взвешенном состоянии форменных элементов и система крови куда относят периферическую кровь органы кроветворения и кроверазрушения костный мозг печень селезенка и лимфатические узлы. Кровь является своеобразной формой ткани и характеризуется рядом особенностей: жидкая среда организма находится в постоянном движении составные части крови имеют разное происхождение образуются и разрушаются в основном вне ее. Плазма крови лишенная фибриногена...
25352. Иммуно-биологические свойства крови 34 KB
  03 а удельный вес крови 1. У человека осмотическое давление крови составляет около 770 кПа 7. Клетки крови имеют осмотическое давление одинаковое с плазмой.
25353. Регуляция системы крови 44.5 KB
  В организме существует два основных механизма регуляции системы крови нервный и гуморальный. Высшим подкорковым центром осуществляющим нервную регуляцию системы крови является гипоталамус. Кора головного мозга оказывает влияние на систему крови также через гипоталамус.
25354. Регуляция работы сердца 41.5 KB
  Закон сердечного ритма чем больше приток крови тем больше сила и частота сердечных сокращений. Хеморецепторы возбуждаются в результате сдвигов химического состава плазмы крови при увеличении в ней рСО2 или снижения рО2. Гуморальная регуляция деятельности сердца осуществляется путем воздействия на него химических веществ находящихся в крови. 0051 ДВИЖЕНИЕ КРОВИ ПО СОСУДАМ ГЕМОДИНАМИКА Движение крови по сосудам обусловлено градиентом давления в артериях и венах.
25355. Регуляция движения крови в сосудах 83.5 KB
  Если же перерезать мозг между продолговатым и спинным максимальное давление крови в сонной артерии понижается с нормальных 100 120 до 60 70 мм рт. Спинномозговые центры способны через некоторое время после выключения сосудосуживающего центра продолговатого мозга немного повысить давление крови снизившееся вследствие расширения артерий и артериол. При введении через канюлю в изолированный каротидный синус крови под давлением можно наблюдать падение артериального давления в сосудах тела.
25356. Регуляция движения крови по сосудам 24.5 KB
  Нервы регулирующие тонус сосудов называются сосудодвигательным и состоят из двух частей сосудосуживающих и сосудорасширяющих Симпатические нервные волокна выходящие в составе передних корешков спинного мозга оказывают суживающее действие на сосуды кожи органов брюшной полости почек легких и мозговых оболочек но расширяют сосуды сердца. Сосудорасширяющие влияния оказываются парасимпатическими волокнами которые выходят из спинного мозга в составе задних корешков. Кроме того существуют высшие сосудодвигательные центры расположенные в...