Четырехчастотный лазерный гироскоп зеемановского типа на базе кольцевого гелий-неонового лазера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Миликов Эмиль Анвярович

• Миликов Эмиль Анвярович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Миликов Эмиль Анвярович

Введение

Глава 1. Четырехчастотный режим работы лазерного гироскопа

1. 1 Расчет и анализ точностных характеристик лазерного гироскопа в двухчастотном и четырехчастотном режимах работы

1.2 Теоретическая модель работы четырехчастотного лазерного гироскопа с вычитанием влияния магнитного поля на измерения

1.3 Выводы

Глава 2. Проектированиче оптического резонатора четырехчастотного лазерного гироскопа

2.1 Анализ влияния геометрии резонатора на модовый состав излучения лазерного гироскопа

2.2 Расчет частотного спектра симметричного непланарного оптического резонатора в форме правильного тетраэдра

2.3 Моделирование ситаллового моноблока корпуса непланарного симметричного оптического резонатора, исследования параметров газового разряда макета резонатора

2.4 Выводы

Глава 3. Разработка системы вывода и детектирования излучения

3.1 Разработка интерференционного диэлектрического многослойного выходного зеркала четырехчастотного лазерного гироскопа

3.2 Расчет влияния оптических схем смесителя на поляризационные характеристики излучения для определения уровня полезного сигнала

3.3 Разработка схем оптического смесителя излучения с применением призм из оптически активных материалов

3.4 Метод математической обработки сигналов с оптического смесителя излучения с учетом различия магнитной чувствительности волн ортогональных эллиптических поляризаций

3.5 Выводы

Глава 4. Применение четырехчастотного лазерного гироскопа в составе БИНС

4.1 Размещение четырехчастотных лазерных гироскопов в БИНС, обеспечивающее фиксацию ориентации осей чувствительности четырехчастотных лазерных гироскопов

4.2 Разработка метода оптимизации ориентации осей чувствительности четырехчастотных лазерных гироскопов в составе БИНС

4.3 Концепт БИНС на четырехчастотных лазерных гироскопах для

авиационного применения

4.3 Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А. Оптический смеситель излучения с применением призм из

оптически активных материалов

Приложение Б. Оптический смеситель излучения четырехчастотного лазерного

гироскопа зеемановского типа

Приложение В. Блок лазерных гироскопов

Приложение Г. Четырехчастотный лазерный гироскоп зеемановского типа

ВВЕДЕНИЕ

Лазерный гироскоп является основой большинства современных высокоточных навигационных систем. За более чем пятидесятилетнюю историю прибор получил множество доработок, которые позволили довести точностные характеристики до сотой доли градуса в час и менее. Однако к сегодняшнему дню запас существенных улучшений себя практически исчерпал. Для дальнейшего развития лазерного гироскопа перспективным является переход в многочастотные режимы генерации, в частности наиболее доступный вариант - четырехчастотный.

Для современного лазерного гироскопа характерными являются составляющие ошибки измерений: тепловая, токовая, магнитная. Если с первыми двумя удалось справиться использованием математического моделирования, то магнитная составляющая вносит существенный вклад в ошибку измерений прибора.

Четырехчастотные лазерные гироскопы (ЧЧЛГ) позволяют теоретически полностью компенсировать влияние магнитного поля на измерения благодаря противоположному влиянию магнитных полей на пары мод левой и правой круговых поляризаций (ЛКП и ПКП) внутри лазерного гироскопа.

Таким образом, для разработки высокоточных навигационных систем, которые будут и впредь удовлетворять повышающимся требованиям к точностным характеристикам, является необходимым переход на ЧЧЛГ.

Работа нацелена на изучение ЧЧЛГ и подготовку теоретической и экспериментальной базы для дальнейшей разработки и доведения то навигационных точностей ЧЧЛГ.

Актуальность темы диссертации

Требования к точности автономной навигации в авиации регулярно повышаются. На данный момент для удовлетворения требованиям существует ограниченный ряд высокоточных гироскопов, каждый из которых обладает только отдельными из требуемых характеристик по точности, массогабаритным

параметрам, механической прочности и стойкости к ударам и большим ускорениям.

В России были созданы и получили широкое распространение два класса лазерных гироскопов: с механической частотной подставкой и с магнитооптической частотной подставкой. В обоих случаях частотная подставка служит для внесения в сигнал дополнительного кажущегося вращения, целью которого является выведение характеристики из зоны захвата - области нечувствительности лазерного гироскопа.

Лазерные гироскопы с механической частотной подставкой оказываются нестойкими к ударам и ускорениям, не обладают необходимой механической прочностью ввиду наличия подвижных элементов конструкции.

Лазерные гироскопы с магнитооптической частотной подставкой (на эффекте Зеемана - зеемановские лазерные гироскопы) хорошо выдерживают удары и ускорения, однако работают на излучении круговой поляризации (в отличие от, как правило, линейной поляризации излучения в лазерных гироскопах с механической частотной подставкой) и, как следствие, оказываются чувствительны к магнитным полям, что снижает точностные характеристики.

В сложившихся условиях является актуальнейшей задачей создание нового поколения лазерного гироскопа, стойкого к ударам и ускорениям и нечувствительного к магнитным полям - ЧЧЛГ.

Сопутствующие отдельные задачи также представляют интерес с точки зрения применения результатов в лазерной гироскопии: электроника для поджига и поддержания газового разряда в лазерном гироскопе, система регулирования периметра, экранирование, минимизация токовой составляющей ошибки измерений, разработка оптического смесителя излучения и т.д.

ЧЧЛГ находится в серийном производстве в США. Отечественные экспериментальные приборы создавались, но не дошли до массового производства ввиду сложности конструкции и недостаточного качества существовавших на момент разработки технологий.

Степень проработанности

ЧЧЛГ впервые создан в США (Litton Industries Inc.). Для разноса частот встречных волн использован кварцевый оптический ротатор излучения. Расщепление каждой из встречных волн на две волны с различными частотами производится магнитооптическим элементом, действующим на эффекте Фарадея, что требует высокого уровня технологии изготовления и просветления входных и выходных граней, чем повышает стоимость прибора и ограничивает возможности по его изготовлению.

В Российской Федерации производство четырехчастотных лазерных гироскопов не налажено. Были разработаны экспериментальные образцы (АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»), но доведены до серийного производства не были ввиду сложности конструкции и недостаточного уровня технологии изготовления. Разработчики сконцентрировались на исследованиях и производстве так называемых квазичетырехчастотных лазерных гироскопов, в которых по две моды левой и правой круговых поляризаций генерируются поочередно. Такой вариант работы лазерного гироскопа позволяет частично компенсировать мало меняющиеся во времени магнитные поля. Однако при эксплуатации в условиях быстро меняющихся магнитных полей данный режим работы неэффективен.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью работы является создание экспериментального образца высокоточного малогабаритного четырехчастотного лазерного гироскопа, обладающего малой магнитной чувствительностью, а также высокой механической прочностью и устойчивостью к ударам и разъюстировке. Благодаря одновременной работе на модах левой и правой круговых поляризаций возможна компенсация магнитной составляющей ошибки измерений, что позволит приблизить точность прибора к теоретическому максимуму, определяемому квантовыми эффектами, - порядка 0,003-0,005 град./час (для прибора с периметром оптического контура около 28см).

Для достижения поставленной цели необходимо выполнения ряда задач.

1. Расчет, моделирование и экспериментальное определение характеристик непланарного оптического резонатора.

2. Анализ модового состава излучения, расчет частотного спектра, моделирование моноблока симметричного непланарного оптического резонатора.

3. Расчет многослойного диэлектрического отражающего покрытия выходного интерференционного зеркала.

4. Разработка оптического смесителя излучения для получения сигнала вращения для пар мод левой и мод правой круговых поляризаций.

5. Метод математической обработки сигналов с оптического смесителя излучения с учетом различия магнитной чувствительности волн ортогональных эллиптических поляризаций.

6. Метод оптимизации размещения четырехчастотных лазерных гироскопов в составе навигационной системы.

Научная новизна

Изучение параметров лазерного гироскопа, работающего с чувствительностью на уровне квантовых шумов, является новой малоизученной задачей на сегодняшний день и представляет интерес с точки зрения фундаментальной науки. Квантовые шумы связаны со спонтанными переходами в активной среде, и их изучение могло бы в перспективе дать новую информацию о процессах, происходящих в кольцевых лазерах в двунаправленном режиме генерации на новом по чувствительности уровне. Лазерных гироскопов такого уровня точности на данный момент в Российской Федерации нет. Способом достижения точности лазерного гироскопа на уровне квантовых шумов является рассматриваемый переход на четырехчастотный режим генерации лазерного гироскопа и устранение целого ряда шумов обусловленных различными физическими факторами. Сама по себе четырехчастотная генерация не подразумевает обязательного использования зеемановской частотной подставки,

но именно предложенное намеренное наложение периодически изменяющегося магнитного поля позволяет в ходе математической обработки сигнала скомпенсировать влияние и внешних, и внутренних магнитных полей на сигнал ЧЧЛГ, несмотря на различия в магнитной чувствительности излучения разных частот. Зеемановский ЧЧЛГ, таким образом, обладает большим точностным потенциалом и в перспективе малочувствителен к магнитным полям, что позволит приблизить его уровень шумов к квантовому пределу. Разработка ЧЧЛГ также внесет вклад в исследование непланарных лазерных резонаторов и газового разряда (с точки зрения генерации и поддержания излучения четырех различных частот), магнитооптики (на примере зеемановской частотной подставки), лазерной интерферометрии и материаловедения (разработка зеркал с низким уровнем шероховатости поверхности и необходимыми коэффициентами пропускания и анизотропией).

В данной диссертационной работе впервые получены результаты:

- Впервые разработана схема оптического смесителя излучения четырехчастотного лазерного гироскопа, разводящая на разные фотоприемники лучи ортогональных круговых поляризаций в результате воздействия оптически активных материалов.

- Впервые разработана схема оптического смесителя излучения четырехчастотного лазерного гироскопа, обеспечивающая детектирование сигналов биений не только встречных волн, но и сонаправленных волн ортогональных круговых поляризаций, что позволило уменьшить магнитную чувствительность четырехчастотного лазерного гироскопа.

- Впервые разработан четырехчастотный лазерный гироскоп, в котором сигналы вращения получены с учетом различной магнитной чувствительности волн ортогональных круговых поляризаций.

- Предложена схема размещения четырехчастотных лазерных гироскопов в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы, в которой ориентация осей чувствительности лазерных гироскопов

зафиксирована контактом граней ситалловых моноблоков корпусов

лазерных гироскопов.

Теоретическая и практическая значимость

В ходе выполнения работы закладывается база для создания и применения ЧЧЛГ, выстраиваются теоретические основы принципов его функционирования, а также разрабатываются составные части и необходимые для их создания технологии. Проектируемый прибор станет первым отечественным ЧЧЛГ, нацеленным на использование в авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. Компенсированная чувствительность к магнитным полям позволит использовать данный лазерный гироскоп в условиях Крайнего Севера, а отсутствие механических подвижных частей расширит круг применения навигационных систем на основе ЧЧЛГ до эксплуатации в высокоманевренной летательной технике.

Методология и методы исследования

Так как основным режимом работы лазерных гироскопов является двухчастотный, то в качестве основы для разработки принят на сегодняшний момент хорошо изученный двухчастотный лазерный гироскоп. Двухчастотные лазерные гироскопы прошли множество модернизаций и улучшений, по этой причине сохранена максимальная преемственность при переходе к четырехчастотному режиму работы лазерного гироскопа. Четырехчастотный лазерный гироскоп рассматривается как совокупность двух двухчастотных лазерных гироскопов, один из которых работает на излучении левой круговой поляризации, другой - на излучении правой круговой поляризации.

Аналитическим методом и методом компьютерного моделирования проводился анализ элементов двухчастотного лазерного гироскопа на возможность применения в четырехчастотном режиме работы. Внедрение новых разработок проводилось при необходимости замещения непригодных для четырехчастотного режима работы элементов двухчастотного лазерного гироскопа. Новые элементы: корпус резонатора, диск электродов, укороченные

электроды, сверхгладкие подложки с шероховатостью RMS < 1А и напыление зеркал, призма оптического смесителя, катушки зеемановской магнитооптической подставки, крепление лазерного гироскопа - были получены аналитическим способом, затем подвергнуты моделированию и оптимизации машинным методом.

Исследование проведено преимущественно теоретически, определен план экспериментов после изготовления первой серии четырехчастотных лазерных гироскопов, нацеленный на проверку теоретических выкладок.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения:

1. применение оптически активных материалов в оптическом смесителе излучения позволяет распределить лучи ортогональных эллиптических поляризаций на независимые фотоприемные устройства;

2. непланарный симметричный оптический резонатор в форме правильного тетраэдра обеспечивает возможность работы лазерного гироскопа в четырехчастотном режиме на трех различных составах частот, переключение лазерного гироскопа между которыми реализует восьмичастотный режим работы, увеличивающий точность лазерного гироскопа;

3. одновременное детектирование как сигналов биений волн ортогональных эллиптических поляризаций, так и пар волн, распространяющихся в контуре резонатора в одном направлении, позволяет увеличить точность измерений четырехчастотного лазерного гироскопа учетом разной магнитной чувствительности волн ортогональных эллиптических поляризаций;

4. применение четырехчастотного лазерного гироскопа в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы увеличивает эффективность применения магнитооптической частотной подставки, благодаря воздействию катушек магнитооптической частотной подставки одного гироскопа на активные каналы других лазерных гироскопов, при

этом сохраняя минимальную чувствительность лазерного гироскопа к внешним магнитным полям;

5. применение нечувствительного к внешним магнитным полям четырехчастотного лазерного гироскопа в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы позволяет свободно ориентировать оси чувствительности лазерных гироскопов и выполнить оптимизацию на случай высокодинамичных объектов.

Степень достоверности и апробация результатов

Проведено экспериментальное сравнение точностных характеристик двухчастотного лазерного гироскопа с лазерным гироскопом, работающим в четырехчастотном режиме. Получено подтверждение повышения точностных характеристик.

Также экспериментальной проверке подверглись характеристики газового разряда в корпусе четырехчатотного лазерного гироскопа. Результаты подтверждают, что выбранная конфигурация корпуса резонатора позволила решить ранее существовавшую на двухчастотных лазерных гироскопах проблему несимметричного поджига газового разряда.

Результаты диссертационной работы применены в экспериментальном образце четырехчастотного лазерного гироскопа, проверена возможность компоновки четырехчастотным лазерным гироскопом концепта БИНС для авиационного применения.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях:

1. 58-ая Всероссийская научная конференция МФТИ,

2. 59-ая Всероссийская научная конференция МФТИ,

3. 60-ая Всероссийская научная конференция МФТИ,

4. VIII Международная конференция по фотонике и информационной оптике, НИЯУ МИФИ,

5. 5-ая Международная научно-практическая конференция «Перспективные

направления развития бортового оборудования гражданских воздушных судов», ФГУП «ГосНИИАС»,

6. 62-ая Всероссийская научная конференция МФТИ,

7. IX Международная конференция по фотонике и информационной оптике, НИЯУ МИФИ,

8. 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). Institute of Electrical and Electronics Engineers,

9. XXII конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» с международным участием, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»,

10. 19th International Conference Laser Optics,

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в научных изданиях, входящих в базу данных Scopus:

1. Borodulin D.E., Broslavets Y.Y., Larionov P.V., Milikov E.A., Semenov V.G., Tarasenko A.B., Uspensky V.B., Fomichev A.A. Highly dynamic object's four frequency laser gyros based SINS measuring system optimization // 2020 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2020, Electronic ISBN: 978-5-91995-068-4, Print on Demand (PoD) ISBN: 978-1-7281-8798-3, DOI: 10.23919/ICINS43215

2. Larionov P.V., Milikov E.A., Tarasenko A.B., Uspensky V.B., Fomichev A.A. Modification results of the integrated INS/GNSS system NSI2000-MTG // 2020 27th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2020, Electronic ISBN: 978-5-91995-068-4, Print on Demand (PoD) ISBN: 978-1-7281-8798-3, DOI: 10.23919/ICINS43215

3. Milikov E.A., Broslavets Yu.Yu., Semenov V.G., Fomichev A.A. Four-frequency Zeeman laser gyro's counterpropagating waves signals processing methods // 19th International Conference Laser Optics (ICLO 2020).

Научная новизна решений, полученных в данной диссертации, защищена в 3 патентах на изобретения, 1 патенте на полезную модель, 1 заявке на выдачу патента на изобретение:

1. Брославец Ю.Ю., Миликов Э.А., Семенов В.Г., Фомичев А.А. Оптический смеситель излучения с применением призм из оптически активных материалов // Патент РФ №2676835, опубл. 11.01.2019 Бюл. №

2. Брославец Ю.Ю., Ларионов П.В., Миликов Э.А., Морозов А.Д., Семенов В.Г., Тарасенко А.Б., Фомичев А.А. Оптический смеситель излучения четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа // Патент РФ №2709428, опубл. 17.12.2019 Бюл. №35.

3. Брославец Ю.Ю., Ларионов П.В., Миликов Э.А., Морозов А.Д., Семенов В.Г., Тарасенко А.Б., Фомичев А.А. Четырехчастотный лазерный гироскоп зеемановского типа // Патент РФ №2731171 от 01.10.2019, опубл. 31.08.2020 Бюл. №25.

4. Брославец Ю.Ю., Ларионов П.В., Миликов Э.А., Морозов А.Д., Семенов В.Г., Тарасенко А.Б., Фомичев А.А. Блок лазерных гироскопов Патент РФ №192588, опубл. 27.09.2019 Бюл. №27.

5. Брославец Ю.Ю., Миликов Э.А., Полукеев Е.А., Семенов В.Г., Фомичев А.А. «Система подавления влияния магнитного поля на дрейф нуля в зеемановских четырехчастотных и квазичетырехчастотных лазерных гироскопах» // Заявка на выдачу патента на изобретение №2020131182 от

Материалы диссертации опубликованы также в 12 работах, 7 из которых в изданиях, индексируемых базой данных РИНЦ:

1. Миликов Э.А., Брославец Ю.Ю., Фомичев А.А. Влияние магнитного поля на дрейф зеемановского лазерного гироскопа // Труды 58-й Всероссийской научной конференции МФТИ.

2. Миликов Э.А., Брославец Ю.Ю., Фомичев А.А. Система формирования сигнала четырёхчастотного зеемановского лазерного гироскопа // Труды 59-й Всероссийской научной конференции МФТИ.

3. Семенов В.Г., Миликов Э.А., Брославец Ю.Ю., Фомичев А.А. Особенности оптического смесителя излучения кольцевого лазера с непланарным резонатором // Труды 60-й Всероссийской научной конференции МФТИ. Электроника, фотоника и молекулярная физика.- М.: МФТИ, 2017. - 290 с., с

4. Лапушкин А.Г., Миликов Э.А., Брославец Ю.Ю., Фомичев А.А. Вычислительные методы обработки сигнала четырехчастотного лазерного гироскопа // Труды 60-й Всероссийской научной конференции МФТИ. Электроника, фотоника и молекулярная физика.- М.: МФТИ, 2017. - 290 с., с

5. Семенов В.Г., Миликов Э.А., Морозов А.Д., Тарасенко А.Б. Влияние внутренних параметров зеемановского четырехчастотного лазерного гироскопа на характеристики газового разряда // VIII Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2019, ISBN 978-5-7262-2536-4 - 752 с., с

6. Миликов Э.А., Семенов В.Г., Фомичев А.А., Бородулин Д.Е. Четырехчастотный зеемановский лазерный гироскоп с неплоским симметричным контуром как основа для БИНС повышенной точности // Перспективные направления развития бортового оборудования гражданских воздушных судов. Материалы докладов 5-й Международной научно-практической конференции. 2019. С

7. Миликов Э.А., Семенов В.Г., Брославец Ю.Ю., Ларионов П.В., Морозов А.Д., Тарасенко А.Б., Филатов П.А. Взаимное влияние четырехчастотных лазерных гироскопов в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы // Труды 62-й Всероссийской научной конференции МФТИ. Электроника, фотоника и молекулярная физика.- М.: МФТИ, 2019. - 319 с., с

8. Миликов Э.А., Семенов В.Г., Брославец Ю.Ю., Фомичев А.А. Оптические схемы регистрации сигналов в четырехчастотном лазерном гироскопе // IX

Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2020, ISBN 978-5-7262-2648-4 - 704 c., с

9. Бородулин Д.Е., Брославец Ю.Ю., Ларионов П.В., Миликов Э.А., Семенов В.Г., Тарасенко А.Б., Успенский В.Б., Фомичев А.А. Оптимизация измерительной системы БИНС высокодинамичных объектов на базе четырехчастотных лазерных гироскопов // XXVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия,

10.Ларионов П.В., Миликов Э.А., Тарасенко А.Б., Успенский В.Б., Фомичев А.А. Результаты модификации интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы НСИ-2000МТС // XXVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия,

11.Брославец Ю.Ю., Миликов Э.А., Семенов В.Г., Филатов П.А. К вопросу разработки четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа // XXII конференция молодых ученых "Навигация и управление движением" (22 КМУ2020), Санкт-Петербург, Россия,

12.Семенов В.Г., Миликов Э.А., Брославец Ю.Ю. Оптический смеситель с компенсацией эллиптической поляризации для четырехчастотного лазерного гироскопа // XXII конференция молодых ученых "Навигация и управление движением" (22 КМУ2020), Санкт-Петербург, Россия,

Личный вклад автора

Основные результаты диссертации получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Проведены аналитические исследования, численные расчеты с анализом результатов, а также дана физическая интерпретация полученных данных.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. В конце диссертации приведены список сокращений и условных обозначений, а также список литературы. Общий объем диссертации составляет 143 стр.

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Фомичеву Алексею Алексеевичу за проявленные в совместной научной работе настойчивость, требовательность и отзывчивость.

Отдельную благодарность автор выражает научному консультанту доценту Брославцу Юрию Юрьевичу за проведение предварительных экспериментов, обсуждение научной работы и вынесение ценных советов и рекомендаций, которые стали частью результатов данной диссертации, а также Варенику Александру Ивановичу за обеспечение электронных схем обработки предварительных экспериментов.

За активное обсуждение и совместную работу над конструкцией четырехчастотного лазерного гироскопа автор благодарит главного конструктора АО «ЛАЗЕКС» Колчева Андрея Борисовича, а также конструктора Бородулина Дмитрия Евгеньевича.

За постановку задачи и помощь в разработке метода алгоритмической оптимизации ориентации осей чувствительности лазерных гироскопов в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы автор благодарит профессора Успенского Валерия Борисовича.

За совместную работу над созданием экспериментального образца четырехчастотного лазерного гироскопа автор выражает благодарность коллективу лаборатории лазерных навигационных систем МФТИ и сотрудникам АО «ЛАЗЕКС».

ГЛАВА 1. ЧЕТЫРЕХЧАСТОТНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЛАЗЕРНОГО

ГИРОСКОПА

1.1 Расчет и анализ точностных характеристик лазерного гироскопа в двухчастотном и четырехчастотном режимах работы

Преимущество четырехчастотного лазерного гироскопа перед двухчастотным лазерным гироскопом возможно проиллюстрировать, запустив четырехчастотный лазерный гироскоп в двухчастотном и четырехчастотном режимах, для чего использована установка, изображенная далее (Рисунок 1).

Источник питания ИПТ-3

Рисунок 1 - Схема установки для измерения угловой скорости лазерным

гироскопом

В качестве численного критерия сравнения выбрана вариация Аллана, рассчитываемая по формуле [1]:

18

1 М-1

(т М) = 2(М-1) § - *) ' (1)

где су - вариация Аллана,

т - интервал усреднения, М - количество усредненных значений, у - усредненное значение величины у.

Сопоставлены результаты расчета вариации Аллана для двухчастотного лазерного гироскопа (Рисунок 2) и для лазерного гироскопа в четырехчастотном режиме работы (Рисунок 3) [2]. Достигнуто уменьшение случайной шумовой составляющей сигнала лазерного гироскопа в 16 раз при переходе к четырехчастотному режиму работы. Также при переходе в четырехчастотный режим работы устранен пик в области интервала усреднения 10-100с, соответствующий влиянию магнитного поля на измерения лазерного гироскопа.

Square Root of Allan Variance

П 1 9 Я

10

1 <3>

Рисунок 2 - Вариация Аллана для лазерного гироскопа в двухчастотном режиме

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Четырехчастотный лазерный гироскоп зеемановского типа на базе кольцевого гелий-неонового лазера»

работы

Sauare Root of Allan Variance

I <э>

Рисунок 3 - Вариация Аллана для лазерного гироскопа в четырехчастотном

режиме работы

Случайные шумовые характеристики одного и того же лазерного гироскопа при переходе из двухчастотного режима работы в четырехчастотный режим повышаются до 16 раз при условии стационарности внешних магнитных полей.

1.2 Теоретическая модель работы четырехчастотного лазерного гироскопа с вычитанием влияния магнитного поля на измерения

В большинстве лазерных гироскопов имеет место одновременная генерация мод излучения двух частот - по одной частоте соответствует каждому из двух встречных лучей. Расщепление частоты генерации на две составляющие -следствие эффекта Саньяка и вызвано различием оптических путей встречных лучей в резонаторе. Разность частот при этом пропорциональна угловой скорости вращения вокруг оси чувствительности лазерного гироскопа.

Одной из основных проблем, с которой приходится бороться при разработке лазерных гироскопов - явление захвата частоты встречных волн [1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Суть явления заключается в следующем. Излучение, распространяющееся в одном из направлений внутри резонатора, рассеивается на каждом из зеркал, что неизбежно ввиду наличия шероховатостей на подложках. Часть излучения при этом рассеивается в обратном направлении и смешивается со встречным излучением. При небольших угловых скоростях вращения разность частот встречных волн также имеет небольшие значения. Вследствие обратного рассеяния излучения частоты встречных волн выравниваются. При этом прибор выдает нулевой сигнал вращения, хотя вращение с малой угловой скоростью всё же происходит.

Решением данной проблемы является искусственное внедрение дополнительного вращения. Например, лазерный гироскоп устанавливается на механический виброподвес [11, 12], который совершает крутильные колебания с постоянным периодом. При обработке сигнала внесённое таким образом вращение вычитается, а прибор оказывается выведен из зоны нечувствительности. Безусловным преимуществом механического виброподвеса является возможность работать с линейно поляризованным излучением, то есть излучением, не подверженным воздействию со стороны магнитного поля. Однако наличие механически подвижных частей делает систему нестойкой к ударам и перегрузкам, а также инертность вращающихся элементов приводит небольшим отклонениям от заданного периода вращательных колебаний, что рождает ошибку в измерении угловой скорости вращения.

Другой вариант преодоления захвата частот - размещение в контуре резонатора лазерного гироскопа магнитооптической частотной подставки на эффекте Зеемана [13, 14]. При наложении магнитного поля на активный канал лазерного гироскопа происходит расщепление линии генерации на две частоты. В случае наложения продольного магнитного поля - это две моды с противоположными направлениями вращения вектора напряженности электрического поля. Магнитооптическая частотная подставка не имеет

механически подвижных частей, как следствие, она не подвержена влиянию вибраций, ударов, перегрузок, а также имеет постоянный с высокой точностью период. Однако недостатком магнитооптической подставки является работа с излучением круговой поляризации, а такой тип излучения чувствителен к магнитным полям не только подставки, но и внешним. Это приводит к возникновению магнитной составляющей ошибки измерений.

Четырехчастотный лазерный гироскоп может перенять преимущества обоих типов частотных подставок, не наследуя их недостатки.

Далее использована следующая терминология для описания волн: ЛКП -волна левой круговой поляризации, ПКП - волна правой круговой поляризации, CW - волна, распространяющаяся в резонаторе по часовой стрелке, CCW - волна, распространяющаяся в резонаторе против часовой стрелки.

Для лазерных гироскопов с зеемановской магнитооптической частотной подставкой характерно периодическое переключение направления создаваемого магнитного поля. Под полупериодом работы зеемановской магнитооптической частотной подставки далее подразумевается время, в течение которого вектор напряженности создаваемого магнитного поля имеет постоянное направление и величину. В положительный и отрицательный полупериоды работы создаётся магнитное поле с противоположным направлением и одинаковой величиной вектора напряженности.

Используемые формульные обозначения: у0 - частота, соответствующая центру контура усиления в активной среде;

у1 - величина смещения частот, вызванная изломом контура резонатора (альтернативный вариант получения смещения -внесение в резонатор оптического ротатора); у2 - величина смещения частот генерируемых волн под воздействием магнитного поля зеемановской магнитооптической частотной подставки; рн - величина смещения частот генерируемых волн под

воздействием внешнего магнитного поля, где в - магнитная чувствительность, Н - напряженность продольной (направленной вдоль активного канала) компоненты внешнего магнитного поля;

кО - величина смещения частот генерируемых волн, вызванного вращением с угловой скоростью О вокруг оси чувствительности четырехчастотного лазерного гироскопа, где к - масштабный коэффициент четырехчастотного лазерного гироскопа;

Т - длительность периода работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

Nлкп - количество импульсов биений волн ЛКП на фотоприемниках за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

Ы+ПКП - количество импульсов биений волн ПКП на фотоприемниках за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

Ылкп - количество импульсов биений волн ЛКП на фотоприемниках за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

Мпкп - количество импульсов биений волн ПКП на фотоприемниках за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки.

Расщепление моды генерации кольцевого лазера на две частоты (Рисунок 4) может быть получено двумя способами. Первый - оптический ротатор излучения [15, 16, 17]. Для резонатора с плоским контуром, в котором генерируется линейно поляризованное излучение, оптический ротатор вносит фазовые задержки противоположных знаков в излучение, распространяющееся во встречных направлениях. Разные фазовые задержки равносильны разным оптическим путям и, как следствие, разным генерируемым частотам.

С другой стороны, расщепления на две частоты можно добиться изломом оптического контура резонатора, то есть применением непланарного резонатора

[18, 19, 20]. Собственными модами непланарного резонатора являются две моды круговой поляризации с противоположным направлением вращения вектора напряженности электрического поля, смещенные по частоте. Данному варианту отдано предпочтение в подготавливаемой разработке, так как, во-первых, нет необходимости размещать в резонаторе оптический ротатор - дополнительный элемент, на котором происходит поглощение и рассеяние излучения; во-вторых, обеспечивается круговая поляризация излучения, необходимая для дальнейшей реализации зеемановской магнитооптической частотной подставки.

Уо - М Уо У о + У1

\

Мода о левой круговой поляризацияей (/1КП) Мода о правой круговой поляризацияей (ПКП)

Рисунок 4 — Расщепление линии генерации на две частоты изломом оптического

контура резонатора

Расщепление моды генерации кольцевого лазера на четыре частоты (Рисунок 5) возможно осуществить также двумя способами. Во-первых, это внесение в контур резонатора ячейки Фарадея - магнитооптического элемента, который в результате эффекта Фарадея имеет разные показатели преломления для излучения левой и правой круговых поляризаций [15, 16, 17, 18]. Как следствие, происходит разнос частот волн разных круговых поляризаций. Такое решение требует дополнительно четвертьволновых фазовых пластин, которые из линейной поляризации будут делать круговую на входе в ячейку Фарадея и выполнять обратное преобразование на выходе. Также из-за увеличения количества элементов внутри резонатора приходится просветлять грани ячейки Фарадея, чтобы не увеличить потери и рассеяние. А это приводит к существенному повышению стоимости и ужесточению требований к технологии изготовления.

Во-вторых, возможна реализация зеемановской магнитооптической частотной подставки [13, 14]. Наложение продольного магнитного поля на активные каналы, в которых распространяется излучение круговых поляризаций, приводит к разведению частот волн, распространяющихся во встречных направлениях. Эффект зависит от направления распространения излучения. Для излучения, распространяющегося вдоль вектора индукции магнитного поля, происходит разнос частот, соответствующих лучам разных круговых поляризаций. Для излучения, распространяющегося против вектора индукции магнитного поля, происходит сближение частот, соответствующих лучам разных круговых поляризаций. Получение четырех частот без внесения дополнительных элементов в контур резонатора и сопутствующее решение проблемы захвата частот встречных волн делают вариант использования зеемановской магнитооптической частотной подставки более предпочтительным.

а о о а

У0-У1- У2- /?// Уо - У2 + рн Уо Уо+ У1- у2- (Зн Уо+ У1+ У2+ (Зн

МоЗа с лов ой круговой поляризациями (ЛКП) Мода с правой круговой поляризацияей (ПКП)

Рисунок 5 - Расщепление на четыре частоты эффектом Зеемана, отражено направление распространения лучей вдоль контура (по и против часовой

стрелки)

Таким образом, в четырехчастотном лазерном гироскопе имеет место одновременная генерация волн четырех различных частот: две волны левой круговой поляризации, распространяющиеся во встречных направлениях; две волны правой круговой поляризации, распространяющиеся во встречных направлениях. Система идентична одновременной работе двух двухчастотных

лазерных гироскопов, в одном из которых генерируется излучение левой круговой поляризации, в другом - правой.

Если четырехчастотный лазерный гироскоп начинает вращение вокруг оси чувствительности, то все четыре частоты смещаются. Частоты двух волн, распространяющихся в направлении вращения, увеличиваются; частоты двух волн, распространяющихся против вращения, уменьшаются. При этом расположение частот в спектре приводит к тому (Рисунок 6), что волны одной круговой поляризации сближаются по частоте, а волны другой - разводятся.

Рисунок 6 — Сдвиг частот при вращении резонатора, а именно: уменьшение частот волн, распространяющихся по часовой стрелке, и увеличение частот волн, распространяющихся против часовой стрелки, вследствие изменения

оптического пути в резонаторе

Во введенных обозначениях четыре волны, генерируемые в четырехчастотном лазерном гироскопе, имеют частоты:

у = у0 ±уг ±у2 ±рн±Ш, (2)

где знаки перед величинами частотных смещений определяются направлением круговой поляризации (у1), направлением магнитного поля зеемановской магнитооптической частотной подставки (у2), направлением внешнего

магнитного поля (рн), направлением вращения вокруг оси чувствительности четырехчастотного лазерного гироскопа (к О).

Чтобы учесть все возможные составы генерируемых волн, необходимо рассмотреть варианты, приведенные далее (Таблица 1):

Таблица 1 - Возможные составы генерируемых волн

№ Условие Частоты генерируемых волн по возрастанию

1.1.1.1 1. положительный полупериод подставки; 2. внешнее магнитное поле усиливает поле подставки; 3. вращение CW; 4. кО<ч2 Прн ЧЖП,СШ = Ч0 - Ч - Ч -РН - кО Ккп.ааш = Ч0 - Ч П Ч П рн П кО УПКП ,ССШ = Ч0 П Ч -Ч2 -рн П кО УПКП,СШ = Ч0 П Ч П Ч Прн - кО

2.1.1.1 ЧЖП,ССШ = Ч0 - Ч л Ч2 -рН л кО ЧЖП,СШ = Ч - Ч П Ч2 ПрН П кО ЧПКП,СШ = Ч0 П Ч л Ч2 -рН П кО Кт.ССШ = Ч0 П Ч П Ч2 ПрН - кО

1.1.1.2 1. положительный полупериод подставки; 2. внешнее магнитное поле усиливает поле подставки; 3. вращение CW; 4. кО>ч2 прн ЧЖП,СШ = Ч -Ч1 - Ч -рН - кО ЧЖП,ССШ = Ч0 - Ч П Ч ПрН П кО Кт.СШ = Ч0 П Ч П Ч ПрН - кО Ч+Пт,ССШ = Ч0 П Ч - Ч2 -рН П кО

2.1.1.2 ЧЖП,ССШ = Ч0 - Ч - Ч2 -рН - кО ЧЖП,СШ = Ч - Ч П Ч2 ПрН П кО Ч+Пт,ССШ = Ч0 П Ч П Ч2 ПрН - кО КкП,СШ = Ч0 П Ч - Ч2 -рН П кО

1.1.2.1 1. положительный полупериод подставки; 2. внешнее магнитное поле усиливает поле подставки; 3. вращение CСW; 4. к О<Ч2 +рн ЧЖП,СШ = Ч - Ч - Ч -Рн + кО ЧЖП,ССШ = Ч0 - Ч + Ч +Рн - кО Кш ,ССШ =Ч0 + Ч - Ч2 -Рн - Ш Кт ,СШ = Ч0 П Ч П Ч +Рн + кО

2.1.2.1 ЧЖП,ССШ =Ч0 -Ч -Ч2 -Рн + кО ЧШП,СШ = Ч - Ч +Ч2 +Рн - Ш КкЛ.СШ = Ч0 П Ч - Ч2 -Рн - кО Ч+ПКЛ,ССШ = Ч0 П Ч П Ч2 ПРн П кО

1.1.2.2 1. положительный полупериод подставки; 2. внешнее магнитное поле усиливает поле подставки; 3. вращение СCW; 4. к О>Ч2 +рн ЧШП,ССШ = Ч0 -Ч П Ч +Рн - кО Ч+ЛШ£Ш = Ч -Ч - Ч -Рн + Ш ЧПКП ,ССШ = Ч0 + Ч - Ч2 -Рн - кО Кт,СШ = Ч0 П Ч П Ч +Рн + кО

2.1.2.2 ЧЖП,СШ = Ч -Ч + Ч2 +Рн - кО ЧЖП,ССШ = Ч0 -Ч -Ч2 -Рн + кО КкЛ.СШ = Ч0 П Ч - Ч2 -Рн - кО КкЛ.ССШ = Ч0 П Ч ПЧ2 +Рн + кО

1.2а.1.1 1. отрицательный полупериод подставки; 2. внешнее магнитное поле слабее поля подставки; 3. внешнее магнитное поле ослабляет поле подставки; 4. вращение CW; 5. т<рн -у2 ЧЛКП£Ш = Ч - Ч ПЧ2 -Рн - Ш ЧЛКП,ССШ = Ч0 -Ч -Ч2 +Рн + кО ЧПКЛ,ССШ = Ч0 П Ч ПЧ2 -Рн + кО ЧПКП,СШ = Ч0 + Ч - Ч2 +Рн - кО

2.2а.1.1 ЧЛКП,ССШ = Ч0 - Ч + Ч -Рн - кО ЧЛКП,СШ = Ч - Ч - Ч +Рн + кО чпкп,сш =Ч0 + Ч + Ч -Рн + кО ЧПКЛ,ССШ = Ч0 П Ч - Ч2 +Рн - Ш

1.2а.1.2 1. отрицательный полупериод подставки; 2. внешнее магнитное поле слабее поля подставки; 3. внешнее магнитное поле ослабляет поле подставки; 4. вращение CW; 5. к О > рн-ч2 Члкп,СШ = Ч л Ч ПЧ2 -рн л кО Члкп,ССШ = Ч0 п Ч -Ч2 Прн П кО ЧжП,СШ = Ч0 П Ч -Ч2 Прн п кО ЧжП ,ССШ = Ч0 П Ч ПЧ2 -рн П кО

2.2а.1.2 Чжп,ССШ = Ч0 - Ч ПЧ -рн - кО ЧШП,СШ = Ч - Ч - Ч Прн П кО ЧП1<П,ССШ = Ч0 П Ч -Ч2 Прн - кО Чпкп,СШ = Ч0 П Ч ПЧ -рн П кО

1.2а.2.1 1. отрицательный полупериод подставки; 2. внешнее магнитное поле слабее поля подставки; 3. внешнее магнитное поле ослабляет поле подставки; 4. вращение CCW; 5. к О < рн-ч2 ЧШП,СШ = Ч - Ч ПЧ2 -рн П кО ЧШП,ССШ = Ч0 -Ч -Ч2 Прн - к О ЧжП ,ССШ = Ч0 П Ч ПЧ2 -рн п кО ЧжП,СШ = Ч0 П Ч п Ч2 Прн П кО

2.2а.2.1 Чжп,ССШ = Ч0 - Ч ПЧ -рн П кО Чжп,СШ = Ч - Ч -Ч Прн - кО Чпкп,СШ = Ч0 П Ч ПЧ -рн - кО ЧП1<П,ССШ = Ч0 П Ч -Ч2 Прн П кО

1.2а.2.2 1. отрицательный полупериод подставки; 2. внешнее магнитное поле слабее поля подставки; 3. внешнее магнитное поле ослабляет поле подставки; 4. вращение CCW; 5. к О > рн-ч2 ЧШП,ССШ = Ч0 -Ч -Ч2 Прн - к О ЧШП,СШ = Ч - Ч ПЧ2 -рн П кО ЧП1<П,ССШ = Ч0 П Ч ПЧ2 -рн - кО ЧжП,СШ = Ч0 П Ч - Ч2 Прн П кО

2.2а.2.2 Чжп,СШ = Ч - Ч -Ч Прн - кО Чжп,ССШ = Ч0 - Ч ПЧ -рн П кО Чжп,СШ = Ч0 П Ч ПЧ -рн - кО ЧП1<П,ССШ = Ч0 П Ч -Ч2 Прн П кО

1.2б.1.1 1. отрицательный полупериод подставки; 2. поле подставки слабее внешнего магнитного поля; 3. поле подставки ослабляет внешнее магнитное поле; 4. вращение CW; 5. к О < ч2-Рн ЧЛКП,ССШ = Ч0 -Ч -Ч2 +Рн - кО ЧЛКП,СШ = Ч - Ч + Ч2 -Рн + кО ЧПКП,СШ = Ч0 + Ч - Ч2 +Рн + кО ЧПКП ,ССШ = Ч0 + Ч + Ч2 -Рн - кО

2.2б.1.1 ЧЛКП,СШ = Ч - Ч - Ч +Рн - кО ЧЛКП,ССШ = Ч0 -Ч +Ч -Рн + кО ЧПКЛ,ССШ = Ч0 П Ч - Ч2 +Рн + кО ЧПКЛ,СШ = Ч0 + Ч +Ч -Рн - кО

1.2б.1.2 1. отрицательный полупериод подставки; 2. поле подставки слабее внешнего магнитного поля; 3. поле подставки ослабляет внешнее магнитное поле; 4. вращение CW; 5. к О > ч2-Рн ЧЛКП£СШ = Ч0 -Ч -Ч2 +Рн - кО ЧЛКП,СШ = Ч -Ч ПЧ2 -Рн + кО ЧПКП ,ССШ = Ч0 + Ч + Ч2 -Рн - кО ЧПКП,СШ = Ч0 + Ч - Ч2 +Рн + кО

2.2б.1.2 ЧЛКП,СШ = Ч - Ч - Ч +Рн - кО ЧЛКП,ССШ = Ч0 -Ч +Ч -Рн + кО ЧПКЛ,СШ = Ч0 + Ч +Ч -Рн - кО ЧПКЛ,ССШ = Ч0 П Ч - Ч2 +Рн + кО

1.2б.2.1 1. отрицательный полупериод подставки; 2. поле подставки слабее внешнего магнитного поля; 3. поле подставки ослабляет внешнее магнитное поле; 4. вращение CCW; 5. к О < ч2-Рн ЧЛКП,ССШ = Ч0 -Ч -Ч2 +Рн + кО ЧЛКП£Ш = Ч -Ч ПЧ2 -Рн - кО ЧПКЛ,СШ = Ч0 + Ч - Ч2 +Рн - кО ЧПКП ,ССШ = Ч0 + Ч + Ч2 -Рн + кО

2.2б.2.1 ЧЛКП,СШ = Ч -Ч -Ч +Рн + кО ЧЛКП,ССШ = Ч0 -Ч +Ч -Рн - кО ЧПКП ,ССШ = Ч0 + Ч - Ч2 +Рн - кО ЧПКЛ,СШ = Ч0 + Ч П Ч -Рн + кО

1. УЛКП ,СШ у - у + у2 - РН - kО

отрицательный полупериод

УЛКП ,ССШ = у0 -у - у2 + РН + k О

1.26.2.2 подставки;

2. поле подставки слабее УПКП,СШ " = у0 + у - у2 + РН - k О

внешнего магнитного поля; УПКП ,ССШ = у0 + у +у2 - РН + k О

3. поле подставки ослабляет УЛКП ,ССШ = У0 - у + У2 - РН - k О

внешнее магнитное поле; у - у - у2 + РН + Ш

УЛКП ,СШ =

2.2б.2.2 4. вращение CCW; = у0 + у - у2 + РН - Ш

УПКП ,ССШ

5. k О>у2-РН УПКП ,СШ = у0 + у + у2 - РН + Ш

Вывод формулы для определения угловой скорости вращения, приведенный далее, применим для любых из указанных комбинаций генерируемых волн. При этом угловая скорость вращения определяется с учетом направления вращения, что определяется знаком получаемой величины. Для примера указан расчет для случаев 1.1.1.1 и 1.2а. 1.1:

а) в положительном полупериоде работы зеемановской магнитооптической частотной подставки:

уЛКП ,СШ = у0 -у1 -у2 -РН-kО (3)

уЛКП ,ССШ = у0 -у1 +у2 + РН + ^ (4)

уПКП ,ССШ = у0 +у1 -у2 -РН+kО (5)

уПКП ,СШ = у0 +у1 +у2 +РН - т (6)

б) в отрицательном полупериоде работы зеемановской магнитооптической частотной подставки:

уЖП,СШ = 4) -у1 + у2 ~РН - Ш (7)

уЖП,ССШ =У0 -У1 -у2 +РН + Ш (8)

ЧПКП,ССШ = Ч0 + Ч + Ч2 -Рн + кО (9)

ЧПКП ,СШ = Ч0 + Ч -Ч2 +Рн - к О (10)

За положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки длительностью ^ количество импульсов биений,

регистрируемых на фотоприемниках:

т

Ккп = (Ч+ЛКП£СШ - ЧЛКП,СШ ) - = (Ч2 +Рн + кт (11)

т

ККП = (ЧПКП,сш - Ч+ПКПССШ ) - = (Ч2 +Рн - кО) т (12)

Соответственно, за отрицательный полупериод:

т

^ЛКП = (ЧЛКПССШ - ЧЛКПСШ ) - = (-Ч2 +Рн + кО) т (13)

т

Кпкп = (ЧкПССШ - ЧКПСССШ ) - = (-Ч2 +Рн - кО) т (14)

Приведенная модель позволяет определить угловую скорость вращения с помощью выражения, не содержащего компонент, связанных с магнитным полем:

( N ЛКП N ПКП ) П ( N ЛКП N ПКП )

4кт

(ч2 +Рн п к О-ч2-Рн + к О-ч2 + рн + кО + у2 - рн + кО) т =

4кТ (15)

(ч2 -ч2 -ч2 пч2 прн-рн + рн-рн + кОПкОПкОПкО)т =

4кт =

= 4кОт = о = 4кт =

Последняя формула иллюстрирует, что четырёхастотный лазерный гироскоп позволяет свести к нулю ошибки в измерении угловой скорости вращения, вызванные магнитными полями.

Преимущества четырехчастотного лазерного гироскопа на эффекте Зеемана:

1) 4-частотный гироскоп по сравнению с 2-частотным на эффекте Зеемана:

- чувствительность к магнитным полям практически сведена к нулю (формула (15));

- увеличение точности в два раза (за счет совмещения фактически двух двухчастотных лазерных гироскопов);

2) кроме того, магнитооптическая подставка по сравнению с механическим виброподвесом (GG1320, прибор фирмы Honeywell International Inc.):

- нет движущихся частей в датчике, меньше чувствительность к вибрации, ударам и перегрузкам,

- не требуется амортизация, отсутствуют резонансы на частотах подставки (как в случае виброподвеса), в том числе взаимные при размещении нескольких датчиков в одном приборе,

существенно меньше случайная шумовая составляющая в выходном сигнале, что уменьшает время выставки системы.

3) взаимное расщепление частот: излом контура по сравнению с оптическим ротатором (FLAG, прибор фирмы Northrop Grumman Corporation); невзаимное расщепление: эффект Зеемана (АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стелъмаха», АО «ЛАЗЕКС») по сравнению с магнитооптической ячейкой на эффекте Фарадея (FLAG, прибор фирмы Northrop Grumman Corporation):

- технологичней, дешевле, проще конструкция, не требуется повышенная при изменениях температуры стабильность оптического ротатора, магнитооптической ячейки (без обоих элементов в предложенной схеме удалось обойтись).

33

1.3 Выводы

1. Случайные шумовые характеристики одного и того же лазерного гироскопа при переходе из двухчастотного режима работы в четырехчастотный режим улучшаются до 16 раз при условии стационарности внешних магнитных полей.

2. Угловая скорость вращения, измеряемая четырехчастотным лазерным гироскопом, не имеет компонент, зависящих от внешнего магнитного поля. Сведение данных компонент к нулю - базовый принцип работы четырехчастотного лазерного гироскопа.

3. Точность четырехчастотного лазерного гироскопа дополнительно удваивается благодаря одновременной работе на двух парах волн ортогональных круговых поляризаций.

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЧЕ ОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА ЧЕТЫРЕХЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА

2.1 Анализ влияния геометрии резонатора на модовый состав излучения

лазерного гироскопа

Для образования непланарного резонатора необходимо минимум четыре зеркала, так как три зеркала образуют плоский контур. Использование большего количества зеркал вызовет затруднения при юстировке резонатора, поэтому выбор в разработке сделан в пользу непланарного четырехзеркального резонатора.

Исполнение четырехзеркального резонатора возможно как с равными, так и с неравными длинами каналов. С точки зрения выравнивания потоков газа в каналах с целью минимизации ошибки измерений предпочтительнее вариант с равными длинами каналов. Также такой вариант упрощает определение положения и ориентации оси чувствительности лазерного гироскопа. В разработке сделан выбор в пользу непланарного четырехзеркального резонатора с равными длинами каналов.

Углы падения на зеркала в общем случае отличаются. Однако возможна реализация симметричного резонатора, в котором все углы падения на зеркала одинаковы и равны 30°, тогда на всех зеркалах лучи образуют угол 60°, а объемный контур резонатора представляет собой правильный тетраэдр. У такого резонатора есть ряд преимуществ.

Во-первых, полная симметрия контура резонатора обеспечивает минимум различий в условиях для газа в разных активных каналах, что снижает вклад ошибки, вызванной неоднородным движением газовых потоков.

Во-вторых, все углы падения на зеркала одинаковы, значит на всех зеркалах, за исключением выходного, можно наносить одинаковое интерференционное покрытие, что упрощает процесс изготовления лазерных зеркал, а главное стандартизирует вносимые зеркалами изменения в параметры излучения - интенсивности компонент р- и s- и разность фаз между ними.

В-третьих, направление излучения на выходное зеркало под острым углом 30° приводит к относительно небольшому различию интенсивности р- и s-компонент выходного излучения (чем ближе угол к 0°, тем ближе значения интенсивностей). Это позволяет реализовать более простой оптический смеситель излучения.

Симметричный контур оптического резонатора обеспечивает состав рабочих частот, размещающийся в контуре усиления и устойчивый к генерации, реализует встречное направление токов накачки в разрядных каналах, что уравновешивает влияние газовых потоков на измерения и обеспечивает равномерное выделение тепла.

2.2 Расчет частотного спектра симметричного непланарного оптического резонатора в форме правильного тетраэдра

Для непланарного резонатора лазерного гироскопа разность частот волн ортогональных круговых поляризаций, полученных от одной моды, в частотном спектре определяется суммарным углом р поворота плоскости поляризации излучения за полный проход резонатора (суммой углов между плоскостями падения двух соседних зеркал).

Угол р определяется углом излома резонатора а и углами падения на зеркала Р1, Р2, Р3, Р4 (Рисунок 7).

Векторы i и j являются единичными нормальными векторами двух соседних зеркал резонатора (первого и второго зеркал). В указанной геометрии векторы могут быть записаны в виде:

] =

г =

(1 ^

V 0 У

(16)

^2(1 + БШ2 Р - СОБ2 Р1 СОБа)

СОБ Р1 ( СОБа- 1)^

соб Р1 Бт а -2БШ Р

(17)

0

1

Угол поворота плоскости поляризации излучения при переходе от первого зеркала ко второму у может быть найден как угол между плоскостью падения на

первое зеркало, содержащей вектор ^ и плоскостью падения на второе зеркало, содержащей вектор j, его тангенс задается выражением:

tgy =

sin a

(1 + cosa)- sin Д

(18)

Соответственно суммарный угол поворота плоскости поляризации излучения за полный проход резонатора задается выражением:

4 ( Л

A sin a

р =^ arctg -- . (19)

i=1 ^(1 + cosa)- sinД)

Для выбранного непланарного четырехзеркального резонатора с равными длинами каналов и равными углами падения на все зеркала вычислены углы, определяющие спектр генерации:

a = 109,471220634491 = 109°28'16" (20)

д = д = д =Л = 30° (21)

р « 282,11511741605° « 282°06'54'' (22)

Соответствующая разность частот волн ортогональных круговых поляризаций, полученных от одной моды, в частотном спектре определяется по формуле [21]:

Av = -^— = 1678094930,33961Гц «1678,1МГц (23)

180°L v J

Межмодовое расстояние в частотном спектре определяется по формуле:

c

Avмод = - = 1070687350,00Гц « 1070,7МГц (24)

L

С учетом частотных смещений (23) и (24), получен спектр частот непланарного симметричного оптического резонатора в форме правильного тетраэдра с периметром 280мм (Рисунок 8):

Рисунок 8 - Частотный спектр непланарного симметричного оптического резонатора в форме правильного тетраэдра с периметром 280мм

Полученный частотный спектр иллюстрирует возможность работы четырехчастотного лазерного гироскопа на парах волн ортогональных эллиптических поляризаций от соседних мод (разность частот 607,4МГц), а также отстоящих в спектре через одну моду (разность частот 463,3МГц), что зафиксировано в патенте на изобретение [45, Приложение Г].

Выявлена возможность попеременной работы на разных составах волн с их поочерёдным переключением. Данный режим является восьмичастотным режимом работы лазерного гироскопа, что дает дополнительный потенциал повышения точностных характеристик. Теоретически реализуема работа в двенадцатичастотном режиме с использованием всех трех составов частот, но данный вопрос требует более глубокого рассмотрения ввиду изменения рабочих частот в широком диапазоне и, как следствие, значительного влияния перестройки длины резонатора на устойчивость генерации излучения.

В соответствии с [22], ширину спектра излучения лазера можно оценить по формуле:

где Ауд - ширина спектра излучения лазера в результате доплеровского уширения;

у0 - центральная частота в спектре излучения.

Для гелий-неонового лазера на длине волны генерации 632,8нм, при температуре 400К ширина контура усиления достаточна для размещения всего состава генерируемых частот:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Миликов Эмиль Анвярович, 2020 год

Источники:

1. Multioscillator ring laser gyro output information processing system, US4123162A.

2. Прохоров А.М.Физическая энциклопедия. Том 4. 1994. С. 53-54.

3. Zeeman multioscillator ring laser gyro insensitive to magnetic fields and detuning frequencies, US4475199A.

4. Electromagnetic wave ring resonator, US4482249A.

5. Патент РФ №2676835 «Оптический смеситель излучения с применением призм из оптически активных материалов», опубл. 11.01.2019. Бюл. № 2

Vo - Vi Vo Vo + Vi

\ У

Мода о лot) ой круговой поляризацияей (ЛКП) У Мода о пробой кругоЬой поляризацияей (ПКП)

Фиг. 1

а о о a

Vo -V1-V2- pH Vo - Vi + V2 + pH Vo Vo+ V1-V2- pH Vo+ V1+ V2+ pH

\

Иова с л Едой круговой поляризацияей (ЛКП) У Мода о пробой круговой поляризацияей (ПКП)

Фиг. 2

G О О О

i/o -Vi-V2-ßH- к О i/o - Vi + V2 + ßH + kü i/o Vo + Vi - V2 - ßH + kÜ Vo + Vi + V2 + ßH - kO

Мода с ледой крцгодой поляризацияей (ЛКП)

Modo о прадо0 кругодой поляризацияей 1ПКП)

Фиг. 3

Фиг. 4

ПРИЛОЖЕНИЕ В. БЛОК ЛАЗЕРНЫХ ГИРОСКОПОВ

Брославец Ю.Ю., Ларионов П.В., Миликов Э.А., Морозов А.Д., Семенов В.Г., Тарасенко А.Б., Фомичев А.А. «Блок лазерных гироскопов», Патент РФ №192588, опубл. 27.09.2019 Бюл. №27.

Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к бесплатформенным инерциальным навигационным системам (БИНС) на основе лазерных гироскопов.

Основная информация в БИНС снимается с датчиков линейных ускорений, называемых акселерометрами, и датчиков углового движения, выполненных на основе лазерных гироскопов. Акселерометры устанавливаются в корпусе БИНС, при этом ориентация в пространстве осей чувствительности акселерометров вычисляется по сигналам блока лазерных гироскопов, также жестко зафиксированного в корпусе БИНС. БИНС наиболее чувствительна к ошибкам приборов, выдающих информацию об угловом движении объекта, поэтому предлагается повышение точности БИНС путем сокращения тепловыделения в лазерных гироскопах в составе блока за счет снижения тока в катушках зеемановской магнитооптической частотной подставки и, как следствие, уменьшения приводящих к разъюстировке термических деформаций резонаторов лазерных гироскопов и минимизации градиентов температур в корпусах лазерных гироскопов, приводящих к асимметричному нагреву газовой смеси, создающего этим потоки газа и, соответственно, ошибки. Кроме того, уменьшаются тепловые флуктуации ориентации акселерометров относительно гироскопов. Также улучшение характеристик достигается за счет более равномерного нагрева и распределения потоков тепла при использовании оптимального расположения лазерных гироскопов в блоке с их дополнительной фиксацией путем постановки на оптический контакт.

Близким по технической сущности является блок лазерных гироскопов [1]. Блок лазерных гироскопов выполнен в виде куба и содержит 6 лазерных гироскопов, взаимная ориентация осей чувствительности и активных каналов в

которых жестко фиксирована. При этом лазерные гироскопы в составе блока не имеют собственных отдельных корпусов.

Недостатком такого блока лазерных гироскопов является непредусмотренная возможность полной замены неисправного лазерного гироскопа в составе блока в отличие от блока лазерных гироскопов, предлагаемого в полезной модели. Также изготовление трех лазерных гироскопов в монолитном едином корпусе требует сложной оснастки, высокой однородности материала и связано с техническими и технологическими трудностями.

Известны блоки на основе трехосных лазерных гироскопов [2, 3]. Блок таких лазерных гироскопов выполнен в монолитном куске материала (кварца, ситалла, церодура (7е1^иг)) и состоит из трех сообщающихся камер (по одной на каждую ось чувствительности), образующих правильный восьмигранник с восемью треугольными гранями. Поджиг газового разряда осуществляется конфигурацией из одной катодной камеры, сообщающейся с резонаторными камерами посредством катодных каналов, и нескольких электродов.

Сложностью при изготовлении таких блоков лазерных гироскопов является выполнение с высокой точностью большого количества посадочных плоскостей под оптический контакт для зеркал и использование большого числа электродов в одном нераздельном блоке. Размер и форма электродов накладывают ограничение на протяженность и положение каналов для распространения лучей в лазерных гироскопах в связи с возникновением нежелательных электрических взаимодействий и газовых потоков, образующихся из-за асимметричного нагрева блока (эффект Ленгмюра). Недостатком таких блоков также являются повышенные требования по мощности и выходному напряжению к источнику высоковольтного питания. Неразборная монолитная конструкция не предусматривает замену отдельных деталей блока лазерных гироскопов в случае их частичного отказа.

Технический результат, обеспечивающийся полезной моделью, заключается

в повышении точности БИНС за счет сокращения тепловыделения как в блоке

лазерных гироскопов в целом, так и в каждом из лазерных гироскопов вследствие

снижения тока в катушках зеемановской магнитооптической частотной подставки. Лазерные гироскопы в блоке при этом могут быть как двухчастотными, так и многочастотными. Предлагаемое размещение позволяет воздействовать магнитным полем зеемановской магнитооптической частотной подставки не только на активный канал лазерного гироскопа, вокруг которого намотана катушка, но и на активные каналы соседних лазерных гироскопов, внося вклад в продольную составляющую магнитного поля и вызывая дополнительный разнос генерируемых частот во избежание явления захвата.

На фиг. 1 представлена зависимость модуля индукции магнитного поля катушки зеемановской магнитооптической частотной подставки от расстояния до оси катушки (закон Био-Савара-Лапласа).

Характерен быстрый спад модуля индукции магнитного поля, что означает неэффективность воздействия катушкой зеемановской магнитооптической частотной подставки на активный канал, находящийся на некотором характерном расстоянии от оси катушки, которое в предлагаемой конфигурации блока лазерных гироскопов составило 4 см.

Однако при размещении лазерных гироскопов в блоке таким образом, чтобы:

- активный канал одного лазерного гироскопа был от оси катушки зеемановской магнитооптической частотной подставки другого лазерного гироскопа на расстоянии, меньшем, чем характерное расстояние ослабления магнитного поля, которое для предлагаемой конфигурации блока лазерных гироскопов составило 4 см;

- активный канал одного лазерного гироскопа был ориентирован под минимальным углом к вектору индукции магнитного поля, созданного катушкой зеемановской магнитооптической частотной подставки другого лазерного гироскопа,

возможно обеспечение вклада соседних лазерных гироскопов в индукцию магнитного поля вдоль активного канала лазерного гироскопа до 20 % и

соответствующее снижение величины тока в катушках зеемановской магнитооптической частотной подставки.

Применяется механическое крепление лазерных гироскопов в расчетных положениях, дополнительная фиксация обеспечивается оптическим контактом между гранями корпусов лазерных гироскопов. Выполнение всех трех лазерных гироскопов из одного материала и их соединение методом оптического контакта повышает эффективность размещения лазерных гироскопов, так как обеспечивается однородность теплового расширения лазерных гироскопов, а большая площадь соприкосновения лазерных гироскопов оптимизирует отвод тепла и снижает величину механических напряжений в зоне оптического контакта. Стабильность взаимной ориентации осей чувствительности лазерных гироскопов также обеспечивается оптическим контактом.

В случае отказа одного из лазерных гироскопов в блоке сохраняется возможность его замены. Отсутствие требований к взаимной ортогональности осей чувствительности лазерных гироскопов упрощает их крепление в БИНС и конструкцию в целом. Вследствие этого повышается надежность и точность блока лазерных гироскопов.

На фиг. 2 представлен общий вид лазерного гироскопа, в состав блока входит три таких лазерных гироскопа. На фиг. 3 представлен вид на катушку зеемановской магнитооптической частотной подставки. На фиг. 4 представлен вид блока лазерных гироскопов, в котором зеемановские магнитооптические частотные подставки каждого лазерного гироскопа воздействуют на все три лазерных гироскопа одновременно.

Источники информации:

1. Блок лазерных гироскопов, Патент РФ 2359231, URL: http://bd.patent.su/2359000-2359999/pat/servl/servletbef2.html.

2. Nonplanar three-axis ring laser gyro with shared mirror faces, US Patent 4795258A, URL: https://patents.google.com/patent/US4795258.

3. Трехосный лазерный прецессионный гироскоп, симметричный относительно его приводной оси, Патент РФ 2210737, URL: http://www.findpatent.ru/patent/221/2210737.html.

10'»

0 0.02 0.04 0.06 O.OS 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 02

Расстояний от оси катушки эеемановской |лагнитооптической частотной подставки, мм

Фиг. 1

Фиг. 4

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЧЕТЫРЕХЧАСТОТНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП

ЗЕЕМАНОВСКОГО ТИПА

Брославец Ю.Ю., Ларионов П.В., Миликов Э.А., Морозов А.Д., Семенов В.Г., Тарасенко А.Б., Фомичев А.А. «Четырехчастотный лазерный гироскоп зеемановского типа», Патент РФ №2731171 от 01.10.2019, опубл. 31.08.2020 Бюл. №25.

Изобретение относится к области высокоточной лазерной гироскопии, а именно к лазерным гироскопам зеемановского типа.

В лазерных гироскопах зеемановского типа на активную среду воздействуют намеренно индуцированным продольным магнитным полем, что приводит к разведению частот в спектре генерации, при этом величина разведения частот варьируется напряженностью магнитного поля. Как следствие, основным источником ошибок при определении угловой скорости вращения в двухчастотных зеемановских лазерных гироскопах является воздействие на активную среду внешнего магнитного поля неконтролируемой напряженности, оказывающее влияние на разведение частот в спектре генерации. Четырехчастотный зеемановский лазерный гироскоп позволяет максимальным образом ослабить влияние внешних магнитных полей на измерения угловой скорости вращения прибором.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является лазерный гироскоп [1]. В лазерном гироскопе [1] для генерации волн круговых поляризаций использован непланарный оптический контур резонатора, выполненный в форме правильного четырехгранника из материала, обладающего малым коэффициентом теплового расширения. Для исключения захвата частот встречных волн в один из каналов помещен фарадеевский ротатор, обеспечивающий разведение частот встречных волн круговой поляризации. Газовый разряд горит в трех каналах из четырех, причем в двух каналах, сообщающихся непосредственно с анодами, газовый разряд горит не на всем протяжении каналов. Одним из удобств конструкции лазерного гироскопа [1]

назван тот факт, что ось его чувствительности параллельна ребру куба, из которого выполнен корпус резонатора. Предполагается, что это облегчит крепление и взаимную ориентацию гироскопов в многоосной конфигурации, но при этом не учитываются диаметры и толщины подложек лазерных зеркал, размещаемых в вершинах кубического корпуса резонатора и способных создать значительную помеху соседним гироскопам при их компоновке в составе навигационной системы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокоточного, малогабаритного, четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа, отличающегося компенсацией влияния магнитных полей на измерения угловой скорости вращения, сниженным тепловыделением, равномерным нагревом корпуса резонатора и эффективным отводом тепла, сохранением работоспособности при перегрузках и ударах, повышенной точностью считывания сигналов вращения, усиленной фиксацией взаимной ориентации осей чувствительности при размещении в составе навигационной системы.

Результат достигается применением оптического смесителя излучения, сводящего на отдельных фотоприемниках лучи левой круговой поляризации, лучи правой круговой поляризации, лучи, проходящие резонатор по часовой стрелке, лучи, проходящие резонатор против часовой стрелки, работой не на соседних продольных модах резонатора, а через моду, применением контура резонатора в форме правильного четырехгранника с равными углами падения на все зеркала, отсутствием внутрирезонаторных поглощающих и рассеивающих элементов, а также симметричным горением газового разряда и симметричным наложением на область газового разряда магнитного поля.

На Фиг 1. изображен общий вид предлагаемого четырехчастотного

лазерного гироскопа: катушки 1 знакопеременной зеемановской

магнитооптической частотной подставки; корпус 2 непланарного симметричного

резонатора в форме правильного тетраэдра; оптический смеситель 3 излучения;

фотоприемники 4, 5, детектирующие сигналы биений волн левой круговой

132

поляризации; фотоприемники 6, 7, детектирующие сигналы биений волн правой круговой поляризации; фотоприемник 8, детектирующий сигнал биений пар волн, распространяющихся по часовой стрелке в резонаторе; фотоприемник 9, детектирующий сигнал биений пар волн, распространяющихся против часовой стрелки в резонаторе; боковые грани 10 корпуса резонатора, обработанные для оптического контакта четырехчастотных лазерных гироскопов друг с другом в составе навигационной системы; болт 11 для крепления к корпусу навигационной системы; тарельчатая пружина 12.

На Фиг. 2 изображен контур предлагаемого оптического резонатора в форме правильного четырехгранника, который позволяет получить резонатор с наибольшим периметром при изготовлении из кубического блока фиксированного объема. Подложки с напыленными лазерными зеркалами 13 располагают таким образом, чтобы лучи лазерного излучения 14 образовывали угол 60° при отражениях. Предлагаемый симметричный резонатор отличается простотой изготовления корпуса, так как блок материала, в котором выполняются каналы резонатора, в процессе механической обработки поворачивается на одни и те же углы, в отличие от несимметричного резонатора.

Полировка граней на корпусе резонатора позволяет обеспечить оптический контакт четырехчастотных лазерных гироскопов друг с другом, что сохраняет взаимное положение осей чувствительности четырехчастотных лазерных гироскопов в навигационной системе постоянным, устраняя тем самым один из основных источников ошибок навигации.

В предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе зеемановского типа

достигается минимально возможная зона захвата частот встречных волн, что

обеспечивается сведением к нулю количества дополнительных

внутрирезонаторных элементов, рассеивающих и поглощающих излучение.

Вместо кварцевого анизотропного элемента для получения волн круговой

поляризации используется непланарный оптический резонатор с четырьмя

каналами и четырьмя зеркалами. Четырехзеркальная схема в отличие от

трехзеркальной обеспечивает непланарность оптического резонатора и позволяет

133

минимизировать трудности при юстировке, а также поглощение и рассеяние на зеркалах в сравнении со схемами с пятью и более зеркалами. Вместо фарадеевской магнитооптической ячейки используется эффект Зеемана [2] для разведения частот встречных волн при наложении продольного магнитного поля непосредственно на газовую смесь в газоразрядных активных промежутках. В результате рассеяние и поглощение внутри резонатора происходит в основном на зеркалах и диафрагме, являющихся его неотъемлемой частью. Уменьшенная таким образом зона захвата позволяет уменьшить амплитуду частотной подставки, снизить тепловыделение и минимизировать тепловую составляющую ошибки измерений.

В предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе обеспечивается равномерный нагрев корпуса резонатора, что достигается полной симметрией как контура резонатора (общий вид изображен на Фиг. 2), так и корпуса резонатора (общий вид изображен на Фиг. 3), а также созданием активных областей во всех четырех каналах. На Фиг. 1, 4 изображен общий вид предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа. Катушки 1 зеемановской магнитооптической частотной подставки наматываются вокруг всех четырех каналов, что также уменьшает тепловую составляющую ошибки измерений за счет минимизации температурного градиента. На Фиг. 8 изображена симметричная схема горения газового разряда, обеспечивающая равномерный нагрев корпуса резонатора: газовый разряд распространяется в каналах от пересечений 17 с катодными каналами до пересечений 18 с анодными каналами, промежутки 19 горения разряда располагаются в каждом канале.

На Фиг. 5 изображен частотный спектр предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа. Ширина контура усиления ~2,2 ГГц,

генерируемые частоты укладываются в диапазон ~0,5 ГГц. Использование двух

20 22

изотопов неона № /№ в составе гелий-неоновой смеси приводит к тому, что каждая из четырех частот взаимодействует с соответствующими атомами активной среды, имеющими разные скорости, что уменьшает взаимное влияние волн различных круговых поляризаций.

На Фиг. 6 изображен оптический смеситель предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа, разводящий лучи на шесть фотоприемников (4-9) для реализации метода обработки сигнала, направленного на достижение максимальной точности и надежности измерений, включая возможность минимизации магнитной составляющей ошибки измерений.

Происходит детектирование сигналов биений: - волн левой круговой поляризации (на двух фотоприемниках с разностью

фаз сигналов в диапазоне 0 <р<^),

волн правой круговой поляризации (на двух фотоприемниках с разностью

фаз сигналов 0 < ^ < ^),

волн, распространяющихся в резонаторе по часовой стрелке (высокочастотный сигнал), - волн, распространяющихся в резонаторе против часовой стрелки (высокочастотный сигнал).

Фотоприемники 6, 7 регистрируют те же сигналы биений пар левой и правой круговых поляризаций, что и фотоприемники 4, 5, но со сдвигом по фазе. Указанное решение позволяет с большей точностью детектировать импульсы биений, так как при близких к нулю сигналах на фотоприемниках 4, 5, фотоприемники 6, 7 регистрируют сигналы отличных от нуля интенсивностей с большими скоростями изменения интенсивностей.

В предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе реализована знакопеременная зеемановская магнитооптическая частотная подставка. Магнитное поле прикладывается с периодической сменой направления вектора напряженности, что позволяет выделить в отдельности искусственно созданное магнитное поле зеемановской магнитооптической частотной подставки и магнитное поле от внешних источников, приводящее к ошибкам.

Для пояснения предлагаемого в четырехчастотном лазерном гироскопе метода компенсации магнитной составляющей ошибки измерений ведены обозначения:

ЛКП - волна левой круговой поляризации, ПКП - волна правой круговой поляризации, CW - волна, распространяющаяся в резонаторе по часовой стрелке, CCW - волна, распространяющаяся в резонаторе против часовой стрелки. Под полупериодом работы зеемановской магнитооптической частотной подставки далее подразумевается время, в течение которого вектор напряженности создаваемого магнитного поля имеет постоянное направление. В положительный и отрицательный полупериоды работы создаётся магнитное поле с противоположным направлением вектора напряженности.

Формульные обозначения:

рн - величина смещения частот воздействием внешнего магнитного поля, где в - магнитная чувствительность, н - напряженность продольной компоненты внешнего магнитного поля;

кО - величина смещения частот, вызванного вращением с угловой скоростью О вокруг оси чувствительности четырехчастотного лазерного гироскопа, где к - масштабный коэффициент четырехчастотного лазерного гироскопа;

Т - длительность периода работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

Nлкп - количество импульсов биений волн ЛКП на фотоприемниках 4, 5 (Фиг. 6) за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

N¥1КП - количество импульсов биений волн ПКП на фотоприемниках 6, 7 (Фиг. 6) за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

ЫЛКП - количество импульсов биений волн ЛКП на фотоприемниках

4, 5 (Фиг. 6) за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

NПКП - количество импульсов биений волн ПКП на фотоприемниках 6, 7 (Фиг. 6) за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

- количество импульсов биений волн CW на фотоприемнике 8 (Фиг. 6) за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

Ы+ссш - количество импульсов биений волн CCW на фотоприемнике 9 (Фиг. 6) за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

ЫС-Ш - количество импульсов биений волн CW на фотоприемнике 8 (Фиг. 6) за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;

ЫС-сш - количество импульсов биений волн CCW на фотоприемнике 9 (Фиг. 6) за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки.

Сигналов пары фотоприемников 4, 6 (Фиг. 6) или пары фотоприемников 5, 7 (Фиг. 6) достаточно для определения угловой скорости вращения четырехчастотным лазерным гироскопом с учетом направления вращения:

„ (NЛКП NПКП ) 4 (NЛКП NПКП )

измеряемая 4кТ

Задействованы две пары фотоприемников со сдвигом фаз между сигналами

ТС

0 <^< — для обеспечения большей точности детектирования импульсов биений.

Когда один из фотоприемников регистрирует сигнал, близкий к уровню шумов, на дублирующем фотоприемнике сигнал превышает шумы и имеет высокую

интенсивность и большая скорость изменения интенсивности, что облегчает задачу детектирования.

В предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе учтено, что ЛКП и ПКП волны могут иметь различные магнитные чувствительности. В этом случае измеряемая угловая скорость вращения остается чувствительна к внешним магнитным полям:

„ = (Кш - Ккп ) + (Клкп - Я'пкп ) Н (Д-Д )

измеряемая 4kT ^ 2k

Для обеспечения компенсации влияния магнитных полей на измерения угловой скорости вращения в предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе задействованы фотоприемники 8, 9 (Фиг. 6) на оптическом смесителе.

Значение угловой скорости вращения с учетом разных магнитных чувствительностей ЛКП и ПКП волн определяется выражением:

(N + - N + + N- - N- ) • (N + - N- - N + + N-

,,-+ ,,.+ \1УСШ 1У ССШ ^ 1У СШ 1У ССШ) \1У ЛКП 1У ЛКП ПКП ПКП /

^ЛКП - ™ПКП + ™ЛКП - ™ПКП + N - -N - N -

Q =_1усш + 1уссш 1уссш 1усш_

" 4kT

Полученное выражение позволяет в предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе определять угловую скорость вращения без влияния внешних магнитных полей на измерения.

Предлагаемый четырехчастотный лазерный гироскоп имеет два варианта фиксации в составе навигационной системы.

Достижение малых габаритов предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа обеспечивается возможностью крепления на болт с применением тарельчатой пружины при размещении в составе навигационной системы. Данный тип крепления позволяет избавиться от внешних прижимов, увеличивающих габариты лазерного гироскопа. Расположение отверстия под крепление выбрано

таким образом, чтобы ось болта совпадала с осью чувствительности гироскопа. Оптимальные характеристики, материалы и геометрия пружины находятся из соображений обеспечения достаточного прижима и фиксации гироскопа в диапазоне его рабочих ускорений с учетом массы и материалов элементов резонатора. На Фиг. 7 представлена тарельчатая пружина 12 с оптимальными характеристиками, полученными методом компьютерного моделирования, а также фиксирующие четырехчастотный лазерный гироскоп болт 11 и гайка 15.

Для обеспечения фиксации взаимной ориентации осей чувствительности четырехчастотных лазерных гироскопов зеемановского типа в составе навигационной системы, а также для обеспечения эффективного отвода тепла с целью уменьшения тепловой составляющей ошибки измерений предлагаемый четырехчастотный лазерный гироскоп зеемановского типа предусматривает соединение с двумя аналогичными лазерными гироскопами методом постановки на неглубокий оптический контакт. На Фиг. 3 изображен корпус резонатора четырехчастотного лазерного гироскопа и две контактных грани 16, изготавливаемых и полируемых для обеспечения оптического контакта.

Источники:

1. Terry A. Dorschner. Orthohedral ring laser gyro US4818087.

2. Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Савельев И.И. Зеемановские лазерные гироскопы, Квантовая электроника, 2015,том 45, номер 2, 171-179.

Фиг. 1

1б

Фиг. 4

Фиг. 5

Фиг. б