Возмущения ионизационного баланса в газоразрядной плазме кольцевых гелий-неоновых лазеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Дао Хоай Нам

• Дао Хоай Нам
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Дао Хоай Нам

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДРЕЙФ АТОМОВ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ И НЕВЗАИМНОСТЬ ВСТРЕЧНЫХ ВОЛН В КОЛЬЦЕВОМ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОМ ЛАЗЕРЕ (обзор литературы)

1. 1 Составляющие случайной погрешности лазерного гироскопа и их статистические характеристики

1.2 Механизмы невзаимности встречных волн в кольцевом гелий-неоновом лазере и проблема их идентификации

1.2.1 Эффекты Лэнгмюра и Физо

1.2.2 Дрейфовый поток нейтральных атомов в активной среде и частотная невзаимность кольцевого гелий-неонового лазера

1.3 Динамические процессы в активной среде кольцевого гелий-неонового лазера под действием возмущений электрического разряда

1.3.1 Реакция положительного столба на внешние возмущения

1.3.2 Поддержание импульсно-периодического разряда в кольцевом гелий-неоновом лазере

1.3.3 Дрейф параметров автоколебаний в электрической цепи двухплечевого тлеющего разряда

1.4 Постановка задачи

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВУХПЛЕЧЕВОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА И НЕСТАЦИОНАРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В ВЫХОДНОМ СИГНАЛЕ ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА

2.1 Конструкция кольцевого гелий-неонового лазера

2.2 Экспериментальная установка для исследований модулированного разряда

2.3 Методика регистрации линейной реакции положительного столба на внешнее возмущение гармоническим сигналом

2.4 Экспериментальная установка для исследования нестационарных составляющих в выходном сигнале лазерного гироскопа и методика их идентификации

2.4.1 Регистрация медленных флуктуаций угловой скорости в условиях искусственной асимметрии токов в плечах разряда

2.4.2 Выделение медленного дрейфа отсчетов угловой скорости при помощи вейвлет-фильтрации экспериментальных данных

2.5 Выводы

ГЛАВА 3. ИОНИЗАЦИОННЫЙ БАЛАНС В УСЛОВИЯХ НЕСТАБИЛЬНОГО ПОТОКА ПРИМЕСЕЙ ИЗ СТЕНОК В РАЗРЯДНЫЕ КАНАЛЫ

3.1 Температурное поле в моноблоке кольцевого лазера

3.2 Кинетическое уравнение Больцмана для функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в положительном столбе разряда низкого давления в смеси гелия и неона

3.3 Модель положительного столба

3.3.1 Расчет вольт - амперной характеристики положительного столба

3.3.2 Экспериментальная регистрация формы вольт - амперной характеристики положительного столба

3.4 Математическая модель квазистационарного положительного столба

3.5 Экспериментальные результаты

3.6 Выводы

ГЛАВА 4. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДВУХ ПЛЕЧЕВОМ РАЗРЯДЕ И НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА

4.1 Влияние медленных флуктуационных процессов в кольцевом лазере на

нестабильность дрейфа лазерного гироскопа

4.2 Нестационарный ионизационный баланс в двухплечевом разряде и нестабильность дрейфа лазерного гироскопа

4.2.1 Экспериментальные результаты анализа нестационарных составляющих выходного сигнала лазерного гироскопа

4.2.2 Экспериментальные результаты регистрации медленных флуктуаций зарегистрированных значений угловой скорости в условиях искусственной асимметрии токов в плечах разряда

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Возмущения ионизационного баланса в газоразрядной плазме кольцевых гелий-неоновых лазеров»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Симметричный двухплечевой разряд постоянного тока в узких каналах, заполненных смесью гелия и неона, в диапазоне параметров pR = 100 - 120 Па-см, I^ = 0,5 - 1,0 мА/см, где р - давление газовой смеси, I - ток в плече разряда, R - радиус разрядного канала, применяется для возбуждения активной среды кольцевых лазеров, являющихся чувствительными элементами прецизионных датчиков углов поворота и угловых скоростей [1]. Использование таких датчиков в системах автономной инерциальной навигации предъявляет жесткие требования к стабильности их выходных сигналов [2 - 4]. Важным источником ошибок при решении навигационной задачи являются погрешности лазерных гироскопов, вызванные невзаимностью встречных волн, генерируемых кольцевым лазером

[5]. Одна из причин так называемой токовой невзаимности кольцевого лазерного гироскопа, - дрейф атомов неона в газоразрядной плазме, обусловленный передачей импульса направленного движения при столкновениях атомов с заряженными частицами, включая эффект Ленгмюра

[6], и диссоциативной рекомбинацией с участием молекулярных ионов.

Использование двухплечевого разряда с искусственной стабилизацией токов позволяет подавить систематическую составляющую погрешности, связанной с токовой невзаимностью («сдвиг нуля» лазерного гироскопа). Однако в выходном сигнале гироскопа присутствует нестационарная составляющая -нестабильность дрейфа, характеризующаяся разбросом отсчетов угловой скорости порядка 10-2 о/час, что при временах усреднения, превышающих 10 секунд, становится заметным на фоне случайных блужданий углового положения, обусловленных использованием ошумленной частотной подставки. Нестабильность дрейфа, равная 0,005 о/час, приводит к неопределенности пространственного положения в один километр через час автономной работы навигационной системы [1]. По этой причине столь малая составляющая случайной погрешности играет важную роль при оценке целесообразности применения лазерных гироскопов в инерциальной навигации.

Анализ результатов научных публикаций [7 - 13] не позволяет однозначно интерпретировать причины медленных нестационарных изменений дрейфовых потоков атомов неона в плечах газового разряда в условиях стабилизации токов с точностью не хуже 0,1 мкА. Известно, однако, что в плазме положительного столба возможны изменения ионизационного баланса вследствие изменения скорости Пеннинг-ионизации атомов посторонних примесей при их относительном содержании в газовой смеси 10-4 - 10-5. Данный эффект используется, в частности, для оценки скорости деградации активной среды в кольцевых гелий-неоновых лазерах [14, 15]. Таким образом, возникает необходимость в исследованиях связи медленной нестационарной составляющей, присутствующей в сигнале лазерного гироскопа, с изменениями электрических характеристик разряда постоянного тока, вызванными влиянием скорости реакции Пеннинга на ионизационный баланс в положительном столбе.

Цель настоящей работы заключается в идентификации механизмов возмущений плазмы двухплечевого тлеющего разряда постоянного тока в гелий-неоновой смеси, вызывающих нестабильность сигнала лазерного гироскопа с частотами менее 10-1 Гц. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработка экспериментальных установок для исследования возмущений плазмы двухплечевого тлеющего разряда в кольцевом гелий-неоновом лазере и их влияния на выходной сигнал лазерного гироскопа.

2. Поиск возможностей для разделения нестационарных составляющих в сигнале лазерного гироскопа, вызванных случайными блужданиями углового положения, и возмущениями ионизационного баланса в газоразрядной плазме, и их реализация в алгоритмах обработки экспериментальных данных.

3. Моделирование ионизационного баланса в положительном столбе разряда, являющегося активной средой кольцевого гелий-неонового лазера, и определение причины высокой чувствительности его электрических

характеристик к наличию в гелий-неоновой смеси малого содержания посторонних примесей.

4. Определение возмущений напряженности продольного электрического поля в положительном столбе вследствие нестабильности потоков посторонних примесей из стенок моноблока и их связи с нестационарной составляющей в выходном сигнале лазерного гироскопа.

Методология и методы исследований

При решении поставленных задач использованы теория кинетики ионизации атомов в положительном столбе тлеющего разряда, методы экспериментальных исследований газоразрядной плазмы, методы цифровой обработки сигналов и математического моделирования ионизационного баланса. Для моделирования и проведения расчетов и обработки экспериментальных данных на ЭВМ применены пакеты программного обеспечения MathCad и МаЙаЬ. Для реализации измерений характеристик кольцевого гелий-неонового лазера разработаны оригинальные измерительные стенды.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Создана математическая модель положительного столба двухплечевого газового разряда в кольцевом лазере, позволившая теоретически обосновать высокую чувствительность электрических характеристик разряда к наличию в гелий-неоновой смеси посторонних примесей и рост напряжения подержания разряда при увеличении температуры газа.

2. Разработана экспериментальная установка для комплексных исследований нестационарных процессов в газоразрядной плазме кольцевого лазера, реализующая в условиях испытаний накопление больших объемов измеренных данных.

3. Экспериментально обоснована связь изменений напряжений подержания двухплечевого разряда с нестационарной составляющей в выходном сигнале лазерного гироскопа.

4. Идентифицирована причина возмущений ионизационного баланса в двухплечевом разряде при непрерывном функционировании кольцевого гелий-неонового лазера в течение времени от единиц до десятков часов, заключающаяся в изменениях потока примесных атомов из стенок разрядного канала в газовую смесь.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально зарегистрированные частотные зависимости комплексного сопротивления положительного столба в диапазоне 0,2 ^ 1,0 кГц содержат информацию об изменениях величины концентрации нейтральных атомов в разрядных каналах кольцевого гелий-неонового лазера при возмущениях условий подержания двухплечевого разряда.

2. Флуктуации парциального давления посторонних примесей в активной среде кольцевого гелий-неонового лазера возмущают скорость Пеннинг-ионизации и напряженность продольного электрического поля в положительном столбе с коэффициентом передачи 10 В/(см-Па).

3. Различие скоростей роста напряжений горения для плеч газового разряда в кольцевом гелий-неоновом лазере вызывает появление нестационарной составляющей в выходном сигнале лазерного гироскопа, достигающей 0,03 о/час в условиях стабилизации токов накачки и подавления шума выходного сигнала в диапазоне частот, превышающих 10-2 Гц.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная математическая модель плазмы положительного столба, учитывающая Пеннинг-ионизацию, является основой для усовершенствования технологии промышленного производства кольцевых гелий-неоновых лазеров.

2. Обоснованный механизм формирования электрических характеристик положительного столба позволяет разработать схемотехнические решения для подержания стабильного состояния симметричного двухплечевого разряда в кольцевом гелий-неоновом лазере.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных результатов подтверждается:

- соответствием результатов аналитических расчетов, результатов математического моделирования и результатов экспериментов;

- согласием полученных результатов с представлениями о механизме появления невзаимности встречных волн вследствие движения среды в резонаторе кольцевого лазера;

- оценкой точности аналитических расчетов и результатов математического моделирования.

Реализация и использование результатов

Результаты диссертации использованы в РГРТУ при выполнении научно-исследовательских разработок прецизионных кольцевых гелий-неоновых лазеров с вибрационной частотной подставкой, активная среда которых возбуждается двухплечевым газовым разрядом постоянного тока.

Апробация работы. Результаты работы представлены на: XXV Международной конференции по интегрированным навигационным системам (ICINS), г. Санкт-Петербург - 2018; I Международном научно-техническом форуме «Современные технологии в науке и образовании», г. Рязань - 2018; II Международной научно-технической и научно-методической конференции «Современные технологии в науке и образовании», г. Рязань - 2017; XXI Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях», г. Рязань - 2016.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 6 работ, в том числе две статьи - в журналах, входящих в перечень ВАК.

Первая глава диссертации представляет собой аналитический обзор литературы, в котором произведена с помощью методов вариация Аллана и спектральной плотности мощности идентификация структуры случайной погрешности лазерного гироскопа, включающая следующие составляющие [1]: шум квантования (quantization noise), случайные блуждания угла (angle random walk), синусоидальный шум (sinusoidal noise), нестабильность дрейфа

(bias instability), случайные блуждания скорости (rate random walk), линейный рост скорости (rate ramp). Приведен зависимости от времени усреднения отсчетов вариации Аллана, иллюстрирующий ошибочное определение наличия шумовых составляющих из-за неоднозначности характерных наклонов графика в случаях недлительных исследований. Обоснованы конкурирующие механизмы нестабильности дрейфа выходного сигнала и определен их относительный вклад в ошибку решения навигационных задач. Описаны процессы переноса компонентов газовой смеси в кольцевом гелий-неоновом лазере под действием электрического разряда. Проанализированы причины появления дополнительной невзаимности и её возмущений для встречных волн, генерируемых кольцевым лазером.

В второй главе приведена конструкция гироскопа на основе кольцевого гелий-неонового лазера, используемого во всех экспериментах в настоящей работе. Лазер изготовлен из ситаллового моноблока, внутри которого высверлены каналы диаметром 2,7 мм, длиной 52 мм, заполненные смесью гелия и неона в соотношении 16:1 до давления 750 Па, активная среда которого возбуждается симметричным двухплечевым газовым разрядом постоянного тока.

Разработаны экспериментальные установки и методики измерений для комплексного исследования нестационарных процессов в кольцевом резонаторе в различных условиях подержания газового разряда при длительных испытаниях гироскопа.

Первая установка позволяет анализировать нестационарные потоки газа в активной среде, приводящие к медленным флуктуациям выходного сигнала гироскопа. Предложена методика измерения частотных зависимостей комплексного сопротивления положительного столба в диапазоне частот 0,2 + 70 кГц при разных температурах. Исследованы колебания плотности газа в активной среде кольцевого лазера, возбужденной несимметрично модулированным двухплечевым тлеющим разрядом постоянного тока. Проведена регистрация влияния температуры окружающей среды на

комплексное сопротивление положительного столба в теплоизолированной камере с элементом, позволяющим регулировать температуру моноблока кольцевого лазера в диапазоне -27 ^ +83 оС.

Вторая установка с цифровым измерительным модулем, позволяющая осуществлять регистрацию данных о угловой скорости вращения Земли, напряжениях поддержания двухплечевого тлеющего разряда и температуре моноблока кольцевого гелий-неонового лазера при испытаниях гироскопа продолжительностью 50 часов. Полученные информационные данные обработаны с помощью метода вариации Аллана и вейвлет-фильтрации для выделения медленной нестационарной составляющей выходного сигнала гироскопа. Таким образцом, возможен поиск особенностей ионизационных процессов, способных привести к повышенной нестабильности дрейфа. Создан модифицированный стабилизатор тока, входящий в состав экспериментальной установки, для регистрации зависимости выходного сигнала от искусственной разности токов в плечах разряда в пределах 10 мкА.

В третьей главе приведены основные результаты экспериментальных исследований ионизационного баланса в положительном столбе при нестабильном потоке примесных атомов из стенок разрядного канала. Выполнен расчет электрического поля и ионизационного баланса в положительном столбе разряда постоянного тока в гелий-неоновой смеси. Теоретически проанализирован положительный столб в гелий-неоновом разряде при низких давлениях, основанный на решении усредненного по сечению разрядного канала кинетического уравнения Больцмана для электронов, уравнения Пуассона для поля и уравнения, описывающего движение ионов. Приведены зависимости частот столкновительных процессов и кинетических коэффициентов от отношения напряженности продольного электрического поля к давлению газа.

Зарегистрированы температурное поле в ситалловом моноблоке кольцевого лазера и комплексное сопротивление положительного столба в диапазоне низких частот при разных температурах. Основана математическая

модель модулированного положительного столба, соответствующая постоянной концентрации газа, и ее схема замещения по переменному току. Построена частотная зависимость невязки между комплексными сопротивлениями положительного столба Z и синтезированной схемы замещения Z0, отражающей влияние на комплексное сопротивление колебаний концентрации атомов. Выделен коэффициент передачи от возмущений мощности, рассеиваемой положительным столбом, к колебаниям температуры и плотности газа в разрядном канале.

Предложена методика экспериментальных исследований колебаний плотности газа в активной среде лазера с помощью несимметричной модуляции двухплечевого тлеющего разряда. Зарегистрировано влияния мощности, рассеиваемой участками разряда, на потоки газа внутри кольцевого резонатора. Обоснован механизм формирования флуктуаций мощности, рассеиваемой положительным столбом, который заключается в хаотических колебаниях скорости Пеннинг-ионизации, вызванных изменениями потоков посторонних примесей из стенок разрядных каналов в газовую смесь. Реализация такого механизма сопровождается возмущениями направленного потока газа вдоль оптической оси кольцевого резонатора, приводящими к медленным флуктуациям выходного сигнала лазерного гироскопа, даже в условиях стабилизации электрических токов в плечах разряда и температуры окружающей среды.

В четвертой главе проанализирован комплекс полученных результатов экспериментальных исследований нестационарных процессов в газоразрядной плазме и их влияния на выходной сигнал кольцевого лазерного гироскопа. Цифровой измерительный модуль дает возможность регистрировать и сохранять в цифровой форме последовательности отсчетов, зарегистрированных при испытаниях гироскопа продолжительностью более 50 часов. Приведены зависимости от времени испытаний напряжений подержания рязряда, температур «горячей» и «холодной» частей моноблока кольцевого лазера и отсчетов данных, отражающих проекция угловой

скорости вращения Земли на перпендикуляр к плоскости кольцевого резонатора. Полученная информация обработана с помощью метода вариации Аллана и вейвлет-фильтрации. Обнаружено наличие медленной составляющей в выходном сигнале гироскопа, отражающейся в росте девиации Аллана при временах усреднения, превышающих 1000 с. Выделена медленная нестационарная составляющая в пределах 0,03 о/час выходного сигнала гироскопа и показана ее связь с ассиметричным ростом напряжений в плечах разряда с помощью метода вариации Аллана и вейвлет-фильтрации. Идентифицированы особенности ионизационных процессов, способные привести к повышенной нестабильности дрейфа.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и приведен список публикаций автора по теме диссертации.

ГЛАВА 1. ДРЕЙФ АТОМОВ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ И НЕВЗАИМНОСТЬ ВСТРЕЧНЫХ ВОЛН В КОЛЬЦЕВОМ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОМ ЛАЗЕРЕ (обзор литературы)

1.1 Составляющие случайной погрешности лазерного гироскопа и их статистические характеристики

Практические применения кольцевых лазерных гироскопов (ЛГ) ограничены наличием в их выходных информационных сигналах случайных погрешностей. Случайные погрешности ЛГ включает следующие составляющие [1]: шум квантования (quantization noise), случайные блуждания угла (angle random walk), синусоидальный шум (sinusoidal noise), нестабильность дрейфа (bias instability), случайные блуждания скорости (rate random walk), линейный рост скорости (rate ramp), которые вызваны оптическими, тепловыми и электронными процессами в кольцевом лазере.

Для повышения точности лазерных гироскопов и построенных на их основе систем автономной инерциальной навигации необходимо знание структуры случайной погрешности, статистических характеристик и механизмов формирования её составляющих. На рисунке 1.1 приведены экспериментально зарегистрированные графики [16] угловой погрешности лазерного гироскопа, описанного в работе [1]. Исходная зависимость представлена авторами публикации в виде суммы аппроксимирующей функции, отражающей медленные изменения выходного сигнала (нестабильность дрейфа), и угловой погрешности, соответствующей стационарному случайному процессу. Следует отметить, что медленные изменения выходного сигнала не прекращаются в течение всего времени испытаний при стабильной температуре окружающей среды.

Стандартными характеристиками, широко применяющимися для анализа случайных погрешностей гироскопов, являются спектральная

плотность мощности (Power Spectral Density (PSD)) и вариация Аллана (Allan Variance (AVAR)).

1-3

Случайная сост. Угловой погрешности. СКО = 0. Угловая погрешность СКО = 0.00091401 град

000354

0 1 2 3 4 5 6 7 8 t, час

Рисунок 1.1 - Графики исходной угловой погрешности ЛГ (черная кривая), аппроксимирующей функции (красная кривая) и случайной составляющей угловой погрешности после вычитания аппроксимирующей детерминированной составляющей (голубая кривая) [16]

Стандартами IEEE [17 - 19] для идентификации структуры шумов лазерного гироскопа рекомендовано применение метода девиации Аллана. Этот метод эффективно применяется для выделения шумовых составляющих выходного сигнала гироскопа [20, 21]. Временной ряд последовательности выходных данных, представляющий собой отсчеты угловой скорости Qk, разбивается на K = N/M не перекрывающихся кластеров по M отсчетов в каждом:

Q\, Ü2,...., Qm, QM+1,.--, 02M,.... QN-M,----, QN

i ' J v__1j \_L __J

k=T

1=2

k = K

Далее для каждого кластера определяется среднее значение отсчетов:

м

_ 1

iïk(

:(м) = мХ

к = 1.....К.

(1.1)

т=1

Сущность метода девиации Аллана состоит в вычислении дисперсии разницы соседних отклонений [22], а не самих отклонений центрированного случайного процесса, как это делается при определении классической выборочной дисперсии:

Рисунки 1.2 и 1.3 качественно иллюстрируют результаты анализа зависимости девиации Аллана от времени усреднения отсчетов / [19, 23]. В логарифмической шкале график девиации Аллана включает участки с различными углами наклона, что позволяет разделить составляющие случайной погрешности. Недостатком метода является возможная неоднозначность интерпретации участков с характерными наклонами, что способно привести к ошибочной идентификации составляющих случайной погрешности при кратковременном измерении [19]. Таким образом, чтобы корректно определить присутствие составляющих случайной погрешности в выходном сигнале необходимо выполнение экспериментов с долговременной регистрацией информации и согласование данных, полученных разными методами.

Первой составляющей случайной погрешности лазерного гироскопа, имеющей тангенс угла наклона, равный -1, является шум квантования о^. Причина такого шума заключается в процессах дискретизации и квантования регистрируемых данных.

Составляющая, представляющая собой характеристики белого шума лазерного гироскопа, называется случайные блуждания угла оат. Случайные блуждания угла имеют постоянную спектральную плотность с одинаковой энергией сигнала во всех частотах (белый шум, см. рисунок 1.4, а). Основной причиной, приводящей к возникновению случайного блуждания угла в лазерном гироскопе, является использование ошумленной частотной подставки. На графике девиации Аллана (рисунок 1.2) данной составляющей соответствует тангенс угла наклона -1/2. Помимо ошумления подставки

(1.2)

фундаментальной причиной случайных блужданий измеренного значения угла являются естественные флуктуации лазерного излучения, обусловленные наличием в резонаторной моде фотонов, появившихся в результате спонтанного испускания.

л. Шум квантования Чк / — * Синусоидальные

шумы

Линейный рост скорости

Нестабильность дрейфа ,ч|г

Случайные блуждания угла (Белый шум)

_I_I_

_1_

Случайные блуждания скорости (Винеровский процесс) 4 -1-1

Рисунок 1.2 - Составляющие вариации Аллана, построенной для выходного сигнала лазерного гироскопа [23].

с,

о/час

10

г2

10

-з

10

4

102 103 Время усреднения 4, с

Винеровский процесс

* г I; : «V)

* Ч Л 1 1 <-.'.4

Марковский процесс

1 « ----<. . 5 .". ЦПУ

• «•<►«» > > « ' < I 4 « <

ю5

Рисунок 1.3 Аллана [19]

- Альтернативная интерпретация составляющих вариации

Согласно [24] вызванная спонтанным излучением ширина спектра шума сигнала на выходе КЛ может быть рассчитана по формуле:

где Df - спектральная плотность флуктуаций разности частот встречных волн лазера на нулевой частоте; с - скорость света; t - время испытания; а>о = 2пу0 -частота генерации лазера; А®сау = 2яАусау = 2n.dc/L - ширина полосы резонатора; h - постоянная Планка; Р - мощность лазерного излучения внутри резонатора; d - относительные потери света в резонаторе за круговой проход. Для зеемановского КЛ типа К-5 (НИИ «Полюс», Россия) L = 0,2 м, £ = 0,0025 м2, уо = 4,73-1014 Гц, d = 3,7-Ю-4, АУсау = 5,6-105 Гц, Р = 5-102 Вт, Т = 600 с, Ау? = 0,00012 Гц, АО? = К"1 Ад = 0,0003 °/ч [25].

Нестабильность дрейфа выходного сигнала aыas («сдвиг нуля», см. рисунок 1.4, б) гироскопа вызвана медленными изменениями невзаимности встречных волн, генерируемых кольцевым лазером. Причины появления данной составляющей к настоящему времени изучены недостаточно. Известно лишь, что к невзаимному эффекту приводят процессы в активной среде лазера, для возбуждения которой применяется симметричный двухплечевой газовый разряд постоянного тока. Как полагают авторы большинства публикаций, эта составляющая имеет нулевой наклон на кривой девиации Аллана, традиционно интерпретируется как фликкер-шум спектральная плотность которого обратно пропорциональна частоте [26].

Случайное блуждание скорости от™ (см. рисунок 1.4, в) [27, 28] описывает случайный процесс, называемый Винеровским, который наблюдается у лазерного гироскопа с вибрационной подставкой. Эта величина получается путем интегрирования функции белого шума w(t) с нулевым средним М^(1)] = 0

(1.3)

о

(1.4)

Рисунок 1.4 — Иллюстрация осциллограмм спектральной плотности мощности (PSD) шумов выходного сигнала гироскопа: а - белый шум, б - фликкер-шум, в - случайные блуждания скорости [26]

Таким образом, случайное блуждание угловой скорости образуется как результат пропускания белого шума через интегрирующее звено 1/pL (Pl - оператор Лапласа). Случайное блуждание угловой скорости приводит к наличию растущего прямолинейного участка с наклоном 1/2 для девиации Аллана.

Синусоидальный шум имеет две компоненты. Высокочастотная связана с колебаниями плазмы, а низкочастотная медленными движениями платформы с КЛ, вызванными периодическими изменениями окружающей среды.

Последняя составляющая - «линейный рост скорости» более детерминированная ошибка, чем случайный шум. Ее появление означает, что происходят очень медленное монотонное изменение выходного сигнала ЛГ на длительном интервале времени.

Приведенный перечень составляющих случайной погрешности, обладающих различными статистическими характеристиками и по-разному зависящих от времени усреднения, отражает степень сложности задачи повышения точности как у самого прецизионного датчика угловой скорости, так и для результата решения навигационной задачи. В системе инерциальной навигации средней точности лазерные гироскопы должны измерять составляющие угловой скорости с погрешностью не хуже 0,01 0/час [28]. Требования к ним весьма высоки: чтобы обеспечить автономное определение местоположения с точностью не хуже 1,8 км (2с) за час полета, необходимо, чтобы суммарная погрешность измерения угловой скорости не превышала 0,02 о/час. Корректная идентификация механизмов появления и построение адекватных моделей случайных шумовых составляющих требуют большого количества экспериментов в условиях долговременной регистрации информации на выходе ЛГ при использовании независимых методов обработки полученных данных. Несмотря на малый вклад в среднеквадратичный разброс отсчетов выходного сигнала гироскопов на основе кольцевого гелий-неонового лазера, возбуждаемого газовым разрядом постоянного тока, нестабильность дрейфа выходного сигнала («нестабильность сдвига нуля») оказывает значительное влияние на погрешность решения навигационной задачи. Нестабильность дрейфа, равная 0,005 о/час, приводит к неопределенности пространственного положения в один километр за каждый час автономной работы навигационной системы [1].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дао Хоай Нам, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kuznetsov A.G., Molchanov A.V., Chirkin M.V., Izmailov E.A. Precise laser gyroscope for autonomous inertial navigation // Quantum Electronics - 2015 -Vol. 45, No. 1. - P. 78-88.

2. Молчанов А.В., Морозов Д.А., Ремизов Б.П., Чиркин М.В. Способ определения прогнозируемого срока службы кольцевого гелий-неонового лазера // Патент РФ № 2231858. Опубл. в БИ № 18 27.06.2004.

3. Молчанов А.В., Суминов В.М., Чиркин М.В. Прогнозирование ресурса кольцевого лазера при испытаниях лазерного гироскопа // Научные труды МАТИ вып. 11 (83). М.: ИЦ МАТИ, 2006. - С. 155-160.

4. Молчанов А.В., Чиркин М.В. Новый подход к прогнозированию ресурса кольцевого лазера при изготовлении лазерного гироскопа // Приборы, 2007, № 11. - С. 16-23.

5. Kolbas Yu.Yu., Grushin M.E., Gorshkov V.N. The nonmagnetic component of the zero bias of a Zeeman laser gyroscope // Quantum Electronics -2018 - Vol. 48, No. 3. - P. 283-289.

6. Kravtsov N.V., Kravtsov N.N. Nonreciprocal effects in ring lasers // Quantum Electronics - 1999 - Vol. 29, No. 5. - P. 378-399.

7. Виноградов В.И., Елецкий А.В. Дрейф возбужденных атомов в разряде неона постоянного тока // Опт. и спектр. 1971. Т. 30. С. 830.

8. Виноградов В.И., Елецкий А.В. Измерение дисперсии в разряде неона и смеси гелий-неон постоянного тока // Опт. и спектр. 1973. Т. 35. С. 635.

9. Виноградов В.И., Елецкий А.В. Дрейф возбужденных атомов неона в разряде постоянного тока // Опт. и спектр. 1974. Т. 37. С. 850.

10. Виноградов В.И., Елецкий А.В. Скорость дрейфа возбужденных атомов неона в разряде постоянного тока // Опт. и спектр. 1987. Т. 62. С. 51.

11. Виноградов В.И. О направленном движении атомов неона в разряде постоянного тока кольцевого лазера // Опт. и спектр. 2009. Т. 107. С. 329.

12. Виноградов В.И. Влияние пленения излучения на разность частот в кольцевом лазере из-за рекомбинационного движения атомов // Опт. и спектр. 2011. Т. 110. С. 1038.

13. Виноградов В.И. Исследование движения атомов в разряде постоянного тока кольцевого лазера // Опт. и спектр. 2011. Т. 110. С. 1042.

14. Молчанов А.В., Суминов В.М., Чиркин М.В. Моделирование деградационных процессов в разряде кольцевого гелий-неонового лазера // Авиакосмическое приборостроение, 2004. - № 9 - С. 20-24.

15. Молчанов А.В., Морозов Д.А., Осетров И.В., Сауриди А.Г., Чиркин М.В. Способ определения скорости деградации активной среды в кольцевом гелий-неоновом лазере // Патент РФ № 2402833. Опубл. в БИ № 30 27.10.2010.

16. Измайлов Е. А., Кухтевич С.Е., Тихомиров В. В., Стафеев Д. В., Фомичев А.В. Анализ составляющих дрейфа лазерного гироскопа // Гироскопия и навигация - 2015 - № 2 - С. 89.

17. Сирая Т.Н. Вариация Аллана как оценка погрешности измерения // Гироскопия и навигация - 2010 - № 2 - С. 29-36.

18. Кробка Н.И. О топологии графиков вариации Аллана и типовых заблуждениях в интерпретации структуры шумов гироскопов // XXII Санкт-Петербургская международная конференции по интегрированным навигационным системам. СПб: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» -2015 - С. 457-484.

19. Степанов О.А., Моторин А.В. Проблемно-ориентированный подход к решению задачи идентификации моделей погрешностей навигационных датчиков и оцениваемых сигналов // Материалы пленарный заседаний 9-й Российской мультиконференции по проблемам управления. - СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. - С. 49-59.

20. Аллан Д.У. Вариация Аллана: история создания, преимущества и недостатки, основные области применения // Гироскопия и навигация. - 2015. - №4 - С. 3-28.

21. Lawrence C. Ng., Darryll J.P. On The Application of Allan Variance Method for Ring Laser Gyro Performance Characterization// Journal jf Guidance. -1993. - Vol. 20, No. 1 P. 211 - 214.

22. Кучерков С.Г. Использование вариации Аллана при исследовании характеристик микромеханического гироскопа [Текст] // С.Г. Кучерков, [и др.] // Гироскопия и навигация. - 2003. - №2(41). - С.98 - 104.

23. Lawrence C.Ng. and Darryll J.P. Characterization of Ring Laser Gyro Perfor-mance Using the Allan Variance Method // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. - 1997. - Vol. 20, No. 1. - P. 211-214.

24. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах. Под. ред. Ю.Л. Климонтовича (М.: Наука, 1974).

25. Golyaev Yu.D., Kolbas Yu.Yu. Application of ring lasers to determine the directions to the poles of Earth's rotation // Quantum Electronics - 2012 - Vol. 42, No. 10. - P. 283-289.

26. Матвеев В.В., Погорелов М.Г. Анализ погрешностей микромеханических гироскопов методом вариаций Аллана // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 3. С. 123-135.

27. Литвин М.А., Малюгина А.А., Миллер А.Б., Степанов А.Н., Чикрин Д.Е. Типы ошибок в инерциальных навигационных системах и методы их аппроксимации // Информационные процессы. 2014. Т. 14. № 4. С. 326-339.

28. Barbour N.M. Inertial Navigation Sensors// Advanced in Navigation Sensors and Integration Technology. - RTO-LS-232, 2004. - P. 2-1 - 2-22.

29. Podgorsky T.J., Aronowitz F. Langmuir flow effects in the laser gyro // IEEE J. Quant. Electron.,4, 11, 1968.

30. Ароновиц Ф. кн.: Применения лазеров, пер. с англ., под ред. В.П. Тычинского. М.: Мир, 1974.

31. Грановский В.Л. Электрический ток в газах. Установившийся ток. М.: Наука, 1971.

32. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1962.

33. Smits A.J., Dussauge J-P. Turbulent Shear Layers in Supersonic Flow // Munich: Springer Science Business Media Inc., 2006, vol.14, p.410.

34. Борн М. // Оптика. ГИТИУ, 1937.

35. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии // М.: изд. ГХИ, 1961.

36. Запотылько Н.Р. Современные пьезокорректоры высокостабильных газовых лазеров для измерительных систем // Лазерные новости. № 2. 1996.

37. Колчев А.Б., Ларионов П.В., Фомичев А.А. Исследование тепловых дрейфов лазерного гироскопа с магнитооптической частотной подставкой // Исследовано в России. 2006. Т. 249. С. 2388.

38. Chester A.N. // Phys. Rev., 169, 172, 1968.

39. Fancheux M., Jayoux D., Roland J.J. // J. Optics, 19, 101 (1988).

40. Чернетский А.В. Введение в физику плазмы. // М.: Атомиздат. 1969.

41. Y.B. Golubovskii, V.O. Nekuchaev, I.A. Porokhova, "Electron kinetics in homogeneous and stratified positive column and anode region", In: "Electron Kinetics and Applications of Glow Discharges", NATO ASI Series, Series B: Physics, Vol. 367, pp. 137-160, Plenum Press, 1998.

42. Александров Л. С., Перебякин В. А., Чиркин М. В., Степанов В. А. Динамика пространственно однородной плазмы разряда в инертных газах // Физика плазмы. - 1989. - Т. 15, № 4. - С. 467-473.

43. Молчанов А. В., Морозов Д. А., Устинов С. В., Чиркин М. В. Модуляционные исследования газоразрядной плазмы в кольцевом гелий-неоновом лазере // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2015. № 54 (2). Часть I. С. 115-120.

44. Phelps A.V. The diffusion of charged particles in collisional plasmas: free and ambipolar diffusion at low and moderate pressures // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 1990, Vol. 95, № 4, pp. 407-430.

45. Chirkin M.V., Molchanov A.V., Morozov D.A., Osetrov I.V. Glow discharge monitoring with self-oscillation exciting in the discharge circuit // XV

International Conference on Gas Discharges and their Applications. 2004. Toulouse, France. P. 447-450.

46. Morozov D.A., Stepanov V.A., Chirkin M.V. Generation of fast ionization wave in a positive column of a nonsteady gas discharge // Plasma Physics Reports, Vol. 24, № 7, pp. 606-611, 1998.

47. Chirkin M.V., Morozov D.A., Stepanov V.A. Self-excitation of the fast ionization waves under the interaction of plasma with electrical network // Proc. of 12th International Conference on Gas Discharges & Their Applications, Vol. 1, pp. 248-251, Greifswald, Germany, 1997.

48. Chirkin M.V., Filatov D.S., Molchanov A.V., Morozov D.A. Ignition of glow discharge and dynamic properties of ionized gas in the symmetric bilateral channel at a low pressure // XV International Conference on Gas Discharges and their Applications. 2004. Toulouse, France. P. 439-442.

49. Molchanov A. V., Chirkin M.V., Serebryakov A.E., Klimakov V.V., Dao H.N., Mishin V.Yu.. The Effect of Slow Fluctuation Processes in the Ring Laser on Laser Gyro Bias Instability // Proceedings of 25-th International Conference on Integrated Navigation Systems. - St Peterburg, 2018. - P. 302 - 305.

50. Дао Х.Н., Климаков В.В., Молчанов А.В., Чиркин М.В. Динамика газа в активной среде и нестабильности дрейфа сигнала лазерного гироскопа // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2017. № 59. С. 136-144.

51. Дао Н.Х., Серебряков А.Е., Чиркин М.В., Мишин М.В., Климаков В.В. Анализ механизмов медленных флуктуаций в лазерном гироскопе. В сборнике: Современные технологии в науке и образовании-СТН0-2018 Сборник трудов международного научно-технического форума: в 11 томах. Под общ. ред. О.В. Миловзорова. 2018. С. 76-79.

52. Дао Х.Н., Климаков В.В. Механизмы нестабильности «сдвига нуля» лазерного гироскопа. // I Современные технологии в науке и образовании. Сборник трудов международной научно-технической конференции. Рязань, 2017. С. 262-265.

53. Дао Х.Н., Климаков В.В., Серебряков А.Е., Мишин В.Ю., Молчанов

A.В., Чиркин М.В. Нестационарный ионизационный баланс в двухплечевом разряде и нестабильность дрейфа лазерного гироскопа // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2018. № 66-2. С. 82-89.

54. Мишин В.Ю., Молчанов А.В., Чиркин М.В. Способ прецизионной обработки сигналов лазерного гироскопа // Патент РФ № 2571437. Бюл. № 35 20.12.2015.

55. Zumberge M.A., Berger J., Dzieciuch M.A., Parker R.L. Resolving quadrature fringes in real time // Applied Optics. - 2004. - Vol. 43, No. 4. - P. 771775.

56. Молчанов А.В., Белокуров В.А., Чиркин М.В., Кошелев В.И., Мишин

B.Ю., Морозов Д.А. Прецизионный лазерный гироскоп с цифровым каналом для обработки квадратурных сигналов // XXII Санкт-Петербургская международная конференции по интегрированным навигационным системам. СПб: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2015. - С. 307-314.

57. Малла С. Вейвлеты в обработке сигналов // Пер. с англ. - М.: Мир, 2005. - 671 с.

58. Морозов Д. А., Степанов В. А., Чиркин М. В. Распространение возмущений в экранированном канале ионизированного газа// Известия академии наук. Серия физическая. - 2000. - Т. 64. № 7. - С. 1423-1430.

59. Schuoker D. Properties and current - voltage characteristics of discharges in waveguide gas lasers/ D. Schuoker, W. Reif, R. Erlacher// Appl. Phys. - 1977. -V. 14. - P. 277 - 282.

60. Schuoker D., Reif W. High - frequency discharge stability of waveguide He-Ne lasers// Appl. Phys. - 1978. V. 17, № 4. - P. 405 - 411.

61. Привалов В.Е., Шишов С.И. Исследование падающего участка вольт - амперной характеристики газоразрядных лазеров// Радиотехника и электроника. - 1987. - Т. 32, № 8. - С. 1678 - 1685.

62. Привалов В.Е., Шишов С.И. Исследование импеданса слаботочного тлеющего разряда в трубках малого диаметра// ЖТФ. - 1989. - Т. 57, № 7. - С. 204 - 207.

63. Самосогласованное кинетическое описание положительного столба разряда в режиме прямой и ступенчатой ионизации/ Ю. Бенке, Ю.Б. Голубовский, С.У. Нисимов, И.А. Порохова// ЖТФ. - 1994. - Т. 64, № 1. - С. 61 - 73.

64. Друкарев Г.Ф. Теория столкновений электронов с атомами. - М.: Физматгиз. - 1963. - 220 с.

65. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Физическая электроника газоразрядных устройств. Ч. 1. - М.: Высшая школа. - 1993. - 240 с.

66. Герасимов Г.Н. и др. Ультрафиолетовое излучение возбужденных молекул инертных газов// Успехи физических наук. - 1992. - Т. 162, № 5. - С. 123 - 159.

67. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы. - М.: Энергоиздат. - 1982. - 232 с.

68. Чиркин М. В, Молчанов А. В., Суминов В. М. Моделирование деградационных процессов в разряде кольцевого гелий-неонового лазера // Авиакосмическое приборостроение - 2004. - № 9.- С. 20-24.

69. Крютченко О.Н., Молчанов А.В., Морозов Д.А., Чиркин М.В. Зажигание двухплечевого разряда в кольцевом лазере // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2011. № 36. С. 71-75.