СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЛАЗЕРНЫМ ГИРОСКОПОМ
METHOD OF MEASURING ANGULAR DISPLACEMENT WITH LASER GYROSCOPE

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии.
Известен способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом [1].
В этом способе при измерении угловых перемещений обеспечивается работа лазерного гироскопа в двухчастотном (одномодовом) режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создается частотная подставка с помощью механических угловых колебаний кольцевого лазера, выделяется информация об угловых перемещениях из синусоидального сигнала биений разностной частоты встречных волн, поступающего от кольцевого лазера.
Недостатком этого способа являются большие ошибки измерения угловых перемещений лазерным гироскопом при наличии механических воздействий, что происходит из-за недостаточной жесткости системы, создающей механические угловые колебания кольцевого лазера.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, включающий работу лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создание частотной подставки с помощью наложения магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, выделение информации об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера [2].
В этом случае лазерный гироскоп, например, Зеемановский (в котором создают круговую или эллиптическую, поляризацию излучения резонатора кольцевого лазера, например, методом изготовления четырехзеркального резонатора кольцевого лазера с определенным углом излома контура резонатора, а частотную подставку создают, например, с помощью тока соленоида, намотанного на активных элементах - газоразрядных промежутках кольцевого лазера, и создающего магнитное поле на активной среде) или Фарадеевский (в котором круговую или эллиптическую поляризацию излучения создают в основном в ячейке Фарадея, а в остальной части резонатора кольцевого лазера поляризация линейная или близкая к линейной, а частотную подставку создают, например, с помощью наложения магнитного поля от постоянного магнита на активный элемент - ячейку Фарадея) вместе с кольцевым лазером не имеет подвижных частей и жестко крепится к объекту.
При этом ошибки измерений угловых перемещений при наличии механических воздействий при таком способе существенно уменьшаются.
Недостатком известного способа является ошибка измерений угловых перемещений таких лазерных гироскопов при наличии магнитных полей из-за большой чувствительности этих приборов к магнитному полю.
Задачей данного изобретения является уменьшение ошибки измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, работающим в двухчастотном (одномодовом) режиме, обусловленной чувствительностью таких лазерных гироскопов к магнитному полю.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, включающем работу лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создание частотной подставки с помощью наложения магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, выделение информации об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера, обеспечивают периодическую поочередную работу кольцевого лазера в двухчастотном режиме на модах с ортогональными поляризациями кольцевого лазера, переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией после каждого очередного момента завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод, при этом переключения с одной моды кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией в течение каждого из последовательных периодов переключений Т, первый из которых начинается от момента начала измерений угловых перемещений, производят во времена, равные Т/4 и 3Т/4 этих периодов.
Суть изобретения заключается в следующем.
- обеспечивается работа Зеемановского или Фарадеевского лазерного гироскопа в двухчастотном (одномодовом) режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, для чего с помощью системы накачки обеспечивают соответствующий уровень накачки, с помощью системы частотной подставки обеспечивают частотную подставку лазерного гироскопа, с помощью системы регулировки периметра по сигналу расстройки периметра, поступающего от кольцевого лазера, обеспечивают настройку кольцевого лазера на моду с одной из поляризаций (правой или левой эллиптической (или круговой) для Зеемановского лазерного гироскопа и вертикальной или горизонтальной относительно плоскости резонатора для линейной (или близкой к линейной) для Фарадеевского лазерного гироскопа.
Частотная подставка создается с помощью наложения магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера лазерного гироскопа с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, например, с помощью тока соленоидов, намотанных на газоразрядных промежутках и создающих магнитное поле на активной среде кольцевого лазера Зеемановского лазерного гироскопа или с помощью магнита на Фарадеевском элементе Фарадеевского лазерного гироскопа. Выделяется информация об угловых перемещениях из синусоидального сигнала биений разностной частоты встречных волн, поступающего от кольцевого лазера. При этом для уменьшения ошибки измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, работающим в двухчастотном режиме, обусловленной чувствительностью таких лазерных гироскопов к магнитному полю, обеспечивают периодическую поочередную работу кольцевого лазера лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на модах с ортогональными поляризациями резонатора кольцевого лазера, при этом после каждого очередного завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод производят переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией. Например, период работы лазерного гироскопа в этом режиме следующий: лазерный гироскоп, отработав в двухчастотном режиме заданный промежуток времени на моде, на которую был настроен кольцевой лазер, производит переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией и, после работы в двухчастотном режиме на этой моде в течение того же заданного промежутка времени, вновь производит переключение на моду той же поляризации, на которой работал в начале периода, после чего указанный период повторяется в течение всего времени измерения угловых перемещений. Переключение поляризаций с моды одной поляризации на ортогональную производят, например, следующим образом: фазу системы регулировки периметра, отвечающую за настройку на одну из мод одной поляризации переключают на противоположную (сдвинутую на 180°), что обеспечивает перестройку кольцевого лазера лазерного гироскопа с моды, на которой он работал (с одной поляризацией), на моду с ортогональной поляризацией.
Уменьшение ошибки измерения угловых перемещений из-за магнитного поля в этом случае обусловлено следующим: поскольку вклад от магнитного поля в смещения нуля лазерного гироскопа при работе в двухчастотном режиме на ортогонально-поляризованных модах примерно одинаков по модулю и противоположен по знаку, то одинаковая по времени поочередная работа лазерного гироскопа на каждой из двух ортогонально-поляризованных модах существенно уменьшает вклад магнитного поля в ошибку измерения угловых перемещений из-за того, что величина угловой ошибки из-за магнитного поля, накопленная за время работы на одной моде, после переключения на ортогонально-поляризованную моду и работе на этой моде, уменьшается до нуля (при постоянном магнитном поле) к концу времени работы на этой моде.
м
м
При периодической поочередной работе в двухчастотном режиме лазерного гироскопа на модах с ортогональными поляризациями резонатора кольцевого лазера величина угловой ошибки из-за постоянного магнитного поля не будет превышать максимальной величины угловой ошибки, обусловленной магнитным полем, накопленной за время работы в течение одного периода переключений лазерного гироскопа на одной моде. Так, например, при обычной величине смещения, обусловленной магнитным полем на Зеемановских и Фарадеевских лазерных гироскопах f - одна угловая минута в минуту (f=1'/мин), при времени периодической работы на каждой из двух ортогонально поляризованных мод - 1 минута (период переключений Т=2 мин), величина максимальной накопленной угловой ошибки из-за магнитного поля как за период переключений, так и за час работы при применении предложенного способа будет равна
м
f×Т/2=1'/мин×1 мин=1' (одна угловая минута).
При применении известного способа эта ошибка будет равна
м
f×60 мин=1'/мин×60 мин=60' (60 угловых минут).
При длительных периодах переключений, применяемых для того, чтобы уменьшить количество переключений за время измерений, что необходимо, чтобы уменьшить ошибки угловых перемещений, обусловленные переключениями с одной моды на ортогональную, величина ошибки измерения угловых перемещений, обусловленная магнитным полем за период переключений, может быть достаточно большой и превышать необходимые требования.
При этом уменьшение периода переключений хотя и приводит к уменьшению этой ошибки, но одновременно приводит к большему числу переключений и увеличению суммарной ошибки, обусловленной большим количеством этих переключений.
1
2
м
1
2
Поэтому в предложенном способе устанавливают времена переключений поляризаций относительно периода переключений Т, равными t=T/4 и t=3T/4 или близкие к ним, а начало первого периода совмещают с началом измерения угловых перемещений. При этом величина ошибки измерения угловых перемещений в течение заданного периода переключений, обусловленная магнитным полем, минимальна и равна произведению величины магнитного смещения f на длительность 1/4 периода переключений, что в два раза меньше этой ошибки, если, например, переключения проводят во времена t=T/2 и t=T. При этом величина ошибки, обусловленная переключениями поляризаций, не увеличивается, поскольку число переключений при одном и том же периоде за время измерений угловых перемещений остается таким же.
м
м
м
м
м
м
Действительно, при применении предложенного способа за первые 1/4 периода ошибка, обусловленная магнитным полем Δφ увеличивается до Δφ=f×1/4Т. После переключения на моду с ортогональной поляризацией в момент времени T/4 за время от T/4 до T/2 эта ошибка уменьшается до нуля, поскольку f на ортогональной моде имеет ту же величину, но противоположно по знаку. За время от T/2 до 3Т/4 ошибка Δφ уменьшается до Δφ=-f×1/4T. После переключения на моду с ортогональной поляризацией в момент времени 3Т/4 (на моду с той же поляризацией, которая была в начале периода) за время от 3Т/4 до Т эта ошибка по модулю уменьшается до нуля. Таким образом, максимальная величина ошибки измерения угловых перемещений в течение периода переключений, а также за любое время измерений угловых перемещений, обусловленная постоянным магнитным полем, при применении предложенного способа не превысит по модулю Δφ=f×1/4Т, а число переключений (при том же периоде переключений Т) за время измерений угловых перемещений и, следовательно, и суммарная ошибка, обусловленная этими переключениями останутся теми же. При обычной величине смещения, обусловленной магнитным полем на Зеемановских и Фарадеевских лазерных гироскопах f - одна угловая минута в минуту (f=1'/мин), при времени периодической работы на каждой из двух ортогонально поляризованных мод - 1 минута - (период переключений Т=2 мин), величина максимальной накопленной угловой ошибки из-за магнитного поля, как за период переключений, так и за час работы при применении предложенного способа будет равна
м
f×Т/4=1'/мин×0.5 мин=0.5'=30''(yглoвыx секунд).
При применении известного способа эта ошибка будет равна
1'/мин×60 мин=60'(60 угловых минут).
Таким образом, применение предложенного способа существенно уменьшает ошибку измерений угловых перемещений, обусловленную чувствительностью лазерных гироскопов, работающих в двухчастотном режиме, к магнитному полю и уменьшает ошибку измерений угловых перемещений в течение каждого периода переключений за время измерений, обусловленную чувствительностью лазерного гироскопа, работающего в двухчастотном режиме, к магнитным полям, не увеличивая числа переключений, а следовательно, и ошибок, обусловленных этими переключениями.
Источники информации
1. Aranowitz, The Laser Gyro, in Laser Application, New York, Academic Press, 1971, p.133.
2. В.В.Азарова, Ю.Д.Голяев, В.Г.Дмитриев, М.С.Дроздов, А.А.Казаков, А.В.Мельников, М.М.Назаренко, В.Н.Свирин, Т.И.Соловьева, Н.В.Тихменев, Zeeman Laser Gyroscops, Research and Technology Organisation, May, 1999 - прототип.