Способ создания знакопеременной частотной подставки в зеемановском лазерном гироскопе
METHOD FOR CREATING ALTERNATING FREQUENCY STAND IN ZEEMAN LASER GYROSCOPE

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии. Знакопеременная частотная подставка используется в лазерных гироскопах для преодоления эффекта синхронизации встречных волн при малых угловых скоростях (эффекта «захвата») [1].
Известен способ создания знакопеременной частотной подставки в кольцевом лазере с линейной поляризацией [2]. Путем противофазной модуляции тока разряда в газоразрядных промежутках кольцевого лазера создается различие коэффициентов усиления в газоразрядных промежутках и вследствие эффекта Ленгмюра возникает знакопеременная разность частот встречных волн - знакопеременная частотная подставка.
Недостатком данного способа является малая величина амплитуды частотной подставки.
Также известен способ создания частотной подставки в зеемановском лазерном гироскопе (ЗЛГ) с применением невзаимного устройства на основе постоянного магнита, напряженность которого обеспечивает наименьшую чувствительность к изменению магнитных полей и максимальную амплитуду частотной подставки. Достоинством ЗЛГ с постоянным магнитом по сравнению с ЗЛГ со знакопеременной частотной подставкой осуществленной катушкой является уменьшение потребляемой энергии, тепловыделения, времени готовности ЗЛГ и его себестоимости [3].
Недостатком данного способа является невозможность осуществления знакоперенной частотной подставки с целью компенсации ошибок измерения вращения ЗЛГ вызванными внешними воздействиями и нестабильностью напряженности магнитного поля магнита.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ создания знакопеременной частотной подставки в зеемановском лазерном гироскопе, включающий возбуждение встречными электрическими токами разрядов в двух промежутках активной среды на которые наложено продольное магнитное поле [4]. Направления магнитного поля в активной среде периодически реверсируются путем изменения знака тока в катушках невзаимного устройства с целью исключения постоянной составляющей частотной подставки и выделения сигнала, обусловленного вращением ЗЛГ. Величина тока невзаимного устройства и количество витков катушки определяют величину магнитного поля на активной среде и, соответственно, величину амплитуды частотной подставки. Типичная величина частотной подставки необходимой для преодоления явления «захвата» составляет 40-60 кГц [5].
Недостатком этого способа является большое тепловыделение в невзаимном устройстве, сравнимое с энергией, выделяемой в газоразрядном промежутке ЗЛГ [6]. Это приводит к повышению токового дрейфа нуля частотной характеристики ЗЛГ и ухудшению его точности [7].
Задачей данного способа является уменьшение тепловыделения в невзаимном устройстве ЗЛГ.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе создания знакопеременной частотной подставки в зеемановском лазерном гироскопе, включающем возбуждение встречными электрическими токами разрядов в двух промежутках активной среды, на которые наложено продольное магнитное поле, на промежутки активной среды накладывают магнитное поле с помощью постоянных магнитов, магнитные поля которых в промежутках активной среды с разным знаком поляризации имеют одинаковое направление, а в промежутках активной среды с одинаковым знаком поляризации - имеют противоположные направления при обходе контура, при этом токи разрядов модулируют в противофазе знакопеременным сигналом при постоянстве их суммы.
Сущность изобретения
Знакопеременная частотная подставка возникает за счет того, что на газоразрядные промежутки активной среды накладывается поле постоянных магнитов, магнитные поля которых в промежутках активной среды с разным знаком поляризации имеют одинаковое направление, а в промежутках активной среды с одинаковым знаком поляризации - имеют противоположные направления при обходе контура. Это создает разное по знаку изменение показателя преломления активной среды в газоразрядных промежутках. В результате при одинаковых токах в газоразрядных промежутках разность частот встречных волн отсутствует. Для создания частотной подставки (разности частот встречных волн) токи разрядов модулируют в противофазе знакопеременным сигналом при постоянстве их суммы.
Зависимость токов в плечах ЗЛГ, изменения показателей преломления в плечах и результирующая частотная подставка представлены на фиг.1, где:
t - время, с.
1
Δi - изменение тока в первом газоразрядном промежутке активной среды при его тока, А.
1
Δn - изменение показателя преломления в первом газоразрядном промежутке активной среды, отн. ед.
2
Δi - изменение тока во втором газоразрядном промежутке активной среды при его модуляции, А.
2
Δn - изменение показателя преломления во втором газоразрядном промежутке активной среды, отн. ед.
1
2
Δn-Δn - разность изменений показателей преломления в первом и втором газоразрядных промежутках, отн. ед.
F - результирующая амплитуда частотной подставки в активной среде, Гц.
Зависимость направления магнитного поля и тока в газоразрядных промежутках от положения в резонаторе ЗЛГ показана на фиг.2, где:
- направление магнитного поля в газоразрядном промежутке
- направление тока в газоразрядном промежутке.
- направление поляризации света в газоразрядном промежутке
На фиг.2А, показана взаимная ориентация токов, направлений магнитного поля в промежутках активной среды с разным знаком поляризации.
На фиг.2Б, показана взаимная ориентация токов, направлений магнитного поля в промежутках активной среды с одинаковым знаком поляризации.
Из фиг.1 и 2, следует, что в предложенном способе возникает разность частот встречных волн, изменяющая знак в каждом полупериоде модуляции амплитуды токов в газоразрядных промежутках.
Благодаря высокой магнитной индукции постоянных магнитов можно получить амплитуду частотной подставки сравнимую или большую по сравнению с прототипом в тех же габаритах [3].
Проведем оценку снижения тепловыделения в невзаимном устройстве ЗЛГ предлагаемого способа по сравнению с прототипом.
c
D
В прототипе тепловыделение в невзаимном устройстве ЗЛГ, складывается из тепловыделения на катушке невзаимного устройства Q и тепловыделение на газовом разряде Q и описывается по формуле
c
d
Q=Q+Q, где
Q - тепловыделение в невзаимном устройстве ЗЛГ, Вт
c
Q - тепловыделение в катушке невзаимного устройства, Вт.
D
Q - тепловыделение в разряде невзаимного устройства, Вт.
c
c
c
2
Q=IR, где
c
c
I - сила тока в катушке невзаимного устройства, А. I=0,5 А [6].
c
c
R - сопротивление одной катушки невзаимного устройства, Ом. R=1,25 Ом [6].
d
D
D
Q=IU, где
D
D
I - сила тока в газовом разряде, мА. I=1,2 мА [5].
D
D
U - падение напряжения в рабочем газоразрядном промежутке, В. U=175 В [6].
Рассчитаем тепловыделение в невзаимном устройстве прототипа, а также тепловыделения в катушке невзаимного устройства прототипа и в газовом разряде прототипа:
c
Q=0,31 Вт.
D
Q=0,21 Вт.
Q=0,51 Вт.
c
D
В предложенном способе из-за того, что частотная подставка создается благодаря наложению на активную среду поля постоянных магнитов, тепловыделение в невзаимных устройствах ЗЛГ за счет катушки невзаимного устройства Q отсутствует. Поэтому в предлагаемом способе тепловыделение Q в невзаимном устройстве ЗЛГ будет определяться только тепловыделением в газовом разряде Q. Тепловыделение в газовом разряде в предложенном способе совпадает по значению с тепловыделением в газовом разряде у прототипа и равняется 0,21 Вт.
Сравнение показывает, что тепловыделение в невзаимном устройстве предлагаемого способа уменьшится на 61% по сравнению с тепловыделением в невзаимном устройстве прототипа.
Источники информации
1. Болотов, С.А. Лазерные информационно-измерительные системы; Учебное пособие. 4.1. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2005. - 44 с. - ISBN 5-7038-2657-8.
2. Виноградов В.И., Захаров М.В., Таушан Б.Α. «Лазерный гироскоп с естественным элементом», Авиакосмическое приборостроение, 2006, №10, с. 23-27.
3. Патент RU 2688952С1 РФ G01C 19/64, Способ измерения угловых перемещений зеемановским лазерным гироскопом/, Савельев И.И. Кудрявцев А.С., заявитель и патентообладатель АО НИИ «Полюс им. М.Ф. Стельмаха», заявл. 12.11.18; опубликовано 23.05.19-5.
4. Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Савельев И.И. Зеемановские лазерные гироскопы // Квантовая электроника. - 2015. - Т. 45. - Вып. №2. - С.171-179.
5. Синельников, А.О. Влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения: дис. канд. физ. мат.наук: 05.27.03: защищена 22.01.15 / Синельников Антон Олегович. - М., 2016. - 120 с.
6. Abaturov V.V., Saveliev I.I., Skopin С.A. Thermal model of Zeeman ring laser // International Seminar on Electronic Devices Design Production (SED). DOI: 10.1109/SED.2019.8798439 - 2019.
7. Кудрявцев A.C., Савельев И.И., Савченко H.A. Кольцевой зеемановский лазер с постоянной частотной подставкой // Специальный выпуск журнала физическое образование в вузах, 2019. Т. 25. - №2С. С.235-238.