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

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии.
Известен способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом [1].
В этом способе измерения угловых перемещений лазерным гироскопом обеспечивают настройку и работу лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создают знакопеременную или постоянную частотную подставку с помощью наложения знакопеременного или постоянного магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, обеспечивают настройку резонатора кольцевого лазера в заданную область доплеровского контура моды с заданной поляризацией с помощью системы регулировки периметра, использующей сигнал расстройки периметра, поступающий из кольцевого лазера, и подающей управляющее напряжение для регулировки периметра на пьезоголовку кольцевого лазера, выделяют информацию об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера.
Недостатком этого способа является ошибка измерений угловых перемещений таких лазерных гироскопов при наличии магнитных полей из-за большой чувствительности этих приборов к магнитному полю.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, включающий настройку и 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, 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 [2].
В этом способе обеспечивают работу Зеемановского или Фарадеевского лазерного гироскопа в двухчастотном (одномодовом) режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа.
Для этого с помощью системы накачки обеспечивают соответствующий уровень накачки, с помощью системы частотной подставки обеспечивают частотную подставку лазерного гироскопа, с помощью системы регулировки периметра (СРП) по сигналу расстройки периметра, поступающему от кольцевого лазера, обеспечивают настройку и работу 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, подавая регулирующее напряжение системы регулировки периметра на исполнительный элемент СРП-пьезоголовку, расположенную на кольцевом лазере.
Частотную подставку (знакопеременную или постоянную) создают с помощью наложения соответствующего (знакопеременного или постоянного) 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, например, с помощью магнита на Фарадеевском элементе Фарадеевского лазерного гироскопа.
Выделяют информацию об угловых перемещениях из синусоидального сигнала биений разностной частоты встречных волн, поступающего от кольцевого лазера.
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, для чего производят переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией после каждого очередного завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод.
Переключение в известных способах производят следующим образом: переключают фазу системы регулировки периметра на настройку и работу на ортогональной моде, и далее система регулировки периметра автоматически производит перестройку и настройку частоты КЛ ЛГ с работавшей моды на ортогональную моду кольцевого лазера.
Работа лазерного гироскопа в этом режиме существенно уменьшает ошибки измерения угловых перемещений, обусловленные чувствительностью таких лазерных гироскопов к магнитному полю.
Недостатком указанного способа является большая ошибка измерения угловых перемещений лазерным гироскопом при переключениях поляризации из-за того, что при переключениях поляризаций из-за инерционности известной системы регулировки периметра само переключение и настройка на центр Доплеровского контура ортогональной моды происходят не мгновенно, а за достаточно длительное время - (0,15…0,20) сек, в течение которого идет недостоверная информация об угловых перемещениях: либо с большими ошибками, превышающими заданные требования, либо вообще отсутствует. Подмена информации всего этого времени переключения, обычно используемая в таких случаях, информацией об угловых перемещениях, полученной до начала переключения, приводит к большим ошибкам измерения угловых перемещений при больших измеряемых угловых ускорениях.
Задачей данного способа измерения угловых перемещений лазерным гироскопом является уменьшение ошибки измерения угловых перемещений при переключениях поляризации за счет уменьшения времени переключений.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, включающем настройку и 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, 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, предварительно измеряют изменение напряжения на пьезоголовке кольцевого лазера, соответствующее переходу от моды одного знака поляризации к ближайшей моде с ортогональной поляризацией, при измерении угловых перемещений непосредственно перед началом каждого переключения отключают систему регулировки периметра от пьезоголовки датчика, после этого, пока на пьезоголовке не изменилось напряжение от работы на прежней моде, подают на пьезоголовку дополнительное измеренное ранее напряжение, соответствующее переходу от моды одного знака поляризации к ближайшей моде с ортогональной поляризацией, при этом знак подаваемого дополнительного напряжения определяют так, чтобы суммарное напряжение находилось в области регулирования системы регулировки периметра, переключают фазу системы регулировки периметра на настройку и работу на моде с ортогональной поляризацией, подключают систему регулировки периметра к пьезоголовке датчика в выбранное предварительно или во время данного переключения время, после чего система регулировки периметра в автоматическом режиме завершает подстройку частоты кольцевого лазера лазерного гироскопа на моду с ортогональной поляризацией.
Суть изобретения заключается в следующем:
В предложенном способе предварительно (до начала измерений угловых перемещений) измеряют изменение напряжения на пьезоголовке (или на параллельно подключенных пьезоголовках, если их больше одной) кольцевого лазера, соответствующее переходу от моды одного знака поляризации к ближайшей моде с ортогональной поляризацией. При этом измерение изменения напряжения производится до начала измерений угловых перемещений и может уточнятся, при необходимости, при измерении угловых перемещений при переключениях поляризаций.
При измерении угловых перемещений непосредственно перед началом каждого переключения отключают систему регулировки периметра от его исполнительного элемента на датчике - пьезоголовке. После отключения системы регулировки периметра от пьезоголовки, пока на пьезоголовке не изменилось напряжение от работы на прежней моде больше заданного, подают на пьезоголовку дополнительное измеренное ранее напряжение, соответствующее переходу от моды одного знака поляризации к ближайшей моде с ортогональной поляризацией. Знак подаваемого дополнительного напряжения определяют так, чтобы суммарное напряжение находилось в области регулирования системы регулировки периметра. Для диапазона напряжений пьезоголовки от -100 ВB до + 100 B знак подаваемого дополнительного напряжения определяют, например, так:
ПГ
ПГ
д
ПГ
|U+ΔU|<|U|, где U - напряжение пьезоголовки до переключения (со знаком),
ПГ
д
ΔU - напряжение переключения (со знаком), U - заданная с учетом ошибок величина края диапазона регулировки периметра (например, 90 B).
Далее в промежутке времени от момента начала переключения до момента подключения системы регулировки периметра к пьезоголовке переключают фазу системы регулировки периметра на настройку и работу на моде с ортогональной поляризацией.
ПГ
ПГ
Затем в выбранное предварительно или во время данного переключения время переключения подключают систему регулировки периметра к пьезоголовке, после чего система регулировки периметра в автоматическом режиме завершает подстройку частоты кольцевого лазера лазерного гироскопа на моду с ортогональной поляризацией. Необходимость подстройки частоты после подачи дополнительного напряжения ΔU обусловлена гистерезисом пьезоголовки. Выбор времени подключения системы регулировки периметра к пьезоголовке определяется, например, уменьшением скорости изменения периметра на ~(90-95)% после подачи на пьезоголовку дополнительного измеренного ранее напряжения ΔU.
Проведем оценку уменьшения величины ошибок измерения угловых перемещений лазерным гироскопом при переключении поляризаций за счет уменьшения времени каждого переключения при применении предложенного способа для Зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной подставкой, создаваемой знакопеременным магнитным полем на активной среде, работающего в режиме, предложенном в прототипе данного изобретения (см. [2]). Время переключений поляризаций на прототипе равно ~0,2 сек. Измерения показали, что применение предложенного способа позволяет уменьшить время каждого переключения до ~ (25-30)мсек.
Оценим величину уменьшения ошибки измерения угловых перемещений при одном переключении поляризации при применении предложенного способа. Как уже упоминалось, подмена информации всего времени переключения, обычно используемая в таких случаях, информацией об угловых перемещениях, полученной до начала переключения, приводит к большим ошибкам измерения угловых перемещений при больших измеряемых угловых ускорениях. При этом величина этой ошибки пропорциональна квадрату промежутка времени, на котором происходит подмена.
2
Максимальная величина ошибки измерения угловых перемещений при одном переключении поляризации при обычных для маневренного объекта угловых ускорениях ~300°/сек, при подмене информации, полученной до начала переключения, в течение всего времени переключений 0.2 сек, в известном способе будет равна:
2
2
2
А*t/2=300°/cек*(0.2)/2=6°
при применении предложенного способа эта ошибка уменьшается до:
2
2
-3
2
А*t/2=300°/сек*(30*10)/2=0.135°. Таким образом величина ошибки измерения угловых перемещений как при одном, так и при одинаковом числе переключении поляризации при применении предложенного способа будет существенно меньше, чем в известном способе за счет уменьшения времени каждого переключения.
Источники информации
1. Azarova V.V. et al., Zeeman Laser Gyroscops, Research and Technology Organisation., Optical Giros and their Application., May, 1999, (5-1)-(5-29)
2. Патент РФ №2408844, МПК: G01С 19/64 - прототип.
3. A.M.Хромых, А.И.Якушев, Влияние пленения резонансного излучения на эффект Зеемана в кольцевом лазере, Квантовая электроника, т.4, №1, 1977 г., стр.27.