СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ГИРОСКОП С ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижных объектов - самолетов, кораблей, внутритрубных диагностических снарядов, скважинных приборов буровых скважин и т.д.
Уровень техники в данной области характеризуется приведенными ниже сведениями.
Известен кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона, описанный в [Берштейн И.Л. Доклады АН СССР. 1950, т. 75, №75, с. 635; Малеев П.И. Новые типы гироскопов. - Л.: Судостроение, 1971. - 160 с.]. Указанный гироскоп содержит катушку из высокочастотного коаксиального кабеля, намотанную на цилиндрический каркас, генератор электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона, измеритель фазы, устройство переключения направления распространения радиоволн.
Недостатком данного устройства является низкая чувствительность. Так, в опытах Берштейна И.Л. [Берштейн И.Л. Доклады АН СССР. 1950, т. 75, №75, с. 635] был использован гироскоп с каркасом радиуса 1 м при длине кабеля 244 м. При несущей частоте 30,3 МГц сдвиг фазы при угловой скорости катушки 1 об/с составил 3 угл. с.
7
Известен «Кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона» [Пат. 2090842 Российская Федерация, МПК G01C 19/64. Кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона / Плотников П.К.; заявитель и патентообладатель Плотников П.К. - №2003122761/28; заявл. 21.07.1994; опубл. 27.01.1997], содержащий катушку многосекционной конструкции, каждая секция выполнена в виде полого цилиндра с каркасом из немагнитного изоляционного материала, на внутренней поверхности которого выполнен металлический экран, а на наружной поверхности намотана катушка из провода малого диаметра. Катушки на полых цилиндрах установлены коаксиально, экраны их соединены между собой параллельно и с корпусом прибора, а конец предыдущей секции соединен с началом следующей секции последовательно. Данный прибор имеет недостаточно высокий коэффициент передачи.
Известен лазерный гироскоп, являющийся разновидностью кольцевых резонансных гироскопов [Малеев П.И. Новые типы гироскопов. - Л.: Судостроение, 1971. - 160 с.]. Он содержит корпус с герметичным замкнутым резонатором, анод, катод, расположенные в плоскости внутри резонатора, ячейку Фарадея с источником постоянного магнитного поля, ось катушки которой коллинеарна направлению распространения волн, устройство съема выходной информации об измеряемой угловой скорости, источники напряжений питания.
Его недостатком является существенная температурная погрешность, подверженность действию магнитных и электрических полей.
Известен волоконно-оптический измеритель угловой скорости [Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп / Шереметьев А.Г. - М.: Радио и связь, 1987. - 152 с.], содержащий лазерный диод, светоделитель, катушку стекловолоконного контура, фотодетектор и электронное устройство для обработки и вывода информации об угловой скорости объекта.
Его недостатком также является температурная погрешность и подверженность действию магнитных и электрических полей.
7
Известен кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона [Пат. 2207511 Российская Федерация, МПК G01C 19/64. Кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона / Плотников П.К.; заявитель и патентообладатель Плотников П.К. - №2001133135/28; заявл. 06.12.2001; опубл. 27.06.2003.], содержащий два чувствительных элемента, каждый из которых выполнен в виде митрона, содержащего герметичный кольцевой резонатор, анод, катод, расположенные во внутренней полости, источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации, источники питающих напряжений, а также кронштейн, регулируемые опоры для крепления к кронштейну митронов и два прецизионных переменных резистора, причем один из митронов укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, входящей в состав резонатора, а второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угл. град положении по отношению к первому митрону, причем прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона.
Однако его недостатком является трудность выделения полезного сигнала из сверхвысокочастотного сигнала несущей частоты и невысокая точность из-за невозможности полную идентичность коэффициентов передачи митронов.
Известен сверхвысокочастотный гироскоп [Малеев П.И. Новые типы гироскопов. - Л.: Судостроение, 1971. - 160 с.], содержащий источник излучения, т.е. генератор сверхвысокочастотного напряжения, сверхпроводящий прямой цилиндрический резонатор, устройство для ввода сверхвысокочастотного излучения в виде напряжения одной, например вертикальной поляризации, расположенное с торца резонатора, и устройство для вывода электромагнитной волны из резонатора, также в виде напряжения, расположенное с другого его торца, поляризованной в ортогональной по отношению к входному излучению плоскости, а также электронное устройство для обработки информации об угловой скорости объекта.
Недостатками данного гироскопа является недостаточная чувствительность, т.е. малый масштабный коэффициент и необходимость применения устройств для ввода и вывода сверхвысокочастотного напряжения с очень высокой точностью изготовления и применения усложненных схем этих устройств [Малеев П.И. Новые типы гироскопов. - Л.: Судостроение, 1971. - 160 с.].
7
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является сверхвысокочастотный резонансный гироскоп [Пат. 2258908 Российская Федерация, МПК G01C 19/64. Сверхвысокочастотный резонансный гироскоп / Плотников П.К.; заявитель и патентообладатель Плотников П.К. - №2003122761/28; заявл. 21.07.2003; опубл. 27.01.2005.], содержащий резонатор, генератор сверхвысокочастотного напряжения, устройство для ввода и устройство для вывода из резонатора сверхвысокочастотного напряжения одной поляризации и электронное устройство для обработки информации об угловой скорости, в который введен бортовой компьютер, в устройство для обработки информации об угловой скорости введены фазочувствительные выпрямители, фильтры и аналого-цифровые преобразователи для связи с бортовым компьютером, в резонатор введены дополнительные устройства для вывода сверхвысокочастотного напряжения, а также фазовращающее устройство, при этом резонатор выполнен в виде кольца с прямоугольным поперечным сечением его корпуса с тонкими стенками, в котором широкая сторона прямоугольника перпендикулярна плоскости кольца и параллельна измерительной оси, причем одно устройство ввода и n≥3 устройств вывода сверхвысокочастотного напряжения выполнены в виде штырей, вводимых в резонатор по радиальным направлениям с широкой его стороны с одинаковыми расстояниями между ними в пределах длины стоячей волны, устройства ввода и вывода сверхвысокочастотного напряжения через последовательно соединенные (n+1) фазочувствительный выпрямитель, (n+1) фильтр и (n+1) аналого-цифровой преобразователь соединены с бортовым компьютером, так что с соответствующими (n+1) входами бортового компьютера соединены выходы аналого-цифровых преобразователей. В сверхвысокочастотный резонансный гироскоп в полость резонатора может быть введен диэлектрик с высоким значением электрической проницаемости в тех случаях, когда нужно будет обеспечить замедление скорости распространения электромагнитных волн.
Недостатком прототипа является недостаточно высокая добротность резонатора за счет прямоугольной формы его поперечного сечения, недостаточная чувствительность из-за меньшей частоты электромагнитных волн радиочастотного диапазона по сравнению с частотой их в диапазоне видимых волн в волоконно-оптическом гироскопе. Как следствие, недостаточная точность измерения.
Задачей данной полезной модели является увеличение добротности резонатора сверхвысокочастотного резонансного гироскопа и обеспечение перехода в режим работы, аналогичный режиму лазерного гироскопа.
z
Техническим результатом является повышение чувствительности сверхвысокочастотного резонансного гироскопа за счет применения круглого в поперечном сечении и в плане тонкостенного волновода-резонатора, а также перехода в режим работы, аналогичный режиму лазерного гироскопа путем применения генератора прямоугольных однополярных периодических импульсов со скважностью, при которой длительность импульса составляет доли единиц микросекунды при периоде следования импульсов в тысячи раз больше, а также суммирования приращений n фаз Саньяка интерференционных колебаний волн, вызванных угловой скоростью ω, а также импульсами от генератора периодических однополярных импульсов напряжения, их следствием явились встречные потоки электромагнитных волн с выходной информацией.
Поставленная задача решается тем, что в сверхвысокочастотном резонансном гироскопе с импульсно-периодическим возбуждением, содержащем герметичный вакуумплотный резонатор, генератор сверхвысокочастотного напряжения, подключенный к расположенному внутри резонатора возбудителю электромагнитных СВЧ-колебаний, устройство для ввода и устройство для вывода из резонатора сверхвысокочастотного напряжения одной поляризации, электронное устройство обработки информации, а также фазовращающее устройство, при этом резонатор выполнен в виде кольца в плане, согласно заявляемому техническому решению резонатор выполнен в поперечном сечении круглым с тонкими стенками, перпендикуляр к плоскости кольца параллелен измерительной оси, причем одно устройство ввода и n≥3 устройств вывода сверхвысокочастотного напряжения выполнены в виде электродов, вводимых в резонатор по радиальным направлениям его диаметральной плоскости круглого сечения перпендикулярно измерительной оси с одинаковыми расстояниями между устройствами вывода сверхвысокочастотного напряжения в пределах длины волны, устройства ввода и вывода сверхвысокочастотного напряжения через последовательно соединенные с ними аналого-цифровые преобразователи соединены с бортовым компьютером, так что с соответствующими (n+1) входами бортового компьютера соединены выходы аналого-цифровых преобразователей, последовательно с генератором сверхвысокочастотного напряжения соединен формирователь прямоугольных однополярных периодических импульсов, причем продолжительность каждого импульса лежит в пределах долей единицы микросекунды, а продолжительность отсутствия напряжения в периоде в тысячи раз больше длины однополярного импульса. В полость резонатора введен диэлектрик с высоким значением электрической проницаемости, а внутренняя полость содержит встречно-штыревую систему. Устройство обработки информации выполнено в виде блока аналого-цифровых преобразователей, связанных с бортовым компьютером.
Ниже приводится описание схем конструкции и работы кольцевого резонансного гироскопа сверхвысокочастотного диапазона.
На фиг. 1 представлена конструктивно-функциональная схема прибора и конструктивная схема кольцевого резонатора штыревого типа, на фиг. 2 - конструктивная схема фазовращающего устройства, на фиг. 3 - электрическая функциональная схема генератора сверхвысокочастотного прямоугольного однополярного периодического напряжения.
Основу прибора составляет круговой в плане резонатор 1 с круглым тонкостенным поперечным сечением его корпуса, закрепленный на корпусе 2 подвижного объекта с заземлением в коаксиальных кабелях и проводах. Внутренняя полость резонатора может содержать встречно-штыревую систему 12 (фиг. 1), образованную последовательным чередованием выступов и впадин. Плоскость осевой линии 3 кругового резонатора лежит в плоскости oxy чертежа и перпендикулярна измерительной оси oz прибора, направленной в сторону наблюдателя. Резонатор 1 является герметичным, вакуумплотным с круглым сечением. Внутренняя поверхность покрыта сплавом, например, золотым, поддающимся накатке для достижения высокой степени гладкости. Это нужно для снижения потерь. В полость резонатора 1 введен возбудитель 4 в виде, например, круглого штыря для подведения энергии электромагнитных импульсных периодических сверхвысокочастотных колебаний [Власов В.Ф. Курс радиотехники. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 928 с.; Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. В 2-х томах. Т. 1. - М: Высшая школа, 1970. - 440 с.].
Частота подводимого напряжения и размеры резонатора 1 соответствуют условиям резонанса [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. В 2-х томах. Т. 1. - М.: Высшая школа, 1970. - 440 с.] электромагнитных волн.
(1)
(2)
(3)
(n)
(1)
(2)
(3)
(n)
Кроме того, введены еще n электродов 5, 5, 5, …, 5, конструктивно аналогичных возбудителю 4, но выполненных с возможностью отвода энергии электромагнитных колебаний и являющихся зондами [Эпштейн А.Г. Измерительная аппаратура сверхвысоких частот. - Л.: Судостроение, 1965. - 251 с.]. Количество электродов 5, 5, 5, …, 5 должно быть таким, чтобы они позволяли отобразить кривую электрической напряженности не менее, чем для полной волны неподвижной интерференционной картины, образованной встречными бегущими волнами, следовательно, n должно быть не менее 3 (n≥3).
(1)
(2)
(1)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(1)
(3)
(4)
(1)
(5)
В резонаторе размещено фазовращающее устройство 6, предназначенное для коррекции сигнала прибора, основанное, например, на эффекте Фарадея и представляющее собой невзаимный элемент [Эпштейн А.Г. Измерительная аппаратура сверхвысоких частот. - Л.: Судостроение, 1965. - 251 с., с. 115]. Фазовращающее устройство 6 может быть выполнено в виде ферритового фазовращателя (фиг. 2). В отрезке круглого волновода 6 расположен ферритовый стержень 6. На входе и выходе волновода 6 установлены соответственно поляризаторы 6 и 6 в виде диэлектрических пластинок. Катушка 6 выполнена с возможностью создания продольного магнитного поля. Элементы 6, 6 являются переходниками от круглого в сечении резонатора к круглому отрезку волновода 6. Одна из пластин 6, 6 является поляризатором для волны, приходящей к ней из волновода, а другая - деполяризатором. Снаружи волновода 6 расположена катушка 6. В целом, фазовращающее устройство 6 является невзаимным элементом, в силу чего левая и правая электромагнитные волны претерпевают при проходе через него различные фазовые сдвиги.
(0)
(1)
(2)
(n)
(1)
(2)
(n)
(n+1)
(1)
(n+1)
Возбудитель электромагнитных СВЧ-колебаний 4 соединен с выходом генератора 7 прямоугольного напряжения СВЧ с помощью коаксиального кабеля 8, этот же выход соединен аналогичным коаксиальным кабелем с соответствующим входом блока аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 9. Электроды 5, 5, …, 5 также с помощью коаксиальных кабелей 8, 8, …, 8 образуют устройства для ввода и вывода из резонатора СВЧ напряжения и соединены с соответствующими им входами блока АЦП 9. Вход (n+1) этой схемы соединен кабелем 8 источника постоянного напряжения. Выходы (n+1) аналого-цифровых преобразователей 9, …, 9, входящих в блок 9, соединены с соответствующими входами бортового компьютера 10 с образованием устройства обработки информации.
1
2
3
1
2
3
4
Генератор 7 СВЧ-колебаний однополярных периодических прямоугольных колебаний напряжения может быть выполнен как автогенератор на основе СВЧ-транзисторов с использованием кварцевого резонатора, выполненного в соответствии со схемой фиг. 3, дополненной формирователем прямоугольных импульсов. На этой схеме указаны микроэлектронные элементы: ДД1.1, ДД1.2 - линейные инвертирующие усилители, ДД1.3 - буерный инвертирующий усилитель, R, R, R - резисторы обратных связей, С, С - конденсаторы постоянной и переменной емкостей для подстройки скважности следования выходных сигналов, кварцевый элемент ZQ1 служит для стабилизации частоты генерируемых СВЧ-колебаний, С, С - разделительные конденсаторы. Обеспечение нужной скважности периодических импульсов обеспечивается формирователем импульсов 11. Реализуемость генератора СВЧ-колебаний подтверждается, например, описанной в журнале «Радио» схемой кварцевого генератора RTFQ1 [Радио, 2002, №12, с. 43-11] с частотой генерации 868,35 МГц.
Аналого-цифровой преобразователь может быть стандартным, описанным, например, в [Маргелов А. Микроконтроллеры ТМ3430. Technology Instrument / Электронные компоненты. №5, 2002]. В качестве бортового компьютера может быть применен, например, микроконтроллер MS 683 XX, 100 МГц, 32 разряда [www.motorola.com].
Функционирование прибора происходит следующим образом.
(0)
(1)
(2)
(n)
(1)
(2)
(n)
(1)
z
0
После его подключения к источникам питания генератор 7 начинает вырабатывать напряжение прямоугольных периодических однополярных СВЧ-колебаний. Скважность такова, что продолжительность импульса - микросекунды, время до следующего импульса несколько больше времени затухания переходного процесса электромагнитных волн. Оно через устройство для ввода и устройство для вывода 8 в виде коаксиального кабеля подводится к электроду 4. Последний возбуждает электромагнитное поле в полости резонатора 1, в результате чего в направлении, а также против направления хода часовой стрелки возникают два встречных потока бегущих, постепенно затухающих электромагнитных волн одинаковой частоты. Интерферируя, они создают систему стоячих электромагнитных волн - неподвижную относительно резонатора 1 интерференционную картину. При появлении угловой скорости ω поворота корпуса 2 вокруг оси oz частоты встречных потоков электромагнитных волн изменяются (фиг. 1) - частота потока волн, бегущих против часовой стрелки уменьшается, а бегущих навстречу - увеличивается. За счет вихревого эффекта Саньяка при этом относительно каждого из электродов 5, 5, …, 5 фазы Саньяка имеют различные значения. Подтвердим это утверждение следующими соотношениями (фиг. 1). Напряжения, наводимые на электродах 5, 5, …, 5, определяют суммами напряжений волн, бегущих против часовой стрелки (, n=1, 2, 3, …) и по часовой стрелке (, n=1, 2, 3, …): . Для электрода 5 получают (при малом затухании) следующую формулу для напряжения (φ=90°):
При малых  имеем: .
Здесь U - амплитуда напряжения на штыре;
0
ω, φ - частота и начальная фаза, наводимые генератором 7;
, - фазы Саньяка от соответствующих бегущих волн;
t - текущее время;
τ - приведенное время.
Фазу Саньяка определяют по формулам, полученным на основе [Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп / Шереметьев А.Г. - М.: Радио и связь, 1987. - 152 с.]:
где r - радиус окружности, на которой лежат концы штырей;
λ - длина волны в свободном пространстве;
L, S - периметр и площадь резонатора.
z
Условие резонанса - это обеспечение условия, при котором целое число длин волн укладывается на периметре резонатора. Оно выполняется как при неподвижном, так и при вращающемся с угловой скоростью ω, корпусе.
Следование импульсов подбирают с периодами, когда переходные процессы встречных электромагнитных волн затухают на периоде. После затухания колебаний от предыдущего импульса приходит следующий импульс напряжения, возбуждающий новые затухающие колебания электромагнитных волн и. т.д.
При этом приращения импульсов суммируют в компьютере 10:
01
Особенность круглого в сечении резонатора 1 - малые потери, за счет чего пробег электромагнитных волн в резонаторе круглого тонкостенного сечения (при прочих равных условиях) в десятки и сотни раз больше, чем резонаторе прямоугольного сечения. Об этом говорится в [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. В 2-х томах. Т. 1. - М.: Высшая школа, 1970. - 440 с.]: волна типа Н в круглом волноводе (в сечении и плане) обладает аномальными свойствами - затухание этой волны ассимптотически стремится к нулю при неограниченном росте е частоты. Кроме того, у данного типа волны существуют только кольцевые токи, что обеспечивает целостность картины распределения полей в резонаторе при зондовых (с помощью штырей) измерениях [7, с. 112-113]. Потери в таком волноводе:
где  - циклическая частота, Гц;
ст
-1
-1
σ - удельная объемная проводимость материала стенок, Ом·м;
кр
01
λ - критическая длина волны H-типа в данном волноводе, м;
r - радиус волновода, м.
10
10
Оценочные расчеты для сверхвысокочастотного резонансного гироскопа с радиусом кольца резонатора 10 см при абсолютной угловой скорости вращения резонатора ω=1 рад/с для резонатора, выполненного из волновода прямоугольного сечения, внутренние стенки которого покрыты золотой пленкой, показывают [Сивяков Б.К. Математическое моделирование работы СВЧ гироскопа с активным резонатором / Б.К. Сивяков, Ю.П. Слаповская // XV Санкт-Петербургская междунар. конф. по интегрированным навигационным системам: сб. материалов / ЦНИИ "Электроприбор". - СПб., 2008], что на частоте 30 ГГц (размеры поперечного сечения резонатора 7.112×3.556 мм) коэффициент затухания для волны типа Н составляет 0,068 дБ/м, на частоте 300 ГГц (размеры резонатора 1.295×0.648 мм) коэффициент затухания для волны типа Н, составляет 0,701 дБ/м.
01
01
Оценочные расчеты для сверхвысокочастотного резонансного гироскопа с радиусом кольца резонатора 10 см при абсолютной угловой скорости вращения резонатора ω=1 рад/с для резонатора, выполненного из волновода круглого сечения радиусом 1.91 см, внутренние стенки которого покрыты золотой пленкой, показывают, что на частоте 30 ГГц коэффициент затухания для волны типа Н составляет 0,00697 дБ/м, на частоте 300 ГГц коэффициент затухания для волны типа Н составляет 0,00021 дБ/м.
Таким образом, при прочих равных условиях до затухания колебаний на частоте 30 ГГц в резонаторе прямоугольного сечения волны сделают 701 оборот, в резонаторе круглого сечения - 6838 оборотов; на частоте 300 ГГц в резонаторе прямоугольного сечения - 68 оборотов, в резонаторе круглого сечения - 228272 оборота.
В случае применения встречно-штыревого резонатора 12 (фиг. 1), чувствительность прибора повышается, что видно из формулы:
зам
где k - есть сумма коэффициента замедления за счет штырей 16 и коэффициента преломления от диэлектрика [Малеев П.И. Новые типы гироскопов. - Л.: Судостроение, 1971. - 160 с.; Власов В.Ф. Курс радиотехники. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 928 с.]:
ф
где V - фазовая скорость волны.