ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА БЕЗДРЕЙФОВОГО КОЛЬЦЕВОГО ЛАЗЕРНОГО ОДНООСНОГО ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА
OPTIC SYSTEM OF DRIFT STABILISED RING LASER SINGLE-AXIS SENSOR OF ANGULAR SPEED OF LASER GYROSCOPE

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к оптическим схемам преобразователей угловой скорости на кольцевых лазерах.
Известны [3, с.190, рис.10.2] основные оптические схемы кольцевых оптических резонаторов, используемых для измерения угловой скорости вращения, и ее вариаций.
Известна оптическая схема нечувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора [1, с.382, рис.10, 12.] и [2, с.28, рис.17] содержащая три глухих и одно выходное полупрозрачное зеркала, расположенные в вершинах четырехугольника и образующие одиночный кольцевой оптический резонансный контур с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости, два отрезка которой соединяют зеркала, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника, а два других соединяют зеркала, расположенные в противолежащих вершинах четырехугольника. Особенностью данного резонатора является его нечувствительность к вращению.
Известна оптическая схема чувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора [3, с.190, рис.10.2 а] и [4, стр.382, рис.9], содержащая три глухих и одно выходное полупрозрачное зеркала, расположенные в вершинах четырехугольника и образующие одиночный кольцевой оптический резонансный контур, с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости и соединяющей зеркала, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника. Кольцевой оптический резонатор, построенный по данной оптической схеме, обладает чувствительностью к вращению и может быть использован в качестве чувствительного элемента гироскопа.
Техническим результатом является создание оптической схемы бездрейфового кольцевого лазерного одноосного датчика угловой скорости лазерного гироскопа. Данный технический результат достигается тем, что оптическая схема кольцевого лазерного одноосного датчика угловой скорости представляет собой оптическую схему нечувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора, содержит три глухих и одно выходное полупрозрачное зеркала, расположенные в вершинах четырехугольника и образующие одиночный кольцевой оптический резонансный контур с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости, два отрезка которой соединяют зеркала, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника, а два других соединяют зеркала, расположенные в противолежащих вершинах четырехугольника, и отличается тем, что в нее дополнительно введен светоделитель, расположенный таким образом, что в полученной оптической схеме кольцевого резонатора образуется второй одиночный кольцевой оптический резонансный контур с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости, оптическая схема которого эквивалентна оптической схеме чувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора, содержит три глухих и одно выходное полупрозрачное зеркала, расположенные в вершинах четырехугольника и образующие одиночный кольцевой оптический резонансный контур, с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости и соединяющей зеркала, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника, при этом светоделитель осуществляет светоделение между контурами в равных долях и посредством него осуществляется оптическая связь зеркал резонатора на проход через него и на отражение от него, при этом на проход через светоделитель связаны зеркала резонатора, расположенные в противолежащих вершинах четырехугольника, а на отражение через него связаны зеркала резонатора, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника и непосредственно оптически не связанные друг с другом, причем контуры резонатора геометрически эквивалентны, оптические оси контуров лежат в одной плоскости, они совмещены друг с другом, но не совпадают, оптическая ось первого контура дважды пересекает светоделитель в одной точке, а оптическая ось второго контура дважды преломляется в этой же точке.
Таким образом, в полученной оптической схеме бездрейфового кольцевого лазерного одноосного датчика угловой скорости образуются два геометрически эквивалентных оптических контура, между которыми светоделитель осуществляет светоделение в равных долях, первый из контуров нечувствителен к вращению и его оптическая схема эквивалентна оптической схеме нечувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора [1, с.382, рис.10.12.] и [2, с.28, рис.17], а второй чувствителен к вращению и его оптическая схема эквивалентна оптической схеме чувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора [3, с.190, рис.10.2а] и [4, стр.382, рис.9].
На фиг.1 представлена известная [1, с.382, рис.10.12.] и [2, с.28, рис.17] оптическая схема нечувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора, который содержит три глухих зеркала 1, 2, 3 и одно выходное полупрозрачное зеркало 4, расположенные в вершинах четырехугольника и образующие одиночный кольцевой оптический резонансный контур с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости, два отрезка которой соединяют зеркала, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника, а два других соединяют зеркала, расположенные в противолежащих вершинах четырехугольника. В контуре могут распространяться две встречные световые волны, левонаправленная 5 и правонаправленная 6. На фиг.2 представлена известная [3, с.190, рис.10.2а] и [4, стр.382, рис.9] оптическая схема чувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора, который содержит три глухих зеркала 1, 2, 3 и одно выходное полупрозрачное зеркало 4, расположенные в вершинах четырехугольника и образующие одиночный кольцевой оптический резонансный контур, с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости и соединяющей зеркала, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника. В контуре могут распространяться две встречные световые волны, левонаправленная 5 и правонаправленная 6. На фиг.3 представлена оптическая схема четырехзеркального оптического резонатора, оптическая схема которого эквивалентна оптической схеме чувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора [3, с.190, рис.10.2а] и [4, стр.382, рис.9], а также см. фиг.2, который содержит три глухих зеркала 1, 2, 3 и одно выходное полупрозрачное зеркало 4, а также двухстороннее зеркало 7. В контуре могут распространяться две встречные световые волны, левонаправленная 5 и правонаправленная 6. (Примечание: фиг.3 дана только для пояснения принципа перехода от конфигурации оптической схемы чувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора фиг. 2 к конфигурации оптической схемы чувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора фиг.3. Двухстороннее зеркало 7 в оптической схеме бездрейфового кольцевого лазерного одноосного датчика угловой скорости лазерного гироскопа не используется, в датчике угловой скорости используется светоделитель). Оптическая схема кольцевого лазерного одноосного датчика угловой скорости показана на фиг.4 и 5 и представляет собой оптическую схему нечувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора 9 (см. также фиг. 1), содержит три глухих зеркала 1, 2, 3 и одно выходное полупрозрачное зеркало 4, расположенные в вершинах четырехугольника и образующие одиночный кольцевой оптический резонансный контур 9 с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости, два отрезка которой соединяют зеркала 1, 4 и зеркала 2, 3, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника, а два других отрезка ломанной соединяют зеркала 1, 2 и зеркала 3, 4, расположенные в противолежащих вершинах четырехугольника, и отличается тем, что в нее дополнительно введен светоделитель 8, расположенный таким образом, что в полученной оптической схеме кольцевого резонатора образуется второй одиночный кольцевой оптический резонансный контур 10, с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости, оптическая схема которого эквивалентна оптической схеме чувствительного к вращению четырехзеркального кольцевого оптического резонатора (см. фиг.2 и фиг.3), содержит три глухих зеркала 1, 2, 3 и одно выходное полупрозрачное зеркало 4, расположенные в вершинах четырехугольника и образующие одиночный кольцевой оптический резонансный контур 10 с оптической осью в виде замкнутой ломаной линии, лежащей в одной плоскости и соединяющей зеркала 1, 2, 3 и 4, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника, при этом светоделитель 8 осуществляет светоделение между контурами 9 и 10 в равных долях и посредством него осуществляется оптическая связь зеркал 1, 2 и зеркал 3, 4 резонатора на проход через него, а также зеркал 1, 3 и зеркал 2,4 на отражение от него, при этом на проход через светоделитель связаны зеркала 1, 2 и зеркала 3, 4 резонатора, расположенные в противолежащих вершинах четырехугольника, а на отражение через него связаны зеркала 1, 3 и зеркала 2,4 резонатора, расположенные в прилежащих вершинах четырехугольника и непосредственно оптически не связанные друг с другом, причем контуры резонатора 9 и 10 геометрически эквивалентны, оптические оси контуров 9 и 10 лежат в одной плоскости, они совмещены друг с другом, но не совпадают, оптическая ось первого контура 9 дважды пересекает светоделитель в одной точке 11, а оптическая ось второго контура 10 дважды преломляется в точке 11. На оптической схеме кольцевого лазерного одноосного датчика угловой скорости фиг.4 показаны две левонаправленные световые волны, одна из которых 5 распространяется в контуре, нечувствительном к вращению 9, а другая 6 распространяется в контуре, чувствительном к вращению 10. Благодаря тому что контуры 9 и 10 резонатора геометрически эквивалентны, оптические оси контуров лежат в одной плоскости, они совмещены друг с другом, но не совпадают, на выходе датчика угловой скорости, за выходным полупрозрачным зеркалом 4, две левонаправленные световые волны 5 и 6 контуров 9 и 10 совмещаются, то есть они соосны и однонаправлены, что приводит к их интерференции и наблюдается интерференционная картина 7. На оптической схеме кольцевого лазерного одноосного датчика угловой скорости фиг.5 показаны две правонаправленные световые волны, одна из которых 5 распространяется в контуре, нечувствительном к вращению 9, а другая 6 распространяется в контуре, чувствительном к вращению 10. Благодаря тому что контуры 9 и 10 резонатора геометрически эквивалентны, оптические оси контуров лежат в одной плоскости, они совмещены друг с другом, но не совпадают, на выходе датчика угловой скорости, за выходным полупрозрачным зеркалом 4, две правонаправленные световые волны 5 и 6 контуров 9 и 10 совмещаются, то есть они соосны и однонаправлены, что приводит к их интерференции и наблюдается интерференционная картина 7.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Бездрейфовый кольцевой лазерного одноосный датчик угловой скорости лазерного гироскопа работает следующим образом. Во время работы датчика в нем постоянно происходит случайный уход параметров из-за известных причин таких, как эффекты Ленгмюра, Зеемана, Физо и пр., а также из-за ухода геометрических параметров датчика, то есть возникает интегральная дрейфовая компонента, которая, в конечном счете, приводит к ошибке при измерении скорости вращения датчика. Под работой предлагаемого датчика (фиг.4 и 5) следует понимать то обстоятельство, что в выходной информации (выходной интерференционной картине) датчика должна быть информация о скорости вращения датчика и отсутствовать интегральная дрейфовая компонента. Так как датчик одновременно состоит из двух геометрически эквивалентных оптических резонансных контуров 9 и 10, оптические оси которых лежат в одной плоскости, совмещены друг с другом, но не совпадают, то в каждом из контуров 9 и 10 датчика одновременно возникает интегральная дрейфовая компонента, причем параметры дрейфовых компонент в каждом из контуров эквивалентны. Рассмотрим случай с интерференцией левонаправленных волн в контурах датчика, показанной на фиг.4. Как было описано ранее, на выходе датчика, за выходным полупрозрачным зеркалом 4 две левонаправленные световые волны 5 и 6 соответственно контуров 9 и 10 совмещаются, то есть они соосны и однонаправлены, что приводит к их интерференции и наблюдается интерференционная картина 7. Известно, что параметры интерференционной картины определяются соотношением параметров интерферирующих волн, и по этим параметрам можно определить величину скорости вращения датчика. Покажем, что параметры интерференционной картины 7 не будут зависеть от интегральной дрейфовой компоненты. Пусть левонаправленная световая волна 5 имеет совокупный параметр X, а левонаправленная световая волна 6 имеет совокупный параметр Y, тогда соотношение параметров этих волн будет Z=Х-Y. Добавим к совокупному параметру каждой волны интегральную дрейфовую компоненту Δ. При этом световая волна 5 будет иметь совокупный параметр X=Х+Δ, а световая волна 6 будет иметь совокупный параметр Y=Y+Δ. При этом соотношение параметров этих волн будет Z=X-Y=X+Δ-(Y+Δ)=X-Y. В результате получили, что Z=Z, а это означает, что при наличии интегральной дрейфовой составляющей в каждом из контуров датчика соотношение совокупных параметров волн 5 и 6 не меняется, поэтому параметры интерференционной картины, определяемой совокупными параметрами интерферирующих волн на выходе датчика, не будут зависеть от интегральной дрейфовой компоненты. Теперь покажем, что параметры интерференционной картины 7 будут зависеть от величины скорости вращения. Пусть левонаправленная световая волна 5 имеет совокупный параметр X, а левонаправленная световая волна 6 имеет совокупный параметр Y, тогда соотношение параметров этих волн будет Z=Х-Y. Добавим к совокупному параметру каждой волны компоненту, связанную с вращением датчика Δв. Эта компонента в каждом из контуров 9 и 10 датчика возникает одновременно и ее параметры в каждом из контуров эквивалентны. При этом световая волна 5 будет иметь совокупный параметр X=Х+Δв, а световая волна 6 будет иметь совокупный параметр Y=Y+Δв. Но, как было сказано ранее, датчик одновременно состоит из двух геометрически эквивалентных оптических резонансных контуров 9 и 10, причем контур 9 нечувствителен к вращению, а контур 10 чувствителен к вращению, поэтому в контуре 9 компонента Δв, связанная с вращением датчика будет скомпенсирована самим контуром 9, то есть в этом контуре Δв=0, тогда X=Х. При этом соотношение параметров волн 5 и 6 будет Z=X-Y=X-(Y+Δв)=Х-Y-Δв. В результате получили, что Z=Z-Δв, а это означает, что при наличии компоненты Δв в каждом из контуров датчика соотношение совокупных параметров световых волн 5 и 6 зависит от величины этой компоненты, поэтому и параметры интерференционной картины, определяемой совокупными параметрами интерферирующих волн на выходе датчика будут зависеть от компоненты, связанной с вращением датчика Δв. Аналогичные выкладки можно привести для случая с интерференцией правонаправленных волн в контурах датчика, показанной на фиг.5. На основании вышесказанного очевидно, что на выходе предлагаемого бездрейфового кольцевого лазерного одноосного датчика угловой скорости содержится информация о параметрах вращения датчика и отсутствует интегральная дрейфовая компонента.
Источники информации
1. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. Под ред. проф. С.И.Бычкова, М.: Сов. радио, 1975. 424 с.
2. Д.П.Лукьянов, В.Е.Привалов. Кольцевые газовые лазеры для измерения параметров движения. ЛДНТП. 1975. 32 с. С ил.
3. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с.
4. Журнал «Успехи физических наук», 1969 г., март, Том 97, вып. 3