Кольцевой моноблочный гироскоп с полупроводниковым лазерным диодом: особенности системы съема выходной информации

УДК 629.7.054

КОЛЬЦЕВОЙ МОНОБЛОЧНЫЙ ГИРОСКОП С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДИОДОМ: ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ СЪЕМА ВЫХОДНОЙ

ИНФОРМАЦИИ

Н.А. Ус, С.П. Задорожний, А.А. Авершин

Представлены результаты исследования возможности формирования динамической интерференционной картины на выходе лазерного гироскопа с треугольной оптической схемой, реализующего эффект Саньяка. Предметом исследования является оригинальная конструктивно-технологическая схема оптического интерференционного смесителя. Обоснованы требования к изготовлению смесителя. Представлены сравнительные оценки параметров нового датчика и его аналога - кольцевого газового лазерного гироскопа

Ключевые слова: эффект Саньяка, оптический гироскоп, интерференционный смеситель

Введение

В существующих системах лазерного гироскопа для реализации динамической интерференционной картины на его выходе применяются различные конструктивно-технологические решения интерференционных смесителей. Распространение получили три основные схемы: зеркальные, призменные и голографические [1]. Они отличаются определенной сложностью и ориентированы для конкретных типов оптических кольцевых систем. Применительно к моноблочным конструкциям лазерных гироскопов получили распространение призменные оптические системы смесителей, которые являются ^Н универсальными для оптического контура с любым количеством граней.

В конструктивно-технологическом плане призменный смеситель состоит из полупрозрачного зеркала с коэффициентом пропускания не более 10% и совмещенной с ним прямоугольной призмы специальной конструкции. Ее отличие состоит в том, что ее базовый угол при вершине призмы составляет величину 90°+9. Величина угла 6 может составлять до 2 минут и определяет параметры интерференционной картины устройства в зоне экрана.

Недостатком такого смесителя является сложность технологии его изготовления. Кроме того, отрицательное влияние температуры на такой сэндвич очевидно. Это может быть определяющим для высокостабильных навигационных систем.

В работе проведены исследования по созданию интерференционного смесителя интегрированного типа для кольцевого моноблочного гироскопа с треугольной оптической схемой и применением в качестве источника оптического излучения микромощного

полупроводникового лазерного диода.

Ус Николай Александрович - ВУНЦ ВВС «ВВА», д-р техн. наук, профессор, е-тай: UNA.2012@yandex.ru Задорожний Сергей Павлович - ВУНЦ ВВС «ВВА», старший преподаватель, тел. 8(920)404-42-22 Авершин Александр Александрович - ВУНЦ ВВС «ВВА», адъюнкт, тел. 8(910)746-63-47

В целом кольцевой моноблочный гироскоп с полупроводниковым лазерным диодом

представляет новую группу устройств в общей группе кольцевых газовых лазерных гироскопов и волоконно-оптических гироскопов [2].

1. Оптическая схема формирования интерферометрической картины

Отличительными признаками кольцевого моноблочного гироскопа с полупроводниковым лазерным диодом (КМГ) являются: наличие в качестве основы устройства моноблока с открытыми оптическими каналами, которые формируются, например, в заготовке из органического стекла; оригинальный оптический резонатор, формирующий двунаправленный оптический луч от полупроводникового лазерного диода; полупроводниковый лазерный диод в качестве источника оптического излучения [2,3]. Экспериментальный вариант КМГ лазерного гироскопа с треугольной оптической схемой имеет дополнительно оригинальный оптический интерференционный смеситель [4], совмещенный с юстировочным устройством (рис.1). Оптический контур устройства в моноблоке 1 в качестве обвязки содержит два зеркала полного отражения 2 и оригинальный оптический смеситель 3. Используемая оптическая схема гироскопа и его обвязка облегчают операцию юстировки системы гироскопа и несколько повышают его температурную стабильность, так как относительно точечного источника нагрева (микромощного полупроводникового лазера) конструкция обладает симметричностью. Этим достигается

соразмерность изменения геометрии оптических каналов моноблока. Заметим, что для отвода части энергии оптического луча из оптического контура оптический смеситель должен пропускать на выход гироскопа не более 10%, обеспечивая энергетическую стабильность режима оптического контура.

Конструкция оптического смесителя и принцип его работы, представлены на рис.2.

Рис. 1. Бета-образец КМГ лазерного гироскопа с треугольной оптической схемой

Оптический смеситель в конструкции гироскопа должен выполнять следующие функции: замыкание оптического контура гироскопа, юстировку оптических лучей с целью устранения несоосности оптических каналов, формирование интерференционной картины на выходе прибора.

Оптический смеситель в конструктивном плане представляет собой плоско-параллельную стеклянную призму заданной толщины Н. Величина Н определяет зону экрана L для формируемой интерференционной картины. В ее центре на рабочей поверхности создана вогнутая полусферическая область радиусом R, поверхность которой покрыта полупрозрачным отражающим слоем для рабочей длины волны гироскопа. При этом полусферическая поверхность смесителя позволяет реализовать юстировку оптической системы гироскопа.

Учитывая, что правый и левый оптические лучи приходят к вершине треугольного моноблока с оптическим смесителем под одинаковыми углами а1 = а2 = 300 , на границе раздела «стекло-воздух» при выходе оптического сигнала через полупрозрачное стекло смесителя эффект полного отражения не наблюдается (рис.2). Если толщину этого зеркала Н увеличить с учетом рабочей длины волны X, то угол расходимости ß лучей после границы зеркала будет достаточно мал.

Это приведет к тому, что область перекрытия и интерференции волн в зоне экрана/фотоприемника будет достаточно мала. Как положительный момент следует отметить, что равенство оптических путей правого и левого обеспечивает практически оптимальные условия по интенсивности света в зоне перекрытия волн. Если принять I1=I2=I0, то получим условие интенсивности обоих интерферирующих волн:

il = 41

tmax

1=0'

'min w

Для увеличения этой области необходимо увеличивать рабочую зону L

фотоприемника/экрана. Но тут возникает противоречие, которое связано с дополнительным уменьшением интенсивности света на фотоприемнике.

Работа фотоприемника на удалении более 5 см от выходной фронтальной плоскости зеркала приводит к повышенному уроню шумов фотоприемника, что также нежелательно. Теория показывает, что расстояние между соседними интерференционными полосами (светлыми или темными) определяется как период следования полос известным выражением [6]:

д = \1/а,

Здесь d - расстояние между точками выхода лучей из полупрозрачного зеркала.

Из приведенного выражения следует, что период следования интерференционных полос зависит от рабочей длины полупроводникового лазера. При этом на оси полупрозрачного зеркала контраст интерференционных полос будет максимальным, а к периферии будет уменьшаться.

Рис. 2. Интерференционная картина на выходе полусферического зеркала моноблочной треугольной оптической системы лазерного гироскопа

Оценки в выражении показывают, что при рабочей длине волны 1,0 мкм, толщине полусферического зеркала не более 10 мм и удалении фотоприемника не более 5 мм период следования интерференционных полос составляет порядка 0.3.. .0,6 мм.

В качестве замечаний следует отметить, что для четырехугольной оптической схемы моноблока данные рассуждения не приемлемы, так как лучи приходят в точки переотражения контура зеркал под углом 450. При этом на границе системы «стекло-воздух» происходит появление угла полного отражения при выходе из полупрозрачного плоскопараллельного зеркала. Выходной информационный сигнал в этом случае практически отсутствует.

2. Обработка динамической интерференционной картины

Обеспечить разрешающую способность для такого периода следования интерференционных полос можно, например, увеличив длину расстояния до экрана L или применив фотоприемное устройство специальной топологии с уменьшенным расстоянием между рабочими фотоприемными областями.

Выполненные исследования показывают, что для треугольных моноблочных оптических систем лазерных гироскопов возможно упрощение оптической схемы за счет учета возможностей современной микроэлектронной базы

фотоприемных устройств, в частности, применения дифференциальных фотоприемных диодов, в которых расстояние между двумя соседними фотоприемными областями составляет 10...30 мкм.

Техническое решение разработанного устройства для обработки динамической интерференционной картины раскрывает структурная схема на рис.3. Устройство содержит: 1- оптический резонатор; 2 - интерференционный оптический смеситель; 3 - фокусирующую линзу; 4 - дифференциальные фотодиоды; 5 - два усилителя; 6 - два формирователя счетных импульсов; 7 - систему определения знака угловой скорости; 8 - реверсивный счетчик.

Дифференциальные фотодиоды 4 [7] отличаются своими электрическими и оптическими характеристиками, которые определяются

конструктивно-технологическим решением изделия - объединением двух фотодиодов интегрального типа в одном кармане без разделительной области между ними и минимальными топологическими размерами. Данные линейные размеры могут составлять 5-15 мкм и даже меньше. Это приводит к тому, что соседние фотоприемные области относительно подложки образуют

двунаправленный латеральный транзистор, включенный по схеме с общей базой. При этом, сфокусированная линзой 3 интерференционная картина в плоскости дифференциальных фотодиодов при ее обработке не потребует жестких ограничений на разнесение их апертур относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя. Задача уже решена на конструктивном уровне в дифференциальных фотодиодах.

Данное изделие выпускается электронной промышленностью, как в РФ, так и за рубежом. В отечественной технической литературе фотодиоды такой конструкции получили название «двухплощадные фотодиоды» [8]. Однако, содержательная часть предлагаемого для применения в устройстве фотоприемного устройства имеет принципиальные отличие в конструктивно-топологическом плане и соответствует названию «дифференциальные фотодиоды». Поэтому в данной работе используется данный термин в определении понятия специальное фотоприемное устройство.

Рис. 3. Структурная схема устройства обработки динамической интерференционной картины на базе дифференциальной пары фотоприемников

Устройство обработки динамической интерференционной картины работает следующим образом.

Состояние объекта: отсутствие углового вращения лазерного гироскопа.

Оптический резонатор 1 находится в состоянии равновесия. В контуре циркулируют в противоположных направлениях электромагнитные поля полупроводникового лазерного диода. В оптическом резонаторе устанавливается система стоячих волн. На выходе интерференционного оптического смесителя имеет место статическая

интерференционная картина, т.е.

интерференционные полосы не перемещаются относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя.

При наличии синхроимпульса схема цифровой обработки определяет, что перемещение интерференционных полос отсутствует по причине отсутствия изменения фототока в цепи дифференциальных фотодиодов 4 и выходного сигнала усилителей 5. Схема цифровой обработки определяет, что перемещение интерференционных полос отсутствует, так как система определения знака угловой скорости 7 не фиксирует изменения

направления углового перемещения гироскопа, а код реверсивного счетчика 8 определяет угловую скорость равную нулю.

Состояние объекта: наличие правого (по часовой стрелке) углового вращения лазерного гироскопа со скоростью

Оптический резонатор 1 выведен из состояния равновесия. В контуре циркулируют в противоположных направлениях электромагнитные поля полупроводникового лазерного диода. Однако в оптическом резонаторе система стоячих волн приходит в движение из-за появления набега фазы, обусловленного эффектом Саньяка. На выходе интерференционного оптического смесителя 2 имеет место динамическая интерференционная картина, т.е. интерференционные полосы перемещаются в право (по часовой стрелке) относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя пропорционально угловой скорости вращения гироскопа Й0).

При наличии синхроимпульса схема цифровой обработки определяет, что имеет место правое (по часовой стрелке) перемещение интерференционных полос по причине наличия фототока сначала в цепи фотодиодов 4.2, затем 4.1, выходного сигнала сначала в цепи усилителя 5.2, а потом и в цепи усилителя 5.1. Система определения знака угловой скорости 7, приняв от формирователя счетных импульсов 6.2 импульс направления/знака угловой скорости лазерного гироскопа, формирует соответствующий управляющий сигнал на реверсивный счетчик 8. Реверсивный счетчик 8 начинает считать информационные импульсы, сформированные каналом цифровой обработки от фотоприемника 4.2. Счет продолжается в соответствии с разрешенным временем, задаваемым

синхроимпульсом. Код реверсивного счетчика 8 определяет направление и осредненную угловую скорость лазерного гироскопа за период разрешенного счета от синхроимпульса.

Учитывая, что фотоприемник 4 реализован с помощью дифференциальных фотодиодов, достаточно последний расположить относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя без дополнительной взаимной юстировки относительно соседних

интерференционных полос. Дифференциальный фоторежим обеспечит более точное и быстрое срабатывание фотодиодной пары на динамику интерференционной картины лазерного гироскопа.

Использование разработанного устройства позволяет модифицировать известные лазерные гироскопы на базе кольцевых лазерных схем для навигационных систем объектов с целью повышения их точностных характеристик отсчета измеряемых угловых скоростей и сохранении базисных параметров в качестве датчиков угловых скоростей.

Выводы

В работе развивается подход реализации эффекта Саньяка, на базе которого гироскопический датчик строится на основе оптического кольцевого резонатора, а элементом накачки - является полупроводниковый лазерный диод. Новизна технических решений подтверждена соответствующими патентами РФ.

В результате выполненных научных исследований получены следующие результаты:

1. Анализ оптической интерферометрии в технике навигационных систем позволил выявить новые конструктивно-технологические посылки развития лазерных гироскопов на базе кольцевых моноблочных структур. В качестве конструкционного материала предложено органическое стекло, что существенно упрощает технологию производства и себестоимость изделия. Создан опытный образец КМГ с треугольной оптической схемой и полупроводниковым лазерным диодом.

2. Разработана конструкция интерферометрического смесителя гироскопа с кольцевой треугольной оптической схемой и схема обработки формируемой динамической интерферометрической картины на базе дифференциального фотодиода, новизна технического решения которого подтверждена положительным решением патентного ведомства РФ.

Литература

1. Байбородин, Ю.В. Основы лазерной техники [Текст] / Ю.В. Байбородин. - 2-е изд., перераб. и доп. -Киев: Выща школа. Головное изд-во, 1988. - 388 с.

2. Ус, Н.А. Кольцевой моноблочный гироскоп с полупроводниковым лазерным диодом-базовый элемент бесплатформенной инерциальной навигационной системы [Текст] / Н.А. Ус, С.П. Задорожний // Вестник военно-воздушной академии. Периодическое издание Военно-воздушной академии имени профессора Н.Е. Жуковского и А.Ю. Гагарина (г. Воронеж) - Вып.1(20)-Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014.- С. 184-190.

3. Лазерный гироскоп: пат. 2488773 Российская Федерация, МПК G 01C 19/66. [Текст] / Н.А.Ус; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) (RU). - №2011144273; заявл. 01.07.2011; опубл. 27.07.2013, Бюл. № 21. - 10 с.: ил.

4. Лазерный гироскоп: пат. 2507482 Российская Федерация, МПК G 01C 19/66. [Текст] / Н.А.Ус; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) (RU). - №2011152926/28; заявл. 23.12.2011; опубл.20.02.14 Бюл.№5 - 10 с.: ил.

5. Оптический интерференционный смеситель лазерного гироскопа: решение о выдаче патента РФ от 13.01.2016, МПК G01J 9/02, G 01C 19/64. [Текст] / Н.А.Ус, С.П. Задорожний, О.Н. Склярова, А.А. Авершин; заявитель и патентообладатель ФГКВОУ ВПО ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) (RU) -№2014154356/28(086919) от 30.12.2014.

6. Голубенцева Л.И. Изучение эффекта проявления пространственной когерентности света в интерференционной схеме Юнга: руководство к

лабораторным работам по курсу общей физики [Текст] / Л.И. Голубенцева, О.А. Перепелицин, В.П. Рябухо. Под ред. проф. В.П. Рябухо. - Саратов: СГУ им. Н.Г. Чернышевского, 2006. - 20с.

7. Дифференциальные фотоприемники фирмы SIEMENS. http://html data sheet.ru/siemens/bpx48.htm/

8. Фотоприемные устройства фирмы «Восход»//WWW: ОАО ВОСХОД

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

RING MONOBLOCK GYRO WITH SEMICONDUCTOR LASER DIODE: FEATURES OF THE RETRIEVAL SYSTEM OUTPUT INFORMATION

Presents the results of research into the formation of dynamic interference pattern at the output of the laser gyro with a triangular optical system that implements the Sagnac effect. The research is original constructive and technological scheme of the optical interference mixer. Justified requirements for the construction of the mixer. Presents comparative estimates of the parameters of the new sensor and its analog - gas ring laser gyroscope

Key words: Sagnac effect, the optical gyro, mixer interference

N.A. Us, S.P. Zadorozhny, A.A. Avershin