Способ измерения угловых скоростей объектов с помощью кольцевого оптического квантового генератора

Предлагаемое изобретение относится к датчикам угловых скоростей на основе кольцевых оптических квантовых генераторов и может быть использовано при создании высокоточных квантовых гироскопов, измерителей угловых скоростей, магнитных компасов и других приборов.
Обычно в кольцевых оптических квантовых генераторах для преодоления явления синхронизации частот двух встречных лучей и дискриминации знака угловых перемещений применяется невзаимный элемент, основанный на эффекте Фарадея [1]. Этот элемент устанавливается в резонаторе кольцевого оптического квантового генератора по отношению к направлению генерируемых лучей нормально или под углом Брюстера.
В кольцевых оптических квантовых генераторах с активным элементом, имеющим выходные окна под углом Брюстера, излучение имеет линейную поляризацию. При прохождении излучения через невзаимный элемент, к которому приложено продольное магнитное поле, электромагнитная волна приобретает дополнительный фазовый сдвиг, зависящий от величины и направления магнитного поля. В результате этого частоты лучей кольцевого оптического квантового генератора будут отличаться на величину, определяемую выражением:
нэ
р
где R - постоянная Верде; Н - напряженность магнитного поля в направлении распространения лучей; l - длина пути лучей в невзаимном элементе; l - длина периметра резонатора.
Теперь при угловых перемещениях кольцевого оптического квантового генератора его частоты будут изменяться в соответствии с величиной и знаком угловой скорости. При этом частоты лучей будут определяться следующими выражениями:
o
п
л
pн
Ω
где ν - частота излучения, покоящегося кольцевого ОКГ в отсутствии расщепления частоты невзаимным элементом; ν - частота луча, распространяющегося по часовой стрелке; ν - частота луча, распространяющегося против часовой стрелки; F - частота расщепления, обусловленная невзаимным элементом; F - частота расщепления, обусловленная вращением с угловой скоростью Ω. В этом случае направление магнитного поля таково, что его действие совпадает по знаку с действием углового перемещения. После выделения разности в оптических частотах получается частотный сдвиг , определяемый выражением:
Ω
рн
Для измерения F и, следовательно, угловой скорости необходимо исключить F. Это достигается коммутацией магнитного поля в невзаимном элементе.
При противоположном направлении магнитного поля частотный сдвиг будет определяться выражением:
Если из (4) вычтем (5), получим:
По известному соотношению:
S - площадь, охватываемая траекторией лучей;
ν - частота лучей в находящемся кольцевом оптическом квантовом генераторе;
p
l- длина периметра резонатора, находим величину угловой скорости Ω.
p
Практически измерение угловой скорости производится следующим образом. Производится измерение количества импульсов сигнала с частотой  за время ΔT. Затем производится коммутация поля. На это тоже необходимо время Δt. После этого измеряется количество импульсов сигнала частоты  за то же время ΔT. Результаты измерений алгебраически складываются, и таким образом находится ΔF и, следовательно, угловая скорость.
Такой способ измерения позволяет получить усредненные значения угловых скоростей за время измерений 2ΔT и только частично избавиться от влияния нестабильности магнитного поля на точность измерений.
Предлагается способ измерения угловых скоростей, имеющий своей целью обеспечение непрерывного измерения угловых скоростей и устранения влияния на точностные характеристики датчика с кольцевым оптическим квантовым генератором и невзаимным элементом нестабильности магнитного поля.
Рассмотрим динамику системы, реализующей предлагаемый способ, представленную на рис. 1, где:
1 - кольцевой оптический квантовый генератор;
2 - зеркала-поляризаторы;
3 - невзаимный элемент;
4 - призмы Волластона;
5 - зеркала для объединения лучей с одинаковой поляризацией;
6 - полупрозрачные пластины;
7 - средства для выделения разностной частоты;
8 - детектор.
л⊕
п⊕
p⊕
p
- частота волны, поляризованной в горизонтальной плоскости, распространяющейся против часовой стрелки; ν - частота волны, распространяющейся против часовой стрелки и поляризованной в вертикальной плоскости;  - частота волны, поляризованной в горизонтальной плоскости и распространяющейся по часовой стрелке; ν - частота волны, поляризованной в вертикальной плоскости, распространяющейся в направление по часовой стрелки;  - разностная частота от волн с горизонтальной поляризацией; F - разностная частота волн с вертикальной поляризацией; ΔF - разностная частота от углового перемещения.
При приложении к невзаимному элементу поля Н, частоты электромагнитных волн изменяются на величину, определяемую выражением (1), а знак изменения определяется направлением вращения плоскости поляризации волны внутри невзаимного элемента по отношению к направлению магнитного поля [1].
В силу того, что плоскости поляризации волн кольцевого оптического квантового генератора, распространяющихся в одном направлении, взаимно перпендикулярны, то внутри невзаимного элемента они будут иметь противоположно вращающиеся плоскости поляризации. Следовательно, они получат сдвиг частоты по величине в соответствии c (1), но противоположный по знаку. То же произойдет с частотами встречных волн. Значения частот этих волн будут определяться соотношениями:
л⊕
Во вращающемся кольцевом оптическом квантовом генераторе произойдет изменение всех частот на величину . Допустим, что ν от вращения изменилось и определяется в соответствии с выражением:
Тогда частоты остальных волн будут определяться следующими выражениями:
Объединяя лучи с одинаковой поляризацией за пределами резонатора кольцевого оптического квантового генератора, выделяем разницу в их частотах известными методами. Она будет определяться следующими выражениями:
- для электромагнитных волн с вертикальной поляризацией;
p⊕
p
- для электромагнитных волн с горизонтальной поляризацией. Затем, выделяя разницу между F и , получаем выражение для ΔF.
Ω
Зная F, находим величину угловой скорости.
Таким образом, в предлагаемой системе достигается тот же результат, что и ранее, а именно, измерение величины угловой скорости, но без коммутации направления магнитного поля. Следовательно, мы имеем возможность измерить угловую скорость в любой момент времени.
p
Поскольку в выражение (14) не входит значение сдвига частот от магнитного поля, а измерение ΔF производится непрерывно, то влияние нестабильности магнитного поля в предлагаемом способе полностью исключается.
В заключение отмечаем, что предлагаемый способ может быть использован для измерения величины и внешней составляющей магнитного поля. Для этого необходимо сложить (12) и (13), с тем чтобы выделить сигнал , обусловленный только магнитным полем. Изменение величины  будет нести информацию об изменении внешнего магнитного поля.
Литература:
1. Васильев В.П. "Вопросы специальной радиоэлектроники". Серия XII, вып. 14, 1965 г. стр. 3-20.