Диссертация (Влияние температуры внешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановских лазерных датчиков вращения), страница 2

Точность зеемановских лазерных датчиковвращения, прежде всего, определяется степенью подавления связи встречныхволн через обратное рассеяние, а так же обеспечением стабильности параметровЛГ и его систем жизнеобеспечения во времени. Одним из параметров ЛГ,характеризующих величину связи встречных волн через обратное рассеяниеявляется ширина зоны захвата, которая возникает в отсутствии частотнойподставки при малых угловых скоростях вращения.В ЛГ со знакопеременной частотной подставкой влияние связи встречныхволнчерезобратноерассеяниепроявляетсячерездинамическиезонысинхронизации, а при использовании десинхронизаторов через шумовуюсоставляющую выходного сигнала.

Как правило, вклад обратного рассеяниясоставляет основную часть шумовой составляющей.Исследованию статических зон захвата в ЛГ с линейной поляризациейвстречных волн посвящено множество работ, которые появляются в открытойпечати по настоящее время [17,18]. В частности к ним относятся исследованияпроявлений связи встречных волн при работе лазера внутри зоны захвата илипосле выхода из нее [19,20]. Большое количество работ посвящено исследованиюдинамических зон синхронизации, возникающих в ЛГ со знакопеременнойчастотной подставкой, и способам их уменьшения [21-27].

Работ по исследованиюстатических зон захвата в ЛГ с круговой поляризацией излучения мало и ихнедостаточно для обоснования технологических решений [28]. Работы, в которыхбыло бы исследовано влияние температуры внешней среды и саморазогрева настатические и динамические зоны захвата в зеемановских ЛГ отсутствуют.Зависимость смещения нуля ЛГ от времени исследовалась в работе [29], гдебыло отмечено, что временная нестабильность смещения нуля ЛГ обусловленарядом различных факторов, таких как изменения периметра резонатора,8перескоки между различными модами, нестабильность температуры активнойсреды, тока накачки и т.д.Известны работы, посвященные исследованию влияния тока разряда в КЛна выходные характеристики ЛГ с линейной поляризацией излучения [17,30], нонет публикаций аналогичных исследований для ЛГ с круговой поляризацией.В диссертационной работе впервые исследовано энергопотреблениезеемановского лазерного датчика вращения в зависимости от схемы горенияразряда: в одном и двух плечах в каждом газоразрядном промежутке (ГРП).

Взеемановских ЛГ данная схема не применялась, так как качество отечественныхзеркал для зеемановских гироскопов не позволяло это сделать. В тоже время онауспешно применяется практически во всех ЛГ с прямоточной накачкой навиброподвесе, где используется линейная S поляризация и проще получитьзеркала высокого качества. В России такая схема включения успешноприменяется, например, в ЛГ типа ЛГ-1 разработки ОАО «МИЭА» [31], а взарубежных фирмах практически во всех приборах.

Так ЛГ фирмы RAYTHEONимеют оптико-физическую схему, обеспечивающую четырехчастотный режим намодах с круговой поляризацией [32], и работают с прямоточным разрядом содним плечом в каждом ГРП, что позволило получить высокую стабильностьвыходных характеристик, несмотря на большой ток разряда и малый диаметрканалов. На этой схеме сейчас работают ЛГ типа ZLG (Zero-Lock Laser Gyro)фирмы Litton [33,34], которая в 2001 г. вошла в состав Northrop Grumman (США).Цель и задачи. Целью работы является исследование влияния температурывнешней среды и саморазогрева на выходные характеристики зеемановскихлазерных датчиков вращения, определяющих точность гироскопов на их основе, втом числе при увеличении времени непрерывной работы.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаютсяследующие задачи:9исследование нестабильности ширины статической и динамической зонзахватавзеемановскихлазерныхдатчикахвращенияприразличныхтемпературных воздействиях;исследование нестабильности периметра резонатора зеемановскоголазеракольцевого(ЗЛК)привнешнемтемпературномвоздействииисаморазогреве;исследование влияния величины тока накачки на ширину статической зонызахвата и невоспроизводимость смещения нуля зеемановского лазерного датчикавращения;исследование режима работы зеемановского лазерного датчика вращения сгорением разряда в одном плече в каждом ГРП.Научная новизна.

Научная новизна диссертационной работы заключаетсяв следующем:1.Впервые получены статистические данные о влиянии температурыокружающей среды на ширину статической и динамической зон захвата, влияниятока накачки на ширину статической зоны захвата и невоспроизводимостьсмещения нуля в зеемановских лазерных датчиках вращения.2.Впервые проведено исследование зависимости величины статической зонызахвата зеемановского лазерного датчика вращения от времени нахождения в нейи после выхода из нее.3.Впервые разработана методика измерения относительного измененияпериметра резонатора ЗЛК, позволяющая отбирать зеемановские лазерныедатчики вращениядля ЛГ с длительным временем непрерывной работыводномодовом режиме без потери точности.4.Впервые разработана методика прогнозирования времени непрерывнойработы в одномодовом режиме зеемановского лазерного датчика вращения.5.Впервые проведено исследование выходных характеристик зеемановскоголазерного датчика вращения в режиме работы с горением разряда в одном плече вкаждом ГРП.10Теоретическая и практическая значимость работы.

Большой объемпроведенныхэкспериментальныхисследованийлазерных датчиков вращения, ирезонаторовзеемановскихпоследующий анализ позволили получитьстатистические данные о поведении статической и динамической зон захвата притемпературныхвоздействиях.Полученныезависимостивосновномподтверждаются теорией, но в то же время были обнаружены приборы, в которыхповедение зон захвата отличалось от предсказываемых теорией.Найдены закономерности изменения границ статической зоны захвата отвремени нахождения в ней и вне ее. Качественно найденные закономерностиописываются теорией дополнительнойинерционной обратной связи междувстречными волнами [19,20].В ходе выполнения диссертационной работы автором были полученырезультаты, которые позволили:увеличить время непрерывной работы зеемановских лазерных датчиковвращения ЭК-104С в одномодовом режиме с одного часа до четырех часов присохранении точностных параметров;уменьшить энергопотребление датчиков ЭК-104С на 16% за счет переходана пониженный ток накачки и повысить их точность, в частности: уменьшитьширину статической зоны захвата на 17%, снизить величину выбега смещениянуля с 0,5-1,0 º/ч до 0,2-0,3 º/ч, нестабильность смещения нуля с 1-3 º/ч до 0,3-0,9º/ч;уменьшить энергопотребление и саморазогрев датчиков К-5 на 30% за счетперехода на режим работы ЗЛК с горением разряда в одном плече в каждом ГРПи повысить точность датчиков, в частности: уменьшить ширину статической зонызахвата на 40%, снизить нестабильность смещения нуля с 0,1-0,15 º/ч до 0,05-0,08º/ч.упростить конструкцию ЗЛК за счет перехода на режим работы с горениемразряда в одном плече каждого ГРП.Представленныевработепрограммыиметодикидоведеныдопрактического применения в серийно выпускаемых приборах и позволяют11обеспечить требуемые параметры датчиков ЭК-104С и К-5 без увеличениявремени проведения технологических испытаний датчиков.Методология и методы исследования.

Основные результаты, полученныев работе, базируются на инженерно-физическом эксперименте, эмпирическомметоде, методе аналогии, статистико-вероятностным методе, прогнозировании сприменением аппроксимации.В работе представлены специальные методики дляисследованияконкретных параметров зеемановских лазерных датчиков, позволяющие выбиратьоптимальный режим работы прибора. К данным методикам относятся: методикиизмерения статических и динамических зон захвата при температурныхвоздействиях, методика измерения дрейфа периметра резонатора датчика вширокомдиапазонетемператур.Личноавторомразработанаметодикапрогнозирования времени непрерывной работы датчика, методика выборанапряжения предустановки системы регулировки периметра (СРП) при измеренииточностныхпараметров,методикаизмеренияотносительногоотклонениямасштабного коэффициента зеемановских лазерных датчиков вращения.Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующиеположения, полученные лично автором:1.Изменение температуры окружающей среды в диапазоне -55…+75 неоказывает существенного влияния на среднестатистическую ширину статическойзоны захвата зеемановского лазерного датчика вращения.2.При работе зеемановского лазерного датчика вращения внутри статическойзоны захвата в течение 30 минут и более, наблюдается многократное увеличениеширины зоны захвата, которое полностью устраняется путем последующейработы прибора с частотной подставкой в течение 1 часа.3.Влияниевнешнейтемпературыдинамической зоны захватанасреднестатистическуюширинузеемановского лазерного датчика вращения восновном определяется зависимостью амплитуды частотной подставки оттемпературы.124.Отбор ЗЛК по величине относительного удлинения периметра и выборнапряжения предустановки СРП обеспечивают увеличение времени непрерывнойработы зеемановского лазерного датчика вращения в одномодовом режиме присохранении точностных параметров.5.Снижение тока накачки позволяет уменьшить ширину статической зонызахвата и повысить воспроизводимость смещения нуля зеемановского лазерногодатчика вращения.6.Переход на режим работы зеемановских лазерных датчиков вращения сгорением разряда в одном плече в каждом газоразрядном промежутке позволяетуменьшить их саморазогрев и увеличить точность.Степень достоверности и апробация результатов.

Экспериментальныеданныеполучены с применением современной контрольно-измерительнойаппаратуры и использованием известных методов статистической обработкирезультатов измерений. В работе проанализированы 75 источников литературы,из них 47 отечественных и 14 зарубежных работ других авторов. Обсуждениерезультатовпроведеносучетомсовременныхпредставленийлазернойгироскопии. В работе отсутствуют внутренние противоречия, экспериментальныерезультатысогласуются с теоретическими оценками.

В случае расхожденияданных с результатами других авторов исследований, автором дано обоснованноеобъяснение результатов работы. Научные положения и выводы, изложенные вдиссертации,обоснованыиподтвержденыбольшимэкспериментальнымматериалом. Все это позволяет считать результаты работы достоверными, выводы– обоснованными и вытекающими из полученных результатов.Основные положения ирезультаты диссертации доложены автором,обсуждены на международных конференциях иопубликованы в сборникахтрудов в виде докладов и тезисов научно-технической конференции «Системынаблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Анапа, 2010;53-йи58-йнаучнойконференции«Концентрированные потоки энергии»,МФТИ,Москва,2010,2015гг.;Москва, 2010; 1-ой Всероссийскойшколе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому13направлениюдеятельностинациональнойнанотехнологическойсети«Функциональные наноматериалы для космической техники», Москва, 2010; 18-йи 22-й Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированныминформационным системам, 2011, 2015 гг.; 12-ой и 13-ой конференциях молодыхученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 2011, 2012гг;конференции «Лазеры, измерения, информация» Санкт-Петербург, 2012, 2013гг;20-йМеждународнойнаучнойконференции«Лазерно-информационныетехнологии в медицине биологии и геоэкологии», Новороссийск, 2012; XIМеждународной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия:вопросы технических наук», Москва, 2013.Результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах: втом числе в 4 статьях журналов из перечня ВАК.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения, спискасокращений и условных обозначений, и спискалитературы из 75 наименований. Материал изложен на 120 страницах, включает37 рисунков и 10 таблиц.14Глава 1. Статический захват частот встречных волн в зеемановском лазерномдатчике вращения при температурных воздействиях1.1Интерференция обратного рассеянияПри правильном выборе селектирующей диафрагмы захват в четырехзеркальном симметричном резонаторе определяется интерференционной суммойчетырех волн, рассеянных от четырех зеркал [35]. Амплитуды рассеянных волнопределяются свойствами зеркал и являются величинами постоянными принеизменном токе разряда. Таким образом, за изменение захвата отвечаютотносительные фазы интерферирующих рассеянных волн или, что то же самое,изменение расстояний между точками на зеркалах, на которые падают лучи врезонаторе.