Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Глава 14. ЛАЗЕРНЫЕ ГИРОСКОПЫ 44.1. Принцип действия, состав и характеристики лазерного гироскопа В лазерном гироскопе (ЛГ) носителем информации об угловой скорости относительно инерциального пространства является электромагнитное излучение, параметры которого изменяются в зависимости от вектора угловой скорости вращения (см. п. 10.!). Принцип работы ЛГ можно описать следующим образом. В кольцевом резонаторе под воздействием накачки возбуждаются две электромагнитные волны с частотами ч, и ч„распространяющиеся по замкнутому контуру в противоположных направлениях. Зти волны, интерферируя между собой, образуют стоячую волну с узлами и пучностями, так что суммарная амплитуда интенсивности электромагнитных колебаний либо максимальна, либо равна нулю. С помощью специального оптического смесителя — интерферометра и при наличии внешнего возмущения в виде угловой скорости ь1 (1), которую нужно измерять, интерференционную картину можно зафиксировать 161.
Если кольцевой резонатор привести во вращение, то на основании эффекта Саньяка в смесителе-интерферометре и в оптически связанном с ним фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты Ер — (ч, — ч,) — частота биений, по которой можно четко различить прохождение темносветлых полосок интерференционной картины от- 28! 1 ! Рр = Казоф 11 (1) 4)зх ° (14.1) -(Уа зР» Зф 1 !Π—" Пт = — ~= — — 0,1 Гц. 2п )О-(з 288 Рис. 14.1. Структурная схема ЛГ с сниусоидзльной «подсгаикойз; 1, 11 — системы стабилизации периметра резак»тара а мощности саатзатстааииа; 2 — кольце- аай лазер (каазтазый чуастзительаый модуль); 3 — фатадаады; 4 — усилители', б — форма.
рааатсли; 6 — оптический смааиталь; 1 — схема »кака; 3 — резарсаааый счетчик; 9 — састе- ма «падстазки»; 13...13 — састемы питании и пад» ага; и (и — ахадаае заздайстаие (измерае. маи угловая скорость); СН вЂ” саихраимпульсы из ЭВМ носительно фотоприемника. Чем быстрее вращается система в целом, тем чаще проходят темные полоски и тем выше частота выходного сигнала. Таким образом, мерой угловой скорости ьб (О служит сигнал разностной частоты Рр.
Ток фотоприемника усиливается, формируется и преобразуется в электронном тракте в сигнал двоичного кода, который поступает в бортовую ЭВМ и далее, например в контур управления полетом летательного аппарата. Лазерный гироскоп представляет собой многоконтурную взаимосвязанную систему автоматического регулирования, в которую помимо чувствительного модуля (кольцевого лазера) введен целый ряд систем: стабилизации мощности, магнитного поля, частоты, регулировки периметра резонатора. Для создания смещения по частоте, увеличения точности ЛГ и определения знака вводят систему частотной «подставкн» и систему обработки информации (рис. 14.1).
Стабилизация устройства основана на методах, обеспечивающих защиту резонатора, цепей питания и выходного сигнала от действия внешних и внутренних электрических и магнитных полей. Используют и другой метод стабилизации — введение экстремальных адаптивных систем. Если сформулироэить кратко, то ЛГ является киантоэый прибор, осиоэимиый иа физическом эффекте Сзньики н измеряющий угловую скорость объекта и имер цнальном пространстве.
Он представляет собой последовательно иключенные преобразоэйтели энергии: кольцевой лазер — киимтоэый чуистэнтельный модуль механического иоздейстини; оптнчесине, фотоэлектрические н электронные измеритель ные преобразователи мехймнческнх, оптических и электрических снгналоэ. Рис. 14.2. К рессмотрению выходной хйректеристикн ЛГ: 1 — вона азха«та; 2 — идеальиаа, характера стика; 3 — аппраксимациа характеристики: 4 — реальиаз карактеристика с частотной «падстаакайы 3 в дапалиатальиые заиы »ххаааа с частотой пеРеключениЯ «падстазки» )п( б — гистареаис характеристики; П и†дрейф начала отсчета Рассмотрим основные характеристики ЛГ (см.
п. 10.2). гл/е При измерении угловой скорости частота биений изменяется приблизительно по линейному закону, называемому выходной характеристикой кольцевого лазера (рис. 14.2), т. е. Константа гироскопа (масштабный коэффициент) К,„о = 45/(Х,Ц определяется конструктивными параметрами конкретного типа ЛГ и нелинейностью выходной характеристики Ь, = с(К»х/К о. Относительная нестабильность частоты излучения Б,=а [п(1)[/чав отношение среднего квадратического отклонения частоты лазерного излучения ач (1) к среднему значению частоты з)е за определенный интервал времени измерения Тазы Дрейф нуля отсчета выходной величины ЛГ с «подставкой» в единицу времени при отсутствии измеряемой угловой скорости ь) (1) = = О.
Обозначается дрейф нуля Р„р либо ь)др в пересчете на угловые скорости. Это случайная величина, зависящая от нестабильностей внутренних н внешних воздействий. Типичное значение ь! р О,З... 3'/ч [6[. Чувствительность — минимальный выходной сигнал, соответствующий наименьшему значению измеряемой угловой скорости ь!щ(а = = Р К о.
Теоретический предел чувствительности ЛГ ограничен спонтанным излучением активной среды. Каждый спонтанно излученный фотон, имея энергию Ьт, взаимодействует с электромагнитной энергией внутри резонатора и это взаимодействие является причиной амплитудных и фазовых флюктуаций.
Флюктуации носят случайный характер, что в совокупности приводит к уширеиию спектральной линии излучения лазера, энергия одной моды которого примерно составляет 0,2Ьч Дж. дли типичных услоинй спонтанное излучение фотонов происходмт через т ° !О с, и каждое такое мзлучеиие создает флюктуицию фазы а(р !О рзд, что — )3 — (3 и конечном итоге составляет спирину естесгэениой линии генерецми лазера Точность измерения определяется минимальным значением фазы, которое можеу быть еще измерено электронными методамн. Если принять, что разнастиой частоте 1 Гн соответствует скорость вращения кольцевого лазера 5 10 э рад/с, то теоретический предел измерения угловой скорости с помощью ЛГ оказывается равным 5 1О рэд/с.
В действительности же предел измерения й (1) ограничен областью захвата либо (при наличии элемента разноса частот) нестабильностью частотной «подставки> я дрейфом нуля отсчета г из-за нестабильностей разряднога така резонатора и т. д. Относительная чувствительность ЛГ определяется дифференцированием основного уравнения кольцевого лазера «/Рр/«/О (1) = 45/(Л>6) = Квхо т. е. константой ЛГ.
для квадратного резоватара со стороной ! имеем; 5 = 1в! 1- = 411 45/(Л>Ц йхв Отсюда следует, чта относительная чувствительность ЛГ растет с увеличением его линейных размеров, Например, для четырехзеркальиого гелий-неонового кольцевого лазера со стороной 1 = 10 см, работающего на волне Л„0,632 мкм 161, К ш = 1,58 10>. «/4> (1) 0,63 ° 10 Ток на выходе приемника излучения имеет форму, близкую к сниусоидальной; поэтому значение 0 (1) можно получить в пнфровой форме. для >того выходной сигнал ограничивается, днфференцируется н подсчитывается число импульсов. ((ифровой индикатор измеряет наименынее изменение частоты (при интервале отсчета ! с) («(гр) !и — — ~0,5 Гц.
Этой разностной частоте соответствует изменение скорости 1 )ю!п = /(2Квхо! Величина «/42 (О !и представляет собой теоретическую разрешающую спосабиост«п или чувствительность ЛГ по угловой скорости Я (1). для разобранного примера К,х = вхв = 1,58 10>; следовательно, «11(бпнп = в пк 3,! ° 1О ! 2 1,58 ° 10> Динамическим диапазоном является разность предельных значений разностной частоты Тр „и с'„,„, соответствующая минимальным и максимальным значениям измеряемых угловых скоростей: ь) ш((2(1) ((! „. Нижний предел измерения йш,„ ограничен чувствительностью ЛГ, а верхний предел !),„ — практически полосой пропускания фотодиода и всего усилительного тракта электронной схемы, В современных конструкциях ЛГ он составляет -!О МГц.
Фактически динамический диапазон измеряемых величин Лп~ в>п>вх >«ппп » (45 (~р п>ах ~р ы!и) Точность ЛГ определяется математическим ожиданием суммарной погрешности разностной частоты М (/(Ррх) и средним квадратическим отклонением ае от математического ожидания разностной п частоты М (Ьсрх) (см. п. 13.6).
Типичнь1й гироскоп, созданный на основе функциональной схемы, показанной на рис. 14.3, имеет следующие параметры: 1. = 45 см; 284 /х таепй Рнс. 14.3. Функциональная схема одноканального ЛГ:  — угпп пткховевкв вектора й (П; к — псь птсч«тв кппрдкквт Л, = 0,5328 мкм; //и,>/>нв = 5: 1; рн, н„— — б00 Па; 1р — 30 мА) т) = 0,25; йчн//Луо-0,1; Кра = 50 Гц при изменении угловой скорости в диапазоне 5 ° 10 рад/с ( ь) (1) ( 2 рад,'с с погрешностью.
/!(2 (1) » (5 10 ' рад/с. ЛГ обеспечивает необходимую относительную нестабильность частоты лазерного излучения 3,(»0,5 !О Гц в течение 30 с; нестабильность коэффициента усиления Лб ( 3 10 и нестабильность разрядного тока /з1„»(5 10 '(б!. $4.2. Нестабильность разностной частоты При разработке кольцевого лазера имеется ряд специфических трудностей, связанных, например, с зависимостью разностной частоты от изменения геометрических размеров резонатора. Он очень чувствителен к вибрации и температурным колебаниям внешней среды, которые приводят к расстройке резонатора, что в конечном счете искажает и даже подавляет полезный сигнал на выходе ЛГ.
Перечислим внешние и внутренние возмущения и определим степень их воздействия на те или иные параметры лазера. К первой группе возмущений относятся вибрации, удары, фдюктуации температуры, давления и влажности, т. е. так называемые в практике приборостроения механические и климатические возмущения. Они ухудшают добротность резонатора Я, изменяют его оптическую длину (1«п;), создают разнодобротность резонатора для встречных излучений (ЬЩ,з), изменяя тем самым настройку частоты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
