Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Если набег фазы Рр измерять по периоду или даже по части периода синусоидального сигнала, то можно значительно сократить время измерения и перейти от измерений средней частоты сигнала к регистрации ее мгновенного значения. Однако при этом в преобразователе потребуется большое отношение мощностей сигнала и шума: Р. „/Рл а амх я~ 10, так как усредненная по времени погрешность измерения частотомером Йя „) ~ 10,5Тк,„(Р, /Р~) Поэтому понятно, что высокоточные ЛГ должны удовлетворять жестким требованиям к уровню собственных шумов в устройствах съема, усиления, формирования и обработки информации кольцевого лазера.
Очень важно также для повышения точности ЛГ уменьшать собственные шумы и сводить к минимуму потери при преобразовании энергии световых волн в электрические сигналы, так как потеря энергии при сохранении прежнего уровня шума эквивалентна потере информации. Проведенные расчеты показывают, что для выбранных условий стабильности параметров ЛГ при измерении ь) (/) имеют место флюктуации выходной величины Рр (рис.
14.9). Для достижения более высокой точности требуется поддерживать постоянство параметров кольцевого лазера в следующих пределах: стабильность тока разряда б/р// (10 '; стабильность накачки /х/„//„= 10~; разность доб- 298 Рис. )4,9. Выходной сигнал ЛГ при иременнйм ннтернале измерений Гк, = О,й с (а) н спектральная плотность разностной частоты Рр (З): у скяусокдальяая «подстаакан Х вЂ” прямоугольяая «подо«алка»; 3 — полоса пропускаяая частот ротностей для встречных излучений ЛЯьз (!О е; стабильность периметра /)/.р// ( 1О Реализация указанных величин в условиях типичных внешних воздействий представляет собой сложную техническую задачу. 44.6. Применение и перспективы развития пазериых гироскопов Лазерные гироскопы и кольцевые лазеры применяются для разлапых целей; определения физических констант, в геодезических системах, для управления ракетно-космическими комплексами и т, д. В качестве иллюстрации остановимся на конкретных примерах: применении кольцевого лазера для измерения неоднородностей и скорости потока оптически прозрачной среды и точном измерении углов.
Отметим, что применение ЛГ в системах управления летательных аппаратов является широко распространенным, ибо детальное изучение именно этого вопроса побудило инженеров разработать ЛГ. При появлении в среде неоднородностей ее показатель преломления и изменяется, в результате чего в цепи обратной связи замкнутого контура измерительной схемы происходит смещение частоты /хр = = ие/1и/л. Поэтому в общем случае при ро 10га,.!О" с ' имеется прийципиальная возможность измерять весьма малые отношения Ьп/п. По-видимому, для подобных измерений необходимо иметь высокостабильный кольцевой лазер и чувствительную измерительную схему.
Однако, несмотря на кажущиеся достоинства таких методик, чувствительность их ограничена шумами и флюктуациями выходной мощности. Рассмотрим возможность измерения показателя преломления среды, движущейся через участок резонатора кольцевого лазера.. Наличие движущейся среды в резонаторе приводит к появленянн разностной частоты на выходе кольцевого лазера 125! Р = Рх — Ра = — '' (на — !) (о,р/с), (14.6) где 1, — длина участка движущейся среды; Х1,п, — оптическая длина периметра резонатора; о,р — проекция вектора скорости на на2п правление волнового вектора /с = — е (е — единичный вектор). )ьа Пример.
Движущийся со скоростью р 10 мlс воздух имеет показатель прелом- ления л = 1,0003 и оные!пы 0,0001. Если параметры схемы измерителя й1гл! = 4 м, 1„= 1О см и то = 5 10»е Гц, то разносгная частота г" ск 250 Гц. Р Значительный интерес для измерения вектора скорости потока по ортогональным проекциям представляет схема измерителя с перестра- нваемым по частоте поляризованным излучением ЛГ [6). Рассмотрим теперь, как производятся измерения малых углов. Чтобы использовать ЛГ в режиме прецизионного измерения углов, необходимо интегрировать выходную характеристику (см. п. 10.2 и 14.1). Практически определяют число периодов /)/ разностной частоты Рр в некотоРом дискРегном и стабильном интеРвале вРемени Ти Гнем 1»/ = — ) К,„~Ф) (1) й/. а Принимая К,„о = сопз1, ьй (1) = йаЩ получаем зависимость, связывающую угол поворота ЛГ с числом периодов /)/1 а = 2п/)//К а.
(14.7) У ЛГ, как правило, значительный масштабный коэффициент (кон- станта гироскопа): К,„о = 10й...10е 16, 23). Следовательно, одному пе- риоду разностной частоты гр соответствует очень малый угол поворота, что в конечном счете н определяет высокую разрешающую способность угловых измерений. Это направление практических приложений ЛГ оказалось весьма перспективным и плодотворным. Оно позволило раз- работать лазерно!в гониожетры * — оптические приборы для измере- ния малых углов, которые, в частности, используются для аттестации точных угломерных оптических приборов. Кольцевой лазер 1 (рис.
14.10, а) вместе с атгестуемым оптическим прибором 2 устанавливается на платформу 6, приводимую во вращение приводом 9. Сигнал разностной частоты ЛГ через делители 4, 5 посту- пает одновременно иа частотомеры 7, 8, суммирующие периоды разност- ной частоты й/ по алгоритму (14.7).
На частотомере 7 интервалы сум- мирования формируются сигналом, поступающим с аттестуемого при- бора 2. Масштабный коэффициент Ка„о и число периодов разностной частоты /)/ вводятся в вычислитель 11 и далее в цифропечатающее ус- тройство 1О. Масштаб делителя частоты 5 равен числу угловых интер- валов за один оборот платформы. Поэтому зннчения частот, измеряе- мых на частотомере7, соответствуют углам, снимаемым с аттестуемого прибора. Устройство связи 5 (например, фотоэлектрический автоколлима- гор) фиксирует момент совпадения угловых направлений с отсчегным базовым направлением.
В моменты совпадения система регистрации формирует импульсы, определяющие интервалы суммирования раз- ностной частоты рр. Точность лазерного гониометра в основном опре- деляется погрешностью системы регистрации. Судя по оценкам, про- веденным его разработчиками, чувствительность прибора достигает предельного значения ба 6 ° 10 ' . е Смл Лазерные измерительные системы / Под ред. Д. П. Лукьянова,— М., 1981.— С. 455, 300 Рис. 14.10.
Структурная схема лазерного гониометра (и), оптико-физическая схема одночастотного волоконно-оптического гироскопа с модуляцией фазы н его выходной характеристикой (б) и схема конструкции волоконно-оптического гироскопа (в): е: 1 лазеРный диод; г устройство ввода — вывода излучении; 3 — «а- чумка со световолокном;  — линза;  — Фотодиод:  — полупрозрачное зеркало; 7 — злектронный елок измерении н преобразовании оптического сигнала «Наряду с моноблочными конструкциями ЛГ в настоящее время разрабатывают ЛГ с волоконно-оптическими и пленочными пассивными резонаторами. Например, волоконно-оптический гироскоп является устройством интерферометрического типа *.
Он содержит * Смд Б а й 5 о р о д и н Ю. В., Корень Н. Н., Мащенко А. И. Волоконно-оптический измеритель угловой скорости Д Вести. КПИ. Сер. «радио. электроника». — 1985. — № 22. — С. 109 †1. 301 (рис. 14.10, б, и) полупроводниковый лазер (или светодиод) /,' катушку с волоконным световодом 3, устройства ввода — вывода излучения 2 и, систему приема и обработки оптического сигнала б, 7. Принцип действия гироскопа основан на эффекте Саньяка (см.
и. 10.1) для электромагнитных волн, распространяющихся во вращающемся волноводном контуре. В системе отсчета, связанной с волноводным контуром, оптические пути для встречных излучений неодинаковы, поэтому электромагнитные волны имеют разное время прохождения периметра кольцевого резонатора.
Временная разность прохождения волн, согласно эффекту Синьяка, может быть измерена по смещению интерференциониых полос пропорционально угловой скорости Я (1). Разность же оптического хода лучей И, = 241 (/) /.и/с, где Я вЂ” радиус катушки с волоконным световодом длиной Ь; п — по. казатель преломления сердцевины волоконного световода.
Этой разности оптического хода лучей соответствует наблюдаемое смещение полос интерференционной картины или невзаимный фазовый сдвиг между двумя встречными излучениями, выходящими из волоконного световода1 бфл 2п оо (1) с 61. 2Рс зио ли Лс лес (14.8) где Р— периметр витка световода; 5 — общая площадь, охватываемая встречными излучениями. Изменение интенсивности /1/ интерференционной картины при отслеживании фотодиодом положения интерференционных полос является мерой измеряемой угловой скорости (1 (1) (см.
рис. 14.10, б)1 /Л1 = /о [сои (Лфл + фо) — соз'ро) = = — 2/о з!и (Ьфл/2) Кп (Лфл/2 + фо) ° (14.9) В инженерных расчетах чувствительность Я и оценивают по формуле ело / и ()м'о 4п/ 1/Г г е т где Р— мощность лазерного излучения на фотодиоде. Примеои. При Ло 0,33 мим, /1 = 2,3 ° !О о м, Ь 300 и, е 1,6 ° 10 1о Ки, Р, = 10 Вт. ео — — 0,4 А/Вт имеем П~м = 0,2"/с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
