СПОСОБ АВТОНОМНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к области инструментов инерциальных измерений, а более конкретно к лазерным измерителям линейного движения.

Известен оптический акселерометр [1] содержащий источник света, массу на подвесе и светочувствительное устройство. Акселерометр является преобразователем, который вырабатывает электрический сигнал пропорциональный величине ускорения, преобразуя инерционные силы в электрический сигнал.

Известен также лазерный акселерометр [2] в котором датчик с двойным лучепреломлением поляризует лазерный луч и образует два поперечно поляризованных пучка, у которых разность частот пропорциональна механическому напряжению, приложенному к датчику. Прибор измеряет ускорение движущегося объекта и механическое напряжение приложенное к датчику, гибкая связь центрально поддерживает пробную массу, которая создает напряжения, эта связь чувствительна к силам ускорения, действующим в направлении восприятия напряжений. Напряжения датчика, получаемые под действием пробной массы, изменяют показатель преломления материала датчика пропорционально ускорению так, что поляризованные лучи, получающиеся при преломлении, имеют разность частот пропорционально ускорению.

Реализованный в известных устройствах способ автономного измерения линейного движения основан на применении опорных тел, кинематически связанных с объектом, и заключается в преобразовании величины перемещений инерционной массы на подвесе в оптический и в конечном итоге в электрический сигнал, пропорциональный величине приобретаемого ускорения. Во всех случаях этот класс приборов измеряет силу реакции связи опорного тела (воспринимающей массы) с объектом, при движении объекта.

Недостатком способа автономного измерения линейного движения, реализованного в силовых акселерометрах, является влияние ускорения нормального к оси чувствительности, на ускорение измеряемое вдоль оси чувствительности, и поскольку для определения координаты места положения в инерциальной навигационной системе выходной сигнал акселерометра дважды интегрируется во времени, то любая ошибка нарастает пропорционально квадрату времени.

Недостатки, обусловленные наличием инерционной массы на подвесе, исключены в известном способе измерения линейного движения реализованного в самолетных радиолокационных системах РЛС [3] РЛС работает в режиме непрерывного излучения частотно-модулированных колебаний, частота которых изменяется во времени. Ввиду запаздывания отраженных от объектов сигналов их частота будет отличаться от частоты излучаемых в каждый момент времени. При отражении электромагнитных волн от объекта движущегося относительно излучающей РЛС частота принимаемого сигнала отличается от частоты излучаемого на величину F доплеровской частоты, которая пропорциональна скорости измерения расстояния между РЛС и отражающим объектом.

К недостатку известного способа измерения линейного движения можно отнести то, что его нельзя применить для автономного измерения линейного движения, поскольку аппаратура автономной системы размещается на движущемся объекте и взаимодействие ее элементов происходит без использования внешней информации.

Техническим результатом изобретения является автономное измерение линейного движения инерциальной навигационной системы.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе измерения линейного движения, включающем операции излучения электромагнитных волн, модуляцию, распространение в противоположных направлениях, прием и определение величины линейного движения по разности частот сравниваемых сигналов, производят операции распространения бегущих волн четырех различных частот, волн с правой и волн с левой круговыми поляризациями в одном направлении и в направлении противоположном многократным отражением бегущих волн по одному и тому же линейному контуру через оптически активные среды при воздействии на одну из оптически активных сред магнитным полем, причем в процессе отражения волн с левой и волн с правой круговыми поляризациями, при изменении направления распространения волны по одному и тому же линейному контуру на противоположное, производят операцию изменения направления вращения поляризации каждой волны на обратное, при этом волны с левой круговыми поляризациями изменяют направление вращения на правую круговую поляризацию, а волны с правой круговой поляризацией изменяют направление вращения на левую круговую поляризацию, а величину линейного движения определяют по сумме двух сигналов, один из которых составляет сигнал разностей частоты между одной парой волн с правой и с левой круговыми поляризациями противоположных направлений распространения, а другой составляет сигнал разностей частоты между парой волн с правой и с левой круговыми поляризациями противоположных направлений распространения.

Способ автономного измерения линейного движения реализован в устройствах на основе линейного резонатора с оптически активными средами, одна из которых излучающая.

Создание анизотропии показателей преломления в оптически активной среде для волн линейного резонатора с правой и с левой круговыми поляризациями посредством воздействия на оптически активную среду магнитным полем в направлении распространения оптического излучения в этой среде, и создание фазовой анизотропии для синхронизированных волн линейного резонатора с правой и с левой круговыми поляризациями посредством изменения направления вращения поляризации каждой волны на обратное при отражении и изменении направления распространения волн в линейном резонаторе на противоположное, обеспечивает расщепление частоты излучения в линейном резонаторе с оптически активной излучательной средой и распространение бегущих волн четырех различных частот, волн с правой и волн с левой круговыми поляризациями в одном направлении и в направлении противоположном.

Двойное лучепреломление оптически активной кристаллической среды в линейном резонаторе расщепление частоты лазерного излучения и распространение в противоположных направлениях синхронизированных волн с правой и с левой круговыми поляризациями, при этом расщепление частоты лазерного излучения относительно ν_o собственной частоты пассивного линейного резонатора составляет
f_пп= ν_л+ ν_п, где ν_л
частота синхронизированных волн с левой круговыми поляризациями;
ν_п- частота синхронизированных волн с правой круговыми поляризациями.

При воздействии магнитного поля на оптически активную среду, создание фазовой анизотропии для синхронизированных волн линейного резонатора с правой и с левой круговыми поляризациями изменением направления вращения поляризации каждой волны при отражении на обратное приводит к невзаимному изменению фазы одной и той же волны при прохождении в противоположных направлениях среды с двойным лучепреломлением и среды с наведенной магнитным полем анизотропией показателя преломления для волн с различными направлениями вращения поляризации, а при многократном отражении и многократном прохождении оптически активных сред невзаимные изменения фазы для одной и той же волны суммируются, при этом происходит расщепление частоты ν_п синхронизированных волн с правой круговыми поляризациями на бегущие волны частоты в одном направлении и бегущие волны частоты в направлении противоположном, и также происходит расщепление частоты ν_л синхронизированных волн с левой круговыми поляризациями на бегущие волны частоты в одном направлении и бегущие волны частоты в направлении противоположном, причем разность частот между бегущими волнами с правой круговыми поляризациями и разность частот между бегущими волнами с левой круговыми поляризациями одинаковы по величине, но противоположны по знаку и составляют общее смещение частоты f_п, вызванное действием магнитного поля. Перемещение линейного резонатора, из-за различия длины оптического пути, проходимой каждой бегущей волной в противоположных направлениях, вызывает разность частот f₁ между одной парой волн с левой и с правой круговыми поляризациями и разность частот f₂ между другой парой волн с левой и с правой круговыми поляризациями, причем, если при стабильности масштабного коэффициента разность частот между одной парой волн с левой и с правой круговыми поляризациями увеличивается f₁= f_м+K_a, то разность частот между парой волн с левой и с правой круговыми поляризациями уменьшается f₂= f_м-K_a, где а величина линейного перемещения в единицу времени. Поскольку сигнал пропорциональный линейному перемещению устройства определяется равенством fвых.f₁-f₂=2K_a, то считывание сигналов разностной частоты между одной парой волн с левой и с правой круговыми поляризациями и другой парой волн с левой и с правой круговыми поляризациями устраняет общее смещение частоты f_м, вызванное воздействием магнитного поля на оптически активную среду, и приводит к выполнению операции суммирования смещения частоты, вызванное только линейным перемещением устройства.

Реализация четырехчастотного способа автономного измерения линейного движения в устройстве, приводит к удвоению чувствительности устройства к линейным перемещениям.

На фиг. 1 изображена схема, поясняющая смещение частоты f₁ между одной парой волн с правой и с левой круговыми поляризациями, в частотах встречных волн с левой круговыми поляризациями, и смещение частоты f₂ между другой парой волн с правой и с левой круговыми поляризациями, в частотах встречных волн с правой круговыми поляризациями; на фиг. 2 изображен первый вариант устройства для автономного измерения линейного движения; на фиг. 3 - второй вариант устройства для автономного измерения линейного движения.

Первый вариант устройства автономного измерения линейного движения содержит электроисточник 1, соединенный с электродами 2 и 3, обеспечивающими электрический разряд в излучательной среде 4 из He-Ne смеси с двумя различными изотопами неона 20_Ne и 22_Ne, уменьшающие взаимодействие волн в излучательной среде, источник 5 магнитного поля магнитооптически связанных с оптически активной кристаллической средой 6, отражатель 7 линейного резонатора с четвертьволновым элементом 8, расположенным на отражающей поверхности, отражатель 9 линейного резонатора с четвертьволновым элементом 10, расположенным на отражающей поверхности, кристаллический моноблок 11 линейного резонатора с лазерным каналом 12, корпус блока 13 считывания выходных сигналов внутри которого расположены светоделитель 14, оптически связанный с выходом отражателя 7, четвертьволновая пластина 15, поляризатор 16, фотоприемник 17 оптически связанные с одним выходом светоделителя 14 и четвертьволновая пластина 18, поляризатор 19, фотоприемник 20 оптически связанные с другим выходом светоделителя 14, электронный блок 21, соединенный с выходами фотоприемников 17 и 20, обеспечивающий определение суммарного выходного сигнала и управление стабилизацией длины линейного резонатора, пьезоэлектрический элемент 22 стабилизации длины линейного резонатора, расположенный на отражателе 9 с внешней стороны линейного резонатора и соединенный с электронным блоком 21.

Устройство работает следующим образом.

От электроисточника 1 на электроды 2 и 3 подают напряжение, вызывающее электрический разряд в He-Ne среде 4 и стимулирование излучение электромагнитной энергии. При воздействии источника 5 магнитного поля на оптически активную кристаллическую среду 6 распространяют бегущие волны четырех различных частот, волны с правой и волны с левой круговыми поляризациями в одном направлении и в направлении противоположном по одному и тому же линейному контуру многократным отражением отражателем 7 с четвертьволновым элементом 8 и отражателем 9 с четвертьволновым элементом 10. Излучение из лазерного канала 12 линейного резонатора через отражатель 7 выводят на светоделитель 14 блока 13 считывания выходных сигналов, соединенного с моноблоком 11 линейного резонатора. Выходящие из светоделителя 14 сигналы разностной частоты каждой пары волн с правой и с левой круговыми поляризациями через четвертьволновые пластины 15 и 18, поляризаторы 16 и 19 подают на отдельные фотоприемники 17 и 20. С выходов фотоприемников 17 и 20 сигналы подают в электронный блок 21 определения суммарного выходного сигнала пропорционального линейному перемещению устройства. С электронного блока 21 на пьезоэлектрический элемент 22 подают сигналы, обеспечивающие управление стабилизацией длины линейного резонатора.

Второй вариант устройства автономного измерения линейного движения содержит электроисточник 1, соединенный с электродами 2 и 3, обеспечивающими электрический разряд в излучательной среде 4 из He-Ne смеси с двумя различными изотопами неона 20_Ne и 22_Ne, уменьшающие взаимодействие волн в излучательной среде, источник 5 магнитного поля магнитооптически связанный с оптически активной излучательной средой 4, отражатель 6 линейного резонатора с расположенными последовательно на отражающей поверхности четвертьволновым элементом 7 и оптически активной кристаллической средой 8, отражатель 9 линейного резонатора с расположенными последовательно на отражающей поверхности четвертьволновым элементом 10 и оптически активной кристаллической средой 11, кристаллический моноблок 12 линейного резонатора с лазерным каналом 13, корпус блока 14 считывания выходных сигналов, внутри которого расположены светоделитель 15 оптически связанный с выходом отражателя 6 линейного резонатора, четвертьволновая пластина 16, поляризатор 17, фотоприемник 18, оптически связанные с одним выходом светоделителя 15 и четвертьволновая пластина 19, поляризатор 20, фотоприемник 21, оптически связанные с другим выходом светоделителя 15, электронный блок 22, соединенный с выходами фотоприемников 18 и 21, обеспечивающий определение суммарного выходного сигнала и управление стабилизацией длины линейного резонатора, пьезоэлектрический элемент 23 стабилизации длины линейного резонатора, расположенный на отражателе 9 с внешней стороны линейного резонатора и соединенный с электронным блоком 22.

Устройство работает следующим образом.

От электроисточника 1 на электроды 2 и 3 подают напряжение, вызывающее электрический разряд в He-Ne среде 4 и стимулированное излучение электромагнитной энергии. При воздействии источника 5 магнитного поля на оптически активную излучательную среду 4 распространяют бегущие волны четырех различных частот, волны с правой и волны с левой круговыми поляризациями в одном направлении и в направлении противоположном по одному и тому же линейному контуру линейного резонатора, многократным отражением отражателем 6 с четвертьволновым элементом 7 и оптически активной кристаллической средой 8 и отражателем 9 с четвертьволновым элементом 10 и оптически активной кристаллической средой 11. Излучение из лазерного канала 13 линейного резонатора с выхода отражателя 6 подают на светоделитель 15 блока 14 считывания выходных сигналов, соединенного с кристаллическим моноблоком 12 линейного резонатора. Выходящие из светоделителя 15 сигналы различной частоты каждой пары волн с правой и с левой круговыми поляризациями через четвертьволновые пластины 16 и 19, поляризаторы 17 и 20 подают на отдельные фотоприемники 18 и 21. С выходов фотоприемников 18 и 21 сигналы разностной частоты подают в электронный блок 22 определения суммарного выходного сигнала, пропорционального линейному перемещению устройства. С электронного блока 22 на пьезоэлектрический элемент 23 подают сигналы, обеспечивающие управление стабилизацией длины линейного резонатора.

Использование устройства автономного измерения линейного движения в БИНС бесплатформенных инерциальных навигационных системах позволяет исключить погрешности измерений, свойственные акселерометрам, основанным на применении опорных тел кинематически связанных с движущимся объектом, при этом взаимно ортогональное расположение в БИНС контуров многократного обхода лазерных излучений трех линейных резонаторов позволяет увеличить точность трехмерного определения величины и направления линейного движения летательного аппарата.

Использование: в области инструментов инерциальных измерений. Сущность изобретения: способ включает операции излучения электромагнитных волн, модуляцию, распространение в противоположных направлениях, прием и определение линейного движения по разности частот сравниваемых сигналов, при этом производят операции распространения в противоположных направлениях бегущих волн четырех различных частот, волн с правой и волн с левой круговыми поляризациями в одном направлении и в направлении противоположном, многократным отражением бегущих волн по одному и тому же линейному контуру через оптически активные среды при воздействии на одну из оптически активных сред магнитным полем, при этом линейное движение определяют по сумме двух сигналов, каждый из которых составляет сигнал разностной частоты между волнами с правой и с левой круговыми поляризациями противоположных направлений распространения. Способ реализован в двух вариантах устройства на основе линейного резонатора, внутри которого расположены оптически активные среды, одна из которых магнитооптически связана с источником магнитного поля. Устройство содержит блок считывания выходных сигналов, обеспечивающий считывание разностей частоты между волнами с правой и с левой круговыми поляризациями. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ автономного измерения линейного перемещения, включающий излучение электромагнитных волн, модуляцию, распространение в противоположных направлениях, прием и определение величины линейного перемещения по сигналу разностной частоты, отличающийся тем, что производят распространение бегущих волн четырех различных частот, волн с правой и волн с левой круговыми поляризациями в одном направлении и в направлении, противоположном многократным отражениям бегущих волн, по одному и тому же линейному контуру через оптически активные среды при воздействии на одну из оптически активных сред магнитным полем, вызывающим модуляцию излучения, причем в процессе отражения волн с левой и волн с правой круговыми поляризациями при изменении направления распространения волн по одному и тому же линейному контуру на противоположное, производят изменение направления вращения поляризации каждой волны на обратное, при этом волны с левой круговой поляризацией изменяют направление вращения на правую круговую поляризацию, а волны с правой круговой поляризацией на левую круговую поляризацию, а величину линейного перемещения определяют по сумме двух сигналов, один из которых составляет сигнал разностной частоты между одной парой волн с правой и левой круговыми поляризациями противоположных направлений распространения, а другой составляет сигнал разностной частоты между другой парой волн с правой и левой круговыми поляризациями противоположных направлений распространения. 2. Устройство для автономного измерения линейного перемещения, содержащее размещенные на основании источник электромагнитного излучения, модулятор и приемник электромагнитных сигналов, отличающееся тем, что источник электромагнитного излучения выполнен в виде линейного лазера из кристаллического моноблока с отверстием, образующим лазерный канал, относительно лазерного канала на противоположных торцевых поверхностях кристаллического моноблока расположены отражатели, образующие линейный резонатор, в лазерном канале расположены оптически активная излучательная среда из газовой смеси и оптически активная кристаллическая среда, причем излучательная среда электрически связана с электроисточником через электроды, обеспечивающие электрический разряд в газовой смеси и стимулированное излучение электромагнитной энергии, а оптически активная кристаллическая среда магнитооптически связана с источником магнитного поля, образуя модулятор лазерного излучения, при этом первый отражатель, на внешней стороне которого расположен пьезоэлектрический элемент, электрически связанный с электронным блоком, обеспечивающим управление стабилизацией длины линейного резонатора, оптически связан с вторым отражателем через первую четвертьволновую пластину, газовую излучательную среду, оптически активную кристаллическую среду и вторую четвертьволновую пластину, а выход второго отражателя оптически связан с расположенными в корпусе блока считывания выходных сигналов светоделителем, четвертьволновыми пластинами, поляризаторами и фотоприемниками, составляющими приемники электромагнитных сигналов, причем светоделитель оптически связан с каждым фотоприемником через отдельную четвертьволновую пластину и через отдельный поляризатор, кроме того, выходы фотоприемников электрически связаны с электронным блоком, обеспечивающим определение суммарного выходного сигнала и управление стабилизацией длины линейного резонатора. 3. Устройство для автономного измерения линейного перемещения, содержащее размещенные на основании источник электромагнитного излучения, модулятор и приемник электромагнитных сигналов, отличающееся тем, что источник электромагнитного излучения выполнен в виде линейного лазера из кристаллического моноблока с отверстием, образующим лазерный канал, относительно лазерного канала на противоположных торцевых поверхностях кристаллического моноблока расположены отражатели, образующие линейный резонатор, в лазерном канале расположены оптически активная кристаллическая среда и оптически активная излучательная среда из газовой смеси, причем оптически активная излучательная среда электрически связана с электроисточником через электроды, обеспечивающие электрический разряд в газовой смеси и стимулированное излучение электромагнитной энергии, и магнитооптически связана с источником магнитного поля, образуя модулятор лазерного излучения, при этом первый отражатель, на внешней стороне которого расположен пьезоэлектрический элемент, электрически связанный с блоком, обеспечивающим управление стабилизацией длины линейного резонатора, оптически связан с вторым отражателем через первую четвертьволновую пластину, первую оптически активную кристаллическую среду, газовую излучательную среду, вторую оптически активную кристаллическую среду и вторую четвертьволновую пластину, а выход второго отражателя оптически связан с расположенными в корпусе блока считывания выходных сигналов светоделителем, четвертьволновыми пластинами, поляризаторами и фотоприемниками, составляющими приемники электромагнитных сигналов, причем светоделитель оптически связан с каждым фотоприемником через отдельную четвертьволновую пластину и отдельный поляризатор, кроме того, выходы фотоприемников электрически связаны с электронным блоком, обеспечивающим определение суммарного выходного сигнала и управление стабилизацией длины линейного резонатора.