ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 2001 года по МПК G01C19/64 

Изобретение относится к лазерным гироскопам и может быть использовано для измерения угловой скорости и малых вариаций угловой скорости вращения, например, угловой скорости вращения Земли.

Известно [1] , что угловая скорость вращения любого объекта может быть определена посредством измерения набега фаз оптического излучения в кольцевом лазерном интерферометре. Измеряемый набег фаз вызывается эффектом Саньяка.

Известны [2] лазерные гироскопы для измерения угловой скорости вращения и вариаций угловой скорости вращения, состоящие из кольцевого трехзеркального резонатора, кюветы с активной средой, элемента сведения оптических лучей и фотоприемной системы.

Известен [3] лазерный гироскоп для измерения угловой скорости вращения, который является наиболее близким к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. Он содержит активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на внешней стороне, первую и вторую дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, фотоприемную систему и преобразователь поляризации, расположенный между выходным полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой. Первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, а вторая отражательная дифракционная решетка - между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалом.

Первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор - между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом. Оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим и выходным полупрозрачным зеркалом. Плоскости пропускания первого и второго поляризаторов взаимно ортогональны. В гироскопе образованы два резонансных контура. Первый резонансный контур - активная среда, первое глухое зеркало, первая дифракционная решетка, первый поляризатор, второе глухое зеркало, вторая дифракционная решетка и выходное полупрозрачное зеркало. Второй резонансный контур - активная среда, первое глухое зеркало, первая дифракционная решетка, второй поляризатор, выходное полупрозрачное зеркало, второе глухое зеркало, первое глухое зеркало, вторая дифракционная решетка и выходное полупрозрачное зеркало. В каждом контуре в одном направлении распространяется по световому лучу, поляризованные ортогонально, что обеспечивает узкую полосу синхронизации и приводит к повышению чувствительности гироскопа. Оба луча собираются дифракционной решеткой, установленной на внешней стороне выходного полупрозрачного зеркала, проходят через преобразователь поляризации, который совмещает плоскости поляризации обоих лучей, и затем подаются на фотоприемную систему. При этом на входе фотоприемной системы образуется интерференционное поле, характеризуемое последовательностью интерференционных полос, число и скорость перемещения которых определяется разностью частот световых волн. С помощью фотоприемной системы измеряется скорость прохождения максимумов интенсивности интерференционной картины, по которой и судят о скорости углового вращения лазерного гироскопа и ее вариаций.

Однако повышенная чувствительность известного гироскопа-прототипа к эффекту Саньяка, необходимая для измерения малых вариаций скорости углового вращения, приводит к повышенной чувствительности к помеховым фазовым модуляциям оптического излучения под действием внешних помех на отражатели (глухие и непрозрачные зеркала, дифракционные решетки). Внешние помехи (акустические, вибрационные, сейсмические, тепловые и т.д.) приводят к механическим колебаниям отражателей, которые изменяют оптические длины резонансных контуров, что и является причиной искажений фазы оптических излучений.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке лазерного гироскопа, позволяющего измерять малые вариации скоростей углового вращения в условиях воздействия внешних помех, приводящих к механическим колебаниям отражателей (а следовательно, через изменение оптических длин резонансных контуров, - к искажению фазы оптического излучения), то есть достижение технического результата - повышение помехозащищенности устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный лазерный гироскоп, содержащий активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на внешней стороне, первую и вторую отражательные дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, фотоприемную систему и преобразователь поляризации, причем преобразователь поляризации расположен между выходным полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой, а первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, вторая отражательная дифракционная решетка - между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалами, первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор - между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом, при этом оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим зеркалом и выходным полупрозрачным зеркалом, - для решения поставленной задачи - введены пять пар прикрепленных друг к другу рабочими гранями пьезоэлектриков обратного и прямого эффектов, фазовый детектор с кварцевым гетеродином на одном из его входов, пять пар последовательно соединенных корреляторов и умножителей и сумматор с одним основным и пятью вспомогательными входами, причем каждый из пьезоэлектриков обратного эффекта (ПОЭ) своей гранью, противоположной рабочей грани, прикреплен к внешней стороне либо глухих зеркал, либо отражательных дифракционных решеток, а пьезоэлектрики прямого эффекта (ППЭ) своими свободными гранями, противоположными рабочим, зафиксированы в выемке основания их крепления, выход фотоприемной системы через фазовый детектор соединен с основным входом сумматора, сигнальные выходы пьезоэлектриков прямого эффекта подключены к первым входам соответствующих корреляторов и параллельно через соответствующие умножители к соответствующим вспомогательным входам сумматора и параллельно к сигнальным входам соответствующих пьезоэлектриков обратного эффекта, причем выход сумматора, являющийся сигнальным выходом устройства, параллельно подключен ко вторым входам всех корреляторов.

Введение новых элементов: пяти пар прикрепленных друг к другу рабочими гранями пьезоэлектриков обратного и прямого эффектов, пяти пар последовательно соединенных корреляторов и умножителей и сумматора их взаимное расположение как по отношению друг к другу, так и по отношению к известным элементам устройства, электрические связи между ними и известными элементами устройства обеспечивают корреляционную автокомпенсацию механических помеховых колебаний отражателей и позволяют достичь решения поставленной задачи - повышения помехозащищенности в условиях воздействия внешних помех, приводящих к помеховым механическим колебаниям отражателей.

В отличие от известного технического решения, где отражатели закреплены непосредственно на внутренней стороне кольца, являющегося единым основанием для всех отражателей, в заявленном устройстве отражатели внешней стороной прикреплены к пьезоэлектрикам обратного эффекта, которые противоположными гранями пристыкованы к пьезоэлектрикам прямого эффекта. В свою очередь, ППЭ зафиксированы в выемках основания со свободными гранями для стыковки с ПОЭ.

Пять ППЭ, трансформирующих механические колебания в электрические, и пять ПОЭ, трансформирующих электрические колебания в механические, и пассивный корреляционный автокомпенсатор (АК) помеховых сигналов в составе сумматора, пяти умножителей и пяти корреляторов, электрические связи между ними и элементами пассивного автокомпесатора образуют активный корреляционый автокомпенсатор механических колебаний отражателей.

В техническом решении заявляемого устройства учтены следующие два обстоятельства:
- частоты (фазы) оптических лучей в резонаторах гироскопа изменяются как в результате эффекта Саньяка, так и в результате воздействия внешних помех, приводящих через механические колебания отражателей к изменению оптических длин резонаторов. Поэтому оптические излучения формируют аддитивную смесь "полезный сигнал + помеха" (Эта аддитивная смесь с выхода фотоприемника является сигналом для основного входа сумматора);
- отражатели являются чувствительными элементами к воздействию внешних помех и формируют только сигнал "помеха". (Сигналы с выходов ППЭ являются сигналами вспомогательных каналов сумматора).

Раздельный съем "полезный сигнал + помеха" и "помеха" обеспечивает как пассивную корреляционную автокомпенсацию помеховых сигналов, так и активную корреляционную автокомпенсацию механических колебаний отражателей от воздействия внешних помех.

Оптическая и функциональная схема устройства приведена на чертеже. Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между первым глухим зеркалом 2 и выходным полупрозрачным зеркалом 8, на внешней (обратной) стороне которого нанесена плоская дифракционная решетка.

Первая отражательная дифракционная решетка 3 расположена между первым глухим зеркалом 2 и вторым глухим зеркалом 6. Вторая отражательная дифракционная решетка 7 расположена между вторым глухим зеркалом 6 и выходным полупрозрачным зеркалом 8. Между первой отражательной дифракционной решеткой 3 и вторым глухим зеркалом 6 расположен первый поляризатор 4, а между первой отражательной дифракционной решеткой 3 и внутренней поверхностью выходного полупрозрачного зеркала 8, расположен второй поляризатор 5, при этом зеркала 2, 6 и 8, отражательные дифракционные решетки 3 и 7 расположены в вершинах правильного пятиугольника. Между внешней поверхностью выходного полупрозрачного зеркала 8 и фотоприемной системой 10 расположен преобразователь поляризации 9. Ход оптических лучей в устройстве показан на чертеже стрелками. Внешние поверхности глухого зеркала 2, отражательной решетки 3, глухого зеркала 6, отражательной решетки 7 и полупрозрачного зеркала 8 соответственно через ПОЭ 11, 12, 13, 14 и 15 состыкованы с ППЭ 16, 17, 18, 19 и 20. Выход фотоприемной системы 10 через фазовый детектор 32 подключен к основному входу сумматора 31. Ко второму входу фазового детектора 32 подключен выход кварцевого гетеродина 33. Сигнальные выходы ППЭ 16, 17, 18, 19 и 20 соответственно через умножители 26, 24, 22, 30 и 28 подключены к вспомогательным входам сумматора 31 и параллельно ко входам корреляторов 25, 23, 21, 29 и 27, вторые входы которых подключены к выходу сумматора 31. Выходы корреляторов 21, 23, 25, 27 и 29 соединены соответственно с управляемыми входами умножителей 22, 24, 26, 28 и 30. Выходом устройства является выход сумматора 31.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, отражается от зеркала 2, попадает на отражательную дифракционную решетку 3, которая разделяет оптическое излучение по поляризациям и часть его с ТМ поляризацией, для которой угол падения равен углу отражения, направляет во внешний контур составного резонатора, образованного из элементов 1, 2, 3, 4, 6, 7 и 8. (Изготовление отражательных дифракционных решеток, подобных решеткам 3 и 7, не вызывает затруднений; см., например, [4]). Другая часть излучения с ТЕ поляризацией, ортогональной ТМ поляризации, для которой угол отражения от дифракционной решетки 3 не равен углу падения на нее, циркулирует по внутреннему контуру составного резонатора, образованного элементами 1, 2, 3, 5, 8, 6, 2, 7, 8. При этом отражательная дифракционная решетка 7 имеет те же свойства, что и решетка 3. Поляризатор 4 внешнего контура и поляризатор 5 внутреннего контура "вычищают" оптическое излучение во внешнем и внутреннем контурах- от излучения с "неправильной" поляризацией и пропускают далее себя только то излучение, которое обладает строго требуемой поляризацией. Поскольку оптическая длина светового пути в двух резонансных контурах разная, то резонаторы генерируют световое излучение на разных частотах. Два излучения со взаимно ортогональными плоскостями поляризации, с разнесенными частотами, υ₁ и υ_2, бегущие в одном направлении, в активной среде 1 взаимодействуют с разными группами атомов. Это приводит к резкому уменьшению взаимовлияния генерируемых волн (т.е. к практическому устранению конкуренции волн). Поскольку волны крайне слабо взаимодействуют друг с другом, полоса синхронизации оказывается очень узкой и может достичь, в зависимости от тщательности изготовления оптических элементов устройства, десятых или сотых долей Гц, а это, в свою очередь, приводит к повышению стабильности работы лазерного гироскопа. При любой скорости вращения предлагаемый лазерный гироскоп будет работать вне полосы синхронизации, в нем всегда будет присутствовать сигнал разностной частоты и, следовательно, любая угловая скорость или ее вариация оказывается измеримой. Оба луча собираются дифракционной решеткой, установленной на внешней стороне выходного полупрозрачного зеркала 8, проходят через поляризатор 9, который совмещает плоскости поляризаций обоих лучей, и затем подаются на фотоприемную систему 10. При этом на входе фотоприемной системы 10 образуется интерференционное поле, характеризуемое последовательностью интерференционных полос, число и скорость перемещения которых определяется разностью υ_пр= υ₁-υ₂ частот световых волн. С помощью фотоприемной системы 10 (как и в прототипе) измеряется скорость прохождения максимумов интенсивности интерференционной картины, по которой и судят о скорости углового вращения лазерного гироскопа.

Выходной сигнал фотоприемной системы 10 на промежуточной радиочастоте υ_пр поступает на один из входов фазового детектора 32. На другой вход фазового детектора 32 поступает сигнал кварцевого гетеродина 33 с частотой ω_кг= υ_пр. . С выхода фазового детектора 32 на основной вход сумматора 31 на видеочастоте поступает сигнал

где U₀(t) - полезный сигнал, обусловленный эффектом Саньяка;
U_0пj (t) -j-й помеховый сигнал, обусловленный фазовой модуляцией оптического излучения под воздействием внешних помех на отражатели. Внешние помехи искажают фазу оптического излучения в результате изменения оптической длины резонансных контуров под действием механических колебаний зеркал. Внешние помехи, вызывающие механические колебания зеркал, в ППЭ формируют оптические сигналы
U_ni(t) = U_эi(t) = γ_эiU_mi(t), (2)
где γ_эi- коэффициенты преобразования механических колебаний U_mi(t) в электрические U_эi(t). Каждый из этих сигналов поступает параллельно на входы своих i-х умножителей 22, 24, 26, 28, 30 и корреляторов 21, 23, 25, 27, 29. Выходное напряжение U_Σ(t) сумматора 31 описывается выражением [5]:

или с учетом (1)

где

- напряжение регулирования (коэффициент передачи вспомогательного канала АК), формируемое в i-м корреляторе по корреляционной функции сигналов с выхода сумматора U_Σ(t) и i-го вспомогательного канала; β_i≫ 1 - коэффициент усиления в цепи корреляционной отрицательной обратной связи; черта означает усреднение по времени,

при i ≠ j.

Из (3)-(5) следует, что напряжение регулирования β_ik_i(t) формируется так, чтобы напряжения U_0пj(t) на основном входе сумматора 31 и U_пi(t) (после перемножения на β_ik_i(t)) на соответствующем вспомогательном входе сумматора были в противофазе и равны по амплитуде.

Напряжения

поступают в качестве управляющих на сигнальные входы соответствующих ПОЭ_i 11-15.

Тогда возникающие в ПОЭ_i механические колебания U_мi(t) под действие напряжения U_э(t) будут равны
U_мi(t) = γ_мiU_эi(t) = - γ_мiU_0nj(t), (8)
где γ_мi- коэффициенты преобразования электрических колебаний U_эi(t) в механические U_мi(t).

Из (1), (7) и (8) следует, что отрицательная обратная связь с выхода i-х умножителей на управляемый вход ПОЭ_i обеспечивает им противофазные с ППЭ_i механические колебания, а следовательно, активную автокомпенсацию механических колебаний i-х зеркал. Это, в свою очередь, приводит к компенсации помеховых фазовых модуляций оптического излучения, т.е. к минимизации коррелированных помеховых составляющих U_0пj(t) в выходном сигнале фотоприемной системы 10.

Таким образом, напряжения регулирования β_ik_i(t), формируемые в цепи корреляционной отрицательной обратной связи пассивного АК, обеспечивают минимизацию помеховых механических колебаний зеркал (активная автокомпенсация помех), т.е. минимизацию помеховой фазовой модуляции оптического излучения и минимизацию помеховых сигналов (пассивная автокомпенсация помех) на выходе сумматора 31 АК. При этом поскольку в выходных напряжениях U_пi(t) отсутствуют составляющие, обусловленные полезным эффектом Саньяка, полезный сигнал U₀(t) сохраняется полностью.

Таким образом, предложенная активная корреляционная автокомпенсация колебаний зеркал (отражателей) обеспечивает заявляемому лазерному гироскопу защиту от внешних помех с полным сохранением полезного сигнала, обусловленного эффектом Саньяка.

Источники информации
1. 3ейгер С.Г., Климонтович Ю.Л., Ланда П.С., Ларионцев Е.Г., Фрадкин Э. Е. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах. М.: Наука, 1974, 416 с.

2. Серегин В.В., Кукулиев P.M., Лазерные гирометры и их применение. М.: Машиностроение, 1990, 288 с.

3. Балакин А. Б., Даишев Р.А., Мурзаханов 3. Г., Скочилов А.Ф. Патент N 2117251 на изобретение "Лазерный гироскоп" с приоритетом от 6 мая 1997 г., Бюл. N22, 10.08.98. - прототип.

4. Kogelnik Н.//Bell Syst. Tell. J., -1969.- v. 48, N 9, p. 2909-2948.

5. Теоретические основы радиолокации. Под. ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов. М.: Советское радио, 1970, 560 с.

Использование: для измерения угловой скорости и малых вариаций угловой скорости вращения, например угловой скорости вращения Земли. За счет введения в двухрезонаторную пятиугольной конфигурации лазерную систему с геометрически неэквивалентными контурами новых элементов: пяти пьезоэлементов прямого эффекта, трансформирующих механические колебания в электрические, пяти пьезоэлементов обратного эффекта, трансформирующих электрические колебания в механические, которые попарно прикреплены рабочими гранями, фазовый детектор и кварцевый гетеродин, пассивный автокомпенсатор помех в составе сумматора, пяти умножителей и пяти корреляторов, их взаимное расположение по отношению к известным элементам устройства, электрические связи между ними и известными элементами устройства образуют активный корреляционный автокомпенсатор механических колебаний отражателей. Технический результат - повышение помехозащищенности устройства. 1 ил.

Лазерный гироскоп, содержащий активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на внешней стороне, первую и вторую отражательные дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, фотоприемную систему и преобразователь поляризации, причем преобразователь поляризации расположен между полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой, а первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, вторая дифракционная решетка расположена между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалами, первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом, при этом оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим зеркалом и выходным полупрозрачным зеркалом, отличающийся тем, что в него введены пять пар прикрепленных друг к другу рабочими гранями пьезоэлектриков обратного и прямого эффектов, фазовый детектор с кварцевым гетеродином на одном из его входов, пять пар последовательно соединенных корреляторов и умножителей и сумматор с одним основным и пятью вспомогательными входами, причем каждый пьезоэлектрик обратного эффекта своей гранью, противоположной рабочей грани, прикреплен к внешней стороне либо глухих зеркал, либо отражательных дифракционных решеток, а пьезоэлектрики прямого эффекта своими свободными гранями, противоположными рабочим, зафиксированы в выемке основания их крепления, выход фотоприемной системы через фазовый детектор соединен с основным входом сумматора, сигнальные выходы пьезоэлектриков прямого эффекта подключены к первым входам соответствующих корреляторов и параллельно через соответствующие умножители к соответствующим вспомогательным входам сумматора и параллельно к сигнальным входам соответствующих пьезоэлектриков обратного эффекта, причем выход сумматора, являющийся сигнальным выходом устройства, параллельно подключен ко вторым входам всех корреляторов.