СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ В ЛАЗЕРНОМ ГИРОСКОПЕ Российский патент 2020 года по МПК G01C19/66 G01J9/02 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно, к устройствам для измерения угловой скорости в системах ориентации и навигации подвижных объектов и может быть использовано при организации систем съема и обработки выходной информации в виде динамической интерференционной картины кольцевых лазерных гироскопов.

Регистрация фазового сдвига в кольцевом интерферометре основана на явлении интерференции, возникающей при суммировании встречных световых лучей. Впервые это явление в 1904 году использовал А. Майкельсон в опытах при изучении гипотезы «Эфира». Аналогичные опыты в 1913 году с целью проверки ньютоновского «светоносного эфира» были проделаны М. Саньяком [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с. - С. 188]. Установка содержит источник света, три зеркала, полупрозрачную пластинку и оптический элемент, установленные на вращающейся платформе. В исследовании рассматривается распространение света по контуру кольцевого интерферометра. Поскольку опорный луч света от источника разделялся на два после прохождения полупрозрачной пластинки (это фактически оптический делитель), то двигаясь навстречу друг другу, они создавали некоторое биение частоты интерферометра, которая возникала за счет смешения двух встречных излучений оптического диапазона длин волн. Если платформа приводилась в движение, например, по часовой стрелке со скоростью Ω(t), то наблюдалось изменение положения интерференционных полос со скоростью пропорциональной этому воздействию.

Способ контроля и измерения скорости изменения интерференционных полос базировался на преобразовании чередующихся оптических полос динамической интерференционной картины в электрические сигналы с помощью одного оптического фотоэлемента и последующей их обработке в единицу времени. В итоге, результирующая величина была пропорциональная угловой скорости движения объекта. Данное явление М. Саньяк назвал «вихревой эффект», а в дальнейшем он получил название «эффект Саньяка».

К недостаткам реализуемого способа следует отнести:

- используемый источник света, обеспечивая широкий спектр излучения в оптическом диапазоне длин волн, приводит к тому, что интерференционная картина оказывается «смазанной» в отличие от варианта, например, при использовании монохроматического излучения;

- использование в реализуемом способе одного фотоприемного устройства не обеспечивает контроль направления углового вращения, а фиксирует только величину угловой скорости.

Наиболее близкий способ к заявляемому способу реализован в базовой схеме лазерного гироскопа [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с. - С. 282], структурная схема которого представлена на Фиг. 1. Носителем информации об угловой скорости относительно инерциального пространства является электромагнитное излучение, параметры которого изменяются в зависимости от вектора угловой скорости вращения объекта (эффект М. Саньяка).

Чувствительным элементом схемы является квантовый прибор 1 с кольцевым активным или пассивным резонатором 2, в котором монохроматическое излучение распространяется навстречу друг другу и выводится на интерференционный оптический смеситель 3. На его выходе образуется сигнал разностной частоты интерферирующих встречных волн - динамическая интерференционная картина, которая фокусируется линзой 4 в плоскости фотоприемного устройства 5.

Следует отметить, что непосредственно интерференционная картина на выходе лазерного гироскопа не зависит от конструктивно-технологического решения кольцевого резонатора - трехканальной или четырехканальной схемы, активного или пассивного кольцевого резонатора, а определяется интерференционным оптическим смесителем и рабочей длиной волны лазерного излучения.

Сущность способа обработки динамической интерференционной картины в прототипе - лазерном гироскопе с квантовым чувствительным элементом кольцевого типа - состоит в следующем.

На выходе интерференционного оптического смесителя 3 (вариант технического решения показан на Фиг. 2) фактически имеет место динамическая интерференционная картина в виде чередующихся черных и белых полос, скорость перемещения которых пропорциональна угловой скорости объекта. Использование монохроматического лазерного источника излучения позволяет получить достаточно контрастную интерференционную картину, что отсутствовало в аналоге. Данное положение является залогом высокой точности цифрового отсчета измеряемого параметра - угловой скорости объекта.

Если разность фаз между световыми колебаниями остается постоянной (угловое вращение объекта отсутствует), то полосы интерференционной картины в плоскости А-А будут неподвижными. При изменении разности фаз интерференционные полосы перемещаются вправо или влево в зависимости от направления вращения контура оптического резонатора. Перемещение на один шаг между полосами соответствует изменению фаз на 2π радиан.

Для определения направления движения интерференционных полос применяют два дискретных фотоприемника/фотодиода 5.1 и 5.2, световые апертуры которых сдвинуты друг относительно друга на четверть шага между полосами. Данные фотоприемники взаимно юстируются относительно друг друга и относительно центральной оптической оси выхода интерференционного оптического смесителя в плоскости А-А. На момент отсчета может срабатывать только один из фотоприемников, что обеспечивает однозначность отсчета.

Получаемые электрические сигналы от фотоприемников поступают на схему обработки. Как правило, это цифровая схема обработки сигналов данного типа. Типовая схема цифрового канала обработки (Фиг. 1) объединяет два оптических фотоприемника 5.1 и 5.2, два усилителя 6.1 и 6.2, два формирователя счетных импульсов 7.1 и 7.2, систему определения знака угловой скорости 8 и реверсивный счетчик результирующих показаний 9. Работа цифрового канала обработки синхронизируется соответствующими импульсами синхронизации, которые реализуют интегрирующую составляющую системы.

Назначение элементов цифрового канала обработки состоит в следующем: амплитуда электрического сигнала с фотоприемников для устойчивой работы последующих элементов канала требует предварительного усиления и формирования счетных импульсов; система определения знака угловой скорости обеспечивает сравнение фаз фронтов счетных импульсов с обоих фотоприемников, где условию опережения фронта счетного импульса соответствует положительное направление углового перемещения объекта, а обратному условию -отрицательное/обратное направление углового перемещения объекта, которое регистрируется подачей импульса управления на вход управления реверсивного счетчика 9; реверсивный счетчик за время осреднения (период следования синхроимпульсов) реализует счет количества счетных импульсов пропорциональных угловой скорости объекта и формирование соответствующего двоичного кода. Последнее положение иллюстрирует интегратор на базе схемы 2И (Фиг. 3).

Принципиальным отличием известного способа обработки динамической интерференционной картины в лазерном гироскопе от аналогов является возможность не только измерять величину угловой скорости Ω(t), но и определять ее направление/знак.

Однако данный способ малоприемлем при использовании в лазерных гироскопах источников излучения, не обладающих монохроматизмом. Например, полупроводниковых многомодовых лазерных диодов, обладающих повышенными мощностями оптического излучения. Увеличение мощности оптического сигнала в оптическом контуре позволяет повысить чувствительность гироскопа на малых угловых скоростях. При этом интерференционная картина на выходе гироскопа несколько зашумлена, а система обработки интерференционных динамических сигналов практически не защищена от воздействия оптических помех. Это приводит к значительным погрешностям при измерении малых угловых перемещений.

При этом проблемной остается ситуация, связанная с взаимной юстировкой двух фотоприемников. Дело в том, что интенсивность интерференционных полос и расстояние между соседними интерференционными полосами достаточно малы, сильно зависят от рабочей длины волны лазера и пропорциональны удалению фотоприемного устройства от выхода интерференционного оптического смесителя.

Достоинствами известного способа следует считать:

1. Применение двух дискретных фотодиодов в качестве фотоприемного устройства позволило решать одновременно задачу определения направления угловой скорости лазерного гироскопа Ω(t) и измерять ее величину.

2. Организация фотоприемного устройства допускает применение полупроводниковых интегральных фотодиодов, что расширяет функциональные и точностные возможности лазерного гироскопа.

К недостаткам известного способа следует отнести:

1. Необходимость точной взаимной настройки дискретных фотодиодов в процессе юстировки оптического канала относительно оптической оси выхода интерференционного оптического смесителя при определении направления угловой скорости кольцевого лазерного гироскопа.

2. Значительные погрешности устройства при измерении знакопеременной угловой скорости за счет ограничений на взаимное расположение фотодиодов в оптическом канале лазерного гироскопа - шага между соседними полосами интерференционной картины при наличии многомодового оптического лазерного излучения.

3. Сильное влияние неоднозначности интерференционной картины на выходе гироскопа при многомодовом лазерном излучении на результирующий сигнал, что фактически может рассматриваться как присутствие в интерференционной картине оптических помех.

4. Ограничения на порог чувствительности и быстродействие применяемых фотоприемников классического типа в устройстве.

Общими признаками известных способов обработки динамической интерференционной картины с выхода кольцевого лазерного гироскопа являются наличие:

1. Оптического канала, включающего источник оптического излучения, оптическую кольцевую систему, интерференционный оптический смеситель, фокусирующую линзу.

2. Канала обработки интерференционной динамической картины на основе фотоприемного устройства.

Технический результат изобретения состоит в снижении влияния оптических помех на результирующий сигнал, снятии ограничений на взаимную юстировку фотодиодов, реализующих фотоприемное устройство лазерного гироскопа, и предоставлении возможности управления порогом чувствительности базового фотоприемника.

Заявляемый способ обработки динамической интерференционной картины в лазерном гироскопе реализуется посредством того, что:

1. В цифровом канале обработки динамическое состояние интерференционной картины фиксируется с помощью двух фотоприемников на основе интегральных дифференциальных фотодиодов, рабочие фотоприемные области которых подключены через соответствующие нагрузки к запирающему потенциалу источника питания и одновременно образуют двунаправленный латеральный транзистор, включенный по схеме с общей базой. Это создает глубокую отрицательную обратную связь между соседними фотоприемными каналами обработки и снижает влияние оптических помех на результирующий сигнал. При этом дифференциальные фотодиоды расположены в заданной плоскости фокусирующей линзы на выходе оптического канала относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя без взаимной юстировки относительно соседних интерференционных полос на заданном удалении (принципиальная электрическая схема интегральных дифференциальных фотодиодов приведена на Фиг. 4);

2. В дополнение к рабочим фотоприемным областям интегральных дифференциальных фотодиодов сформирована еще одна рабочая область, подключенная через гасящий резистор к источнику питания, которые совместно образуют двухколлекторный латеральный транзистор, включенный по схеме с общей базой и выполняющий функции генератора тока, что позволяет управлять рабочей точкой фотодиодов, регулируя порог чувствительности фотоприемника (принципиальная электрическая схема интегральных дифференциальных фотодиодов с дополнительным двухколлекторным латеральным транзистором, выполняющего функции генератора тока, приведена на Фиг. 5).

Общими для заявляемого способа и прототипа являются следующие признаки:

- оптический канал, состоящий из лазерного источника излучения, оптического резонатора, интерференционного оптического смесителя, фокусирующей линзы;

- цифровой канал, состоящий из двух усилителей, двух формирователей счетных импульсов, системы определения знака угловой скорости, реверсивного счетчика;

- системы синхронизации.

Отличными от прототипа являются следующие признаки:

- два фотоприемника на основе интегральных дифференциальных фотодиодов, рабочие фотоприемные области которых подключены через соответствующие нагрузки к запирающему потенциалу источника питания, одновременно образуют двунаправленный латеральный транзистор, включенный по схеме с общей базой, что создает глубокую отрицательную обратную связь между оптическими каналами обработки и снижает влияние оптических помех на результирующий сигнал;

- дифференциальные фотодиоды расположены в заданной плоскости фокусирующей линзы на выходе оптического канала относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя без взаимной юстировки относительно соседних интерференционных полос так, чтобы разнос между соседними полосами интерференционной картины составлял ее шага по основной рабочей длине волны;

- в дополнение к рабочим фотоприемным областям интегральных дифференциальных фотодиодов сформирована еще одна рабочая область, подключенная через гасящий резистор к открывающему потенциалу источника напряжения, которые совместно образуют двухколлекторный латеральный транзистор, включенный по схеме с общей базой и выполняющий функции генератора тока, что позволяет управлять рабочей точкой фотодиодов, регулируя порог чувствительности фотоприемника.

Сущность заявляемого способа обработки динамической интерференционной картины в лазерном гироскопе раскрывают схемы на Фиг. 4 и 5.

Принципиальная электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ обработки динамической интерференционной картины в лазерном гироскопе по п. 1 (Фиг. 4), состоит из фотодиодов 5.1, 5.2, рабочие области которых подключены к соответствующим выходам 1 и 2 через соответствующие нагрузочные резисторы R_H к запирающему потенциалу источнику напряжения -Е_п, и двунаправленного латерального транзистора 5.3, включенного по схеме с общей базой между рабочими областями обоих фотодиодов.

Физику работы интегральных дифференциальных фотодиодов при обработке динамической интерференционной картины иллюстрирует поясняющие графические материалы на Фиг. 6а и 6б.

Интегральные фотоприемные диоды 5.1. и 5.2 образованы в объеме подложки n-типа двумя рабочими областями р-типа. Формирование двунаправленного латерального транзистора p-n-р типа 5.3 достигается топологически реализацией расстояния X между рабочими областями р-типа (Фиг. 6а). Требуемая чувствительность реализуется созданием соответствующих площадей рабочих р-областей (Фиг. 6,).

Пусть латеральный транзистор 5.3 обладает коэффициентом передачи тока в обоих направлениях α=0,9, что технически реализуемо. Если на рабочие области поступает одинаковый оптический поток от источника излучения Ф_и, то количество генерируемых носителей заряда в рабочих р-областях будет одинаковым и транзистор 5.3 фактически закрыт, так как к рабочим р-областям прикладываются отрицательный потенциал источника питания -Е_п.

Если положение фотоприемного устройства относительно интерференционной картины после фокусирующей линзы 4 (Фиг. 1) создать таким, чтобы разнос между соседними полосами интерференционной картины составлял ее шага по основной рабочей длине волны, то на рабочие р-области фотодиодов буду поступать соответственно минимальный и максимальной оптические потоки. Это соответствует «черной» и «белой» полосам интерференционной картины. Соответственно, в рабочих р-областях будет генерироваться определенное количество носителей. При достаточной площади рабочих р-областей количество генерируемых носителей заряда в зоне «белой» полосы позволяет сместить p-n-переход фотодиода в прямом направлении, что приведет к появлению фототока фотоприемника и изменению потенциала на его выходе. Наличие отрицательного потенциала на второй рабочей р-области и ее взаимодействие с «черной» полосой интерференционной картины в начальный момент сохранит значение темнового тока запертого p-n-переход фотодиода. Но наличие достаточного количества основных носителей заряда в соседней рабочей р-области включает в работу p-n-р латеральный транзистор и часть носителей заряда перемещается в соседнюю рабочую р-область. При этом прямой ток диода при взаимодействии с «белой» полосой интерференционной картины несколько уменьшится, а второй фотодиод перейдет в граничный режим в прямой области вольт-амперной характеристики. В итоге, потенциал на выходе этого фотоприемника будет эквивалентен уровню «черной» полосы интерференционной картины. Некоторое понижение потенциала на выходе фотоприемника по каналу «белой» полосы интерференционной картины определяется влиянием p-n-р латеральным транзистором 5.3 и свидетельствует о присутствии отрицательной обратной связи между фотодиодами 5.1 и 5.2.

Наличие оптической помехи в «белой» или «черной» полосах интерференционной картины будет купироваться за счет наличия отрицательной обратной связи между фотоприемниками 5.1 и 5.2, создаваемой латеральным транзистором 5.3.

Пусть имеет место импульсная оптическая помеха в «белой» полосе интерференционной картины, которая проявляется наличием провала излучения в какой-то промежуток времени, т.е. в «белой» полосе интерференционной картины присутствует с длительностью τ «черная» линия. Появление оптической помехи приводит к уменьшению количества основных носителей в рабочей р-области. Это приводит к уменьшению потенциала сигнала на выходе фотоприемника, т.к. фототок диода уменьшается. Но в момент т латеральный транзистор 5.3 закрывается. Часть основных носителей, переносившихся ранее в соседнюю рабочую р-область, остается в исходной р-области, подвергшейся влиянию помехи. Это купирует недостающую часть основных носителей и позволяет сохранить величину фототока в рабочем фотоприемнике и выравнивание потенциала сигнала на его выходе.

Аналогичный процесс происходит и при наличии оптической помехи в «черной» полосе интерференционной картины, которая проявляется наличием возрастания излучения в какой-то промежуток времени, т.е. в «черной» полосе интерференционной картины присутствует с длительностью τ «белая» линия. Появление оптической помехи приводит к увеличению количества основных носителей в рабочей р-области. Это приводит к возрастанию потенциала сигнала на выходе фотоприемника, т.к. фототок диода увеличивается. Но в момент т латеральный транзистор 5.3 закрывается. Часть основных носителей, переносившихся ранее в соседнюю рабочую р-область, остается в исходной р-области, не подвергшейся влиянию помехи. Это купирует возросшую часть основных носителей и позволяет сохранить величину фототока в рабочем фотоприемнике и выравниванию потенциала сигнала на его выходе.

Интегральные дифференциальные фотодиоды 5.1 и 5.2 расположены в заданной плоскости фокусирующей линзы 4 на выходе оптического канала относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя 3 без взаимной юстировки относительно соседних интерференционных полос так, чтобы разнос между соседними полосами интерференционной картины составлял ее шага по основной рабочей длине волны.

Принципиальная электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ обработки динамической интерференционной картины в лазерном гироскопе по п. 2 (Фиг. 5), состоит из фотодиодов 5.1, 5.2, рабочие области которых подключены к соответствующим выходам 1 и 2 через соответствующие нагрузочные резистора R_H к запирающему потенциалу источнику напряжения -Е_п, двунаправленного латерального транзистора 5.3, включенного по схеме с общей базой между рабочими областями обоих фотодиодов и двухколлекторного латерального транзистора 5.4, включенного по схеме с общей базой и выполняющего функции генератора тока так, что коллекторы соединены с рабочими областями обоих фотодиодов, а эмиттер через гасящий резистор R_г соединен с положительным потенциалом источника напряжения +Е_п.

Фактически реализация данного способа расширяет функциональные возможности базового интегрального дифференциального фотоприемника в способе по п. 1.

Физику работы интегральных дифференциальных фотодиодов при обработке динамической интерференционной картины иллюстрирует поясняющий графический материал на Фиг. 7.

Интегральные фотоприемные диоды 5.1. и 5.2 двунаправленный латеральный транзистор p-n-р типа 5.3 образованы в объеме подложки n-типа двумя рабочими областями р-типа. Формирование двунаправленного латерального транзистора p-n-р типа 5.3 достигается топологически реализацией расстояния X между рабочими областями р-типа, а требуемая базовая чувствительность реализуется созданием соответствующих площадей рабочих р-областей. В дополнение к рабочим фотоприемным областям базовых интегральных дифференциальных фотодиодов р-типа сформирована еще одна рабочая область р-типа, топологически удаленная от первых рабочих р-областей на расстояние X и подключенная через гасящий резистор R_г к положительному потенциалу источника напряжения +Е_п. Три рабочие р-области совместно образуют интегральный двухколлекторный латеральный p-n-р транзистор 5.4, включенный по схеме с общей базой. Фактически p-n-р транзистор 5.4 выполняет функции генератора тока, величина которого управляется посредством гасящего резистора R_г, который позволяет управлять рабочей точкой фотодиодов 5.1 и 5.2, регулируя общий порог чувствительности фотоприемника.

Работа генератора тока на базе p-n-р транзистор 5.4 сводится к следующему. Наличие отрицательного потенциала на коллекторных р-областях приводит к тому, что накапливаемые в дополнительной р-области (эмиттере транзистора 5.4) основные носители заряда в соответствии с коэффициентом передачи переносятся в рабочие р-области интегральных фотодиодов 5.1 и 5.2. При отсутствии информационных оптических потоков потенциал рабочих р-областей фотодиодов 5.1 и 5.2 может меняться путем варьирования тока эмиттера транзистора 5.4 с помощью гасящего резистора R_г. Это фактически эквивалентно управлению рабочей точкой вольт-амперной характеристикой фотодиодов и регулированию, тем самым, порогом чувствительности фотоприемника. Остальные функциональные возможности заявляемого способа по базовому фотоприемнику при этом остаются неизменными.

Базовая схема лазерного гироскопа, в котором реализуется заявляемый способ обработки динамической интерференционной картины, представлен на Фиг. 8. Здесь фотоприемное устройство представлено как два интегрированных фотодиода 5.1 и 5.2.

Использование заявляемого способа обработки динамической интерференционной картины в лазерном гироскопе позволяет модифицировать известные лазерные гироскопы на базе кольцевых лазерных схем для навигационных систем объектов с целью повышения их точностных характеристик отсчета измеряемых угловых скоростей и сохранения базисных параметров в качестве датчиков угловых скоростей. Использование заявляемого способа позволяет также создавать кольцевые моноблочные гироскопы с многомодовыми полупроводниковыми источниками излучения для навигационных систем объектов, которые в процессе выполнения своих функций подвергаются дестабилизирующим факторам.

Техническое решение, положенное в основу устройства явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа.

Заявленный способ имеет существенные отличия от наиболее близких аналогов и удовлетворяет критерию патентоспособности изобретения - «новизна».

Заявленное устройство технически осуществимо и промышленно реализуемо на приборостроительном предприятии. Проведенные испытания интегрального фотоприемного устройства подтверждают достижение заявленного технического результата. В связи с изложенным, предполагаемое изобретение является промышленно применимым.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа обработки динамической интерференционной картины с выхода оптического смесителя кольцевого лазерного гироскопа. Способ включает в себя фокусировку динамической интерференционной картины линзой в заданной плоскости на выходе оптического канала с последующей обработкой в цифровом канале. В цифровом канале динамическое состояние интерференционной картины фиксируется с помощью двух фотоприемников на основе интегральных дифференциальных фотодиодов, фотоприемные области которых образуют двунаправленный латеральный транзистор, включенный по схеме с общей базой. Дифференциальные фотодиоды расположены в заданной плоскости фокусирующей линзы на выходе оптического канала относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя без взаимной юстировки относительно соседних интерференционных полос так, чтобы разнос между соседними полосами интерференционной картины составлял ее шага по основной рабочей длине волны. Технический результат заключается в снижении влияния оптических помех на результирующий сигнал, снятии ограничений на взаимную юстировку фотодиодов фотоприемного устройства и обеспечении возможности управления порогом чувствительности базового фотоприемника. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ обработки динамической интерференционной картины с выхода оптического смесителя кольцевого лазерного гироскопа, которая фокусируется линзой в заданной плоскости на выходе оптического канала с последующей обработкой в цифровом канале, отличающийся тем, что в цифровом канале обработки динамическое состояние интерференционной картины фиксируется с помощью двух фотоприемников на основе интегральных дифференциальных фотодиодов, рабочие фотоприемные области которых подключены через соответствующие нагрузки к запирающему потенциалу источника питания, одновременно образуют двунаправленный латеральный транзистор, включенный по схеме с общей базой, что создает глубокую отрицательную обратную связь между каналами оптической обработки и снижает влияние оптических помех на результирующий сигнал, при этом дифференциальные фотодиоды расположены в заданной плоскости фокусирующей линзы на выходе оптического канала относительно оптической оси интерференционного оптического смесителя без взаимной юстировки относительно соседних интерференционных полос так, чтобы разнос между соседними полосами интерференционной картины составлял ее шага по основной рабочей длине волны.

2. Способ обработки динамической интерференционной картины по п. 1, отличающийся тем, что в дополнение к рабочим фотоприемным областям интегральных дифференциальных фотодиодов сформирована еще одна рабочая область, подключенная через гасящий резистор к открывающему потенциалу источника питания, которые совместно образуют двухколлекторный латеральный транзистор, включенный по схеме с общей базой и выполняющий функции генератора тока, что позволяет управлять рабочей точкой фотодиодов, регулируя порог чувствительности фотоприемника.