Система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа Российский патент 2020 года по МПК G01C19/68 

Система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа

Изобретение относится к гироскопам и измерительной технике и может быть использовано для регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа (ЗЛГ).

Известно устройство [RU 2270454, С2, G01R 25/00, G01R 27/28, 22.02.2006], содержащее два двухканальных мультиплексора, выходы которых подключены к входам измерителя временных сдвигов, выход измерителя временных сдвигов подключен к входу блока вычисления оценки разности группового времени запаздывания, входы одного из мультиплексоров подключаются к входам исследуемого усилителя, а входы другого мультиплексора - к выходам усилителя, при этом разность группового времени запаздывания сигналов, поступающих с выходов тестируемого усилителя, измеряется путем поочередного измерения запаздывания, возникающего в каждом из каналов усилителя.

Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности.

Известно также устройство [RU 136586, U1, G01R 29/02, H01S 3/083, 10.01.2014], содержащее первый делитель напряжения, коробку соединительную, первый и второй входы которой соединены с первым и вторым выходами датчика лазерных гироскопов, а группа входов соединена с группой выходов первого делителя напряжения, второй делитель напряжения, группа входов которого соединена с группой входов датчика лазерных гироскопов и с группой выходов коробки соединительной, выход которой соединен с входом второго делителя напряжения, а также осциллограф, первый вход которого соединен с выходом первого делителя напряжения, а второй и третий входы соединены с первым и вторым выходами второго делителя напряжения соответственно.

Недостатком этого устройства также является относительно узкие функциональные возможности.

Кроме указанных выше, известна система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа [Система регулировки периметра для зеемановского кольцевого лазера с настройкой на продольную моду с заданной четностью. Электронная техника. Лазерная техника и оптоэлектроника. Вып.1(57), 1991, стр. 68], включающая фотоприемник излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного пьезоприводом и содержащего блок частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор, синхронный детектор, первый вход которого соединен с выходом фотоприемника излучения кольцевого лазера, а второй вход является входом сигнала знакопеременной подставки, интегратор со сбросом, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, и усилитель, первый вход которого соединен с выходом интегратора со сбросом, а выход соединен с пьезоприводом кольцевого лазера.

Эта система является замкнутой системой регулирования, использующая в качестве сигнала рассогласования сигнал интенсивности излучения в одном луче кольцевого лазера, а в качестве регулирующего элемента пьезоэлектрический привод кольцевого лазера.

Недостатком этой системы является относительно низкая точность, вызванная возникновением разности интенсивностей встречных волн, причиной которой, в частности, является анизотропия круговой поляризации встречных волн и неравенство коэффициента рассеяния встречных волн в резонаторе.

Наиболее близким по технической сущности к предложенной является система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа [RU 2589756, C1, G01R 29/02, H01S 3/083, 10.07.2016], включающая фотоприемник излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного пьезоприводом и содержащего блок частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор, первый синхронный детектор, первый вход которого соединен с выходом фотоприемника излучения кольцевого лазера, а второй вход является входом сигнала знакопеременной подставки, интегратор со сбросом, вход которого соединен с выходом первого синхронного детектора, и усилитель, первый вход которого соединен с выходом интегратора со сбросом, а выход соединен с пьезоприводом кольцевого лазера, второй синхронный детектор, первый вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а второй вход соединен с выходом усилителя, интегратор, вход которого соединен с выходом второго синхронного детектора, и синхронный модулятор, первый вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, второй вход соединен с выходом интегратора, а выход соединен со вторым входом усилителя.

Эта система хорошо работает для ЗЛГ с одноизотопной по неону активной средой, поскольку рабочая точка совпадает с максимумом частотной подставки и тем самым обеспечивается минимальная вибрационная ошибка ΔΩ_в, зависящая от величины статической расстройки Δλ₀ [Особенности работы системы регулировки периметра резонатора и вибрационная ошибка зеемановского лазерного гироскопа на 50% смеси изотопов неона. «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана», сер. Приборостроение, №6, 2018, с. 75-86]:

где Т - период коммутации подставки, ν - частота вибрации, ΔL - амплитуда вибрационного изменения периметра резонатора, f_o - амплитуда частотной подставки при ΔL=0, χ - константа, зависящая от амплитуды частотной подставки, усиления активной среды, уровня потерь в резонаторе, ϕ₀ - разность фаз между механической вибрацией и знакопеременным током блока частотной подставки (БЧП).

Однако для ЗЛГ с двухизотопной по неону активной средой, минимумы А_пер и частотной подставки f от относительной расстройки периметра резонатора ЗЛГ Δλ_п не совпадают: (статья та же) и Δλ₀ оказывается не равным нулю, что существенно, до 5 раз, увеличивает вибрационную ошибку.

Задачей, которая решается в предложенном изобретении, является повышение точности регулировки для ЗЛГ с двухизотопной по неону активной средой или аналогичных им.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в систему, включающую первое зеркало с пьезоприводом, включенное в кольцевой лазер, содержащий отражающее зеркало, а также блок частотной подставки, катушки которого включены в плечи кольцевого лазера, и генератор синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом блока частотной подставки, согласно изобретению, введены включенные в кольцевой лазер второе зеркало с пьезоприводом и оптический смеситель, а также инвертор, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, усилитель переменного напряжения, вход которого соединен с выходом фотоприемника, соединенного с отражающим зеркалом, усилитель с управляемой амплитудой и фазой, первый вход которого соединен со вторым выходом генератора синхроимпульсов, синхронный детектор, первый, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с выходом усилителя с управляемой амплитудой и фазой, с выходом инвертора и с выходом усилителя переменного напряжения, интегратор, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, выход которого через усилитель соединен с управляющим входом первого зеркала с пьезоприводом, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом усилителя, блок счетчиков импульсов сигналов Sin и Cos, вход которого соединен с выходом оптического смесителя, процессор, первый вход которого соединен с выходом блока счетчиков импульсов, второй вход соединен с выходом аналого-цифрового преобразования и который выполнен с возможностью подсчета разности импульсов сигналов Sin и Cos и выработки сигнала управления, пропорционального этой разности, и цифро-аналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом процессора, а выход соединен со вторым входом усилителя с управляемой амплитудой и фазой.

На чертеже представлена функциональная схема системы регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа.

Система регулировки периметра (СРП) зеемановского лазерного гироскопа содержит первое зеркало 1 с пьезоприводом, включенное в кольцевой лазер 2, содержащий отражающее зеркало 3.

Система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа содержит также блок 4 частотной подставки, катушки 5 которого включены в плечи кольцевого лазера 2, и генератор 6 синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом блока 4 частотной подставки.

Кроме того, система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа содержит включенные в кольцевой лазер 2 второе зеркало 7 с пьезоприводом и оптический смеситель 8.

Система имеет в своем составе инвертор 9, вход которого соединен с первым выходом генератора 6 синхроимпульсов, усилитель 10 переменного напряжения, первый вход которого соединен с выходом фотоприемника 11, соединенного с отражающим зеркалом 3, усилитель 12 с управляемой амплитудой и фазой, первый вход которого соединен со вторым выходом генератора 6 синхроимпульсов, синхронный детектор 13, первый, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с выходом усилителя 12 с управляемой амплитудой и фазой, с выходом инвертора 9 и с выходом усилителя 10 переменного напряжения.

Помимо указанных выше элементов, система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа содержит интегратор 14, вход которого соединен с выходом синхронного детектора 13, выход которого через усилитель 15 соединен с управляющим входом первого зеркала 1 с пьезоприводом, а также аналого-цифровой преобразователь 16, вход которого соединен с выходом усилителя 15, блок 17 счетчиков импульсов сигналов sin и cos, вход которого соединен с выходом оптического смесителя 8, процессор 18, первый вход которого соединен с выходом блока 17 счетчиков импульсов, второй вход соединен с выходом аналого-цифрового преобразования 16 и который выполнен с возможностью подсчета разности импульсов сигналов sin и cos и выработки сигнала управления, пропорционального этой разности, а также цифро-аналоговый преобразователь 19, вход которого соединен с выходом процессора 18, а выход соединен со вторым входом усилителя 12 с управляемой амплитудой и фазой.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа, на фиг. 2 - зависимость амплитуды сигнала на фотоприемнике А_пер (сплошная кривая) и частотной подставки f (штрих пунктирная кривая) от относительной расстройки периметра резонатора зеемановского лазерного гироскопа (ЗЛГ) Δλ_п для одноизотопного ЗЛГ.

Работает система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа следующим образом.

После включения система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа по сигналу от фотоприемника, соединенного с отражающим зеркалом 3, система настраивается в точку А (фиг. 2). При этом сигнал цифро-аналогового преобразователя 19 близок к нулю и переменный сигнал частотой коммутации тока блока 4 частотной подставки также близок к нулю. После этого измеряют частоту f_A выходных сигналов sin и cos, а также напряжение U_A на первом 1 и втором 7 зеркалах с пьезоэлектрическими двигателями.

Затем на выходе цифро-аналогового преобразователя 19 выставляют сигнал, равный сигналу фотоприемника 11, соединенного с отражающим зеркалом 3 при расстройке периметра на +0,05λ. (точка В на фиг. 2) амплитудой А_перВ, после чего измеряют частоту f_B выходных сигналов sin и cos. Одновременно с этим измеряют напряжение U_B на первом 1 и втором 7 зеркалах с пьезоэлектрическими двигателями и на выходе цифро-аналогового преобразователя 19 выставляют сигнал, равный сигналу от фотоприемника 11, соединенного с отражающим зеркалом 3 при расстройке периметра на -0,05λ. (точка С на фиг. 2) также амплитудой А_перВ, после чего измеряют частоту f_C выходных сигналов sin и cos и напряжение U_C на первом 1 и втором 7 зеркалах с пьезоэлектрическими двигателями.

По измеренным значениям напряжений на первом 1 и втором 7 зеркалах с пьезоэлектрическими двигателями U_A, U_B, U_C (фиг. 2) и исходя из зависимость частот f (линия 1) выходных сигналов sin и cos (линия 1), а также зависимости амплитуды А_пер (линия 2) от расстройки периметра Δλ, которые носят квадратичный характер

Тогда Δλ_в=((U_B-U_A)+(U_C-U_B)/2)/(2⋅U_λ), K_A=А_перВ/Δλ²_в, где U_λ - измеренное на этапе заводской регулировки изменение напряжения на первом 1 и втором 7 зеркалах с пьезоэлектрическими двигателями, соответствующее изменение длины периметра ЗЛГ на длину волны генерируемого света.

Из значений Δλ_в, f_A, f_B, f_C по формуле (2) определяют коэффициент χ, статическую расстройку Δλ₀ и соответствующее ему А_пер0:

Далее на выходе цифро-аналогового преобразователя 19 выставляют сигнал, равный А_пер0 и система настроит периметр в точку, соответствующую минимуму частоты выходных сигналов sin и cos и полностью скомпенсирует статическую расстройку периметра.

В результате система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа может парировать короткие механические удары, а также высокочастотные вибрации. При этом, как показывают экспериментальные исследования, вибрационная ошибка для зеемановского лазерного гироскопа с двухизотопной по неону смесью уменьшается примерно в 8 раз.

В результате статическая расстройка периметра для любого типа зеемановских лазерных гироскопов стремится к нулю, что приводит к существенному уменьшению вибрационной ошибки, чем и достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа.

Изобретение относится к гироскопам. Система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа включает первое зеркало с пьезоприводом, включенное в кольцевой лазер, содержащий отражающее зеркало, а также блок частотной подставки, катушки которого включены в плечи кольцевого лазера, и генератор синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом блока частотной подставки, включенные в кольцевой лазер второе зеркало с пьезоприводом и оптический смеситель. Также система содержит инвертор, усилитель переменного напряжения, усилитель с управляемой амплитудой и фазой, синхронный детектор, интегратор, аналого-цифровой преобразователь, блок счетчиков импульсов сигналов Sin и Cos, вход которого соединен с выходом оптического смесителя, процессор, а также цифро-аналоговый преобразователь. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения точности регулировки периметра гироскопа. 2 ил.

Система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа, включающая включающую первое зеркало с пьезоприводом, включенное в кольцевой лазер, содержащий отражающее зеркало, а также блок частотной подставки, катушки которого включены в плечи кольцевого лазера, и генератор синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом блока частотной подставки, отличающаяся тем, что введены включенные в кольцевой лазер второе зеркало с пьезоприводом и оптический смеситель, а также инвертор, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, усилитель переменного напряжения, вход которого соединен с выходом фотоприемника, соединенного с отражающим зеркалом, усилитель с управляемой амплитудой и фазой, первый вход которого соединен со вторым выходом генератора синхроимпульсов, синхронный детектор, первый, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с выходом усилителя с управляемой амплитудой и фазой, с выходом инвертора и с выходом усилителя переменного напряжения, интегратор, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, выход которого через усилитель соединен с управляющим входом первого зеркала с пьезоприводом, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом усилителя, блок счетчиков импульсов сигналов Sin и Cos, вход которого соединен с выходом оптического смесителя, процессор, первый вход которого соединен с выходом блока счетчиков импульсов, второй вход соединен с выходом аналого-цифрового преобразования и который выполнен с возможностью подсчета разности импульсов сигналов Sin и Cos и выработки сигнала управления, пропорционального этой разности, и цифро-аналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом процессора, а выход соединен со вторым входом усилителя с управляемой амплитудой и фазой.