Способ стабилизации и регулирования периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной магнитооптической частотной подставкой в форме меандра Российский патент 2023 года по МПК G01C19/64 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии. Известен способ стабилизации и регулирования периметра одномодового (двухчастотного) зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной магнитооптической частотной подставкой [1]. В нем для настройки на моду используется сигнал модуляции интенсивности одной из волн, пропорциональный расстройке от центра линии усиления лазера.

Недостатком этого способа является то, что он неприменим в четырехчастотном режиме зеемановского лазерного гироскопа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ цифровой стабилизации и регулировки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной магнитооптической частотной подставкой в форме меандра [2].

В этом способе осуществляют оптическое совмещение встречных волн каждой моды, оптическое разделение двух ортогонально поляризованных мод и получение интерференционных картин на двухплощадочных фотоприемниках, преобразование оптических сигналов интерференционных картин в синусоидальные сигналы с частотой, равной разности частот встречных волн в двух модах, преобразующихся на компараторах в импульсные сигналы с учетом знака разности частот встречных волн, формирование дискриминационной характеристики системы регулирования периметра по разности частот подставок двух мод за положительный и отрицательный полупериоды меандра и подстройку периметра лазера с помощью пьезозеркал в точку равенства частот подставок мод по критерию

где ƒ_y - сигнал расстройки периметра, - частоты биений моды «А» и моды «В» за положительный период меандра, - частоты биений моды «А» и моды «В» за отрицательный период меандра.

Недостатком известного способа является то, что применение меандра и синхронного съема данных по его переднему фронту при воздействии постоянных угловых ускорений в четырехчастотном гироскопе делает невозможной точное измерение амплитуды частотной подставки на двух модах и, как следствие настройку и стабилизацию периметра, что приводит к ошибке в измерении выходной угловой скорости.

Задачей предлагаемого способа является исключение ошибок измерения амплитуды частотной подставки и угловой скорости при изменении расстройки периметра из-за воздействия на гироскоп постоянных угловых ускорений.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе стабилизации и регулирования периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной магнитооптической частотной подставкой в форме меандра, включающем оптическое разделение двух ортогонально поляризованных мод, оптическое совмещение встречных волн каждой моды и получение интерференционных картин на двухплощадочных фотоприемниках, преобразование оптических сигналов интерференционных картин в синусоидальные сигналы с частотой, равной разности частот встречных волн в двух модах, преобразующихся на компараторах в импульсные сигналы с учетом знака разности частот встречных волн, формирование дискриминационной характеристики системы регулировки периметра по разности частот подставок на двух модах за положительный и отрицательный полупериоды меандра и подстройку периметра лазера с помощью пьезозеркал в точку равенства частот подставок мод, съем выходных данных четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа смещают на четверть периода относительно переднего фронта меандра.

Суть предлагаемого способа заключается в том, что в четырехчастотном ЗЛГ со знакопеременной магнитооптическгой частотной подставкой в форме меандра, съем выходных данных четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа смещен на четверть периода относительно переднего фронта меандра.

В изобретении происходит оптическое совмещение встречных волн каждой моды, оптическое разделение двух ортогонально поляризованных мод, получение интерференционных картин на двухплощадочных фотоприемниках, преобразование оптических сигналов интерференционных картин в синусоидальные электрические сигналы с частотой, равной разности частот встречных волн в двух модах, преобразующихся на компараторах в импульсные сигналы с учетом знака разности частот встречных волн, формирование дискриминационной характеристики системы регулирования периметра по разности частот подставок двух мод за положительный и отрицательный полупериоды меандра и подстройку периметра лазера с помощью пьезозеркал в рабочую точку равенства амплитуд частотных подставок двух мод, смещение съема выходных данных четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа на четверть периода относительно переднего фронта меандра.

Для подстройки в рабочую точку равенства амплитуд частотных подставок двух мод, сигнал расстройки периметра гироскопа должен быть равен нулю, он с учетом углового ускорения выражается как Причиной ошибки настройки на моду является то, что при изменении угловой скорости в сигнале рассогласования цифровой системы регулировки периметра появляется составляющая пропорциональная угловому ускорению где Δƒ_y - дополнительная составляющая в сигнале расстройки периметра гироскопа, - угловое ускорение гироскопа, а Т - период меандра. Возникновение Δƒ_y для случая постоянного углового ускорения приводит к тому, что система регулировки периметра стабилизирует периметр гироскопа в сдвинутой точке по расстройке ƒ_y.

На Фиг. 1 показана зависимость расстройки ƒ_y от времени t, при приложении к датчику постоянного углового ускорения Период съема данных совпадает своим началом с передним фронтом меандра, в каждом полупериоде меандра расстройка получает приращение Δƒ_y и сумма расстроек за период меандра не обнуляется, что не позволяет исключить ошибку Δƒ_y пропорциональную угловому ускорению.

На Фиг. 2 показаны экспериментальные зависимости напряжения на пьезокерамике датчика в вольтах (синяя сплошная линия) и значения измеренной угловой скорости вращения датчика в °/с (черная сплошная линия) от времени в процессе поворота датчика со скоростью 500°/с на угол поворота в 2160° сначала по часовой, а затем против часовой стрелки. Красным пунктиром показан рабочий диапазон пьезокерамики. Подстройка пьезокерамики происходила один раз за секунду. При повороте датчика по часовой стрелке ускорение датчика от 0 до 500°/с произошло точно за такт подстройки, поэтому пьезокерамика не вышла за пределы рабочего диапазона, так как ошибка Δƒ_y была скомпенсирована за один такт подстройки и не вывела пьезокерамику из рабочего диапазона. Однако, при вращении датчика против часовой стрелки процесс ускорения датчика был разделен между двумя тактами подстройки пьезокерамики, ошибка Δƒ_y компенсировалась системой регулировки периметра два такта, что привело к выходу пьезокерамики за пределы рабочего диапазона и ошибке в измерении угловой скорости вращения датчика уже после разгона до 500°/с, а также при уменьшении скорости вращения до 0°/с.

На Фиг. 3 показана зависимость расстройки ƒ_y от времени t, при приложении к датчику постоянного углового ускорения Период съема, предложенный в изобретении, сдвинут на четверть периода от переднего фронта меандра. В каждом четверть периоде меандра расстройка получает приращение Δƒ_y. Сумма расстроек за период съема за время от Т/4 до 5Т/4 равняется нулю, что позволяет исключить составляющую расстройки пропорциональную угловому ускорению Δƒ_y и настроиться на моду без данной ошибки.

Эффективность предложенного способа подтверждена испытаниями, проведенными на поворотном столе при тех же условиях, что и в случае с Фиг. 2, результаты которых представлены на Фиг. 4. Обозначения и оси на Фиг. 4. совпадают с Фиг. 2. На Фиг. 4 видно, что во время ускорения датчика в напряжении на пьезокерамике не возникает колебаний, связанных с ошибкой пропорциональной угловому ускорению.

Таким образом показано, что предложенный способ позволяет исключить ошибки измерения амплитуды частотной подставки и угловой скорости при изменении расстройки периметра из-за воздействия на гироскоп постоянных угловых ускорений.

Источники информации

1. Грушин М.Е., Колбас Ю.Ю., Горшков В.Н. Особенности работы системы регулировки периметра резонатора и вибрационная ошибка зеемановского лазерного гироскопа на 50%-ной смеси изотопов неона. ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2018. №6. С. 5-86.

2. Вареник А.И., Горшков В.Н., Грушин М.Е., Иванов М.А., Колбас Ю.Ю., Савельев И.И. Цифровая система регулирования и стабилизации частоты четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа, Квантовая электроника. 2021. Т. 51, №3. С. 76-282. - прототип.

Изобретение относится к лазерной гироскопии. Технический результат - исключение ошибок измерения амплитуды частотной подставки и угловой скорости при изменении расстройки периметра из-за воздействия на гироскоп постоянных угловых ускорений. Результат достигается тем, что способ стабилизации и регулирования периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной магнитооптической частотной подставкой в форме меандра, включающий оптическое совмещение встречных волн каждой моды, оптическое разделение двух ортогонально поляризованных мод, получение интерференционных картин на двухплощадочных фотоприемниках, преобразование оптических сигналов интерференционных картин в синусоидальные электрические сигналы с частотой, равной разности частот встречных волн в двух модах, преобразующихся на компараторах в импульсные сигналы, формирование дискриминационной характеристики системы регулирования периметра по разности частот подставок двух мод за положительный и отрицательный полупериоды меандра и подстройку периметра лазера с помощью пьезозеркал в рабочую точку равенства амплитуд частотных подставок двух мод, отличается тем, что съем выходных данных такого гироскопа смещают на четверть периода относительно переднего фронта меандра. 4 ил.

Способ стабилизации и регулирования периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной магнитооптической частотной подставкой в форме меандра, включающий оптическое совмещение встречных волн каждой моды, оптическое разделение двух ортогонально поляризованных мод, получение интерференционных картин на двухплощадочных фотоприемниках, преобразование оптических сигналов интерференционных картин в синусоидальные электрические сигналы с частотой, равной разности частот встречных волн в двух модах, преобразующихся на компараторах в импульсные сигналы с учетом знака разности частот встречных волн, формирование дискриминационной характеристики системы регулирования периметра по разности частот подставок двух мод за положительный и отрицательный полупериоды меандра и подстройку периметра лазера с помощью пьезозеркал в рабочую точку равенства амплитуд частотных подставок двух мод, отличающийся тем, что съем выходных данных четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа смещают на четверть периода относительно переднего фронта меандра.