Лазерный гироскоп

 

Изобретение относится к области гироскопии и может быть использовано для измерения угловой скорости и пространственной ориентации движущихся обьектов. Целью изобретения является повышение точности измерения угловой скорости. Цель изобретения достигается тем, что в лазерный гироскоп введены последовательно соединенные тактовый генератор 23 и линия задержки 24, а также высокочастотный переключатель 18 и вычислительный блок 25, первый 4 и второй 5 акустооптические элементы выполнены в виде ячеек Брэгга и снабжены соответственно первым 16 и вторым 17 и третьим 14 и четвертым 15 преобразователями ультразвука, установленными на противоположных гранях звукопроводов ячеек Брэгга Ячейки 4 и 5 выполнены в виде усеченных равнобедренных призм, а угол при вершине усеченной призмы определяется выражением у л- 2arctgn, где п - показатель преломления материала призмы 1 з п ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ аахм Р Б 1ИО ТЯ (, „

M V

l4

О ф (21) 4887658/22 (22) 05,12.90 (46) 15.07.93. Бюл, М 26 (71) Киевский государственный университет им. Т,Г,Шевченко (72) П.П.Голокоз и И.П,Пугач (56) Патент США N 3627422,,кл. Н 01 S 3/10, 1971.

Патент США N 3714607, кл. Н 01 S 3/10, 1973. (54) ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП (57) Изобретение относится к области гироскопии и может быть использовано для измерения угловой скорости и пространственной ориентации движущихся обьектов, Целью изобретения является повышение точности измерения угловой скорости. Цель изобре„„. Ы„„1827704 А1 (si)s Н 01 S 3/10, G 01 С 19/64 тения достигается тем, что в лазерный гироскоп введены последовательно соединенные тактовый генератор 23 и линия задержки

24, а также высокочастотный переключатель

18 и вычислительный блок 25, первый 4 и второй 5 акустооптические элементы выполнены в виде ячеек Брэгга и снабжены соответственно первым 16 и вторым 17 и третьим 14 и четвертым 15 преобразователями ультразвука, установленными на противоположных гранях звукопроводов ячеек

Брэгга. Ячейки 4 и 5 выполнены в виде усеченных равнобедренных призм, а угол при вершине усеченной призмы определяется выражением у л-2arctgn, где п — показатель преломления материала призмы, 1 з,п. ф-лы, 3 ил.

1827704

40 (2) 55

Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано для измерения угловой скорости и пространственной ориентации движущихся объектов.

Цель изобретения — повышение точности измерения угловой скорости.

Вышеперечисленные признаки изобретения позволяю достичь технического результата, заключающийся в поочередном излучении бегущих ультразвуковых волн во встречных направлениях, при дифракции которых свет, обходя контур кольцевого резонатора, уменьшает или увеличивает свою частоту на частоту ультразвука, что дает возможность реализовать в предлагаемом техническом решении акустооптический способ создания знакопеременной частотной подставки, Это новое свойство позволяет исключить начальный разнос частот встречных волн путем вычитания двух соседних результатов считывания, вследствие чего исключаются

"медленные" по сравнению с временем счета изменения разностной частоты, вызванные техническим несовершенством лазерного гироскопа (например, самопроизвольной перестройкой периметра резонатора), В силу этого, повышается точность измерений при сохранении преимуществ акустооптического способа создания начального разноса частот встречных волн лазерного гироскопа.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг,2 — ход лучей в первом и втором акустооптическом элементах; на фиг,3 представлены эпюры сигналов: а — на выходе тактового генератора; б — на входе частотомера; в — на втором входе (входе запуска) частотомера.

На фиг.1 обозначено, 1, 2 — первое и второе зеркала; 3 — усиливающая среда; 4, 5 — первый и второй акустооптические элементы, 6, 7 — третье и четвертое зеркала; 8 — полупрозрачная пластина; 9 — фотоприемник; 10 — смеситель; 11 — частотомер; 12— регистрирующее устройство; 13 — высокочастотный генератор; 14, 15, 16, 17 — первый, второй, третий и четвертый преобразователи ультразвука, соответственно; 18 — высокочастотный переключатель; 19, 20, 21, 22— первая, вторая, третья и четвертая согласу.— ющие цепи, соответственно; 23 — тактовый генератор; 24 — линия задержки; 25 — вычислительный блок.

На фиг.2 обозначено: y — угол при вершине; а — угол Брюстера — угол падения светового луча; P — уРол Брэгга — угол распространения светового луча в призме к фронту ультразвуковой волны; АД вЂ” основание призмы, которое параллельно фронту ультразвуковой волны.

Устройство работает следующим обра. зом, Тактовый генератор 23 вырабатывае периодическую последовательность им пульсов (период Т), поочередно переключа. ющую через ВЧ-переключатель 18 выхо непрерывного работающего ВЧ-генератор;

13 на попарно соединенные акустооптические преобразователи 14, 16 и 15, 17 так, чтс каждая пара преобразователей оказывается подключенной к ВЧ-генератору 13 в течение времени порядка половины периода тактового генератора 23. В первый полупериод, пока подключенной к ВЧ-генератору оказывается пара преобразователей 14, 16 в звукопроводах брэгговских ячеек 4 и 5 возбуждаются ультразвуковые волны; бегущие от преобразователей 14 и 16 в направлю нии к неподключенным к ВЧ-генератору, но подключенным к согласующим цепям 20 и

22, нагруженным активными сопротивлениями, преобразователям 15 и 17, выполняющим, в этом случае, функции поглотителей ультразвука, преобразуя акустическую энергию в электрическую, которая рассеивается на активном сопротивлении. Ввиду этого, в брэгговских ячейках обеспечивается режим бегущих ультразвуковых волн, Их направления распространения таковы, что для светового луча внутри кольцевого резонатора обеспечивается замкнутость контура с одновременным выполнением фазовых условий генерации лазера, Эти условия определяют частоты генерации в области активной среды 3 бегущих световых волн по (+, и против(-) часовой стрелки; = а + f + — KQ!

1 +12 2

Il + I2 2

1 1+ = vq + f — — KQ где Ip и!2 — длины плеч кольцевого резонатора, содержащих зеркала 1 и 2, соответственно; юо — частота q-й моды (vq = qc/(I1+ 12), с — скорость света, Генерация кольцевого лазера на этих частотах возникает через время то относительно начала возбуждения преобразователей 14 и 16 (время распространения ультразвука в звукопроводах ячеек до областей взаимодействия), Это в свою очередь предполагает симметричное расположение областей акустооптического взаимодействия относительно преобразователей, а также равенство длин брэгговских ячеек.

1827704

Fo= F1 — Fz=2К Q (8) (5) Во время генерации кольцевого лазера в рассматриваемый полупериод тактового генератора 23 на нагрузке фотоприемника

9 выделяется сигнал биений на частоте;

Ж 1 = I >) — И I — f + KQ . (3)

+ — 2!1

Сигнал на этой частоте поступает на один из входов смесителя 10. На другой вход устройства 10 поступает сигнал ВЧ-генератора 13 на частоте ультразвука F. С выхода смесителя 10 сигнал на частоте:

-F1= l&s — fl = I „ f + Кй (4) поступает на вход частотомера 11. Начало счета частотомера 11 определяется импульсами тактового генератора 23, задержанными с помощью линии задержки 24 на время т>т, достаточное для исключения из счета импульсов биений на частоте F< во время переходных процессов установления генерации кольцевого лазера. 3 начение частоты

F< считывается и запоминается вычислительным блоком 25, управляемой тактовым генератором 23.

Во второй полупериод работы тактового генератора происходит подключение ВЧгенератора к преобразователям 15 и 17. При этом, через время возникает генерация кольцевого лазера на частотах:

2 -vq+I +! f+ — 2KQ

I> 1 1 + 2

i vz =vq+ f — — KQ

11 1

Is +Iz 2 на нагрузке фотоприемника выделяется сигнал биений на частоте:

Ь 2 = l — vz I f — KQ, (6) а на вход частотомера поступает сигнал на частоте:

F= I — fl =! f+KQl (7)

Is + Iz

Значение этой частоты считывается и запоминается вы числ ител ьн ы м блоком 25.

Эта же система после окончания периода тактового генератора за время задержки г и производит вычитание частот F1 и Fz u результат выводит на регистратор 12. Значение этой разности:

Оно определяет величину и знак угловой скорости вращения, среднюю за цикл измерения, равный периоду тактового генератора, В отличие от прототипа, регистрируемая частота Fo содержит информацию только об угловой скорости вращения, В прототипе регистрируемая частота Fo содержит информацию об угловой скорости вращения и о соотношении плеч кольцевого резонатора лазера (1 — Iz)/(I> + lz), которая может изменяться и приводить к погрешностям измерений. Таким образом, в данном устройстве повышается точность измерения угловой скорости. В качестве ключевых элементов данного технического решения могут служить акустооптические брэгговские ячейки на основе плавленого кварца, в которых наклон входных и выходных окон выполнен в плоскости акустооптического взаимодействия так, что одновременно выполняются условия Брюстера для падающего на ячейку света и условия Брэгга для света, распространяющегося внутри ячейки. Применение брэгговских ячеек, в которых совмещены условия Брюстера и Брэгга, вместо акустооптических элементов, используемых в прототипе, позволяет снизить оптические потери исключением поляоизаторов, отфильтровывающих в прототипе недифрагировавший свет, поскольку в брэгговской ячейке свет нулевого максимума выводится из резонатора, эффективность дифракции может быть близкой к 1007, .

Электроакустические пьезопреобразователи продольных упругих волн прикрепляются к параллельным граням акустооптической ячейки методом холодной диффузионной сварки в вакууме.

Высокочастотный переключатель 18 представляет собой двухканальный усилитель с общим входом и возможностью внешней амплитудной модуляции, один канал которого открывается подачей положительного напряжения от тактового генератора

23, другой — отрицательного.

Работает ВЧ-переключатель следующим образом., Устанавливается режим внешней амплитудной модуляции усилителя, при котором без подачи модулирующего сигнала ни один из каналов не пропускает ВЧ-колебания от генератора 13 к преобразователям ультразвука 14, 16 или 15, 17. При подаче положительного импульса от тактового генератора 23 открывается канал, через который, а также через согласующие цепи 19 и

1827704

20 сумматор

21, возбуждаются преобразователи ультразвука 14, 16, При подаче отрицательного импульса этот канал закрывается, а открывается другой канал усилителя, через который запитываются преобразователи 15, 17. (Такой режим возможен, когда на выходе каскада внешней амплитудной модуляции одного из каналов стоит инвертор), Задача вычислительного блока 25 состоит в преобразовании сигналов частотомера в понятные электронному вычислительному устройству, их запоминание, вычитание результатов двух соседних измерений и выдача на регистратор 12 значения угловой скорости, Такая система может представлять собой обычный сумматор с входным устройством типа "интерфейс" и устройством вывода информации.

В качестве тактового генератора используется генератор импульсов, генерирующий периодическую последовательность импульсов одинаковой длительности чередующейся полярности с возможностью управления как длительностью импульсов, так и расстоянием между ними, Необходимость паузы между возбуждающими ВЧ-импульсами вызвана тем, что акустооптическая ячейка представляет собой линию задержки и после отключения ВЧ-сигнала, возбуждающего ультразвук, дифракция света еще будет наблюдаться в течение времени прохождения ультразвука от преобразователя до области взаимодействия.

Сигналы с тактового генератора 23 через линию задержки 24 поступают на клеммы запуска частотомера и своими передними фронтами запускают частотомер, установленное время счета которого Tc < Т/2.

На рис.2 представлены графические сигналы на выходе тактового генератора а), на входе частотомера б), на клеммах запуска частотомера в).

Задача запуска частотомера передними фронтами разнополярных прямоугольных импульсов является общеизвестной и простой. Нап ример, посл едовател ьность разнополярных импульсов разделяется амплитудными селекторами на только положительные и только отрицательные, после прохождения инвертора одной из последовательностей импульсов и дифференцирования выделенных на общей нагрузке сигналов формируется последовательность импульсов запуска. Существуют и другие варианты решения, поэтому в заявке указаны только структурное построение, состав и функциональные связи устройства, примеры конкретной реализации которого могут быть разнообразными, Важным остается то, что запуск частотомера производится с задержкой относительно переднего фронт; импульса тактового генератора на врем т >то . Это позволяет исключить из счете сигналы биений во время переходных про цессов установления генерации лазерногс гироскопа.

Работа устройств 11, 12, 25 происходи1 следующим образом.

Результат измерения частоты биений частотомером преобразуется в двоичный код и запоминается в вычислительном уст. ройстве, в программе которого заложен; операция вычитания двух соседних измерений, и результат вычитания в удобной форме отражается регистратором 12, Следует отметить, что устройства 11, 12, 25 могут быть выполнены в виде одного вычислительного устройства типа; (ачетчик) шифратор

Формула изобретения

1. Лазерный гироскоп, содержащий кольцевой резонатор, образованный оптически сопряженными первым зеркалом, первым акустооптическим элементом, усиливающей средой, вторым зеркалом и вторым акустооптическим элементом, оптический смеситель, образованный оптически сопряженными третьим зеркалом, полупрозрачной пластиной и четвертым зеркалом, а также последовательно установленные фотоприемник, смеситель и частотомер, высокочастотный генератор и регистрирующее устройство, причем, второе зеркало оптически сопряжено с третьим и четвертым зеркалами, выход плоскопараллельной пластины оптически сопряжен с входом фотоприемника, первый выход высокочастотного генератора соединен с вторым входом смесителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения угловой скорости, введены последовательно соединенные тактовый генератор и линия задержки, а также высокочастотный переключатель и вычислительный блок, при этом выход линии задержки соединен с вторым входом частотомера, второй выход высокочастотного генератора соединен с первым входом высокочастотного переключателя, второй вход которого соединен с вторым выходом тактового генератора, третий выход которого соединен с вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства, первый и второй акустооптические элементы выполнены в виде ячеек Брэгга и

1827704

Составитель М. Раевская

Редактор В, Трубченко Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор Н. Гунько

Заказ 2361 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 снабжены соответственно, первым и вторым и третьим и четвертым преобразователями ультразвука, установленными на противоположных гранях звукопроводов ячеек Брэгга, каждый из преобразователей ультразвука соединен с согласующими цепями, нагруженными активными сопротивлениями, первый выход высокочастотного переключателя соединен с входами первой и третьей согласующих цепей, а второй его выход — с входами второй и четвертой согласующих цепей.

2, Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь оптического излучения внутри кольцевого резонатора, первая и вторая акустооптические

5 ячейки Брэгга выполнены в виде усеченных равнобедренных призм, а угол у при вершине усеченной призмы определяется выражением.

10 у л- 2arctgn, где и — показатель преломления материала призмы.