Способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии. Предложен способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, включающий настройку и работу лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создание частотной подставки с помощью магнитного поля, выделение информации об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера, периодическую поочередную работу кольцевого лазера в двухчастотном режиме на модах с ортогональными поляризациями кольцевого лазера, переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией после каждого очередного момента завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод. При этом предварительно измеряют и/или вычисляют для мод с ортогональными поляризациями зависимость частоты подставки от величины изменения напряжения на пьезоголовке, обусловленной расстройкой периметра резонатора кольцевого лазера, относительно напряжения соответствующего настройке системы регулировки периметра на центр соответствующей моды, при каждом очередном переключении во время измерений угловых перемещений в выбранных промежутках времени этого переключения измеряют зависимость величины изменения напряжения на пьезоголовке от времени относительно значения напряжения для соответствующей моды до начала данного переключения и для моды с ортогональной поляризацией относительно значения напряжения после этого переключения, для каждого выбранного промежутка времени рассчитывают и учитывают ошибки, обусловленные изменением величины частоты подставки из-за расстройки периметра резонатора кольцевого лазера при переключении поляризации, используя предварительно измеренную и/или вычисленную зависимость частоты подставки от величины изменения напряжения на пьезоголовке, обусловленной расстройкой периметра резонатора кольцевого лазера, относительно напряжения соответствующего настройке системы регулировки периметра на центр соответствующей моды и измеренную для этой же моды при данном переключении зависимость величины изменения напряжения на пьезоголовке от времени в этом же выбранном промежутке времени данного переключения относительно соответствующего значения напряжения для этой же моды до или после данного переключения. Такой способ измерения угловых перемещений двухчастотным лазерным гироскопом с переключением ортогональных поляризаций позволяет существенно уменьшить ошибки измерений угловых перемещений за счет уменьшения времени недостоверного съема информации во время переключений поляризаций.

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии.

Известен способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом. [1]

В этом способе измерения угловых перемещений лазерным гироскопом обеспечивают настройку и работу лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создают знакопеременную или постоянную частотную подставку с помощью наложения знакопеременного или постоянного магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, обеспечивают настройку резонатора кольцевого лазера в заданную область доплеровского контура моды с заданной поляризацией с помощью системы регулировки периметра, использующей сигнал расстройки периметра, поступающий из кольцевого лазера, и подающей управляющее напряжение для регулировки периметра на пьезоголовки (одну или несколько в дальнейшем- пьезоголовка) кольцевого лазера, выделяют информацию об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера.

Недостатком этого способа является ошибка измерений угловых перемещений таких лазерных гироскопов при наличии магнитных полей из-за большой чувствительности этих приборов к магнитному полю.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, включающий настройку и работу лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создание частотной подставки с помощью наложения магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, выделение информации об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера, периодическую поочередную работу кольцевого лазера в двухчастотном режиме на модах с ортогональными поляризациями кольцевого лазера, переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией после каждого очередного момента завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод. [2]

В этом способе обеспечивают работу Зеемановского или Фарадеевского лазерного гироскопа в двухчастотном (одномодовом) режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа. Для этого с помощью системы накачки обеспечивают соответствующий уровень накачки, с помощью системы частотной подставки обеспечивают частотную подставку лазерного гироскопа, с помощью системы регулировки периметра (СРП) по сигналу расстройки периметра, поступающему от кольцевого лазера, обеспечивают настройку и работу кольцевого лазера на моду с одной из поляризаций (правой или левой эллиптической или круговой) для Зеемановского лазерного гироскопа и вертикальной или горизонтальной относительно плоскости резонатора для линейной (или близкой к линейной) для Фарадеевского лазерного гироскопа, подавая регулирующее напряжение системы регулировки периметра на исполнительный элемент СРП-пьезоголовку, расположенную на кольцевом лазере.

Частотную подставку (знакопеременную или постоянную) создают с помощью наложения соответствующего (знакопеременного или постоянного) магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера лазерного гироскопа с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, например, с помощью тока соленоидов, намотанных на газоразрядных промежутках и создающих магнитное поле на активной среде кольцевого лазера Зеемановского лазерного гироскопа, или, например, с помощью магнита на Фарадеевском элементе Фарадеевского лазерного гироскопа.

Выделяют информацию об угловых перемещениях из синусоидального сигнала биений разностной частоты встречных волн, поступающего от кольцевого лазера.

Для уменьшения ошибки измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, работающим в двухчастотном режиме, обусловленной чувствительностью таких лазерных гироскопов к магнитному полю, обеспечивают периодическую поочередную работу кольцевого лазера лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на модах с ортогональными поляризациями резонатора кольцевого лазера, для чего производят переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией после каждого очередного завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод.

Работа лазерного гироскопа в этом режиме существенно уменьшает ошибки измерения угловых перемещений, обусловленные чувствительностью таких лазерных гироскопов к магнитному полю.

Недостатком указанного способа является большая ошибка измерения угловых перемещений лазерным гироскопом при переключениях поляризации из-за того, что при переключениях поляризаций из-за инерционности системы регулировки периметра само переключение и настройка на центр Доплеровского контура ортогональной моды происходит не мгновенно, а за достаточно длительное время - (25…30) мсек, в течение которого идет недостоверная информация об угловых перемещениях: либо с большими ошибками, превышающими заданные требования, либо вообще отсутствует. Подмена информации всего этого времени переключения, обычно используемая в таких случаях, информацией об угловых перемещениях, полученной до начала переключения, приводит к большим ошибкам измерения угловых перемещений при больших измеряемых угловых ускорениях.

Задачей данного способа измерения угловых перемещений лазерным гироскопом является уменьшение ошибки измерения угловых перемещений при переключениях поляризации.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, включающем настройку и работу лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создание частотной подставки с помощью наложения магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, выделение информации об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера, периодическую поочередную работу кольцевого лазера в двухчастотном режиме на модах с ортогональными поляризациями кольцевого лазера, переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией после каждого очередного момента завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод, предварительно или при измерении угловых перемещений по амплитуде сигнала вращения или по величине частотной подставки, или по величине сигнала расстройки периметра, или по напряжению на пьезоголовке определяют для мод с ортогональными поляризациями промежутки времени во время переключений поляризации, в которых будут использованы результаты измерений угловых перемещений с учетом ошибок, обусловленных изменением частоты подставки из-за расстройки периметра кольцевого лазера, вызванной переключением поляризации, предварительно измеряют и/или вычисляют для мод с ортогональными поляризациями зависимость частоты подставки от величины изменения напряжения на пьезоголовке, обусловленной расстройкой периметра резонатора кольцевого лазера, относительно напряжения соответствующего настройке системы регулировки периметра на центр соответствующей моды, при каждом очередном переключении во время измерений угловых перемещений в выбранных промежутках времени этого переключения измеряют зависимость величины изменения напряжения на пьезоголовке от времени относительно значения напряжения для соответствующей моды до начала данного переключения и для моды с ортогональной поляризацией относительно значения напряжения после этого переключения, для каждого выбранного промежутка времени при каждом данном переключении при измерении угловых перемещений рассчитывают и учитывают ошибки, обусловленные изменением величины частоты подставки из-за расстройки периметра резонатора кольцевого лазера при переключении поляризации, используя предварительно измеренную и/или вычисленную зависимость частоты подставки от величины изменения напряжения на пьезоголовке, обусловленной расстройкой периметра резонатора кольцевого лазера, относительно напряжения соответствующего настройке системы регулировки периметра на центр соответствующей моды и измеренную для этой же моды при данном переключении зависимость величины изменения напряжения на пьезоголовке от времени в этом же выбранном промежутке времени данного переключения относительно соответствующего значения напряжения для этой же моды до или после данного переключения

Суть изобретения заключается в следующем.

В предложенном способе предварительно (до измерения угловых перемещений) или при измерении угловых перемещений, по параметрам, поступающим от кольцевого лазера, например, по амплитуде сигнала вращения или по величине частотной подставки, или по величине сигнала расстройки периметра, или по величине напряжения на пьезоголовке (относительно соответствующих значений до или после переключения) выбирают промежутки времени при переключении поляризации для мод с ортогональными поляризациями, в которых будут использованы результаты измерений угловых перемещений с учетом ошибок, обусловленных изменением частоты подставки из-за расстройки периметра резонатора кольцевого лазера, вызванной переключением поляризаций.

Например, измерив изменение амплитуды сигнала вращения во время переключения для мод с ортогональными поляризациями предварительно (при достаточной для получения необходимой точности, воспроизводимости, длительности и положения этих промежутков времени относительно начала каждого переключения как при предварительных измерениях, так и при измерении угловых перемещений) или при измерении угловых перемещений при каждом переключении (если воспроизводимость длительности и положения этих промежутков времени относительно начала каждого переключения при измерении угловых перемещений недостаточна для получения заданных точностей), определяют промежутки времени во время переключения поляризаций для каждой из двух ортогонально поляризованных мод, в которых эта амплитуда больше минимально необходимой для обеспечения правильной обработки информации. Эти промежутки времени выбирают для использования результатов измерений угловых перемещений с учетом ошибок, обусловленных изменением частоты подставки из-за расстройки периметра резонатора кольцевого лазера при переключении поляризации.

Или, определив предварительно при каких величинах сигнала расстройки периметра начинаются сбои системы обработки информации и замерив предварительно или в процессе измерения угловых перемещений величину сигнала расстройки во время переключения поляризации, определяют промежутки времени, в которых величина сигнала периметра меньше заданной для каждой из двух ортогонально поляризованных мод, тем самым выбирая промежутки времени для использования в них результатов измерений угловых перемещений с учетом ошибок, обусловленных изменением частоты подставки из-за расстройки периметра резонатора кольцевого лазера при переключении поляризации.

Аналогично могут быть использованы и другие указанные параметры кольцевого лазера для выбора этих промежутков времени.

В предложенном способе предварительно (до измерения угловых перемещений) измеряют и/или вычисляют для мод с ортогональными поляризациями зависимость частоты подставки f_п от величины изменения напряжения на пьезоголовке, обусловленной расстройкой периметра резонатора кольцевого лазера, относительно напряжения соответствующего настройке системы регулировки периметра на центр соответствующей моды.

То есть либо непосредственно измеряют на каждой из двух мод с ортогональными поляризациями зависимость частоты подставки f_п от величины изменения напряжения на пьезоголовке кольцевого лазера U_пк при разомкнутой системе регулировки периметра относительно напряжения на пьезоголовке U_пк0 при замкнутой системе регулировки периметра на центре соответствующей (той же самой) моды.

Либо предварительно вычисляют зависимость частоты подставки от расстройки периметра резонатора, используя опубликованные теоретические и экспериментальные работы (например, [3]), определяющие нормированную на максимальную частоту биений зависимость частоты биений от расстройки периметра и измеренные на модах с ортогональными поляризациями значения. U_пк-U_пк0 от расстройки периметра.

При этом зависимость частоты подставки f_п от величины изменения напряжения на пьезоголовке кольцевого лазера U_пк при разомкнутой системе регулировки периметра относительно напряжения на пьезоголовке U_пк0 при замкнутой системе регулировки периметра на центре соответствующей моды, для каждой из двух ортогонально поляризованных мод можно выразить в виде:

$$f_{п}=f_{п}\left(U_{пк}-U_{пк0}\right).\left(1\right)$$

Поскольку формулы обработки информации данного способа для каждой из двух мод с ортогональными поляризациями одинаковы, в дальнейшем будут приведены формулы обработки информации только для одной моды, подразумевая, что аналогичная обработка производится и для ортогональной моды.

В предложенном способе при каждом очередном переключении во время измерений угловых перемещений в выбранных промежутках времени этого переключения измеряют зависимость величины изменения напряжения на пьезоголовке от времени относительно значения напряжения для соответствующей моды до начала данного переключения и, для моды с ортогональной поляризацией, относительно значения напряжения после этого переключения. Зависимость U_пк-U_пк0 от времени выражается формулой (2)

$$U_{пк}-U_{пк0}=\left(U_{пк}\left(t\right)-U_{пк0}\right).\left(2\right)$$

В предложенном способе для каждого выбранного промежутка времени при каждом данном переключении при измерении угловых перемещений рассчитывают и учитывают ошибки, обусловленные изменением величины частоты подставки из-за расстройки периметра резонатора кольцевого лазера при переключении поляризации, используя предварительно измеренную и/или вычисленную зависимость частоты подставки от величины изменения напряжения на пьезоголовке, обусловленной расстройкой периметра резонатора кольцевого лазера, относительно напряжения соответствующего настройке системы регулировки периметра на центр соответствующей моды с ортогональной поляризацией и измеренную для этой же моды при данном переключении зависимость величины изменения напряжения на пьезоголовке от времени в этом же выбранном промежутке времени данного переключения относительно соответствующего значения напряжения для этой же моды до или после данного переключения.

Расчет и учет ошибок в выбранных промежутках времени каждого переключения, например для Зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной частотной подставкой в форме меандра, производят следующим образом.

Подставляя выражение (2) в выражение (1) получают зависимость изменения частоты подставки от времени для выбранных промежутков времени для данного переключения поляризаций при измерении угловых перемещений:

$$f_{п}\left(t\right)=f_{п}=\left(U_{пк}\left(t\right)-U_{пк0}\right).\left(3\right)$$

В каждом выбранном промежутке времени при данном переключении вычисляется ошибка измерений угловых перемещений, обусловленная изменением частоты подставки - Δ по формуле:

$$\Delta ={\displaystyle \underset{t1}{\overset{t2}{\int }}{f}_{п}=\left(U_{пк}\left(t\right)-U_{пк0}\right)dt}.\left(4\right)$$

где t1, t2 - время начала и конца выбранного промежутка времени, f_п(t) представлена функцией f_п(U_пк(t)-U_пк0). В случае, если выбранный промежуток времени полностью находится во время положительного полупериода частотной подставки, ошибку Δ прибавляют к величине измеренных за этот же промежуток времени угловых перемещений. Если выбранный промежуток времени полностью находится во время отрицательного полупериода частотной подставки, ошибку Δ вычитают от величины измеренных за этот же промежуток времени угловых перемещений. Если выбранный промежуток времени находится в нескольких полупериодах, его разбивают на временные отрезки, каждый из которых полностью находится в каком-то одном (положительном или отрицательном) полупериоде частотной подставки и обработка каждого из них производится аналогично рассмотренному случаю. Аналогично обрабатывают другие выбранные промежутки времени, в том числе на ортогональной моде, при этом переключении, а также при следующих переключениях.

Алгоритмы и формулы обработки информации предложенного способа могут различаться для различных типов лазерных гироскопов и методов обработки их информации.

Аналогичный расчет ошибок и их учет в выбранных промежутках времени проводят при каждом переключении при измерении угловых перемещений.

Проведем оценку уменьшения величины ошибок измерения угловых перемещений лазерным гироскопом при переключении поляризаций за счет уменьшения времени недостоверного съема информации при переключениях при применении предложенного способа для Зеемановского лазерного гироскопа со знакопеременной подставкой, создаваемой знакопеременным магнитным полем на активной среде, работающего в режиме, предложенном в прототипе данного изобретения (см. [2]). Время переключений поляризаций на этом приборе (при котором поступает недостоверная информация, если не использовать данное изобретение) равно ~30 мсек. Измерения и оценки показали, что применение предложенного способа, используя амплитуду сигнала вращения при выборе промежутков времени, а при остальных измерениях - напряжение на пьезокерамике, позволит уменьшить область недостоверной информации при одном переключении до ~(10) мсек.

Оценим величину уменьшения ошибки измерения угловых перемещений при одном переключении поляризации при применении предложенного способа. Как уже упоминалось, подмена информации всего времени переключения, обычно используемая в таких случаях, информацией об угловых перемещениях, полученной до начала переключения, приводит к большим ошибкам измерения угловых перемещений при больших измеряемых угловых ускорениях. При этом величина этой ошибки пропорциональна квадрату промежутка времени, на котором происходит подмена. Максимальная величина ошибки измерения угловых перемещений при одном переключении поляризации при обычных для маневренного объекта угловых ускорениях ~300°/сек², при подмене информации, полученной до начала переключения, в течении всего времени переключений 30 мсек, в известном способе будет равна:

А*t²/2=300°/сек²*(30*10^-3)²/2=0,135°=486 угл.сек,

при применении предложенного способа при использовании при измерениях сигнал расстройки периметра эта ошибка уменьшается до:

А*t²/2=300°/cек²*(10*10^-3)²/2=0,015°=54 угл.сек.

Таким образом величина ошибки измерения угловых перемещений как при одном, так и при одинаковом числе переключений поляризации, при применении предложенного способа будет существенно меньше, чем в известном способе за счет уменьшения области недостоверной информации при переключениях поляризации.

Источники информации

1. Azarova V.V. et al., Zeeman Laser Gyroscops, Research and Technology Organisation., Optical Giros and their Application., May, 1999, (5-1)-(5-29).

2. Патент РФ №2408844, МПК: G01С 19/64 - прототип.

3. A.M.Хромых, А.И.Якушев. Влияние пленения резонансного излучения на эффект Зеемана в кольцевом лазере, Квантовая электроника, т.4, №1, 1977 г., стр.27.

Способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом, включающий настройку и работу лазерного гироскопа в двухчастотном режиме на одной из ортогонально поляризованных мод кольцевого лазера лазерного гироскопа, создание частотной подставки с помощью наложения магнитного поля на активный элемент кольцевого лазера с эллиптической или круговой поляризацией излучения в активном элементе кольцевого лазера, выделение информации об угловых перемещениях из информации, поступающей от кольцевого лазера, периодическую поочередную работу кольцевого лазера в двухчастотном режиме на модах с ортогональными поляризациями кольцевого лазера, переключение кольцевого лазера на моду с ортогональной поляризацией после каждого очередного момента завершения работы кольцевого лазера на любой из этих мод, отличающийся тем, что предварительно или при измерении угловых перемещений по амплитуде сигнала вращения или по величине частотной подставки, или по величине сигнала расстройки периметра, или по напряжению на пьезоголовке определяют для мод с ортогональными поляризациями промежутки времени во время переключений поляризации, в которых будут использованы результаты измерений угловых перемещений с учетом ошибок, обусловленных изменением частоты подставки из-за расстройки периметра кольцевого лазера, вызванной переключением поляризации, предварительно измеряют и/или вычисляют для мод с ортогональными поляризациями зависимость частоты подставки от величины изменения напряжения на пьезоголовке, обусловленной расстройкой периметра резонатора кольцевого лазера, относительно напряжения соответствующего настройке системы регулировки периметра на центр соответствующей моды, при каждом очередном переключении во время измерений угловых перемещений в выбранных промежутках времени этого переключения измеряют зависимость величины изменения напряжения на пьезоголовке от времени относительно значения напряжения для соответствующей моды до начала данного переключения и для моды с ортогональной поляризацией относительно значения напряжения после этого переключения, для каждого выбранного промежутка времени при каждом данном переключении при измерении угловых перемещений рассчитывают и учитывают ошибки, обусловленные изменением величины частоты подставки из-за расстройки периметра резонатора кольцевого лазера при переключении поляризации, используя предварительно измеренную и/или вычисленную зависимость частоты подставки от величины изменения напряжения на пьезоголовке, обусловленной расстройкой периметра резонатора кольцевого лазера, относительно напряжения соответствующего настройке системы регулировки периметра на центр соответствующей моды и измеренную для этой же моды при данном переключении зависимость величины изменения напряжения на пьезоголовке от времени в этом же выбранном промежутке времени данного переключения относительно соответствующего значения напряжения для этой же моды до или после данного переключения.