Устройство регулировки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа
Владельцы патента RU 2744420:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Изобретение относится к гироскопам и измерительной технике и может быть использовано для регулировки периметра зеемановского четырехчастотного лазерного гироскопа. Технический результат заключается в повышении точности настройки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа. Изобретение представляет собой устройство регулировки периметра лазерного гироскопа, содержащее фотоприемник выходного излучения кольцевого лазера, оснащенного четырьмя зеркалами, первое и втрое из которых выполнены с пьезоприводом, третье является отражающим, а на четвертое установлен оптический смеситель, формирующий выходное излучение кольцевого лазера, а также блок частотной подставки, катушки которого включены в плечи кольцевого лазера, и генератор синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом блока частотной подставки, а также блок счетчиков импульсов сигналов биений встречных волн двух продольных мод, процессор, цифро-аналоговый преобразователь и усилитель. 4 ил.
Изобретение относится к гироскопам и измерительной технике и может быть использовано для регулировки периметра четырехчастотного 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 устройство 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.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкая область применения, поскольку это устройство настраивает одну из продольных мод на центр нерасщепленной кривой усиления по переменному сигналу фотоприемника устройства регулирования периметра, когда минимум переменного сигнала фотоприемника соответствует настройке на центр кривой усиления. Однако для четырехчастотного ЗЛГ необходима настройка не одной моды на центр кривой усиления, а симметрично расположенных мод относительно центра кривой усиления.
Это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для регулировки периметра и не позволяет обеспечить требуемую точность настройки при необходимости проведения этой процедуры для регулировки периметра, например, четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа.
Задачей, которая решается в предложенном изобретении, является расширение арсенала технических средств, которые могут быть использованы для регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа и повысить точность настройки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа и в повышении точности настройки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, включающее фотоприемник выходного излучения кольцевого лазера, оснащенного четырьмя зеркалами, первое и втрое из которых выполнены с пьезоприводом, третье является отражающим, а на четвертое установлен оптический смеситель, формирующий выходное излучение кольцевого лазера, а также блоком частотной подставки, катушки которого включены в плечи кольцевого лазера, и генератором синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом блока частотной подставки, согласно изобретению, введены блок счетчиков импульсов сигналов SinA и CosA частоты биений встречных волн продольной моды А и импульсов сигналов SinB и CosB частоты биений встречных волн продольной моды В, процессор, первый вход которого соединен с выходом блока счетчиков, а второй вход соединен со вторым выходом генератора синхроимпульсов, цифро-аналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом процессора, и усилитель, вход которого соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя, а выход соединен с управляющими входами пьезоприводов первого и второго зеркал кольцевого лазера. На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства регулировки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа;
на фиг. 2 - зависимость частот биений встречных волн от относительной расстройки периметра ΔL/λ, (значения 0, 1 соответствуют равенству частот биений встречных волн продольных мод А и В);
на фиг. 3 - зависимость нормированных по максимальному значению амплитуд сигналов вращения от относительной расстройки периметра ΔL/λ, (значения 0, 1 соответствуют равенству амплитуд сигналов вращения продольных мод А и В);
на фиг. 4 - зависимость от относительной расстройки периметра ΔL/λ (значения 0, 1 соответствуют нулевой расстройке и равенству частот биений встречных волн, а также амплитуд сигналов вращения продольных мод А и В).
Устройство регулировки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа (фиг 1.) включает фотоприемники 1 выходного излучения кольцевого лазера 2, который оснащен четырьмя зеркалами, первое 3 и втрое 4 из которых выполнены с пьезоприводом, третье 5 является отражающим, а на четвертое установлен оптический смеситель 6, формирующий выходное излучение кольцевого лазера.
Кроме того, кольцевой лазер 2 оснащен блоком 7 частотной подставки, катушки 8 которого включены в плечи кольцевого лазера 2, и генератором 9 синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом блока 7 частотной подставки.
Помимо указанного выше устройство регулировки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа содержит блок 10 счетчиков импульсов сигналов SinA и CosA частоты биений встречных волн продольной моды А и импульсов сигналов SinB и CosB частоты биений встречных волн продольной моды В, процессор 11, первый вход которого соединен с выходом блока 10 счетчиков, а второй вход соединен со вторым выходом генератора 9 синхроимпульсов, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 12, вход которого соединен с выходом процессора 11, и усилитель 13, вход которого соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя 12, а выход соединен с управляющими входами пьезоприводов первого 3 и второго 4 зеркал кольцевого лазера 2.
Работает устройства регулировки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа следующим образом.
При необходимости поддержания генерации одновременно двух продольных мод (четырех частот) необходима настройка не одной моды на центр кривой усиления, а симметричное расположение мод относительно центра кривой усиления.
Для решения этой задачи используются частоты сигналов вращения-частоты биений встречных волн двух продольных мод А и В. Процессор 11 рассчитывает сигнал расстройки периметра и управляет ЦАП 12, напряжение с выхода которого через усилитель 13 прикладывается к первому 3 и второму зеркалам с пьезоприводами (пьезоэлектрическими двигателями). Они изменяют длину периметра так, чтобы обеспечить симметричное расположение мод относительно центра кривой усиления, т.е. равенство амплитуд сигналов вращения и частот биений встречных волн двух продольных мод А и В.
Процедуры преобразований сигналов в процессоре 11 можно определить из следующих положений.
Для частот биений встречных волн fA и fB в положительных и отрицательных полупериодах коммутации тока в катушках 8, намотанных на газоразрядные промежутки кольцевого лазера 2 можно записать:
Здесь 
- частота биений встречных волн на моде А при совпадении направления знакопеременного поля Н и постоянного поля h (положительном полупериоде тока в катушках 8, намотанных на газоразрядные промежутки (далее обозначим «положительный полупериод частотной подставки»), 
- частота биений встречных волн на моде В при совпадении направления напряженностей знакопеременного поля Н и постоянного поля h (положительный полупериод частотной подставки), 
-частота биений встречных волн на моде А при противоположно направленных напряженностях знакопеременного поля Н и постоянного поля h (отрицательный полупериод частотной подставки), 
- частота биений встречных волн на моде В при противоположно направленных напряженностях знакопеременного поля Н и постоянного поля h (отрицательный полупериод частотной подставки), KL(Н+h) - коэффициент зависимости частоты биений от величины расстройки периметра ΔL при совпадении направления напряженностей знакопеременного поля Н и постоянного поля h, KL(Н-h) - коэффициент зависимости частоты биений от величины расстройки периметра ΔL при противоположно направленных напряженностях знакопеременного поля Н и постоянного поля h, KH(Н+h) - коэффициент зависимости частоты биений от напряженности магнитного поля при совпадении направления напряженностей знакопеременного поля Н и постоянного поля h, KH(Н-h) - коэффициент зависимости частоты биений от напряженности магнитного поля при противоположно направленных напряженностях знакопеременного поля Н и постоянного поля h, k - масштабный коэффициент четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа (ЧЗЛГ), Ω - угловая скорость вращения.
Коэффициенты KL и KH приняты одинаковыми для мод А и В, что допустимо, поскольку, согласно фиг. 2, их отличие не превышает 1%.
Кроме того, можно принять, что напряженность знакопеременного магнитного поля Н не менее чем в 20 раз превышает напряженность постоянного магнитного поля h.
Из уравнений (1) получим:
Это уравнение при 
определяет рабочую точку устройства регулировки периметра. Это производится в процессоре 11, который рассчитывает значения сумм и разностей частот биений встречных волн по сигналу от блока 10 счетчиков и вырабатывает команду на ЦАП 12, выходное напряжение которого прикладывается к пьезоэлектрическим двигателям первого 3 и второго 4 зеркал. Зависимость величины 
от ΔL/λ, представлена на фиг. 4.
Таким образом, в предложенном техническом решении достигается требуемый технический результат, который заключается в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для регулировки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа и в повышении точности настройки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа, поскольку другие известные устройства настройки не позволяют обеспечить более точную настройку относительно предложенного.
Устройство регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа, включающее фотоприемники выходного излучения кольцевого лазера, оснащенного четырьмя зеркалами, первое и втрое из которых выполнены с пьезоприводом, третье является отражающим, а на четвертое установлен оптический смеситель, формирующий выходное излучение кольцевого лазера, а также блоком частотной подставки, катушки которого включены в плечи кольцевого лазера, и генератором синхроимпульсов, первый выход которого соединен с входом блока частотной подставки, отличающееся тем, что введены блок счетчиков импульсов сигналов SinA и CosA частоты биений встречных волн продольной моды А и импульсов сигналов SinB и CosB частоты биений встречных волн продольной моды В, процессор, первый вход которого соединен с выходом блока счетчиков, а второй вход соединен со вторым выходом генератора синхроимпульсов, цифро-аналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом процессора, и усилитель, вход которого соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя, а выход соединен с управляющими входами пьезоприводов первого и второго зеркал кольцевого лазера.
