Твердотельный лазерный гироскоп с механически активируемой усиливающей средой



Твердотельный лазерный гироскоп с механически активируемой усиливающей средой
Твердотельный лазерный гироскоп с механически активируемой усиливающей средой
Твердотельный лазерный гироскоп с механически активируемой усиливающей средой
Твердотельный лазерный гироскоп с механически активируемой усиливающей средой
Твердотельный лазерный гироскоп с механически активируемой усиливающей средой
Твердотельный лазерный гироскоп с механически активируемой усиливающей средой

 


Владельцы патента RU 2437062:

ТАЛЬ (FR)

Изобретение относится к области твердотельных кольцевых лазеров или лазерных гироскопов. Лазерный гироскоп содержит по меньшей мере один оптический резонатор (2) в форме кольца и твердотельную усиливающую среду (3), которые предназначены для обеспечения возможности распространения двух встречных оптических мод (4, 5) в противоположных направлениях одной относительно другой внутри указанного оптического резонатора и прохождения этих мод через усиливающую среду, причем указанная усиливающая среда соединена с электромеханическим устройством (6), сообщающим указанной усиливающей среде периодическое поступательное движение вдоль оси, практически параллельной направлению распространения указанных оптических мод. Таким образом, решетка инверсной населенности, записанная с помощью стоячей волны в усиливающую среду, которая нарушает номинальный режим лазерного гироскопа, значительно ослабляется. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области твердотельных кольцевых лазеров, называемых также лазерными гироскопами. Почти все лазерные гироскопы используют газообразную усилительную среду, представляющую обычно смесь гелия и неона. Однако возможно использование лазерного гироскопа, имеющего твердотельную усилительную среду, в котором газообразная усилительная среда заменена твердотельным элементом, например матрицей на YAG (на алюмоиттриевом гранате), легированном неодимом.

Принцип работы лазерного гироскопа основан на эффекте Саньяка в двунаправленном кольцевом лазерном резонаторе, приводимом во вращательное движение. Эффект Саньяка вызывает разность частот Ω между двумя противоположно распространяющимися модами оптического излучения, которые распространяются в противоположных направлениях в резонаторе. В обычно используемых твердотельных средах, в том числе в Nd:YAG, моды, распространяющиеся в противоположных направлениях, совместно используют одни и те же усилительные атомы. Поэтому усиление считается равномерным. В случае, когда две противоположно распространяющиеся (встречные) моды имеют одну и ту же или очень близкие частоты, результирующий интерференционный сигнал представляет собой стоячую волну, которая может двигаться. Степень участия атомов усиливающей среды в процессе вынужденного излучения тем больше, чем ближе они к пучности стоячей волны, и тем меньше, чем ближе они к узлу. Поэтому это создает в усиливающей среде решетку инверсной населенности, записанную с помощью стоячей волны. Эта решетка продолжает существовать пока частоты двух противоположно распространяющихся мод достаточно близки. Ее контраст тем ниже, чем больше разность частот по сравнению с величиной, обратной времени жизни возбужденного уровня. Известно, что эта решетка инверсной населенности оказывает отрицательное влияние на гироскопические измерения по двум основным причинам:

- усиливает конкуренцию между встречными модами, препятствуя в большинстве случаев установлению режима биений, являющегося рабочим режимом в гирометре; и

- вызывает нелинейность в частотной характеристике при вращении лазера, ухудшая таким образом инерционные качества.

С первой из этих причин можно бороться различными методами на основе, например, электронных устройств обратной связи. Оптическое устройство, размещенное в резонаторе, действует по-разному на интенсивность мод в зависимости от направления их распространения. Эти устройства, как правило, основаны на невзаимных оптических эффектах типа эффекта Фарадея.

Однако устройства, используемые для борьбы с проблемой межмодовой конкуренции, менее хорошо работают на низких скоростях вращения и в общем не позволяют обойти проблему нелинейности частотной характеристики лазерного гироскопа. Эта проблема может быть решена, например, путем установления сильного смещения частоты между двумя встречными модами. При этом необходимо контролировать стабильность используемого смещения, отсутствие которой ведет к ограничению инерционных качеств. Также возможно устранение стоячей волны в усиливающей среде и решетки инверсной населенности, создаваемой этой волной, путем обеспечения ортогональности поляризационных состояний при их взаимодействии с кристаллом. Последний метод требует контроля двулучепреломления в резонаторе, что подразумевает трудность его использования в условиях необходимости высоких инерционных качеств.

Принцип работы устройства согласно изобретению состоит в модуляции продольного положения активного кристалла вокруг среднего положения, при которой атомы кристалла перемещаются относительно узлов и пучностей интерференционной картины, формируемой двумя встречными модами, независимо от разности частот между этими двумя модами. Устройство согласно изобретению позволяет уменьшить контраст усиливающей решетки и, следовательно, ее отрицательные воздействия на гироскопические измерения без изменения длины резонатора. Устройство позволяет также ослабить эффекты обратного рассеяния, вызываемого усиливающей средой. Наконец, устройство согласно изобретению потенциально представляет собой устройство для борьбы с мертвой зоной, которое может в зависимости от поверхности кристалла замещать или дополнять обычное механическое устройство активации.

В частности, объектом изобретения является лазерный гироскоп, содержащий по меньшей мере один оптический резонатор в форме кольца и твердотельную усиливающую среду, которые выполнены с возможностью обеспечения распространения двух встречных оптических мод в противоположных направлениях одной относительно другой внутри указанного оптического резонатора и прохождения этих мод через усиливающую среду, отличающийся тем, что указанная усиливающая среда соединена с электромеханическим устройством, сообщающим указанной усиливающей среде периодическое поступательное движение вдоль оси, по существу параллельной направлению распространения указанных оптических мод.

В предпочтительном варианте изобретения амплитуда движения подчиняется синусоидальному закону как функция времени, произведение максимальной амплитуды периодического поступательного движения на средний волновой вектор оптических мод соответствует половине одного из нулей функции J0 Бесселя нулевого порядка, и частота периодического поступательного движения имеет порядок величины такой же или больше, чем у величины, обратной времени жизни инверсной населенности в усилительной среде.

В предпочтительном варианте изобретения частота движения выбирается так, чтобы избежать появления параметрических резонансных частот, дестабилизирующих лазер. В частности, упомянутая частота в предпочтительном варианте изобретения может располагаться на значительном удалении от частоты или частот релаксации лазера.

В предпочтительном варианте изобретения электромеханическое устройство является устройством пьезоэлектрического типа.

В предпочтительном варианте изобретения лазерный гироскоп включает в себя устройство для стабилизации интенсивности встречных мод, которое может содержать оптическую систему, размещенную в резонаторе, которая содержит по меньшей мере один поляризационный элемент, вращатель плоскости поляризации света, проявляющий невзаимный эффект, и оптический элемент, представляющий собой или вращатель плоскости поляризации света, проявляющий взаимный эффект, или двулучепреломляющий элемент, причем по меньшей мере один из углов вращения или двулучепреломления является регулируемым.

Изобретение также относится к системе для измерения относительных угловых положений или угловых скоростей вдоль трех различных осей, отличающейся тем, что содержит три лазерных гироскопа по меньшей мере одной из предыдущих пунктов, при этом указанные гироскопы являются ориентированными вдоль различных направлений и установлены на общей механической структуре.

Более полное понимание существа изобретения и других его преимуществ очевидно из нижеследующего описания, посредством не ограничивающих примеров реализации с прилагаемыми фигурами чертежей, на которых:

- Фиг.1 демонстрирует общий вид лазерного гироскопа согласно изобретению;

- Фиг.2, 3 и 4 демонстрируют три различные геометрические конфигурации оптических пучков относительно усилительной среды и относительно направления поступательного движения; и

- Фиг.5 демонстрирует типичный пример осуществления лазерного гироскопа согласно изобретению.

На фиг.1 представлен общий вид лазерного гироскопа 1 согласно изобретению. В общем случае он содержит:

- кольцевой резонатор 2, состоящий из зеркал 7, в котором две оптические моды 4 и 5, называемые встречными модами, циркулируют в противоположных направлениях одна относительно другой;

- твердотельную усилительную среду 3, через которую проходят указанные моды;

- средство 9 измерения, содержащее по меньшей мере оптическое средство для обеспечения интерференции двух оптических мод и средство вычисления для определения углового перемещения или угловой скорости резонатора с учетом измерений полученных интерференционных картин; и

- возможно другие оптические системы такие как, например, устройства 8 для стабилизации интенсивности встречных мод.

Кроме того, усиливающая среда соединена с электромеханическим устройством 6, сообщающим указанной усилительной среде меняющееся со временем периодическое поступательное движение, обозначенное xc(t), вдоль оси Ox, практически параллельной направлению распространения указанных оптических мод и соответствующей продольной оси резонатора.

При этих условиях динамика твердотельного кольцевого лазера с колеблющейся усилительной средой может быть описана с использованием следующих уравнений, полученных из полуклассической теории Максвелла - Блоха, а именно:

,

где E+ и E- - комплексные амплитуды встречных мод;

γc - потери в резонаторе;

Ω - невзаимность, вызываемая эффектом Саньяка;

m+ и m- - амплитуды обратного рассеяния, вызываемые движением усилительной среды в двух направлениях распространения, обозначенных + и -. Обратное рассеяние, вызываемое неподвижными зеркалами, не учитывается в этих уравнениях для упрощения;

kc - волновой вектор лазера;

σ - поперечное сечение пучка лазерного излучения;

l - длина кристалла;

T - время прохождения через резонатор;

N0 - средняя плотность инверсной населенности N;

N+ - фурье-преобразование N 2kc-порядка;

N- - сопряженный комплекс N+;

W - мощность оптической накачки;

T1 - время жизни возбужденного уровня; и

a - параметр насыщения.

Устройство может работать при различных типах периодического поступательного движения, однако самым простым в реализации является синусоидальное движение с амплитудой как функции времени t, которая может быть выражена в форме:

xc(t) = xMsin(ωMt), Уравнение 1

где xM - максимальная амплитуда движения; и

ωM - угловая частота движения, заданного уравнением: ωM=2πfM, где fM - частота движения.

Из первой строки вышеприведенной системы уравнений следует, что каждая мода может подвергаться обратному рассеянию в виде встречной моды, распространяющейся в обратном направлении посредством двух явлений. Первое явление вызывается обычным рассеиванием света на усиливающей среде. Оно соответствует членам в m+ и m-. Второе явление обусловливается наличием решетки инверсной населенности. Оно соответствует членам в N+ и N-. В обоих случаях появляется дополнительный фазовый множитель, обусловленный движением усиливающей среды. Он соответствует членам в exp(2ikcxc). В случае достаточных амплитуды и частоты этого движения, полученных в результате, достигается значительное ослабление эффективности этих двух типов связи, проявляющемся в повышении гирометрических характеристик лазера, главным образом, с точки зрения линейности частотной характеристики.

Кроме того, движение усиливающей среды также оказывает влияние на эффективность записи решетки инверсной населенности электромагнитными волнами. Это обусловливается тем, что при отсутствии движения каждый атом воспринимает совершенно другую интенсивность света в зависимости от его нахождения в узле или пучности стоячей волны. Когда усиливающая среда приводится в движение с достаточной амплитудой и достаточной частотой, интенсивность, к которой каждый атом является чувствительным, определяется ни узлом, ни пучностью, а усредненной по времени последовательностью узлов и пучностей. Результатом этого является уменьшение неравномерности световой волны, воспринимаемой атомами, и, следовательно, амплитуды решетки инверсной населенности. Можно показать, что в случае синусоидального движения c амплитудой xM и достаточно высокой частотой, средняя интенсивность, воспринимаемая каждым атомом, становится независимой от положения при выполнении следующего условия:

J0 (2kcxM)=0 Уравнение 2

где J0 обозначает функцию J Бесселя нулевого порядка.

Поэтому устройство согласно изобретению работает лучше при удовлетворении уравнению 2, т.е. в случае, когда 2kcxM является нулем функции J0. Ниже приводятся приближенные значения первых членов ряда нулей функции J0:

2,405; 5,520; 8,654; 11,79; 14,93; 18,07; 21,21; 24,35; и т.д.

Разумеется, невыполнение условия (2) будет иметь тем меньшее влияние на надлежащую работу устройства согласно изобретению, чем больше значение kcxM. На практике это значение будет определяться технологическими ограничениями при осуществлении изобретения, например, рабочим диапазоном используемых пьезоэлектрических прокладок.

Третий эффект, вызываемый движением усиливающей среды со скоростью Vc, заключается в корректировке частотной невзаимности в лазерном резонаторе с помощью множителя, пропорционального Vc, согласно формуле:

где n обозначает оптический показатель усиливающей среды. В случае синусоидального движения, описываемого уравнением 1, вызываемая невзаимность подобна обычно используемой в механически активируемых лазерных гироскопах. В последнем случае синусоидальное движение уже не ограничивается усилительной средой, а сообщается всему усиливающему резонатору.

В примере осуществления изобретения, не ограничивающим его объема, для колебательного движения усиливающей среды, заданного x(t)=xmsin(2nfmt), с амплитудой xm 8 микрон на частоте fm 5 кГц скорость усиливающей среды, заданная Vc(t)=x(t)=2πfmxmcos(2πfmt), достигает амплитуды 0,25°м/с, соответствующей гироскопу с масштабным множителем K1, равным 691°/с и оптическим периметром 24 сантиметра, в котором кристалл имеет показатель n 1,82 и длину 25 миллиметров, до смещения амплитуды приблизительно 160°/с. Следовательно, эффект, упомянутый в этом параграфе, имеет действительно тот же самый порядок величины, что и обычно привносимый механической активацией, таким образом обеспечивая реалистичность предлагаемой замены. Кроме того, этот способ сохраняет преимущество, свойственное механическим движениям, а именно, отсутствие ухода среднего времени смещения, устанавливаемого после длительного времени обнаружения. Разумеется, это верно только при условии, что параметры, участвующие в генерации смещения, типа длины кристалла или оптического показателя, не претерпевают значительных изменений в течение цикла движения усиливающей среды. В случае необходимости усиливающей среде может сообщаться сверхактивационное движение, как это обычно используется для механически активируемых лазерных гироскопов.

Если подвести итог, то приведение усиливающей среды в твердотельном лазерном гироскопе в движение позволяет осуществить:

- привнесение колебательной фазы, результатом воздействия которой является усреднение до нуля обратного рассеяния, вызываемого усиливающей средой и решеткой инверсной населенности;

- смещение стоячей волны относительно атомов усиливающей среды, результатом которого является уменьшение контраста решетки инверсной населенности; и

- установление смещения с колебательной частотой, которое может замещать или дополнять эффект механической активации.

Проблема межмодовой конкуренции не решается полностью с помощью движения равномерно усиливающей среды. Причина этого заключается в том, что две встречные моды всегда используют одни и те же атомы, и одна из этих двух мод предрасположена к монополизации доступного усиления в ущерб другой, что может нарушить работу гироскопа. Поэтому лазерный гироскоп согласно изобретению может включать в свой состав в случае необходимости устройство стабилизации, которое может содержать петлю обратной связи, действующую на дифференциальные потери между модами.

Эффективность электромеханического устройства, сообщающего усиливающей среде периодическое поступательное движение, зависит от выбора частоты и амплитуды модуляции. В частности, устройство работает тем лучше, чем выше частота колебаний. Типичной постоянной времени является время жизни возбужденного состояния в усиливающей среде. Амплитуда колебаний имеет, как правило, тот же порядок величины, что и длина световой волны. Как указано выше, существует ряд дискретных значений амплитуды колебаний, позволяющих довести эффективность изобретения до максимума.

Для уменьшения эффектов обратного рассеяния света плоскости кристалла не должны быть перпендикулярными направлению распространения пучка в лазерном резонаторе. В предпочтительном варианте осуществления изобретения одна из поверхностей кристалла может быть размещена под углом Брюстера.

Существует три варианта направлений движения кристалла, показанные на фиг.2, 3 и 4:

- Фиг.2: геометрическая ось бруска 3 параллельна направлению движения и оси распространения пучка в кристалле;

- Фиг.3: ось падающего пучка параллельна направлению активации; и

- Фиг.4: ось падающего пучка, направление распространения и направление движения ориентированы под взаимно различными углами.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения оптическая ось усилительного кристалла 3 выбрана параллельной направлению распространения пучка в кристалле, как показано на фиг.2.

Как указано выше, в резонаторе 2 может быть размещено устройство 8 для стабилизации интенсивности встречных мод. В общем случае это устройство для стабилизации содержит оптическую систему, размещенную в резонаторе, которая содержит по меньшей мере один поляризационный элемент, вращатель плоскости поляризации света, проявляющий невзаимный эффект, и оптический элемент. Этот оптический элемент представляет собой или вращатель плоскости поляризации света, проявляющий взаимный эффект, или двулучепреломляющий элемент. Причем по меньшей мере один из указанных эффектов или двулучепреломления регулируется в соответствии с разностью интенсивностей двух встречных мод.

На примере не ограничивающего примера согласно изобретению, фиг.5 иллюстрирует лазерный гироскоп, включающий в свой состав электромеханическое устройство согласно изобретению и устройство для стабилизации интенсивности встречных мод.

В соответствии с этим лазерный гироскоп 1 содержит:

- кольцевой лазерный резонатор 2, содержащий четыре зеркала 7;

- лазерный резонатор имеет несколько неплоскую структуру, чтобы вызывать взаимное вращение плоскости поляризации на несколько градусов. Поэтому на фиг.5 три из указанных четырех зеркал 7 представлены наклонными эллипсами и

- кроме того, одно из зеркал резонатора обладает сильным поляризационным эффектом. Это обусловлено необходимостью надлежащей работы устройства для стабилизации интенсивности мод для мод, подвергающихся поляризации. Поляризационный эффект символически показан стрелкой на одном из зеркал 7 на фиг.5;

- усиливающую среду 3, представляющую собой легированный неодимом кристалл YAG, оптически накачиваемый лазерным диодом с длиной волны излучения 808 нм, не показанный на фиг.5;

- кристалл YAG 3 смонтирован на пьезоэлектрическом устройстве 6, которое приводит его в колебательное движение с частотой приблизительно 20 килогерц и максимальной амплитудой приблизительно 8 микрон;

- устройство для стабилизации содержащее:

- два фотодиода 82, соединенные с устройством 83 сервоуправления и предназначенные для измерения интенсивности двух встречных оптических мод 4 и 5,

- электромагнитную катушку 81 индуктивности вокруг кристалла YAG, позволяющую вызывать регулируемый эффект Фарадея и

- устройство 83 сервоуправления, которое генерирует ток, протекающий в катушке 81 индуктивности, причем указанный ток является пропорциональным разности интенсивностей встречных мод 4 и 5. Полярность тока выбирается так, чтобы вызывать более высокие потери в более интенсивной моде; и

- устройство 9 для считывания и обработки гирометрического сигнала, содержащее:

- оптоэлектронное средство 91 для обеспечения интерференции встречных мод и измерения параметров системы интерференционных полос и

- вычислительное средство 92 для восстановления информации об угловой скорости или угловом перемещении по этим параметрам.

В случае необходимости все устройство размещается на механическом активационном волчке.

Разумеется, можно создать систему для измерения относительных угловых положений или угловых скоростей вдоль трех различных осей, содержащую три лазерных гироскопа согласно изобретению, ориентированных вдоль различных направлений и смонтированных на общей механической структуре.

1. Лазерный гироскоп (1), содержащий по меньшей мере один оптический резонатор (2) в форме кольца и твердотельную усиливающую среду (3), которые выполнены с возможностью обеспечения распространения двух встречных оптических мод (4, 5) в противоположных направлениях одной относительно другой внутри указанного оптического резонатора (2) и прохождения этих мод через усиливающую среду (3), отличающийся тем, что указанная усиливающая среда (3) соединена с электромеханическим устройством (6), сообщающим указанной усиливающей среде периодическое поступательное движение вдоль оси, по существу параллельной направлению распространения указанных оптических мод.

2. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что амплитуда движения подчиняется синусоидальному закону как функция времени.

3. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что результат произведения максимальной амплитуды периодического поступательного движения на средний волновой вектор оптических мод соответствует половине одного из нулей функции Бесселя нулевого порядка.

4. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что частота периодического поступательного движения имеет порядок величины такой же или больше, чем у величины, обратной времени жизни инверсной населенности в усиливающей среде.

5. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что частота периодического поступательного движения отличается от параметрических резонансных частот, причем указанные резонансные частоты содержат частоты релаксации лазера.

6. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что электромеханическое устройство (6) является устройством пьезоэлектрического типа.

7. Лазерный гироскоп по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает в себя устройство (8) для стабилизации интенсивности встречных мод.

8. Лазерный гироскоп по п.7, отличающийся тем, что устройство для стабилизации содержит оптическую систему, размещенную в резонаторе, которая содержит по меньшей мере один поляризационный элемент (7), вращатель плоскости поляризации света, проявляющий невзаимный эффект, и оптический элемент, представляющий собой или вращатель плоскости поляризации света, проявляющий взаимный эффект, или двулучепреломляющий элемент, причем по меньшей мере один из углов вращения или двулучепреломления является регулируемым.

9. Система для измерения относительных угловых положений или угловых скоростей вдоль трех различных осей, отличающаяся тем, что содержит три лазерных гироскопа по одному из предыдущих пунктов, ориентированных вдоль различных направлений и установленных на общей механической структуре.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии. .
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в системах ориентации и навигации подвижных объектов. .

Изобретение относится к приборам для решения задач ориентации, навигации и управления подвижных объектов - самолетов, кораблей, внутритрубных диагностических снарядов, скважинных приборов буровых скважин и т.д.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Изобретение относится к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижных объектов - самолетов, кораблей, внутритрубных диагностических снарядов, скважинных приборов буровых скважин и т.д.

Изобретение относится к приборам навигации, контроля и управления подвижных объектов - самолетов, кораблей, автомобилей, а также таких элементов, как валы, колеса и площадки, устанавливаемых на указанных подвижных объектах.

Изобретение относится к лазерным гироскопам и может быть использовано для измерения угловой скорости и малых вариаций угловой скорости вращения, например, угловой скорости вращения Земли.

Изобретение относится к области навигационных систем, а именно к прецизионным гироскопическим датчикам угловых скоростей. .

Изобретение относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использовано при создании твердотельных лазерных гироскопов

Изобретение относится к технике разработки гироскопов. Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) содержит многовитковый замкнутый контур из оптического волокна в виде одномодового двулучепреломляющего световода, излучатель и фотоприемник, два ответвителя, поляризатор, фазовый модулятор и фазовый детектор, а также усилитель, фильтр и генератор. Излучатель через первый ответвитель соединен с первым входом-выходом поляризатора, вторым входом-выходом через второй ответвитель подключенного к первому соответствующему входу-выходу волоконного контура, а также соединенного через фазовый модулятор с этим ответвителем вторым оптическим входом-выходом. При этом первый ответвитель подключен также к оптическому входу фотоприемника, электрическим выходом через усилитель и фильтр подключенного к первому входу фазового детектора, выход которого является также выходом ВОГ, а вторым входом соединенного с выходом генератора, одновременно подключенного к электрическому входу фазового модулятора. Излучатель и фотоприемник соединены с первым ответвителем отрезками одномодового двулучепреломляющего световода и с помощью отрезков такого волокна подключены к поляризатору также первый и второй ответвители, при этом волоконный контур, ответвители, поляризатор и фазовый модулятор выполнены на одном отрезке волокна без стыков. Длина отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем, в три раза или больше или меньше длины отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем. При этом длина меньшего из этих отрезков превышает длину деполяризации волокна, но в девять раз меньше длины отрезка волокна, соединяющего излучающий модуль с первым ответвителем. Технический результат заключается в обеспечении возможности обеспечения максимальной степени фильтрации полезного сигнала. 1 ил. Изобретение относится к технике разработки гироскопов, основанных на использовании эффекта Саньяка, и может быть применено при изготовлении волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). Сущность изобретения состоит в том, что в волоконно-оптическом гироскопе (ВОГ), содержащем многовитковый замкнутый контур из оптического волокна (далее волоконный контур) в виде одномодового двулучепреломляющего световода, излучатель и фотоприемник, два ответвителя, поляризатор, фазовый модулятор и фазовый детектор, а также усилитель, фильтр и генератор, причем излучатель оптическим выходом через первый ответвитель соединен с первым оптическим входом-выходом поляризатора, своим вторым оптическим входом-выходом через второй ответвитель подключенного к первому соответствующему входу-выходу волоконного контура, а также соединенного через фазовый модулятор с этим ответвителем своим вторым оптическим входом-выходом, при этом первый ответвитель подключен также к оптическому входу фотоприемника, электрическим выходом через последовательно соединенные усилитель и фильтр подключенного к первому входу фазового детектора, выход которого является также выходом ВОГ, а вторым входом соединенного с выходом генератора, одновременно подключенного к электрическому входу фазового модулятора, причем излучатель и фотоприемник соединены с первым ответвителем отрезками двулучепреломляющего оптического волокна (одномодового двулучепреломляющего световода) и с помощью отрезков такого волокна подключены к поляризатору также первый и второй ответвители, при этом волоконный контур, ответвители, поляризатор и фазовый модулятор выполнены на одном отрезке волокна без стыков, причем величины длин отрезков, соединяющих поляризатор с ответвителями, выполнены отличающимися в три раза, при этом длина меньшего из этих отрезков превышает длину деполяризации волокна, но в девять раз меньше длины отрезка волокна, соединяющего излучатель с первым ответвителем. При этом длина отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем может быть или больше, или меньше длины отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем. Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении возможности обеспечения максимальной степени фильтрации полезного сигнала в практических условиях ограниченного функционирования отдельных оптических компонентов ВОГ и, соответственно, в увеличении процента выхода годных (по критерию начального сдвига и его стабильности) изделий за счет локализации основных дефектов и выбора длин волокна между оптическими компонентами цельноволоконного ВОГ, при которых возникающие на дефектах вторичные волны, приобретают временные задержки, превышающие время когерентности источника излучения. При этом эффективность интерференции вторичных волн с основными волнами (их взаимная когерентность) значительно уменьшается и, соответственно, уменьшается сдвиг нуля ВОГ, порожденный вторичными волнами.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов. Способ предназначен для расширения диапазона измерения угловых скоростей волоконно-оптического гироскопа с открытым контуром, содержащего волоконный кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации, который содержит синхронный детектор для выделения амплитуды сигнала вращения и электронное устройство деления накопленной информации на выходе синхронного детектора на постоянную составляющую сигнала на входе синхронного детектора, а также контур обратной связи по обнулению сигнала рассогласования и содержащего генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции. При этом для измерения угловых скоростей при изменении разности фаз Саньяка в диапазонах ±[(0÷π/4)] радиан; ±[(3π/4+2πn)÷(5π/4+2πn)] радиан; ±[(7π/4+2πn)÷(9π/4+2πn)] радиан, где n=0, 1, 2…, используют модуляцию разности фаз лучей кольцевого интерферометра в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудами ±π/2 радиан и ±3π/2 радиан, а для измерения угловых скоростей при изменении разности фаз Саньяка в диапазонах ±[(π/4+2πn)÷(3π/4+2πn)] радиан; ±[(5π/4+2πn)+(7π/4+2πn)] радиан; используют модуляцию разности фаз лучей кольцевого интерферометра в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудами 0 радиан и ±π радиан. Технический результат заключается в расширении диапазона измерения угловых скоростей. 10 ил.

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. 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 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, в котором предварительно измеряют изменение напряжения на пьезоголовке кольцевого лазера, соответствующее переходу от моды одного знака поляризации к ближайшей моде с ортогональной поляризацией, при измерении угловых перемещений непосредственно перед началом каждого переключения отключают систему регулировки периметра от пьезоголовки датчика, после этого, пока на пьезоголовке не изменилось напряжение от работы на прежней моде, подают на пьезоголовку дополнительное измеренное ранее напряжение, соответствующее переходу от моды одного знака поляризации к ближайшей моде с ортогональной поляризацией, при этом знак подаваемого дополнительного напряжения определяют так, чтобы суммарное напряжение находилось в области регулирования системы регулировки периметра, переключают фазу системы регулировки периметра на настройку и работу на моде с ортогональной поляризацией, подключают систему регулировки периметра к пьезоголовке датчика в выбранное предварительно или во время данного переключения время, после чего система регулировки периметра в автоматическом режиме завершает подстройку частоты кольцевого лазера лазерного гироскопа на моду с ортогональной поляризацией. Предложенный способ позволяет существенно уменьшить ошибки измерений угловых перемещений во время переключений поляризаций за счет уменьшения длительности переключений.

Предложенное 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 знакопеременной 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, в котором предварительно измеряют и/или вычисляют для мод с ортогональными поляризациями зависимость частоты подставки от величины расстройки периметра резонатора кольцевого лазера. Предварительно или во время измерений угловых перемещений при переключениях поляризаций в каждой соответствующей ортогональной моде этого переключения измеряют зависимость амплитуды знакопеременной частотной подставки от времени, по которой определяют промежутки времени во время переключений поляризаций, в которых будут использованы результаты измерений угловых перемещений с учетом ошибок, обусловленных изменением частоты подставки из-за расстройки периметра кольцевого лазера, вызванной переключением поляризации, при каждом очередном переключении во время измерений угловых перемещений в каждой соответствующей ортогональной моде этого переключения для каждого выбранного промежутка времени измеряют зависимость амплитуды знакопеременной частотной подставки от времени, 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 частотной подставки от величины расстройки периметра резонатора кольцевого лазера для соответствующей ортогональной моды и измеренную для этой же ортогональной моды при данном переключении зависимость амплитуды знакопеременной частотной подставки от времени. Предложенный способ 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. 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 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, в котором 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 промежутки времени во время переключений 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 кольцевого лазера, вызванной переключением поляризации, предварительно измеряют и/или вычисляют для мод с ортогональными поляризациями зависимость частоты подставки от величины сигнала расстройки периметра резонатора кольцевого лазера, при каждом очередном переключении во время измерений угловых перемещений в выбранных промежутках времени этого переключения в каждой соответствующей моде с ортогональной поляризацией измеряют зависимость сигнала расстройки периметра кольцевого лазера от времени, 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 сигнала расстройки периметра резонатора кольцевого лазера для соответствующей моды и измеренную для этой же моды при данном переключении зависимость сигнала расстройки периметра от времени в этом же выбранном промежутке времени данного переключения. Предложенный способ позволяет существенно уменьшить ошибки измерений угловых перемещений за счет уменьшения времени недостоверного съема информации во время переключений поляризаций.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения угловой скорости. Для определения угловой скорости формируют два пучка когерентного оптического излучения. Каждый из двух пучков дополнительно делят на два части. С помощью кольцевого интерферометра изменяют интенсивность и фазу только одной из частей каждого пучка. Ввод измерительных пучков в резонатор интерферометра осуществляют во взаимно противоположных направлениях. Прошедшую через интерферометр часть первого пучка и оставшуюся исходную часть того же пучка направляют на первый фотоприемник. Прошедшую через интерферометр часть второго пучка и оставшуюся исходную часть того же пучка направляют на второй фотоприемник. Угловую скорость определяют по величине разности собственных частот резонатора интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения угловой скорости при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации. 3 ил.

Предложенное изобретение относится к устройствам для цифровой обработки информации, поступающей от гиролазера (лазерного гироскопа). Предложенный гиролазер с оптическим резонатором содержит множество зеркал, по меньшей мере один фотодатчик (101), выдающий два оптических сигнала (102, 103) со сдвигом фазы на 90°, при этом упомянутые сигналы (102, 103) являются оцифрованными (401, 402), средства (128) управления положением одного из упомянутых зеркал путем преобразования электрического сигнала в механическое усилие, средства (135) активации упомянутого гиролазера в колебательном движении путем преобразования электрического сигнала колебания (306) в механическое усилие и средства (118) измерения угловой скорости (120) упомянутого гиролазера, отличающийся тем, что дополнительно содержит: средства (405) извлечения фазы α и модуля ρ или квадрата модуля ρ упомянутых оптических сигналов (102, 103), средства (409) автоматического регулирования длины оптического резонатора, средства (411) дифференцирования упомянутой фазы α на заданный период времени, чтобы выдать сигнал (408), содержащий общую информацию движения упомянутого гиролазера, средства (410) автоматического регулирования активации упомянутого гиролазера по упомянутому колебательному движению, принимающие упомянутый сигнал (408), из которого извлекают оценку (300) колебательного движения, сообщаемого упомянутому гиролазеру упомянутыми средствами (135) активации, и производящие упомянутый сигнал колебания (306), амплитуду которого регулируют по заданному значению амплитуды (129). Данное изобретение обеспечивает стабильность амплитуды активации и позволяет повысить характеристики систематических ошибок гиролазера. 14 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх