Способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом


 


Владельцы патента RU 2530481:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха") (RU)

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.

 

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 пьезоголовку 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.

Переключение в известных способах производят следующим образом: переключают фазу системы регулировки периметра на настройку и работу на ортогональной моде, и далее система регулировки периметра автоматически производит перестройку и настройку частоты КЛ ЛГ с работавшей моды на ортогональную моду кольцевого лазера.

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 известной системы регулировки периметра само переключение и настройка на центр Доплеровского контура ортогональной моды происходят не мгновенно, а за достаточно длительное время - (0,15…0,20) сек, 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 за счет уменьшения времени переключений.

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 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.

Суть изобретения заключается в следующем:

В предложенном способе предварительно (до начала измерений угловых перемещений) измеряют изменение напряжения на пьезоголовке (или на параллельно подключенных пьезоголовках, если их больше одной) кольцевого лазера, соответствующее переходу от моды одного знака поляризации к ближайшей моде с ортогональной поляризацией. При этом измерение изменения напряжения производится до начала измерений угловых перемещений и может уточнятся, при необходимости, при измерении угловых перемещений при переключениях поляризаций.

При измерении угловых перемещений непосредственно перед началом каждого переключения отключают систему регулировки периметра от его исполнительного элемента на датчике - пьезоголовке. После отключения системы регулировки периметра от пьезоголовки, пока на пьезоголовке не изменилось напряжение от работы на прежней моде больше заданного, подают на пьезоголовку дополнительное измеренное ранее напряжение, соответствующее переходу от моды одного знака поляризации к ближайшей моде с ортогональной поляризацией. Знак подаваемого дополнительного напряжения определяют так, чтобы суммарное напряжение находилось в области регулирования системы регулировки периметра. Для диапазона напряжений пьезоголовки от -100 ВB до + 100 B знак подаваемого дополнительного напряжения определяют, например, так:

|UПГ+ΔUПГ|<|Uд|, где UПГ - напряжение пьезоголовки до переключения (со знаком),

ΔUПГ - напряжение переключения (со знаком), Uд - заданная с учетом ошибок величина края диапазона регулировки периметра (например, 90 B).

Далее в промежутке времени от момента начала переключения до момента подключения системы регулировки периметра к пьезоголовке переключают фазу системы регулировки периметра на настройку и работу на моде с ортогональной поляризацией.

Затем в выбранное предварительно или во время данного переключения время переключения подключают систему регулировки периметра к пьезоголовке, после чего система регулировки периметра в автоматическом режиме завершает подстройку частоты кольцевого лазера лазерного гироскопа на моду с ортогональной поляризацией. Необходимость подстройки частоты после подачи дополнительного напряжения ΔUПГ обусловлена гистерезисом пьезоголовки. Выбор времени подключения системы регулировки периметра к пьезоголовке определяется, например, уменьшением скорости изменения периметра на ~(90-95)% после подачи на пьезоголовку дополнительного измеренного ранее напряжения ΔUПГ.

Проведем оценку уменьшения величины ошибок измерения угловых перемещений лазерным гироскопом при переключении поляризаций за счет уменьшения времени каждого переключения 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 прототипе равно ~0,2 сек. Измерения показали, что применение предложенного способа позволяет уменьшить время каждого переключения до ~ (25-30)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 течение всего времени переключений 0.2 сек, в известном способе будет равна:

А*t2/2=300°/cек2*(0.2)2/2=6°

при применении предложенного способа эта ошибка уменьшается до:

А*t2/2=300°/сек2*(30*10-3)2/2=0.135°. Таким образом величина ошибки измерения угловых перемещений как при одном, так и при одинаковом числе переключении поляризации при применении предложенного способа будет существенно меньше, чем в известном способе за счет уменьшения времени каждого переключения.

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 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.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

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

Изобретение относится к области твердотельных кольцевых лазеров или лазерных гироскопов. .
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.

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