Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов



Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов

 


Владельцы патента RU 2570096:

Акционерное общество "Серпуховский завод "Металлист" (RU)

Изобретение касается отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов по величине порога зоны нечувствительности (порога захвата) и значениям нелинейных искажений масштабного коэффициента. Способ заключается в том, что возбуждают в кольцевом резонаторе волны собственных колебаний с помощью излучения внешнего лазера и определяют величину порога полосы захвата кольцевого резонатора, по превышению допустимого значения которого принимают решение об отбраковке кольцевого резонатора. Дополнительно возбуждают в кольцевом резонаторе собственное колебание во встречном направлении путем установки у выходного зеркала кольцевого резонатора возвратного зеркала, и проводят измерение временных зависимостей интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора, при продольном перемещении возвратного зеркала на расстояние, превышающее половину длины волны лазерного излучения, а величину порога полосы захвата кольцевого резонатора определяют по результатам измерений временных зависимостей интенсивностей встречных волн. Технический результат заключается в повышении точности отбраковки. 3 ил.

 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в лазерной гироскопии для отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов по величине порога зоны нечувствительности (порога захвата) и значениям нелинейных искажений масштабного коэффициента.

Предлагаемый способ относится к области лазерных гироскопов на основе кольцевых He-Ne лазеров с длиной волны 633 нм, используемых для решения многих задач навигации, измерения угловых перемещений, геодезии и геофизики. Одним из основных источников погрешности ЛГ является обратное рассеяние (ОР) на зеркалах кольцевого резонатора (КР), приводящее к появлению зоны нечувствительности при малых скоростях вращения (так называемый порог захвата) и нелинейным искажениям масштабного коэффициента [F. Aronowitz. Optical Gyros and their Applications. RTO AGARDograph 339, 3-1, 1999].

Известен способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов [F. Aronowitz and R.J. Collins, "Mode coupling Due to Backscattering in a He-Ne Traveling-wave Ring Laser", Applied Physics Letters, 9, 55 1966], основанный на определении величины порога захвата по результатам измерения зависимости частоты биений встречных волн кольцевого резонатора от скорости, и по превышению допустимого значения величины порога захвата принимают решение об отбраковке кольцевого резонатора.

Недостатком такого способа отбраковки является относительно узкая область применения, поскольку величина порога захвата определяется уже на конечном этапе сборки лазерных гироскопов, т.е. после проведения длительного и дорогостоящего комплекса вакуумно-технологической обработки и наполнения моноблочного кольцевого резонатора рабочей Не-Ne газовой смесью.

Наиболее близким к предлагаемому является способ отбраковки кольцевых резонаторов [US 4884283 А, 28.11.1989], заключающийся в том, что в юстируемом кольцевом резонаторе при помощи излучения внешнего He-Ne лазера с длиной волны 633 нм возбуждают собственное колебание в одном из направлений и по результатам измерения обратного рассеяния определяют величину порога захвата, по превышению допустимого значения которого принимают решение от отбраковке кольцевого резонатора.

Недостатком способа является относительно низкая точность отбраковки, поскольку в кольцевых лазерах отсутствует прямая корреляционная связь между величиной обратного рассеяния и порогом захвата. Т.е. «большая» величина интенсивности обратного рассеяния не всегда приводит к «большой» величине порога захвата. Это легко видеть из соотношения для порога захвата ΩL, приведенного в работе [F. Aronowitz. Optical Gyros and their Applications. RTO AGARDograph 339, 3-1, 1999]:

где с - скорость света;

L - периметр кольцевого резонатора;

rcw и rccw - модули коэффициентов связи (КС) встречных волн кольцевого лазера в направлении по часовой стрелке (cw) и против часовой стрелки (ccw) соответственно;

φ - суммарный фазовый сдвиг, возникающий при обратном рассеянии.

Нетрудно видеть, что модули коэффициентов связи прямо пропорциональны квадратному корню из интенсивности обратного рассеяния зеркал кольцевого резонатора, поэтому наиболее близкое техническое решение не позволяет корректно осуществлять отбраковку кольцевых резонаторов.

Величина порога захвата определяется тремя параметрами: модулями КС встречных волн и фазовым сдвигом φ. Наиболее близкое техническое решение дает возможность определить только величину модуля КС в одном из направлений. Этого недостаточно, чтобы корректно прогнозировать величину порога захвата в кольцевом резонаторе. Например, «большое» значение одного из модулей КС (его величина пропорциональна квадратному корню из интенсивности обратного рассеяния) не обязательно приводит к «большой» величине порога захвата. В случае, когда rcw=rccw, а φ=π, мы имеем ΩL=0. Можем иметь и другую ситуацию, когда rcw=0, а rccw не равен нулю, и мы имеем «большую» величину порога захвата.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности отбраковки кольцевых резонаторов.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности отбраковки кольцевых резонаторов.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что, возбуждают в кольцевом резонаторе волны собственных колебаний с помощью излучения внешнего лазера и определяют величину порога полосы захвата кольцевого резонатора, по превышению допустимого значения которого принимают решение об отбраковке кольцевого резонатора, согласно изобретению дополнительно возбуждают в кольцевом резонаторе собственное колебание во встречном направлении путем установки у выходного зеркала кольцевого резонатора возвратного зеркала, и проводят измерение временных зависимостей интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора, при продольном перемещении возвратного зеркала на расстояние, превышающее половину длины волны лазерного излучения, а величину порога полосы захвата кольцевого резонатора определяют по результатам измерений временных зависимостей интенсивностей встречных волн.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - функциональная схема кольцевого резонатора с возвратным зеркалом, установленным у выходного зеркала кольцевого резонатора;

на фиг. 2 - функциональная схема устройства для отбраковки кольцевых резонаторов;

на фиг. 3 - временные зависимости интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора при продольном перемещении возвратного зеркала.

На чертеже обозначены:

1 - лазер, 2 - кольцевой резонатор, 3 - первое фотоприемное устройство, 4 - второе фотоприемное устройство, 5 - блок стабилизации частоты, 6 - оптический изолятор, 7 - делительная пластина, 8 - возвратное зеркало, 9 - пьезокерамический корректор, 10 - первый синхронный детектор, 11 - второй синхронный детектор, 12 - высоковольтный усилитель, 13 - цифровой осциллограф, 14 - персональный компьютер.

Блок 5 стабилизации частоты используется для «привязки» частоты генерации лазера к частоте собственного колебания кольцевого резонатора.

На графике временной зависимости интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора при продольном перемещении возвратного зеркала, «нижняя» по чертежу зависимость соответствует волне, направленной против часовой стрелки (собственное колебание во встречном направлении). «Точка поворота» пилообразного напряжения на пьезокорректоре возвратного зеркала достигалась примерно на 10-й секунде.

Предложенный способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов реализуется следующим образом.

Сущность способа заключается в том, что при перемещении возвратного зеркала 8 в продольном направлении, в интенсивностях встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора 2, наблюдается чередование максимумов и минимумов (с периодом, равным λ/2). Сдвиг между положениями экстремумов равняется суммарному фазовому сдвигу, возникающему при обратном рассеянии. Таким образом, измерения интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора 2, позволяют корректно прогнозировать величину порога захвата кольцевого резонатора 2 на стадии его сборки и юстировки.

Для измерения величины модулей коэффициентов связи (КС) встречных волн кольцевого лазера в направлении по часовой стрелке (cw) и против часовой стрелки (ccw), а также фазового сдвига из-за обратного рассеяния, может быть использована оптическая схема (фиг. 1), в которой собственные колебания кольцевого резонатора возбуждались одновременно в обоих встречных направлениях.

В этой схеме часть излучения, выходящего из кольцевого резонатора 2, возвращается в него при помощи возвратного зеркала 8. В результате, во встречных направлениях кольцевого резонатора 2 возбуждаются основные колебания (полагаем, что частота генерации лазера 1 совпадает с частотой собственного колебания кольцевого резонатора 2). Перемещая возвратное зеркало 8 при помощи пьезокерамического корректора 9 в продольном направлении, регистрируют изменения в интенсивностях встречных волн кольцевого резонатора 2, вызванных интерференцией между прямыми и обратно рассеянными волнами. Роль «сильных» волн играют собственные колебания кольцевого резонатора 2, возбуждаемые при помощи внешнего зондирующего лазера 1 и возвратного зеркала 8. «Слабыми» волнами являются части каждого из этих колебаний, рассеянных в обратном направлении. Перед входным зеркалом кольцевого резонатора 2 устанавливается делительная пластинка 7 с коэффициентом пропускания по интенсивности 50%, что позволяет измерять интенсивность волны, выходящей из кольцевого резонатора 2 в направлении против часовой стрелки.

Запишем поля волн, выходящих из кольцевого резонатора 2 в направлении по часовой стрелке (cw) и против часовой стрелки (ccw), учитывая, что все эти волны имеют одно и то же значение частоты, исключим из этих соотношений множитель exp(iωt) (ω - круговая частота генерации лазера 1, t - время).

В направлении по часовой стрелке (cw) и против часовой стрелки (ccw) суммарное поле представляет собой суперпозицию двух волн:

Множители 2r/δ в этих соотношениях появились в результате учета связи интенсивностей прямой и обратной волны. Несложно также установить связь между напряженностями полей прямой и отраженной от возвратного зеркала 8 волны и вышедшей затем из кольцевого резонатора 2:

где R - коэффициент отражения (по интенсивности) от возвратного зеркала.

Фазы «сильных» волн, направленных по и против часовой стрелки, связаны следующим соотношением:

Возвратное зеркало 8 играет роль линии задержки (l - расстояние между выходным и возвратным зеркалами) и при его перемещении остальные слагаемые, формирующие значения фаз двух волн, не изменяются.

Уравнения для интенсивности встречных волн можно представить в виде:

Исключив из этих уравнений члены, пропорциональные квадрату модулей связи (полагаем, что R½/T2» rccw, rcw), получаем

При перемещении возвратного зеркала 8 в продольном направлении, в интенсивностях встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора 2, будет наблюдаться чередование максимумов и минимумов (с периодом, равным λ/2). Сдвиг между положениями экстремумов равняется суммарному фазовому сдвигу, возникающему при обратном рассеянии. В случае φcwccw=90 градусов, изменение интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора 2, происходит в противофазе, т.е. максимум интенсивности одной из волн достигается при том же положении возвратного зеркала 8, что и минимум другой волны.

Приведем также соотношения для контрастов наблюдаемых экстремумов интенсивностей встречных волн. Определим их как отношение разности максимального и минимального значений (при перемещении возвратного зеркала) к сумме этих же значений:

В качестве примера проведем численные оценки величин контрастов. Полагаем, что T2=150 ppm, δ=400 ppm, r=1 ppm, R=0,5. Для этих значений параметров кольцевого резонатора имеем: Ccw=0,53 10-2, Cccw=1,9 10-2. Т.е. при перемещении возвратного зеркала относительные изменения в интенсивностях волн, выходящих из кольцевого резонатора 2, будут достигать порядка одного процента.

Этот способ был реализован на установке, схема которой представлена на фиг. 2.

Основу установки составляют внешний He-Ne лазер 1, снабженный пьезокорретором, управляющим частотой генерации, измеряемый кольцевой резонатор 2 и блок 5 стабилизации частоты 5, осуществляющий привязку частоты генерации лазера к собственным колебаниям кольцевого резонатора. Два фотоприемных устройства 3 и 4 используются для измерения интенсивностей излучений, выходящих из кольцевого резонатора. Сигнал с фотоприемного устройства 3 используется также для управления блоком 5. Возвратное зеркало 8 установлено на пьезокорректоре 9, который перемещает его при помощи высоковольтного усилителя 12. Для регистрации временных зависимостей излучений, выходящих из кольцевого резонатора 2, используется два синхронных детектора 10 и 11, цифровой осциллограф 13 и персональный компьютер 14. Для ослабления оптической связи между кольцевым резонатором 2 и лазером 1 используется оптический изолятор 6.

Таким образом, благодаря введению дополнительных операций способа (в частности, дополнительно возбуждают в кольцевом резонаторе собственное колебание во встречном направлении путем установки у выходного зеркала кольцевого резонатора возвратного зеркала, и проводят измерение временных зависимостей интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора, при продольном перемещении возвратного зеркала на расстояние, превышающее половину длины волны лазерного излучения, а величину порога полосы захвата кольцевого резонатора определяют по результатам измерений временных зависимостей интенсивностей встречных волн), обеспечивается более высокая точность отбраковки, поскольку обеспечивается прямая корреляционная связь между величиной обратного рассеяния и порогом захвата.

Способ отбраковки кольцевых резонаторов лазерного гироскопа, заключающийся в том, что возбуждают в кольцевом резонаторе волны собственных колебаний с помощью излучения внешнего лазера и определяют величину порога полосы захвата кольцевого резонатора, по превышению допустимого значения которого принимают решение об отбраковке кольцевого резонатора, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают в кольцевом резонаторе собственное колебание во встречном направлении путем установки у выходного зеркала кольцевого резонатора возвратного зеркала, и проводят измерение временных зависимостей интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора, при продольном перемещении возвратного зеркала на расстояние, превышающее половину длины волны лазерного излучения, а величину порога полосы захвата кольцевого резонатора определяют по результатам измерений временных зависимостей интенсивностей встречных волн.



 

Похожие патенты:

Узкополосный кольцевой волоконный лазер состоит из диода накачки, элемента Пельтье и кольцевого однонаправленного резонатора. Указанный резонатор включает активное волокно, делитель излучения, поляризационный циркулятор, волоконно-оптический изолятор и спектральный уплотнитель с линейной частью в виде насыщающего поглотителя из ненакачиваемого активного волокна и волоконной брэгговской решетки.

Оптический кольцевой резонатор может быть использован в качестве чувствительного элемента оптических гироскопов, в частности микрооптического гироскопа. Оптический кольцевой резонатор содержит не менее трех отражающих поверхностей, взаимное расположение которых обеспечивает циркуляцию света по замкнутому контуру.

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к лазерным гироскопам и предназначено для увеличения срока службы трехосного гироскопа. .

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к твердотельным импульсным лазерам. .

Изобретение относится к твердотельным лазерным гироскопам, предназначенным для измерения скорости вращения или относительных угловых положений, и используется, в частности, в области аэронавигации.

Изобретение относится к твердотельным лазерным гироскопам, предназначенным для измерения скорости вращения или относительных угловых положений, и может быть использовано, в частности, в области аэронавигации.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании мощных лазеров с активной средой, имеющей прямоугольное сечение, например мощных волноводных газовых лазеров с диффузионным охлаждением или слэб-лазеров.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области преобразования параметров вращения в электрический сигнал с помощью гидроскопов, в которых чувствительным элементом служит кольцевой лазер, и может быть использовано, например, в системах навигации.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к технике газовых лазеров, и может быть использовано при конструировании датчиков лазерных гироскопов. .

Предложенное изобретение относится к твердотельным лазерным гироскопам, в которых производится коррекция параметров встречных лазерных лучей. Предложенный твердотельный лазерный гироскоп содержит устройство для стабилизации сил света, позволяющее поддерживать равновесие двух встречных мод, имеющее средство для вычисления измерения вращения, резонатор, средство для измерения команды управления, средство для сохранения модели изменения смещения частоты, вызванного посредством устройства для стабилизации сил света, как функции от команды управления, средство для вычисления смещения частоты, вызванного посредством устройства для стабилизации сил света на основе значения команды управления и модели, средство для вычисления смещения при измерении вращения, вызванного посредством смещения частоты, средство для компенсации смещения при измерении вращения.

Изобретение относится к гиролазерам. Гиролазер содержит кольцеобразный оптический резонатор, содержащий три зеркала и твердотельную усилительную среду с накачкой от лазерного диода.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем различного типа, в частности в безинерциальных навигационных системах.

Изобретение относится к лазерным гироскопам, которые являются датчиками вращения. Лазерный гироскоп-мультигенератор, который позволяет измерять угловую скорость или относительное угловое положение по оси вращения, содержит по меньшей мере один кольцевой оптический резонатор (1), твердотельную усиливающую среду (2) и измерительное устройство (6), расположенные таким образом, что первая распространяющаяся линейно поляризованная мода и вторая распространяющаяся линейно поляризованная мода, перпендикулярно первой моде, могут распространяться в первом направлении в резонаторе и что третья распространяющаяся линейно поляризованная мода, параллельно первой моде, и четвертая распространяющаяся линейно поляризованная мода, параллельно второй моде, могут распространяться в противоположном направлении в резонаторе.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопическим преобразователям угловой скорости, выполненным на кольцевых лазерах. Блок лазерных гироскопов содержит выполненные в основании три лазерных гироскопа, имеющих замкнутые четырехугольные контуры.

Изобретение относится к лазерной гирометрии. Гиролазер содержит твердый цилиндрический усилительный стержень (SA), содержащий ось вращения (ASR) и кольцевой пьезоэлектрический элемент (PE) возбуждения упомянутого усилительного элемента на предопределенной частоте f вдоль упомянутой оси вращения (ASR).

Способ позиционирования трех передвижных зеркал в лазерном гирометре, содержащем три кольцевых лазерных резонатора, осуществляется при запуске гирометра. Каждый из резонаторов содержит среду, возбуждаемую для генерирования световых волн.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости, выполненным на кольцевых лазерах в системах ориентации и навигации подвижных объектов.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости, выполненным на кольцевых лазерах. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к оптическим схемам преобразователей угловой скорости на кольцевых лазерах. .

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к гироскопии, и может быть использовано для прецизионного измерения угловых перемещений лазерного гироскопа. Способ прецизионной обработки сигналов лазерного гироскопа со знакопеременной частотной подставкой, при котором оцифровывают первичные квадратурные сигналы, отражающие перемещения интерференционной картины, образованные выведенными из кольцевого лазера встречными лазерными пучками, осуществляют аппроксимацию эллипсом множества точек на плоскости переменных, соответствующих отсчетам первичных сигналов, и восстановление временного ряда для изменений разности фаз интерферирующих волн (угловых перемещений кольцевого лазера) за равные интервалы времени, при этом частота дискретизации первичных сигналов определяется верхним пределом диапазона измеряемых угловых скоростей; частота обновления отсчетов угловых перемещений кольцевого лазера выбирается вблизи верхнего предела, обеспечивающего гарантированное определение параметров первичных квадратурных сигналов; полученный временной ряд угловых перемещений кольцевого лазера преобразуется в угловые перемещения лазерного гироскопа с помощью цифрового режекторного узкополосного фильтра с бесконечной импульсной характеристикой, центр полосы подавления которого соответствует частоте знакопеременной подставки. Технический результат - уменьшение погрешности при измерениях в реальном времени угловых перемещений. 6 ил.
Наверх