Способ измерения сверхмалых угловых скоростей

Изобретение может быть использовано для измерения сверхмалых угловых скоростей в космическом пространстве. Способ измерения сверхмалых угловых скоростей путем возбуждения встречно-бегущих электромагнитных волн, отражения, детектирования их параметров и расчета величины действующей угловой скорости, пропорциональной изменению этих параметров, при этом возбудитель, отражатели и детектор установлены на не менее трех геостационарных спутниках и возбуждают электромагнитные волны. Технический результат - повышение точности измерений сверхмалых угловых скоростей. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Способ измерения сверхмалых угловых скоростей относится к гироскопии и может быть использован для измерения сверхмалых угловых скоростей в космическом пространстве.

Из работ [Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. Под ред. проф. С.И. Бычкова. Москва: Сов. радио, 1975. - 424 с.] известен способ измерения угловой скорости с использованием замкнутого резонатора, состоящего из трех и более отражателей, возбудителя двух встречнобегущих электромагнитных волн с одинаковыми частотами (ƒ1 и ƒ2 соответственно) и детектора, фиксирующий одинаковое время прохождения встречных волн по замкнутому контуру при отсутствии угловой скорости и разность времени прохождения встречных волн при наличии угловой скорости.

Информация о действующей угловой скорости Ω выделяется по разности частот Δƒ=ƒ12 встречных волн, величина которой может быть найдена из следующего выражения:

где S - площадь замкнутого резонатора, L - периметр замкнутого резонатора, λ - средняя длина волны, определяемая как

λ≈4πс/(ƒ12).

Оно представляет собой лазерный гироскоп, состоящего из катода, двух анодов, трех зеркал, призмы и приемника.

С помощью катода и двух анодов происходит возбуждение двух встречно бегущих электромагнитных волн с одинаковыми частотами ƒ1 и ƒ2 соответственно (ƒ12). Через полупрозрачное зеркало обе волны поступают на приемник, где измеряется сдвиг фаз, пропорциональный угловой скорости Ω.

При отсутствии вращения (Ω=0) встречнобегущие волны имеют одинаковую частоту (ƒ12), а также нулевой сдвиг по фазе между ними.

При вращении замкнутого резонатора частота одной из волн увеличивается, а другой уменьшается. При этом встречнобегущие волны приобретают дополнительные фазовые сдвиги ϕ1=arctgξ1 и ϕ2=arctgξ2, где ξ1, 2=±QΔƒ/ƒ - обобщенная расстройка частот волн из-за наличия вращения, Q - добротность резонатора.

Величина дифференциального фазового сдвига, приобретаемого встречнобегущими волнами, составляет ϕ12=2arctg(QΔƒ/ƒ), или, принимая при малых угловых скоростях QΔƒ/ƒ<<1 и используя выражение (1), окончательно получаем

,

где с - скорость света.

Недостатком такого способа является невозможность измерения сверхмалых угловых скоростей из-за малого периметра замкнутого резонатора (порядка 30-40 см).

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ измерения сверхмалых угловых скоростей, основанный на разном времени прохождения встречных электромагнитных волн по замкнутому резонатору при наличии угловой скорости [Schreiber U., Igel Н., Cochard A., Velikoseltsev A., Flaws A., Schuberth В., Drewitz W., The GEOsensor project: rotations - a new observable for seismology // Observation of the Earth System from Space. - Springer Berlin Heidelberg, 2006. - C. 427-443; Великосельцев A.A., Лукьянов Д.П., Виноградов В.И., Шрайбер К.У. Современное состояние и перспективы развития сверхбольших оптических гироскопов для применения в геодезии и сейсмологии. Квантовая электроника. 2014. Т. 44. №12. С. 1151-1156], заключающийся в размещении на поверхности Земли замкнутого резонатора с периметром 16 метров, состоящего из четырех отражателей, возбудителя двух встречнобегущих электромагнитных волн с одинаковыми частотами (ƒ1 и ƒ2 соответственно) и приемника, детектирующего одинаковое время прохождения встречных волн по резонатору при отсутствии угловой скорости и разность времени прохождения встречных волн при наличии угловой скорости.

Значение фазового сдвига в данном методе зависит от размеров резонатора и пропорционально скорости вращения. Следовательно, при условии, что длина пути электромагнитной волны внутри резонатора точно известна, измерение фазового сдвига дает точное значение скорости вращения датчика. Этот фазовый сдвиг пересчитывается в разность частот двух встречных электромагнитных волн в тех случаях, когда волны распространяются по активной среде замкнутого резонатора [G.Е. Stedman. Ring-laser tests of fundamental physics and geophysics. Rep.Prog. Phys. 60, 615. 1997]. Можно записать, что разность частот двух волн

где n - нормаль к плоскости распространения электромагнитных волн; Ω - угловая скорость вращения; K - масштабный коэффициент, определяемый площадью S и периметром L резонатора и оптической длиной волны λ.

Поскольку наблюдаемая частота биений двух электромагнитных волн пропорциональна скорости вращения, коэффициент S определяет разрешение измеряемой величины.

Возможность построения резонаторов с большим периметром становится более сложным и практически невозможным. Это обуславливается принципиальным ограничением возможного размера периметра замкнутого резонатора, вызванного с одной стороны сближением продольных типов колебаний встречнобегущих волн, а с другой прецизионными точностями изготовления отдельных элементов замкнутого резонатора.

Таким образом, недостатком известного способа является недостаточная точность измерений сверхмалых угловых скоростей из-за малого периметра резонатора.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности измерений сверхмалых угловых скоростей за счет увеличения периметра замкнутого резонатора.

Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе, также как и в известном, измерение сверхмалых угловых скоростей осуществляется путем возбуждения двух встречно-бегущих электромагнитных волн, отражения, детектирования их параметров и расчета величины действующей угловой скорости, пропорциональной изменению этих параметров. Но в отличие от известного возбудитель, отражатели и детектор установлены на не менее трех геостационарных спутниках и возбуждают электромагнитные волны. Это становится возможным из-за распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, при этом практически они не испытывают помех от внешних возмущений.

Достигаемый технический результат - повышение точности измерений сверхмалых угловых скоростей.

Совокупность признаков, сформулируемых в п. 2, характеризует способ измерения сверхмалых угловых скоростей, в котором детектируют разность фаз электромагнитных волн и рассчитывают угловую скорость по формуле

,

где S - площадь контура, λ, с - длина волны и скорость распространения встречных электромагнитных волн соответственно, Ω - детектируемая угловая скорость.

Совокупность признаков, сформулируемых в п. 3, характеризует способ измерения сверхмалых угловых скоростей, в котором детектируют разность времен прохождения двумя электромагнитными волнами периметра резонатора и рассчитывают по формуле

где L1 и L2 - расстояние, которое проходят две встречно-бегущие в резонаторе электромагнитные волны, с - длина волны и скорость распространения встречных электромагнитных волн соответственно, Ω - детектируемая угловая скорость.

Применение способов по п. 2 и по 3 дает близкую точность и выбор какого-то одного из них будет определяться оборудованием, установленным на спутниках.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 - приведена общая схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения сверхмалой угловой скорости.

Рассмотрим устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг. 1). Оно состоит из трех или более спутников, расположенных на геостационарной орбите Земли с радиусом R=42164 км. На них размещается открытый замкнутый резонатор, состоящий из трех и более отражателей, двунаправленного возбудителя двух встречнобегущих электромагнитных волн с одинаковыми частотами (ƒ1 и ƒ2 соответственно) и приемника (фазового детектора), детектирующего одинаковый набег фаз встречных волн по замкнутому контуру при отсутствии угловой скорости и разность набега фаз ϕ1 и ϕ2 встречных волн при наличии угловой скорости в форме

,

где S - площадь контура, λ, с - длина волны и скорость распространения встречных электромагнитных волн соответственно.

Рассмотрим два простейших варианта замкнутого резонатора А1ВС1 и А2ВС2 (фиг. 1), образованного тремя спутниками (на фиг. 1 они обозначены А1, В, С1 и А2, В, С2 соответственно) и имеющего форму равностороннего треугольника (в общем случае форма замкнутого резонатора может быть различной). Если обозначить через - расстояние между спутниками А1 и В, которое равно расстоянию между спутниками В и С1 (т.е. резонатор - равносторонний треугольник), а - расстояние между спутником А1 и точкой O1 пересечения линии, соединяющей спутники A1 и С1, с высотой замкнутого резонатора h1, имеющего треугольную форму. Периметр резонатора А1ВС1 будет определяться по формуле

,

а его площадь

.

Значение высоты первого замкнутого резонатора h1 можно найти из выражения для прямоугольного треугольника O1ОС1 (фиг. 1)

,

где R - радиус геостационарной орбиты относительно центра Земли.

Откуда . Получим классическое квадратное уравнение

.

Решая его найдем значение h1

D=(-2*42146)2-4*15002=7105141264-9000000=7096141264 (км)

, .

, .

Так как h11=84318,5 км больше диаметра геостационарной орбиты (чего не может быть), то h1=26.5 км.

Тогда площадь резонатора А1ВС1 (км2).

Для определения периметра необходимо найти значение , которое определяется из следующего выражения

.

Откуда км.

Тогда периметр резонатора А1ВС1 L1=2⋅1500.23+2⋅1500=6000.46 (км), а его масштабный коэффициент составит

.

Для прототипа Sп=16 м2, Lп=16 м и, следовательно, .

Таким образом, в предлагаемом способе, по сравнению с прототипом, масштабный коэффициент, а следовательно и чувствительность, увеличится в 6.6 раза. И это не предел. Рассмотрим теперь резонатор в форме треугольника А2ВС2.

Масштабный коэффициент для способа по п. 2 составит

.

Для сравнения, как показано в работе [Д.П. Лукьянов, В.Я. Распопов, Ю.В. Филатов. Прикладная теория гироскопов. СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2015. - 316 с.] K для волоконно-оптического гироскопа со средней чувствительностью (а значит, и средней точностью) составляет , а для высокоточного (высокоточного) - . При этом точность измерений также зависит от выбранной дины волны: чем она больше, тем меньше точность.

Аналогично можно определить высоту второго треугольного резонатора А2ВС2 h12=107 км, а также его площадь S2=321000 (км2) и периметр L2=12003.82 км. Следовательно, масштабный коэффициент для резонатора А2ВС2 составит , а увеличение чувствительности в 26.7 раза.

Таким образом, описание предлагаемого способа свидетельствуют о том, что с помощью предлагаемого способа достигается технический результат - увеличение точности измерения сверхмалых угловых скоростей.

1. Способ измерения сверхмалых угловых скоростей путем возбуждения встречно-бегущих электромагнитных волн, отражения, детектирования их параметров и расчета величины действующей угловой скорости, пропорциональной изменению этих параметров, отличающийся тем, что возбудитель, отражатели и детектор установлены на не менее трех геостационарных спутниках и возбуждают электромагнитные волны.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что детектируют разность фаз электромагнитных волн и рассчитывают угловую скорость по формуле

где S - площадь контура, λ, с - длина волны и скорость распространения встречных электромагнитных волн соответственно, Ω - детектируемая угловая скорость.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что детектируют разность времен прохождения двумя электромагнитными волнами периметра резонатора и рассчитывают по формуле

где L1 и L2 - расстояние, которое проходят две встречно-бегущие в резонаторе электромагнитные волны, с - длина волны и скорость распространения встречных электромагнитных волн соответственно, Ω - детектируемая угловая скорость.



 

Похожие патенты:

Представлены система и способ калибровки комплекта помощи при движении задним ходом с прицепом, присоединенным к транспортному средству. Способ включает в себя движение транспортного средства вперед практически по прямой со скоростью, превышающей пороговое значение, измерение скорости рыскания транспортного средства и измерение угла сцепки прицепа.

Изобретение относится к области создания систем управления летательных аппаратов (ЛА), преимущественно к способам получения достоверной информации и диагностики работоспособности датчиков угловой скорости (ДУС) летательного аппарата с избыточным числом измерителей и идентификацией их отказов.

Изобретение относится к способам опознавания воздействий на подъемно-транспортную машину. Осуществляя контроль эксплуатации транспортного средства, обнаруживают перегрузки при столкновении транспортного средства.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения частоты вращения интерферометра. Частоту вращения определяют как разность между критической частотой вращения интерферометра на выбранном типе электромагнитной волны (частотой «отсечки» при вращении) и критической частотой «покоящегося» интерферометра (частотой «отсечки» при «покое») на том же типе электромагнитной волны, деленную на постоянное число, определяемое выбранным при расчете интерферометра типом электромагнитной волны.

При оценке стиля вождения моторного транспортного средства формируют (201) из измерений сигнал скорости, представляющий изменение (v(t)) скорости моторного транспортного средства.

Турбокомпрессор (10, 10′), приводимый в действие отработавшими газами, для двигателя внутреннего сгорания содержит датчик (32) частоты вращения и элемент (30, 30′, 40, 40′, 40″) в виде втулки для осевой фиксации по меньшей мере одного подшипника (24, 26) вала (22) турбокомпрессора.

Изобретение относится к системе и способу слежения за положением головы. Техническим результатом является повышение эффективности формирования звуковых образов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, предназначенным для установки и предварительной оценки заявленных технических характеристик приборов для измерения угловой скорости и углового положения.

Изобретение относится к транспортным средствам в области автоматизации, например к технике подачи или к подъемникам. .

Изобретение относится к области геофизических исследований нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для измерения в скважинном приборе глубины, а также длины пути вдоль оси ствола скважины. Техническим результатом является повышение точности измерения этих параметров и, следовательно, точности привязки данных скважинных исследований к геологическому разрезу. Технический результат достигается за счет способа с применением скважинного прибора, содержащего бесплатформенную инерциальную навигационную систему, состоящую из блока электроники с подключенными к нему трехосевым датчиком угловой скорости, расположенным так, чтобы одна из его осей чувствительности лежала на оси скважинного прибора, и трехосевым датчиком линейного ускорения, расположенным таким образом, чтобы одна из его осей чувствительности лежала на оси скважинного прибора, а две другие были параллельны двум осям чувствительности датчика угловой скорости, включающего расчет векторов ускорения и перемещения скважинного прибора в базовой системе координат, результатом которого является определение вертикальной глубины и длины пути, которые регистрируются блоком электроники. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Для расчета скорости автомобиля перед столкновением используют видеозапись с монитора, выполненную на месте ДТП, в расчет берется зафиксированное на видеозаписи перемещение автомобиля за время равное t=1 с. Используют формулу определения скорости автомобиля V=S*Lp.о/Lo.м*t, где V - скорость автомобиля в реальном времени, S - путь автомобиля, зафиксированный на мониторе при перемещении автомобиля в течение 1 с, Lp.о – реальная габаритная длина автомобиля, зафиксированного на мониторе, или реальное расстояние между световыми опорами, зафиксированное на мониторе, Lo.м – габаритная длина того же автомобиля, измеренная на мониторе, или расстояние между теми же световыми опорами на мониторе соответственно, t - промежуток времени фиксации пути автомобиля на мониторе равный 1 с. Повышается точность определения факторов ДТП. 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения угловой скорости. Датчик состоит из устройства управления, чувствительного элемента, выполненного в виде кольцевого резонатора, закрепленного на упругих подвесах в кремниевой пластине, соединенной со стеклянной подложкой, контактных площадок, четырех проводящих контуров, выполненных на соседних близко расположенных упругих подвесах и частично на кольцевом резонаторе, равноудаленно друг от друга, постоянного магнита, верхнего и нижнего магнитопроводов. При этом датчик дополнительно содержит блок обработки информации, четыре канала приемо-передачи оптического излучения, включающие волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником оптического излучения, приемником оптического излучения и устройством ориентации оптического излучения, причем устройства ориентации оптического излучения, выполненные в виде прямоугольных параллелепипедов из кварцевого стекла, установлены на стеклянной подложке чувствительного элемента со сдвигом в 45° относительно центров проводящих контуров, расположенных на кольцевом резонаторе, на расстоянии от 1 до 10 мкм от кольцевого резонатора, покрыты зеркальным напылением, за исключением области, расположенной напротив кольцевого резонатора, а на внешнюю поверхность кольцевого резонатора нанесено светопоглощающее покрытие. Технический результат заключается в повышении точности. 5 ил.

Устройство для измерений мгновенных угловых перемещений качающейся платформы состоит из датчика измеряемого мгновенного плоского угла и неподвижного отсчетного устройства. Датчик угла выполнен в виде многозначных голографических мер угла, формирующих каждая под воздействием внешнего оптического излучения стабильный плоский веер дифрагированных лучей с известными углами между лучами. Отсчетное устройство выполнено на основе ПЗС-линеек, снабжено шкалой времени и подключено к внешнему компьютеру. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 3 табл., 2 ил.

Изобретение может быть использовано для измерения сверхмалых угловых скоростей в космическом пространстве. Способ измерения сверхмалых угловых скоростей путем возбуждения встречно-бегущих электромагнитных волн, отражения, детектирования их параметров и расчета величины действующей угловой скорости, пропорциональной изменению этих параметров, при этом возбудитель, отражатели и детектор установлены на не менее трех геостационарных спутниках и возбуждают электромагнитные волны. Технический результат - повышение точности измерений сверхмалых угловых скоростей. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх