Четырехчастотный лазерный гироскоп зеемановского типа
Владельцы патента RU 2731171:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" (RU)
Изобретение относится к области высокоточной лазерной гироскопии, а именно к лазерным гироскопам зеемановского типа. Четырехчастотный лазерный гироскоп имеет знакопеременную зеемановскую магнитооптическую частотную поставку для устранения явления захвата частот встречных волн и периодического смещения частот генерируемых волн магнитным полем с целью последующей компенсации влияния магнитных полей на измерения угловой скорости вращения при обработке сигналов, непланарный симметричный резонатор для установления генерации волн круговой поляризации, устранения поглощающих и рассеивающих внутрирезонаторных элементов, а также обеспечения функционирования в четырехчастотном режиме при перегрузках и ударах и уменьшения взаимного влияния волн противоположных круговых поляризаций, по четыре симметрично расположенных активных канала и катушки зеемановской магнитооптической частотной подставки для обеспечения равномерного нагрева корпуса, оптический смеситель с шестью фотоприемниками для компенсации влияния магнитных полей на измерения угловой скорости вращения, две грани для фиксации четырехчастотных лазерных гироскопов в составе навигационной системы постановкой на оптический контакт с целью эффективного отвода тепла и фиксации взаимной ориентации осей чувствительности четырехчастотных лазерных гироскопов, крепление на болт через тарельчатую пружину с целью уменьшения габаритов четырехчастотного лазерного гироскопа. Технический результат - повышение точности навигационных систем при использовании в их составе данного четырехчастотного лазерного гироскопа. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к области высокоточной лазерной гироскопии, а именно к лазерным гироскопам зеемановского типа.
В лазерных гироскопах зеемановского типа на активную среду воздействуют намеренно индуцированным продольным магнитным полем, что приводит к разведению частот в спектре генерации, при этом величина разведения частот варьируется напряженностью магнитного поля. Как следствие, основным источником ошибок при определении угловой скорости вращения в двухчастотных зеемановских лазерных гироскопах является воздействие на активную среду внешнего магнитного поля неконтролируемой напряженности, оказывающее влияние на разведение частот в спектре генерации. Четырехчастотный зеемановский лазерный гироскоп позволяет максимальным образом ослабить влияние внешних магнитных полей на измерения угловой скорости вращения прибором.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является лазерный гироскоп [1]. В лазерном гироскопе [1] для генерации волн круговых поляризаций использован непланарный оптический контур резонатора, выполненный в форме правильного четырехгранника из материала, обладающего малым коэффициентом теплового расширения. Для исключения захвата частот встречных волн в один из каналов помещен фарадеевский ротатор, обеспечивающий разведение частот встречных волн круговой поляризации. Газовый разряд горит в трех каналах из четырех, причем в двух каналах, сообщающихся непосредственно с анодами, газовый разряд горит не на всем протяжении каналов. Одним из удобств конструкции лазерного гироскопа [1] назван тот факт, что ось его чувствительности параллельна ребру куба, из которого выполнен корпус резонатора. Предполагается, что это облегчит крепление и взаимную ориентацию гироскопов в многоосной конфигурации, но при этом не учитываются диаметры и толщины подложек лазерных зеркал, размещаемых в вершинах кубического корпуса резонатора и способных создать значительную помеху соседним гироскопам при их компоновке в составе навигационной системы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокоточного, малогабаритного, четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа, отличающегося компенсацией влияния магнитных полей на измерения угловой скорости вращения, сниженным тепловыделением, равномерным нагревом корпуса резонатора и эффективным отводом тепла, сохранением работоспособности при перегрузках и ударах, повышенной точностью считывания сигналов вращения, усиленной фиксацией взаимной ориентации осей чувствительности при размещении в составе навигационной системы.
Результат достигается применением оптического смесителя излучения, сводящего на отдельных фотоприемниках лучи левой круговой поляризации, лучи правой круговой поляризации, лучи, проходящие резонатор по часовой стрелке, лучи, проходящие резонатор против часовой стрелки, применением контура резонатора в форме правильного четырехгранника с равными углами падения на все зеркала, отсутствием внутрирезонаторных поглощающих и рассеивающих элементов, а также симметричным горением газового разряда и симметричным наложением на область газового разряда магнитного поля.
На Фиг 1. изображен общий вид предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа: катушки 1 знакопеременной зеемановской магнитооптической частотной подставки; корпус 2 непланарного симметричного резонатора в форме правильного тетраэдра; оптический смеситель 3 излучения; фотоприемники 4, 5, детектирующие сигналы биений волн левой круговой поляризации; фотоприемники 6, 7, детектирующие сигналы биений волн правой круговой поляризации; фотоприемник 8, детектирующий сигнал биений пар волн, распространяющихся по часовой стрелке в резонаторе; фотоприемник 9, детектирующий сигнал биений пар волн, распространяющихся против часовой стрелки в резонаторе; боковые грани 10 корпусов резонаторов, обработанные для оптического контакта четырехчастотных лазерных гироскопов друг с другом в составе навигационной системы; болт 11 для крепления к корпусу навигационной системы; тарельчатая пружина 12.
На Фиг. 2 изображен контур предлагаемого оптического резонатора в форме правильного четырехгранника, который позволяет получить резонатор с наибольшим периметром при изготовлении из кубического блока фиксированного объема. Подложки с напыленными лазерными зеркалами 13 располагают таким образом, чтобы лучи лазерного излучения 14 образовывали угол 60° при отражениях. Предлагаемый симметричный резонатор отличается простотой изготовления корпуса, так как блок материала, в котором выполняются каналы резонатора, в процессе механической обработки поворачивается на одни и те же углы, в отличие от несимметричного резонатора.
Полировка граней на корпусе резонатора позволяет обеспечить оптический контакт четырехчастотных лазерных гироскопов друг с другом, что сохраняет взаимное положение осей чувствительности четырехчастотных лазерных гироскопов в навигационной системе постоянным, устраняя тем самым один из основных источников ошибок навигации.
В предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе зеемановского типа достигается минимально возможная зона захвата частот встречных волн, что обеспечивается сведением к нулю количества дополнительных внутрирезонаторных элементов, рассеивающих и поглощающих излучение. Вместо кварцевого анизотропного элемента для получения волн круговой поляризации используется непланарный оптический резонатор с четырьмя каналами и четырьмя зеркалами. Четырехзеркальная схема в отличие от трехзеркальной обеспечивает непланарность оптического резонатора и позволяет минимизировать трудности при юстировке, а также поглощение и рассеяние на зеркалах в сравнении со схемами с пятью и более зеркалами. Вместо фарадеевской магнитооптической ячейки используется эффект Зеемана [2] для разведения частот встречных волн при наложении продольного магнитного поля непосредственно на газовую смесь в газоразрядных активных промежутках. В результате рассеяние и поглощение внутри резонатора происходит в основном на зеркалах и диафрагме, являющихся его неотъемлемой частью. Уменьшенная таким образом зона захвата позволяет уменьшить амплитуду частотной подставки, снизить тепловыделение и минимизировать тепловую составляющую ошибки измерений.
В предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе обеспечивается равномерный нагрев корпуса резонатора, что достигается полной симметрией как контура резонатора (общий вид изображен на Фиг. 2), так и корпуса резонатора (общий вид изображен на Фиг. 3), а также созданием активных областей во всех четырех каналах. На Фиг. 1, 4 изображен общий вид предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа. Катушки 1 зеемановской магнитооптической частотной подставки наматываются вокруг всех четырех каналов, что также уменьшает тепловую составляющую ошибки измерений за счет минимизации температурного градиента. На Фиг. 8 изображена симметричная схема горения газового разряда, обеспечивающая равномерный нагрев корпуса резонатора: газовый разряд распространяется в каналах от пересечений 17 с катодными каналами до пересечений 18 с анодными каналами, промежутки 19 горения разряда располагаются в каждом канале.
На Фиг. 5 изображен частотный спектр предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа. Ширина контура усиления ~2,2 ГГц, генерируемые частоты укладываются в диапазон ~0,5 ГГц. Использование двух изотопов неона Ne20/Ne22 в составе гелий-неоновой смеси приводит к тому, что каждая из четырех частот взаимодействует с соответствующими атомами активной среды, имеющими разные скорости, что уменьшает взаимное влияние волн различных круговых поляризаций.
На Фиг. 6 изображен оптический смеситель предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа, разводящий лучи на шесть фотоприемников (4-9) для реализации метода обработки сигнала, направленного на достижение максимальной точности и надежности измерений, включая возможность минимизации магнитной составляющей ошибки измерений.
Происходит детектирование сигналов биений:
- волн левой круговой поляризации (на двух фотоприемниках с разностью фаз сигналов в диапазоне
- волн правой круговой поляризации (на двух фотоприемниках с разностью фаз сигналов 
- волн, распространяющихся в резонаторе по часовой стрелке (высокочастотный сигнал),
- волн, распространяющихся в резонаторе против часовой стрелки (высокочастотный сигнал).
Фотоприемники 6, 7 регистрируют те же сигналы биений пар левой и правой круговых поляризаций, что и фотоприемники 4, 5, но со сдвигом по фазе. Указанное решение позволяет с большей точностью детектировать импульсы биений, так как при близких к нулю сигналах на фотоприемниках 4, 5, фотоприемники 6, 7 регистрируют сигналы отличных от нуля интенсивностей с большими скоростями изменения интенсивностей.
В предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе реализована знакопеременная зеемановская магнитооптическая частотная подставка. Магнитное поле прикладывается с периодической сменой направления вектора напряженности, что позволяет выделить в отдельности искусственно созданное магнитное поле зеемановской магнитооптической частотной подставки и магнитное поле от внешних источников, приводящее к ошибкам.
Для пояснения предлагаемого в четырехчастотном лазерном гироскопе метода компенсации магнитной составляющей ошибки измерений ведены обозначения:
ЛКП - волна левой круговой поляризации, ГОСП - волна правой круговой поляризации, CW - волна, распространяющаяся в резонаторе по часовой стрелке, CCW - волна, распространяющаяся в резонаторе против часовой стрелки. Под полупериодом работы зеемановской магнитооптической частотной подставки далее подразумевается время, в течение которого вектор напряженности создаваемого магнитного поля имеет постоянное направление. В положительный и отрицательный полупериоды работы создается магнитное поле с противоположным направлением вектора напряженности.
Формульные обозначения:
βН - величина смещения частот воздействием внешнего магнитного поля, где β - магнитная чувствительность, Н - напряженность продольной компоненты внешнего магнитного поля;
kΩ - величина смещения частот, вызванного вращением с угловой скоростью Ω вокруг оси чувствительности четырехчастотного лазерного гироскопа, где k - масштабный коэффициент четырехчастотного лазерного гироскопа;
Т - длительность периода работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;
N+ЛКП - количество импульсов биений волн ЛКП на фотоприемниках 4, 5 (Фиг. 6) за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;
N+ПКП - количество импульсов биений волн ПКП на фотоприемниках 6, 7 (Фиг. 6) за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;
N-ЛКП - количество импульсов биений волн ЛКП на фотоприемниках 4, 5 (Фиг. 6) за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;
N-ПКП - количество импульсов биений волн ПКП на фотоприемниках 6, 7 (Фиг. 6) за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;
N+CW - количество импульсов биений волн CW на фотоприемнике 8 (Фиг. 6) за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;
N+CCW - количество импульсов биений волн CCW на фотоприемнике 9 (Фиг. 6) за положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки;
N-CW - количество импульсов биений волн CW на фотоприемнике 8 (Фиг. 6) за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической
частотной подставки;
N-CCW - количество импульсов биений волн CCW на фотоприемнике 9 (Фиг. 6) за отрицательный полупериод работы зеемановской магнитооптической частотной подставки.
Сигналов пары фотоприемников 4, 6 (Фиг. 6) или пары фотоприемников 5, 7 (Фиг. 6) достаточно для определения угловой скорости вращения четырехчастотным лазерным гироскопом с учетом направления вращения:
Задействованы две пары фотоприемников со сдвигом фаз между сигналами 
для обеспечения большей точности детектирования импульсов биений. Когда один из фотоприемников регистрирует сигнал, близкий к уровню шумов, на дублирующем фотоприемнике сигнал превышает шумы и имеет высокую интенсивность и большая скорость изменения интенсивности, что облегчает задачу детектирования.
В предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе учтено, что ЛКП и ПКП волны могут иметь различные магнитные чувствительности. В этом случае измеряемая угловая скорость вращения остается чувствительна к внешним магнитным полям:
Для обеспечения компенсации влияния магнитных полей на измерения угловой скорости вращения в предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе задействованы фотоприемники 8, 9 (Фиг. 6) на оптическом смесителе.
Значение угловой скорости вращения с учетом разных магнитных чувствительностей ЛКП и ПКП волн определяется выражением:
Полученное выражение позволяет в предлагаемом четырехчастотном лазерном гироскопе определять угловую скорость вращения без влияния внешних магнитных полей на измерения.
Предлагаемый четырехчастотный лазерный гироскоп имеет два варианта фиксации в составе навигационной системы.
Достижение малых габаритов предлагаемого четырехчастотного лазерного гироскопа обеспечивается возможностью крепления на болт с применением тарельчатой пружины при размещении в составе навигационной системы. Данный тип крепления позволяет избавиться от внешних прижимов, увеличивающих габариты лазерного гироскопа. Расположение отверстия под крепление выбрано таким образом, чтобы ось болта совпадала с осью чувствительности гироскопа. Оптимальные характеристики, материалы и геометрия пружины находятся из соображений обеспечения достаточного прижима и фиксации гироскопа в диапазоне его рабочих ускорений с учетом массы и материалов элементов резонатора. На Фиг. 7 представлена тарельчатая пружина 12 с оптимальными характеристиками, полученными методом компьютерного моделирования, а также фиксирующие четырехчастотный лазерный гироскоп болт 11 и гайка 15.
Для обеспечения фиксации взаимной ориентации осей чувствительности четырехчастотных лазерных гироскопов зеемановского типа в составе навигационной системы, а также для обеспечения эффективного отвода тепла с целью уменьшения тепловой составляющей ошибки измерений предлагаемый четырехчастотный лазерный гироскоп зеемановского типа предусматривает соединение с двумя аналогичными лазерными гироскопами методом постановки на неглубокий оптический контакт. На Фиг. 3 изображен корпус резонатора четырехчастотного лазерного гироскопа и две контактных грани 16, изготавливаемых и полируемых для обеспечения оптического контакта.
Источники:
1. Terry A. Dorschner. Orthohedral ring laser gyro US 4818087.
2. Азарова B.B., Голяев Ю.Д., Савельев И.И. Зеемановские лазерные гироскопы, Квантовая электроника, 2015, том 45, номер 2, 171-179.
1. Четырехчастотный лазерный гироскоп, содержащий симметричный корпус со сформированными оптическими каналами, образующими непланарный резонатор в форме правильного тетраэдра, и оптический смеситель излучения с фотоприемниками для детектирования сигналов биений волн левой и правой круговых поляризаций, отличающийся тем, что выполнен с возможностью обеспечения симметричного горения газового разряда во всех каналах и содержит знакопеременную зеемановскую магнитооптическую частотную подставку с намоткой катушек на всех газоразрядных активных промежутках.
2. Четырехчастотный лазерный гироскоп по п. 1, в котором боковые грани корпуса обработаны для обеспечения возможности оптического контакта четырехчастотных лазерных гироскопов друг с другом в составе навигационной системы.
3. Четырехчастотный лазерный гироскоп по п. 1 с креплением к корпусу навигационной системы на болт через тарельчатую пружину с осью болта, совпадающей с осью чувствительности гироскопа.
