Двухрежимный зеемановский лазерный гироскоп
Владельцы патента RU 2740167:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Изобретение относится к гироскопам и измерительной технике и может быть использовано для создания зеемановских лазерных гироскопов (ЗЛГ), работающих в различных режимах эксплуатации. Двухрежимный зеемановский лазерный гироскоп дополнительно содержит второй фотоприемник излучения кольцевого лазера, выполненный двухплощадочным с возможностью формирования двух выходных сигналов вращения Cos и Sin, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, фазовый детектор, счетчик импульсов выходных сигналов и блок электронных ключей, выполненный с возможностью по сигналу управления производить переключение выходных сигналов вращения Cos и Sin на вход фазового детектора или счетчика импульсов выходных сигналов, при этом для формирования сигнала знакопеременной подставки используют генератор синхроимпульсов, делитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора синхроимпульсов, и электронный ключ, выполненный с возможностью по сигналу управления переключать на свой выход сигнал от генератора синхроимпульсов или сигнал от делителя частоты. Технический результат – повышение точности работы ЗЛГ, работающего в различных условиях эксплуатации. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к гироскопам, и может быть использовано для создания зеемановских лазерных гироскопов (ЗЛГ), работающих в различных режимах эксплуатации.
Известно устройство [RU 2270454, С2, G01R 25/00, G01R 27/28, 22.02.2006], содержащее два двухканальных мультиплексора, выходы которых подключены к входам измерителя временных сдвигов, выход измерителя временных сдвигов подключен к входу блока вычисления оценки разности группового времени запаздывания, входы одного из мультиплексоров подключаются к входам исследуемого усилителя, а входы другого мультиплексора - к выходам усилителя, при этом разность группового времени запаздывания сигналов, поступающих с выходов тестируемого усилителя, измеряется путем поочередного измерения запаздывания, возникающего в каждом из каналов усилителя.
Недостатком устройства являются узкие функциональные возможности относительно работы в различных режимах эксплуатации.
Известно также устройство [RU 136586, U1, G01R 29/02, H01S 3/083, 10.01.2014], содержащее первый делитель напряжения, коробку соединительную, первый и второй входы которой соединены с первым и вторым выходами датчика лазерных гироскопов, а группа входов соединена с группой выходов первого делителя напряжения, второй делитель напряжения, группа входов которого соединена с группой входов датчика лазерных гироскопов и с группой выходов коробки соединительной, выход которой соединен с входом второго делителя напряжения, а также осциллограф, первый вход которого соединен с выходом первого делителя напряжения, а второй и третий входы соединены с первым и вторым выходами второго делителя напряжения соответственно.
Недостатком этого устройства также является узкие функциональные возможности относительно работы в различных режимах эксплуатации.
Еще одним близким по технической сущности к предложенному является система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа [Система регулировки периметра для зеемановского кольцевого лазера с настройкой на продольную моду с заданной четностью. Электронная техника. Лазерная техника и оптоэлектроника. Вып. 1(57), 1991, стр. 68], включающая фотоприемник излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного пьезоприводом и содержащего блок частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор, синхронный детектор, первый вход которого соединен с выходом фотоприемника излучения кольцевого лазера, а второй вход является входом сигнала знакопеременной подставки, интегратор со сбросом, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, и усилитель, первый вход которого соединен с выходом интегратора со сбросом, а выход соединен с пьезоприводом кольцевого лазера.
Эта система является замкнутой системой регулирования, использующая в качестве сигнала рассогласования сигнал интенсивности излучения в одном луче кольцевого лазера, а в качестве регулирующего элемента пьезоэлектрический привод кольцевого лазера.
Недостатком этой системы является относительно низкая точность, вызванная возникновением разности интенсивностей встречных волн, причиной которой, в частности, является анизотропия круговой поляризации встречных волн и неравенство коэффициента рассеяния встречных волн в резонаторе.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является зеемановский лазерныый гироскоп [RU 2589756, C1, G01R 29/02, 10.07.2016], включающий фотоприемник излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного пьезоприводом и содержащего блок частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор, первый синхронный детектор, первый вход которого соединен с выходом фотоприемника излучения кольцевого лазера, а второй вход является входом сигнала знакопеременной подставки, интегратор со сбросом, вход которого соединен с выходом первого синхронного детектора, и усилитель, первый вход которого соединен с выходом интегратора со сбросом, а выход соединен с пьезоприводом кольцевого лазера, а также второй синхронный детектор, первый вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а второй вход соединен с выходом усилителя, интегратор, вход которого соединен с выходом второго синхронного детектора, и синхронный модулятор, первый вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, второй вход соединен с выходом интегратора, а выход соединен со вторым входом усилителя.
Недостатком наиболее близкого технического решения при его использовании в одном изделии является относительно низкая точность применения, если изделие используется, например, по крайней мере, в двух режимах работы - перед полетом, когда в покое измеряется постоянная проекция угловой скорости вращения Земли, равная 15,04 , и в полете, когда измеряются быстроменяющиеся большие угловые скорости (например до 1000%) в условиях механических ударов и вибраций.
В первом режиме ошибка зависит от дрейфа нуля и величины дискрета выходной информации лазерного гироскопа [МАЛОГАБАРИТНЫЙ ГИРОКОМПАС НА КВАЗИЧЕТЫРЕХЧАСТОТНОМ ЛАЗЕРНОМ ГИРОСКОПЕ. Голяев Ю.Д., Дронов И.В., Колбас Ю.Ю., Прядеин В.А., Шпикалов Б.Н. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2012. №3. с. 112-125].
В свою очередь, дрейф нуля содержит большую составляющую, определяемую динамической зоной захвата, которая прямо пропорциональна частоте тока от генератора тока блока частотной подставки (БЧП) [Серегин В.В., Кукуев P.M. Лазерные гирометры и их применение М., Машиностроение, 1990]:
где ΩL - величина статической зоны захвата, Гц; f0 - амплитуда частотной подставки, Гц; ν - частота тока генератора БЧП, Гц; τ - длительность фронта коммутации тока генератора БЧП, с.
Ошибка дискрета выходной информации равна половине цены периода сигналов sin и cos [МАЛОГАБАРИТНЫЙ ГИРОКОМПАС НА КВАЗИЧЕТЫРЕХЧАСТОТНОМ ЛАЗЕРНОМ ГИРОСКОПЕ. Голяев Ю.Д., Дронов И.В., Колбас Ю.Ю., Прядеин В.А., Шпикалов Б.Н. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2012. №3. с. 112-125]. Ее можно уменьшить, используя фазовый детектор [Ю.Ю. Колбас, И.В. Дронов, А.И. Вареник Фазовый детектор. RU 171415, U1, H03D 13/00, 30.05.2017]. В нем измеряется не частоты, а период сигналов sin и cos. Однако он перестает работать, если частота входного сигнала sin и cos от угловой скорости превышает частоту подставки, вызванную током генератора тока БЧП.
Для второго режима в ошибку входят дрейфы нуля из-за механической вибрации, а вклад динамической зоны захвата и дискрета выходной информации мал [М.Е. Грушин, Ю.Ю. Колбас Вибрационная ошибка лазерных гироскопов. Вестник МГТУ им. Баумана, сер. Приборостроение, №4, 2017 с. 27-42]. Причем, вибрационная ошибка существует на частотах вибрации, кратных или полукратных частоте тока генератора БЧП. Т.е. если спектр вибраций лежит ниже половины частоты тока генератора БЧП, вибрационная ошибка не возникает.
Таким образом, для первого режима нужна возможно низкая частота тока БЧП, для второго возможно высокая. Если эти условия не соблюдаются, то, по крайней мере, в одном из режимов эксплуатации наблюдается относительно низкая точность работы.
Задачей, которая решается в предложенном изобретении, является повышение точности работы ЗЛГ в изделии, работающим в различных условиях эксплуатации.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности работы ЗЛГ путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих повышение точности работы ЗЛГ в различных условиях эксплуатации.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее первый фотоприемник излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного двумя отражающими зеркалами с пьзоприводами и содержащего блок частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор, инвертор, синхронный детектор, первый вход которого соединен через усилитель переменного напряжения с выходом первого фотоприемника излучения кольцевого лазера, а второй вход соединен с выходом инвертора, интегратор со сбросом, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, и усилитель, первый вход которого соединен с выходом интегратора со сбросом, а выход соединен с пьезоприводами отражающих зеркал кольцевого лазера, согласно изобретению, введен второй фотоприемник излучения кольцевого лазера, выполненный двухплощадочным с возможностью формирования двух выходных сигналов вращения Cos и Sin, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, фазовый детектор, счетчик импульсов выходных сигналов и блок электронных ключей, выполненный с возможностью по сигналу управления производить переключение выходных сигналов вращения Cos и Sin на вход фазового детектора или счетчика импульсов выходных сигналов, при этом, для формирования сигнала знакопеременной подставки используют генератор синхроимпульсов, делитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора синхроимпульсов, и электронный ключ, выполненный с возможностью по сигналу управления переключать на свой выход сигнал от генератора синхроимпульсов или сигнал от делителя частоты.
На чертеже представлена функциональная схема двухрежимного зеемановского лазерного гироскопа.
Двухрежимный зеемановский лазерный гироскоп содержит первый фотоприемник 1 излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного двумя отражающими зеркалами 2 и 3 с пьзоприводами и содержащего блок 4 частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, формируемого сигналом от последовательно соединенных генератора 5 синхроимпульсов, делителя 6 частоты и электронного ключа 7, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор.
Устройство содержит также синхронный детектор 8, первый вход которого соединен через усилитель 9 переменного напряжения с выходом первого фотоприемника 1 излучения кольцевого лазера, а второй вход является входом сигнала знакопеременной подставки подаваемого через инвертор 10.
Кроме того, устройство содержит интегратор 11 со сбросом, вход которого соединен с выходом синхронного детектора 8, и усилитель 12, первый вход которого соединен с выходом интегратора 11 со сбросом, а выход соединен с пьезоприводами отражающих зеркал 2 и 3 кольцевого лазера.
Помимо указанного выше, устройство содержит второй фотоприемник 13 излучения кольцевого лазера, выполненный двухплощадочным с возможностью формирования двух выходных сигналов вращения Cos и Sin, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, а также фазовый детектор 14, счетчик 15 импульсов выходных сигналов и блок 16 электронных ключей, выполненного с возможностью по сигналу управления производить переключение выходных сигналов вращения Cos и Sin на входах фазового детектора 14 и счетчика 15 импульсов выходных сигналов.
Работает двухрежимный зеемановский лазерный гироскоп следующим образом.
При наличии принципиально неустранимых флуктуаций разности интенсивностей в ЗЛГ, приводящих к статической расстройке для достижения стабильности дрейфа нуля не хуже лучше 0.01 
необходимо обеспечить наличие синхронных составляющих в напряжении на пьезоприводах первого 2 и второго 3 отражающих зеркал не более 1 мВ. Чтобы получить меньшие величины синхронной составляющей, в систему регулировки периметра введены средства, обеспечивающие минимизацию значения синхронной составляющей в напряжении на пьзоприводах первого 2 и второго 3 отражающих зеркал, т.е. средства регулирования по синхронной составляющей. Для этой цели в системе используются синхронный детектор 8, интегратор 11 и усилитель 12.
При применении ЗЛГ в одном изделии он используется, по крайней мере, в двух режимах работы - перед полетом, когда в покое измеряется постоянная проекция угловой скорости вращения Земли, равная 15,04 
, и в полете, когда измеряются быстроменяющиеся большие угловые скорости (до 1000 
) в условиях механических ударов и вибраций. Поэтому для обеспечения высокой точности работы ЗЛГ для первого режима нужна возможно низкая частота тока БЧП, а для второго - возможно высокая. Поэтому для первого режима используют фазовый детектор 14, для второго счетчик 15 импульсов. Для этого используют блок 16 электронных ключей, выполненный с возможностью по сигналу управления производить переключение выходных сигналов вращения Cos и Sin на вход фазового детектора 14 или счетчика 15 импульсов выходных сигналов, переключающий по внешней команде сигналы sin и cos со счетчика импульсов на фазовый детектор и наоборот, а также электронный ключ 7, который по сигналу управления уменьшающий частоту, подаваемую от генератора 5 синхроимпульсов в 20 раз на вход блока 4 частотной подставки и наоборот в зависимости от режима работы ЗЛГ.
Таким образом, благодаря введению дополнительных технических средств, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности работы ЗЛГ, работающего в различных условиях эксплуатации.
Двухрежимный зеемановский лазерный гироскоп, содержащий первый фотоприемник излучения кольцевого лазера, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, оснащенного двумя отражающими зеркалами с пьезоприводами и содержащего блок частотной подставки, вход которого является входом сигнала знакопеременной подставки, а выход соединен с невзаимным устройством кольцевого лазера, включенным в его резонатор, инвертор, синхронный детектор, первый вход которого соединен через усилитель переменного напряжения с выходом первого фотоприемника излучения кольцевого лазера, а второй вход соединен с выходом инвертора, интегратор со сбросом, вход которого соединен с выходом синхронного детектора, и усилитель, первый вход которого соединен с выходом интегратора со сбросом, а выход соединен с пьезоприводами отражающих зеркал кольцевого лазера, отличающийся тем, что введен второй фотоприемник излучения кольцевого лазера, выполненный двухплощадочным с возможностью формирования двух выходных сигналов вращения Cos и Sin, вход которого является входом излучения кольцевого лазера, фазовый детектор, счетчик импульсов выходных сигналов и блок электронных ключей, выполненный с возможностью по сигналу управления производить переключение выходных сигналов вращения Cos и Sin на вход фазового детектора или счетчика импульсов выходных сигналов, при этом для формирования сигнала знакопеременной подставки используют генератор синхроимпульсов, делитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора синхроимпульсов, и электронный ключ, выполненный с возможностью по сигналу управления переключать на свой выход сигнал от генератора синхроимпульсов или сигнал от делителя частоты.
