Способ измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости

Авторы патента:

Петрухин Евгений Александрович (RU)

Хохлов Иван Николаевич (RU)

Синельников Антон Олегович (RU)

G01C19/64 - гирометры, использующие эффект Саньяка, т.е. смещение электромагнитных пучков в результате их вращения в противоположных направлениях

Владельцы патента RU 2762951:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии. Техническим результатом яляется сокращение времени и уменьшение трудоемкости процесса измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости за счет сокращения количества требуемых для расчета данных и автоматизации процесса измерения. Способ измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости включает создание знакопеременной частотной подставки, выделение и обработку информации о частоте биений встречных волн, определение масштабного коэффициента, определение разности нелинейных искажений масштабного коэффициента и вычисление порога статического захвата по формуле

где Ω_L - порог статического захвата в лазерном датчике угловой скорости; К₁; К₂; К₃ - масштабные коэффициенты лазерного датчика угловой скорости; а, b, с - коэффициенты, определяемые по аппроксимации зависимости разницы нелинейных искажений масштабного коэффициента от порога статического захвата. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии.

Известен способ измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости, заключающийся в наложении продольного магнитного поля на активную среду лазера, что создает разность частот встречных волн в отсутствие вращательного движения, эквивалентную угловой скорости вращения датчика. Измеряя ток в соленоидах невзаимного устройства при вхождении в зону статического захвата, определяют порог статического захвата. [1].

Недостатками данного способа измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости являются: большая погрешность измеряемого порога захвата, вызванная неточностью определения минимального значения тока в соленоидах невзаимного устройства, при котором пропадает разность частот встречных волн и гистерезисными явлениями при входе и выходе кольцевого лазера из зоны захвата.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости, включающий создание знакопеременной частотной подставки, выделение и обработку информации о частоте биений встречных волн, и определение масштабного коэффициента. По известным масштабным коэффициентам для различных угловых скоростей вращения получают частотную характеристику. Частотную характеристику аппроксимируют при помощи известной теоретической функции и, по одному из параметров данной функции, определяют порог статического захвата [2].

Недостатками данного способа измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости являются: длительное время сбора данных, необходимых для корректной аппроксимации частотной характеристики, трудоемкая обработка полученных данных, либо использование специализированного программного обеспечения.

Задачей изобретения является сокращение времени и уменьшение трудоемкости процесса измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости за счет сокращения количества требуемых для расчета данных и автоматизации процесса измерения.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости, включающем создание знакопеременной частотной подставки, выделение и обработку информации о частоте биений встречных волн, и определение масштабного коэффициента, определяют разность нелинейных искажений масштабного коэффициента и вычисляют порог статического захвата по формуле (1):

где:

Ω_L - порог статического захвата в лазерном датчике угловой скорости;

К₁ - масштабный коэффициент лазерного датчика угловой скорости при угловой скорости вращения Ω₁, много большей угловой скорости вращения Ω₀, совпадающей с амплитудой знакопеременной частотной подставки;

К₂ - масштабный коэффициент лазерного датчика угловой скорости при угловой скорости вращения Ω₂, меньшей угловой скорости вращения Ω₀, совпадающей с амплитудой знакопеременной частотной подставки;

К₃ - масштабный коэффициент лазерного датчика угловой скорости при угловой скорости вращения Ω₃, меньшей угловой скорости вращения Ω₂;

а, b, с - коэффициенты, определяемые по аппроксимации зависимости разности нелинейных искажений масштабного коэффициента от порога статического захвата (2):

Данные зависимости для лазерных датчиков угловой скорости ЗЛК-20 и ЗЛК-16 [3], аппроксимированные соотношением (2), представлены на чертеже, где:

- разность нелинейных искажений масштабного коэффициента;

Ω_L - порог статического захвата в лазерном датчике угловой скорости.

Как видно из этой фигуры, коэффициенты а, b, с для лазерных датчиков угловой скорости ЗЛК-20 и ЗЛК-16 [3] значительно отличаются друг от друга по типу датчика. Значения коэффициентов а, b, с приведены в таблице 1.

Пример реализации предлагаемого способа. Лазерный датчик угловой скорости фиксируют на поворотном столе, поджигают разряд в резонаторе датчика, накладывают продольное магнитное поле на активную среду лазера (создают знакопеременную частотную подставку). Затем датчик вращают на поворотном столе с угловыми скоростями: Ω₁ >> Ω₀ (например, 400 град/сек), (на 1 град/сек) и (на 1 град/сек), где Ω₀ - угловая скорость вращения, совпадающая с амплитудой знакопеременной частотной подставки. То есть должно соблюдаться следующее неравенство угловых скоростей (3):

В процессе вращения датчика выделяют и обрабатывают информацию о частоте биений встречных волн, измеряют масштабные коэффициенты К₁, К₂, К₃, соответственно угловой скорости, приведенные в таблице 2.

Далее масштабные коэффициенты используют в расчете порога статического захвата по формуле, заявленной в способе: Для ЗЛК-20 (4):

Для ЗЛК-16 (5):

Данный способ измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости позволяет значительно (в 2-3 раза) сократить время измерений, уменьшить трудоемкость и автоматизировать процесс измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости.

Исходные данные были получены в результате обработки статистической информации, основанной на значительном количестве измерений, проведенных на серийных лазерных датчиках угловой скорости.

Достоверность значений порога статического захвата, измеренных описанным выше способом, подтверждается испытаниями на серийных лазерных датчиках угловой скорости.

Источники информации:

1. А.О. Синельников, Е.М. Ермак, А.П. Коржавый. Особенности захвата частот в лазерном гироскопе с частотной подставкой на эффекте Зеемана // Наукоемкие технологии, №10, 2012, с. 40-45.

2. С.Е. Бекетов, А.С.Бессонов, Е.А. Петрухин, И.Н. Хохлов, Н.И. Хохлов. Влияние обратного рассеяния на нелинейные искажения масштабного коэффициента лазерного гироскопа с прямоугольной подставкой // Квантовая электроника, том 49, №11, 2019, с. 1059-1067. - прототип

3. В.В. Азарова, Ю.Д. Голяев, И.И. Савельев. Зеемановские лазерные гироскопы // Квантовая электроника, том 45, №2, 2015, с. 171-179.

Способ измерения порога статического захвата в лазерном датчике угловой скорости, включающий создание знакопеременной частотной подставки, выделение и обработку информации о частоте биений встречных волн, и определение масштабного коэффициента, отличающийся тем, что определяют разность нелинейных искажений масштабного коэффициента и вычисляют порог статического захвата по формуле

где Ω_L - порог статического захвата в лазерном датчике угловой скорости;

а, b, с - коэффициенты, определяемые по аппроксимации зависимости разницы нелинейных искажений масштабного коэффициента от порога статического захвата.

Изобретение может быть использовано в навигации и гиростабилизации. Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп содержит источник широкополосного оптического излучения, X-ответвитель, интегрально-оптическую схему, двулучепреломляющий Y-ответвитель, а также волоконно-оптический контур из двулучепреломляющего оптического волокна.

Способ десинхронизации динамических зон на частотной характеристике лазерного гироскопа // 2724306

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии. Способ десинхронизации динамических зон на частотной характеристике лазерного гироскопа включает создание быстрой знакопеременной частотной подставки с амплитудой, многократно превышающей ширину зоны захвата, и периодом переключения, необходимым для функционирования системы регулировки периметра и формирования выходной информации, а также создание медленной знакопеременной частотной подставки с периодом, кратным периоду быстрой частотной подставки, при этом медленную знакопеременную частотную подставку создают путем модуляции длительности полупериодов быстрой знакопеременной частотной подставки.

Способ измерения угловых перемещений зеемановским лазерным гироскопом // 2688952

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной гироскопии. Способ измерения угловых перемещений зеемановским лазерным гироскопом включает в себя 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, при этом напряженность магнитного поля устанавливают близкой к значению, при котором достигается экстремум в зависимости показателя преломления активной среды от напряженности магнитного поля.

Оптический смеситель излучения с применением призм из оптически активных материалов // 2676835

Изобретение предназначено для получения сигналов вращения четырехчастотного лазерного гироскопа. Оптический смеситель лучей, распространяющихся во встречных направлениях в резонаторе четырехчастотного лазерного гироскопа, предназначен для одновременного детектирования интерференционных картин, независимо полученных для излучения левой и правой круговых поляризаций.

Устройство для измерения скорости на основе волоконного интерферометра саньяка // 2676392

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения линейной скорости на поверхности или внутри движущихся макрообъектов. Устройство для бесконтактного измерения линейной скорости на поверхности или внутри движущихся микрообъектов выполнено на основе волоконного интерферометра Саньяка с 1-3 композитными обмотками оптического волокна.

Способ измерения угловой скорости лазерного гироскопа со знакопеременной частотной подставкой // 2651612

Изобретение относится к измерительной лазерной технике и может найти применение в при измерении угловой скорости лазерного гироскопа со знакопеременной частотной подставкой. Технический результат – повышение точности.

Оптический интерференционный смеситель лазерного гироскопа // 2617130

Оптический интерференционный смеситель состоит из полупрозрачного плоского зеркала, в котором на первой поверхности с полупрозрачным светоотражающим покрытием или пленкой выполнена путем углубления полусферическая поверхность радиуса R1. На второй поверхности полупрозрачного плоского зеркала выполнена фокусирующая линза радиуса R2.

Устройство цифровой обработки информации, поступающей от гиролазера, и соответствующий гиролазер // 2558011

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).

Способ определения угловой скорости // 2547888

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения угловой скорости. Для определения угловой скорости формируют два пучка когерентного оптического излучения.

Способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом // 2531028

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.