Кольцевой лазерный гироскоп.

Основу ЛГ составляет кольцевой оптический квантовый генератор (КОКГ) (Рис. 5.7) на основе моноблочного кольцевого резонатора оптического диапазона, в котором генерируются волны и , распространяющиеся встречно по замкнутому оптическому контуру, образованному оптическими каналами и зеркалами (или призмами полного внутреннего отражения). В отличие от квадратной конфигурации резонатора (рис.5.7) возможна и треугольная, однако квадратная представляется предпочтительной, особенно для ЛГ небольших размеров, вследствие возможности достижения в этом случае меньшего случайного дрейфа [5.14].

Собственно генерация волн осуществляется в активной зоне оптического канала, заполняемой смесью газов: рабочего - неона (Ne) и примесного - гелия (He). На рис.(5.8) представлена схема энергетических уровней атомов гелия и неона в гелий-неоновом лазере [5.25]. Атомы гелия имеют два метастабильных уровня 2¹S₀ и 2³S₀, время жизни которых относительно велико (порядка 1мс). Возбужденные уровни атома неона сгруппированы в конфигурации 1S, 2S, 3S, 2P, 3P. Время жизни S-состояний(порядка 100нс) на порядок больше времени жизни короткоживущих P-состояний (порядка 10нс). Энергии двух уровней неона -3S₂ из конфигурации 3S и 2S₂ из конфигурации 2S практически совпадают с энергиями метастабильных уровней гелия 2¹S₀ и 2³S₀ соответственно.

При подведении высокого напряжения (порядка 2-3 кВ) от генератора накачки к симметрично расположенным электродам, например катоду и двум анодам, в активной среде возникает электрический разряд, и электронные удары возбуждают атомы примесного He, переводя их на верхние энергетические уровни 2¹S₀ и 2³S₀. Затем, за счет неупругих столкновений атомы He передают свою энергию атомам Ne и обеспечивается инверсная населенность верхних энергетических уровней Ne, в частности уровней 3S₂ и 2S2. При переходе на нижние энергетические уровни атомы Ne излучают фотоны или световые волны, частота которых ν зависит от разности энергетических уровней, между которыми осуществляется переход.

ν =( E_i -E_j)/ h ν, (5.42)

где E_i, E_j- энергии соответственно i-го и j-гоатомных уровней; h- постоянная Планка.

В КОКГ эти переходы реализуются в режиме индуцированного излучения, осуществляемого под действием внешнего поля. При этом индуцированные кванты света неотличимы от квантов, порождающих излучение, по длине волны, состоянию поляризации, направлению распространения и фазе. В КОКГ качестве " внешнего" электромагнитного поля, воздействующего на инверсную среду на резонансной частоте одного из переходов, используются волны, порождаемые собственно Ne и возвращающиеся в исходную точку активной среды после полного обхода оптического контура КОКГ. Таким образом, строится оптический генератор, в котором оптические каналы с зеркалами (рис. 5.7) конструктивно образуют контур формирования положительной обратной связи и в целом составляют кольцевой оптический резонатор.

Наиболее просто в гелий-неоновом лазере генерация реализуется на длинах волн 3, 39мкм, 1, 15 мкм, 0, 638 мкм (рис.5.8); первые две линии лежат в инфракрасной области, последняя -в красной области спектра.

Для реализации стационарного режима генерации должны выполняться условия самосогласования поля после полного обхода оптического контура [5.18]. Амплитуда электромагнитной волны не должна изменяться; фаза волны должна изменяться на величину, кратную ; состояние поляризации должно сохраняться. Первое из приведенных условий определяет потребное соотношение между энергетическими характеристиками излучения, которое имеет вид:

, (5.43)

где - полный коэффициент усиления активной среды; - средние потери в резонаторе, отнесенные к одному проходу излучения в нем и определяемые, в частности, поглощением, пропусканием в зеркалах, а также дифракцией на них и излучением через боковые стенки резонатора.

Второе условие существования стационарного режима применительно к продольным типам колебаний, реализуемым в КОКГ, означает, что за время полного обхода оптического контура резонатора волна совершает целое число колебаний:

, (5.44)

где - оптический периметр резонатора; - скорость света в вакууме; - циклическая частота колебаний; - число колебаний.

Поскольку , где - длина волны, из (5.44) получим

, (5.45)

а разность частот ∆ ν _М двух соседних мод колебаний, N которых различается на единицу, такова:

∆ ν _М =c/L (5.46)

Частота , определяемая (5.44), должна совпадать с одной из возможных частот перехода атомов Ne. В ЛГ используется переход с длинной волны λ _К=0, 6328мкм ( Гц, красный свет). Достижение совпадения частот становится возможным благодаря явлению уширения линии перехода, которое определяется рядом факторов. К их числу, в частности, относится естественное уширение (~10⁸Гц), обусловленное конечным временем жизни атома на уровнях, между которыми осуществляется переход. Наибольший вклад в уширение вносит эффект Доплера, проявляющийся за счет движения излучающих атомов активной среды. На рис. 5.9 представлена гауссова зависимость относительного (отнесенного к своей максимальной величине) полного коэффициента усиления активной среды от частоты . Здесь же обозначены: - центральная частота перехода; ∆ ν _Д (~1, 7·10⁹Гц) – доплеровское уширение линии рабочего перехода; ∆ ν _М (~3.10⁸ Гц) – расстояние между соседними продольными модами; ∆ ν _Р (~10⁶МГц) – конечная ширина линии резонансного пика резонатора, определяемая потерями в нем; ∆ ν _Л (~2.10^-3 Гц) – ширина генерируемой спектральной линии, обусловленная спонтанным излучением. Из анализа спектра излучения КОКГ (рис. 5.9) следует, что генерация может происходить на нескольких модах резонатора, попадающих в уширенную полосу рабочего перехода и имеющих усиление выше уровня потерь. Однако, при уровне мощности накачки, близкой к пороговой, обеспечивается одномодовый режим, в котором коэффициент усиления близок к уровню потерь, а излучение осуществляется на частоте, близкой к центральной частоте вблизи максимума контура усиления, создаваемого активной средой. В этом случае в КОКГ генерируются когерентные монохроматические бегущие волны и , распространяющиеся встречно по замкнутому оптическому контуру (рис.5.7) и в первом приближении являющиеся независимыми.

При вращении КОКГ вокруг входной оси, нормальной плоскости кольцевого резонатора, в процессе полного обхода его замкнутого оптического контура встречные волны , проходят разные пути. В соответствии с условием генерации (5.44), каждая из волн , , получая при вращении приращение оптического пути ∆ L, независимо изменяет свою частоту. Разность частот F=v₂-v₁ на основании (5.44) определяется так:

 

(5.47)
Полагая в (5.47) L²> > ∆ L² и учитывая (5.36), (5.45), получим:

. (5.48)

Таким образом, в ЛГ разность частот встречно распространяющихся волн , пропорциональна угловой скорости вращения КОКГ, причем масштабный коэффициент ЛГ таков:

(5.49)

Для лазерного гироскопа ЛГ-1, например, величина масштабного коэффициента составляет (табл. 5.2).

Измерение разностной частоты осуществляется системой съема информации ЛГ. Лучи и через полупрозрачное зеркало и смесительную призму выводятся из резонатора и поступают на двухэлементный фотоприемник, где интерферируют (рис 5.7). Интерференционная картина характеризуется распределением в плоскости фотоприемника, например, вдоль оси , интенсивности света , которая представляет собой усредненное по времени на интервалах

 

значение квадрата напряженности суммарного электрического поля волн. Полагая, что волны плоские и имеют одинаковую поляризацию, можно получить [5.17]:

(5.50)

где - амплитуда интенсивности ; - угол расхождения между падающими на фотоприемник лучами (рис 5.7); ∆ φ - квазипостоянный фазовый сдвиг. Для случая малого из (5.50) имеем:

(5.51)

 

Согласно (5.51) при отсутствии вращения ЛГ ( ) интерференционная картина стационарна и имеет пространственный период, составляющий (~3мм); при вращении ЛГ интерференционные полосы перемещаются по поверхности фотоприемника в направлении, определяемом в соответствии с (5.48) знаком , а интенсивность света в фиксированной точке изменяется с частотой . Фототок на выходе фотоприемника, имеющего размер чувствительной поверхности много меньший периода , пропорционален и также изменяется с частотой . Таким образом, по частоте изменения фототока согласно (5.48) можно судить об измеряемой угловой скорости вращения . Используя два фотоприемника, разнесенные вдоль оси на четверть периода интерференционной картины , что обеспечивает сдвиг фаз соответствующих фототоков на со знаком, определяемым направлением смещения интерференционных полос, с помощью фазового детектора определяют знак измеряемой угловой скорости .

Заметим, что возможна интерпретация измерения ЛГ угловой скорости его вращения с позиций наблюдателя, связанного с резонатором. Она заключается в том, что и , распространяющиеся навстречу друг другу, образуют по периметру резонатора стоячую волну, узлы которой при вращении ЛГ сохраняют свое положение в инерциальном пространстве, и в этом смысле стоячая волна моделирует инерциальную систему отсчета. Можно показать тогда, что частота прохождения узлов или пучностей стоячей волны относительно любой точки оптического контура совпадает с разностью частот , определяемой соотношением (5.48).

На практике ЛГ обычно используют в качестве интегрирующего гироскопа, осуществляя определение приращения угла поворота КОКГ, порождаемого на измерительном интервале . В силу (5.48), (5.49) имеет место соотношение:

(5.52)

 

где ∆ α _Т, ∆ φ _Т - соответственно приращения угла поворота КОКГ и фазы фототока на интервале времени ; - реверсивная (с учетом знака угловой скорости Ω =∆ α '_Т) сумма периодов фототока на интервале .

На рис. 5.10 представлена схема определения ∆ α _Т по сигналам двух фотоприемников ФП₁ и ФП₂. Каждому из периодов ставится в соответствие импульс, поступающий с формирователя импульсов на реверсивный счетчик; знак импульса формируется фазовым детектором. В соответствии с (5.52) цена импульса равна (~1, 5 угл.с.). Реверсивная сумма импульсов дает приращение угла поворота ∆ α _Т.

Соотношение (5.48) определяет идеальную выходную характеристику ЛГ. Реальная характеристика, существенно от нее отличающаяся, представлена на рис. 5.11, где - смещение нуля выходной характеристики; 2∆ Ω _З - зона захвата (синхронизации частот), определяющая зону нечувствительности ЛГ.

Основным фактором, определяющим смещение нуля , является невзаимность резонатора, то есть неодинаковость условий распространения встречных волн в нем, главным образом, за счет неодинаковости коэффициентов преломления среды для волн. В этом случае разность оптических путей для встречных волн в соответствии с (5.44) порождает разность частот . Физической основой этого процесса являются, в частности, проявляющиеся при движении среды внутри резонатора эффект Френеля-Физо, эффекты катафореза и Лэнгмюра, порождающие дрейф атомов активной среды в процессе газового разряда, а также магнитооптический эффект Фарадея. Кроме того, вклад в формирование вносит дифракция встречных волн на элементах резонатора, особенно на специальной диафрагме, подавляющей поперечные моды [5.16, …, 5.19]. Уменьшение смещения нуля обеспечивается в ЛГ симметрированием расположения электродов, двухканальностью системы накачки со стабилизацией токов газового разряда, симметричным расположением диафрагмы по отношению к активной среде, магнитным экранированием КОКГ, исключением температурных градиентов в резонаторе.

Существенным фактором искажения идеальной выходной характеристики ЛГ (рис. 5.11) является эффект затягивания частоты генерации к центру кривой усиления, представленной на рис. 5.9, возникающий за счет дисперсии активной среды. При этом активная среда уменьшает расстройку частот , особенно интенсивно в области малых значений , что вносит вклад в нелинейность реальной выходной характеристики ЛГ, порождает вариации его масштабного коэффициента . Вариации масштабного коэффициента имеют место также за счет температурных колебаний оптического периметра резонатора .

Указанные обстоятельства определяют необходимость стабилизации частоты генерации в ЛГ. Это достигается через стабилизацию оптического периметра резонатора, для чего используется система регулирования (стабилизации) периметра - экстремальная система управления с активным поисковым сигналом, обеспечивающая удержание частоты генерации в точке, где достигается максимум пика кривой усиления. Собственно исполнительным элементом, формирующим необходимые изменения периметра, является одно из отражающих зеркал резонатора, устанавливаемое на пьезокорректор, управляемый по сигналам фотоприемника при отклонении интенсивности светового потока (амплитуды фототока) от максимального значения [5.16, 5.19].

Зона захвата 2∆ Ω _З(~2·10² ), имеющая место на реальной выходной характеристике ЛГ (рис. 5.11), обусловлена взаимной связью встречных волн, возникающей, главным образом, вследствие взаимного обратного рассеяния энергии каждого из лучей в направлении другого за счет неидеальности поверхности зеркал оптического контура резонатора. При этом существенный вклад в формирование ∆ Ω _З вносят неоднородные потери в резонаторе [5.14, 5.18]. Для исключения влияния синхронизации частот и нелинейности характеристики ЛГ, которые проявляются при захвате в области малых измеряемых скоростей вращения, помимо совершенствования технологии шлифовки зеркал и качества изготовления оптических каналов резонатора используют несколько способов начального искусственного расщепления частот встречных волн (подставку). К их числу следует отнести, в частности, подставку на основе принудительного вращения резонатора вокруг измерительной оси с постоянной угловой скоростью, Ω _П> Δ Ω _З подставку на основе эффектов Фарадея, Френеля-Физо и Зеемана.

Одним из наиболее распространенных типов подставки является виброподставка, на основе гармонического принудительного вращения (вибраций) резонатора вокруг входной оси с угловой скоростью , что обеспечивает периодическое смещение рабочей точки выходной характеристики ЛГ из зоны нечувствительности 2∆ Ω _З (рис. 5.12 а ).

Угловые вибрационные движения резонатора, устанавливаемого в этом случае в упругом виброподвесе, реализуются путем гармонического силового воздействия на резонатор через пьезоэлементы на частоте подвеса ω _B(ω _B/2π )= ~400Гц. При этом амплитуда вибраций составляет 2-3 угловые минуты, а амплитуда их угловой скорости на несколько порядков превышает зону нечувствительности Ω _ПО > > Δ Ω _З.

Введение виброподставки обеспечивает ЛГ осуществление измерений подавляющую часть времени на линейном участке выходной характеристики; одновременно на один-два порядка уменьшается собственно зона захвата. На рис. 5.12б представлена характерная суммарная последовательность импульсов, формируемая в этом случае по сигналам фотоприемника [5.19]; в этой последовательности ∆ t_Ω =1/F, ∆ t_ПМ=2π /Ω _ПО - периоды следования импульсов, порождаемые соответственно измеряемой угловой скоростью и амплитудным значением угловой скорости виброколебаний, ∆ t_B=2π /ω _B - период виброколебаний.

Для исключения из выходного сигнала вклада, вносимого виброподставкой, угловую скорость виброколебаний измеряют, например, с помощью индукционного датчика скорости, формируют соответствующую ей последовательность импульсов, каждый из которых обозначает эталонированное приращение угла поворота за счет виброколебаний, и на измерительном интервале в реверсивном счетчике осуществляется процедура вычета суммы этих импульсов из общей суммы импульсов, формируемых по сигналам фотоприемников.

Следует отметить, что при использовании виброподставки в выходной характеристике ЛГ, наряду с уменьшением собственно зоны нечувствительности ∆ Ω _З, появляются дополнительные зоны захвата, если разность частот встречных волн близка к целому числу частот виброподставки . Этот эффект устраняют " ошумлением" виброподставки – приданием резонатору дополнительных весьма небольших по амплитуде колебаний типа белого шума с нулевым математическим ожиданием.

В целом функциональная схема ЛГ имеет вид, представленный на рис. 5.13. Потенциальная точность лазерного гироскопа определяется уровнем естественных флуктуаций ширины генерируемой спектральной линии за счет спонтанного излучения и атомных колебаний длины резонатора. Среднеквадратичное значение соответствующей случайной ошибки измерения угла поворота резонатора ∆ α определяется соотношением [5.18]:

(5.53)

 

где - время излучения; - мощность потерь в резонаторе; - постоянная Планка.

Коэффициент при в правой части (5.53) носит название коэффициента случайного дрейфа ЛГ, характеризует потенциально достижимый уровень случайного дрейфа ЛГ и может составлять величину порядка .

Основными параметрами, определяющими точностные характеристики ЛГ, являются нестабильность масштабного коэффициента и дрейф нуля (дрейф ЛГ). Они формируются главным образом за счет нестабильности оптического периметра КОКГ, источниками которой являются в основном колебания температур окружающей и активной сред, а также за счет нестабильности и несимметричности токов разряда в двухканальной системе накачки. Вариации масштабного коэффициента составляют относительную величину порядка . В дрейфе ЛГ принято выделять: систематическую составляющую – усредненное по ансамблю реализаций значение средних дрейфов, полученных в процессе одной реализации; нестабильность дрейфа в течение одной реализации (в запуске) – максимальное либо среднеквадратичное отклонение от систематической составляющей; нестабильность дрейфа от запуска к запуску – максимальное либо среднеквадратичное отклонение средних дрейфов в запуске от систематической составляющей; коэффициент случайного дрейфа, на порядок превышающий коэффициент при в (5.53) и определяемый в значительной степени возмущениями, вносимыми виброчастотной подставкой с ошумлением.

Следует отметить, что помимо рассмотренных вариантов построения ЛГ несомненный интерес представляют трехосные ЛГ с общим механическим вибратором, многочастотные ЛГ, в частности с неплоским резонатором и невзаимным фазовым устройством (фарадеевская ячейка, магнитное зеркало), а также ЛГ с частотной подcтавкой на основе эффекта Зеемана [5.14, 5.15, 5.18].

В таблице 5.2. представлены основные характеристики ряда серийно выпускаемых ЛГ [5.7, 5.12, 5.13].

 

Предыдущая123456789101112Следующая

Поделиться:

Популярное:

1. Волновой твердотельный гироскоп.
2. Волоконно-оптический гироскоп.
3. Двухстепенный роторный вибрационный гироскоп.