страница - 0
Исследование тепловых дрейфов лазерного гироскопа с магнитооптической частотной подставкой
Колчев А.Б., Ларионов П.В. (palar@hotbox.ru), Фомичев А.А. Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)
Введение
Исследования кольцевых газовых лазеров послужили основой для создания лазерных гироскопов, которые в настоящее время успешно применяются как в фундаментальных областях физики, так и в навигации [1-6]. В 1960-е почти в одно время с лазерными гироскопами появились динамически настраиваемые и волоконно-оптические гироскопы, значительно позже - микромеханические, реализованы различные типы подвесок механических гироскопов, однако, потенциал лазерных гироскопов до конца не исчерпан [7]. Такие преимущества лазерных гироскопов, как высокая стабильность масштабного коэффициента, нечувствительность к механическим воздействиям, малое время готовности, высокий динамический диапазон (до 1000о/с), - хорошо известны. С другой стороны, точность измерения лазерными гироскопами угловой скорости вращения существенно ограничивается различными физическими явлениями: ленгмюровский дрейф, захват частот встречных волн, затягивание частоты генерации к центру линии усиления и др., что приводят к искажению выходной характеристики гироскопов [1-2].
Для повышения точности измерения активно используют алгоритмические методы коррекции ошибок инерциальных датчиков. Например, в модель дрейфа смещения нуля, применяемую в исследованиях больших кольцевых лазеров, входят такие характеристики кольцевого лазера, как температура и давление, как основные факторы, вызывающие деформацию резонатора и изменение режима работы лазерного гироскопа [5]. По-видимому, одним из первых примеров построения тепловой математической модели дрейфа нуля лазерного гироскопа является публикация [8], где коэффициенты модели определяются варьированием входящих в нее параметров -температур, градиентов температуры, токов разряда. Общее требование для математических моделей - параметры модели являются базисом в системе характеристик состояния, а значит, они должны быть линейно независимы на всем объеме температурных условий работы и режимов механических напряжений [14-15]. В ряде работ нестационарные тепловые процессы характеризуются постоянной времени и ее используют в математической модели [9]. Предложены и успешно применяются различные способы быстрой докалибровки коэффициентов математической модели ошибок, в том числе и во время полета [10-12].
Следует отметить, что, несмотря на значительное число публикаций по лазерным гироскопам, отсутствуют работы по формированию математической модели систематических ошибок именно зеемановских лазерных гироскопов. В настоящей работе исследуются дрейфовые характеристики зеемановского лазерного гироскопа при различных температурных режимах работы [19], приводятся экспериментальные данные, описан характер зависимости частотной подставки и напряжения на пьезодвигателях зеркал от температуры. По экспериментальным данным строится математическая модель коррекции смещения нуля путем выбора системы параметров корреляционным методом.
Особенности работы зеемановского лазерного гироскопа
Объектом исследования настоящей работы является лазерный гироскоп ЛГК-200 [13] с магнитооптической частотной подставкой (см. рис. 1). Для подавления конкуренции встречных волн и уменьшения зоны захвата в 4-х зеркальном лазерном
2022
гироскопе типа ЛГК-200 использована смесь изотопов Ne и Ne и непланарный
Рис. 1 Резонатор лазерного гироскопа ЛГК-200 на эффекте Зеемана
о
резонатор с углом излома контура 32 . Излом контура приводит к поляризационной анизотропии и расщеплению частот резонаторных мод: каждая мода m, m+1,... расщепляются на 2 моды левой (L) и правой (R) круговой поляризации. Угол излома контура резонатора подобран так, что резонаторные моды расположены эквидистантно, и расстояние между соседними модами (модами L и R) составляет порядка 750 МГц. Амплитужно-фазовый характер мод в четырехзеркальном непланарном резонаторе типа ЛГК-200 подробно исследован в [20].
плоский контур m-1
непланарный контур
G
m
m+1
резонаторные моды
Рис. 2 Схематичное расположение резонаторных мод непланарного резонатора и контураов усиления.
Для линеаризации выходной характеристики гироскопа (захват частот составляет 0,1-1 кГц) используется эффект Зеемана. При наложении постоянного магнитного поля вдоль активной среды доплеровский контур усиления расщепляется на 2 (CW и CCW) симметрично сдвинутых относительно центра исходного нерасщепленного контура (см. рис. 2). Частота генерации встречных волн пучков затянута к центру соответствующего контура усиления, и в зависимости от величины магнитного поля разность их частот может превысить ширину зоны захвата. Работа со знакопеременным магнитным полем позволяет исключить из сигнала лазерного
гироскопа сигнал, вызванный влиянием магнитного поля, и снизить требования на стабильность магнитного поля.
Для кольцевых газовых лазеров с непланарным контуром характерно наличие чувствительности к внешним магнитным полям [3], поэтому для снижения этой чувствительности в ЛГК-200 используются пермаллоевые экраны.
Настройка и стабилизация периметра резонатора в центре линии излучения выполняется двумя подвижными пьезозеркалами. Сигналом расстройки служит модуляция интенсивности в одном из лучей на частоте реверсирования магнитного поля: амплитуда модуляции характеризует величину расстройки, а фаза модуляции -знак расстройки.
Выбор системы параметров
Наиболее доступным к измерению характеристик среди факторов, влияющих на смещение нуля гироскопа, является температурное поле резонатора, величина частотной подставки, напряжение в системе регулирования периметра на пьезодвигателях зеркал резонатора [16]. Рассмотрим более детально каждый из выбранных параметров.
Температурное поле резонатора полностью описывает обратимые деформации и напряжения, возникающие в лазерном гироскопе при изменении температуры.
30 -20 -1С 0 10 20 30 40 50 60 70
Температура Л Г, "С
Рис. 3 Зависимость разности внутренней и внешней температуры от внутренней температуры лазерного гироскопа ЛГК-200 для разной скорости изменения внешней температуры.
Информация о температурном поле резонатора существенно ограничена конечным набором термодатчиков, выбор места установки которых - предмет отдельного исследования и как правило, является know-how производителя гироскопов. На рис. 3 приведена характерная зависимость разности внутренней и внешней температуры:
dT = Tin - Text
от внутренней температуры лазерного гироскопа ЛГК-200 при выходе на режим и изменении внешней температуре с различной скоростью (от 3оС/ч до 20оС/ч). Под выходом на режим здесь подразумевается период времени от включения датчика до момента установления в нем температурных полей (стационарного теплового потока) за счет самопрогрева - порядка 1-1,5 часа для ЛГК-200. На рис. 3 можно выделить
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]