Лазерный гироскоп

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК мкь 914 ИМ ПАТЮТНО- ТЙВЧЕ 6 КЙ БиБЛИОТЕЧЬИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕТЕЛЬСТВ К АВТОРСКОМУ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(57) Изобретение относится к области гироскопии и может быть использовано для измерения угловой скорости и пространственной ориентации движущихся обьектов, Целью изобретения является повышение точности измерения угловой скорости. Цель изобре 191.,Ы 1827704 А 1(51)5 Н 01 Я 3/10, 6 01 С 19/6 тения достигается тем, что в лазерныи гироскоп введены последовательно соединенные тактовый генератор 23 и линия задержки 24, а также высокочастотный переключатель 18 и вычислительный блок 25, первый 4 и второй 5 акустооптические элементы выполнены в виде ячеек Брэгга и снабжены соответственно первым 16 и вторым 17 и третьим 14 и четвертым 15 преобразователями ультразвука, установленными на противоположных гранях звукопроводов ячеек Брэгга, Ячейки 4 и 5 выполнены в виде усеченных равнобедренных призм, а угол при вершине усеченной призмы определяется выражением ул агст 9 п, где п - показатель преломления материала призмы, 1 з,п. ф-лы, 3 ил.(2) 55 Изобретение относится к гироскопии иможет быть использовано для измеренияугловой скорости и пространственной ориентации движущихся объектов.Цель изобретения - повышение точности измерения угловой скорости,Вышеперечисленные признаки изобретения позволяю достичь технического результата, заключающийся в поочередномизлучении бегущих ультразвуковых волн вовстречных направлениях, при дифракции которых свет, обходя контур кольцевого резонатора, уменьшает или увеличивает своючастоту на частоту ультразвука, что дает возможность реализовать в предлагаемом техническом решении акустооптический способсоздания знакопеременной частотной подставки, Это новое свойство позволяет исключить начальный разнос частот встречных волнпутем вычитания двух соседних результатовсчитывания, вследствие чего исключаются"медленные" по сравнению с временем счетаизменения разностной частоты, вызванныетехническим несовершенством лазерного гироскопа (например, самопроизвольной перестройкой периметра резонатора), В силу этого,повышается точность измерений при сохранении преимуществ акустооптического способа создания начального разноса частотвстречных волн лазерного гироскопа.На фиг,1 представлена структурная схема устройства; на фиг,2 - ход лучей в первоми втором акустооптическом элементах; нафиг,З представлены эпюры сигналов: а - навыходе тактового генератора; б - на входечастотомера; в - на втором входе (входезапуска) частотомера.На фиг,1 обозначено, 1, 2 - первое ивторое зеркала; 3 - усиливающая среда; 4,5 - первый и второй акустооптические элементы, 6, 7 - третье и четвертое зеркала; 8- полупрозрачная пластина; 9 - фотоприемник; 10 - смеситель; 11 - частотомер; 12 -регистрирующее устройство; 13 - высокочастотный генератор; 14, 15, 16, 17 - первый,второй, третий и четвертый преобразователи ультразвука, соответственно; 18 - высокочастотный переключатель; 19, 20, 21, 22 -первая, вторая, третья и четвертая согласующие цепи, соответственно; 23 - тактовыйгенератор; 24 - линия задержки; 25 - вычислительный блок,На фиг,2 обозначено: у - угол при вершине; а - угол Брюстера - угол падениясветового луча; Р - угол Брэгга - угол распространения светового луча в призме кфронту ультразвуковой волны; АД - основание призмы, которое параллельно фронтуультразвуковой волны,5 10 15 20 25 30 35 Устройство работает следующим обра зом,Тактовый генератор 23 вырабатывае периодическую последовательность им пульсов (период Т), поочередно переключа ющую через ВЧ-переключатель 18 выход непрерывного работающего ВЧ-генератор;13 на попарно соединенные акустооптиче. ские преобразователи 14, 16 и 15, 17 так, чтс каждая пара преобразователей оказывает. ся подключенной к ВЧ-генератору 13 в тече. ние времени порядка половины периода тактового генератора 23. В первый полупе. риод, пока подключенной к ВЧ-генератору оказывается пара преобразователей 14, 16 в звукопроводах брэгговских ячеек 4 и 5 возбуждаются ультразвуковые волны; бегущие от преобразователей 14 и 16 в направлю нии к неподключенным к ВЧ-генератору, но подключенным к согласующим цепям 20 и 22, нагруженным активными сопротивлениями, преобразователям 15 и 17, выполняющим, в этом случае, функции поглотителей ультразвука, преобразуя акустическую энергию в электрическую, которая рассеивается на активном сопротивлении, Ввиду этого, в брэгговских ячейках обеспечивается. режим бегущих ультразвуковых волн, Их направления распространения таковы, что для светового луча внутри кольцевого резонатора обеспечивается замкнутость контура с одновременным выполнением фазовых условий генерации лазера, Эти условия определяют частоты генерации в области активной среды 3 бегущих световых волн по(+, и против(-) часовой стрелки;где 1 и 2 - длины плеч кольцевого резонатора, содержащих зеркала 1 и 2, соответственно;щ - частота о-й моды (мц = цс/(11+ 12), с - скорость света,Генерация кольцевого лазера на этих частотах возникает через время то относительно начала возбуждения преобразователей 14 и 16 (время распространения ультразвука в звукопроводах ячеек до областей взаимодействия), Это в свою очередь предполагает симметричное расположение областей акустооптического взаимодействия относительно преобразователей, а также равенство длин брэгговских ячеек, 1827704Во время генерации кольцевого лазера в рассматриваемый полупериод тактового генератора 23 на нагрузке фотоприемника 9 выделяется сигнал биений на частоте; Сигнал на этой частоте поступает на один из входов смесителя 10. На другой вход устройства 10 поступает сигнал ВЧ-генератора 13 на частоте ультразвука Е. С выхода смесителя 10 сигнал на частоте: Е 1= А 1 - 1 =1+ КЙ (4) поступает на вход частотомера 11. Начало счета частотомера 11 определяется импульсами тактового генератора 23, задержанными с помощью линии задержки 24 на время тто, достаточное для исключения из счета импульсов биений на частоте Е 1 во время переходных процессов установления генерации кольцевого лазера. Значение частоты Е 1 считывается и запоминается вычислительным блоком 25, управляемой тактовым генератором 23,Во второй полупериод работы тактового генератора происходит подключение ВЧ- генератора к преобразователям 15 и 17. При этом, через время То возникает генерация кольцевого лазера на частотах: на нагрузке фотоприемника выделяетсясигнал биений на частоте: Ь 2 = (М 2 - ъ- КИ 1 (6) а на вход частотомера поступает сигнал начастоте: Е= Ь 2 - 1 =1+ КЙ (7)1 + 2 Значение этой частоты считывается и запоминается вычислительным блоком 25, Эта же система после окончания периода тактового генератора за время задержки г и производит вычитание частот Е 1 и Е 2 и результат выводит на регистратор 12. Значение этой разности: 5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 Оно определяет величину и знак угловой скорости вращения, среднюю за цикл измерения, равный периоду тактового генератора,В отличие от прототипа, регистрируемая частота Ео содержит информацию только об угловой скорости вращения, В прототипе регистрируемая частота Ео содержит информацию об угловой скорости вращения и о соотношении плеч кольцевого резонатора лазера (1 - 2)/(1 + 2), которая может изменяться и приводить к погрешностям измерений. Таким образом, в данном устройстве повышается точность измерения угловой скорости. В качестве ключевых элементов данного технического решения могут служить акустооптические брэгговские ячейки на основе плавленого кварца, в которых наклон входных и выходных окон выполнен в плоскости акустооптического взаимодействия так, что одновременно выполняются условия Брюстера для падающего на ячейку света и условия Брэгга для света, распространяющегося внутри ячейки. Применение брэгговских ячеек, в которых совмещены условия Брюстера и Брэгга, вместо акустооптических элементов, используемых в прототипе, позволяет снизить оптические потери исключением поляоизаторов, отфильтровывающих в прототипе недифрагировавший свет, поскольку в брэгговской ячейке свет нулевого максимума выводится из резонатора, эффективность дифракции может быть близкой к 100/Электроакустические пьезопреобразователи продольных упругих волн прикрепляются к параллельным граням акустооптической ячейки методом холодной диффузионной сварки в вакууме.Высокочастотный переключатель 18 представляет собой двухканальный усилитель с общим входом и возможностью внешней амплитудной модуляции, один канал которого открывается подачей положительного напряжения от тактового генератора 23, другой - отрицательного.Работает ВЧ-переключатель следующим образом.Устанавливается режим внешней амплитудной модуляции усилителя, при котором без подачи модулирующего сигнала ни один из каналов не пропускает ВЧ-колебания от генератора 13 к преобразователям ультразвука 14, 16 или 15, 17, При подаче положительного импульса от тактового генератора 23 открывается канал, через который, а также через согласующие цепи 19 и21, возбуждаются преобразователи ультразвука 14, 16, При подаче отрицательногоимпульса этот канал закрывается, а открывается другой канал усилителя, через который запитываются преобразователи 15, 17. 5(Такой режим возможен, когда на выходекаскада внешней амплитудной модуляцииодного из каналов стоит инвертор),Задача вычислительного блока 25 состоит в преобразовании сигналов частотомера в 10понятные электронному вычислительномуустройству, их запоминание, вычитание результатов двух соседних измерений и выдача на регистратор 12 значения угловойскорости, Такая система может представлять собой обычный сумматор с входнымустройством типа "интерфейс" и устройством вывода информации,В качестве тактового генератора используется генератор импульсов, генерирующий периодическую последовательностьимпульсов одинаковой длительности чередующейся полярности с возможностью управления как длительностью импульсов, таки расстоянием между ними, Необходимость 25паузы между возбуждающими ВЧ-импульсами вызвана тем, что акустооптическаяячейка представляет собой линию задержкии после отключения ВЧ-сигнала, возбуждающего ультразвук, дифракция света еще будет наблюдаться в течение временипрохождения ультразвука от преобразователя до области взаимодействия,Сигналы с тактового генератора 23 черезлинию задержки 24 поступают на клеммы запуска частотомера и своими передними фронтами запускают частотомер, установленноевремя счета которого ТсТ/2.На рис.2 представлены графическиесигналы на выходе тактового генератора а), 40на входе частотомера б), на клеммах запускачастотомера в),Задача запуска частотомера передними фронтами разнополярных прямоугольных импульсов является общеизвестной и 45простой. Нап ример, посл едовател ьностьразнополярных импульсов разделяется амплитудными селекторами на только положительные и только отрицательные, послепрохождения инвертора одной из последовательностей импульсов и дифференцирования выделенных на общей нагрузкесигналов формируется последовательностьимпульсов запуска. Существуют и другиеварианты решения, поэтому в заявке указаны только структурное построение, состав ифункциональные связи устройства, примеры конкретной реализации которого могутбыть разнообразными, Важным остается то,что запуск частотомера производится с задержкой относительно переднего фронт; импульса тактового генератора на врем т)то . Это позволяет исключить из счет; сигналы биений во время переходных про цессов установления генерации лазерногс гироскопа.Работа устройств 11, 12, 25 происходи 1 следующим образом.Результат измерения частоты биений частотомером преобразуется в двоичный код и запоминается в вычислительном уст ройстве, в программе которого заложен; операция вычитания двух соседних измере ний, и результат вычитания в удобной форме отражается регистратором 12,Следует отметить, что устройства 11, 12, 25 могут быть выполнены в виде одного вычислительного устройства типа; ачетчик шифратор суммато р мулния1. Лазерный гироскоп, содержащий кольцевой резонатор, образованный оптически сопряженными первым зеркалом, первым акустооптическим элементом, усиливающей средой, вторым зеркалом и вторым акустооптическим элементом, оптический смеситель, образованный оптически сопряженными третьим зеркалом, полупрозрачной пластиной и четвертым зеркалом, а также последовательно установленные фотоприемник, смеситель и частотомер, высокочастотный генератор и регистрирующее устройство, причем, второе зеркало оптически сопряжено с третьим и четвертым зеркалами, выход плоскопараллельной пластины оптически сопряжен с входом фотоприемника, первый выход высокочастотного генератора соединен с вторым входом смесителя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения угловой скорости, введены последовательно соединенные тактовый генератор и линия задержки, а также высокочастотный переключатель и вычислительный блок, при этом выход линии задержки соединен с вторым входом частотомера, второй выход высокочастотного генератора соединен с первым входом высокочастотного переключателя, второй вход которого соединен с вторым выходом тактового генератора, третий выход которого соединен с вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства, первый и второй акустооптические элементы выполнены в виде ячеек Брэгга и10 1827704 Составитель М. РаевскаяРедактор В, Трубченко Техред М,Моргентал ектор Н. Гунько акэз 2361 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 снабжены соответственно, первым и вторым и третьим и четвертым преобразователями ультразвука, установленными на противоположных гранях звукопроводов ячеек Брэгга, каждый из преобразователей ультразвука соединен с согласующими цепями, нагруженными активными сопротивлениями, первый выход высокочастотного переключателя соединен с входами первой и третьей согласующих цепей, а второй его выход - с входами второй и четвертой согласующих цепей. 2, Гироскоп по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью уменьшения потерь оптического излучения внутри кольцевого резонатора, первая и вторая акустооптические 5 ячейки Брэгга выполнены в виде усеченныхравнобедренных призм, а угол у при вершине усеченной призмы определяется выражением,10 ул агстцп,где и - показатель преломления материалапризмы.Л