Оптико-электронные высотомеры и дальномеры

Достоинства: простота реализации.

Недостатки: аналоговая форма выходного сигнала, что снижает точность измерений.

Для существенного повышения точности измерения способа, основанного  на использовании фотоупругих сред, применяют лазеры. Для этого в  резонатор лазера устанавливают чувствительный элемент.

1,6 – резонатор лазера;

2 – сейсмическая масса;

3 – чувствительный  фотоупругий элемент;

4 – фазовая пластинка  (необязательно);

5 – активный элемент  лазера;

7 – смесительное устройство;

8 – измерительный  блок;

9 – гетеродинный лазер.

Чувствительный элемент 3 расположен таким образом, что плоскость  поляризации необыкновенного луча совпадает с направлением поляризации  излучения резонатора. При воздействии  ускорения на сейсмическую массу  за счет двулучепреломления изменяется величина показателя преломления n_e. При этом изменяется оптическая длина чувствительного элемента и, соответственно, оптическая длинна резонатора. В результате изменяется частота лазерного излучения. Это изменение выделяется в блоке 7 путем сравнения с излучением лазера 9, а затем измеряется в блоке 8.

Такая схема обеспечивает высокую точность, но сложна из-за необходимости  применения гетеродина.

Если обеспечить условия, при которых в резонаторе распространяются обе ортогонально–поляризованные  волны (обыкновенный и необыкновенный лучи), то можно в качестве гетеродинного сигнала использовать обыкновенное излучение, для которого показатель преломления не изменяется. Для этого зеркала располагаются перпендикулярно оптической оси. В такой системе будет наблюдаться «конкуренция» волн, которая проявляется во взаимной синхронизации волн, с мало отличающимися частотами колебаний. Чтобы этого не произошло, вводится начальный разнос частот за счет фазового сдвига, обеспечиваемого фазовой пластинкой 4.

Преимущества: точность. Недостатки: относительно невысокий диапазон измеряемых величин. Этот недостаток устранен в следующей схеме.

 

 

 

 

1,6 – зеркала резонатора;

2 – активные элементы;

3,5 – чувствительные элементы;

4 – компенсатор опорного канала;

7–10 – система зеркал;

11,12 – блоки приема и анализа  сигнала.

В данной схеме каналы I и III образуют измерительные ветви акселерометра, а канал II обеспечивает опорный сигнал.

Ускорение измеряется за счет изменения оптической длинны кюветы. Оптическая длина газонаполненной  кюветы определяется показателем преломления  газа. В случае приложения к кювете ускорения газ работает как пружина и сжимается у одного торца и разреживается у противоположного. Это вызывает появление градиента показателя преломления газа вдоль направления действия ускорения.

Изменение оптической длинны кюветы, вызванное изменением длинны резонатора и, соответственно, изменение частоты лазерного излучения, описывается формулой:

k – коэффициент пропорциональности, определяется параметрами газа  и кюветы.

а – ускорение.

При длине кюветы 10 мм (излучение распространяется вдоль кюветы) k=5*10⁵ Гц/g.

При этом обеспечивается чувствительность акселерометра »0,1 мкм/с².

Достоинство: отсутствие гистерезисных явлений и очень широкий диапазон измеряемых величин. Недостатки: недостаточная чувствительность.

Лазерные гироскопы (ЛГ)

Приборы, предназначенные  для угловых скоростей и перемещений.

Достоинства:

• отсутствие механических вращающихся частей (низкие массо-габаритные показатели, отсутствие погрешности за счет кориолисовых и центробежных ускорений);
• малое время выхода на рабочий режим (десятки мс);
• высокая точность и широкий диапазон измерений;
• частотная форма выходного сигнала;

Лазерный гироскоп – кольцевой лазер, работающий на эффекте Саньяка.

Эффект Саньяка – во вращающейся системе координат время прохождения по контуру двух встречных волн отличается от этого времени для неподвижной системы координат.

                           (1)

расстояние, которое проходит волна 2 из т. В в т. А:

    (2)

расстояние, которое проходит волна 1 из т. А в т. В:

                (3)

разность пути двух встречных  волн:

                                (4)

полное запаздывание встречных волн при однократном  прохождении контура:

                             (5)

площадь, ограниченная контуром L:

                                                     (6)

временное запаздывание встречных волн:

                                                (7)

фазовое запаздывание встречных  волн:

                                            (8)

частотное запаздывание:

                                          (9)

где

 – усредненная длинна волны  встречных волн.

В соответствии с величиной, которая измеряется, возможны четыре типа датчиков угловой скорости:

1. Амплитудные датчики – измеряют разность амплитуд встречных волн из-за расстройки резонатора DL. (не используются).
2. Временные датчики – основаны на основе временного запаздывания двух встречных волн. (не используются).
3. Фазовые датчики – измеряют разность фаз (применяются в волоконно-оптических гироскопах).
4. Частотные датчики – измеряют разность частоты.

Пример: если L=10 см, l=0,628 мкм, то Df»160 кГц на каждый рад/с.

Две встречные волны  в кольцевом резонаторе в инерциальном пространстве образуют стоячую волну.

Необходимым условием распространения  стоячей волны в резонаторе автоколебательной  системы является кратность длины резонатора длине волны.

Стоячая волна в резонаторе образует шкалу с угловой ценой  деления:

Выходная характеристика лазерного гироскопа 

 

1 – идеальная выходная характеристика  ЛГ;

2 – реальная характеристика ЛГ.

W_зх – зона захвата частот, диапазон нечувствительности ЛГ.

Для компенсации явления  синхронизации вводится начальный  разнос частот встречных волн, при  этом даже в неподвижном резонаторе наблюдается переменный сигнал, величина которого называется частотой подставки.

                     (10)

Сигнал на выходе реального  гироскопа описывается формулой 10.

В зависимости от того, каким образом вводится частота  подставки, существуют два режима работы ЛГ:

• статический;
• динамический;

Существует два вида частотных подставок:

1. Высокая постоянная подставка;
2. Низкая знакопеременная подставка.

При этом

    (11)    – для  высокой постоянной подставки.

 

Высокая постоянная подставка предполагает вынесение диапазона измерений угловых скоростей на линейный участок за счет добавления на выходе сигналу постоянного высокого сигнала подставки f_П.

Недостаток: большое значение f_П (несколько сот кГц).

Для обеспечения требуемой  точности измерений (относительная погрешность 10^-5) приходится обеспечивать стабильность частоты подставки в несколько Гц.

Чаще используют низкую знакопеременную подставку.

Низкая знакопеременная  подставка выносит измеряемую величину на линейный участок выходной характеристики. При чем измерения проводятся в момент максимумов значений частоты подставки.

 

Достоинства: малое требуемое значение частоты подставки.

 

 

ЛГ выполняют две  функции:

• гирокомпассирование;
• определение величины и направления угловых скоростей и перемещений.

 

Гирокомпассирование:

Гирокомпассирование – определение положения истинного меридиана (направления на север) с помощью направления линии отвеса и вектора угловой скорости суточного вращения Земли.

Истинным меридианом называют плоскость, проходящую через линию отвеса и вектор угловой скорости суточного вращения Земли.

y – географическая широта местности.

a – азимут (измеряется через восток).

В определении формулы 9 величина S обозначает величину площади проекции резонатора на плоскость, в которой происходит вращение

Нормаль к плоскости  резонатора называется осью чувствительности резонатора.

Выходной сигнал ЛГ пропорционален величине проекции плоскости резонатора на плоскость вращения, либо величине проекции вектора угловой скорости на вектор чувствительности резонатора.

Предположим, что плоскость  резонатора расположена перпендикулярно  к плоскости местного горизонта.

В случае произвольного  местонахождения ЛГ (резонатор которого ^ плоскости местного горизонта) выходной сигнал будет описываться формулой 12.

                                                 (12)

Формула 12 описывает зависимость  выходного сигнала ЛГ от азимута a и называется азимутальной характеристикой гирокомпаса.

                                                     (13)

Основное уравнение  лазерного гирокомпассирования.

                                                                 (14)

в зависимости от способа решения системы 14 лазерные гирокомпасы разделяются на статические и динамические.

Статические лазерные гирокомпасы

 

решив систему уравнений, получим:

   (15)

s – параметр, характеризирующий погрешность невертикализации оси чувствительности.

b_р – угол b с учетом погрешности его измерения.

Динамический лазерный гирокомпас

Резонатор гирокомпаса принудительно  вращается вокруг заданной оси с  известной постоянной скоростью. В этом режиме более полно реализуются потенциальные возможности ЛГ.

 – скорость принудительного  вращения.

 

2Q – угол нутации – угол при вершине конуса вращения

Т.к. выходной сигнал Df пропорционален проекции вектора угловой скорости на ось чувствительности, то при принудительном вращении резонатора в системе координат, связанной с резонатором, выходной сигнал, обусловленный вектором W_М, будет постоянным. Угол g равный углу между векторами     будет периодически меняться и, следовательно, в системе координат, связанной с резонатором, выходной сигнал, связанный с углом W, будет периодически изменяться. Суммарный сигнал на выходе гироскопа будет описываться формулой 16.

                                               (16)

 – обусловлена постоянным  вращением.

 – обусловлена неизвестной  скоростью.

При постепенном совмещении W_М и W переменная составляющая Df_var будет уменьшаться и при условии W_М½½W исчезнет совсем (=0). На выходе лазерного гирокомпаса будет наблюдаться постоянный сигнал.

                                                      (17)

                                                               (18)

 

1 – автоколлиматор;

2 – плоскость резонатора;

3 – блок обработки  сигнала и управления.

Резонатор гироскопа  вращается с постоянной угловой  скоростью вокруг оси, на выходе гироскопа наблюдается синусоидальный сигнал, максимум которого соответствует ситуации, когда ось чувствительности – Гироскоп лежит в плоскости истинного меридиана и сонаправлена с вектором . ФЭАК вырабатывает опорные импульсы в моменты, когда плоскость резонатора ^ оптической оси ФЭАК. ФЭАК поворачивается вокруг вертикальной оси до тех пор, пока положение строб–импульса не совпадет с положением максимумов сигнала гироскопа. В этом случае оптическая ось ФЭАК указывает направление на север.

Измерение скоростей  и перемещений

Угловые скорости и перемещения  измеряются двумя способами: статическим  и динамическим.

1,6 – сервоприводы;

2,7 – фазовые детекторы;

3 – фазовый дискриминатор;

4 – фазоинвертор p/2;

5 – резонатор;

8,9 – оптопара (датчик  вращения);

10 – измеритель.

Сигналы ЛГ поступают  на блок 3, где разделяются на 2 канала. На фазовые детекторы 2 и 7 подается переменный сигнал с выхода ЛГ и  опорный сигнал с датчиков 8 и 9.

Для получения управляющего сигнала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный сигнал в одном из каналов сдвигают по фазе на p/2 (блок 4). Разностные сигналы с фазовых детекторов 2 и 7 подаются на вход сервоприводов 1 и 6. Они поворачивают ЛГ (каждый в своей плоскости) в направлении уменьшения управляющего сигнала. Когда управляющие сигналы будут =0 вектор совпадает с вектором W; в этом случае выходной сигнал подают на блок 10, где по формуле 18 вычисляется искомая скорость.

Измерение углов поворота происходит аналогично измерению скорости, но требует дополнительной обработки результатов.

                                                  (19)

  (20) – угол поворота гироскопа  (0,5¢¢..1¢¢=j_min)

Устройство ЛГ

Состоит из: источника  излучения; резонатора; смесительного  устройства; приемника; блока обработки  сигнала; блока питания; устройства начального разноса частот; устройства стабилизации режимов работы.