Оптико-электронные высотомеры и дальномеры

Источник излучения

Используют два типа:

• газоразрядные трубки, закрытые входными окнами, расположенными под углом Брюстера.
• Газовая среда, заполняющая резонатор.

Обычно используют HeNe смесь в соотношении от 1:5 до 1:15.

Резонатор

Кольцевой резонатор – система зеркальных поверхностей, образующих замкнутый контур, внутри которого находится источник излучения.

В резонаторе существуют излучения нескольких мод, обусловленные  широкой полосой усиления HeNe – смеси. С учетом того, что эти моды между собой не коррелированны, сигнал на выходе гироскопа, работающего в многомодовом режиме, забит комбинационными шумами.

Для повышения отношения  с/ш лазер переводят в одномодовый  режим.

Существует три способа  обеспечения одномодовости в  ЛГ:

1. уменьшение усиления активной среды до излучения одной моды.

Достоинства: простая реализация

Недостатки:

• резко уменьшается отношение с/ш;
• увеличивается чувствительность устройства к внешним воздействиям, вызывающим нестабильность работы.

2. Обеспечение конфигурации и размеров таким образом, чтобы расстояния между соседними модами было больше ширины полосы усиления активной смеси.

Метод реализуется введением  сложных внешних устройств в  резонатор. Поэтому, несмотря на свою высокую  эффективность, этот метод редко  используется для подавления продольных мод. Для подавления поперечных мод  этот метод используют широко.

3. Введение дополнительных схем селекции.

 

1,2,3 – основной резонатор;

4,5 – вспомогательные  зеркала.

Вспомогательный резонатор (1,4,5,3) является селективной отражательной  системой с коэффициентом отражения r₁₄₅₃ (см. рис.), которая перекачивает энергию с высших порядков мод в нулевой порядок.

Недостатки: увеличение зоны захвата.

 

Резонаторы, как правило, изготовляют моноблоками из материалов с малым температурным коэффициентом  расширения. Как правило, это ситаллы, плавленый кварц.

Бывают трех– и четырехзеркальные резонаторы.

Достоинства трехзеркальных систем: меньшая полоса захвата за счет меньшего количества отражающих и рассеивающих элементов.

Достоинства четырехзеркальных  систем: большая чувствительность.

 

 

В резонаторе установлен катод и два анода. Катод изготовлен из алюминия или низкоуглеродистой стали, а аноды – из молибдена или чистого никеля.

Встречное включение  анодов предотвращает последствия  эффекта Ленгмюра. Этот эффект заключается  в захвате световой волны движущейся плазмой, в результате чего световая волна приобретает сдвиг фазы.

Два непрозрачных и одно прозрачное зеркало крепятся на торцах резонатора при помощи оптического  контакта, причем сферическое зеркало  при сборке резонатора юстируется путем  сошлифовки торца резонатора.

Кольцевая диафрагма  предназначена для подавления поперечных мод.

Геттер обеспечивает чистоту газовой смеси.

Через полупрозрачное зеркало  излучение выводится в оптический смеситель.

L_min – минимальная длинна резонатора;

a – коэффициент усиления активной среды;

b_П – коэффициент потерь в резонаторе.

Приемники излучения

На сегодняшний день – только фотодиоды.

Особенности:

1. монохроматичность входного сигнала;
2. диапазон частот от нескольких до сотен Мгц.

Источники питания

Должны обеспечивать 1-2 кВт на метр разрядного промежутка.

Система стабилизации режимов  работы

Как правило, стабилизируется  температурный режим, а затем  стабилизируется режим работы по магнитным полям

Используется система  стабилизации питания.

Смесительные устройства

Предназначены для смешения двух встречно распространяющихся в  резонаторе излучений.

А)

I – выходное окно резонатора;

II – зеркало.

Достоинства: простота и дешевизна.

Недостатки: увеличенная зона чувствительности, обусловленная частичным возвратом излучения в резонатор.

От этого недостатка свободна следующая схема.

 

 

 

 

 

 

 

Б)

I – зеркало;

II – полупрозрачная пластинка.

Достоинства: лишена предыдущего недостатка.

Недостатки: нежесткость конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В)

I – зеркало;

II – полупрозрачная пластинка.

Свойства схемы те же что и у предыдущей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Недостатка схем Б  и В (нежесткость конструкции) лишены призменные схемы.

I – выходное окно;

II – призма.

Наиболее часто используемая схема.

Достоинства: простота, жесткость конструкции;

Недостатки: невозможность определить направления вращения.

Зеркально–призменная схема смесителя

 

За счет подбора материала  преломляющего элемента 2 добиваются сдвига фаз между двумя интерферирующими парами волн. После обработки сигнала  это позволяет выделить направление движения.

 

Невзаимные элементы

(устройства начального  разноса частот)

Для создания частотной  подставки используют электрогиротропные, магнитогиротропные среды и среды  с эффектом канализирования.

Гиротропной называется среда, способная вращать плоскость поляризации излучения.

Для электрогиротропных сред используют эффекты Керра и  Поккельса.

Эффект Керра – появление искусственного двулучепреломления в изотропных жидкостях под воздействием поперечного электрического поля.

           (1)

l – длинна волны;

Е – напряженность  электрического поля;

В – постоянная Керра (зависит от жидкости).

Эффект Поккельса – появление двулучепреломления в кристаллах под воздействием продольного или поперечного электрических полей.

Эффект Поккельса линейный.

                                                         (2)

к – коэффициент, зависящий  от свойств кристалла.

Практическая реализация невзаимных элементов на основе электрогиротропных сред сопряжена с существенным усложнением конструкции резонатора и поэтому чаще используется в лабораторных условиях.

Для работы с магнитогиротропными  средами используют эффект Фарадея.

Этот эффект заключается  во вращении плоскости поляризации  излучения в неактивных средах под  воздействием продольного магнитного поля.

Реализуется этот эффект в устройствах, называемых ячейками Фарадея.

 

Линейно-поляризованная волна попадает на четвертьволновую пластинку 1, где превращается в циркулярно-поляризованную. Затем эта волна поступает  в фазовращатель, в котором, вследствие эффекта Фарадея, приобретает сдвиг фаз Dj. Затем эта циркулярно-поляризованная волна на фазовой пластинке 2 преобразуется в линейно-поляризованную. В этой волне, по сравнению с исходным ее состоянием, присутствует фазовый сдвиг Dj. Встречная волна, падающая на фазовую пластинку 2приобретает такой же фазовый сдвиг, но обратный по знаку. Таким образом, две встречные волны приобретают удвоенную разность фаз 2Dj.

                                                           (3)

k – удельное магнитное вращение (постоянная Верде). Зависит от материала.

l – длинна магнитогиротропной среды.

Н – напряженность  продольного магнитного поля.

Разность частот встречных  волн, создаваемая в результате однократного прохождения ячейки Фарадея, определяется формулой 4.

Dj – сдвиг фазы;

с – скорость света;

L – длинна резонатора.

 

1 – четвертьволновая  пластинка;

2 – магнитогиротропная  среда;

3 – соленоид.

 

 

 

 

 

Обобщенные  характеристики. лазерных гироскопов

К ним относятся:

1. потенциальная точность;
2. Область однозначного отсчета;
3. Нелинейность выходной характеристики;
4. Смещение нуля;
5. Воспроизводимость;
6. Нестабильность.

 

 

1. потенциальная точность определяется минимальной скоростью углового вращения, которая может быть измерена данным прибором.

Т_и –время измерения;

m –отношение с/ш.

2. Область однозначного отсчета:

Определяется диапазоном угловых скоростей, в котором  каждому значению угловой скорости соответствует единственное значение выходного сигнала гироскопа.

Определяется исходя из величины разноса соседних продольных мод в резонаторе.

Расстояние между соседними  продольными модами:

                                                              (1)

При этом максимальная разностная частота

                                                             (2)

                                                         (3)

3. Нелинейность выходной характеристики.

Нелинейность на верхнем участке выходной характеристики обусловлена нелинейностью и невысокой шириной пропускания блоков обработки электрического сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Смещение нуля.

Определяется частотой выходного сигнала при отсутствии его вращения.

Смещение нуля величина совершенно не прогнозируемая.

Причинами смещения нуля являются:

• нестабильность внешних условий работы (нестабильность температуры и магнитного поля);
• Нестабильность питающих напряжений;
• Нестабильность параметров резонатора.

Все гироскопы обладают смещением нуля кроме тех, которые работают в динамическом режиме.

5. Воспроизводимость.

Определяется степенью идентичности выходного сигнала  при измерении постоянной скорости вращения одним и тем же прибором при различных его включениях, либо однотипными приборами при их одновременной работе.

Воспроизводимость от включения  к включению зависит от нестабильности характеристик данного прибора  и от неодинаковых условий измерения

Второй тип воспроизводимости  от прибора к прибору определяется технологией изготовления и юстировки приборов.

6. Нестабильность:

Определяется изменением выходного сигнала при измерении  постоянной скорости вращения одним  и тем же прибором.

Различают кратковременную  и долговременную нестабильность.

Причины кратковременной  нестабильности – изменяющиеся условия работы прибора.

Долговременная нестабильность обусловлена, как правило, изменениями  параметров резонатора.

Например:

• «залечивание» микротрещин в материале резонатора;
• старение покрытия зеркал под воздействием плазмы.

 

 

 

 

Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ)

Существует два класса ВОГ:

• фазовые – измеряют разность встречных волн;
• резонаторные (двухчастотные) – измеряют разность частот встречных волн.

Фазовые: (1)  Резонаторные:   (2)

n – показатель преломления;

f – геометрическая длинна оптического волокна.

Фазовые ВОГ

                                   (3)

В волоконно-оптической катушке возникает разность фаз  встречных волн, которая описывается  формулой 3.

                                  (4)

Рассмотрим одномодовый  режим работы ВОГ. Излучение от источника 1 через систему светоделителей 2 вводится в волоконно-оптическую катушку 3 с двух сторон, т.е. в волоконно-оптической катушке распространяются два встречных излучения. Если катушка вращается, то встречные волны на выходе из катушки имеют разность фаз Dj, которая описывается уравнением 3. Излучение, вышедшее с противоположных торцов катушки, направляется системой зеркал 2 на фотоприемники А и Б блока 4. На ФП происходит двухлучевая интерференция, которая описывается уравнениями 4.

Различные знаки в  уравнениях 4 возникают из-за различного количества скачков фаз при отражении  от зеркал.

                       (5)

Сигналы с фотоприемников А и Б снимаются и обрабатываются по формуле 5.

i_c – сигнал после обработки.

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств фотоприемников и блока обработки сигналов.

Чувствительность                                      (6)

Недостатки:

1. низкая чувствительность (видно из формулы 6) при малых угловых скоростях (маленькое Dj Þ малый sinDj).
2. Из формулы 5 Þ малый динамический диапазон.

Достоинства: независимость Dj от показателя преломления позволяет использовать в фазовых ВОГ в качестве источников излучения некогерентные источники (суперлюминесцентные диоды, лазерные диоды), что существенно улучшает энергетику устройства и удешевляет его.

Основные погрешности  ВОГ обусловлены влиянием неоднородностей  волоконно-оптической катушки на встречные волны: