Принцип действия лазерного гироскопа. Основным элементом ЛГ явл-ся кольцевой оптический квантовый генератор (КОКГ). КОКГ называют устройство, в котором генерируются и поддерживаются автоколебания э/магнитной энергии в оптическим диапазоне частот на основе эффекта усиления э/магнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов. Лазерным гироскопом (ЛГ) называется такой квантовый генератор, в котором генерируются волны оптического диапазона, распространяющиеся в противоположных направлениях, и который снабжен устройством, осуществляющим измерение частоты возникающих биений указанных волн. Функционально в навиг технике ЛГ используется как преобразователь угловой скорости и угла поворота в инерциальном пространстве того основания, на котором он установлен. Из сказанного становится понятным и обоснованным применение к нему термина "гироскоп". Простейшими формами кольцевой структуры ЛГ являются треугольник или четырехугольник с несущественным качественным различием между ними. На рис. 3.4 показан треугольный вариант контура, состоящий из двух непрозрачных 1, 2 и одного полупрозрачного 3 зеркал, расположенных в вершинах тр-ка. Такая система отражателей называется резонатором. Полупрозрачное зеркало используется для вывода части энергии контура с целью получения инф-ции о частоте колебания в нем. Для того, чтобы ликвидировать неизбежные потери энергии в резонаторе, в него включен активный элемент, осуществляющий преобр-ие электр энергии в э/магнитные колебания. В кач-ве такого элемента использован газовый лазер 4, обеспечивающий монохроматичность и когерентность излучения, и система возбуждения его активной среды, называемая системой поджига и накачки 5. Эффективная техническая реализация газового лазера в настоящее время достигнута при использовании в качестве активной среды смеси двух газов: гелия и неона. В указанной смеси индуцированное излучение возможно с несколькими длинами волн. Для лазерного гироскопа оптимальной считается длина волны λ = 0,63 мкм. Излучения, выходящие через торец А и через торец В газового лазера, образуют внутри резонатора систему волн, бегущих навстречу друг другу. Частота колебаний каждой волны зависит от оптической длины проходимого пути. В идеальном случае, при отсутствии вращения основания в инерциальном пространстве вокруг оси, перпендикулярной плоскости резонатора (в рассматриваемом случае вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка), волны, распространяющиеся по часовой стрелке и против часовой стрелки, будут иметь одинаковую частоту. При возникновении вращения основания вокруг упомянутой выше оси с угловой скоростью ω (на рис. 3.4 для определенности оно указано стрелкой с оперением) ситуация радикально изменится. Причина состоит в том, что в соответствии с основным постулатом теории относительности скорость распространения э/магнитных колебаний (скорость света) является мировой константой, т.е. имеет пост величину по отношению к неподвижной в пр-ве сис-ме координат.
Скорость распространения э/магнитных колебаний по отношению к вращающейся сис-ме координат, т.е. относительная, будет различной: для источника, движущегося в сторону распр-ия излучения, она будет равна (С- V), а для источника, движущегося в сторону, противоположную излучению, ее величина составит (С + V). Если теперь определить абсолютную скорость, равную относительной плюс переносной, то в первом случае получим (С-V+V) =С и во втором (С+V-V)=С. Для выяснения существа явления будем вместо треугольного контура рассматривать чисто кольцевой (рис. 3.5), что не меняет сути дела, но упрощает математическую строну вопроса При отсутствии угловой скорости ω имеет место следующее соотношение, известное из теории волновых процессов: f=c\λ. В случае появления ω, в соответствии с вышеизложенным, для источника излучения А справедливо:
для В:
ТО, при вращении лазерного гироскопа в инерциаль-ном пространстве волны, бегущие навстречу друг другу внутри резонатора, будут иметь отличающиеся частоты. Как известно, при наложении таких волн друг на друга возникают биения. Частота этих биений определяется по формуле:Δf=fA-fB. Или:
Из формулы вытекает фундаментальный вывод о том, что частота биений прямо пропорциональна угловой скорости вращения резонатора по отношению к инерциальному пространству. Важно подчеркнуть, что частота биений зависит только от величины проекции переносной угловой скорости на нормаль к контуру резонатора. 
Для выделения частоты биений используются фотоэлектронные умножители 6 (рис. 3.4.). Выходящие через полупрозрачное зеркало 3 встречные волны через специальную оптическую систему поступают на катод фотоэлектронного умножителя, где образуют интерференционную картину. При отсутствии угловой скорости со отсутствуют биения и интерференционная картина (система интерференционных полос) стационара. При появлении угловой скорости со интерференционная картина начинает перемещаться по фотокатоду, причем чередование максимумов интенсивности происходит со скоростью, определяемой частотой биений. В системе обработки информации 7 путем преобразования синусоидального сигнала, снимаемого с фотоэлектронного умножителя, в счетную последовательность прямоугольных импульсов осуществляется представление частоты биений в цифровой форме. Таким образом, количество импульсов, подсчитанных за секунду времени, равно частоте биений, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна угловой скорости со. ТО, ЛГироскоп может быть отнесен к датчикам угловой скорости с частотным выходом (частотным датчикам угловой скорости). Исп-ие оптического диапазона частот, т.е. очень малых длин волн А, позволяет реализовать чрезвычайно высокую чувств-сть лазерного гироскопа к угловой скорости, вследствие большой величины масштабного коэффициента К = К/Х. Так, например, лазерный гироскоп, построенный на оптическом квантовом генераторе, представляющем собой четырехугольный резонатор со стороной 25 см и работающем на частоте 5 • 10 Гц (пятьсот Терагерц), обладает чувствительностью 4 • 10 Гц на угловую скорость в 1 рад/с. Такое свойство является очень ценным, т.к. именно в области измерения частот современная техника имеет весьма большие достижения.
Лазерный гироскоп может быть использован и как измеритель угла поворота в инерциальном пространстве того основания, на котором он установлен. Для этого достаточно просуммировать число импульсов за время интегрирования. Тогда сумма импульсов окажется равной, т.е. углу поворота основания. Эта операция выполняется в реверсивном счетчике 8, где происходит суммирование с учетом знака со. Численное значение цены одного импульса в существующих лазерных гироскопах составляет А = 1,25"/импульс. Эта величина убедительно показывает, какими большими измерительными возможностями обладает данная техника. Важно при этом подчеркнуть, что число импульсов зависит только от угла поворота основания и не зависит от флуктуации угловой скорости со внутри интервала интегрирования.
Так как выходной сигнал лазерного гироскопа имеет дискретную форму, его можно вводить непосредственно в ЭВМ. В этом случае функции реверсивного счетчика будет выполнять одна из подпрограмм машинного алгоритма. В указанной совместимости лазерного гироскопа с цифровой вычислительной техникой заключается одно из самых больших его преимуществ по сравнению с обычными электромеханическими гироскопами. Другим достоинством ЛГ является отсутствие вращающихся механических частей, что во много раз повышает его надежность по сравнению с э/механическими гироскопами, особенно с контактным подвесом. Следует также отметить такие достоинства лазерного гироскопа, как практически мгновенный запуск, малая потребляемая мощность (единицы ватт), высокая точность измеряемых угловых скоростей, малая чувствительность к линейным перегрузкам того объекта, на котором гироскоп установлен, а также широкий динамический диапазон работы по угловым скоростям (от 10 °/ч до 10 /с), что делает этот прибор особо пригодным для использования в бесплатформенных инерциальных системах ориентации и навигации.
Волоконно-оптический гироскоп. Весьма перспективным с позиций применения на судах морского флота считается появившийся в последние годы волоконно-оптический гироскоп (ВОГ). Чисто технические преимущества волоконно-оптических гироскопов по сравнению с лазерными: в них практически отсутствует явление "захвата", отпадает необходимость в таком сложном блоке как резонатор, отсутствуют сложные в изготовлении зеркала и т.д. Принцип действия волоконно-оптического гироскопа схож с принципом действия лазерного гироскопа, отличие состоит лишь в том, что свет распространяется в канале замкнутого контура, представляющем собой катушку оптического волокна. При вращении катушки с угловой скоростью со вокруг оси, ортогональной плоскости витков катушки, происходят явления, аналогичные тем, что были рассмотрены в лазерном гироскопе, и в результате которых возникают биения, частота которых определяется формулой:
где N — число витков в оптическом контуре катушки. Из формулы (3.25) вытекает, что высокая чувствительность волоконно-оптического гироскопа может быть достигнута на основе использования многовитковой катушки. Принципиальная схема волоконно-оптического гироскопа представлена на рис. 3.6. Оптический контур гироскопа образован волоконным световодом. Длина этого световода обычно составляет несколько сотен метров, а диаметр катушки находится в пределах 6—12 см. В отличие от лазерного гироскопа, в волоконно-оптическом гироскопе практически не возникает явления синхронизации, поскольку это пассивная конструкция, в которой световой источник (лазер) находится вне оптического контура. В качестве источника лазерного излучения в волоконно-оптическом гироскопе обычно используют полупроводниковые твердотельные лазеры (лазерные диоды), имеющие длину волны излучения в пределах 0,9—1,3 мкм. При рассмотрении рис. 3.6 становится ясно, что лазерное излучение, созданное лазерным диодом 1, пройдя светоделитель 2 и устройства ввода-вывода 3 и 4, поступает в оптический контур и, как и в лазерном гироскопе, распространяется в двух противоположных направлениях. Пройдя через оптический контур, световые потоки, с помощью светоделителей 2 и 5, подаются на фотодетектор 6, где и происходит выделение и определение разностной частоты световых лучей. Она позволяет в конечном счете определить значение угловой скорости ω. В одном плече оптического контура установлен фазовый модулятор 7, который при отсутствии угловой скорости ω обеспечивает относительный сдвиг фаз двух колебаний на π/2. ВОГ, используемые в созданных гирогоризонткомпасах, имеют случайный дрейф, величина которого находится в пределах 0,1—0,01°/ч. Общие сведения о бесплатформенных системах навигации и ориентации. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) и бесплатформенные системы ориентации (БСО), к которым относятся и гирогоризонткомпасы, являются системами аналитического типа, т.к. не содержат в своем составе гиростабилизированных платформ. Главное отличие бесплатформенных систем от платформенных состоит в том, что в бесплатформенных системах инерциальные чувствительные элементы (гироскопы и акселерометры) монтируются на соответствующей плате, которая жестко связана с объектом. Иначе говоря, они крепятся непосредственно на корпусе объекта. Применительно к морскому флоту наиболее перспективными показали себя бесплатформенные системы, построенные на трех датчиках угловой скорости и трех (двух) акселерометрах. В качестве датчиков угловой скорости в них применены оптические гироскопы (лазерные и волоконно-оптические). Разумеется, что в бесплатформенных системах все инерциальные измерения производятся в системе координат, связанной с объектом. Для целей судовождения параметры ориентации объекта (курс, крен, дифферент), а также параметры его движения (скорость) и положения (широта и долгота) должны быть определены в горизонтной (географической) системе координат. По этой причине необходимой составной частью бесплатформенной системы является вычислительное устройство, осуществляющее функции пересчета, причем с высоким быстродействием. Можно сказать, что только в результате создания современных ЭВМ оказалась возможной реализация бесплатформенных систем навигации. Бесплатформенные системы навигации обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с платформенными. Среди достоинств следует отметить:
1) отсутствие гиростабилизированной платформы, содержащей сложные высокоточные механические, а также электрические элементы;
2) снижение энергопотребления, вытекающее из п. 1;
3) повышение надежности и ремонтопригодности;
4) сокращение времени начальной выставки;
5) возможность применения гироскопических чувствительных элементов, базирующихся на новых принципах;
6) сравнительно более простое комплексирование с ЭВМ.
На пути широкого применения бесплатформенных систем встречается и ряд трудностей, основными являются:
1) чрезвычайно высокие требования, предъявляемые к чувствительным элементам (гироскопам и акселерометрам) в отношении точности, быстродействия, а также диапазону измеряемых величин, вытекающие из условий их работы при жестком закреплении на борту объекта (качка, удары, вибрации);
2) высокие требования к быстродействию и объему памяти ЭВМ, функционирующих в сложных меняющихся физических условиях.
Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 195 | Нарушение авторских прав