Оптические гироскопы - часть 17

 

69

 

Система стабилизации строится по следующей схеме (рис. 2.35). Пере-

менная составляющая интенсивности одного из выходных лучей КЛ регист-
рируется  фотоприемником  ФП,  усиливается  в  предварительном  усилителе 
ПУ и подается на синхронный детектор СД. 

 В качестве опорного сигнала на СД подается сигнал со звукового генератора 
ЗГ, используемого  в качестве источника поискового сигнала.  СД вырабаты-
вает сигнал постоянного тока, знак которого определяется соотношением фаз 

Рис. 2.34 

t                    t                t 

U

П

 

t 

t 

t 

U

ФП

 

I 

ν

  

(

∆

L)

ПК 

Рис. 2.35

ФП

ПУ

СД 

ЗГ 

УПТ

 

70

входных сигналов, а значение 

−

 амплитудой переменной составляющей сиг-

нала  ФП.  Фактически  на  выходе  СД  мы  имеем  сигнал,  пропорциональный 
производной 

ν

d

dI /

.  На  вершине  контура  мощности 

0

/

=

ν

d

dI

  и  соответст-

венно значение сигнала, подаваемого через усилитель постоянного тока УПТ 
на пьезокерамический преобразователь ПК, также равно нулю. 
 

 

Следует отметить, что система стабилизации поддерживает постоянной 

величину периметра L. При этом стороны резонатора могут изменяться про-
извольным  образом  с  соответствующим  изменением  амплитуд  и  фаз  коэф-
фициентов связи (см. 2.6.). С этой точки зрения одновременно со стабилиза-
цией  периметра  резонатора  необходимо  проводить  регулировку  длин  его 
сторон, направленную на минимизацию связи встречных волн и зоны захва-
та.  Такая  регулировка  осуществляется  посредством  установки  еще  одного 
зеркала на пьезокерамический преобразователь (рис. 2.36). В качестве сигна-
ла ошибки используется глубина модуляция интенсивности выходного луча 
КЛ, обусловленная связью встречных волн (см. рис. 2.16). Система миними-
зации зоны захвата СМЗЗ подает постоянные напряжения разных знаков на 
два пьезокерамических преобразователя ПК. При этом зеркала перемещают-
ся  в  противоположных  направлениях,  сохраняя  периметр  неизменным,  но 
варьируя длины сторон резонатора. В результате изменяются расстояния ме-
жду рассеивающими центрами (зеркалами) и как следствие изменяются сум-
марные  рассеянные  волны.  Одновременно  с  этим  процессом  система  стаби-

лизации периметра ССП осуществляет стабилизацию частоты генерации. 
 

ПК 

ПК

Рис. 2.36

ФП

ССП

ЗГ 

ФП

СМЗЗ

 

71

2.10. Потенциальная точность лазерного гироскопа 

 

Источники  погрешностей  измерения  угловой  скорости  ЛГ  делятся  на 

две  группы – технические  и  естественные.  Технические  погрешности  или 
флуктуации параметров КЛ обусловлены вибрациями, изменением темпера-
туры,  колебаниями  тока  разряда  и  другими  причинами  конструктивно-
технологического  характера.  Технические  флуктуации  могут  быть  снижены 
и,  в  принципе,  ликвидированы  полностью.  Естественные  флуктуации,  опре-
деляющие  предельно  достижимую  точность  ЛГ,  обусловлены  принципиаль-
но неустранимыми причинами – квантовым характером излучения (в основ-
ном  спонтанного  излучения)  и  атомной  структурой  вещества  резонатора, 
приводящей к колебаниям длины резонатора.  
 

Рассмотрим  ширину  линии  выходного 

сигнала  КЛ  или  нестабильность  частоты  ге-
нерации из-за естественных флуктуаций. Как 
отмечалось ранее, частота генерации опреде-
ляется  значением  собственной  частоты  резо-
натора, доплеровским уширением, естествен-
ной шириной линии излучения, шириной ли-
нии резонатора. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.37. 

 При отсутствии технических флуктуаций (т. е. линия резонатора неподвиж-
на) ширина линии генерации зависит в основном от ширины линии резонато-
ра.  При  этом  в  процессе  генерации  происходит  как  бы  самосужение  линии 
излучения,  так  как  наибольшее  усиление  (наиболее  выгодные  условия  для 
генерации)  наблюдается  в  центре  линии  резонатора.  Однако  такое  сужение 
ограничено наличием спонтанного излучения, состоящего из некогерентных 
фотонов со случайной фазой. Суперпозиция когерентного вынужденного из-
лучения  со  спонтанным  излучением  дает  уширение  спектральных  линий 
встречных волн КЛ, что, в свою очередь, проявляется в сигнале биений. Про-
иллюстрируем  этот  эффект    наглядной  диаграммой.  Если  представить  одну 
из    встречнобегущих    волн    в  форме  вектора 

А

,  то  спонтанная  эмиссия 

S

, 

складываясь с вектором 

А

 

в произвольной фазе (рис. 2.37), приводит к слу-

чайным вариациям фазы 

∆ψ

.  

Анализ показывает, что ширина линии генерации 

δν

0

 определяется вы-

ражением  

 

72

(

)

2

0

2

c

ab

P

ω

∆

ω

≅

δω

, 

где 

c

ω

∆

 

−

  ширина  линии  резонатора, 

P 

−

  мощность  генерации,  теряемая  в 

резонаторе (в основном за счет поглощения и пропускания зеркал).  
 

Работа КЛ с учетом естественных флуктуаций может быть описана 

введением соответствующих источников флуктуаций в уравнение для разно-
сти фаз встречных волн  

)

(

)

(

)

(

~

2

1

t

F

t

F

t

F

K

+

+

ω

∆

=

+

Ω

=

ψ

     

 

 

где 

)

(

и

)

(

2

1

t

F

t

F

  –  источники  флуктуаций  фаз  электромагнитных  полей 

встречных  волн,  обусловленных  спонтанным  излучением.  Поскольку  время 
жизни  атомов  активной  среды  много  меньше  постоянной  затухания  поля  в 
резонаторе,  источники  флуктуаций  можно  считать  стационарными  случай-
ными процессами в виде белого гауссовского шума с нулевым средним. Кор-
реляционная функция каждого из этих случайных процессов является дельта-
функцией  

)

(

)

(

)

(

v

u

D

v

F

u

F

i

i

−

δ

=

. 

Здесь 

 

−

 обозначение осреднения по времени, 

i = 1, 2. Электромагнитные 

поля  спонтанного  излучения  в  модах  встречных  волн  являются  статистиче-
ски независимыми, поэтому 

.

,

0

)

(

)

(

k

i

v

F

u

F

k

i

≠

=

  

 

Анализ показывает, что дисперсия D равна естественной ширине линии 

излучения 

0

δω

.  Разность  фаз  встречных  волн  найдем,  интегрируя (2.18), в 

виде 

[

]

∫

′

′

+

′

+

ω

∆

=

ψ

T

t

d

t

F

t

F

t

t

0

2

1

)

(

)

(

)

(

. 

Учитывая,  что 

( )

t

F

i

  являются  случайными  процессами  с  нулевым  средним, 

найдем среднюю во времени разность фаз в виде 

t

t

d

t

F

t

F

t

t

T

ω

∆

=

′

′

+

′

+

ω

∆

=

ψ

∫

0

2

1

)

(

)

(

)

(

. 

Тогда средний квадрат флуктуаций разности фаз при ее измерении в течение 
времени Т находим как 

(2.18)