Оптические гироскопы - часть 18

 

  Главная      Учебники - Производство     

 

поиск по сайту           правообладателям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  16  17  18  19   ..

 

 

Оптические гироскопы - часть 18

 

 

 

73

( ) (

)

(

)

[

]

[

]

[

]

.

2

)

(

2

)

(

)

(

2

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0 0

0 0

0

2

1

0

2

1

2

0

2

1

2

2

∫ ∫

∫ ∫

=

′′

′′

δ

=

=

′′

′′

=

′′

′′

+

′′

+

=

=



+

=

ω

ψ

=

δψ

=

δψ

T T

T T

T

T

T

DT

t

d

t

d

t

t

D

t

d

t

d

t

F

t

F

t

d

t

F

t

F

t

d

t

F

t

F

t

d

t

F

t

F

t

t

t

t

D

 

Здесь  учтено,  что 

,

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

t

F

t

F

t

F

t

F

t

F

t

F

′′

=

′′

=

′′

  а  также  некор-

релированность 

.

0

)

(

)

(

2

1

=

′′

t

F

t

F

  

Полученное выражение показывает, что дисперсия флуктуаций разно-

сти  фаз  пропорциональна  времени  измерения  Т,  т.  е.  флуктуации  разности 
фаз,  обусловленные  наличием  спонтанного  излучения,  накапливаются  во 
времени.  Эта  закономерность  хорошо  известна  и  всегда  имеет  место,  когда 
происходит интегрирование “белого шума”. Такой процесс обычно называют 
диффузией  фазы,  или  случайным  дрейфом.  Обычно  вводят  так  называемый 
коэффициент  случайного  дрейфа  R,  который  определяют  через  среднеквад-
ратичное  отклонение  флуктуаций  разности  фаз,  поделенное  на  корень  из 
времени измерения: 

( )

D

T

D

T

T

R

2

2

/

1

2

=

=

σ

=

⎛ δψ

=

δψ

δψ

δψ

 . 

Учитывая,  что  дисперсия    (коэффициент  диффузии  фазы)  равна  ширине 
линии, обусловленной спонтанным излучением, находим 

P

R

c

ω

ω

=

δψ

Коэффициент случайного дрейфа определяет минимально достижимые  

флуктуации разности фаз встречных волн (при устранении всех технических 
источников  флуктуации)  и,  соответственно,  предельную  точность  ЛГ.  По-
скольку  точность  ЛГ  обычно  оценивают  через  погрешность  измерения  ско-
рости  вращения 

  или  угла  поворота 

θ

,  коэффициент  случайного  дрейфа 

удобно представить через ошибку измерения угла поворота 

θ

. Для этого ис-

ходное  выражение (2.18) поделим  на  масштабный  коэффициент  K

~

  и  полу-

чим коэффициент случайного дрейфа в виде 

 

74

.

~

P

K

R

c

ω

ω

=

θ

 

Оценки удобнее проводить, используя мощность 

вых

P

 на выходе одно-

го из зеркал резонатора с известным пропусканием 

з

. Обозначая общие по-

тери в резонаторе через 

µ

, свяжем полную теряемую мощность 

 с 

вых

P

µ

=

з

вых

T

P

P

Поскольку  ширину  линии  резонатора 

c

ω

  можно  выразить  через  доброт-

ность резонатора Q

L

c

Q

c

µ

=

ω

=

ω

найдем коэффициент случайного дрейфа 

⎥⎦

⎢⎣

с

рад

 в виде 

2

/

1

вых

з

~

⎟⎟

⎜⎜

⎛ ωµ

=

θ

P

T

L

K

c

R

Оценим коэффициент случайного дрейфа для следующих параметров ЛГ: 

=20  см; 

µ

 = 4

4

10

4

з

10

=

T

вых

P

 = 50 мкВт.  Подставив  эти  значения  в 

выражение для 

θ

, получим: 

 

.

ч

0002

,

0

с

"

012

,

0

с

рад

10

6

8

=

=

=

θ

R

 

Таким образом, для ЛГ с приведенными выше параметрами спонтанное 

излучение приводит к ошибке измерения угла за час порядка (

4

10

2

)

°

. Для 

сравнения напомним, что Земля за час поворачивается на 15

°

 и, следователь-

но, ЛГ с предельными точностными характеристиками обеспечивает чрезвы-
чайно высокую точность инерциальных измерений углов и угловых скоро-
стей. 

 

2.11. Случайный дрейф за счет использования виброподставки 

 

Использование виброподставки, и тем более с ее ошумлением, приво-

дит  к  некоторому увеличению  случайной  составляющей  погрешности  изме-
рений. Такое увеличение обусловлено многократными проходами через зону 
захвата,  каждый  из  которых  сопровождается  некоторым  измерением  разно-
сти фаз, а также введением шума в угловые колебания КЛ. В результате, раз-

 

75

ность 

ψ

 имеет случайную (шумовую) составляющую, осреднение которой во 

времени дает ошибку с дисперсией, пропорциональной времени осреднения. 
Обозначим  случайную  составляющую  разности  фаз,  как 

δψ

,  т.  е. 

t

ω

ψ

=

δψ

. Из (2.16) можем выразить 

δψ

 в следующем виде 

t

d

t

K

J

t

T

k

ψ

θ

ω

=

ω

ψ

=

δψ

0

0

з

sin

)

,

~

(

Определим дисперсию величины 

δψ

(

)

(

)

.

)

(

sin

)

(

sin

)

,

~

(

)

,

~

(

0 0

0

0

2

з

2

∫ ∫

′′

′′

ψ

ψ

′′

θ

θ

ω

=

ω

ψ

=

δψ

T T

k

k

t

d

t

d

t

t

t

K

J

t

K

J

t

D

 

Функция 

)

,

~

(

0

t

K

J

k

θ

  является  случайной  функцией.  Будем  считать  ее 

флуктуации  некоррелированными  на  временах,  больших  половины  периода 
виброподставки.  Это  предположение  основывается  на  том  факте,  что,  как 
уже отмечалось, в течение периода виброподставки происходит два прохода 
через зону захвата с соответствующими малыми флуктуациями разности фаз. 
Поэтому  временное  усреднение  в  приведенном  выражении  для  дисперсии 

δψ

 можно отнести только к произведению двух функций Бесселя и получить 

(с учетом разложения (2.17)) соответствующую корреляционную функцию: 

П

П

П

0

0

)

,

~

(

)

,

~

(

τ

′′

ω

π

ω

=

′′

θ

θ

t

t

k

k

e

t

K

J

t

K

J

где 

П

τ

 

− период виброподставки.  

Подставляя  полученную  корреляционную  функцию  в  выражение  для 

дисперсии 

δψ , получаем 

(

)

(

)

ψ

ω

ω

′′

ω

π

ω

ψ

ω

=

∫ ∫

τ

′′

δψ

2

П

2

з

0 0

П

П

2

2

з

sin

2

sin

П

T

t

d

t

d

e

D

T T

t

t

Значение 

ψ

2

sin

 на больших временах осреднения Т можно заменить на 1/2. 

Тогда окончательно получаем 

(

)

T

D

П

2

з

ω

ω

=

δψ

 или  

T

П

з

ω

ω

=

σ

δψ

Полученный результат говорит о том, что виброподставка с ошумлени-

ем, ликвидируя зону захвата и нелинейность выходной характеристики в це-

 

76

лом,  приводит  одновременно  к  появлению  дополнительного  шума  в  выход-
ном  сигнале  КЛ,  воспринимаемого  как  случайный  дрейф  ЛГ.  Коэффициент 
случайного  дрейфа  определяем  по  аналогии  с  определением  коэффициента 
случайного дрейфа с учетом спонтанного излучения (см. 2.10) в виде 

ω

ω

=

σ

=

δψ

П

з

T

R

 

Ошибку измерения угла поворота ЛГ за время Т найдем, поделив R на мас-
штабный коэффициент: 

=

=

σ

θ

θ

T

R

T

K

R

~

 

   (2.19) 

Оценим  значение 

θ

,  обусловленного  наличием  виброподставки  с  ошумле-

нием. Для резонатора квадратной формы со стороной порядка 10 см 

6

10

~ ≅

K

Типичными параметрами виброподставки являются частота 

π

ω

2

П

 = 400 Гц 

и амплитуда 

0

θ  порядка 3′. Тогда, подставив эти значения в выражение для 

θ

, получаем  

ч

002

,

0

с

"

1

,

0

=

=

θ

R

Следует  отметить,  что  с  точки  зрения  процедуры  определения  точностных 
характеристик  ЛГ,  случайный  дрейф,  обусловленный  виброподставкой,  ни-
чем не отличается от случайного дрейфа за счет квантовых флуктуаций излу-
чения.  
 

2.12. Точностные характеристики современных лазерных гироскопов 

 

Ранее показано, что потенциальная точность ЛГ весьма высока, однако 

реально  ЛГ  характеризуется  значительно  большими  значениями  погрешно-
стей. Определим основные источники технических флуктуаций в КЛ. В зна-
чительной степени условно их можно разбить на три группы. 

1. Источники флуктуаций первой группы связаны с изменением темпе-

ратуры корпуса ЛГ (на котором крепятся зеркала резонатора) за счет измене-
ния температуры окружающей среды или температуры активной среды. Из-
менение температуры корпуса ЛГ приводит, как правило, к деформациям ре-
зонатора. Вследствие этого в КЛ происходят следующие явления. 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  16  17  18  19   ..