Оптические гироскопы - часть 19

 

77

Изменяется  длина  периметра  и  соответствующим  образом  изменяется 

частота генерации. (Влияние изменения частоты генерации на характеристи-
ки КЛ рассматривались ранее.) Вторым явлением, сопровождающим дефор-
мацию резонатора, является изменение потерь. Потери в резонаторе в значи-
тельной мере определяют уровень интенсивности генерации, которая, в свою 
очередь, входит в выражения для всех коэффициентов выходной характери-
стики КЛ. Таким образом, деформация резонатора через частоту генерации и 
потери  изменяет  выходную  характеристику  КЛ.  Третьим,  едва  ли  не  самым 
важным явлением, является влияние деформации резонатора на связь встреч-
ных  волн  за  счет  изменения  расстояния  между  рассеивающими  центрами  и 
соответствующего  изменения  эффективных  коэффициентов  связи  (см. 2.6). 
Частично этот эффект компенсируется при использовании системы миними-
зации зоны захвата. Четвертым фактором, связанным с деформацией резона-
тора,  является  изменение  значения  дифракционного  расщепления  частот 
встречных волн, что обусловлено смещением элементов конструкции резона-
тора  (диафрагм)  относительно  встречных  световых  пучков,  распространяю-
щихся в резонаторе. 
 2. 

Вторая  группа  источников  технических  флуктуаций  в  КЛ  связана  с 

нестабильностью  тока  разряда  в  активной  среде.  Флуктуации  тока  разряда 
вызывают  колебания  интенсивностей  встречных  волн,  так  как  коэффициент 
усиления активной среды зависит от тока разряда. Поскольку параметры вы-
ходной  характеристики  КЛ  зависят  от  интенсивности  генерации,  колебания 
тока разряда приводят к погрешности ЛГ. В том случае, когда активный эле-
мент  выполнен  в  виде  двух  разрядных  промежутков,  взаимно  некоррелиро-
ванные колебания тока разряда в них приводят к флуктуациям сдвига нуля. 
 

Рассмотрим  основные  параметры  ЛГ,  определяющие  его  точностные 

характеристики и подлежащие измерению. К числу таких параметров, преж-
де всего, нужно отнести дрейф ЛГ и его масштабный коэффициент. 

Дрейф

 ЛГ.

 

Этот параметр определяется сдвигом нуля выходной харак-

теристики ЛГ, поскольку сдвиг нуля представляет собой частоту выходного 
сигнала ЛГ при отсутствии входной скорости. Скорость вращения, получен-

ная  пересчетом  из  значения  сдвига  нуля 

0

0

1

ν

∆

=

Ω

K

,  представляет  собой 

кажущуюся  скорость  вращения  ЛГ.  Она  аналогична  дрейфу  механического 
гироскопа, поэтому ее и называют обычно дрейфом ЛГ. В иностранной лите-

 

78

ратуре  часто  используется  термин “bias”  (смещение),  который  по  своему 
смыслу полностью идентичен (для ЛГ) термину “дрейф”. 
 

Величину  дрейфа  ЛГ  обычно  определяют,  выставив  измерительную 

ось ЛГ под определенным углом к оси вращения Земли. Ошибка выставки в 
значительной мере определяет точность измерения дрейфа ЛГ. В том случае, 
когда  измерительная  ось  ЛГ  приблизительно  ортогональна  оси  вращения 
Земли, ошибка выставки в 1

′ дает погрешность определения дрейфа 0,004 °/ч. 

При  измерительной  оси  ЛГ,  приблизительно  параллельной  оси  вращения 
Земли, требования к точности выставки значительно снижаются. В этом слу-
чае  ошибка  выставки  в  1

°  дает  погрешность  определения  дрейфа 0,002 °/ч. 

Дрейф ЛГ определяют по следующему алгоритму 

 

)

cos(

2

10

296

,

1

з

6

0

Ω

n

⋅

Ω

−

π

⋅

=

Ω

з

K

T

N

, 

где 

∫

ω

∆

π

=

T

dt

N

0

2

1

 

− число периодов выходного сигнала ЛГ, полученное при 

суммировании за время осреднения Т,  

з

Ω

 - вектор скорости вращения Зем-

ли, 

n

 - вектор  измерительной  оси  ЛГ.  Масштабный  коэффициент  K  должен 

быть  измерен  заранее.  Множитель 

K

π

⋅

2

10

296

,

1

6

  представляет  собой  угловую 

цену  периода  выходного  сигнала  ЛГ,  выраженную  в  угловых  секундах.  По-
скольку угловая секунда в секунду равна градусу в час, выражая Т в секундах 
а 

з

Ω  в градусах в час, получаем 

0

Ω  в градусах в час или в угловых секундах 

в секунду, что в принципе одно и то же. Какую из этих единиц следует вы-
брать, определяют по времени осреднения Т. 
 

При  измерении  дрейфа  ЛГ  обычно  устанавливают  следующие  его  ха-

рактеристики: 
•  постоянную составляющую дрейфа, определяемую как величину 

0

Ω , по-

лученную усреднением всех результатов измерений, проводимых обычно 
в течение нескольких дней или недель; 

•  нестабильность  дрейфа  в  течение  одного  запуска,  определяемую  обычно 

как  среднеквадратичное  отклонение  значений  дрейфа

0

Ω , измеренных на 

определенных временных отрезках (чаще всего выбирают отрезки време-
ни продолжительностью 1 ч); 

 

79

•  нестабильность дрейфа от включения к включению, которая определяется 

как  среднеквадратичное  отклонение  средних  для  каждого  запуска  значе-
ний дрейфа 

0

Ω ; 

•  величину  случайного  дрейфа,  которую  определяют  через  коэффициент 

случайного дрейфа R (см. 2.10, 2.11). Значение R определяют построением 
зависимости среднеквадратичного отклонения ошибки измерения углово-
го  перемещения 

)

(T

θ

σ

  от  времени  осреднения  Т  (2.19)  и  последующей 

аппроксимацией этой зависимости параболой в соответствии с выражени-
ем 

T

R

θ

θ

=

σ

. Другим вариантом определения коэффициента случайно-

го дрейфа R является построение среднеквадратичного отклонения ошиб-
ки измерения угловой скорости 

)

(T

Ω

σ

 как функции времени осреднения 

Т: 

 

 

 

 

( )

T

R

T

dt

T

K

T

T

=

⎟

⎟
⎠

⎞

⎜

⎜
⎝

⎛

ψ

−

ψ

=

σ

∫

Ω

2

0

1

~

1

 

и также последующей аппроксимацией этой зависимости. 

 

Кроме  перечисленных  основных  характеристик  могут  также  опреде-

ляться  следующие  параметры:  переходная  характеристика  дрейфа  после 
включения  ЛГ  до  его  выхода  на  стационарный  режим;  чувствительность 
дрейфа к внешним воздействиям (изменение температуры окружающей сре-
ды, магнитное поле, ускорение и т.д.); статистические характеристики, кото-
рые могут быть представлены в виде спектральной плотности шума. 
 

Масштабный

 коэффициент.

  Этот  параметр  ЛГ  определяется  посред-

ством  вращения  ЛГ  с  постоянной  скоростью  и  измерения  числа  периодов 
выходного  сигнала  за  один  оборот  при  вращении  поочередно  в  противопо-
ложных направлениях: 

)

(

2

1

2

2

2

−

π

+

π

+

=

π

N

N

K

, 

где 

( )

∫

±

±

π

ν

∆

=

об

t

dt

N

0

2

, 

об

t

 

− время оборота, 

±

ν

∆ )

(

 

− частота выходного сиг-

нала  ЛГ  при  вращении  в  положительном  или  отрицательном  направлении. 
Точность  определения  масштабного  коэффициента  зависит  в  основном  от 
точности  фиксации  прохождения  угла  2

π  рад  (оборота).  При  погрешности 

фиксации 1

″ – относительная погрешность измерения масштабного коэффи-

 

80

циента  составляет ~ 

6

10

−

.  Для  масштабного  коэффициента  измеряются 

обычно те же характеристики, что и для дрейфа ЛГ, но с одной дополнитель-
ной – масштабным коэффициентом как функции скорости вращения. 
 

Современные  ЛГ  характеризуются  относительной  нестабильностью 

масштабного коэффициента на уровне 

7

6

10

...

10

−

−

. 

 

2.13. Многочастотные лазерные гироскопы 

Уже в середине 60-х гг. была сформулирована идея создания ЛГ с ну-

левой  зоной  захвата  за  счет  использования  четырехволнового  режима  для 
уменьшения связи встречных волн. Патент США, выданный на дифференци-
альный  ЛГ (Differential Laser Gyro System), закрепил за  четырехчастотными 
ЛГ 

общеизвестную 

аббревиатуру 

DILAG.  Разработка  одного  из  первых 
образцов DILAG относится  к 1977 г. 
Промышленное  производство  четы-
рехчастотных  ЛГ  начато  фирмой “Lit-
ton”  в 1991 г  после  приобретения  ею 
технологии  создания  таких  ЛГ,  разра-
ботанной 

фирмой “Rayteon 

Corporation”. 

В 

фирме “Litton” 

четырехчастотныq  ЛГ  получил  назва-
ние “Zero Lock Laser Gyro” (ZLG) – ЛГ 
с  нулевой  зоной  захвата.  С 1991 по 
1998  гг.  фирмой “Litton” произведено 
более 1500 промышленных навигационных систем на основе ZLG. 

Обобщенная 

оптико-физическая 

схема 

многочастотных 

ЛГ 

представлена  на  рис. 2.38. В  плоский  резонатор  ЛГ  введены  два  элемента: 
фарадеевская  ячейка  (невзаимное  фазовое  устройство  НФУ)  и  ячейка 
оптически  активного  кварца  (взаимный  элемент).  Собственными  волнами 
такой  системы  является  пара  встречнобегущих  волн,  каждая  из  которых 
содержит две волны – одну с левоциркулярной и вторую с правоциркулярной 
поляризациями.  Волны  с  разными  циркулярными  поляризациями,  проходя 
через взаимный элемент, испытывают противоположные сдвиги по фазе, что, 
приводит к их расщеплению по частоте на величину 

–

+

Оптически 
активный 
элемент 

Активный 

He-Ne элемент 

Фарадеевское НФУ 

Рис. 2.38