CC BY
33Ссылка на статью:
// Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 02. С. 11-25.
Б01: 10.7463/^ор1.0216.0834778
Представлена в редакцию: 14.12.2015 Исправлена: 28.12.2015
© МГТУ им. Н.Э. Баумана УДК 681.2.084
Двухкоординатная оптико-электронная система для измерения положения кольцевого лазера
Авиев А. А.1' а^еу.а1екьеу@ amail.com
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В статье представлены функциональная схема и основные элементы конструкции двухкоординатной оптико-электронной системы для измерения относительного положения кольцевого лазера в кольцевом лазерном гироскопе с виброподставкой. Предлагаемая измерительная система состоит из плоского штрихового транспаранта, закреплённого на моноблоке кольцевого лазера, оптико-электронного модуля, закреплённого на основании кольцевого лазерного гироскопа и электронного блока обработки электрических сигналов модуля. Принцип действия системы основан на регистрации оптического излучения, отражённого от участков штрихового транспаранта. Измерительную систему предполагается применять для компенсации составляющей частотной виброподставки кольцевого лазерного гироскопа, а также для получения информации о величине наклона оси колебаний кольцевого лазера.
Ключевые слова: лазерный гироскоп, кольцевой лазер, частотная виброподставка, оптико -электронная измерительная система
Введение
В кольцевом лазерном гироскопе (КЛГ) с устройством виброподставки (ВП) [1] для вывода рабочей точки прибора из зоны захвата создаются относительные крутильные колебания кольцевого лазера (КЛ), вносящие в выходной сигнал гироскопа дополнительную составляющую, которую необходимо компенсировать.
Известен ряд методов, применяемых для компенсации составляющей, обусловленной ВП. Одним из таких методов является оптическое вычитание [2, 3]. Недостатками приборов, реализующих этот метод, являются необходимость выполнения тщательной юстировки оптических элементов, сильное влияние температуры на схему компенсации, а также высокие точностные требования, предъявляемые к фотосмесителю и его расположению.
Радиооптика
Сетевое научное издание МГТУ * ш. Н. Э. Баум1 т н а
1ийр://га dioQptic5.ru
В связи с развитием возможностей средств обработки данных и вычислительной техники в последнее время большую популярность получили КЛГ с компенсацией составляющей ВП при помощи цифрового фильтра [4, 5]. Однако полностью устранить эту составляющую таким методом принципиально невозможно, в результате чего в выходном сигнале ЛГ появляется шум [6]. Кроме того, использование цифровых фильтров неизбежно сопровождается задержкой выходного сигнала.
В [7] предлагается компенсировать составляющую ВП с помощью датчика параметров относительных крутильных колебаний КЛ, в качестве которого используется равно-плечный интерферометр Майкельсона. Недостатками датчика являются необходимость точного соблюдения расстояния от оси трипель-призмы до центра вращения КЛ, сложность юстировки элементов интерферометра, а также чувствительность измерительной схемы к температурным воздействиям и отклонениям оси вращения КЛ от номинального положения. Кроме того, данный интерферометр имеет сложную конструкцию, что значительно увеличивает габариты КЛГ, в целом.
Известно применение в качестве датчика относительных крутильных колебаний КЛ пьезоэлектрического кристалла, закрепляемого на одном из плечей упругого торсиона виброподвеса [8], или магнитоэлектрического (индуктивного) датчика [9]. Существенным недостатком этих датчиков является влияние качества вырабатываемого аналогового сигнала, неустойчивого к воздействию помех, на погрешность измерений. К другим недостаткам пьезоэлектрического и индуктивного датчиков относятся влияние нестабильности параметров измерительной цепи на точность измерений, наличие температурной погрешности, присутствие гистерезиса и нелинейности преобразования.
Таким образом, существующие методы компенсации составляющей ВП в выходном сигнале КЛГ имеют недостатки, отражающиеся на точности работы прибора.
Кроме этого, в КЛГ с ВП при наличии динамических воздействий на КЛГ (линейные и угловые ускорения) возникает наклон оси колебаний КЛ относительно её номинального положения, что приводит к появлению в измерениях КЛГ кинематических погрешностей.
В работе [10] проведено исследование погрешностей КЛГ с учётом внешних динамических воздействий в предположении конечной поперечной жёсткости виброподвеса. Рассмотрено движение КЛ при деформации торсионов виброподвеса в случаях воздействия линейных ускорений и круговой качки объекта, на котором установлен КЛГ. Сделан вывод о том, что при определённых входных воздействиях результирующая кинематическая погрешность может достигать неприемлемых значений для некоторых, в частности навигационных, задач.
Моделирование поведения КЛ в КЛГ с ВП на подвижном основании [11] подтверждает возникновение пространственного паразитного движения КЛ относительно основания и показывает, что возникающая при этом кинематическая погрешность может достигать уровня 0,05 град/ч.
С учётом жёстких требований к вспомогательным системам КЛГ по точности, массо-габаритным характеристикам, простоте конструкции, технологичности и надёжности
для компенсации составляющей ВП, а также для получения информации о величине наклона оси колебаний КЛ относительно её номинального положения в настоящей работе предлагается использовать двухкоординатную оптико-электронную измерительную систему.
Компенсация составляющей, обусловленной виброподставкой
Для компенсации составляющей ВП используется информация об измеряемом с помощью оптико-электронной системы относительном угловом положении КЛ в плоскости колебаний. Общая функциональная схема предлагаемой измерительной системы представлена на рис. 1, а, б. КЛ 1 совершает угловые колебания с частотой f и малой амплитудой вокруг оси 2. На моноблоке КЛ жёстко закреплён оптический носитель в виде плоского транспаранта 3, имеющего набор измерительных меток 4. Оптико-электронный модуль 5, закреплённый на основании КЛГ, относительно которого осуществляются колебания, направляет оптическое излучение на транспарант и формирует на его поверхности с помощью своей оптической системы три расположенных определённым образом световых пятна. При движении КЛ это излучение модулируется измерительными метками 4, отражается от транспаранта 3 и считывается модулем 5. Оптико-электронный модуль 5 содержит фотодетектор с несколькими фоточувствительными площадками, преобразующий принятое оптическое излучение в электрические сигналы. Схема автоматического регулирования фокусировки оптической системы 6 осуществляет поддержание параметров световых пятен в зависимости от электрических сигналов, получаемых от фотодетектора. Электронный блок преобразования электрических сигналов, вырабатываемых фотодетектором, в измеряемое угловое положение КЛ состоит из формирователя квадратурных сигналов 7 и блока обработки квадратурных сигналов 8. Измерительная система определяет угловое положение КЛ в реальном масштабе времени.
_
я) 0)
Рис. 1. Общая функциональная схема оптико-электронной системы для измерения параметров колебаний
виброподставки
Как видно из рис. 1, а, б, транспарант 3 установлен на КЛ 1 так, что он находится в плоскости колебаний, а его метки 4 располагаются параллельно прямой, соединяющей ось колебаний КЛ 2 и геометрический центр транспаранта 3. Удаление геометрического центра транспаранта от оси вращения составляет величину I. Оптико-электронный модуль 5 установлен на основании так, что световые пятна полностью попадают на транспарант, а центральное световое пятно находится на расстоянии I от оси вращения.
Плоский транспарант имеет рабочую область площадью не более 1 мм2, малые габариты и массу (менее 1 г), благодаря чему не создаёт механического или температурного дисбаланса в КЛ. Кроме того, установка и закрепление компактного транспаранта на КЛ не вызывает затруднений, связанных с возможным несоответствием температурных коэффициентов линейного расширения материалов КЛ и этого транспаранта. Все элементы, входящие в оптико-электронный модуль, являются миниатюрными, что обуславливает его малые габариты и массу. Оптико-электронный модуль с полупроводниковым лазером по объёму не превышает 0,01 дм .
На рис. 2 приведена конфигурация оптического носителя в виде плоского транспаранта 3. На транспарант нанесены прямые параллельные полосы 41 и 42. Каждая полоса 41 частично поглощает оптическое излучение, направляемое оптико-электронным модулем на поверхность транспаранта, а каждая полоса 42 полностью пропускает это излучение, поэтому условно можно считать полосы 41 «тёмными», а полосы 42 - «светлыми». Наименьшее расстояние между двумя «тёмными» полосами 41 или двумя «светлыми» полосами 42 составляет величину Ь (период), а ширина полос 41 и 42 одинакова и равна Ь /2. Величина Ь выбрана в соответствии с диаметром ё центрального светового пятна 91, создаваемого на поверхности транспаранта оптической системой оптико-электронного модуля, с учётом соотношения 3 Ь /4 = ё. Диаметры ё пятен 92, 93 удовлетворяют условию = (5 / 6..1) • й. В момент совпадения центра «тёмной» полосы и центра светового пятна 9
наблюдается минимум отражённого от транспаранта излучения, связанного этим пятном, однако при частичном поглощении излучения полосой световой поток не блокируется полностью. Наличие минимального светового потока необходимо для корректной работы схемы автоматического регулирования фокусировки оптической системы. В момент совпадения центра «светлой» полосы и центра светового пятна наблюдается максимум отражённого от транспаранта излучения. При колебаниях КЛ светлые и тёмные полосы поочерёдно пересекают световые пятна 91, 92, 93, благодаря чему модуляция интенсивности излучения от каждого светового пятна имеет периодический характер. С учётом указанных выше соотношений ширина полос не превосходит диаметр каждого светового пятна, поэтому характер модуляции близок к синусоидальному. Световые пятна 91, 92, 93 располагаются на одной прямой, находящейся под определённым углом к полосам транспаранта. Расстояние между пятнами 91 и 92, 93 в направлении, перпендикулярном полосам транспаранта, составляет Ь /4. Это обеспечивает фазовый сдвиг, равный ж / 2, между модуляциями интенсивности излучения от пятен 91, 92 и 91, 93. Расстояние между пятнами 91 и 92,
93 в направлении, параллельном полосам транспаранта выбирается минимальным при условии отсутствия взаимного влияния излучения от этих пятен, например, 5Ь /4.
41 42 Ъ/4
Ь/2
>■—*
92 91
9з
Ы4
Ь
Рис. 2. Конфигурация оптического носителя с измерительными метками в виде чередующихся
поглощающих и прозрачных полос
Предлагаемый транспарант отличается простой конфигурацией, т.к. измерительные метки представляют собой набор одинаковых элементов несложной формы. Малые габариты транспаранта, достаточные для измерений, и простота его конфигурации позволяют применять ряд широко распространённых и отработанных методов изготовления, что положительно сказывается на его стоимости и технологичности.
На рис. 3 представлена схема оптико-электронного модуля 5. Излучение от полупроводникового лазера 10 с длиной волны Л при помощи дифракционной решётки 11 разделяется на три расходящихся пучка, соответствующих нулевому и двум первым порядкам дифракции. Более высокие порядки дифракции не используются. Полученные таким образом три лазерных пучка проходят через поляризационный светоделитель 12, приобретают линейную поляризацию, после чего отражаются от зеркала 13 и коллимируются оптической системой 14. Далее излучение попадает на четвертьволновую пластинку 15, получая круговую поляризацию, и фокусируется с помощью объектива 16 на транспарант 3. Точность фокусировки достигается за счёт перемещения объектива 16 вдоль оптической оси при помощи актюаторов 17. Световые пятна 91, 92, 93 трёх сфокусированных на транспаранте 3 пучков располагаются так, как показано на рис. 2. Центральное световое пятно 91 соответствует пучку нулевого порядка дифракции. Диаметр ё центрального светового пятна 91 определяется числовой апертурой объектива 16 и длиной волны излучения, а диаметры боковых пятен 92, 93 - помимо этого, параметрами дифракционной решётки 11. Необходимые расстояния между световыми пятнами формируются соответствующим выбором параметров дифракционной решётки и угла поворота всего блока оптико-
электронного модуля относительно начального положения транспаранта. При колебаниях КЛ, связанный с ним транспарант, модулирует отражённое от него излучение и направляет обратно в объектив 16. Модулированные лазерные пучки проходят четвертьволновую пластинку 15 и приобретают линейную поляризацию, перпендикулярную поляризации пучков излучения, прошедшего от лазера 10 через поляризационный светоделитель 12. Три линейно поляризованных модулированных лазерных пучка последовательно проходят элементы 14, 13 и отражаются от поляризационного светоделителя 12, не пропускающего излучение в сторону лазера 10, что положительно сказывается на стабильности его работы. Затем модулированные пучки лазерного излучения проходят через цилиндрическую линзу 18 и попадают на многоплощадочный фотодетектор 19, генерирующий соответствующие интенсивностям этих пучков электрические сигналы.
Рис. 3. Функциональная схема оптико-электронного модуля
На рис. 4 показана схема расположения изображений световых пятен 91, 92, 93 на фоточувствительных площадках фотодетектора 19. Модулированный пучок нулевого порядка дифракции (пятно 91) попадает на фоточувствительные площадки А, В, С, Б сектора 191, а пучки первых порядков (пятна 92, 93) - на площадки Е сектора 192 и Б сектора 193. Все три пучка содержат информацию об угловом положении объекта измерения; пучок нулевого порядка дополнительно содержит информацию о качестве фокусировки объектива 16.
Рис. 4. Схема расположения световых пятен на площадках фотодетектора
Для выделения информации об угловом положении КЛ в плоскости колебаний используются электрические сигналы, полученные от площадок E и F фотодетектора, а также суммарный сигнал (A + B + C + D) от площадок A, B, C, D. Эти электрические сигналы, как и характер модуляции интенсивности излучения, при колебаниях КЛ являются периодическими и близки к синусоидальным. При соблюдении расположения световых пятен на транспаранте согласно рис. 2 три сигнала, получаемые от элементов E, (A + B + C + D) и F, сдвинуты друг относительно друга по фазе на ж/2. Первичная обработка этих сигналов позволяет получить два синусных квадратурных сигнала, несущих информацию о величине и направлении перемещения транспаранта, которые можно представить в виде:
Ц = as ■ sin ^ j + d5 = a ' sin ((-) + ds,
Ц = ac 'sin^2жХ(-)±Ж + ¡¡j + dc = ±ac ■ cos((t) + ¡) + dc,
где (p(t) = 2лХ-) - фаза сигналов, x(t) - перемещение транспаранта вдоль дуги окружно-b
сти, b - расстояние между метками транспаранта, a5 - амплитуда синусного сигнала, ds - смещение синусного сигнала, a - амплитуда косинусного сигнала, d - смещение косинусного сигнала, ¡ - дополнительный сдвиг фаз между синусным и косинусным сигналами. В процессе работы системы на квадратурные сигналы действуют возмущения, приводящие к изменению параметров a5, d5 , ac, dc, ¡ с течением времени, что затрудняет обработку. Выделение информации, содержащейся в фазе квадратурных сигналов, с учётом изменения их параметров и вычисление измеряемого углового положения КЛ по регистрируемым значениям Ц и Ц может быть выполнено известными методами [12, 13].
По результатам экспериментального исследования при периоде штрихов транспаранта b = 1,6 мкм и расстоянии ^ = 50 мм от центрального светового пятна оптико-
электронного модуля до оси колебаний КЛ максимальное значение погрешности измерения относительного углового положения в плоскости колебаний составило приблизитель-
но 1,65 угл. сек. Наиболее вероятной в процессе измерений оказалась абсолютная величина погрешности, не превышающая 1,1 угл. сек.
Для компенсации составляющей ВП величину относительного углового положения КЛ вычитают из выходного сигнала КЛГ. Погрешность измерения относительного углового положения КЛ приблизительно соответствует разрешающей способности КЛГ, благодаря чему компенсация не сказывается на точности прибора.
Измерение величины наклона оси колебаний кольцевого лазера
Для поддержания заданных параметров световых пятен и точной фокусировки объектива 16 на поверхность транспаранта 3 применяется астигматический метод. Благодаря использованию цилиндрической линзы 18 проекция пучка нулевого порядка дифракции (пятно 91) на сектор фотоприёмника 191 меняется от круговой до эллиптической в зависимости от расстояния между объективом и транспарантом. Рис. 5 иллюстрирует форму пятна на фотоприёмнике при различных положениях объектива по отношению к транспаранту.
Рис. 5. Форма пятна на фотоприёмнике от пучка нулевого порядка дифракции при расположении объектива а) слишком близко к транспаранту, б) в месте точной фокусировки, в) слишком далеко от транспаранта
Схема автоматического регулирования фокусировки 6 оптической системы показана на рис. 6. При проецировании пучка некруглой формы (нарушение точной фокусировки) на фоточувствительные площадки А, В, С, Б электрический сигнал, получаемый от каждого из этих элементов, имеет различную величину. Сигнал ошибки фокусировки Гвгг
вырабатывается с помощью дифференциального усилителя 20 с учётом следующего соотношения электрических сигналов ¥втт = (А + С) - (В + Б) . Сигнал Гвгг поступает в блок компенсации фокусировки 21, который с учётом этого сигнала управляет актюаторами 17 и приводит объектив 16 в положение точной фокусировки на транспарант. Таким образом, необходимое расстояние между объективом и транспарантом поддерживается автоматически, что повышает надёжность считывания измерительных меток 4 и значительно снижает требования к юстировке измерительной системы. Устойчивость и надёжность работы самой схемы автоматического регулирования фокусировки достигается тем, что при попадании центрального светового пятна 91 на метку транспаранта отражённое излучение не блокируется полностью.
Рис. 6. Схема автоматического регулирования фокусировки
Блок компенсации фокусировки 21 реализует ПИД-регулятор. Сигнал рассогласования по отношению к опорному напряжению Vc, может быть представлен как e(t) = Ferr (t) - Vc . Сигнал на выходе блока можно выразить в следующем виде:
Fout = Kpe(t) + Kj f e(t)dt + KD , J dt
где Kp , K , KD - пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты регулятора соответственно.
В установившемся режиме сигнал Ferr имеет нулевое значение, однако интегрирование данного сигнала по времени даёт величину перемещения объектива. Поскольку объектив при работе блока компенсации автоматически следует за движением поверхности транспаранта вдоль вертикальной оси КЛГ, то величина перемещения объектива соответствует перемещению соответствующего края моноблока КЛ вдоль той же оси. Вертикальное движение моноблока возникает при появлении внешних динамических воздействий на КЛГ и однозначно связано с отклонением оси колебаний КЛ на угол S (рис. 7). Таким образом, обработка Ferr позволяет непрерывно измерять угол наклона оси колебаний в плоскости рисунка, благодаря чему предлагаемая оптико-электронная система реализует измерения сразу по двум угловым координатам: положения КЛ в плоскости колебаний и наклона оси колебаний КЛ.
Рис. 7. Отклонение оси колебаний КЛ от номинального положения при наличии внешних воздействий
Для получения информации об изменении положения оси колебаний в пространстве достаточно использовать две измерительных системы, располагая их у ортогональных граней моноблока (рис. 8).
Рис. 8. Расположение двух оптико-электронных модулей относительно моноблока КЛ
На основании работ [14, 15], рассматривающих системы с аналогичным принципом измерения (астигматический метод), точность измерения вертикального движения моноблока можно оценить на уровне 50 нм. При расстоянии ^ = 50 мм от центрального светового пятна оптико-электронного модуля до оси колебаний КЛ точность измерения угла наклона этой оси составит 0,2 угл. сек. Информация об угле наклона оси колебаний КЛ в дальнейшем позволит компенсировать кинематические погрешности КЛГ.
Заключение
Предлагаемая измерительная система реализует измерение положения KЛ по двум координатам с высокой точностью и имеет небольшой объём. Малые габариты и масса транспаранта обуславливают отсутствие механического и температурного дисбалансов KЛ. Предлагаемый транспарант отличается простой конфигурацией, что позволяет изготавливать его с использованием широко распространённых и отработанных технологических методов. Измерительная система имеет высокую надёжность, которая достигается устойчивой работой схемы автоматического регулирования фокусировки.
По результатам экспериментального исследования максимальное значение погрешности измерения относительного углового положения KЛ в плоскости колебаний составило приблизительно 1,65 угл. сек. Наиболее вероятной в процессе измерений оказалась абсолютная величина погрешности, не превышающая 1,1 угл. сек. Измерительную систему целесообразно применять для компенсации составляющей ВП в выходном сигнале KnT.
Точность измерения вертикального движения моноблока KЛ можно оценить на уровне 50 нм, что соответствует точности измерения угла наклона оси колебаний KЛ 0,2 угл. сек. Информация об угле наклона оси колебаний KЛ в дальнейшем позволит компенсировать кинематические погрешности KnT.
Список литературы
1. Aronovitz F. Fundamentals of the ring laser gyro // Optical Gyros and their Application. RTO-AG-339. 1999. P. 1-45.
2. Killpatrick J.E. Laser angular rate sensor // Patent US 337365G. United States. 1968.
3. Gamertsfelder G.R., Ljung Bo H.G. Ring laser gyroscope with compensation // Patent US 4411527. United States. 1983.
4. Чиркин М.В., Мишин В.Ю., Морозов ДА., Голован A.A., Молчанов A.B. Фильтрация выходных сигналов триады лазерных гироскопов // XXI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: сборник материалов. СПб.: OAO 'концерн "ЦНИИ "Электро-прибор". 2014. С. 327-329.
5. Chen Ansheng, Li Jianli, Chu Zhongyi. Dither signal removal of ring laser gyro POS based on combined digital filter // Proc. of the 8th IEEE International Symposium on Instrumentation and Control Technology (ISICT). London, 2G12. Pp. 178-182. DOI: 1G.11G9/ISICT.2G12.6291615
6. Фёдоров A.E., Пчелин В.В., Рекунов ДА. Инерциальный измерительный блок ИБЛ-2 на базе трёхкомпонентного лазерного гироскопа // XIX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: сборник материалов. СПб.: OAO концерн "ЦНИИ "Электро-прибор". 2012. С. 63-67.
7. Зюзев Г.Н. О компенсации частотной подставки лазерного датчика абсолютной угловой скорости // Труды МВТУ. Теория электрических цепей и элементы систем управления и регулирования. 1982. № 385. С. 10-16.
8. Ljung Bo H.G. Dither pick-off transducer for ring laser gyroscope // Patent US 4406965. United States. 1983.
9. Curby R.D., McCammon G.H. Dither controller for ring laser angular rotation sensor: Patent US 4597667 United States. 1986.
10. Kim K., Park C.G. Drift error analysis caused by RLG dither axis bending // Sensors and Actuators A: Physical. 2007. 133(2). P. 425-430. DOI: 10.1016/j.sna.2006.04.029
11. Кветкин Г.А. Инструментальные погрешности измерительного блока на базе триады лазерных гироскопов при динамических возмущениях. // Дис. канд. техн. наук: 05.11.03. М., 2011. 206 с.
12. Peck E.R., Obetz S.W. Wavelength or length measurement by reversible fringe counting // JOSA. 1953. vol. 43, no.6, p.505-509.
13. Heydemann P.L.M. Determination and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers // Applied optics. 1981. 20(19). Pp. 3382-3384. DOI: 10.1364/AO.20.003382
14. Zhang J., Cai L. An auto-focusing measurement system with the piezoelectric translator // Proc. of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Albuquerque, 1997. Pp. 2801-2806. DOI: 1Q.1109/ROBOT.1997.6Q6711
15. Yen Ping-Lang Making a High-Precision Positioning Apparatus by an Optical Pickup Head Module // Proc. of the IEEE International Conference on Mechatronics. Taipei, 2005. Pp. 145-150. DOI: 10.1109/ICMECH.2005.1529243
Radiooptics of the Bauman MSTU, 2016, no. 02, pp. 11-25.
DOI: 10.7463/rdopt.0216.0834778
Received: 14.12.2015
Revised: 28.12.2015
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Two-coordinate Optoelectronic System for Measuring the Ring Laser Position
A.A. Aviev1' a^iev.alekseyiS amail.com
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: laser gyro, ring laser, dither system, optoelectronic measuring system
To date, a there is a number of methods known, which are used to compensate a dither system component in the output signal of the ring laser gyro. These methods have drawbacks, affecting the accuracy of device. In addition, with dynamic effects on the device (linear and angular accelerations) available in the laser gyro with a dither system there is an occurring inclination of the ring laser oscillation axis, which leads to kinematic errors in the gyro readings. Given the stringent requirements for auxiliary systems of a laser gyro in accuracy, weight and size characteristics, and reliability to compensate for dither system component, as well as to obtain information on the value of the inclination of the ring laser oscillation axis the article proposes to use an two-coordinate optoelectronic measuring system.
The article presents a functional diagram and the basic design elements of the measuring system. The proposed system consists of a flat bar of transparency, ring laser fixed on the monoblock, optoelectronic module fixed on the base of the ring laser gyro, automatic control circuit for focusing the optical system of module, and electronic processing unit of electrical signals of module. The operating principle of the measuring system is based on the record of optical radiation reflected from the bar areas of transparency. The proposed optoelectronic system takes measurements in two angular coordinates, namely: a ring laser position in the plane of oscillation and an inclination of the ring laser oscillation axis.
The experimental study results have shown that the maximum measurement error value of the relative angular position of the ring laser in the plane of oscillation was about 1.65 s of arc. The measurement accuracy of the inclination angle of the ring laser oscillation axis can be estimated at 0.2 s of arc. Information about this angle enables us to compensate the kinematic error of a laser gyro.
References
1. Aronovitz F. Fundamentals of the ring laser gyro in: Optical Gyros and their Application.
RTO-AG-339, 1999, pp. 1-45.
Radiooptics
2. Killpatrick J.E. Laser angular rate sensor. Patent US 3373650, United States. 1968.
3. Gamertsfelder G.R., Ljung Bo H.G. Ring laser gyroscope with compensation. Patent US 4411527, United States, 1983.
4. Chirkin M.V., Mishin V.Yu., Morozov D.A., Golovan A.A., Molchanov A.V. [Output signal filtration in laser gyroscope triplet]. XXI Sankt-Peterburgskaya mezhdunarodnaya konferentsiya po integrirovannym navigatsionnym sistemam: sbornik materialov [Proc. of the XXI int. Saint-Petersburg conf. on integrated navigation systems]. Saint-Petersburg, OAO "TsNII "Elektropribor" Group, 2014, pp.327-329. (in Russian).
5. Chen Ansheng, Li Jianli, Chu Zhongyi. Dither signal removal of ring laser gyro POS based on combined digital filter. Proc. of the 8th IEEE International Symposium on Instrumentation and Control Technology (ISICT), London, 2012, pp.178-182. DOI: 10.1109/ISICT.2012.6291615
6. Fedorov A.E., Pchelin V.V., Rekunov D.A. [Inertial measuring unit IBL-2 based on three-component laser gyroscope]. XIX Sankt-Peterburgskaya mezhdunarodnaya konferentsiya po integrirovannym navigatsionnym sistemam: materialy [Proc. of. the XIX Saint-Petersburg int. conf. on integrated navigation systems]. Saint-Petersburg, OAO "TsNII "Elektropribor" Group, 2012, pp.63-67. (in Russian).
7. Zyuzev G.N. [On compensation of dithering for absolute angular rate laser sensor]. Trudy MVTU "Teoriya elektricheskikh tsepey i elementy sistem upravleniya i regulirovaniya" [Proc. of the Bauman MSTU "Electric circuit theory and components of control and regulation systems"]. 1982, no. 385, pp. 10-16. (in Russian).
8. Ljung Bo H.G. Dither pick-off transducer for ring laser gyroscope. Patent US 4406965, United States, 1983.
9. Curby R.D., McCammon G.H. Dither controller for ring laser angular rotation sensor. Patent US 4597667, United States, 1986.
10. Kim K., Park C.G. Drift error analysis caused by RLG dither axis bending. Sensors and Actuators A: Physical, 2007, no. 133(2), pp. 425-430. DOI: 10.1016/j.sna.2006.04.029
11. Kvetkin G.A. Instrumental'nye pogreshnosti izmeritel'nogo bloka na baze triady lazernykh giroskopov pri dinamicheskikh vozmushcheniyakh. Dis. kand. tekhn. nauk [Instrumental error of measurement unit based on laser gyroscope triplet in case of dynamic disturbance. Kand. tech. sci. diss]. Moscow, 2011. 206 p. (in Russian).
12. Peck E.R., Obetz S.W. Wavelength or length measurement by reversible fringe counting. JOSA, 1953, vol.43, no.6, p. 505-509.
13. Heydemann P.L.M. Determination and correction of quadrature fringe measurement errors in interferometers. Applied optics, 1981, 20(19), pp. 3382-3384. DOI: 10.1364/AQ.20.003382
14. Zhang J., Cai L. An auto-focusing measurement system with the piezoelectric translator. Proc. of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Albuquerque, 1997, pp. 2801-2806. DOI: 10.11Q9/ROBOT.1997.6Q6711
15. Yen Ping-Lang. Making a High-Precision Positioning Apparatus by an Optical Pickup Head Module. Proc. of the IEEE International Conference on Mechatronics, Taipei, 2005, pp. 145150. DOI: 10.1109/ICMECH.2005.1529243
