CC BY
28Ссылка на статью:
// Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 02. С. 20-31.
Б01: 10.7463/п1о1*.0215.0782132
Представлена в редакцию: 05.02.2015 http://radiooptics.ru Исправлена: 27.02.2015
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 681.2.084
Экспериментальное исследование оптико-электронного датчика параметров относительных крутильных колебаний кольцевого лазера
Авиев А. А.1' а^1&У-а1екьеу:Й gmail.com
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Радиооптика
В работе представлена количественная оценка погрешности прецизионного датчика параметров относительных крутильных колебаний кольцевого лазера. Принцип действия сенсора основан на регистрации оптического излучения, отражённого от участков штрихового транспаранта, с последующей обработкой получаемых сигналов и преобразованием информации в цифровую форму. Исследование проводилось путём сравнения показаний этого датчика с показаниями эталонного средства измерений, в роли которого выступал сам кольцевой лазер. Показана возможность эффективного применения данного датчика для компенсации составляющей частотной виброподставки лазерного гироскопа.
Ключевые слова: датчик перемещений, кольцевой лазер, лазерный гироскоп, частотная виброподставка
Введение
Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ) широко применяется в качестве высокоточного чувствительного элемента при создании навигационной, измерительной и геодезической техники. Одним из явлений, вносящих искажения в выходную характеристику КЛГ, является захват частот встречных световых волн [1]. Для снижения влияния связи встречных волн на работу лазера применяют реверсивные смещения рабочей точки -механические колебания кольцевого лазера (КЛ) с помощью виброподвеса. При этом в приборе реализуется режим частотной виброподставки, который вносит дополнительную составляющую Е в выходной сигнал гироскопа. Для получения информации о вращении объекта измерений относительно инерциального пространства необходима компенсация этой составляющей.
Известен способ компенсации составляющей Е с применением оптического вычитания [2]. При использовании данного способа блок совмещения встречных световых волн устанавливают не на самом КЛ, а на основании, относительно которого
осуществляются колебания лазера. При соблюдении определённых условий разность частот встречных волн, вызванная работой виброподставки, компенсируется доплеровским сдвигом частоты, обусловленным отражением от блока совмещения, в результате чего составляющая Е не будет содержаться в выходном сигнале КЛГ. Этот способ обладает следующими недостатками: необходимость точной юстировки блока совмещения лучей, наличие повышенных требований к оптическим деталям, наличие дополнительных элементов для поддержания разности фаз 90 град. между сигналами площадок фотоприёмника.
Другим способом компенсации составляющей частотной подставки является использование датчика перемещений КЛ. В роли этого датчика могут выступать пьезоэлектрический кристалл, закрепляемый на одном из плечей упругого торсиона [3] или электромагнитная катушка, устанавливаемая на основании КЛГ [4]. Указанные элементы вырабатывают соответствующий перемещению КЛ аналоговый сигнал, который после обработки вычитается из общего выходного сигнала гироскопа. К недостаткам пьезоэлектрического и индуктивного сенсоров можно отнести влияние нестабильности параметров измерительной цепи на точность измерений, наличие температурной погрешности, присутствие гистерезиса и нелинейности преобразования, а также получение на выходе датчика аналогового сигнала, требующего существенного усиления и подверженного влиянию помех. В работе [5] в качестве датчика перемещений предлагается использовать равноплечный интерферометр Майкельсона. Для получения информации о движении КЛ на нём устанавливают трипель-призму, находящуюся в измерительном плече интерферометра. Остальные элементы интерферометра жёстко связаны с основанием КЛГ. При определённой длине измерительного плеча масштабные коэффициенты (МК) интерферометра и КЛГ можно уравнять. В этом случае возможна компенсация колебаний виброподвеса с использованием устройства алгебраического вычитания импульсов. Недостатками приведённого датчика являются необходимость точного соблюдения длины измерительного плеча и юстировки элементов интерферометра, а также влияние температурных воздействий на схему компенсации. Точность компенсации может быть повышена при использовании реперного датчика нулевого положения, однако компактные сенсоры с необходимыми параметрами в настоящий момент не производятся. Вместо этого в качестве реперных применяют сигналы нуля угловой скорости или её интегратора, что требует специальной алгоритмической обработки или вносит дополнительные погрешности соответственно [4].
Широкое распространение получил способ устранения составляющей виброподвеса с помощью цифрового фильтра, настроенного на частоту подставки. В работе [6] рассмотрено применение эллиптического фильтра десятого порядка с полосой подавления 5 Гц и коэффициентом ослабления 60-65 дБ. Однако устранение составляющей Е с помощью этого фильтра сопровождается дополнительной погрешностью измерения угловых перемещений, пропорциональной корню квадратному из углового ускорения. Существенное подавление сигнала виброподставки может быть получено при
использовании комбинированного фильтра, состоящего из режекторного БИХ-фильтра второго порядка, низкочастотного БИХ-фильтра четвёртого порядка и линейно-фазового низкочастотного КИХ-фильтра 42-ого порядка [7]. Недостатком применения этого фильтра является относительно высокая сложность необходимых вычислений. Отметим, что полностью устранить составляющую виброподставки с помощью фильтра принципиально невозможно, в результате чего в выходном сигнале КЛГ появляется шум [8]. Кроме того, использование цифровых фильтров неизбежно сопровождается задержкой выходного сигнала.
В связи с наличием недостатков приведённых способов компенсации предлагается исключать составляющую виброподвеса с помощью оптико-электронного датчика перемещений. Принцип действия сенсора основан на регистрации оптического излучения, отражённого от участков штрихового транспаранта. Последующая обработка получаемых электрических сигналов позволяет преобразовать информацию о параметрах относительных колебаний КЛ в цифровую форму и осуществлять компенсацию. Экспериментальное исследование точностных характеристик этого датчика является предметом настоящей статьи.
Описание эксперимента
Исследование точностных характеристик датчика перемещений заключается в сравнении величин поворота КЛ по показаниям контролируемого датчика и эталонного средства измерений. Для проведения эксперимента была собрана установка, выполненная на основе гироскопа ГЛ-2, кольцевой лазер которого совершает относительные колебания с помощью виброподвеса с амплитудой приблизительно 6 угл. мин. и частотой 330 Гц.
Рассмотрим погрешность показаний КЛГ за время измерений. Паспортная погрешность ГЛ-2 составляет приблизительно 0,02 град./ч [9]. Для определения точностных параметров датчика перемещений достаточно исследования нескольких периодов колебаний подвеса. Тогда погрешность КЛГ за этот малый промежуток времени с учётом указанной частоты виброподставки будет составлять менее 3 40 4 угл. сек. Поскольку гироскоп выполняет измерения относительно инерциального пространства, необходимо учесть влияние суточного вращения Земли (годовым вращением можно пренебречь). Эксперимент проводился на горизонтальной поверхности, поэтому можно считать, что ось чувствительности КЛГ совпадала по направлению с вертикалью места. Вертикальная составляющая W¡. угловой скорости вращения Земли W определяется как
WS = W ■ sin ¥, где ¥ - географическая широта [10]. Поскольку W = 15 град./ч, то за
промежуток времени, соответствующий нескольким периодам колебаний виброподвеса, при широте места измерений 37,5 град. (Москва) КЛГ повернётся на величину, меньшую 0,15 угл. сек. Сумма величин погрешности гироскопа ГЛ-2 и поворота Земли за интервал измерений в несколько раз меньше паспортной разрешающей способности прибора,
которая в технологическом режиме работы составляет 0,55 угл. сек. Это позволяет использовать сам кольцевой лазер в качестве эталонного средства измерений.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Кольцевой лазер 1 закреплён с помощью упругих торсионов 2, выполняющих роль виброподвеса, на основании КЛГ 3. На этом же основании установлен блок 4 управления гироскопом, информация с которого поступает на устройство сбора данных 5. На общем основании 6 смонтированы КЛГ и кронштейн 7. Исследуемый датчик перемещений состоит из оптической головки 8, жёстко связанной с кронштейном 7, и транспаранта 9, закреплённого на моноблоке КЛ. Информация о перемещении транспаранта передаётся от головки 8 на устройство сбора данных 5 через блок управления датчиком 10.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: а) общий вид; б) положение транспаранта, вид сверху
(оптическая головка не показана)
Оптическая головка датчика содержит источник излучения, оптическую систему и фотодетектор. Излучение фокусируется датчиком на поверхность транспаранта, отражается от его светлых участков и поступает на фотоприёмник. Выходные сигналы, получаемые с приёмника излучения при перемещении транспаранта, имеют синусоидальную форму и сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90 град. Эти сигналы, называемые квадратурными, можно представить в виде
х(Х)
и1 = и^т = ит51щ(г),
и 2= итЭ1П
V
+ | I = ит^(1),
где (р{1) = - фаза сигналов, х(г) - измеряемое перемещение, Ь - расстояние между
Ь
штрихами транспаранта, ит - амплитуда сигналов. Информация, содержащаяся в фазе квадратурных сигналов, при условии регистрации значений и и и может быть получена с использованием алгоритма реверсивного счёта полос [11], широко применяемого в лазерной интерферометрии.
На рис. 2 представлен процесс преобразования сигналов Ц и U2. Алгоритм предполагает их приведение к дискретным сигналам S и С с помощью компараторов напряжений, а также формирование импульсов s и c, соответствующих переходу дискретных сигналов из состояния логической "1" в состояние логического "0".
Дополнительно сигналы S, С, s и c инвертируют и получают сигналы S, С, s и c.
Устройство сбора данных ведёт подсчёт количества импульсов s, c, s и c. При появлении каждого нового импульса согласно булевому выражению
Sign = Sc + Sc + Cs + Cs формируют признак направления перемещения, который определяет алгебраический знак импульса при его подсчёте. Измеряемая величина перемещения оценивается по алгебраической сумме импульсов. При использовании приведённого алгоритма выходной сигнал датчика представляется в цифровой форме.
Рис. 2. Процесс преобразования квадратурных сигналов при использовании алгоритма реверсивного счёта
полос
Как видно из рис. 2, на один период квадратурного сигнала приходятся четыре импульса ^ , с, ^ и с . Поскольку этот период соответствует перемещению транспаранта на величину Ь, то разрешающая способность приведённого датчика перемещений имеет значение Ь /4. Период измеряемого штрихового транспаранта Ь = 1,6 мкм, поэтому разрешение устройства составляет 0,4 мкм. Сенсор располагается на расстоянии 50 мм от
центра вращения КЛ, в связи с чем угловое разрешение датчика имеет значение приблизительно 1,65 угл. сек. При работе подвеса транспарант совершает движения по дуге окружности, а не по прямой, однако в силу малости измеряемого перемещения этим можно пренебречь. Следует отметить, что цифровые сигналы датчика и КЛГ легко согласуются при обработке, благодаря чему нет необходимости строго соблюдать определённое расстояние удаления транспаранта от центра вращения.
Для определения точностных характеристик контролируемого датчика было проведено 5 серий измерений перемещения КЛ. Его эталонное угловое положение с помощью блока управления КЛГ фиксировалось устройством сбора данных. Дополнительно в это устройство поступали данные от блока управления датчиком перемещений. Угловое положение транспаранта вычислялось блоком по описанному алгоритму. В каждой серии измерений оценка величины поворота производилась в течение одного периода колебаний виброподвеса.
Результаты эксперимента
На рис. 3 представлены измерения углового положения КЛ датчиком перемещений и самим КЛ. В связи с тем, что разрешение КЛГ в 3 раза выше, чем разрешение контролируемого датчика, измеряемый размах колебаний для КЛ составляет около 600 отсчётов, а для датчика - приблизительно 200 отсчётов (импульсов). Для определения погрешности датчика перемещений необходимо согласовать масштаб его показаний с показаниями КЛГ.
показания даггчика перемещений показания гироскопа
Т, сек
Рис. 3. Угол поворота кольцевого лазера по показаниям датчика перемещений и гироскопа
Участок движения КЛ с масштабом показаний датчика, приведённым к показаниям гироскопа, показан на рис. 4. Как видно из рисунка, погрешность исследуемого сенсора связана с шумом квантования и нестабильностью временного интервала между двумя отсчётами датчика. Последняя вызвана неидеальностью обрабатываемых квадратурных сигналов, приводящая к нестабильности появления счётных импульсов. На рис. 5 представлен график погрешности измерений в каждый момент времени в течение одного периода колебаний. Погрешность определялась как разность показаний КЛГ и показаний датчика перемещений, приведённых к масштабу гироскопа, в соответствующие моменты времени. Рассчитанная погрешность имеет размерность отсчётов КЛГ. На рис. 6 приведён многоугольник распределения полученной погрешности. Вероятности были вычислены как относительные частоты появления каждого значения погрешности за упомянутый период колебаний. Отметим, что в других сериях измерений были получены аналогичные результаты.
—показания днггчика перемещений
---показания гироскопа
_ -П--
1Т
У
■ 'Г
..................|Г..........................
г \ 1 1 1 "Г"^
620 610
се
В
1 600 (с
га
ё 590
с ре с
в 580
2 >
570
560 -
1,6
1,7
1,8 1,9
Т, сек
2,1 х 10
Рис. 4. Угол поворота кольцевого лазера по показаниям датчика перемещений и гироскопа в масштабе
показаний гироскопа
Рис. 5. Погрешность определения положения КЛ в каждый момент времени в течение одного периода
колебаний
-3-2-1 О I 2 3
Величина погрешности, отсчётов
Рис. 6. Многоугольник распределения погрешности датчика перемещений за один период колебаний
Как видно из графиков, максимальное значение погрешности датчика перемещений по абсолютной величине составляет 3 отсчёта КЛГ, что соответствует приблизительно
1,65 угл. сек. Наиболее вероятна в процессе измерений абсолютная величина погрешности, не превышающая 2 отсчётов КЛГ (около 1,1 угл. сек.). Следует отметить, что максимальная погрешность датчика приблизительно соответствует его разрешающей способности.
Заключение
Исследуемый датчик перемещений не требует точной юстировки, не вносит задержек, а также за счёт предоставления информации в цифровой форме менее подвержен влиянию помех и легко согласуется с гироскопом в отношении МК. По полученным экспериментальным данным можно сделать вывод о целесообразности применения этого сенсора для компенсации частотной подставки. Максимальная погрешность датчика по абсолютной величине составила приблизительно 1,65 угл. сек., что соответствует его разрешающей способности. В процессе измерений наиболее вероятна абсолютная величина погрешности, не превышающая 1,1 угл. сек. Неточность измерений вызвана шумом квантования и неидеальной формой поступающих от датчика квадратурных сигналов. При проведении дополнительной алгоритмической обработки и интерполяции этих сигналов разрешающая способность сенсора может быть существенно повышена, а погрешность - снижена, что позволяет успешно применить исследуемый датчик в кольцевом лазерном гироскопе.
Список литературы
1. Aronovitz F. Fundamentals of the ring laser gyro // Optical Gyros and their Application. RTO-AG-339 / ed. by D. Loukianov, R. Rodloff, H. Sorg, B. Stieler. NATO Science and Technology Organization, 1999. P. 3-1-3-45.
2. Gamertsfelder G.R., Ljung Bo H. G. Ring laser gyroscope with compensation: Patent US 4411527 United States. 1981.
3. Ljung Bo H. G., Schroeder G. F. Ring laser gyro dither pulse eliminator: Patent US 4344706 United States. 1982.
4. Чесноков Г.И., Поликовский Е.Ф., Молчанов А.В., Кремер В.И. Некоторые пути улучшения тактико-технических характеристик бесплатформенных инерциальных навигационных систем // Х Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: матер. СПб., 2003. С. 155-164.
5. Зюзев Г.Н. О компенсации частотной подставки лазерного датчика абсолютной угловой скорости // Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана № 38: Теория электрических цепей и элементы систем управления и регулирования. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1982. С. 10-16.
6. Чиркин М.В., Мишин В.Ю., Морозов Д.А., Голован А.А., Молчанов А.В. Фильтрация выходных сигналов триады лазерных гироскопов // XXI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: матер.
СПб.: Изд-во Политехн. ун-та; ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2014. С. 327-329.
7. 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). IEEE Publ., 2012. P. 178-182. DOI: 10.1109/ISICT.2012.6291615
8. Фёдоров А.Е., Пчелин В.В., Рекунов Д.А. Инерциальный измерительный блок ИБЛ-2 на базе трёхкомпонентного лазерного гироскопа // XIX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: матер. СПб., 2012. С. 63-67.
9. НПК "Электрооптика": сайт предприятия. Режим доступа: http://www.electrooptika.ru/ (дата обращения 11.05.2015).
10. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор", 2009. 280 c.
11. Peck E.R., Obetz S.W. Wavelength or length measurement by reversible fringe counting // Journal of The Optical Society of America (JOSA). 1953. Vol. 43, no. 6. P. 505-507. DOI: 10.1364/J0SA.43.000505
Radiooptics
Radiooptics of the Bauman MSTU, 2015, no. 02, pp. 20-31.
DOI: 10.7463/rdopt.0215.0782132
Received: 05.02.2015
Revised: 27.02.2015
http://radiooptics.ru © Bauman Moscow State Technical Unversity
Experimental Research of the Electro-optical Sensor of Ring Laser Relative Torsional Oscillation Parameters
A.A. Aviev1*
aiiev-alekseyiS gmail.com 1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: position sensor, ring laser, laser gyro, dither system
The paper presents a quantitative error estimation of the high-precision sensor of ring laser relative torsional oscillation parameters. Operating principle of the sensor is based on the detection of optical radiation reflected from the striped pattern. It is planned to apply the sensor for laser gyro dither compensation. Shortcomings of the existing compensation methods are given. The paper shows advantages of the position sensor provided owing to a lack of both delays of the output signals and exact adjustment requirements. Due to providing information in a digital form the sensor is less affected by to noise and is easily coordinated with laser gyro output in terms of a scale factor. The paper gives an algorithm to process the sensor quadrature signals.
Comparing the readings of electro-optical position sensor with the readings of reference-measuring device was used to conduct research. The paper shows that it is possible to use the ring laser itself as a reference-measuring device. During the measurements a movement of the ring laser within one period of dither was determined. Five runs of taken measurements have given identical results. The maximum absolute sensor error value is about 1.65 sec. of arc that corresponds to sensor resolution. The absolute error value, which does not exceed 1.1 sec. of arc is statistically the most probable. Inaccuracy of measurements is caused by quantization noise and non-ideal form of the sensor quadrature signals.
Research results allow us to conclude that the sensor resolution can be significantly raised and the error can be reduced through more perfect algorithmic processing and interpolation of quadrature signals. This enables a successful use of the investigated sensor in a laser gyro for dither compensation.
References
1. Aronovitz F. Fundamentals of the ring laser gyro. In: Loukianov D., Rodloff R., Sorg H., Stieler B., eds. Optical gyros and their application. RTO-AG-339. NATO Science and Technology Organization, 1999, pp. 3-1-3-45.
2. Gamertsfelder G.R., Ljung Bo H. G. Ring laser gyroscope with compensation. Patent US 4411527 United States, 1981.
3. Ljung Bo H. G., Schroeder G. F. Ring laser gyro dither pulse eliminator. Patent US 4344706 United States, 1982.
4. Chesnokov G.I., Polikovskii E.F., Molchanov A.V., Kremer V.I. Some ways to improve the performance characteristics of strapdown inertial navigation systems. 10 Sankt-Peterburgskaya mezhdunarodnaya konferentsiya po integrirovannym navigatsionnym sistemam: mater. [Proc. of the 10 St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems], St. Petersburg, 2003, pp. 155-164. (in Russian).
5. Zyuzev G.N. Compensation of frequency coasters of laser angular velocity sensor. Trudy MVTU im. N.E. Baumana no. 38: Teoriya elektricheskikh tsepei i elementy sistem upravleniya i regulirovaniya [Proc. of the Bauman MSTU no. 38: Theory of electrical circuits and elements of control and regulation]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 1982, pp. 10-16. (in Russian).
6. Chirkin M.V., Mishin V.Yu., Morozov D.A., Golovan A.A., Molchanov A.V. Filtration of output signals of triad laser gyroscopes. 21 Sankt-Peterburgskaya mezhdunarodnaya konferentsiya po integrirovannym navigatsionnym sistemam: mater. [Proc. of the 21 St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems], St. Petersburg, GPU Publ.; JSC "Concern CSRI Elektropribor" Publ., 2014, pp. 327-329. (in Russian).
7. 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). IEEE Publ., 2012, pp. 178-182. DOI: 10.1109/ISICT.2012.6291615
8. Fedorov A.E., Pchelin V.V., Rekunov D.A. Inertial measurement unit IBL-2 based on three-component laser gyroscope. 19 Sankt-Peterburgskaya mezhdunarodnaya konferentsiya po integrirovannym navigatsionnym sistemam: mater. [Proc. of the 19 St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems], St. Petersburg, 2012, pp. 63-67. (in Russian).
9. NPK "Elektrooptika": company website. Available at: http://www.electrooptika.ru/ , accessed 11.02.2015.
10. Matveev V.V., Raspopov V.Ya. Osnovy postroeniya besplatformennykh inertsial'nykh navigatsionnykh system [Construction of strapdown inertial navigation systems]. St. Petersburg, JSC "Concern CSRI Elektropribor" Publ., 2009. 280 p. (in Russian).
11. Peck E.R., Obetz S.W. Wavelength or length measurement by reversible fringe counting. Journal of The Optical Society of America (JOSA), 1953, vol. 43, no. 6, pp. 505-507. DOI: 10.1364/J0SA.43.000505
