CC BY
131
УДК 629.13.054.6.001.12.001
DOI: 10.18698/0236-3933-2017-4-27-42
ВИБРАЦИОННАЯ ОШИБКА ЛАЗЕРНЫХ ГИРОСКОПОВ
М.Е. Грушин Ю.Ю. Колбас
mihail.grushin1968@gmail.com tigra-e@rambler.ru
АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», Москва, Российская Федерация
Аннотация
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований устойчивости лазерных гироскопов к механической вибрации. Показано, что в лазерных гироскопах существует два механизма возникновения вибрационного дрейфа нуля — конусное движение направления оси чувствительности и расстройка периметра резонатора. Рассмотрены особенности возникновения дрейфов нуля при вибрации в гироскопах с магнитооптической и вибрационной частотными подставками. Показаны пути уменьшения или компенсации дрейфов нуля. Установлена возможность использования оптимально построенных лазерных гироскопов с магнитооптической частотной подставкой без амортизации, в отличие от лазерных гироскопов с вибрационной частотной подставкой. Приведены результаты экспериментальных исследований лазерных гироскопов с магнитооптической частотной подставкой
Ключевые слова
Лазерный гироскоп, дрейф нуля, вибрация, расстройка периметра резонатора, направление измери-
тельных осей
Поступила в редакцию 13.10.2016 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
Механизм возникновения вибрационной ошибки лазерных гироскопов.
В настоящее время лазерные гироскопы (ЛГ) нашли широкое применение в бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС) различных видов [1-3].
К современным БИНС предъявляются требования повышения точности и автономности в условиях механических ударов и вибрации. С точки зрения параметров гироскопа это означает сохранение точности как по дрейфу, так и по погрешности масштабного коэффициента и положению измерительных осей.
Рассмотрим влияние вибрации на масштабный коэффициент ЛГ. Перемещение зеркал резонатора ЛГ под воздействием вибрации приводит к изменению периметра резонатора ЛГ, а также к расстройке его относительно центра контура усиления.
Как известно, масштабный коэффициент ЛГ k определяется формулой
к = — , (1) 4Sn
где X — длина волны генерации лазера; Ь — периметр лазера; 5 — площадь, охваченная оптическим контуром лазера; п — коэффициент преломления света в ак-
Направление виброускорения
Рис. 1. Конструкция зеркала лазера
с пьезоприводом: 1 — зеркало (стекло); 2 — пьезокерами-ческий толкатель; 3 — отражающая поверхность зеркала
тивной среде (с учетом затягивания мод при расстройке от центра контура усиления). Перемещению в наибольшей степени подвержены зеркала с пьезоприводом (рис. 1), так как они имеют тонкую мембрану.
Зеркала лазера имеют достаточно жесткую конструкцию и их перемещение под воздействием виброускорений составляет не более 0,3 нм/^.
Для четырехзеркальной конструкции лазера в наихудшем случае под воздействием вибрации зеркала движутся в противофазе (рис. 2).
Направление виброускорения
- Положение зеркал с пьезодвигателями (до вибрации
и максимальное отклонение в одну сторону)
- Положение лучевого контура лазера
(до вибрации и максимальное отклонение в одну сторону)
Рис. 2. Изменение лучевого контура лазера при вибрации: - — до вибрации;---— максимальное отклонение в одну сторону
Поскольку остальные два зеркала практически неподвижны, происходит
изменение длины периметра ЛГ на АЬ = 0,6л/2 нм^ или ~0,013А, при виброударном ускорении 10 g. На геометрические размеры резонатора Ь и 5 столь малое отклонение не влияет, а вот значение п зависит от расстройки периметра ЛГ от центра контура усиления прямо пропорционально зависимости коэффициента усиления О [4]. С учетом приведенной в [5] зависимости усиления от расстройки можно записать:
Ak , G , - 1п2
— = 1--«1 - e ^XAvd
k Gq
АХ AL
причем-= —,
Х L
(2)
где Ак — изменение масштабного коэффициента; АЬ — изменение периметра резонатора из-за вибрации; Ауд — полуширина контура усиления гелий-неонового лазера (~1,7-109 Гц); с — скорость света (-3-108 м/с).
Поскольку отношение (AL / L)2 мало, разложим правую часть уравнения (2) в ряд Тейлора, ограничившись членом первого порядка:
Ak. 1П2_А_Г^Т. (3)
k (AvM2 I L )
Параметр AL прямо пропорционален виброударному ускорению, поэтому относительная ошибка масштабного коэффициента пропорциональна квадрату ускорения.
Для длины периметра лазера L = 0,28 м и AL = 0,9-10~8м при ударном уско-Ak 5
рении 10g получаем — « 540 5 отн. ед. Величина весьма значительная. Для
k
ударных ускорений в 100g она возрастает до 5-10Л что делает показания ЛГ на время воздействия ускорения недостоверными. В связи с этим следует избегать маневров с большими угловыми скоростями в моменты, когда изделие может подвергнуться ударам.
При синусоидальной вибрации, которая продолжается длительное время, значение имеет не максимальное, а среднее относительное отклонение масштабного коэффициента за период вибрации:
Ak c2 (AL sin (2%vt) V c2 (AL Y Ak
— = v f 1n2--1 - I dt = 1n2--1 — I =—, (4)
k 0 (AvDX)2 ^ L J 2(AvDX)2 2 L ) 2k
где v — частота вибрации.
Отметим два решения проблемы устойчивости ЛГ к ударам и вибрациям — ужесточение мембраны пьезозеркала и уменьшение постоянной времени системы регулировки периметра с тем, чтобы успеть компенсировать расстройку периметра при ударах и вибрациях.
Также подвержены влиянию ударов и вибрации дрейф нуля и положение измерительных осей.
В настоящее время существуют два типа ЛГ — с вибрационной и магнитооптической подставками [6]. Вибрационная подставка предполагает использование механического подвеса резонатора гироскопа, на котором с частотой 300... 800 Гц колеблется резонатор ЛГ. При воздействии вибрации в таком ЛГ возникают угловые колебания направления оси чувствительности ЛГ относительно оси виброподвеса и линейные колебания положения зеркал резонатора.
Существует две конструкции виброподвесов: раздельная для каждого ЛГ и общая для трехосной сборки ЛГ.
В первой конструкции ось виброподвеса совпадает с осью чувствительности ЛГ, во второй — направлена к ней под углом 45о.
В момент времени t частота биений встречных волн на выходе ЛГ
2%
/ = /о sin—t cos 0, (5)
где fo — амплитуда частотной подставки; T — период колебаний виброподвеса (период коммутации частотной подставки); 9 — угол между осями виброподвеса и чувствительности ЛГ.
При воздействии внешней вибрации с частотой v угловые колебания между направлением оси виброподвеса и осью чувствительности ЛГ равны
9 = 9о + A9sin(2rcvt + ф0), (6)
где 9о — угол между осью виброподвеса и измерительной осью ЛГ при отсутствии вибрации; Д9 — амплитуда колебаний угла между осями виброподвеса и чувствительности ЛГ; ф0 — начальная фаза внешней вибрации.
Формула (6) описывает ошибку ориентации измерительной оси ЛГ на виброподвесе при внешней вибрации. Отметим, что в лазерах с магнитооптической подставкой эта ошибка отсутствует, так как резонатор жестко закреплен в конструкции ЛГ.
Найдем дрейф нуля, вызванный внешней вибрацией. Из формул (5) и (6) определим, что в момент времени t частота биений встречных волн на выходе ЛГ
2л
f = f0 sin — t cos(90 +A9 sin(2rcvt + ф0)). (7)
Поскольку значение Д9 небольшое, разложим косинус в ряд Тейлора в окрестностях 90 и ограничимся первыми тремя членами разложения:
2л 1
f = f0 sin—t(cos90 - sin 90A9 sin(2rcvt + ф0)- — cos90A92 sin2(2rcvt + ф0)). (8)
Первый член описывает частоту биений встречных волн при отсутствии вибрации и интеграл от него обращается в нуль каждый момент времени, кратный T. Второй и третий члены описывают влияние вибрации. Тогда сдвиг частоты биений из-за вибрации за период коммутации частотной подставки равен
T 2л 1
f0 J sin — t(cos 90 - sin 90 A9 sin (2rcvt + ф0) — cos 90 A92 sin2 (2rcvt + ф0)) dt
АОв = —0-T-2-=
T
f A9-2
2л (1 - v2T2)
(9)
В трехосных приборах используют два варианта виброподвеса — свой для каждого ЛГ или общий для сборки из трех ЛГ. В первом случае угол 90 мал и результат уравнения (8) можно записать в виде
f-A^—1. 2
2л (1 - v2T2)
= A9—-^-^cos(rcvT + 9o)sin (%vT)(sin90 + cos90A9 cos(^vT)sin (%vT + ф0)).
AQB =A9-——cos (%vT + 90)sin (rcvT) (90 +A9 cos(rcvT)sin (%vT + ф0))'
'Л — /л .^T^z N
A92 12 (cos (4rcvT + 2фо)-cos(2фo)). (10)
16л (v2T2 -1)
В случае фо = 0 имеем
да де2 —4—
в 16л (у2Т2 -1)
(cos (4%vT)-1) = АAQ2 s).
8% (1 - v2T2)
(11)
Как следует из формул (10) и (11), ошибка пропорциональна квадрату амплитуды колебаний угла между осью виброподвеса и осью чувствительности ЛГ (т. е. квадрату виброускорения) и убывает с увеличением произведения уТ, имея максимумы (по модулю) при уТ = т / 4, где т — целые нечетные числа от 1 до ®. В случае фо Ф 0 положение максимумов ошибки сдвигается, но характер ее зависимости от уТ остается прежним (рис. 3, а).
Рис. 3. Зависимость вибрационного дрейфа (ДПв) ЛГ на виброподвесе от уТ (/о = 50 кГц; Де = 0,01) при ео = 0 (а) и ео = 45° (б)
Особая точка V = 1 / Т. Для нее
/
v^1/T
AQB = lim | ^A02 Sin2(2%vT)
0 8%
(1 - v2T2)
f-AO2 lim
16% v^1/T
sin2(2% (1 -vT) (1 -vT)
= 0. (12)
Если же используется единая вибрационная подставка для трех ЛГ, измерительные оси ЛГ располагаются так, чтобы частотная подставка по всем осям была одинакова, что соответствует ео = 45 °С, тогда
/ 2 f i
AQB =—— Aö---—cos (%vT + 9o)sin (%vT) (1 + A9 cos(%vT)sin (%vT + ф0)).
4л (1 -v2T2)
(13)
График уравнения (13) приведен на рис. 3, б.
При фо = 0 уравнение (13) упрощается:
ДОв де-^^— sin (2%vT)(1+—sin (2%vT))«
8л (1 -v2T2) 2
де-1-sin (2%vT). (14)
8л (1 - v2T2)
Сравним уравнения (11) и (14). Ошибка в (14) также убывает с увеличением произведения vT имея максимумы (по модулю) при vT = m / 4, где m — целые нечетные числа от 1 до да. Однако значения этих максимумов оказываются в
раз больше. В особой точке v = 1 / T получим
дов де. (15)
8
Из результатов, приведенных на рис. 3, следует, что конструкция из трех ЛГ на едином виброподвесе значительно менее устойчива к внешней вибрации, чем ЛГ с индивидуальными виброподвесами. При использовании единой вибрационной подставки для трех ЛГ при fo = 50 кГц и Д0 = 0,01 (виброускорение 10 g) величина дрейфа (ДОв) достигает 88 °/ч (см. рис. 3, б).
Модуляция длины периметра резонатора с линейной поляризацией при отсутствии угловых колебаний не приводит к дрейфу нуля ЛГ, поскольку обе встречные волны испытывают одинаковое затягивание к центру одного контура усиления.
При наличии угловых колебаний, например при использовании вибрационной подставки, из-за вибрационных колебаний длины периметра резонатора значение масштабного коэффициента в соседних полупериодах вибрационной подставки оказывается разным. Следовательно, и частота биений встречных волн оказывается разной, что и приводит к возникновению дрейфа нуля ЛГ.
Отклонение частоты биений встречных волн при наличии вибрации от частоты биений без вибрации П в момент времени t можно найти из уравнения
1 T 1 T ( дк \
ДОв = - f (Ов-0)dt = - f[ — О I dT =
T 0 T 01 к )
1 Tío с2 t{AL sin (2rcvt + Ф0) + AL0 Y. (2л л.
= 1п2/Л f0 -;- sin[ dt (16)
T О (AvßX)2
T
где Т — период виброподставки; / — амплитуда виброподставки; АЬ — амплитуда вибрационного изменения периметра; V — частота вибрации; АЬо — статическое изменение периметра (статическая расстройка). Интегрируя (16), найдем АПв:
г2
АО, в = % 1п2-
■fo AL / L2(AL / 2(cos(4%vT + 2фо) - ^2фо)/(1 - (2vT)2) -
(Avß X)2
-ALo (sin(2%vT + фо) - s^o )/(1 - (vT)2)).
(17)
На рис. 4 представлена зависимость АОв от vТ (расчеты проведены по формуле (17)).
ЛО„, °/ч
-250.
Рис. 4. Зависимость вибрационного дрейфа нуля (АПв) ЛГ на виброподвесе от vТ для разных значений ф0 (/0 = 50 кГц; АvD = 1,7-109 Гц): а — АЬ / Ь = 0,013 X / Ь = 0,013 • 632,8 • 10-9 / 0,2 = 41,132 • 10-9; АЬо /Ь = 0; б — АЬ0 / Ь = 0,06 • X / Ь = 189,84 • 10-9
Совсем иной характер носит вибрационный дрейф ЛГ с магнитооптической (зеемановской) подставкой. В нем нет колебаний измерительной оси ЛГ относительно оси виброподвеса. Однако, поскольку в нем происходит затягивание встречных волн к центрам разных контуров усиления, расстройка периметра приводит к возникновению дрейфа ЛГ, так как при переключении магнитного поля положения встречных волн по частотам оказываются разными.
В результате согласно [5] зависимость частоты подставки / от расстройки периметра при наложении одного и того же знакопеременного магнитного поля описывается функцией
f=fo (1 -хдхп),
(18)
где f — амплитуда частотной подставки; % — константа, зависящая от амплитуды частотной подставки, усиления активной среды, уровня потерь в резонаторе;
ДХп sin (2rcví + ф0) + ДХ0 — относительная расстройка периметра от виб-X
рации зеркал, выраженная в долях длины волны генерации лазера.
Частотная подставка в зеемановском лазере не синусоидальная, а прямоугольная:
f =
fo при 0 < t < T/2; -fo при T/2 < t < T.
(19)
Сначала рассмотрим случай отсутствия статической расстройки — ДХ0 = 0. Тогда дрейф от вибрации зеркал ДП3 рассчитывается по формуле
fo
( T/2 Í
AQ3 =■
AL
1 -х( — sin (2л vT + фо)
T
dt - J
T/2
1 -x( ^sin(2ivt + фо)
dt
T
:f0^(AL 1 —sin(2rcvT + 29o)sin2(^vT). Т ( X ) 2^v
(2o)
График уравнения (20) приведен на рис. 5, а.
Дополнительный дрейф убывает с увеличением частоты вибраций и пропорционален квадрату расстройки периметра, т. е. квадрату виброускорения. При частоте вибраций, кратной частоте коммутации подставки, дрейф равен нулю. При частоте вибрации, полукратной частоте коммутации подставки, дрейф равен
AQB I sin(29o),
т2л ( X
(21)
где т — число, равное отношению частоты вибраций к частоте коммутации подставки. Отметим, что при фо, равном нулю или кратном л/2, ошибка также равна нулю.
АП„, °/ч
б
Рис. 5. Зависимость дрейфа от вибрации зеркал АОв от уТ ЛГ с магнитооптической (зеемановской) подставкой при /0 = 50 кГц, А! / X = 0,013, % = 1,5 (а, б) и статической
расстройке А/0ф0 = 0 (б)
Оценим значение вибрационного дрейфа. Для низкочастотной вибрации т = 0,5, /0 = 50 кГц, А! / X = 0,013 (виброускорение % = 1,5, АОв = 4 о/ч (см. рис. 5, а).
Отметим, что этот дрейф нуля носит магнитный характер [7] и при использовании четырехчастотного режима вычитается полностью, а квазичетырехча-стотного — уменьшается в 2 раза.
Однако ситуация становится иной при наличии статической расстройки, связанной с неидеальной работой электронных блоков настройки периметра, наводок и т. п.
При наличии статической расстройки АХ0 уравнение (20) следует переписать в виде
fo
- /0 % А!АХ0 (ео8 (2луГ + ф0) + ео8ф0 -2ео8 (луГ + ф0)). (22)
Т луХ
Таким образом, зависимость вибрационного дрейфа от статической расстройки (последний член в формуле (22)) носит линейный характер и имеет „ А!АХ0
максимум, равный 4 /0%-ео8ф0 при у = т / Т, где т — целое число. 1ра-
тлХ
фик уравнения (22) для разных значений статической расстройки (АХ0) приведен на рис. 5, б.
Для низкочастотной вибрации т = 1, /0 = 50 кГц, А! / X = 0,013 (виброускорение 10§), АХ0 = 0,005, % = 1,5 и АОв = 7 о/ч.
Для проверки полученных теоретических зависимостей вибрационной ошибки от параметров внешнего воздействия были проведены экспериментальные исследования зависимости дрейфа нуля ЛГ с вибрационной и зеемановской частотными подставками от частоты и амплитуды вибрации для трех направлений вибрации — одно в направлении оси чувствительности ЛГ и два поперек.
В качестве экспериментального образца с вибрационной частотной подставкой был выбран одиночный цифровой ЛГ ОБ116 (производство БАСИ, Китай, частота вибрационной подставки 740 Гц), а ЛГ с зеемановской частотной подставкой — одиночный зеемановский ЛГ К-5 (производство АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», частота коммутации магнитного поля 250 Гц). Лазерный гироскоп ОБ116 имеет в своем составе виброподвес, фотоприемники преобразования выходного светового сигнала лазера в электрический, систему преобразования электрического сигнала в цифровой код, блок питания. Выходная информация ЛГ передается с частотой 4 кГц, масштабный коэффициент (дискрета) составляет 0,8". Для включения ЛГ К-5 использовался выносной электронный блок, содержащий генератор прямоугольного знакопеременного тока, создающего магнитное поле на газоразрядных промежутках лазера, фотоприемники преобразования выходного светового сигнала лазера в электрический, систему преобразования электрического сигнала в цифровой код, блок питания. Выходная информация ЛГ передается с частотой 250 Гц, масштабный коэффициент (дискрета) составляет 0,65". Подробная блок-схема включения зеемановского кольцевого лазера К-5 приведена в [4].
Испытания на воздействие вибрации проводились на вибростенде ЬБ8 У830-335 в диапазоне частот 20...2000 Гц. Скорость изменения частоты
Д
мсрп
T/2
I
o
1 sin(2^ + Ф°) +дХо J dt_ | 1 sin+ Ф°) +
dt
T
fo i f дь Y 1 .
Т IX/ 2%v
- sin (2 л v T + 2ф0) sin2 (rcv T) _
вибрации — полоктавы в минуту. В качестве тензодатчиков использовались датчики РСВ352 С04. Амплитуда воздействия для К-5 варьировалась от 2g до 10§. При испытаниях датчика ОБ116 на виброподвесе амплитуда вибрации не превышала 4g вследствие того, что большие значения воздействий могли привести к выходу его из строя.
Датчики, установленные в кубе, испытывались после предварительного прогрева перед механическим воздействием в течение 120 мин.
Экспериментальные зависимости дрейфа нуля ЛГ с вибрационной и зеема-новской частотными подставками от частоты вибрации для трех направлений вибрации приведены на рис. 6 и 7; на рис 6, б показан дрейф нуля ЛГ с вибрационной частотной подставкой в увеличенном масштабе по вертикальной оси.
На рис. 8 показаны зависимости модулей максимумов дрейфов от виброускорений ЛГ с вибрационной (рис. 8, а) и зеемановской (рис. 8, б) частотной подставкой.
Как видно на рис. 6-8, экспериментальные результаты соответствуют ранее приведенным теоретическим расчетам.
Из полученных результатов следует, что наибольший вклад в вибрационное смещение нуля как для датчиков на виброподвесе, так и с магнотооптической подставкой, вносит статическое изменение периметра (статическая расстройка). Этот факт подтверждает линейный характер зависимости максимумов дрейфа от амплитуды виброускорения (см. рис. 8).
Вибрационный дрейф имеет максимумы при V кратных и полукратных 1/Т, причем наибольшие максимумы для ЛГ с магнитооптической частотной подставкой находятся на нечетных гармониках (см. рис. 7).
Интерес представляет узость пиков вибрационного дрейфа — теоретически их ширина должна быть больше, по-видимому, это связано с угловыми колебаниями зеркал при вибрации, которые в представленной математической модели не рассматриваются.
Также следует отметить, что максимум вибрационного дрейфа ЛГ с вибрационной частотной подставкой наблюдается при vT = 1,6___1,7 (см. рис. 5, а).
Это может быть обусловлено положением собственной первой гармоники виброподвеса датчика.
Для ЛГ с вибрационной подставкой возможности уменьшения чувствительности дрейфов нуля к механической вибрации сильно ограничены невозможностью перехода на более жесткий виброподвес (падает амплитуда частотной подставки) и по этой же причине невозможностью увеличения частоты виброподвеса. В результате единственный путь — введение механической амортизации блока ЛГ в БИНС, в которой установлены ЛГ, причем верхняя частота пропускания таких амортизаторов должна быть в половину меньше частоты виброподвеса. Обычно такие амортизаторы выполняют из резины с внутренним металлическим кордом типа АКСС-М [8]. Это сильно ухудшает динамические характеристики БИНС, что особенно важно для подвижных объектов.
ДСХ 800 600 400 200 0
-200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600
12 10 8 6 4 2 0 -2
О 1 2 \Т
б
Рис. 6. Зависимость дрейфа нуля ДПв ЛГ на виброподвесе от vT при наличии статической расстройки ДХ0 (f = 50 кГц; виброускорение равно 3g; % = 1,5; ДХ0 = ДЬ0 / X = 0,06;
фо — неизвестна и меняется в процессе эксперимента): 1 — направление перемещения платформы вибростенда перпендикулярно плоскости резонатора ЛГ; 2 и 3 — направление перемещения платформы вибростенда параллельно и перпендикулярно
плоскости пьезозеркал
Эти недостатки не имеют ЛГ с магнитооптической подставкой. В таких приборах имеются все возможности для повышения частоты коммутации подставки более верхней границы существующих частот вибрации. В ЛГ в четырех-частотном режиме (примером такого прибора является Zero-Lock фирмы
!
1 2\ /Ulfl/w^,
КоПЬгор-Огишшап, США) чувствительности к вибрации вообще нет из-за отсутствия знакопеременной частотной подставки и полной компенсации магнитного дрейфа нуля.
ЛПВ, °/ч
200 150 100 50
0
-50
0 1 2 3 4 \Т
Рис. 7. Зависимость дрейфа нуля ДПв от вибрации зеркал ДПз от уТ Л Г с магнитооптической (зеемановской) подставкой при наличии статической расстройки АХ0; /0 = 50 кГц; виброускорение равно 10§; % = 1,5; АХ0 = 0,06; ф0 — неизвестна и меняется в процессе эксперимента (1,2, 3 — см. рис. 6)
ДПВ> °/ч ДПВ, °/ч
2 3 4 \Т 0 2 4 6 8 \Т
а б
Рис. 8. Зависимости модулей максимумов дрейфов от виброускорений ЛГ с вибрационной частотной подставкой (а) и зависимости амплитудного значения вибрационного дрейфа от амплитуды воздействия виброускорения ЛГ с магнитооптической частотной подставкой на частоте коммутации частотной подставки уТ = 1 (б) (1, 2, 3 — см. рис. 6)
Заключение. Вибрационная погрешность ЛГ с вибрационной подставкой полностью обусловлена угловыми колебаниями направления оси чувствительности относительно оси вибратора частотной подставки. При этом дрейф нуля существенно больше при вибрации перпендикулярной оси вибратора. Величина
дрейфа нуля на частоте вибратора достигает максимального значения, что делает прибор полностью непригодным к эксплуатации. Единственным решением является применение амортизаторов.
В отличие от ЛГ с вибрационной подставкой ЛГ с магнитооптической подставкой имеют существенно меньшую вибрационную погрешность, также проявляющуюся в основном при поперечных воздействиях и на частоте коммутации подставки. Повышение частоты коммутации подставки более верхней частоты вибрации делает такой ЛГ нечувствительным к вибрации. Лазерный гироскоп в четырехчастотном режиме принципиально не имеет вибрационного дрейфа. Также не имеет вибрационного дрейфа ЛГ без частотной подставки и ЛГ с фарадеев-ской подставкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов А.Г., Молчанов А.В., Чиркин М.В., Измайлов Е.А. Прецизионный лазерный гироскоп для автономной инерциальной навигации // Квантовая электроника. 2015. Т. 45. № 1. С. 78-88.
2. Ривкин С.С., Берман З.М., Окон И.М. Определение параметров ориентации объекта бесплатформенной инерциальной системой. СПб.: ЦНИИ Электроприбор, 1996. 226 с.
3. Голяев Ю. С курса не собьемся // Ведомости Русского оптического общества. 2015. № 1. С. 36-39. URL: http://ruoptics.com/magazine/2015/s-kursa-ne-sobemsja
4. Голяев Ю.Д., Колбас Ю.Ю., Соловьева Т.И. Лазерный гирокомпас на зеемановском кольцевом лазере. Указания для самостоятельной работы по дисциплине «Системы управления, ориентации и навигации». М.: НИУ ВШЭ, 2013. 45 с.
5. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Л.: Судостроение, 1989. 260 с.
6. Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Дмитриев В.Г. Кольцевые газовые лазеры с оптическим управлением в лазерной гироскопии // Квантовая электроника. 2015. Т. 30. № 2. С. 96-104.
7. Колбас Ю.Ю., Савельев И.И., Хохлов Н.И. Влияние внешних и внутренних магнитных полей на стабильность смещения нуля зеемановского лазерного гироскопа // Квантовая электроника. 2015. Т. 45. № 6. С. 573-581.
8. ГОСТ 17053.1-80. Амортизаторы корабельные АКСС-М. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1980. 29 с.
Грушин Михаил Евгеньевич — канд. физ.-мат. наук, начальник лаборатории АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» (Российская Федерация, 117342, Москва, ул. Введенского, д. 3, корп. 1).
Колбас Юрий Юрьевич — канд. техн. наук, начальник отдела АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» (Российская Федерация, 117342, Москва, ул. Введенского, д. 3, корп. 1).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Грушин М.Е., Колбас Ю.Ю. Вибрационная ошибка лазерных гироскопов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2017. № 4. C. 27-42. DOI: 10.18698/0236-3933-2017-4-27-42
VIBRATION ERROR OF LASER GYROS
M.E. Grushin Yu.Yu. Kolbas
mihail.grushin1968@gmail.com tigra-e@rambler.ru
JSC M.F. Stelmakh Research Institute Polyus, Moscow, Russian Federation
Abstract
The article gives the results of theoretical and experimental studies of laser gyro's sensitivity to mechanical vibration. First, we found out that there are two mechanisms of vibrating zero drift in laser gyros — the conical movement of the sensitive axis direction and the resonator perimeter detune. Then, we analyzed the characteristic features of zero drift appearance due to vibration in gyros with magneto optical biasing and with dither biasing and identified the ways of reducing or compensating zero drift. Findings of the research show that it is possible to use optimally constructed laser gyros with magneto optical biasing without damping unlike laser gyros with dither biasing. Finally, we give the results of experimental studies of laser gyros with magneto optical biasing
Keywords
Laser gyro, zero drift, vibration, resonator perimeter detune, sensitive axis direction
REFERENCES
[1] Kuznetsov A.G., Molchanov A.V., Chirkin M.V., Izmaylov E.A Precise laser gyroscope for autonomous inertial navigation. Quantum Electronics, vol. 45, no. 1, pp. 78-88.
DOI: 10.1070/QE2015v045n01ABEH015420
Available at: http://iopscience.iop.org/article/ 10.1070/QE2015v045n01ABEH015420
[2] Rivkin S.S., Berman Z.M., Okon I.M. Opredelenie parametrov orientatsii ob"ekta besplat-formennoy inertsial'noy sistemoy [Defining parameters of object orientation by strap-down inertial system]. Sankt-Petersburg, TsNIIElektropribor Publ., 1996. 226 p.
[3] Golyaev Yu. We won't lose the direction.Vedomosti Russkogo opticheskogo obshchestva, 2015, no. 1, pp. 36-39 (in Russ.).
Available at: http://ruoptics.com/magazine/2015/s-kursa-ne-sobemsja
[4] Golyaev Yu.D., Kolbas Yu.Yu., Solov'eva T.I. Lazernyy girokompas na zeemanovskom kol'tsevom lazere. Metod. Ukazaniya dlya samostoyatel'noy raboty po distsipline «Sistemy up-ravleniya, orientatsii i navigatsii» [Laser gyro-compass on Zeeman ring laser. Methodology guidelines for self-guided work on "Control, orientation and navigation systems" course]. Moscow, NIU VShE Publ., 2013. 45 p.
[5] Privalov V.E. Gazorazryadnye lazery v izmeritel'nykh kompleksakh [Gas-discharge lasers in measuring systems]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1989. 260 p.
[6] Azarova V.V., Golyaev Yu.D., Dmitriev V.G. Ring gas lasers with magneto-optical control for laser gyroscopy (invited paper). Quantum Electronics, vol. 30, no. 2, pp. 96-104.
DOI: 10.1070/QE2015v045n01ABEH015420
Available at: http://iopscience.iop.org/article/ 10.1070/QE2000v030n02ABEH001668
[7] Kolbas Yu.Yu., Savel'ev I.I., Khokhlov N.I. Effect of external and internal magnetic fields on the bias stability in a Zeeman laser gyroscope. Quantum Electronics, vol. 45, no. 6, pp. 573-581. DOI: 10.1070/QE2015v045n06ABEH015538
Available at: http://iopscience.iop.org/article/ 10.1070/QE2015v045n06ABEH015538
[8] GOST 17053.1-80. Amortizatory korabel'nye AKSS-M. Tekhnicheskie usloviya [State standard GOST 17053.1-80. Ship shock absorbers AKSS-M. Specifications]. Moscow, Izdatel'stvo standartov Publ., 1980. 29 p.
Grushin M.E. — Cand. Sc. (Phys.-Math.), Head of the Department at JSC M.F. Stelmakh Research Institute Polyus (Vvedenskogo ul. 3, Moscow, 117342 Russian Federation).
Kolbas Yu.Yu. — Cand. Sc. (Eng.), Head of the Department at JSC M.F. Stelmakh Research Institute Polyus (Vvedenskogo ul. 3, Moscow, 117342 Russian Federation).
Please cite this article in English as:
Grushin M.E., Kolbas Yu.Yu. Vibration Error of Laser Gyros. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Priborostr. [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Instrum. Eng.], 2017, no. 4, pp. 27-42. DOI: 10.18698/0236-3933-2017-4-27-42
В Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана вышло в свет учебное пособие авторов Ю.А. Кокорева, Ф.Н. Звягина
«Способы расчета точностных характеристик деталей и узлов приборов»
Изложены вопросы обоснования выбора точностных характеристик, рассмотрены возможные методы расчета на точность сложных и взаимосвязанных деталей и узлов. Приведены справочные материалы, необходимые для расчета на точность деталей и узлов приборных устройств с учетом их назначения, условий эксплуатации, требований к разработке, а также примеры расчетов приборных устройств различного назначения и рационального оформления конструкторской документации. Материалы подготовлены с учетом новых ГОСТов.
По вопросам приобретения обращайтесь:
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1
+7 (499) 263-60-45
press@bmstu.ru
www.baumanpress.ru
Ю.А. Кокорев, Ф.В. Звягин
Способы расчета точностных характеристик деталей и узлов приборов
