RU2167397C2 - Laser gyroscope - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention can be recommended for measurement of angular velocity and small variations of angular velocity of rotation, for instance, angular velocity of rotation of the Earth. Two-resonator laser system of pentagon configuration is supplemented with geometrically non-equivalent circuits of new elements such as five piezoelements of direct effect transforming mechanical vibrations to electric oscillations, five piezoelements of inverse effect transforming electric oscillations to mechanical vibrations which are anchored in pairs with working edges, phase detector, quartz heterodyne, passive noise autocompensator and five correlators. Their relative positions with regard to known elements of gyroscope, electric couplings between them and known elements form active correlation autocompensator of mechanical vibrations of reflectors. EFFECT: enhanced noise immunity of laser gyroscope. 1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерным гироскопам и может быть использовано для измерения угловой скорости и малых вариаций угловой скорости вращения, например, угловой скорости вращения Земли. The invention relates to laser gyroscopes and can be used to measure angular velocity and small variations in the angular velocity of rotation, for example, the angular velocity of rotation of the Earth.

Известно [1] , что угловая скорость вращения любого объекта может быть определена посредством измерения набега фаз оптического излучения в кольцевом лазерном интерферометре. Измеряемый набег фаз вызывается эффектом Саньяка. It is known [1] that the angular velocity of rotation of any object can be determined by measuring the phase shift of the optical radiation in a ring laser interferometer. The measured phase incursion is caused by the Sagnac effect.

Известны [2] лазерные гироскопы для измерения угловой скорости вращения и вариаций угловой скорости вращения, состоящие из кольцевого трехзеркального резонатора, кюветы с активной средой, элемента сведения оптических лучей и фотоприемной системы. Known [2] are laser gyroscopes for measuring the angular velocity of rotation and variations of the angular velocity of rotation, consisting of a ring three-mirror resonator, a cuvette with an active medium, an element for converging optical rays and a photodetector system.

Известен [3] лазерный гироскоп для измерения угловой скорости вращения, который является наиболее близким к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. Он содержит активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на внешней стороне, первую и вторую дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, фотоприемную систему и преобразователь поляризации, расположенный между выходным полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой. Первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, а вторая отражательная дифракционная решетка - между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалом. Known [3] is a laser gyroscope for measuring the angular velocity of rotation, which is the closest to the claimed one and is therefore selected as a prototype. It contains an active medium for generating optical radiation, the first and second blind mirrors, the output translucent mirror with a flat diffraction grating on the outside, the first and second diffraction gratings with the possibility of reflecting incident rays at an angle different from the angle of incidence, the first and second polarizers with mutually orthogonal transmission planes, a photodetector system and a polarization converter located between the output translucent mirror and the photodetector system. The first reflective diffraction grating is located between the blind mirrors, and the second reflective diffraction grating is between the second blind and output translucent mirror.

Первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор - между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом. Оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим и выходным полупрозрачным зеркалом. Плоскости пропускания первого и второго поляризаторов взаимно ортогональны. В гироскопе образованы два резонансных контура. Первый резонансный контур - активная среда, первое глухое зеркало, первая дифракционная решетка, первый поляризатор, второе глухое зеркало, вторая дифракционная решетка и выходное полупрозрачное зеркало. Второй резонансный контур - активная среда, первое глухое зеркало, первая дифракционная решетка, второй поляризатор, выходное полупрозрачное зеркало, второе глухое зеркало, первое глухое зеркало, вторая дифракционная решетка и выходное полупрозрачное зеркало. В каждом контуре в одном направлении распространяется по световому лучу, поляризованные ортогонально, что обеспечивает узкую полосу синхронизации и приводит к повышению чувствительности гироскопа. Оба луча собираются дифракционной решеткой, установленной на внешней стороне выходного полупрозрачного зеркала, проходят через преобразователь поляризации, который совмещает плоскости поляризации обоих лучей, и затем подаются на фотоприемную систему. При этом на входе фотоприемной системы образуется интерференционное поле, характеризуемое последовательностью интерференционных полос, число и скорость перемещения которых определяется разностью частот световых волн. С помощью фотоприемной системы измеряется скорость прохождения максимумов интенсивности интерференционной картины, по которой и судят о скорости углового вращения лазерного гироскопа и ее вариаций. The first polarizer is located between the first reflective diffraction grating and the second blind mirror, and the second polarizer is between the first reflective diffraction grating and the output translucent mirror. Both deaf mirrors, the exit translucent mirror and both reflective diffraction gratings are located at the vertices of the regular pentagon, and the active medium is located between the first deaf and exit translucent mirror. The transmission planes of the first and second polarizers are mutually orthogonal. Two resonant circuits are formed in the gyroscope. The first resonant circuit is the active medium, the first dull mirror, the first diffraction grating, the first polarizer, the second dull mirror, the second diffraction grating, and the output translucent mirror. The second resonant circuit is the active medium, the first blind mirror, the first diffraction grating, the second polarizer, the output translucent mirror, the second blind mirror, the first blind mirror, the second diffraction grating and the output translucent mirror. In each circuit in one direction it propagates along a light beam polarized orthogonally, which provides a narrow synchronization band and increases the sensitivity of the gyroscope. Both beams are collected by a diffraction grating mounted on the outside of the output translucent mirror, pass through a polarization transducer that combines the polarization planes of both beams, and then fed to the photodetector system. In this case, an interference field is formed at the input of the photodetector system, characterized by a sequence of interference bands, the number and speed of which are determined by the difference in the frequencies of the light waves. Using a photodetector system, the speed of passage of the maxima of the intensity of the interference pattern is measured, which is used to judge the speed of the angular rotation of the laser gyroscope and its variations.

Однако повышенная чувствительность известного гироскопа-прототипа к эффекту Саньяка, необходимая для измерения малых вариаций скорости углового вращения, приводит к повышенной чувствительности к помеховым фазовым модуляциям оптического излучения под действием внешних помех на отражатели (глухие и непрозрачные зеркала, дифракционные решетки). Внешние помехи (акустические, вибрационные, сейсмические, тепловые и т.д.) приводят к механическим колебаниям отражателей, которые изменяют оптические длины резонансных контуров, что и является причиной искажений фазы оптических излучений. However, the increased sensitivity of the known prototype gyroscope to the Sagnac effect, which is necessary for measuring small variations in the speed of angular rotation, leads to increased sensitivity to interfering phase modulations of optical radiation under the influence of external noise on reflectors (deaf and opaque mirrors, diffraction gratings). External interference (acoustic, vibrational, seismic, thermal, etc.) leads to mechanical vibrations of the reflectors, which change the optical lengths of the resonant circuits, which is the reason for the distortion of the phase of optical radiation.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке лазерного гироскопа, позволяющего измерять малые вариации скоростей углового вращения в условиях воздействия внешних помех, приводящих к механическим колебаниям отражателей (а следовательно, через изменение оптических длин резонансных контуров, - к искажению фазы оптического излучения), то есть достижение технического результата - повышение помехозащищенности устройства. The problem to which the claimed invention is directed is to develop a laser gyroscope that can measure small variations in the angular rotation velocities under the influence of external noise, leading to mechanical vibrations of the reflectors (and therefore, through a change in the optical lengths of the resonant circuits, to distort the phase of the optical radiation ), that is, achieving a technical result - increasing the noise immunity of the device.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный лазерный гироскоп, содержащий активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на внешней стороне, первую и вторую отражательные дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, фотоприемную систему и преобразователь поляризации, причем преобразователь поляризации расположен между выходным полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой, а первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, вторая отражательная дифракционная решетка - между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалами, первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор - между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом, при этом оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим зеркалом и выходным полупрозрачным зеркалом, - для решения поставленной задачи - введены пять пар прикрепленных друг к другу рабочими гранями пьезоэлектриков обратного и прямого эффектов, фазовый детектор с кварцевым гетеродином на одном из его входов, пять пар последовательно соединенных корреляторов и умножителей и сумматор с одним основным и пятью вспомогательными входами, причем каждый из пьезоэлектриков обратного эффекта (ПОЭ) своей гранью, противоположной рабочей грани, прикреплен к внешней стороне либо глухих зеркал, либо отражательных дифракционных решеток, а пьезоэлектрики прямого эффекта (ППЭ) своими свободными гранями, противоположными рабочим, зафиксированы в выемке основания их крепления, выход фотоприемной системы через фазовый детектор соединен с основным входом сумматора, сигнальные выходы пьезоэлектриков прямого эффекта подключены к первым входам соответствующих корреляторов и параллельно через соответствующие умножители к соответствующим вспомогательным входам сумматора и параллельно к сигнальным входам соответствующих пьезоэлектриков обратного эффекта, причем выход сумматора, являющийся сигнальным выходом устройства, параллельно подключен ко вторым входам всех корреляторов. The essence of the invention lies in the fact that in a known laser gyroscope containing an active medium for generating optical radiation, the first and second blind mirrors, the output translucent mirror with a flat diffraction grating on the outside, the first and second reflective gratings with the possibility of reflecting incident rays at an angle different from the angle of incidence, the first and second polarizers with mutually orthogonal transmission planes, a photodetector system and a polarization converter, the converter the polarization is located between the output translucent mirror and the photodetector system, and the first reflective diffraction grating is located between the blind mirrors, the second reflection grating is between the second blind and the output translucent mirrors, the first polarizer is located between the first reflection grating and the second blind mirror, and the second polarizer is between the first reflective diffraction grating and the output translucent mirror, with both deaf mirrors, the output semitransparent the primary mirror and both reflective diffraction gratings are located at the vertices of the regular pentagon, and the active medium is located between the first blind mirror and the output translucent mirror — to solve this problem, five pairs of inverse and direct effects piezoelectrics attached to each other are introduced, a phase detector with a quartz local oscillator at one of its inputs, five pairs of series-connected correlators and multipliers and an adder with one primary and five auxiliary inputs, and Each of the reverse effect piezoelectrics (POE) with its face opposite to the working face is attached to the outside of either blind mirrors or reflective diffraction gratings, and the direct effect piezoelectrics (PPE) are fixed in the recess of the mount base with their free faces opposite to the workers, exit the photodetector system through a phase detector is connected to the main input of the adder, the signal outputs of the direct effect piezoelectrics are connected to the first inputs of the corresponding correlators and in parallel through associated multipliers, respectively corresponding to the auxiliary inputs of the adder and in parallel to respective signal inputs inverse piezoelectric effect, wherein the output of the adder being the signal output device is connected in parallel to the second inputs of correlators.

Введение новых элементов: пяти пар прикрепленных друг к другу рабочими гранями пьезоэлектриков обратного и прямого эффектов, пяти пар последовательно соединенных корреляторов и умножителей и сумматора их взаимное расположение как по отношению друг к другу, так и по отношению к известным элементам устройства, электрические связи между ними и известными элементами устройства обеспечивают корреляционную автокомпенсацию механических помеховых колебаний отражателей и позволяют достичь решения поставленной задачи - повышения помехозащищенности в условиях воздействия внешних помех, приводящих к помеховым механическим колебаниям отражателей. Introduction of new elements: five pairs of inverse and direct effects attached to each other by working faces of piezoelectrics, five pairs of series-connected correlators and multipliers and an adder, their relative position both with respect to each other and with respect to known elements of the device, electrical connections between them and the known elements of the device provide a correlation auto-compensation of the mechanical interference oscillations of the reflectors and allow to achieve the solution of the task - increase noise power under the influence of external noise, leading to interfering mechanical vibrations of the reflectors.

В отличие от известного технического решения, где отражатели закреплены непосредственно на внутренней стороне кольца, являющегося единым основанием для всех отражателей, в заявленном устройстве отражатели внешней стороной прикреплены к пьезоэлектрикам обратного эффекта, которые противоположными гранями пристыкованы к пьезоэлектрикам прямого эффекта. В свою очередь, ППЭ зафиксированы в выемках основания со свободными гранями для стыковки с ПОЭ. In contrast to the known technical solution, where the reflectors are mounted directly on the inner side of the ring, which is the single base for all reflectors, in the claimed device, the reflectors on the outside are attached to the piezoelectrics of the opposite effect, which are joined by opposite faces to the piezoelectrics of the direct effect. In turn, PES are fixed in the recesses of the base with free faces for docking with POE.

Пять ППЭ, трансформирующих механические колебания в электрические, и пять ПОЭ, трансформирующих электрические колебания в механические, и пассивный корреляционный автокомпенсатор (АК) помеховых сигналов в составе сумматора, пяти умножителей и пяти корреляторов, электрические связи между ними и элементами пассивного автокомпесатора образуют активный корреляционый автокомпенсатор механических колебаний отражателей. Five PES, transforming mechanical vibrations into electric ones, and five POE transforming electric vibrations into mechanical ones, and a passive correlation auto-compensator (AK) of interfering signals as an adder, five multipliers and five correlators, electrical connections between them and passive auto-compensator elements form an active correlation auto-compensator mechanical vibrations of reflectors.

В техническом решении заявляемого устройства учтены следующие два обстоятельства:
- частоты (фазы) оптических лучей в резонаторах гироскопа изменяются как в результате эффекта Саньяка, так и в результате воздействия внешних помех, приводящих через механические колебания отражателей к изменению оптических длин резонаторов. Поэтому оптические излучения формируют аддитивную смесь "полезный сигнал + помеха" (Эта аддитивная смесь с выхода фотоприемника является сигналом для основного входа сумматора);
- отражатели являются чувствительными элементами к воздействию внешних помех и формируют только сигнал "помеха". (Сигналы с выходов ППЭ являются сигналами вспомогательных каналов сумматора).The technical solution of the claimed device takes into account the following two circumstances:
- the frequencies (phases) of optical rays in the gyroscope resonators change both as a result of the Sagnac effect, and as a result of external interference, which, through mechanical vibrations of the reflectors, leads to a change in the optical lengths of the resonators. Therefore, optical radiation forms an additive mixture of "useful signal + interference" (This additive mixture from the output of the photodetector is a signal for the main input of the adder);
- Reflectors are sensitive elements to the effects of external noise and form only a "interference" signal. (The signals from the PES outputs are signals of the auxiliary channels of the adder).

Раздельный съем "полезный сигнал + помеха" и "помеха" обеспечивает как пассивную корреляционную автокомпенсацию помеховых сигналов, так и активную корреляционную автокомпенсацию механических колебаний отражателей от воздействия внешних помех. Separate removal of “useful signal + interference” and “interference” provides both passive correlation auto-compensation of interfering signals and active correlation auto-compensation of mechanical vibrations of reflectors from external interference.

Оптическая и функциональная схема устройства приведена на чертеже. Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между первым глухим зеркалом 2 и выходным полупрозрачным зеркалом 8, на внешней (обратной) стороне которого нанесена плоская дифракционная решетка. The optical and functional diagram of the device is shown in the drawing. The active medium 1, which serves to generate laser radiation, is located between the first deaf mirror 2 and the output translucent mirror 8, on the outer (back) side of which a plane diffraction grating is deposited.

Первая отражательная дифракционная решетка 3 расположена между первым глухим зеркалом 2 и вторым глухим зеркалом 6. Вторая отражательная дифракционная решетка 7 расположена между вторым глухим зеркалом 6 и выходным полупрозрачным зеркалом 8. Между первой отражательной дифракционной решеткой 3 и вторым глухим зеркалом 6 расположен первый поляризатор 4, а между первой отражательной дифракционной решеткой 3 и внутренней поверхностью выходного полупрозрачного зеркала 8, расположен второй поляризатор 5, при этом зеркала 2, 6 и 8, отражательные дифракционные решетки 3 и 7 расположены в вершинах правильного пятиугольника. Между внешней поверхностью выходного полупрозрачного зеркала 8 и фотоприемной системой 10 расположен преобразователь поляризации 9. Ход оптических лучей в устройстве показан на чертеже стрелками. Внешние поверхности глухого зеркала 2, отражательной решетки 3, глухого зеркала 6, отражательной решетки 7 и полупрозрачного зеркала 8 соответственно через ПОЭ 11, 12, 13, 14 и 15 состыкованы с ППЭ 16, 17, 18, 19 и 20. Выход фотоприемной системы 10 через фазовый детектор 32 подключен к основному входу сумматора 31. Ко второму входу фазового детектора 32 подключен выход кварцевого гетеродина 33. Сигнальные выходы ППЭ 16, 17, 18, 19 и 20 соответственно через умножители 26, 24, 22, 30 и 28 подключены к вспомогательным входам сумматора 31 и параллельно ко входам корреляторов 25, 23, 21, 29 и 27, вторые входы которых подключены к выходу сумматора 31. Выходы корреляторов 21, 23, 25, 27 и 29 соединены соответственно с управляемыми входами умножителей 22, 24, 26, 28 и 30. Выходом устройства является выход сумматора 31. The first reflective diffraction grating 3 is located between the first deaf mirror 2 and the second deaf mirror 6. The second reflective diffraction grating 7 is located between the second deaf mirror 6 and the output translucent mirror 8. Between the first reflective diffraction grating 3 and the second deaf mirror 6, the first polarizer 4, and between the first reflective diffraction grating 3 and the inner surface of the output translucent mirror 8, there is a second polarizer 5, while mirrors 2, 6 and 8, reflective raktsionnye grating 3 and 7 are arranged at the vertices of a regular pentagon. Between the outer surface of the output translucent mirror 8 and the photodetector system 10 is a polarization converter 9. The course of the optical rays in the device is shown in the drawing by arrows. The outer surfaces of the blind mirror 2, the reflective array 3, the blind mirror 6, the reflective lattice 7, and the translucent mirror 8, respectively, are connected via the PES 11, 12, 13, 14, and 15 to the PES 16, 17, 18, 19, and 20. The output of the photodetector system 10 through the phase detector 32 is connected to the main input of the adder 31. The output of the quartz local oscillator 33 is connected to the second input of the phase detector 32. The signal outputs of the PES 16, 17, 18, 19, and 20, respectively, through the multipliers 26, 24, 22, 30, and 28 are connected to the auxiliary the inputs of the adder 31 and parallel to the inputs of the correlators 25, 23, 2 1, 29 and 27, the second inputs of which are connected to the output of the adder 31. The outputs of the correlators 21, 23, 25, 27 and 29 are connected respectively to the controlled inputs of the multipliers 22, 24, 26, 28 and 30. The output of the device is the output of the adder 31.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, отражается от зеркала 2, попадает на отражательную дифракционную решетку 3, которая разделяет оптическое излучение по поляризациям и часть его с ТМ поляризацией, для которой угол падения равен углу отражения, направляет во внешний контур составного резонатора, образованного из элементов 1, 2, 3, 4, 6, 7 и 8. (Изготовление отражательных дифракционных решеток, подобных решеткам 3 и 7, не вызывает затруднений; см., например, [4]). Другая часть излучения с ТЕ поляризацией, ортогональной ТМ поляризации, для которой угол отражения от дифракционной решетки 3 не равен углу падения на нее, циркулирует по внутреннему контуру составного резонатора, образованного элементами 1, 2, 3, 5, 8, 6, 2, 7, 8. При этом отражательная дифракционная решетка 7 имеет те же свойства, что и решетка 3. Поляризатор 4 внешнего контура и поляризатор 5 внутреннего контура "вычищают" оптическое излучение во внешнем и внутреннем контурах- от излучения с "неправильной" поляризацией и пропускают далее себя только то излучение, которое обладает строго требуемой поляризацией. Поскольку оптическая длина светового пути в двух резонансных контурах разная, то резонаторы генерируют световое излучение на разных частотах. Два излучения со взаимно ортогональными плоскостями поляризации, с разнесенными частотами, υ₁ и υ_2, бегущие в одном направлении, в активной среде 1 взаимодействуют с разными группами атомов. Это приводит к резкому уменьшению взаимовлияния генерируемых волн (т.е. к практическому устранению конкуренции волн). Поскольку волны крайне слабо взаимодействуют друг с другом, полоса синхронизации оказывается очень узкой и может достичь, в зависимости от тщательности изготовления оптических элементов устройства, десятых или сотых долей Гц, а это, в свою очередь, приводит к повышению стабильности работы лазерного гироскопа. При любой скорости вращения предлагаемый лазерный гироскоп будет работать вне полосы синхронизации, в нем всегда будет присутствовать сигнал разностной частоты и, следовательно, любая угловая скорость или ее вариация оказывается измеримой. Оба луча собираются дифракционной решеткой, установленной на внешней стороне выходного полупрозрачного зеркала 8, проходят через поляризатор 9, который совмещает плоскости поляризаций обоих лучей, и затем подаются на фотоприемную систему 10. При этом на входе фотоприемной системы 10 образуется интерференционное поле, характеризуемое последовательностью интерференционных полос, число и скорость перемещения которых определяется разностью υ_пр= υ₁-υ₂ частот световых волн. С помощью фотоприемной системы 10 (как и в прототипе) измеряется скорость прохождения максимумов интенсивности интерференционной картины, по которой и судят о скорости углового вращения лазерного гироскопа.The device operates as follows. Optical radiation with a full set of polarizations, coming out of the active medium 1, is reflected from the mirror 2, hits the reflective diffraction grating 3, which separates the optical radiation by polarization and part of it with TM polarization, for which the angle of incidence is equal to the angle of reflection, directs to the external circuit a composite resonator formed from elements 1, 2, 3, 4, 6, 7 and 8. (The fabrication of reflective diffraction gratings, similar to gratings 3 and 7, is straightforward; see, for example, [4]). Another part of the radiation with TE polarization orthogonal to the TM polarization, for which the angle of reflection from the diffraction grating 3 is not equal to the angle of incidence on it, circulates along the inner contour of the composite resonator formed by elements 1, 2, 3, 5, 8, 6, 2, 7 , 8. In this case, the reflective diffraction grating 7 has the same properties as the grating 3. The polarizer 4 of the external circuit and the polarizer 5 of the internal circuit “clean” the optical radiation in the external and internal circuits from radiation with an “incorrect" polarization and then pass themselves only about the radiation that has a strictly required polarization. Since the optical path length in two resonant circuits is different, the resonators generate light radiation at different frequencies. Two radiation with mutually orthogonal planes of polarization, with spaced frequencies, υ ₁ and υ ₂ running in the same direction, in the active medium 1 interact with different groups of atoms. This leads to a sharp decrease in the mutual influence of the generated waves (i.e., to the practical elimination of wave competition). Since the waves interact extremely weakly with each other, the synchronization band turns out to be very narrow and can reach, depending on the thoroughness of manufacturing the optical elements of the device, tenths or hundredths of a Hz, and this, in turn, leads to an increase in the stability of the laser gyroscope. At any speed of rotation, the proposed laser gyroscope will operate outside the synchronization band, there will always be a difference frequency signal in it and, therefore, any angular velocity or its variation is measurable. Both beams are collected by a diffraction grating mounted on the outer side of the output translucent mirror 8, pass through a polarizer 9, which combines the polarization planes of both beams, and then feed to the photodetector system 10. An interference field is formed at the input of the photodetector system 10, characterized by a sequence of interference fringes , the number and speed of movement of which is determined by the difference _straight υ = υ _{1 2} -υ frequency light waves. Using the photodetector system 10 (as in the prototype), the speed of passing the maxima of the intensity of the interference pattern is measured, which is used to judge the speed of the angular rotation of the laser gyro.

Выходной сигнал фотоприемной системы 10 на промежуточной радиочастоте υ_пр поступает на один из входов фазового детектора 32. На другой вход фазового детектора 32 поступает сигнал кварцевого гетеродина 33 с частотой ω_кг= υ_пр. . С выхода фазового детектора 32 на основной вход сумматора 31 на видеочастоте поступает сигнал

где U₀(t) - полезный сигнал, обусловленный эффектом Саньяка;
U_0пj (t) -j-й помеховый сигнал, обусловленный фазовой модуляцией оптического излучения под воздействием внешних помех на отражатели. Внешние помехи искажают фазу оптического излучения в результате изменения оптической длины резонансных контуров под действием механических колебаний зеркал. Внешние помехи, вызывающие механические колебания зеркал, в ППЭ формируют оптические сигналы
U_ni(t) = U_эi(t) = γ_эiU_mi(t), (2)
где γ_эi- коэффициенты преобразования механических колебаний U_mi(t) в электрические U_эi(t). Каждый из этих сигналов поступает параллельно на входы своих i-х умножителей 22, 24, 26, 28, 30 и корреляторов 21, 23, 25, 27, 29. Выходное напряжение U_Σ(t) сумматора 31 описывается выражением [5]:

или с учетом (1)

где

- напряжение регулирования (коэффициент передачи вспомогательного канала АК), формируемое в i-м корреляторе по корреляционной функции сигналов с выхода сумматора U_Σ(t) и i-го вспомогательного канала; β_i≫ 1 - коэффициент усиления в цепи корреляционной отрицательной обратной связи; черта означает усреднение по времени,

при i ≠ j.The output signal of the photodetector system 10 at the intermediate radio frequency υ _{pr is} fed to one of the inputs of the phase detector 32. The signal of the quartz local oscillator 33 with a frequency of ω _kg = υ _pr. Is received at the other input of the phase detector 32. From the output of the phase detector 32 to the main input of the adder 31 on the video frequency signal

where U ₀ (t) is a useful signal due to the Sagnac effect;
U _0пj (t) -j-th interference signal due to phase modulation of optical radiation under the influence of external noise on the reflectors. External noise distorts the phase of optical radiation as a result of changes in the optical length of the resonant circuits under the influence of mechanical vibrations of the mirrors. External interference causing mechanical vibrations of mirrors in the PES form optical signals
U _ni (t) = U _ei (t) = γ _ei U _mi (t), (2)
where γ _ei are the conversion coefficients of mechanical vibrations U _mi (t) into electric U _ei (t). Each of these signals is supplied in parallel to the inputs of its i-th multipliers 22, 24, 26, 28, 30 and correlators 21, 23, 25, 27, 29. The output voltage U _Σ (t) of the adder 31 is described by the expression [5]:

or subject to (1)

Where

- the regulation voltage (transmission coefficient of the auxiliary channel AK) generated in the i-th correlator by the correlation function of the signals from the output of the adder U _Σ (t) and the i-th auxiliary channel; β _i ≫ 1 is the gain in the correlation negative feedback circuit; bar means time averaging,

for i ≠ j.

Из (3)-(5) следует, что напряжение регулирования β_ik_i(t) формируется так, чтобы напряжения U_0пj(t) на основном входе сумматора 31 и U_пi(t) (после перемножения на β_ik_i(t)) на соответствующем вспомогательном входе сумматора были в противофазе и равны по амплитуде.From (3) - (5) it follows that the regulation voltage β _i k _i (t) is formed so that the voltage U _0пj (t) at the main input of the adder 31 and U _пi (t) (after multiplying by β _i k _i ( t)) at the corresponding auxiliary input of the adder were out of phase and equal in amplitude.

Напряжения

поступают в качестве управляющих на сигнальные входы соответствующих ПОЭ_i 11-15.Stress

act as controllers to the signal inputs of the corresponding POE _i 11-15.

Тогда возникающие в ПОЭ_i механические колебания U_мi(t) под действие напряжения U_э(t) будут равны
U_мi(t) = γ_мiU_эi(t) = - γ_мiU_0nj(t), (8)
где γ_мi- коэффициенты преобразования электрических колебаний U_эi(t) в механические U_мi(t).Then the mechanical vibrations U _mi (t) arising in the POE _i under the action of the voltage U _e (t) will be equal
U _mi (t) = γ _mi U _ei (t) = - γ _mi U _0nj (t), (8)
where γ _mi are the conversion coefficients of electric oscillations U _ei (t) into mechanical U _mi (t).

Из (1), (7) и (8) следует, что отрицательная обратная связь с выхода i-х умножителей на управляемый вход ПОЭ_i обеспечивает им противофазные с ППЭ_i механические колебания, а следовательно, активную автокомпенсацию механических колебаний i-х зеркал. Это, в свою очередь, приводит к компенсации помеховых фазовых модуляций оптического излучения, т.е. к минимизации коррелированных помеховых составляющих U_0пj(t) в выходном сигнале фотоприемной системы 10.From (1), (7) and (8) it follows that the negative feedback from the output of the i-th multipliers to the controlled input of the POE _i provides them with out-of-phase mechanical vibrations with PES _i and, therefore, the active auto-compensation of the mechanical vibrations of the i-th mirrors. This, in turn, leads to compensation of interfering phase modulations of optical radiation, i.e. to minimize the correlated interference components U _0пj (t) in the output signal of the photodetector system 10.

Таким образом, напряжения регулирования β_ik_i(t), формируемые в цепи корреляционной отрицательной обратной связи пассивного АК, обеспечивают минимизацию помеховых механических колебаний зеркал (активная автокомпенсация помех), т.е. минимизацию помеховой фазовой модуляции оптического излучения и минимизацию помеховых сигналов (пассивная автокомпенсация помех) на выходе сумматора 31 АК. При этом поскольку в выходных напряжениях U_пi(t) отсутствуют составляющие, обусловленные полезным эффектом Саньяка, полезный сигнал U₀(t) сохраняется полностью.Thus, the regulation voltages β _i k _i (t) generated in the correlation negative feedback circuit of the passive AK provide minimization of the noise mechanical oscillations of the mirrors (active auto-compensation of interference), i.e. minimizing the interfering phase modulation of optical radiation and minimizing the interfering signals (passive interference auto-compensation) at the output of the adder 31 AK. Moreover, since there are no components in the output voltages U _pi (t) due to the useful Sagnac effect, the useful signal U ₀ (t) is fully preserved.

Таким образом, предложенная активная корреляционная автокомпенсация колебаний зеркал (отражателей) обеспечивает заявляемому лазерному гироскопу защиту от внешних помех с полным сохранением полезного сигнала, обусловленного эффектом Саньяка. Thus, the proposed active correlation auto-compensation of oscillations of the mirrors (reflectors) provides the claimed laser gyroscope with protection from external interference with complete preservation of the useful signal due to the Sagnac effect.

Источники информации
1. 3ейгер С.Г., Климонтович Ю.Л., Ланда П.С., Ларионцев Е.Г., Фрадкин Э. Е. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах. М.: Наука, 1974, 416 с.Sources of information
1. 3iger S.G., Klimontovich Yu.L., Landa P.S., Lariontsev E.G., Fradkin E.E. Wave and fluctuation processes in lasers. M .: Nauka, 1974, 416 p.

2. Серегин В.В., Кукулиев P.M., Лазерные гирометры и их применение. М.: Машиностроение, 1990, 288 с. 2. Seregin VV, Kukuliev P.M., Laser gyrometers and their use. M .: Engineering, 1990, 288 p.

3. Балакин А. Б., Даишев Р.А., Мурзаханов 3. Г., Скочилов А.Ф. Патент N 2117251 на изобретение "Лазерный гироскоп" с приоритетом от 6 мая 1997 г., Бюл. N22, 10.08.98. - прототип. 3. Balakin A. B., Daishev R. A., Murzakhanov 3. G., Skochilov A.F. Patent No. 2117251 for the invention of "Laser Gyroscope" with priority of May 6, 1997, Bull. N22, 08/10/98. - prototype.

4. Kogelnik Н.//Bell Syst. Tell. J., -1969.- v. 48, N 9, p. 2909-2948. 4. Kogelnik N. // Bell Syst. Tell. J., -1969.- v. 48, N 9, p. 2909-2948.

5. Теоретические основы радиолокации. Под. ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов. М.: Советское радио, 1970, 560 с. 5. Theoretical foundations of radar. Under. ed. Shirmana Y.D. Textbook for universities. M .: Soviet Radio, 1970, 560 p.

Claims (1)

Лазерный гироскоп, содержащий активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на внешней стороне, первую и вторую отражательные дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, фотоприемную систему и преобразователь поляризации, причем преобразователь поляризации расположен между полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой, а первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, вторая дифракционная решетка расположена между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалами, первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом, при этом оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим зеркалом и выходным полупрозрачным зеркалом, отличающийся тем, что в него введены пять пар прикрепленных друг к другу рабочими гранями пьезоэлектриков обратного и прямого эффектов, фазовый детектор с кварцевым гетеродином на одном из его входов, пять пар последовательно соединенных корреляторов и умножителей и сумматор с одним основным и пятью вспомогательными входами, причем каждый пьезоэлектрик обратного эффекта своей гранью, противоположной рабочей грани, прикреплен к внешней стороне либо глухих зеркал, либо отражательных дифракционных решеток, а пьезоэлектрики прямого эффекта своими свободными гранями, противоположными рабочим, зафиксированы в выемке основания их крепления, выход фотоприемной системы через фазовый детектор соединен с основным входом сумматора, сигнальные выходы пьезоэлектриков прямого эффекта подключены к первым входам соответствующих корреляторов и параллельно через соответствующие умножители к соответствующим вспомогательным входам сумматора и параллельно к сигнальным входам соответствующих пьезоэлектриков обратного эффекта, причем выход сумматора, являющийся сигнальным выходом устройства, параллельно подключен ко вторым входам всех корреляторов. A laser gyroscope containing an active medium for generating optical radiation, the first and second blind mirrors, the output translucent mirror with a flat diffraction grating on the outside, the first and second reflective gratings with the possibility of reflecting incident rays at an angle other than the angle of incidence, the first and second polarizers with mutually orthogonal transmission planes, a photodetector system and a polarization converter, the polarization converter being located between the translucent mirror and a photodetector system, and the first reflective diffraction grating is located between the blind mirrors, the second diffraction grating is located between the second blind and the output translucent mirrors, the first polarizer is located between the first reflective diffraction grating and the second blind mirror, and the second polarizer is located between the first reflective diffraction grating and the output semitransparent mirror, with both deaf mirrors, the output translucent mirror and both reflective diffraction gratings p are located at the vertices of a regular pentagon, and the active medium is located between the first blind mirror and the output translucent mirror, characterized in that five pairs of inverse and direct effects piezoelectrics attached to each other by working faces are introduced into it, a phase detector with a quartz local oscillator at one of its inputs , five pairs of series-connected correlators and multipliers and an adder with one main and five auxiliary inputs, each piezoelectric of the opposite effect with its own face, opposite of the working working face attached to the outside of either deaf mirrors or reflective diffraction gratings, and the direct effect piezoelectrics with their free faces opposite to the workers are fixed in the recess of the mount base, the output of the photodetector system through a phase detector is connected to the main input of the adder, the signal outputs of piezoelectrics direct effect are connected to the first inputs of the corresponding correlators and in parallel through the corresponding multipliers to the corresponding auxiliary inputs of the total parallel to the signal inputs of the corresponding piezoelectrics of the opposite effect, and the adder output, which is the signal output of the device, is connected in parallel to the second inputs of all correlators.