Анализ температурной устойчивости лазерного гироскопа
Введение
Актуальность. Лазерный гироскоп (ЛГ) представляет собой интегрирующий скоростной измерительный прибор, отличающийся от предшествующих ему гироскопов тем, что в нем нет вращающейся массы. В ЛГ используют кольцевой оптический резонатор, в котором генерируются две независимые противоположно направленные оптические бегущие волны. Время бегущих волн зависит от скорости вращения кольцевого резонатора в инерциальном пространстве. Из разности частот двух встречных волн можно определять параметры вращения резонатора. Лазерные гироскопы имеют широкие перспективы использования как в современных системах навигации, наведения и управления, так и в системах будущего. Современная лазерная гироскопия, возникшая практически одновременно с появлением самих лазеров и основанная на использовании интерференционных явлений, позволяет с высокой точностью измерять угловые скорости и углы в инерциальном пространстве, позволяет с высокой точностью измерять угловые скорости и углы в инерциальном пространстве. Являясь самостоятельным направлением квантовой электроники, лазерная гироскопия находится в ряду таких эффектов и применений лазерной физики и лазерной техники, как голография, интерферометрия, генерация гармоник и параметрическая генерация света, оптическое гетеродинирование и др.
Содержание
Сокращения. 5
ВВЕДЕНИЕ. 6
1. Теоретическая часть. 9
1.1 Принцип действия лазерного гироскопа. 9
1.2 Точностные характеристики лазерного гироскопа. 10
1.2.1 Масштабный коэффициент лазерного гироскопа как его основная метрологическая характеристика. 11
1.2.2 Дрейф лазерного гироскопа. 12
1.2.3 Точностные параметры лазерного гироскопа. 15
1.3 Основные погрешности лазерного гироскопа. 16
1.3.1 Невзаимные эффекты, вызывающие сдвиг нуля. 18
1.3.2 Влияние тепловых градиентов на сдвиг нуля. 20
1.3.3 Выходная характеристика лазера с учетом эффекта захвата. 21
1.3.4 Постоянное смещение из зоны захвата. 23
1.4 Система регулировки периметра. 23
1.4.1 Система регулировки периметра призменного кольцевого резонатора. 24
1.5 Анализ возмущенного резонатора методом осевого контура с использованием вектора ошибок. 25
1.5.1 Метод осевого контура. 26
1.5.2 Переюстировки в сечениях резонатора. 30
1.5.3 Равномерный прогрев. 31
1.5.4 Переюстировки, вызванные изменением показателя преломления воздуха в системе регулировки периметра резонатора. 34
1.5.5 Исключение линейных переюстировок. 35
1.5.6 Нестабильность масштабного коэффициента лазерного гироскопа, вызванная температурными разъюстировками кольцевого призменного резонатора. 37
2 Расчетная часть. 39
2.1 Расчет кольцевого резонатора и параметров формируемого пучка. 40
2.1.1 Расчет параметров гауссового пучка. 41
2.1.2 Выбор системы сведения. 47
2.1.3 Расчет системы регистрации интерференционной картины.. 48
2.3 Анализ возмущенного резонатора методом осевого контура с использованием вектора ошибок. 50
2.4 Оптимизация системы регулировки периметра кольцевого резонатора с учетом заданных температурных режимов. 58
3 Конструкторская часть. 64
3.1 Разработка оптической схемы лазерного гироскопа. 64
3.2 Разработка сборочного чертежа излучателя кольцевого лазера. 65
3.3 Разработка сборочного чертежа лазерного гироскопа. 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 67
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 68
ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 69
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Болотнов С.А., Вереникина Н.М. Лазерные информационно-измерительные системы: Учеб. пособие. Ч. 1. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 70 с.
Арановиц Ф. Лазерные гироскопы // Применение лазеров: Пер. с англ. / Под ред. М. Росса. М.: Мир, 1974. С. 182–269.
Джеррард А., Берч Дж.М. Введение в матричную оптику 1978.
Болотнов С.А., Вереникина Н.М. Лазерные информационно-измерительные системы: Учеб. пособие. Ч. 1. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 70 с.
Арановиц Ф. Лазерные гироскопы // Применение лазеров: Пер. с англ. / Под ред. М. Росса. М.: Мир, 1974. С. 182–269.
Y.V.Bakin, G.N.Ziouzev, M.B.Lioudomirski «Laser gyros with total reflection prisms». Bauman Moscow State Technical University. - Optical Gyros and their Application. - AGARDograph/RTO/NATO, 1999.
Ищенко Е. Ф., Рамазанова Г. С. «Анализ разъюстированных открытых оптических резонаторов». Издательство МЭИ, 1993.
Лукьянов Д. П., Филатов Ю. В. Основы квантовой гироскопии: Учеб. пособие. Л.: Изд-во ЛЭТИ, 1987. 71 с.
Ломакин А. В. Матричные методы в расчете лазерных резонаторов: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. 31
с.Федоров Б.В., Шереметьев А.Г., Умников В.Н. Оптический квантовый гироскоп. М.: Машиностроение, 1972. 222 с.
Fundamentals of the Ring Laser Gyro/ Aronowitz F. // Optical Gyros and their Application / RTO AGARDograph 339 (Québec), May 1999. P.3.1–3.45.
Болотнов С.А., Вереникина Н.М. Лазерные информационно-измерительные системы: Учеб. пособие. Ч. 2. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 76 с.
Серегин В.В., Кукулиев Р.М. Лазерные гирометры и их применение. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.
Рожков О.В., Вереникина Н.М. Стабилизация параметров лазерного излучения: Учеб. пособие /Под ред. О.В. Рожкова. М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1990. 68 с.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы был рассмотрен принцип работы лазерного гироскопа, включая основные погрешности устройства, точностные характеристики, строение и логику работы его основных составляющих.
Была рассчитана оптическая схема и конструкция лазерного гироскопа с заданными параметрами на базе призм полного внутреннего отражения.По результатам проведенного анализа были выявлены температурные разъюстировки, для устранения которых необходима система регулировки периметра кольцевого лазера с призмами полного внутреннего отражения и оптимизация конструкции лазерного гироскопа для заданного температурного диапазона.
Так же были рассмотрены основные принципы построения системы регулировки периметра кольцевого лазера с призмами полного внутреннего отражения. Для достижения поставленной цели ВКР, а именно, разработка малогабаритного термостабильного призменного лазерного гироскопа, был проведен анализ резонатора методом осевого контура с использованием вектора ошибок. В рамках оптимизации была проведена работа по подбору соотношений сторон L_1 и L_2 лазерного гироскопа, в результате которого удалось добиться термостабильной конструкции лазерного гироскопа с практически нулевым отклонением осевого контура в плече между первыми призмами. Это позволило получить минимальные погрешности масштабного коэффициента лазерного гироскопа.