Способ измерения угловых скоростей объектов с помощью кольцевого оптического квантового генератора

Предлагаемое изобретение относится к датчикам угловых скоростей на основе кольцевых оптических квантовых генераторов и может быть использовано при создании высокоточных квантовых гироскопов, измерителей угловых скоростей, магнитных компасов и других приборов.

Обычно в кольцевых оптических квантовых генераторах для преодоления явления синхронизации частот двух встречных лучей и дискриминации знака угловых перемещений применяется невзаимный элемент, основанный на эффекте Фарадея [1]. Этот элемент устанавливается в резонаторе кольцевого оптического квантового генератора по отношению к направлению генерируемых лучей нормально или под углом Брюстера.

В кольцевых оптических квантовых генераторах с активным элементом, имеющим выходные окна под углом Брюстера, излучение имеет линейную поляризацию. При прохождении излучения через невзаимный элемент, к которому приложено продольное магнитное поле, электромагнитная волна приобретает дополнительный фазовый сдвиг, зависящий от величины и направления магнитного поля. В результате этого частоты лучей кольцевого оптического квантового генератора будут отличаться на величину, определяемую выражением:

где R - постоянная Верде; Н - напряженность магнитного поля в направлении распространения лучей; l_нэ - длина пути лучей в невзаимном элементе; l_р - длина периметра резонатора.

Теперь при угловых перемещениях кольцевого оптического квантового генератора его частоты будут изменяться в соответствии с величиной и знаком угловой скорости. При этом частоты лучей будут определяться следующими выражениями:

где ν_o - частота излучения, покоящегося кольцевого ОКГ в отсутствии расщепления частоты невзаимным элементом; ν_п - частота луча, распространяющегося по часовой стрелке; ν_л - частота луча, распространяющегося против часовой стрелки; F_pн - частота расщепления, обусловленная невзаимным элементом; F_Ω - частота расщепления, обусловленная вращением с угловой скоростью Ω. В этом случае направление магнитного поля таково, что его действие совпадает по знаку с действием углового перемещения. После выделения разности в оптических частотах получается частотный сдвиг , определяемый выражением:

Для измерения F_Ω и, следовательно, угловой скорости необходимо исключить F_рн. Это достигается коммутацией магнитного поля в невзаимном элементе.

При противоположном направлении магнитного поля частотный сдвиг будет определяться выражением:

Если из (4) вычтем (5), получим:

По известному соотношению:

S - площадь, охватываемая траекторией лучей;

ν - частота лучей в находящемся кольцевом оптическом квантовом генераторе;

l_p - длина периметра резонатора, находим величину угловой скорости Ω.

Практически измерение угловой скорости производится следующим образом. Производится измерение количества импульсов сигнала с частотой за время ΔT. Затем производится коммутация поля. На это тоже необходимо время Δt. После этого измеряется количество импульсов сигнала частоты за то же время ΔT. Результаты измерений алгебраически складываются, и таким образом находится ΔF_p и, следовательно, угловая скорость.

Такой способ измерения позволяет получить усредненные значения угловых скоростей за время измерений 2ΔT и только частично избавиться от влияния нестабильности магнитного поля на точность измерений.

Предлагается способ измерения угловых скоростей, имеющий своей целью обеспечение непрерывного измерения угловых скоростей и устранения влияния на точностные характеристики датчика с кольцевым оптическим квантовым генератором и невзаимным элементом нестабильности магнитного поля.

Рассмотрим динамику системы, реализующей предлагаемый способ, представленную на рис. 1, где:

1 - кольцевой оптический квантовый генератор;

2 - зеркала-поляризаторы;

3 - невзаимный элемент;

4 - призмы Волластона;

5 - зеркала для объединения лучей с одинаковой поляризацией;

6 - полупрозрачные пластины;

7 - средства для выделения разностной частоты;

8 - детектор.

- частота волны, поляризованной в горизонтальной плоскости, распространяющейся против часовой стрелки; ν_л⊕ - частота волны, распространяющейся против часовой стрелки и поляризованной в вертикальной плоскости; - частота волны, поляризованной в горизонтальной плоскости и распространяющейся по часовой стрелке; ν_п⊕ - частота волны, поляризованной в вертикальной плоскости, распространяющейся в направление по часовой стрелки; - разностная частота от волн с горизонтальной поляризацией; F_p⊕ - разностная частота волн с вертикальной поляризацией; ΔF_p - разностная частота от углового перемещения.

При приложении к невзаимному элементу поля Н, частоты электромагнитных волн изменяются на величину, определяемую выражением (1), а знак изменения определяется направлением вращения плоскости поляризации волны внутри невзаимного элемента по отношению к направлению магнитного поля [1].

В силу того, что плоскости поляризации волн кольцевого оптического квантового генератора, распространяющихся в одном направлении, взаимно перпендикулярны, то внутри невзаимного элемента они будут иметь противоположно вращающиеся плоскости поляризации. Следовательно, они получат сдвиг частоты по величине в соответствии c (1), но противоположный по знаку. То же произойдет с частотами встречных волн. Значения частот этих волн будут определяться соотношениями:

Во вращающемся кольцевом оптическом квантовом генераторе произойдет изменение всех частот на величину . Допустим, что ν_л⊕ от вращения изменилось и определяется в соответствии с выражением:

Тогда частоты остальных волн будут определяться следующими выражениями:

Объединяя лучи с одинаковой поляризацией за пределами резонатора кольцевого оптического квантового генератора, выделяем разницу в их частотах известными методами. Она будет определяться следующими выражениями:

- для электромагнитных волн с вертикальной поляризацией;

- для электромагнитных волн с горизонтальной поляризацией. Затем, выделяя разницу между F_p⊕ и , получаем выражение для ΔF_p.

Зная F_Ω, находим величину угловой скорости.

Таким образом, в предлагаемой системе достигается тот же результат, что и ранее, а именно, измерение величины угловой скорости, но без коммутации направления магнитного поля. Следовательно, мы имеем возможность измерить угловую скорость в любой момент времени.

Поскольку в выражение (14) не входит значение сдвига частот от магнитного поля, а измерение ΔF_p производится непрерывно, то влияние нестабильности магнитного поля в предлагаемом способе полностью исключается.

В заключение отмечаем, что предлагаемый способ может быть использован для измерения величины и внешней составляющей магнитного поля. Для этого необходимо сложить (12) и (13), с тем чтобы выделить сигнал , обусловленный только магнитным полем. Изменение величины будет нести информацию об изменении внешнего магнитного поля.

Литература:

1. Васильев В.П. "Вопросы специальной радиоэлектроники". Серия XII, вып. 14, 1965 г. стр. 3-20.