автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методы оптимизации и уменьшения ошибок лазерного гирокомпаса

{О

□озовте13

I. - гл , , , ¿ии/

На правах рукописи

Лепешкин Дмитрий Викторович

МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ И УМЕНЬШЕНИЯ ОШИБОК ЛАЗЕРНОГО ГИРОКОМПАСА

Специальность 05 11 07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003057613

Работа выполнена в ГОУВПО Московском Энергетическом Институте (техническом университете) на кафедре физики им В А Фабриканта

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Соколов Андрей Леонидович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Будак Владимир Павлович

доктор физ -мат наук,

профессор Привалов Вадим Евгеньевич

Ведущая организация ФНПЦ ФГУП НИИ «Прецизионного приборостроения»

Защита состоится « X » _2007 г в аудитории Е - 603 в часов

на заседании диссертационного совета Д 212 157 22 при Московском энергетическом институте (техническом университете) 111250, г Москва, ул Красноказарменная, д 13

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 111250, г Москва, ул Красноказарменная, д 14 Ученый совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Автореферат разослан «13 » еиуЯ^Л 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к т н, доцент -/¿^ БУРе Н Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Инерциальные навигационные системы на базе лазерных гироскопов являются одной из важнейших составляющих, обеспечивающих безопасность полетов летательных аппаратов Лазерные гироскопы прочно вошли в состав наиболее точных измерительных комплексов из-за малого времени выхода в рабочий режим, относительной дешевизны и высокой точности измерения угла поворота Одной из функций, выполняемых лазерным гироскопом в авиации, является определение положения самолета относительно направления на север (работа в режиме гирокомпаса) Эта задача решается за счет измерения проекций угловой скорости вращения Земли на оси чувствительности трех ортогонально расположенных гироскопов, входящих в бортовой навигационный комплекс Типичная погрешность определения азимута в данном случае составляет 6' за время измерения 15 минут

Определение положения объекта относительно географического направления на север требуется не только в авиации Например, существует большая потребность в создании прибора для быстрого, точного и согласованного наведения разрозненных артиллерийских расчетов на цель Поскольку в данном случае задача навигации не ставится, то можно построить гирокомпас с использованием только одного гироскопа на поворотной платформе, что позволяет значительно уменьшить стоимость прибора Для такого рода задач, в отличие от задач навигации, необходимо измерять угловую скорость в малом диапазоне, однако существенно ужесточаются требования по точности и времени измерения, при этом требуемая погрешность с вероятностью 0,9 должна составлять не более 4,6' за время измерения 2 минуты Существующие модели гирокомпасов позволяют измерить азимут с погрешностью не более 10' за время 8 минут Поэтому необходимо разработать новые методы измерения, позволяющие получить требуемую погрешность

Одним из факторов, существенно влияющих на погрешность измерения лазерного гироскопа (ЛГ), является синхронизация встречных бегущих волн в его кольцевом лазере (так называемый захват частоты или для краткости просто захват) Это явление заключается в нечувствитечьности лазерного гироскопа в области малых угловых скоростей и возникает из-за рассеяния излучения на зеркалах резонатора Несмотря на обширные теоретические исследования по уменьшению захвата метода полной его компенсации до сих пор не найдено В настоящее время для уменьшения влияния захвата применяется постоянное смещение (постоянное вращение ЛГ) или знакопеременная частотная подставка (реверсивное вращение ЛГ) со случайным изменением максимального значения угловой скорости (амплитуды частотной подставки)

Данные методы позволяют в широком диапазоне измерять угловую скорость Однако первый способ характеризуется высокой нестабильностью, а второй -внесением дополнительных случайных шумов, что затрудняет их использование при малом времени измерения В связи с этим, рассматриваемые в диссертации методы компенсации захвата в режиме измерения постоянных или медленно меняющихся во времени угловых скоростей методом закономерного (без использования случайной модуляции) изменения амплитуды знакопеременной частотной

подставки, являются актуальными и могут применяться как для задачи гирокомпаса, так и в других случаях (например, при лабораторных исследованиях невзаимных эффектов, измерении флуктуаций вращения Земли и других)

Еще одним важным фактором, влияющим на погрешность измерения лазерного гироскопа, является выбор оптимальной методики измерения угловой скорости Поскольку для уменьшения влияния захвата в сигнал гироскопа вносятся значительные изменения, от измерительной системы требуется компенсировать внесенные искажения В настоящее время для уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на показания лазерного гироскопа применяют оптическую компенсацию, внешние датчики угла поворота кольцевого лазера гироскопа относительно основания, проводят измерения, синхронные с периодом качания кольцевого лазера Данные методы не оптимальны для задачи гирокомпаса, поскольку либо сложны в реализации либо не обеспечивают необходимой погрешности Предложенный способ измерения угловой скорости по зависимости интеграча накопленного угла от времени, позволяет без использования дополнительных элементов в базовой компоновке гироскопа уменьшить ошибку измерения и себестоимость системы

Цель и задачи работы

Целью настоящей работы является проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку и оптимизацию методов уменьшения погрешности лазерного гироскопа в режиме гирокомпаса Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи

1 Разработать методику измерения при постоянной угловой скорости в случае механических колебаниях гироскопа без использования дополнительных элементов в его конструкции

2 Провести исследование предложенной методики измерения на модели сигнала лазерного гироскопа

3 Разработать систему сбора и обработки данных лазерного гироскопа для исследования предложенных методик на приборе

4 Разработать способ уменьшения области захвата лазерного гироскопа при механических колебаниях без использования случайной модуляции их амплитуды.

5 Провести анализ разработанного способа уменьшения области захвата на модели сигнала лазерного гироскопа

6 Проанализировать соответствие теоретических расчетов с экспериментом и выработать по полученным данным параметры схемы уменьшения области захвата и способы их стабилизации

7 Отработать разработанные методы на существующих и экспериментальных приборах и провести их оптимизацию

Научная новизна работы

1 Впервые предложен способ измерения угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени и проведено его подробное исследование

2 Доказана возможность осуществить компенсацию захвата лазерного гироскопа в области малых угловых скоростей методом детерминированного изменения амплитуды механических колебаний кольцевого лазера

3 Впервые подробно исследовано влияние детерминированного изменения амплитуды знакопеременной частотной модуляции встречных волн (частотной подставки) на показания лазерного гирокомпаса

4 Показано, что для определения глубины модуляции амплитуды частотной подставки, при которой происходит компенсация влияния захвата, достаточно использовать метод последовательных приближений

5 Проведен анализ способа компенсации влияния синхронизации встречных бегущих волн при стабилизации амплитуды частотной подставки

Практическая ценность работы

1 Разработана система сбора и обработки данных лазерного гирокомпаса для возможности простой отработки новых методов измерения

2 Создан метод уменьшения влияния знакопеременной частотной модуляции встречных волн на показания лазерного гирокомпаса без использования дополнительных элементов в его конструкции, основанный на измерении угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени, что позволяет уменьшить себестоимость выпускаемых приборов

3 Разработан способ уменьшения влияния захвата путем закономерного изменения амплитуды частотной подставки, который позволил уменьшить погрешность прибора, связанную с синхронизацией встречных бегущих волн

4 Найдены значения величины модуляции амплитуды частотной подставки, при которых происходит компенсация влияния захвата в области малых угловых скоростей

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1 Разработанный способ уменьшения влияния знакопеременной частотной модуляции встречных бегущих волн на показания лазерного гироскопа, основанный на измерении угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени, позволяет уменьшить влияние знакопеременной частотной подставки и дискретности измерения в 10 раз по сравнению с измерениями, синхронными с частотой качания гироскопа, при измерении за секунду

2 Созданный макет системы сбора и обработки данных лазерного гироскопа позволяет измерять разностную частоту, соответствующую угловой скорости, в диапазоне от —600 до +600 кГц с уменьшением влияния знакопеременной частотной подставки не менее чем в 106 раз при измерении за секунду

3 Закономерное изменение амплитуды знакопеременной частотной подставки уменьшает влияние захвата в области малых угловых скоростей без внесения дополнительных шумов

4 Компенсация влияния синхронизации встречных волн в кольцевом лазере при стабилизации амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата уменьшает требования к точности стабилизации

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Методы измерения постоянной угловой скорости при механических колебаниях гироскопа были проверены в результате теоретических расчетов на модели сигнала и экспериментальных исследований, что подтверждает достоверность полученных результатов Достоверность результатов применения способов уменьшения области захвата лазерного гироскопа при механических колебаниях без использования случайной модуляции их амплитуды, разработанных и опробованных на модели сигнала, подтверждается соответствием результатов, полученных на модели сигнала, с результатами экспериментов на приборе

Внедрение результатов диссертационной работы

Результаты работы были использованы при создании нового гирокомпаса, в основе которого лежит четырехзеркальный лазерный гироскоп

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены на 10, 11 и 13 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника Электротехника Энергетика» (Москва, 2004, 2005, и 2007), на конференциях ^Лазеры Измерения Информация» (Санкт-Петербург, 2004, 2005 и 2006), на Седьмой Международной конференции «Прикладная оптика - 2006», (Санкт-Петербург, 2006)

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе без соавторов - 3 работы Из них 4 статьи (две в реферируемом журнале) и 6 тезисов докладов

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы и приложения Полный объем диссертации составляет 142 страниц машинописного текста, включая 64 рисунка, 12 табчиц, библиографический список из 55 наименований и 7 страниц приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы и выбор научного направления, приведены цель и основные задачи диссертации Сформулированы научная новизна работы и основные положения выносимые на защиту

Первая глава посвящена обзору литературы по методам уменьшения погрещносш лазерного гироскопа при использовании его в качестре гирокомпаса Описан принцип работы лазерного гирокомпаса Перечислены основные требования, предъявляемые к разработке Рассмотрены приборы, выпускаемые в настоящее время, описаны основные факторы, влияющие на погрешность прибора, и выбраны главные проблемы, мешающие достигнуть требуемой погрешности измерения за заданное время Показано, что для создания прибора необходимо

пересмотреть способы уменьшения влияния взаимной синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере и частотной подставки на показания лазерного гироскопа, который является основной составляющей гирокомпаса

Вторая глава посвящена теоретическому рассмотрению и исследованию на модели сигнала лазерного гироскопа методов уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на показания прибора

Знакопеременная частотная подставка применяется для уменьшения влияния взаимной синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере, лежащем в основе лазерного гироскопа На практике данный вид частотной подставки осуществляется путем механических колебаний гироскопа относительно неподвижного основания Поскольку измеряемая разностная частота П, соответствующая угловой скорости, значительно меньше максимальной частоты подставки О,, (так, для ЛГ типа КМ-11 соотношение полезного сигнала к максимальной частоте подставки может составлять 1/106), необходим эффективный метод уменьшения ее влияния

Можно отметить, что методы используемые в настоящее время, достаточно сложны в реализации и не позволяют в полной мере решить поставленную задачу Поэтому при измерении постоянной угловой скорости проблему компенсации (вычитания) частотной подставки можно существенно упростить В связи с этим для вычитания частотной подставки было предложено вычислять разностную частоту, соответствующую угловой скорости, по зависимостям приращения угла поворота (первый метод), величины накопленного угла (второй метод) и интеграла накопленного угла (третий метод) от времени методом наименьших квадратов (МНК)

Сигнал в цифровой форме на выходе ЛГ представляет собой приращение угла 9„ выражаемое в счетных импульсах, за определенный промежуток времени, определяемый частотой дискретизации Данный сигнал можно приближенно описать следующей формулой

о п„ , ч □ о„ Г. /к

— + — 271 +ф]= ~ + 271 г + ф

(а /а Л/ Л? V Л/

(О

где О - разностная частота, соответствующая угловой скорости вращения гироскопа, П„ - максимальная разностная частота подставки (так называемая амплитуда подставки), /к - частота качания гироскопа, ф - начальная фаза подставки, г - номер измерения, г, - время I -ю измерения

Поскольку в измеряемом сигнале информация об угловой скорости вращения гироскопа заключена в постоянной составляющей, то для ее выделения из совокупного сигнала методом наименьших квадрагов получаем формулу усреднения

где - измеренная разностная частота, соответствующая угловой скорости, для первого метода, /V- число отчетов за время измерения Поскольку угловая скорость

значительно меньше амплитуды частотной подставки, то результаты усреднения существенно зависят от времени измерения Так, при времени измерения, кратного периоду качания, погрешность измерения стремится к нулю

Для уменьшения влияния частотной подставки можно осуществить переход от приращения угла поворота к зависимости величины накопленного угла от времени При этом выражение для измеряемой разностной частоты через приращение угла поворота б) дет записываться следующим образом

«2 = 6/, - - у -1 (3)

ы(м2+зд^+г)

где _ измеренная разностная частота, соответствующая угловой скорости, для второго метода

Накопление } гла позволяет в 2к/к раз уменьшить влияние частотной подставки, что дает возможность вычислять угловую скорость с меньшей ошибкой

Поскольку увеличение порядка полинома привело к уменьшению влияния частотной подставки, то для повышения точности был произведен переход от зависимости величины накопленного у:ла к зависимости интеграла накопленного угла от времени Этот переход без использования МНК позволил уменьшить влияние частотной подставки в {2г/ку раз После применения МНК Формула дтя измерения разностной частоты по зависимости интеграла накопленного угла от времени выглядит следующим образом

□з = г — (у 6/-{2М+2)У е,«3 +

+ (лг2+АТ-1)]Ге,г2-(/У2+ЗЛГ + 2£Ге,г I,

1=1 1=1 )

где Оз - измеренная разностная частота, соответствующая угловой скорости, для третьего метода

Дальнейшее увеличение порядка полинома не имеет смысла, тк при этом значительно усложняются вычисления и повышаются требования к точности представления чисел Практическая реализация показала повышение погрешности для порядков выше второго

Дтя определения влияния знакопеременной частотной подставки и шумов измерительной системы описанными выше методами были проделаны расчеты на модечи сигнала, типичного для гироскопа марки КМ-11, а также проведены эксперименты непосредственно на призменном приборе КМ-11 и экспериментальном образце разрабатываемого гирокомпаса на основе четырехзеркального гироскопа

Модель сигнала гироскопа без }"ета захвата приближенно описывается формулой (1) Для более точной модели к сигналу прибавляется медленная

случайная модуляция амплитуды подставки - ошумление, а полученные значения приращений 9, округляются

В качестве оценки эффективности вычитания подставки определялось стандартное отклонение вычисленного значения разностной частоты, приведенное к одной секунде

--------!Ег , (5)

где Пи1,з,5< - измеренное значение разностной частоты, соответствующее угловой скорости, при времени вычитания 1, 3 и 5 секунд, Т] 3>5 - время измерения, соответственно 1, 3 и 5 секунд

На рис 1 приведены зависимости стандартного отклонения от времени измерения для рассмотренных методов По этим зависимостям легко проследить стабильность рассматриваемых методов, как от времени измерения, так и от частоты механических колебаний кольцевого лазера

1 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 Ми...

ь

1 * > ¡л'- ' ь ! • ; ? ¿-{.к \ ! ■ V .„ . • 1 .

Оз

. I •»> у у »"> •■(ИЧ/.уч ^и/, 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Ти, с

Рис 1 - Зависимость стандартного отклонения измеряемой разностной частоты ст от

времени измерения Ти Ст], ст2, Сз - кривые для первого, второго и третьего методов соответственно, ст0 -кривая для измерения, синхронного с частотой качания

Из рис 1 видно, что третий метод позволяет уменьшить ошибку измерения более чем в 10 раз по сравнению с измерениями разностной частоты, соответствующей угловой скорости, синхронными с качанием гироскопа Поскольку третий метод превосходит остальные как по стабильности, так и по погрешности, то в дальнейшем было решено остальные методы не рассматривать

Для применения подобных методов на практике используется микроконтроллер, и на его выбор оказывают существенное влияние частота опроса гироскопа, те частота дискретизации Чем меньше частота дискретизации, тем больше времени на каждом шаге измерения отводится на вычисление разностной частоты

На рис 2 приведена зависимость стандартного отклонения от частоты дискретизации при времени вычитания, равного 1,3 и 5 секундам соответственно

100-1-1-1-1-1-1-1-г

ш

Рис 2 - Зависимость стандартного отклонения измеряемой разностной частоты а от частоты дискретизации. с„ Сз, 05 - кривые соответствующие времени вычшания, равного 1,3 и 5

секундам

Из рис 2 видно уменьшение погрешности измерения с увеличением часюты дискретизации Однако существует возможность получения приемлемых результатов при частоте дискретизации меньше частоты качания Для получения стабильных результатов рекомендуется выбирать частоту дискретизации как минимум в 10 раз больше, чем частота качания

Проделанный расчет на модели сигнала лазерного гироскопа показал возможность уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки алгоритмическими методами без использования внешнего измеритечя положения гироскопа относительно основания при измерении постоянной угловой скорости В результате проделанного анализа был сделан вывод о целесообразности использования на практике третьего метода вычитания, основанного на применении МНК к интегралу накопченного угла от времени, т к при этом остаточное влияние частотной подставки пренебрежимо мало по сравнению со случайными шумами

Для реализации данного метода рекомендуется выбирать время измерения не менее 3 секунд при частоте дискретизации не менее чем в 10 раз больше частоты качания

В случае нехватки аппаратных ресурсов на реализацию третьего метода, возможен переход ко второму методу, как менее загружающему процессор, но при этом обладающему достаточной точностью Первый метод испочьзовать в

практических реализациях не рекоменд) ется Для дополнительной разгрузки процессора при использовании третьего метода можно работать при частоте дискретизации меньше частоты качания

Третья глава посвящена теоретическому рассмотрению методик уменьшения влияния синхронизации встречных бегущих волн на показания лазерного гироскопа и их исследованию

В результате теоретического рассмотрения известных методов уменьшения захвата было решено использовать знакопеременную частотную подставку как метод, оказывающий наименьшее влияние на характеристики кольцевого лазера и при этом достаточно просто реализуемого на практике Однако с целью уменьшения времени измерения требовалось отказаться от применения случайной модуляции амплитуды частотной подставки и исследовагь методы стабилизации амплитуды, соответствующей нулю динамического захвата, или применить закономерное изменение амплитуды частотной подставки, при котором происходит наименьшее влияние синхронизации на показания гироскопа

Рассмотрим метод стабилизации амплитуды знакопеременной частотной подставки в нуле динамического захвата

Как известно, при использовании знакопеременной частотной подставки происходит переход от статического захвата к динамическому В случае синусоидальной подставки остаточная величина динамического захвата описывается счедующей формулой

X

\fr-J

1де С^ - величина динамического захвата Пп - максимальная разностная частота подставки, /к - частота качания гироскопа, /„ - средняя амплитуда частотной подставки, /0 ~ функция Бесселя

Из формулы видно, что существуют такие значения средней амплитуды подставки, при которых величина динамического захвата равна н^лю, а, следовательно, прибор показывает истинное значение угловой скорости Однако поскольку точно стабилизировать ампчитуду качания гироскопа не представляется возможным, было предложено использовать поправку на влияние захвата Тогда формула измерения разностной частоты, соответствующей угловой скорости, выглядит следующим образом

- ад

Х-о I {71 ^

(6)

П =

ЛГ +

ад

'^фГ 2/, )

,пи* \ (7)

неопредеченностъ, Ои = О где ф - поправка, связанная с неточностью определения средней амплитуды поде гавки

Таким образом, если угловая скорость не равна нулю, можно определить истинное значение угловой скорости через измеряемое в случае известных значений

Л> Л и

Поскольку величина захвата заранее не известна, то можно определять ее до и после измерения или при условии длительного измерения находить данную величину методом наименьших квадратов, сводя к минимуму ошибку измерения

Для определения величины захвата была разработана методика его измерения по зависимости показания гироскопа от средней частоты подставки

On =

13-г /» 71 '

4 ;Л

sin

(8)

П

Г А /■ \'

J Л)

Все величины, которые входят в (8), поддаются измерению Угловую скорость можно приближенно найти по максимальному значению или вычислить, поскольку в случае гирокомпаса источником угловой скорости является стабильная скорость вращения Земли

Другим предложенным способом уменьшения влияния захвата является закономерное изменение амплитуды частотной подставки В этом случае существуют такие значения модуляции, при которых динамический захват равен нулю, и, следовательно, прибор показывает истинное значение угловой скорости При этом, поскольку при хорошей добротности механического вибратора глубину модуляции частотной подставки можно стабилизировать более точно, чем ее амплитуду, то данный метод позволяет измерять разностную частоту, соответствующую угловой скорости, с меньшей погрешностью, чем предыдущий

Для методики уменьшения захвата путем детерминированной модуляции амплитуды частотной подставки были проделаны теоретические расчеты по зависимости величины динамического захвата от величины модуляции Зависимость коэффициента ослабления величины динамического захвата от амплитуды частотной подставки для модуляции, кратной частоте качания, изображена на рис 3

1 1(Р

О 0:

1 15

2 25 3 35 4 45 5

А/„<(4Л)

Рис 3 - Зависимость коэффициента ослабления для частоты модуляции в 4 раза меньше частоты качания от вечичины модуляции, нормированной на учетверенную

частоту качания

Для выяснения влияния модуляции средней частоты подставки на показания гироскопа были произведены численные расчеты для различных типов модуляции Для случая, изображенного на рис 3, показания прибора от величины модуляции средней частоты подставки приведены на рис 4

Аи (4Л)

Рис 4 - Зависимость показания прибора и коэффициента ослабления захвата от величины модуляции для деления частоты на 4

Как видно из рис 4, приближенный расчет величины динамического захвата позволяет с хорошей точностью описать влияние его на показания прибора и выбрать величину модуляции, наиболее соответствующ>ю предъявляемым требованиям Для практической реализации методов, рассмотренных выше, требовалось создание измерительной системы, способной передавать информацию с гироскопа на компьютер для осуществления математической обработки

Четвертая глава посвящена измерительной системе сбора и обработки данных лазерного гироскопа, а такке экспериментальному исследованию предложенных методов на приборах

Для передачи данных с лазерного гироскопа на компьютер была разработана измерительная система, блок-схема которой представлена на рис 5

Основным элементом системы является микроконтроллер С8051Р320 со встроенной поддержкой протокола Ь'5В2 0, что позволяет совместить систему сбора данных с компьютером по быстродействующему протоколу. Для реализации сбора данных была разработана плата сопряжения микроконтролтера с лазерным гироскопом, написаны программы для микроконтроллера и компьютера Характеристики системы сбора представлены в таблице 1

Таким образом, разработанная схема сбора и обработки данных полностью удовлетворяет рекомендациям для измерительной схемы из главы 2 и позволяет осуществить практическую реализацию предложенных методов

Рис 5 - Блок-схема системы сбора и обработки данных

Таблица 1

Характеристики системы сбора данных

Параметр Величина

Частота измерения приращения угла поворота 5 кГц

1 АЦП с частотой дискретизации 5 кГц

10 АЦП с частотой дискретизации 30 Гц

Разрядность АЦП 10 бит

Максимальная измеряемая частота сигнала 600 кГц

Рабочий температурный диапазон 0 - +70°С

Испытания методики уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на показания лазерного гироскопа проводились на разрабатываемом лазерном гирокомпасе при средней частоте подставки 180 кГц и частоте качания 245 Гц Результаты измерений при вычитании за 1, 3 и 5 секунд приведены на рис 6 Из рисунка 6 видно, что с помощью третьего способа вычитания с применением метода наименьших квадратов удалось уменьшить влияние частотной подставки с 2,8 105 Гц до 5,6 10"3 Гц, 1,6 КГ* Гц и 1,9 10~5 Гц для 1, 3 и 5 секунд вычитания соответственно Данный метод позволил уменьшить погрешность измерения лазерного гироскопа более чем в 10 раз, по сравнению с измерением, синхронным с частотой качания гироскопа

001 0 008 0 006

•> *

I, ' I ; /

-О 008 Г *

4 05 4 Об 4 07 4 08 4 09 4 1

--1-1_I_I_:_Ц1

4 1 4 11 4 12 4 13 4 14 4 15

Рис б - Зависимости измеряемой за 1, 3, 5 секунд разностной частоты от времени

для третьего метода

Для проверки уменьшения влияния захвата при стабилизации амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата использовалась синусоидальная знакопеременная частотная подставка с частотой качания 222,7 Гц, средней амплитудой 85,034 кГц Исходные данные представлены на рисунке 7, где пунктирной линией проведена разностная частота, соответствующая реальной угловой скорости

í с

Рис 7 - Зависимость измеряемой разностной частоты от средней амплитуды частотной подставки без компенсации влияния захвата

Из рисунка 7 видно, что максимальные значения измеренной разностной частоты соответствуют истинном> значению угловой скорости, однако из-за

9

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

нестабильности амплитуды подставки в сигнале появляются дополнительные шумы Так, без компенсации влияния захвата относительная погрешность измерения составила 5,7%

В результате обработки экспериментальных данных по методу наименьших квадратов были найдены приближенные значения О0 и ф, равные соответственно 294 Гц и -16° Исходя из найденного значения фазового сдвига, ошибка в определении средней разностной частоты подставки составила 39 Гц На рис 8 представлена зависимость измеряемой разностной частоты, соответствующей угловой скорости, от времени с учетом компенсации, где пунктирной линией проведена разностная частота, соответствующая реальной угловой скорости

9 85 8 75

£2,*,Гц 7

65 б 55

5 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Рис 8 - Зависимость измеряемой разностной частоты от времени с учетом

компенсации

Как видно из рис 8, после компенсации влияния захвата произошло значительное изменение ошибки измерения, которая в данном случае уменьшилась до 2%, что в 2,9 раз меньше, чем без компенсации

Для проверки методики уменьшения влияния синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере путем детерминированного изменения средней частоты подставки была проведена серия экспериментов на разрабатываемом четырехзеркальном лазерном гироскопе Частота механических колебаний гироскопа 245,6 Гц, средняя частота подставки изменялась от 15 до 35 кГц Зависимость показания прибора от величины модуляции представлена на рис 9

Как видно из рис 9, экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическим графиком, представленным на рис 4 Таким образом, данный метод позволяет уменьшить величину синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере с меньшим уровнем шумов по сравнению со случайным изменением амплитуды частотной подставки

3

q3)"/c2

1

° О 0 25 0 5 0 75 1 1 25 1 5 1 75 2 2 25 2 5 2 75 3

Д/«/(4Л)

Рис 9 - Зависимость измеряемой угловой скорости для экспериментального образца от величины модуляции средней частоты подставки

В выводах дается краткая характеристика предложенных методов и подведены

итоги по диссертации в целом

N

Основные результаты диссертации

1. Разработан метод уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на показания лазерного гироскопа, основанный на измерении угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени, который позволил более чем в 10 раз уменьшить влияние частотной подставки по сравнению с методом измерения угловой скорости, синхронного с колебаниями гироскопа при измерении за секунду

2 Создан макет системы сбора и обработки данных лазерного гироскопа, который позволяет измерять разностную частоту, соответствующую угловой скорости, в диапазоне от -600 до »600 кГц, с уменьшением влияния знакопеременной частотной подставки не менее чем в 106 раз при измерении за секунду

3 Проведен сравнительный анализ способов уменьшения влияния захвата на показания лазерного гироскопа, на основании которого было показано, что метод закономерного изменения амплитуды частотной подставки является оптимальным для задачи гирокомпаса

4 Показано, что для определения глубины модуляции амплитуды частотной подставки, при которой происходит компенсация влияния захвата, достаточно использовать метод последовательных приближений

5 Исследован способ компенсации влияния синхронизации встречных бегущих волн на показания гирокомпаса при стабилизации амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата

6 Определены оптимальные параметры амплитудной модуляции частотной подставки, при которых происходит полная компенсация захвата для малых угловых скоростей, что позволяет уменьшить ошибку измерения гирокомпаса

Создана экспериментальная модель гирокомпаса, на которой отработаны все

предложенные методы уменьшения погрешности измерения, применение которых

позволило уменьшить погрешность не менее чем в 5 раз, по сравнению с

приборами, выпускаемыми в настоящее время

Список опубликованных работ по теме диссертации

1 Лепешкин Д В, Соколов А Л Анализ поляризационной структуры света, рассеянного на малой частице // Вестник МЭИ 2004 - № 1 С 86-90

2 Лепешкин ДВ Разработка сейсмодатчика на основе кольцевого лазера // «Радиоэлектроника Электротехника Энергетика» Тез докл X МНТК студентов и аспирантов - Москва, 2004 - Т 1 - С 163

3 Бадамшина Э Б , Гришачев В В , Денисов В И , Жотиков В Г, Курятов В Н, Легтешкии Д В, Наседкин Е Ф Повышение точности измерения лазерных гироскопов // «Лазеры Измерения Информация» Тез докл конференции -СПб, 2004 -С 20

4 Лепешкин Д В Моделирование сигнала лазерного гироскопа со знакопеременной подставкой Разработка методов вычитания // «Радиоэлектроника Электротехника Энергетика» Тез докл XI МНТК студентов и аспирантов -Москва, 2005 -Т 1 -С 174

5 Бадамшина Э Б Курятов В Н, Лепешкин Д В Методика определения величины захвата лазерного гироскопа по зависимости измеряемой частоты от величины частотной подставки // «Лазеры Измерения Информация» Тез докл конференции - СПб, 2005 - С 34

6 Бадамшина Э.Б , Курятов В Н, Лепешкин Д В Методика вычитания частотной подставки лазерного гироскопа с применением фильтрации для измерения медленно меняющихся угловых скоростей // «Лазеры Измерения Информация» Тез докл конференции - СПб, 2006 - С 22

7 Бадамшина Э Б , Курятов В Н, Лепешкин Д В Анализ методики компенсации знакопеременной частотной подставки лазерного гироскопа // В тр конф «Лазеры для измерения и передачи информации 2006» Под ред В Е Привалова Тр SPIE -2007 -Т 6594 -С 43-51 (на англ. яз)

8 Бадамшина Э Б , Курятов В Н, Лепешкин Д В Повышение точности измерения лазерного гироскопа при стабилизации амплитуды знакопеременной частотной модуляции // «Прикладная оптика - 2006» Труды VII Международной конференции - СПб, 2006 - Т 1 - С 87

9 Лепешкин ДВ Система сбора информации с лазерного гироскопа на основе микроконтроллера C8051F320 фирмы Silicon Laboratories I1 «Радиоэлектроника Электротехника Энергетика» Тез докт XIII МНТК студентов и аспирантов -Москва,2007 -Т 1 -С 159

10 Бадамшина ЭБ, Лепешкин ДВ Исследование динамического захвата в лазерном гироскопе//Вестник МЭИ 2007 - №1 С 143-145

Подписано в печать Ю.М.С? зак. Ю& Тир. П.л. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор методов уменьшения погрешности измерения лазерного гироскопа при работе в качестве гирокомпаса

1.1 Принципы измерения направления на географический север с помощью лазерного гирокомпаса

1.2 Принцип действия лазерного гироскопа

1.3 Источники погрешностей лазерного гироскопа и методы их уменьшения

1.3.1 Основные источники погрешности лазерного гироскопа

1.3.2 Нелинейность масштабного коэффициента

1.3.3 Невзаимные эффекты, вызывающие смещение и дрейф нуля в лазерном гироскопе

1.3.4 Синхронизация встречных бегущих волн в кольцевом лазере

1.3.4.1 Влияние синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере на показания лазерного гироскопа

1.3.4.2 Вращение резонатора лазерного гироскопа с постоянной угловой скоростью

1.3.4.3 Принудительный сдвиг нуля лазерного гироскопа за счет эффекта Физо

Френеля

1.3.4.4 Невзаимные устройства на базе эффекта

Фарадея

1.3.4.5 Применение знакопеременной частотной подставки

1.3.5 Дискретность измерения

1.3.5.1 Влияние дискретности измерения на показания лазерного гироскопа

1.3.5.2 Оптическая компенсация

1.3.5.3 Измерение угла поворота гироскопа относительно основания

1.3.5.4 Измерение разностной частоты, соответствующей угловой скорости, за время, кратное периоду качания

Выводы по первой главе

2 Разработка методов уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на погрешность измерения лазерного гироскопа

2.1 Методы уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки

2.1.1 Методика вычисления угловой скорости по показаниям лазерного гироскопа

2.1.2 Первый метод измерения угловой скорости

2.1.3 Второй метод измерения угловой скорости

2.1.4 Третий метод измерения угловой скорости

2.2 Исследование предложенных методов уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на модели сигнала

Выводы по второй главе

3 Исследование методов уменьшения влияния синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере на погрешность измерения гироскопа

3.1 Метод стабилизации амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата с компенсацией его влияния

3.2 Метод закономерной модуляции амплитуды частотной подставки

Выводы по третьей главе

4 Экспериментальное исследование методов уменьшения погрешности лазерного гироскопа

4.1 Система сбора экспериментальных данных и параметры приборов

4.1.1 Аппаратная часть системы измерения

4.1.2 Программная часть системы обработки данных

4.1.3 Параметры лазерных гироскопов, на которых проводились эксперименты по уменьшению влияния захвата и знакопеременной частотной подставки

4.2 Эксперименты на призменном и зеркальном приборах

4.2.1 Эксперименты по уменьшению влияния знакопеременной частотной модуляции на показания лазерного гироскопа

4.2.2 Эксперименты по определению величины захвата

4.2.3 Эксперименты по стабилизации амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата с компенсацией его влияния

4.2.4 Эксперименты по уменьшению влияния захвата путем закономерной модуляции амплитуды частотной подставки

Выводы по четвертой главе

Актуальность работы

Инерциальные навигационные системы на базе лазерных гироскопов являются одной из важнейших составляющих, обеспечивающих безопасность полетов летательных аппаратов. Лазерные гироскопы прочно вошли в состав наиболее точных измерительных комплексов из-за малого времени выхода в рабочий режим, относительной дешевизны и высокой точности измерения угла поворота. Одной из функций, выполняемых лазерным гироскопом в авиации, является определение положения самолета относительно направления на север (работа в режиме гирокомпаса). Эта задача решается за счет измерения проекций угловой скорости вращения Земли на оси чувствительности трех ортогонально расположенных гироскопов, входящих в бортовой навигационный комплекс. Типичная погрешность определения азимута в данном случае составляет 6' за время измерения 15 минут.

Определение положения объекта относительно географического направления на север требуется не только в авиации. Например, существует большая потребность в создании прибора для быстрого, точного и согласованного наведения разрозненных артиллерийских расчетов на цель. Поскольку в данном случае задача навигации не ставится, то можно построить гирокомпас с использованием только одного гироскопа на поворотной платформе, что позволяет значительно уменьшить стоимость прибора. Для такого рода задач, в отличие от задач навигации, необходимо измерять угловую скорость в малом диапазоне, однако существенно ужесточаются требования по точности и времени измерения, при этом требуемая погрешность с вероятностью- 0,9 должна составлять не более 4,6' за время измерения 2 минуты. Существующие модели гирокомпасов позволяют измерить азимут с погрешностью не более 10' за время 8 минут. Поэтому необходимо разработать новые методы измерения, позволяющие получить требуемую погрешность.

Одним из факторов, существенно влияющих на погрешность измерения лазерного гироскопа (ЛГ), является синхронизация встречных бегущих волн в его кольцевом лазере (так называемый захват частоты или для краткости просто захват). Это явление заключается в нечувствительности лазерного гироскопа в области малых угловых скоростей и возникает из-за рассеяния излучения на зеркалах резонатора. Несмотря на обширные теоретические исследования по уменьшению захвата, метода полной его компенсации до сих пор не найдено. Для уменьшения влияния захвата применяется постоянное смещение (постоянное вращение ЛГ) или знакопеременная частотная подставка (реверсивное вращение ЛГ) со случайным изменением максимального значения угловой скорости (амплитуды частотной подставки).

Данные методы позволяют в широком диапазоне измерять угловую скорость. Однако первый способ характеризуется высокой нестабильностью, а второй - внесением дополнительных случайных шумов, что затрудняет их использование при малом времени измерения. В связи с этим, рассматриваемые в диссертации методы компенсации захвата в режиме измерения постоянных или медленно меняющихся во времени угловых скоростей методом закономерного (без использования случайной модуляции) изменения амплитуды знакопеременной частотной подставки, являются актуальными и могут применяться как для задачи гирокомпаса, так и в других случаях (например, при лабораторных исследованиях невзаимных эффектов, измерении флуктуаций вращения Земли и других).

Еще одним важным фактором, влияющим на погрешность измерения лазерного гироскопа, является выбор оптимальной методики измерения угловой скорости. Поскольку для уменьшения влияния захвата в сигнал гироскопа вносятся значительные изменения, от измерительной системы требуется компенсировать внесенные искажения. Для уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на показания лазерного гироскопа применяют оптическую компенсацию, внешние датчики угла поворота кольцевого лазера гироскопа относительно основания, проводят измерения, синхронные с периодом качания кольцевого лазера. Данные методы не оптимальны для задачи гирокомпаса, поскольку либо сложны в реализации, либо не обеспечивают необходимой погрешности. Предложенный способ измерения угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени, позволяет без использования дополнительных элементов в базовой компоновке гироскопа уменьшить ошибку измерения и себестоимость системы.

Цель и задачи работы

Целью настоящей работы является проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку и оптимизацию методов уменьшения погрешности лазерного гироскопа в режиме гирокомпаса.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику измерения при постоянной угловой скорости в случае механических колебаниях гироскопа без использования дополнительных элементов в его конструкции.

2. Провести исследование предложенной методики измерения на модели сигнала лазерного гироскопа.

3. Разработать систему сбора и обработки данных лазерного гироскопа для исследования предложенных методик на приборе.

4. Разработать способ уменьшения области захвата лазерного гироскопа при механических колебаниях без использования случайной модуляции их амплитуды.

5. Провести анализ разработанного способа уменьшения области захвата на модели сигнала лазерного гироскопа.

6. Проанализировать соответствие теоретических расчетов с экспериментом и выработать по полученным данным параметры схемы уменьшения области захвата и способы их стабилизации.

7. Отработать разработанные методы на существующих и экспериментальных приборах и провести их оптимизацию.

Научная новизна работы

1. Впервые предложен способ измерения угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени и проведено его подробное исследование.

2. Доказана возможность осуществить компенсацию захвата лазерного гироскопа в области малых угловых скоростей методом детерминированного изменения амплитуды механических колебаний кольцевого лазера.

3. Впервые подробно исследовано влияние детерминированного изменения амплитуды знакопеременной частотной модуляции встречных волн (частотной подставки) на показания лазерного гирокомпаса.

4. Показано, что для определения глубины модуляции амплитуды частотной подставки, при которой происходит компенсация влияния захвата, достаточно использовать метод последовательных приближений.

5. Проведен анализ способа компенсации влияния синхронизации встречных бегущих волн при стабилизации амплитуды частотной подставки.

Практическая ценность работы

1. Разработана система сбора и обработки данных лазерного гирокомпаса для возможности простой отработки новых методов измерения.

2. Создан метод уменьшения влияния знакопеременной частотной модуляции встречных волн на показания лазерного гирокомпаса без использования дополнительных элементов в его конструкции, основанный на измерении угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени, что позволяет уменьшить себестоимость выпускаемых приборов.

3. Разработан способ уменьшения влияния захвата путем закономерного изменения амплитуды частотной подставки, который позволил уменьшить погрешность прибора, связанную с синхронизацией встречных бегущих волн.

4. Найдены значения величины модуляции амплитуды частотной подставки, при которых происходит компенсация влияния захвата в области малых угловых скоростей.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Методы измерения постоянной угловой скорости при механических колебаниях гироскопа были проверены в результате теоретических расчетов на модели сигнала и экспериментальных исследований, что подтверждает достоверность полученных результатов. Достоверность результатов применения способов уменьшения области захвата лазерного гироскопа при механических колебаниях без использования случайной модуляции их амплитуды, разработанных и опробованных на модели сигнала, подтверждается соответствием результатов, полученных на модели сигнала, с результатами экспериментов на приборе.

Внедрение результатов диссертационной работы

Результаты работы были использованы при создании нового гирокомпаса, в основе которого лежит четырехзеркальный лазерный гироскоп.

Личный вклад диссертанта

Идея методики уменьшения влияния захвата с помощью закономерного изменения амплитуды частотной подставки принадлежит научному консультанту - В.Н. Курятову. Анализ полученных по этой методике результатов на равных принадлежит автору диссертации и В.Н. Курятову.

Все остальные методы и исследования, изложенные в данной работе, принадлежат автору.

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены на 10, 11 и 13 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника. Электротехника. Энергетика» (Москва, 2004, 2005, и 2007), на конференциях «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт - Петербург, 2004, 2005 и 2006), на Седьмой Международной конференции «Прикладная оптика - 2006», (Санкт - Петербург, 2006).

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе без соавторов - 3 работы. Из них 4 статьи (две в реферируемом журнале) и 6 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы и приложения. Полный объем диссертации составляет 142 страниц машинописного текста, включая 64 рисунка, 12 таблиц, библиографический список из 55 наименований и 7 страниц приложения.

Выводы по главе 4

Проведенные экспериментальные исследования на различных приборах показали результаты, хорошо согласующиеся с результатами теоретических расчетов на численной модели сигнала.

Для проверки методов уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки была создана система сбора и обработки данных на основе микроконтроллера С8051Р320. Данная схема позволяет передавать данные о приращении угла поворота гироскопа с частотой дискретизации 5 кГц на компьютер для последующей математической обработки. Быстрая запись данных позволила применить различные методы уменьшения влияния частотной подставки на одном и том же сигнале, что дает возможность провести их объективное сравнение. Таким образом, разработанная система сбора и обработки данных полностью удовлетворяет поставленным перед ней задачам и позволяет осуществить экспериментальную работу по отработке методов уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на показания прибора при измерении постоянных или медленно меняющихся угловых скоростей.

Эксперименты по уменьшению влияния знакопеременной частотной подставки подтвердили результаты теоретических расчетов. Исследование показало, что в случае применения второго метода (измерение угловой скорости по зависимости величины накопленного угла от времени) и третьего метода (измерение угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени) для уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки, можно добиться ослабления не менее чем в 3,3-106 раз при измерении за 5 секунд для второго и в 1,6-109 раз для третьего методов без использования измерений, синхронных с частотой качания. В связи с этим, при измерении постоянных или медленно меняющихся угловых скоростей для уменьшения времени измерения оптимально использовать третий метод, который обеспечивает наибольшее ослабление. По данному методу была оформлена заявка на выдачу патента № 2006112350, по которой было получено положительное решение. В случае наличия больших шумов можно перейти на синхронное измерение с использованием второго, а при большой нелинейности и первого метода.

Экспериментальная реализация метода вычисления значения величины синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере по зависимости показаний гироскопа от величины частотной подставки показала возможность практической реализации данного измерения. Получено экспериментальное подтверждение соответствия выбранной модели сигнала и показаний реального прибора.

Для практической реализации метода рекомендуется изменять среднюю амплитуду подставки не меньше, чем на 20/ при числе измерений на период не менее 40. Поскольку измерение средней амплитуды подставки происходит дискретно с шагом 2/, то для точного получения зависимости необходимо либо производить регрессию зависимости средней амплитуды подставки от времени, либо использовать преобразование Фурье на частоте качания.

Поскольку в случае зеркального гироскопа длительное нахождение в захвате вызывает ухудшение характеристик зеркал, то скорость изменения амплитуды частотной подставки должна быть выше, чем для призменных приборов. В связи с этим, предложенный метод больше применим к призменным гироскопам, чем к зеркальным.

Экспериментальное исследование метода стабилизации величины частотной подставки в нуле динамического захвата с компенсацией его влияния позволила уменьшить систематическую и случайную погрешности измерения по сравнению с простой стабилизацией.

Результаты экспериментальных данных показали, что при использовании компенсации влияния захвата погрешность измерения уменьшилась в 2,9 раз. Данный результат превосходит по уровню шумов случайную модуляцию амплитуды подставки, но при этом не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к разработке. Как показали теоретические исследования в главе 3, для возможности более точного измерения угловой скорости необходимо уменьшить постоянную времени стабилизации амплитуды частотной подставки, однако в этом случае существенно увеличивается время, необходимое для измерения.

Экспериментальное исследование уменьшения влияния захвата на измеряемую лазерным гироскопом угловую скорость при закономерной модуляции амплитуды частотной подставки показало, что использование данного метода позволяет уменьшить ошибку, вызываемую синхронизацией встречных бегущих волн в кольцевом лазере гироскопа по сравнению со случайным изменением амплитуды, и обеспечивает большую стабильность, чем стабилизация амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата.

Таким образом, результаты практических экспериментов полностью согласуются с результатами теоретических расчетов. Однако в случае компенсации величины синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере путем выбора оптимальной величины модуляции амплитуды частотной подставки остается зависимость показания гироскопа от средней частоты подставки. При этом усреднение показаний гироскопа по всем частотам в диапазоне ± 2/к определяет истинную величину угловой скорости. Кроме того, измеренные величины, соответствующие истинному значению угловой скорости, наблюдаются при средней частоте подставки, соответствующей нулю динамического захвата без модуляции.

В связи с этим, для уменьшения остаточной ошибки нужно либо стабилизировать амплитуду частотной подставки в положении, соответствующем нулю динамического захвата без модуляции, либо за время измерения изменять амплитуду частотной подставки на 4/к и, тем самым, свести это влияние к нулю. В первом случае осуществить стабилизацию частотной подставки с модуляцией ее амплитуды значительно проще, чем без модуляции, поскольку влияние захвата уже ослаблено.

Во втором случае, возникают сложности с обеспечением линейного изменения амплитуды частотной подставки и с ошибкой поддержания величины ее изменения, которую можно уменьшить, если производить не плавное изменение, а дискретное с коррекцией величины шага.

Таким образом, по результатам экспериментов для решения поставленной задачи необходимо использовать следующие методы:

1. Метод измерения угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени для уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки. Для уменьшения погрешности время измерения не должно быть меньше 3 секунд.

2. Метод закономерной модуляции амплитуды частотной подставки, для уменьшения влияния синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере. Для уменьшения остаточной ошибки целесообразно использовать стабилизацию амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведен ряд исследований, направленных на создание методов оптимизации и уменьшения ошибок лазерного гирокомпаса. В результате из всех факторов, влияющих на погрешность измерения лазерного гирокомпаса, основное внимание было уделено методам уменьшения влияния синхронизации встречно бегущих волн и знакопеременной частотной подставки. Методы, применяемые в настоящее время для компенсации этих ошибок, не оптимальны для гирокомпаса, поскольку существенно увеличивают время измерения. Для решения этих проблем были разработаны и опробованы сначала на модели сигнала, затем на реальных приборах новые методы уменьшения влияния захвата и знакопеременной частотной подставки. Применение этих методов позволяют при той же погрешности существенно уменьшить время, затрачиваемое на проведение измерений, по сравнению с используемыми в настоящее время.

Сформулируем основные результаты работы: 1. Разработана методика измерения угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени, которая позволяет проводить измерения постоянной или медленно меняющейся угловой скорости не синхронно с частотой качания гироскопа и без использования внешних элементов, как в случае оптического вычитания или применения внешних датчиков угла поворота. При этом существенно уменьшается дискретность измерения и упрощается конструкция. Эта методика позволила более чем в 10 раз уменьшить влияние частотной подставки по сравнению с методом измерения угловой скорости, синхронного с колебаниями гироскопа при измерении за секунду.

2. Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования предложенных методов уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки на измеряемую лазерным гироскопом угловую скорость. На основании полученных результатов даны практические рекомендации по применимости каждого метода и параметров системы измерения для получения минимальной погрешности. Показано, что метод измерения угловой скорости по зависимости интеграла накопленного угла от времени является оптимальным для уменьшения влияния знакопеременной частотной подставки и дискретности измерения для гирокомпаса. Кроме того, применение этого метода позволяет не учитывать влияние знакопеременной частотной подставки на показания лазерного гироскопа. Для уменьшения погрешности измерения рекомендуется выбирать частоту дискретизации не менее чем в 10 раз больше частоты качания гироскопа и время измерения не менее 3 секунд.

3. Предложена методика уменьшения влияния синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере при стабилизации амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата с компенсацией его влияния. Теоретические и экспериментальные исследования показали уменьшение систематической погрешности по сравнению со стабилизацией амплитуды частотной подставки без модуляции и случайной погрешности при случайной модуляции амплитуды частотной подставки. Практическая реализация метода показала уменьшение погрешности более чем в 2,8 раза.

4. Исследован метод уменьшения влияния захвата на измеряемую угловую скорость при закономерной модуляции встречных бегущих волн в кольцевом лазере. Применение данного метода позволяет без внесения дополнительной случайной модуляции, приводящей к увеличению времени измерения, существенно уменьшить влияние захвата в области малых угловых скоростей. В связи с этим данный метод не подходит для задач навигации, но является оптимальным решением для гирокомпаса.

5. Исследован способ компенсации влияния синхронизации встречных бегущих волн на показания гирокомпаса при стабилизации амплитуды частотной подставки в нуле динамического захвата.

6. Показано, что в случае полной компенсации захвата путем закономерной модуляции амплитуды частотной подставки, существует зависимость измеряемой угловой скорости от средней частоты подставки. При усреднении измеряемых величин в диапазоне значений частотной подставки /п±2/к среднее значение соответствует истинной угловой скорости. Так же при любой модуляции измеряемая гироскопом величина соответствуют истинному значению угловой скорости, в случае, если средняя частота подставки соответствует нулю динамического захвата без модуляции.

7. Обнаружено, что величина измеряемой угловой скорости практически не влияет на величину остаточного влияния захвата в случае полной компенсации. Величина влияния зависит только от значения статического захвата.

8. Предложена методика измерения величины синхронизации встречных бегущих волн в кольцевом лазере по зависимости измеряемой гироскопом угловой скорости от величины частотной подставки. Данный метод измерения позволяет определить величину захвата не в лабораторных условиях, а непосредственно на работающем приборе. Это дает возможность установить неисправные приборы в процессе их эксплуатации, а также использовать найденные значения захвата для компенсации его влияния при стабилизации амплитуды частотной подставки.

9. Создан макет системы сбора и обработки данных лазерного гироскопа, который позволяет измерять разностную частоту, соответствующую угловой скорости, в диапазоне от -600 до +600 кГц, с уменьшением влияния знакопеременной частотной подставки не менее чем в 106 раз при измерении за секунду.

10. Создана экспериментальная модель гирокомпаса, на которой отработаны все предложенные методы уменьшения погрешности измерения, применение которых позволило уменьшить погрешность не менее чем в 5 раз, по сравнению с приборами, выпускаемыми в настоящее время.

1. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Ленинград: Судостроение, 1989.-264 с.

2. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии. М.: ИПК издательство стандартов. 280 с.

3. Лазерный гирокомпас 9А184. http: // istok eos. ru / navigac / 9al84. shtml.

4. Зуйков И.Е. О предельной точности лазерных гироскопов // ЖПС. 1981, т. 34. С. 988-990.

5. Бадамшина Э.Б., Гришачев В.В., Денисов В.И., Жотиков В.Г., Курятов В.Н., Лепешкин Д.В., Наседкин Е.Ф. Повышение точности измерения лазерных гироскопов // «Лазеры. Измерения. Информация»: Тез. докл. конференции. СПб, 2004. - С. 20.

6. Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. Квантовая электроника. Приборы и их применение. М- Техносфера, 2006. 432 с.

7. Шрайбер У., Шнайдер M., Великосельцев А., Стедман Дж.И., Шлютер В. Очень большие кольцевые лазеры // Гироскопия и навигация, №1 (36). 2002. С. 88-95.

8. Арановиц Ф. Лазерные гироскопы // Применения лазеров. Под ред. Тычинского В.П. М.: Мир, 1974. С. 182 269.

9. Dorobantu R., Gerlach С. Investigation of a Navigatuon Grade RLG SIMU type iNAV-RQH // IAPGIFESG, №16, München, 2004. - 42 с.

10. Зейгер С.Г., Климонтович Ю.Л., Ланда П.С., Ларионцев Е.Г., Фрадкин Э.Е. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах. / Под. ред. Ю.Л. Климонтовича. М.: Наука, 1974. 418 с.

11. И. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. М.:

12. Сов. радио, 1975.-218 с. 12. Привалов В.Е., Фридрихов С.А. Кольцевой газовый лазер // УФН. 1969, т. 97. С. 377-399.

13. Борн М., Фольф Э. Основы оптики: / Пер. с англ. М.: Главная редакция физ-мат. лит. из-ва Наука. 1973. 720 с.

14. Stedman G.E. Ring laser test of a fundamental physics and geophysics // Rep. Progr. Phys. 60, 6. 1997. P. 615 688.

15. Witney C. Ring laser mode coupling // Phys. Rev. 181.1969. - P. 542.

16. Aronowitz F., Collins R.G. Mode coupling due to bach scattering in a He-Ne traveling - wave ring laser // Appl. Phys. Lett. 9.1966. P. 55 - 74.

17. Розанов H.H., Винокуров Г.Н., Данилов О.Б. О фазовых соотношениях в зоне захвата кольцевого лазера // Оптика и спектроскопия. 1967, 23. С. 624.

18. Лепешкин Д.В., Соколов A.JI. Анализ поляризационной структуры света, рассеянного на малой частице // Вестник МЭИ. 2004. № 1. С. 86-90.

19. Лазерные измерительные системы / Батраков А.С., Бутусов М.М., Гречка Г.П. и др. М.: Радио и связь. 456 с.

20. Курятов В.Н., Соколов А.Л. Анализ невзаимности поляризационно-неоднородных волн в кольцевом призменном резонаторе // Научное приборостроение, т. 10, №4. 2000. С. 57 62.

21. Курятов В.Н., Соколов А.Л. Поляризационные потери в кольцевом призменном резонаторе // Квантовая электроника, 30, №2. 2000. С. 125 -127.

22. Хошев И.М. К теории кольцевого лазера со знакопеременной частотной подставкой // Оптика и спектроскопия, 7, № 5,, 1980. С. 953 -958.

23. Маркелов В.А. О частотной характеристики кольцевого лазера с реверсивной подставкой // Квантовая электроника 6, 1979. С. 1792 -1794.

24. Patent US, GO 1С 19/64. Apparatus and method for the elimination of angular vibration induced errors in ring laser gyroscope / Hubert F. Elbert. 4,248,534. Filed May 9,1979; Feb.3, 1981.-P.6.

25. Курятов В.Н., Ланда П.С., Ларионцев Е.Г. Частотные характеристики кольцевого лазера на колеблющейся подставке // Изв. вузов, Радиофизика. 1968,11.-С. 1839.

26. Бадамшина Э.Б., Курятов В.Н., Лепешкин Д.В. Повышение точности измерения лазерного гироскопа при стабилизации амплитуды знакопеременной частотной модуляции // «Прикладная оптика -2006»: Труды VII Международной конференции. СПб, 2006. Т. 1. -С. 87.

27. Бадамшина Э.Б., Лепешкин Д.В. Исследование динамического захвата в лазерном гироскопе // Вестник МЭИ. 2007. № 1. С. 143 145.

28. Badamshina Е.В., Kuryatov V. N., Lepeshkin D. V. The analysis of a technique of compensation of the sign-variable frequency modulation of a laser gyroscope // Proc. of SPIE. 2006. -Vol. 6594. P. 43 - 51.

29. Patent US, GO 1С 19/64. Ring laser gyroscope with compensation/ George R. Gamertsfelder, Bo Hans G. Ljung. 4,411,527. Filed Jun. 29, 1981; Oct. 25,1983.-P.6.

30. Patent US, GO 1С 19/64. Ring laser gyro dither pulse eliminator / George F. Schroeder, Bo Hans G. Ljung. 4,344,706. Filed Jul, 14, 1980; Aug. 17, 1982.-P.8.

31. Design and implementation of an FPGA-based ring laser gyro signal processing, J. Instrum. Soc. India 35(2) 213-221.

32. Худсон Д. Статистика для физиков: Пер с англ. М.: Мир, 1970. 244 с.

33. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1998. 576 с.

34. Митин И.В., Русаков B.C. Анализ обработка экспериментальных данных. М.: Физический факультет МГУ, 2002. 44 с.

35. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Физматлит, 2001. 632 с.

36. Лепешкин Д.В. Моделирование сигнала лазерного гироскопа со знакопеременной подставкой. Разработка методов вычитания«Радиоэлектроника. Электротехника. Энергетика»: Тез. докл. XI МНТК студентов и аспирантов. Москва, 2005. - Т. 1. - С. 174.

37. Бадамшина Э.Б., Курятов В.Н., Лепешкин Д.В. Методика определения величины захвата лазерного гироскопа по зависимости измеряемой частоты от величины частотной подставки // «Лазеры. Измерения. Информация»: Тез. докл. конференции. СПб, 2005. - С. 34.

38. Пискунов Н. Ф. Дифференциальные и интегральные исчисления. М.: Наука, 1978.

39. Зоркальцев В.И. Метод наименьших квадратов: геометрические свойства, альтернативные подходы, приложения.

40. Лепешкин Д.В. Система сбора информации с лазерного гироскопа на основе микроконтроллера C8051F320 фирмы Silicon Laboratories // «Радиоэлектроника. Электротехника. Энергетика»: Тез. докл. XIII МНТК студентов и аспирантов. Москва, 2007. - Т. 1. - С. 159.

41. Агуров П.В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. СПб.: БХВ Петербург, 2005. - 576 с.

42. Техническое описание микроконтроллера C8051F320 «Silicon Laboratories», Rev. 1.1.

43. Тимофеев В.В. С++ как он есть. Самоучитель. М.: ООО «Бином-Пресс», 2004.-336 с.

44. Пухальский Г.Я., Новосельцева Т.Я., Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. М.: Р и С, 1990. -304 с.

45. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / Мальцев П.П., Долидзе Н.С. и др. М.: Р и С, 1994. 240 с.

46. Рафикумазан Н. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных систем. М.: Мир, 1998.

47. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника: Пер. с англ. М.: Техносфера, 2004. 376 с.

48. Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 11. СПб.: БВХ-Петербург, 2003. -560 с.

49. Лазерные гироскопы, http: // www. polyus. msk. ru / RU / lgru. html # lg.

50. Микропроцессорный контроллер M167-3: Руководство пользователя. СПб: ООО «КАСКОД-ЭЛЕКТРО», 2005.

51. Patent US, GO 1С 19/64. Dither controller for ring laser angular rotation / George H. McCammon, Robert D. Curby. 4,740,084. Filed Mar., 26, 1986; Apr. 26, 1988.-P. 18.

52. Лепешкин Д.В. Разработка сейсмодатчика на основе кольцевого лазера // «Радиоэлектроника. Электротехника. Энергетика»: Тез. докл. X МНТК студентов и аспирантов. Москва, 2004. - Т. 1. - С. 163.

53. Pancha, Webb Т.Н., Stedman G.E., McLeod D.P., Shreiber U. Ring laser detection of rotation from teleseismic waves // GRL, 2000, 27. P. 3553 -3556.

54. BYTE xdata OutxPacket2.[64];

55. Отключение Watchdog сторожевого таймера PCA0MD &= -0x40;

56. Включение прерывания от USB USBIntEnable(); ET2=0;

57. EIPl&=~0x02; IP=0x20; NJi=0; NIi=0;

58. OutxPacket0.[0]=l; // Ждем прерывания о приеме данных

59. DCounterl=0; DCounter2=0; Flagl=l; ET2=1; while (1)if (Flag2=l) BlockRead(OutxPacket0., 64); Flag2=0; if (Flag4=l)if (OutxPacket0.[0]==129)

60. BlockWrite(InxPacketNJid., 64);1. Flag4=0;----------------------------------------------------------------------------

61. Initialization Subroutines //----------------------------------------------------------------------------------------------------

62. Инициализация порта //-----------------------

63. I Конфигурация матрицы выводов. //void PortInit(void)1. P1MDIN = 0x3F;1. P2MDIN =0x00;1. P3MDIN =0x00;1. POMDOUT =0x80;1. P0SKIP = 0x8F;1. PI SKIP = OxCF;1. P2SKIP = OxOF;

64. XBR1 =0x40; //.-----------------------

65. Инициализация таймера //.-----------------------

66. Часы таймера 1 МГц, используется для опроса счетчиков с частотой 20 кГцvoid TimerInit(void) // Остановка таймера 2 TMR2CN = 0x00; // Часы таймера 2 основаны на T2XCLK; CKCON &= ~0xF0;

67. Выбор значения после переполнения -50 TMR2RLL = ОхСЕ; TMR2RLH = OxFF; // Выбор первоначального значения TMR2L = OxFF;1. TMR2H = OxFF;

68. Разрешение прерываний от второго таймера ЕТ2 =1;

69. Запуск второго таймера TR2 =1; //.-----------------------

70. Инициализация АЦП //-----------------------

71. Конфигурация АЦП для принудительного запускаИvoid AdcInit(void)

72. Вывод опорного напряжения для смещения нуля на устройстве быстрого АЦП

73. REF0CN = ОхОЕ; АМХОР = 0x08; AMX0N = OxlF; ADC0CF =0x18; ADC0CN =0x80; Р0|=128;

74. Выбор в качестве положительного контакта АЦП вывода 2.0 // Выбор земли в качестве отрицательного контакта АЦП // Выбор частоты SAR=0.75MTu; => 50 ksps // Включение АЦП1. Ждущий режим

75. Called when a DEVSUSPEND interrupt is received.- Disables all unnecessary peripherals- Calls USBSuspend()- Enables peripherals once device leaves suspend statevoid SuspendDevice(void) {

76. Disable peripherals before calling USBSuspend()

77. P0MDIN = 0x00 P1MDIN = 0x00 P2MDIN = 0x00 P3MDIN = 0x00 ADC0CN &= ~0x80; ET2 = 0; USBSuspend();

78. Port 0 configured as analog input // Port 1 configured as analog input // Port 2 configured as analog input // Port 3 configured as analog input // Disable ADC0 // Disable Timer 2 Interrupts

79. Put the device in suspend state // Once execution returns from USBSuspend(), device leaves suspend state. // Reenable peripherals PortInit();

80. ADC0CN |= 0x80; // Enable ADC01. Р0|=128;

81. ЕТ2 = 1; // Enable Timer 2 Interrupts //------------------------

82. Общая инициализация //.-----------------------

83. Called when a DEVCONFIGURED interrupt is received. // Enables all peripherals needed for the applicationvoid Initialize(void) {

84. InxPacket0.[0]=l; // InxPacket[l][0]=l;

85. PortInit(); // Initialize crossbar and GPIO

86. AdcJnitO; //Initialize ADC

87. TimerInit(); // Initialize timer2 //-----------------------

88. Прерывание при переполнении таймера 2 //------------------------

89. AMXOP=NFA; ADCOHS=ADCOH; ADCOLS=ADCOL;if(Flag3=l) {1. NS++;if (NS>16) {NS=6;} }if (ND1=3) {1. AD0INT=0; AD0BUSY=1;if(Flag3=l) {1. NJi=(NJi+l)&l;1. Flag3=0; }

90. Разрешить следующее прерывание

91. TF2H = 0; // Clear Timer2 interrupt flag1. Прерывание от USBvoid USBAPITESTISR(void) interrupt 16 {

92. Получить тип прерывания BYTE INTVAL = GetInterruptSource(); // Если приняты данныеif (INTVAL & RXCOMPLETE) {

93. Установить флаг приема данных1. Flag2=l; }

94. Если переход в ждущий режимif (INTVAL & DEVSUSPEND) {

95. Вызвать процедуру перехода в ждущий режим1. SuspendDevice(); }

96. Если запрос на конфигурацию устройстваif (INTVAL & DEVCONFIGURED) {

97. Провести повторную инициализацию InitializeQ;