Методы обработки информации в лазерном гироскопе с прецизионной регистрацией перемещений интерференционной картины

• Автор: Мишин, Валерий Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 160 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ЛАЗЕРНОМ ГИРОСКОПЕ С ПРЕЦИЗИОННОЙ РЕГИСТРАЦИЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ» выполненной Мишиным Валерием Юрьевичем на кафедре «Электронные приборы» Рязанского государственного радиотехнического университета по специальности 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики.
Целью диссертации является поиск методов обработки информации в лазерном гироскопе без использования иных источников данных, кроме квадратурных сигналов, отражающих перемещения интерференционной картины, сформированной выведенными из кольцевого резонатора лазерными пучками.
В процессе выполнения работы реализован подход, который позволяет обновлять выходные данные с частотой не менее 5 кГц и подавлять шум квантования в выходном сигнале лазерного гироскопа. Обнаружена связь погрешности измерения угловых перемещений с угловым ускорением и полосой подавления фильтра, которая позволяет удалить колебания на частоте подставки из выходного сигнала и использовать лазерный гироскоп в системах инерци-альной навигации высокой точности для регистрации угловых перемещений объекта, быстро маневрирующего с угловыми ускорениями до 1000 7с2. Разработана методика измерения порога синхронизации при однонаправленном механическом вращении кольцевого лазера, которая позволяет отказаться от использования прецизионного поворотного устройства.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 160 листах машинописного текста и содержит 87 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 78 источников.
Ключевые слова: лазерный гироскоп, порог синхронизации, квадратурные сигналы, фаза Саньяка.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
1. Формирование квадратурных сигналов в кольцевом гелий-неоновом лазере и методы их обработки (обзор литературы)
1.1. Устройство кольцевого гелий-неонового лазера
1.2. Синхронизация встречных волн и частотная подставка
1.3. Обработка информационных сигналов лазерного гироскопа
1.3.1. Выделение информации о фазе Саньяка
1.3.2. Проблема удаления частотной подставки
1.3.3. Составляющие погрешности при измерениях угловой скорости
1.4. Цифровые методы обработки квадратурных сигналов
1.4.1. Выделение информации о фазе первичных сигналов
1.4.2. Методы поиска кривой второго порядка при наличии возмущений
1.4.3. Применение модернизированных методов аппроксимации отсчетов при измерениях перемещений с помощью лазерных интерферометров
1.5. Постановка задачи
2. Искажения фазы Саньяка, выделенной из возмущенных квадратурных сигналов лазерного гироскопа
2.1. Паразитная модуляция мощностей встречных волн
2.2. Емкостная связь между информационными каналами
2.3. Инерционность приемного тракта
2.4. Аддитивная гармоническая помеха
2.5. Аддитивный шум
2.6. Экспериментальные результаты выделения фазы Саньяка из сигналов лазерного гироскопа с вибрационной подставкой
2.7. Выводы
3. Цифровая фильтрация вибрационной подставки из сигнала лазерного гироскопа
3.1. Обработка сигналов лазерного гироскопа и формирование управляющих воздействий

3.2. Синтез режекторного цифрового фильтра для удаления частотной подставки
3.3. Формирование ошумленной вибрационной частотной подставки
и ее удаление из вторичного сигнала
3.4. Выходной сигнал после фильтрации подставки при моделировании ускоренного вращения лазерного гироскопа Ю
3.5. Получение информации для формирования управляющего сигнала при настройке кольцевого резонатора
3.6. Выводы
4. Методика измерения порога синхронизации при изготовлении и
эксплуатации прецизионных кольцевых лазеров
4.1. Косвенные измерения порога синхронизации в кольцевых лазерах на основе модуляционной методики
4.2. Регистрация порога синхронизации в случае однонаправленного вращения кольцевого лазера
4.2.1. Результаты цифровой обработки информационного сигнала
4.2.2. Моделирование процесса обработки данных
4.3. Влияние возмущений квадратурных сигналов на погрешность измерения порога синхронизации
4.4. Особенности определения порога синхронизации в случае кольцевого лазера с вибрационной частотной подставкой
4.5. Экспериментальная апробация методики измерения порога синхронизации в условиях вибрационной подставки
4.6. Выводы
Заключение
Список использованных источников
Приложения

ловину (или четверть) интерференционной полосы [28]. В такой ситуации шаг квантования при регистрации изменений фазы Саньяка составляет п (или п/2) радиан, что неизбежно сопровождается сильным шумом, требующим усреднения полученных данных [30].
Применение альтернативного подхода к обработке сигналов лазерных интерферометров обеспечило сочетание высокой чувствительности к линейным перемещениям (порядка нанометра) с широким динамическим диапазоном измерений (верхний предел более 10 метров) [2, 41, 42]. В качестве первичного источника информации при реализации данной методики также используются сигналы с фотоприемников, центры которых в плоскости регистрируемой интерференционной картины разнесены на четверть интерференционной полосы.
Первичные информационные сигналы Uc(t), Us(t), первый из которых далее будет называться «косинусным», а второй - «синусным», имеют вид:
uc(t) = ис о + ис т ■ cos(n/(0), Us(t) = Usfi +USjtn -sin(|/(0 + Ti), (1-22)
где i//(?) - измеряемая фаза, r| - дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный несовершенством электрооптической системы (расстояние между центрами фотоприемников в реальных ситуациях несколько отличается от четверти интерференционной полосы), UC:о, С/г,о - постоянные смещения, иС:т, Usm - амплитуды квадратурных сигналов.
Чтобы перейти от оцифрованных последовательностей первичных сигналов (1.22) к последовательности отсчетов для измеряемой фазы р, необходимо знать смещения Uc,o, UStо, амплитуды Uc,m, Usm и разность фаз тр Поскольку на плоскости переменных Uc, Us соотношения (1.22) задают эллипс, имеется возможность определить значения его параметров, исходя из условия наилучшей аппроксимации экспериментальных точек соответствующей кривой. На рис. 1.8 приведены графики выходных квадратурных сигналов интерферометра Майкельсона ( Uc(t) и Us(t)), при изменениях разности оптических длин его плеч L, преобразованной в зависящую от времени фазу yAJ).