Бондаренко Євген Анатолійович. Геометрооптична побудова осьового контуру в роз'юстированому резонаторі лазерного гіроскопа

Краткое описание

Бондаренко Євген Анатолійович. Геометрооптична побудова осьового контуру в роз'юстированому резонаторі лазерного гіроскопа: дис... канд. техн. наук: 05.11.03 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін-т". - К., 2004

Бондаренко Є.А. Геометрооптична побудова осьового контуру в роз’юстированому
резонаторі лазерного гіроскопа. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.03 Гіроскопи та навігаційні системи. Національний технічний університет України Київський політехнічний інститут”, Київ, 2004.
Знайдено аналітичний розв’язок комплексної задачі геометрооптичної побудови осьового контуру в плоскому-кутному роз’юстированому резонаторі лазерного гіроскопа (ЛГ), який утворений сферичними дзеркалами різних радіусів кривизни, ділянками пустого простору і містить в плечах плоскопаралельні пластини. На цій основі розроблено методику геометрооптичної побудови осьового контуру в роз’юстированому резонаторі ЛГ. За допомогою методики виконано побудову осьового контуру в резонаторах ЛГ трьох типів, що застосовуються на практиці.
Розроблено математичну модель частотної характеристики повільно обертового вібруючого ЛГ з нерівнодобротним резонатором, а також модель зони синхронізації зустрічних хвиль ЛГ з рівнодобротним резонатором за умов точної настройки на центр лінії випромінювання і збалансованості струмів у плечах розряду. На основі результатів геометрооптичної побудови осьового контуру проведено теоретичне дослідження девіацій метрологічних параметрів частотної характеристики і параметрів зони синхронізації зустрічних хвиль чотирикутного ЛГ внаслідок зміни геометрії його резонатора.

В дисертації вперше отримано такі результати:
1. Знайдено аналітичний розв’язок комплексної задачі геометрооптичної побудови осьового контуру в роз’юстированому резонаторі ЛГ. Зокрема, в першому порядку малості по лінійним та кутовим зміщенням дзеркал одержано:
систему лінійних алгебричних рівнянь, які зв’язують між собою лінійні поперечні та кутові координати осьового контуру на вході в сусідні дзеркала резонатора ЛГ;
формули для розрахунку лінійного поперечного відхилення осьового контуру від номінальної осі резонатора ЛГ у відліковій площині, що розташована на заданій відстані від дзеркала, або плоскопаралельної пластини;
співвідношення для розрахунку зміщень центра світлової плями гауссова пучка на вхідних і вихідних поверхнях плоскопаралельних пластин в резонаторі ЛГ;
вирази для розрахунку зміщень центра світлової плями гауссова пучка на поверхнях дзеркал резонатора ЛГ;
формули для розрахунку складових оптичних довжин плечей резонатора ЛГ на усіх ділянках прямолінійного поширення світла;
співвідношення для розрахунку оптичних довжин плечей резонатора ЛГ;
вирази для розрахунку оптичного периметра осьового контуру резонатора ЛГ.
2. Розроблено методику геометрооптичної побудови осьового контуру в роз’юстированому резонаторі ЛГ. Методику представлено в двох варіантах:
для випадку резонатора ЛГ повної конфігурації, який містить у плечах плоскопаралельні пластини;
для випадку пустого резонатора ЛГ без плоскопаралельних пластин.
3. На основі розробленої методики виконано геометрооптичну побудову осьового контуру в резонаторах ЛГ трьох типів:
квадратного резонатора з двома плоскими та двома однаковими суміжними сферичними дзеркалами;
рівнобедреного трикутного резонатора з одним сферичним (при вершині) та двома плоскими дзеркалами;
рівнобічного трикутного резонатора з одним сферичним (при вершині) та двома плоскими дзеркалами, який містить в нижньому плечі газорозрядну трубку.
4. Розроблено математичну модель частотної характеристики повільно обертового вібруючого ЛГ за умов зашумлення амплітуди коливань його моноблока, точної настройки на центр лінії випромінювання і збалансованості струмів у плечах розряду. Модель враховує фактор неоднаковості підсилення зустрічних хвиль внаслідок нерівнодобротності резонатора. До складу моделі входять три метрологічні параметри ЛГ: зміщення нуля, коефіцієнт відносної нелінійності частотної характеристики і коефіцієнт випадкового кутового відходу. (Вираз для третього параметра автором запозичено з літератури.)
5. Для випадку ЛГ з квадратним резонатором, що утворений двома плоскими сигнальними дзеркалами і двома встановленими на п’єзокоректорах суміжними сферичними дзеркалами, отримано вирази для дослідження девіацій його метрологічних параметрів. Вирази відповідають двом варіантам зміни геометрії резонатора ЛГ. В першому варіанті причиною такої зміни є керовані протифазні переміщення сферичних дзеркал, а в другому температурне розширення моноблока ЛГ, котре без похибок парирується системою стабілізації периметра.
Проведено теоретичний аналіз девіацій метрологічних параметрів розглядуваного ЛГ для двох варіантів зміни геометрії його резонатора. Встановлено, що у першому випадку девіації метрологічних параметрів ЛГ є періодичними функціями протифазних переміщень сферичних дзеркал, а в другому випадку періодичними функціями приросту температури моноблока. Показано, що рівень цих девіацій можна знизити або шляхом поліпшення якості дзеркал резонатора ЛГ, або шляхом збільшення амплітуди і частоти коливань його моноблока.
6. Для випадку першого варіанта зміни геометрії резонатора ЛГ проведено порівняльний аналіз одержаних в дисертації теоретичних результатів щодо поведінки коефіцієнта випадкового кутового відходу з відомими експериментальними даними, які були отримані для 10 зразків приладів, що випускаються серійно. Показано, що запропонована теоретична модель, яка описує поведінку цього параметра, на якісному рівні з експериментом узгоджується, а на кількісному рівні йому не протирічить. На цій підставі зроблено висновок про те, що ефективність і достовірність розробленої в дисертації методики геометрооптичної побудови осьового контуру на прикладі розглядуваного резонатора таким чином підтверджується.
7. Розроблено математичну модель зони синхронізації зустрічних хвиль ЛГ з рівнодобротним резонатором за умов точної настройки на центр лінії випромінювання і збалансованості струмів у плечах розряду. Модель враховує члени четвертого порядку малості по коефіцієнтах зв’язку і дозволяє обчислити такі параметри зони синхронізації: координати на осі кутових швидкостей відповідно лівої і правої її границь, координату її центра та напівширину.
Встановлено, що у загальному випадку асиметричного зв’язку зустрічних хвиль ліва і права границі зони синхронізації розташовані відносно початку координат на неоднакових відстанях, наслідком чого є зміщення центра цієї зони уздовж осі кутових швидкостей. Показано, що при збільшенні рівня підсилення зустрічних хвиль зміщення центра зони синхронізації та її напівширина мають тенденції до зменшення.
8. Проведено теоретичне дослідження девіацій всіх чотирьох названих параметрів зони синхронізації для випадку чотирикутного ЛГ у разі протифазних переміщень сферичних дзеркал його резонатора. Встановлено, що девіації вказаних параметрів є періодичними функціями цих переміщень. Результат проведеного дослідження на якісному рівні узгоджується з відомими експериментальними даними.