Способ измерения абсолютной угловой скорости и акустоэлектронный гироскоп для его реализации

Способ измерения абсолютной угловой скорости и акустоэлектронный гироскоп для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Использование: для измерения абсолютной угловой скорости в системах ориентации и навигации подвижных объектов. Сущность изобретения: способ заключается в том, что последовательно на каждом периоде измерения пропускают через взаимный звукопровод, выполненный в виде дуги эффективного радиуса R, который много больше длины волны акустического сигнала, импульсную упругую волну заданной длительности с высокочастотным заполнением и измеряют набег фазы или время распространения упругой волны. Затем через звукопровод пропускают идентичную упругую волну во встречном направлении и измеряют набег фазы или время распространения встречной волны. Далее определяют разность набегов фаз или времен распространения встречных волн, пропорциональную проекции абсолютной угловой скорости, на ось чувствительности перпендикулярной плоскости, на которую проекция сектора, образованного дугой звукопровода, будет давать максимальную площадь, а знак разности определяет знак измеряемой угловой скорости.

Акустоэлектронный гироскоп, включающий взаимный звукопровод, выполненный в виде дуги эффективного радиуса R, который много больше длины волны акустического сигнала, два идентичных приемопередатчика, блок формирования и обработки сигналов, входы которого соединены со входами приемопередатчиков акустических сигналов, а выход блока формирования и обработки сигналов выполнен в виде цифровой шины, код на выходе которой пропорционален приращению угла в инерциальном пространстве за время измерения. При этом блок формирования и обработки сигналов содержит генератор высокочастотного заполнения акустических импульсов, тракт измерительного сигнала, тракт опорного сигнала, а также компаратор, сигнал с которого осуществляет функцию запуска фазометра, и счетчик, запуск которого совпадает с началом акустического импульса, а конец счета совпадает с моментом обнаружения сигнала компаратором.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в системах ориентации и навигации подвижных объектов.

Известен способ измерения абсолютной угловой скорости, основанный на эффекте М.Саньяка и реализованный в оптических гироскопах, а именно в кольцевом лазере или лазерном гироскопе и в волоконно-оптическом гироскопе. В лазерном гироскопе эффект Саньяка проявляется в сложном взаимодействии с другими, чаще нелинейными эффектами и поэтому проявляется лишь на линейном участке характеристики. Фаза Саньяка, получаемая при прохождении встречных лучей по контуру резонатора кольцевого лазера, каждый раз выступает в качестве начальных условий при последующем проходе по контуру резонатора и т.д. Таким образом, в гипотетическом кольцевом лазере происходит непрерывное преобразование абсолютной угловой скорости в набег фаз встречных лучей (волн). Поэтому рассмотрим известный способ применительно к волоконно-оптическому гироскопу (ВОГ) [1].

Способ заключается в том, что по волноводу, выполненному в виде катушки световода с эффективным радиусом R, одновременно пропускают две взаимные встречные электромагнитные волны и определяют разность фаз встречных волн пропорциональную проекции абсолютной угловой скорости на ось катушки световода.

Способ характеризуется следующими соотношениями:

где:

L - длина световода;

с - скорость света в световоде;

t₀ - время прохождения световой волны по катушке световода при отсутствии входной угловой скорости (Ω=0).

Время t₀ определяет время взаимодействия световой волны и угловой скорости и по сути является временем преобразования способа.

Разность времени обхода для встречных волн

где:

S - площадь витка катушки световода;

N - число витков катушки световода;

Ω - проекция абсолютной угловой скорости на ось катушки световода.

Разность фаз Саньяка

где:

λ - длина волны зондирующего поля.

Недостатком приведенного способа является низкая чувствительность преобразования.

Задачей изобретения является увеличение чувствительности преобразования абсолютной угловой скорости.

Для решения поставленной задачи в способе измерения абсолютной угловой скорости на каждом периоде измерения пропускают через взаимный звукопровод, выполненный в виде дуги эффективного радиуса R, импульсную упругую волну заданной длительности с высокочастотным заполнением и измеряют набег фазы. Далее определяют разность набегов фаз встречных волн, пропорциональную абсолютной угловой скорости.

Обоснование предложенного способа заключается в следующем. Для обеспечения взаимности звукопровода он должен быть выполнен из изотропного материала. Поэтому для реализации предложенного способа могут использоваться: поперечные объемные волны, продольные объемные волны, поверхностные волны Релея (поверхностные акустические волны), псевдоповерхностные волны, а также волны Лява. Причем для любого типа акустических волн для конкретного материала существует своя скорость распространения, а для анизотропных материалов скорость распространения зависит и от направления распространения.

Скорость распространения акустических волн для известных материалов лежит в пределах от одного до десяти километров в секунду, что на 4÷5 порядков ниже скорости электромагнитной волны. Поэтому время t₀ «взаимодействия» акустической волны и угловой скорости, с которой звукопровод вращается в инерциальном пространстве, может быть значительно увеличено и может определяться из условия допустимых потерь, а также периода дискретизации измеряемой скорости. Большое время распространения (задержки) подтверждается тем, что в акустоэлектронных линиях задержки [2, 3] достигнуты значения долей секунды. Кроме того, частотный диапазон акустических волн (десятки ГГц) и сравнительно низкая скорость распространения позволяют получить длины волн, сопоставимые с длинами волн оптического диапазона.

Заявляемый способ характеризуется следующими соотношениями:

где:

L - длина звукопровода;

V - скорость распространения акустической волны.

Разность времени распространения встречных акустических волн

где:

S₁ - площадь сектора, образованного дугой звукопровода.

Разность фаз Саньяка

где:

λ - длина волны акустической волны.

При спиральном звукопроводе выражения 5 и 6 будут иметь вид

где:

S₂ - площадь проекции витка спирали; N - количество витков спирали.

На фиг.1 приведена временная диаграмма, объясняющая способ измерения абсолютной угловой скорости.

На фиг.1 обозначены:

t_и - время излучения акустической волны;

t₀ - время распространения акустической волны при Ω=0;

t_п - время приема и поглощения (паузы) акустической волны;

Т - время излучения и приема встречных волн.

Таким образом, период дискретизации равен 7/2, а коэффициент пропорциональности, вызванный дискретностью преобразования,

На фиг.2 представлена структурная схема акустоэлектронного гироскопа, где обозначены:

1 - звукопровод, выполненный в виде дуги эффективного радиуса R;

2 и 3 - приемопередатчики акустических волн;

4 - блок формирования и обработки сигналов.

Радиус кривизны звукопровода должен быть много больше длины волны акустического сигнала [2, 3].

На фиг.3 приведен пример выполнения блока формирования и обработки сигналов. Введены следующие обозначения: 5 и 6 - мультиплексоры; 7 - усилитель принятых сигналов; 8 - компаратор; 9 - генератор гетеродина; 10 - смеситель опорного сигнала; 11 - полосовой фильтр опорного сигнала; 12 - смеситель измерительного канала; 13 - полосовой фильтр измерительного канала; 14 - фазометр; 15 - счетчик; 16 - контролер; 17 - шина запуска счетчика; 18 - шина управления мультиплексором 5; 19 - шина управления мультиплексором 6; 20 - шина обнуления счетчика 15, 21 - генератор высокочастотного заполнения акустических импульсов.

Акустоэлектронный гироскоп работает следующим образом. В качестве приемопередатчиков акустических волн могут использоваться:

- встречно-штыревые преобразователи (ВШП) для возбуждения и приема поверхностных акустических волн (ПАВ);

- конденсаторного типа на эффекте электрострикции для преобразования объемных акустических волн;

- пьезополупроводниковые преобразователи объемных акустических волн;

- резонансные преобразователи объемных акустических волн и т.д. [2, 3].

Контролер 16 формирует временную (управляющую) последовательность, представленную на фиг.1. Мультиплексор 5 поочередно на каждом полупериоде формирует электрический импульс с высокочастотным заполнением длительностью t_и и подает на один из приемопередатчиков 2 или 3, работающий в режиме «передача». Одновременно через мультиплексор 6 выход другого приемопередатчика 2 или 3, работающего в режиме «прием», подключается ко входу усилителя 7, а также измеряется набег фазы при прохождении акустической волны по звукопроводу 1. В общем случае набег фазы состоит из целого числа циклов (периодов) и доли цикла. Целое число циклов с точностью до полупериода высокочастотного электрического сигнала может быть осуществлено с помощью счетчика (чатотомера) 15, запуск которого совпадает с началом акустического импульса, а конец счета совпадает с моментом обнаружения сигнала компаратором 8 на выходе усилителя 7, пришедшего с приемопередатчика (2 или 3), работающего в приемном режиме. Внутрицикловый набег фазы измеряется как внутрицикловый сдвиг фаз фазометром 14. При этом, так как измерение сдвига фаз в гигагерцовом диапазоне затруднено, то применяется гетеродирование как опорного, так и измеряемого сигналов с переносом фазовых соотношений на удобную для измерения сдвига фаз промежуточную частоту электрических сигналов. При этом тракт опорного сигнала состоит из генераторов 21 и 9, смесителя 10 и полосового фильтра 11. Тракт измерительного сигнала состоит из приемопередатчика (2 или 3), работающего в приемном режиме, мультиплексора 6, усилителя 7, генератора 9, смесителя 12 и полосового фильтра 13. Сигнал с выхода компаратора 8, кроме останова счета в счетчике 15, осуществляет функцию запуска фазометра 14.

Интервал времени t_п (см. фиг.1) предназначен для измерения сдвига фаз, ввода суммарного значения набега фазы в контролер, сброса в нуль счетчика 15 по шине 20 и поглощения (рассеивания) акустической волны, прошедшей через звукопровод, с целью обеспечения однопроходного режима работы звукопровода 1. Кроме того, контролер 16 обеспечивает вычисление разности набегов фаз встречных волн, масштабирование в соответствии с выражением (8), умножение на χ₁ и формирует код приращения угла в инерциальном пространстве за время T/2, а знак разности набегов фаз соответствует знаку приращения угла. При этом полусумма набегов фаз встречных волн пропорциональна t₀ при постоянном Т и может использоваться для коррекции χ₁.

Проведем сравнительный анализ волоконно-оптического гироскопа и акустоэлектронного гироскопа (пока гипотетического) с позиции показателей чувствительности. Возьмем ВОГ высокой чувствительности: D=100 мм (D - диаметр катушки ВОГ) L= 1 км; N_ВОГ=3185 витков; λ=1550 нм. Для простоты будем считать коэффициент преломления волокна n=1. Тогда

t₀=3,33·10^-6 сек

Акустоэлектронный гироскоп (АЭГ) со следующими характеристиками: D=100 мм (диаметр звукопровода); . Звукопровод из плавленого кварца со скоростью распространения ПАВ V=3410 м/с; t₀=0,01 с; L=34,1 м; N_АЭГ=108,6; λ_{500 МГц}=6,82 мкм.

Тогда

Оценим отношения приведенных параметров:

.

Как следует из приведенных соотношений, акустоэлектронные гироскопы по чувствительности на несколько порядков превосходят волоконно-оптические.

Таким образом решена задача по увеличению чувствительности преобразования абсолютной угловой скорости в информацию. Кроме того, показаны преимущества акустоэлектронных гироскопов по сравнению с волоконнооптическими. Акустоэлектронные гироскопы могут производиться как в макро-, так и в микроисполнении в зависимости от сферы применения.

Литература

1. Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп. М.: Радио и связь, 1987.

2. Морозов А.И., Проклов В.В., Станковский Б.А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1981, с.184.

3. Дьепесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. - М.: Наука, 1982, с.424.

1. Способ измерения абсолютной угловой скорости, заключающийся в том, что последовательно на каждом периоде измерения пропускают через взаимный звукопровод, выполненный в виде дуги эффективного радиуса R, который много больше длины волны акустического сигнала, импульсную упругую (акустическую) волну заданной длительности с высокочастотным заполнением и измеряют набег фазы или время распространения упругой волны, затем через звукопровод пропускают идентичную упругую волну во встречном направлении и измеряют набег фаз или время распространения встречной волны, далее определяют разность набегов фаз или разность времен распространения встречных волн, пропорциональную проекции абсолютной угловой скорости на ось чувствительности, перпендикулярную плоскости, на которую проекция сектора, образованного дугой звукопровода, будет давать максимальную площадь, а знак разности определяет знак измеряемой угловой скорости.

2. Акустоэлектронный гироскоп, включающий взаимный звукопровод, выполненный в виде дуги эффективного радиуса R, который много больше длины волны акустического сигнала, два идентичных приемопередатчика, блок формирования и обработки сигналов, входы которого соединены со входами приемопередатчиков акустических сигналов, а выход блока формирования и обработки сигналов выполнен в виде цифровой шины, код на выходе которой пропорционален приращению угла в инерциальном пространстве за время измерения, при этом блок формирования и обработки сигналов содержит генератор высокочастотного заполнения акустических импульсов, тракт измерительного сигнала, тракт опорного сигнала, а также компаратор, сигнал с которого осуществляет функцию запуска фазометра, и счетчик, запуск которого совпадает с началом акустического импульса, а конец счета совпадает с моментом обнаружения сигнала компаратором.

3. Акустоэлектронный гироскоп по п.2, отличающийся тем, что звукопровод выполнен в виде спирали.

4. Акустоэлектронный гироскоп по п.2, отличающийся тем, что для компенсации потерь в звукопроводе в нем используются взаимные усилители акустических волн.

5. Акустоэлектронный гироскоп по п.2, отличающийся тем, что для обеспечения однопроходного режима на концах приемопередатчиков акустических волн расположены поглотители акустических волн.

6. Акустоэлектронный гироскоп по п.2, отличающийся тем, что для обеспечения взаимности звукопровода он должен быть выполнен из изотропного материала.