Analysis of Laser Gyro Errors during Path Length Active Stabilization

The paper considers active stabilization of a laser gyro path length in a wide range of temperatures, using a movable mirror with a piezoceramic drive. Analysis of the main designs of piezo adjusters used in the laser gyros made in Russia is presented. Computer models of piezo adjusters have been developed to study the distortions and curvatures of piezo-driven mirror surfaces based on their resonant oscillatory characteristics. By comparing the calculated data and the experimental results, a relationship between the movements of mirrors and the output parameters of laser gyroscopes has been found. Possible improvements of piezo adjuster structures are proposed, which make it possible to increase the accuracy and performance characteristics of laser gyroscopes.

1. Robin, L., Perlmutter, M., Gyroscopes and IMUs for De-fence Aerospace and Industrial. Report by Yole development, 2012.

2. Passaro, V.M.N., Cuccovillo, A., Vaiani, L., De Carlo, M., Campanella, C.E., Gyroscope Technology and Applications: A Review in the Industrial Perspective, Sensors, 2017; 17(10):2284, https://doi.org/10.3390/s17102284.

3. Ривкин Б.С. Аналитический обзор состояния исследований и разработок в области навигации за рубежом. Вып. 6. Санкт-Петербург: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2021. 68 с.

4. Damianos, D., Girardin, G., High-End Inertial Sensors for Defense, Aerospace & Industrial Applications. Market and Technology Report by Yole development, 2020.

5. Пешехонов В.Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. №2 (109). С. 3–10. DOI 10.17285/0869-7035.0028.

6. Афанасьев В.Б., Мамаев В.А., Медведев В.М., Остапенко С.Н., Тихменев Н.В. К вопросам качества и надежности лазерных инерциальных систем // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2023. № 1 (126). С. 87–95.

7. Shaodi Wang, Zhili Zhang, Research on principle, application and development trend of laser gyro, Journal of Physics: Conference Series, 2020, 1549(2), 022118.

8. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах / под ред. Климонтовича Ю.Л. Москва: Главное изд-во физ.-мат. литературы, 1974.

9. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. Москва: Советское радио, 1975.

10. Aronowitz, F., Fundamentals of the ring laser gyr., Optical Gyros and their Application, RTO AGARDograph, 1999, 339, 3-1-3-45.

11. Lukyanov, D., Filatov, Yu., Golyaev, Yu., Kuryatov, V., Solovieva, T., Vasiliev, V., Buzanov, V., Spectorenko, V., Klochko, O., Vinogradov, V., Schreiber, K.-U., Perlmutter, M., 50th anniversary of the laser gyro, 20th Saint-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2013, pp. 36–49.

12. Кравцов Н.В., Кравцов Н.Н. Невзаимные эффекты в кольцевых лазерах // Квантовая электроника. 1999. Т. 27. №2. С. 98–120.

13. Дао Х.Н., Климаков В.В., Молчанов А.В., Чиркин М.В. Динамика газа в активной среде и нестабильность дрейфа сигнала лазерного гироскопа // Вестник РГРТУ. 2017. №59. С. 136–144.

14. Кузнецов А.Г., Молчанов А.В., Чиркин М.В., Измайлов Е.А. Прецизионный лазерный гироскоп для автономной инерциальной навигации // Квантовая электроника. Т. 45. №1. 2015. С. 78–88.

15. Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Савельев И.И. Зеемановские лазерные гироскопы // Квантовая электроника. Т. 45. №2. 2015. С. 171–179.

16. Молчанов А.В. Геометрические параметры кольцевого резонатора в оценке погрешностей лазерного гироскопа // Навигация и управление летательными аппаратами. 2023. №1 (40). С. 37–64.

17. Chopra, K.N., Ring Laser Gyroscopes. Optoelectronic Gyroscopes. Progress in Optical Science and Photonics. Springer, Singapore, 2021, 11, https://doi.org/10.1007/978-981-15-8380-3_1.

18. Тихменев Н.В., Назаров С.И., Ушанов А.А., Синельников А.О. Исследование функционирования кольцевого лазерного гироскопа при вибрационных воздействиях // Управление большими системами. 2024. Вып. 109. С. 293–309. DOI: 10.25728/ubs.2024.109.13.

19. Weng, J., Bian, X., Kou, K., Lian, T., Optimization of Ring Laser Gyroscope Bias Compensation Algorithm in Variable Temperature Environment, Sensors, 2020, 20(2):377, https://doi.org/10.3390/s20020377.

20. Kuznetsov, E., Golyaev, Yu., Kolbas, Yu., Kofanov, Yu., Kuznetsov, N., Vinokurov, Yu., Soloveva, T., Thermal computer modeling of laser gyros at the design stage: a promising way to improve their quality and increase the economic efficiency of their development and production, Optical and Quantum Electronics, 2021, 53(10), 596, 1–15.

21. Zubarev, Y.A., Sinelnikov, A.O., Fetisova, N.E., A study of the Temperature Stability of the Zeeman Laser Gyro Ring Resonator, 29th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), 2022, pp. 1–4, https://doi.org/10.23919/ICINS51784.2022.9815336.

22. Синельников А.О., Медведев А.А., Голяев Ю.Д., Грушин М.Е., Чекалов Д.И. Роль тепловых дрейфов нуля в магнитооптических зеемановских лазерных гироскопах // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. № 4 (115). С. 46–55. DOI 10.17285/0869-7035.0079.

23. Li, Y., Fu, L., Wang, L., He, L., Li, D., Laser Gyro Temperature Error Compensation Method Based on NARX Neural Network Embedded into Extended Kalman Filter, Advances in Guidance, Navigation and Control. Lecture Notes in Electrical Engineering. Springer, Singapore, 2022, 644:330–3320.

24. Кузнецов Е.В., Синельников А.О., Голяев Ю.Д., Колбас Ю.Ю., Соловьева Т.И. Компьютерное моделирование работы системы регулировки периметра резонатора зеемановского лазерного гироскопа // Автоматизация в промышленности. 2022. № 3. С. 45–49.

25. Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Кузнецов Е.В. Частотная характеристика лазерных гироскопов с учетом неравенства интенсивностей встречных волн // Гироскопия и навигация. 2020. Том 28. №4 (111). С. 71–81. DOI 10.17285/0869-7035.0050.

26. Синельников А.О., Запотылько Н.Р., Зубарев Я.А., Катков А.А. Особенности применения ситалла СО-115М при изготовлении оптических деталей кольцевых He-Ne лазеров // Стекло и керамика. 2023. Т. 96, № 5(1145). С. 3–13. DOI 10.14489/glc.2023.05.pp.003-013.

27. Наумов А.С., Сигаев В.Н. Прозрачные ситаллы на основе литиевоалюмосиликатной системы // Стекло и керамика. 2023. Т. 96. № 11. С. 54–63. DOI: 10.14489/glc.2023.11.pp.054-063.

28. Наумов А.С., Алексеев Р.О., Савинков В.И., Сигаев В.Н. Зарождение и рост кристаллов в объеме стекла на основе системы Li2 O–Al2 O3 –SiO2 // Стекло и керамика. 2023. Т. 96, №8. С. 3–11. DOI 10.14489/glc.2023.08.pp.003-011.

29. Зубарев Я.А., Синельников А.О., Мнацаканян В.У. Моделирование температурного дрейфа периметра лазерного гироскопического датчика // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24. №1. C. 30–39. doi: 10.22363/2312-8143-2023-24-1-30-39.

30. Сигаев В.Н., Савинков В.И., Шахгильдян Г.Ю., Наумов А.С., Лотарев С.В., Клименко Н.Н., Голубев Н.В., Пресняков М.Ю. О возможности прецизионного управления температурным коэффициентом линейного расширения прозрачных литиево-алюмосиликатных ситаллов вблизи нулевых значений // Стекло и керамика. 2019. Т. 92, №12. С. 11–16.

31. Голяев Ю.Д., Запотылько Н.Р., Недзвецкая, А.А., Синельников А.О. Термостабильные оптические резонаторы для зеемановских лазерных гироскопов // Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 113. №2. С. 253–255.

32. Сухов Е.В., Запотылько Н.Р. Зависимость формы и угла отражающей поверхности зеркального пьезокорректора от управляющего напряжения. Инновационные технологии в электронике и при боростроении // Сборник докладов Российской научно-технической конференции с международным участием. Москва: МИРЭА – Российский технологический университет, 2021. Т. 1. С. 293–296.

33. Ma Yanghua, Quan Bingxin, Han Zonghu, Wang Jiliang, Structural optimization of the length control mirror for ring laser gyro, Second International Conference on Photonics and Optical Engineering, 2017, doi:10.1117/12.2256501.

34. Запотылько Н.Р., Катков А.А., Недзведская А.А. Пьезокорректор для компенсации тепловых вариаций длины оптического пути резонатора лазерного гироскопа // Оптический журнал. 2011. Т. 78. №10. С. 10–12.

35. Запотылько Н.Р., Катков А.А., Синельников А.О. Пассивная термокомпенсация оптического периметра лазерных гироскопов, изготовленных с использованием различных конструкционных материалов // Датчики и системы. 2014. № 1(176). С. 8–13.

36. Борисов М.В., Черноморский А.И., Чиркин М.В. Особенности выбора и оценки параметров пьезокорректоров в кольцевом резонаторе малогабаритного лазерного гироскопа // Авиакосмическое приборостроение. 2015. № 11. С. 13–20.

37. Ищенко Е.Ф. Анализ деформаций осевого контура оптического резонатора // ЖПС. 1969. Т. 11. №3. С. 456–463.

38. Ищенко Е.Ф. Открытые оптические резонаторы: Некоторые вопросы теории и расчета. Москва: Советское радио, 1980. 208 с.

39. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. Москва: Наука, 1990. 264 с.

40. Быков В.П., Силичев О.О. Лазерные резонаторы. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 320 с.

41. Власов А.В., Запотылько Н.Р., Катков А.А. и др. К вопросу о технологии изготовления пьезоматериалов для лазерной гироскопии с использованием холодного одноосного прессования и спекания // Ползуновский вестник. 2022. №2. С. 129–138. DOI 10.25712/ASTU.2072-8921.2022.02.018.

42. Пиппард А. Физика колебаний. Москва: Высшая школа, 1985. 456 с.

43. Когельник Х. Коэффициенты связи и коэффициенты преобразования волн в оптических системах // Квазиоптика. Москва: Мир, 1966. С. 210–225.

44. Хирд Г. Измерение лазерных параметров. Москва: Мир, 1970. 540 с.

45. Федоров А.Е., Зборовский В.А., Рекунов Д.А. и др. Установка для юстировки зеркал и измерения потерь резонатора лазерного гироскопа // Материалы ХХII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, 2015. С. 308–313.

46. Азарова В.В., Бессонов А.С., Бондарев А.Л., Макеев А.П., Петрухин Е.А. Двухканальный способ измерения потерь в кольцевом оптическом резонаторе на длине волны 632.8 нм // Квантовая электроника. 2016. 46:7. 650–654 [Quantum Electron., 2016, 46:7, 650–654].

47. Хромых А.М., Якушев А.И. Влияние пленения резонансного излучения на эффект Зеемана в кольцевом лазере // Квантовая электроника. Т.4. № 1. 1977. С. 27–34.

48. Савельев И.И., Хромых А.М. Продольные моды объемного кольцевого резонатора // Квантовая электроника. 1976. Т. 3. №7. С. 1517–1521.

49. Tikhmenev, N., Korshunov, S., Bannikov, D., and Protsenko, I., Measurement of Losses of Precision Mirrors of Ring Lasers, 29 Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), Saint Petersburg, Russian Federation, 2022, pp. 1–3, https://doi:10.23919/ICINS51784.2022.9815346.

50. Коршунов С.Е., Тихменев Н.В. Измерение потерь прецизионных зеркал кольцевых лазеров // Мир авионики. 2012. №6. С. 28–33.