RUDN Journal of Engineering ResearchRUDN Journal of Engineering ResearchВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования2312-81432312-8151Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3505910.22363/2312-8143-2023-24-1-30-39DSOCIGArticlesСтатьиResearch ArticleSimulation of the temperature drift of the laser gyroscope path lengthМоделирование температурного дрейфа периметра лазерного гироскопического датчикаhttps://orcid.org/0000-0002-4492-338XZubarevYaroslav A.ЗубаревЯрослав Андреевич

postgraduate student, lead engineer of lab. 450/4, scientific and production unit 470 (laser gyroscopy)

аспирант, ведущий инженер участка 450/4 НПК-470 по лазерной гироскопии

zubyar@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5579-3509553824535002442-7507SinelnikovAnton O.СинельниковАнтон Олегович

Ph.D., Head of the laboratory No. 255-1, sector 250 (developing of gyro inertial units based on laser gyroscopes)

кандидат технических наук, начальник лаборатории № 251-1, отдел № 250 разработки гироинерциальных блоков на базе лазерных гироскопов

mr.sinelnikov.a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9276-759966035013398693-8313MnatsakanyanVictoria U.МнацаканянВиктория Умедовна

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Mining Equipment, Transport and Mechanical Engineering

доктор технических наук, профессор кафедры горного оборудования, транспорта и машиностроения

artvik@bk.ruPolyus Research Institute of M.F. StelmakhНаучно-исследовательский институт «Полюс» имении М.Ф. СтельмахаState Research Institute of Instrument EngineeringГосударственный научно-исследовательский институт приборостроенияNational Research Technological University “MISIS”Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»25062023241VOL 24, NO1 (2023)ТОМ 24, №1 (2023)303926062023Copyright ©; 2023, Zubarev Y.A., Sinelnikov A.O., Mnatsakanyan V.U.Copyright ©; 2023, Зубарев Я.А., Синельников А.О., Мнацаканян В.У.2023Zubarev Y.A., Sinelnikov A.O., Mnatsakanyan V.U.Зубарев Я.А., Синельников А.О., Мнацаканян В.У.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/legalcodehttps://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/35059

The authors present the results of modeling the temperature drift of the resonator path length of a laser gyroscope based on a ring helium-neon laser with circular polarization of radiation and a magneto-optical frequency bias based on the Zeeman effect using the MATLAB mathematical package. The algorithm developed and implemented in the MATLAB environment makes it possible to simulate temperature deformations of the path length of a Zeeman laser gyroscope when the configuration of its structural elements changes. This allows to evaluate the quality of the supplied material for the manufacture of the ring laser resonator, as well as to evaluate the total contribution of structural elements to the resulting drift of the perimeter of the Zeeman gyroscope. The model obtained in the work is an analytical tool for additional quality control of the optical glass-ceramic SO-115M, from which the resonator is made, and optimization of the design of the Zeeman laser gyroscope, both locally and comprehensively. This is necessary to increase the efficiency of ring laser perimeter stabilization in the operating temperature range using an active perimeter adjustment system and passive thermal compensation by selecting structural elements with opposite temperature coefficients of linear expansion. The use of the developed model in the production of laser gyroscopes permits to select the structural elements of the Zeeman gyroscope, which significantly increases the time of its continuous operation in a single-mode in a wide temperature range while maintaining the re-quired accuracy for the orientation, stabilization and navigation systems of various aircraft.

Представлены результаты моделирования температурного дрейфа периметра резонатора лазерного гироскопического датчика на базе кольцевого гелий-неонового лазера с круговой поляризацией излучения и магнитооптической частотной подставкой на эффекте Зеемана при помощи математического пакета MATLAB. Разработанный и реализованный в среде MATLAB алгоритм позволяет моделировать температурные деформации периметра зеемановского лазерного гироскопического датчика при изменении конфигурации его конструкционных элементов. В результате можно оценить качество поставляемого материала для изготовления резонатора кольцевого лазера, а также совокупный вклад конструкционных элементов в результирующий дрейф периметра зеемановского гироскопического датчика. Полученная модель является аналитическим инструментом дополнительного контроля качества оптического ситалла СО-115М, из которого изготавливается резонатор, и оптимизации конструкции зеемановского лазерного гироскопического датчика как локально, так и комплексно. Это необходимо для повышения эффективности стабилизации периметра кольцевого лазера в диапазоне рабочих температур с помощью активной системы регулировки периметра и пассивной термокомпенсации путем подбора конструкционных элементов с противоположными по знаку температурными коэффициентами линейного расширения. Использование разработанной модели в производстве лазерных гироскопов дает возможность осуществлять подбор конструкционных элементов зеемановского гироскопического датчика, что существенно увеличивает время его непрерывной работы в одномодовом режиме в широком температурном диапазоне при сохранении требуемой точности для систем ориентации, стабилизации и навигации различных летательных аппаратов.

ring lasercomputer simulationoptical glass-ceramicfrequency bias amplitudeMATLABthermal compensationкольцевой лазеркомпьютерное моделированиеоптический ситалламплитуда частотной подставкиMATLABтермокомпенсацияHering E, Schönfelder G, Basler S, Biehl K-E, Burkhardt T, Engel T, Feinäugle A, Fericean S, Forkl A, Giebeler C, Hahn B, Halder E, Herfort Ch, Hubrich S, Reichenbach J, Röbel M, Sester S. Geometric quantities. In: Hering E, Schönfelder G. (eds.) Sensors in Science and Technology. Wiesbaden: Springer; 2022. p. 147-372. https://doi.org/10.1007/978-3-658-34920-2_3Chopra KN. Ring laser gyroscopes. Optoelectronic Gyroscopes: Design and Applications. Singapore: Springer; 2021. https://doi.org/10.1007/978-981-15-8380-3_1Passaro VMN, Cuccovillo A, Vaiani L, De Carlo M, Campanella CE. Gyroscope technology and applications: a review in the industrial perspective. Sensors. 2017;17(10). https://doi.org/10.3390/s17102284Cheremisenov GV. A gyrocompass based on a rotating laser gyroscope: experience in the development and experimental results. Gyroscopy and Navigation. 2018;9:29-34. https://doi.org/10.1134/S2075108718010054Черемисенов Г.В. Опыт разработки гирокомпаса на основе вращающегося лазерного гироскопа // Гироскопия и навигация. 2017. № 3 (98). С. 49-59. https://doi.org/10.17285/0869-7035.2017.25.3.049-059Bolotnov AS. Application of the laser gyroscope in free-form inertial systems. Politechnical Student Journal. 2019;10(39). https://doi.org/10.18698/2541-8009-2019-10-533Болотнов А.С. Применение лазерного гироскопа в бесплатформенных инерциальных системах // Политехнический молодежный журнал. 2019. Вып. 10 (39). https://doi.org/10.18698/2541-8009-2019-10-533Corke P. Navigation. Robotics and Control. Cham: Springer; 2022. p. 123-147. https://doi.org/10.1007/978-3-030-79179-7_5Logashina IV, Chumachenko EN, Bober SA, Aksenov SA. Thermal stress state of a laser-gyroscope housing for use in space. Russian Engineering Research. 2009;29: 751-755. https://doi.org/10.3103/S1068798X09080012Azarova VV, Golyaev YD, Savelyev II. Zeeman laser gyroscopes. Quantum Electronics. 2015;45(2):171-179.Азарова В.В., Голяев Ю.Д., Савельев И.И. Зеемановские лазерные гироскопы // Квантовая электроника. 2015. Т. 45. № 2. С. 171-179.Golyaev YD, Zapotylko NR, Nedzvetskaya AA, Sinelnikov AO, Tikhmenev NV. Laser gyros with increased time of continuous operation. Proceedings of the 18th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS 2011). St. Petersburg; 2011. p. 53.Golyaev YuD, Zapotylko NR, Nedzvetskaya AA, Sinelnikov AO. Thermally stable optical cavities for Zeeman laser gyroscopes. Optics and Spectroscopy. 2012;113(2): 227-229. https://doi.org/10.1134/S0030400X12070090Zubarev YA, Sinelnikov AO, Fetisova NE. A study of the temperature stability of the Zeeman laser gyro ring resonator. 2022 29th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). IEEE; 2022. p. 1-4. https://doi.org/10.23919/ICINS51784.2022.9815336Savvova OV, Bragina LL, Petrov DV, Topchii VL, Ryabinin SA. Technological aspects of the production of optically transparent glass ceramic materials based on lithium-silicate glasses. Glass and Ceramics. 2018;75:127-132. https://doi.org/10.1007/s10717-018-0041-6Kompan TA, Sharov AA. Monitoring of the uniformity of the thermal linear expansion coefficient of large-size optical components. Measurement Techniques. 2009;52:755. https://doi.org/10.1007/s11018-009-9345-9Filatov YD, Sidorko VI, Kovalev SV, Kovalev VA. Effect of the rheological properties of a dispersed system on the polishing indicators of optical glass and glass ceramics. Journal of Superhard Materials. 2021;43:65-73. https://doi.org/10.3103/S1063457621010032Wu F, Zhang M-H, Fu X, Guo X, Wang J-L, Wang J-X. Design of ac laser frequency stabilization system for space three-axis mechanical dithering laser gyro. Zhongguo Guanxing Jishu Xuebao. 2017;25(2):265-268.Cygan A, Lisak D, Masłowski P, Bielska K, Wójtewicz S, Domysławska J, Trawiński RS. Pound-Drever-Hall-locked, frequency-stabilized cavity ring-down spectrometer. The Review of Scientific Instruments. 2011;82(6):063107. https://doi.org/10.1063/1.3595680Sinelnikov AO, Medvedev AA, Golyaev YD, Grushin ME, Chekalov DI. Thermal zero drifts in magneto-optical Zeeman laser. Gyroscopy and Navigation. 2021; 129(4):308-313. https://doi.org/10.1134/S2075108721040076Синельников 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). C. 46-55. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0079Savelyev I, Sinelnikov A. The influence of the pumping current on the Zeeman laser rotation sensors output parameters. Proceedings of the 22nd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS 2015). St. Petersburg; 2015. p. 421-424.Zubarev YA, Sinelnikov AO, Katkov AA. Contribution of structural elements to the temperature drift of the Zeeman laser angular velocity sensors perimeter. Fizicheskoe Obrazovanie v Vuzah. 2021;27(24):55-58. (In Russ.) https://doi.org/10.54965/16093143_2021_27_S4_55Зубарев Я.А., Синельников А.О., Катков А.А. Вклад конструкционных элементов в температурный дрейф периметра зеемановского лазерного датчика угловой скорости // Физическое образование в вузах. 2021. Т. 27. № 24. С. 55-58. https://doi.org/10.54965/16093143_2021_27_S4_55Soloveva T, Sinelnikov A, Kuznetsov E, Golyaev Y, Kolbas Y. Computer simulation of processes in the resonator length control system of the Zeeman laser gyro. Proceedings of the International Conference on Optoelectronic Information and Computer Engineering (OICE 2022), China, 15 August 2022 (vol. 12308). https://doi.org/10.1117/12.2645990Khandelwal A, Syed A, Nayak J. Mathematical model of semiconductor fiber ring laser gyroscope. Journal of Optics. 2017;46:8-15. https://doi.org/10.1007/s12596-016-0368-8Weng 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/s20020377Liang H, Ren Q, Zhang D, Zhao X, Guo Y. The temperature compensation method for the laser gyro based on the relevance vector machine. In: Jia Y, Zhang W, Fu Y, Yu Z, Zheng S. (eds.) Proceedings of 2021 Chinese Intelligent Systems Conference. Singapore: Springer; 2022. p. 367-375. https://doi.org/10.1007/978-981-16-6328-4_39Li 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. In: Yan L, Duan H, Yu X. (eds.) Advances in Guidance, Navigation and Control. Singapore: Springer; 2022. p. 3309-3320.Semenov AS, Yakushev IA, Egorov AN. Modeling of technical systems in the MATLAB environment. Modern High-Tech Technologies. 2017;8:56-64. (In Russ.)Семенов А.С., Якушев И.А., Егоров А.Н. Математическое моделирование технических систем в среде MATLAB // Современные наукоемкие технологии. 2017. № 8. С. 56-64.