Fiberoptisk gyroskop funktionsprincip. Fiberoptiske gyroskoper

Foredrag 14.

1. Funktionsprincip for et lasergyroskop;

2. Fiberoptiske gyroskoper.

§5.14.1. Funktionsprincippet for et lasergyroskop.

Vi vil forklare driftsprincippet mere detaljeret ved at bruge eksemplet på det enkleste design af en laser TLS, hvis optiske kontur er trekantet. I fig. Figur 6 viser en COCG indeholdende et rør 1 med et aktivt stof, en gasarbejdsblanding, som exciteres fra en pumpegenerator 2 med en højfrekvent (frekvens på flere titus megahertz) eller jævnstrøm (spænding på tusinder af volt) , og en ringresonator selv, inklusive to uigennemsigtige spejle 3 og et gennemskinnelig spejl 4. Den aktive blanding genererer stimuleret emission i hulrummet på grund af overgangen af ​​neon (Ne) atomer fra høje (exciteret af pumpegeneratoren) til lave energiniveauer . Dette bliver muligt, hvis forstærkningen i det aktive medium overstiger tabskoefficienten, og bølgelængden af ​​kohærent stråling passer et helt antal gange rundt om resonatorens omkreds. De elektromagnetiske svingninger, der opstår i dette tilfælde (normalt med en bølgelængde ca. 0,63 μm) kommer ud fra enderne af røret 1 og forplanter sig i modsatte retninger til de uigennemsigtige spejle 3. De reflekterede stråler bringes ud af konturen ved hjælp af en gennemskinnelig spejl 4, og ved hjælp af et ekstra uigennemsigtigt spejl kombineres 5 retninger af deres udbredelse. Strålerne falder på fotokatoden af ​​fotomultiplikatoren 6, hvor de interfererer med hinanden og skaber interferenskanter.

Rotation af lasergyroskoplegemet med en vinkelhastighed , hvis vektor er vinkelret på konturplanet, fører til det faktum, at interferenskanterne begynder at bevæge sig i forhold til fotokatoden med kroppens rotationshastighed. Denne omstændighed skyldes det faktum, at der under rotation, på grund af fremkomsten af ​​en forskel i rejsetiderne for strålerne, der udbreder sig langs et optisk lukket kredsløb i modsatte retninger, også opstår en forskel i deres vandring, dvs. som forskellen i længderne af resonatorens omkreds, langs hvilken de udbreder sig. Når de genereres i en COCG, skal bølgelængderne passe ind i de nu forskellige omkredse det samme helt antal gange, derfor bliver disse længder, og derfor frekvenserne af elektromagnetiske oscillationer, hvis de er til stede, forskellige; der opstår en frekvensforskel (slagfrekvens), som fører til et skift i interferenskanterne. At bevæge sig et trin mellem interferenskanterne svarer til en ændring i fasen af ​​slagene pr. radian. Et elektrisk signal med en differensfrekvens vises ved udgangen af ​​fotomultiplikatoren 6. Efter forstærkning sendes dette signal til frekvensmåler 7 og optages af enhed 8.

En anden fysisk fortolkning af driftsprincippet for en laser TLS er mulig. I COCG, når vandrende bølger rettet i den modsatte retning overlejres, dannes stående bølger. Placeringen af ​​deres noder og antinoder i forhold til resonatoren er usikker og afhænger ikke af dens vinkelposition. Når resonatoren roterer i forhold til inertialrummet, forbliver stående bølger ubevægelige, hvilket følger af postulatet om lyshastighedens konstanthed og relativitetsprincippet. Forskydningen af ​​interferenskanter langs fotokatoden med frekvens kan fortolkes som resultatet af rotation af resonatoren i forhold til et stationært mønster af stående bølger.

Det analytiske forhold mellem den målte vinkelhastighed og forskellen i frekvenser af stråling, der udbreder sig modsat udbreder sig langs konturen for givne designparametre for enheden (strålingsfrekvens ved , konturperimeter og område begrænset af den) kan opnås fra en analyse af driftsprincippet for en idealiseret laser TLS med en cirkulær kontur. Da et helt antal bølgelængder skal passe langs længden af ​​resonatorperimeteren , derefter det samlede antal stående bølger dannet i kredsløbet,. En rotation af konturen med en vinkel på radianer svarer således til antallet af stående bølger. Så vil rotationen af ​​konturen med en elementær vinkel svare til antallet af stående bølger

Bemærk, at værdien

(5.10)

er i bund og grund frekvensen af ​​gentagelse af stående bølger i forhold til et eller andet fast punkt i en lukket sløjfe og er relateret til forskellen i frekvenser af modforplantende stråler ved relationen

Ved at bruge afhængigheder (5.10) og (5.11) og tage højde for, at for en cirkulær kontur opnår vi efter transformationer

Formel (5.12) gælder ikke kun for en cirkulær kontur, men også for en flad lukket kontur af enhver konfiguration.

Hvis vinkelhastighedsvektoren er rettet i en bestemt vinkel til vinkelret sænket ned på konturens plan, så antager formlen (5.12) formen

(5.13)

Følgelig er apparatets måleakse aksen vinkelret på konturens plan. Kombinationen af ​​tre flade lasere TLS i én blok med ortogonal orientering af måleakserne gør det muligt at opnå en tre-komponent vinkelhastighedsmåler. Det er tilrådeligt at bemærke, at LG også kan bruges i integrationstilstanden, dvs. i basisrotationsvinkelmålertilstand. Lad os omskrive formel (5.12) i formularen

,

hvor er beatfasen; - apparatets rotationsvinkel omkring måleaksen.

Det er indlysende

Således kan stigningen i rotationsvinklen bedømmes ud fra antallet af perioder (halvcyklusser) af slag (perioder med oscillation af et elektrisk signal med en forskelsfrekvens ).

Lasergyroskoper har en række væsentlige fordele i forhold til traditionelle. Dette er først og fremmest: fraværet af mekaniske roterende elementer, og derfor er de fri for fejl forårsaget af øjeblikke af friktionskræfter og ubalance; høj pålidelighed og evne til at fungere stabilt under betydelige overbelastningsforhold; relativt lavt strømforbrug (enheder af watt); deres næsten øjeblikkelige (brøkdele af et sekund) parathed til arbejde. En meget vigtig fordel ved LG er diskretiteten af ​​udgangssignalet for måleinformation, som tillader brugen af ​​dette signal uden yderligere konverteringer i en computer. Derudover kan LG'ere operere i et bredt dynamisk område, hvilket gør det muligt at bruge dem i strapdown navigationssystemer.

Sammen med fordelene ved LG er det nødvendigt at angive en række af deres ulemper og specifikke problemer, der skulle stødes på under udviklingen. Et af de sværeste problemer er forbundet med den såkaldte "capture"-effekt eller synkronisering af oscillationsfrekvenser, der udbreder sig i modsatte retninger i driftskredsløbet. "Optagelse" af frekvenser med en lille afstemning skyldes den gensidige spredning af hver bølge i retningen af ​​modbølgens udbredelse, når den reflekteres fra spejle og andre optiske elementer. Som et resultat af dette fænomen, ved lave målte rotationshastigheder, er frekvenserne for begge stråler de samme, og forskelsfrekvensen er nul, hvilket bestemmer tilstedeværelsen af ​​en følsomhedstærskel for enheden.

Et andet problem er baseret på ustabiliteten af ​​LG-skalafaktoren, hvis tilladte værdi er . Årsagen til skalafaktorens ustabilitet er en ændring i resonatorens omkreds, for eksempel på grund af temperatursvingninger, men denne ustabilitet genereres hovedsageligt af ustabiliteten af ​​brydningsindekset for det optiske medium. Det aktive medium reducerer frekvensafstemningen sammenlignet med, hvad der ville være i en "tom" resonator (frekvenstrækeffekt). Under hensyntagen til indflydelsen af ​​unormal spredning af det aktive medium viser det, at dets relative indflydelse er mest signifikant ved lave slagfrekvenser. Løsningen på disse problemer findes på forskellige måder. Så for eksempel opnås reduktion af "fangst"-zonen ved at minimere spredning på spejlene og dyb evakuering af stien, langs hvilken strålerne forplanter sig. Derudover falder "fangst"-zonen, når omkredsen, der er dækket af strålerne, øges, samt med et fald i bølgelængden af ​​den anvendte stråling. Indsnævring af "fange"-zonen ved at øge resonatorens omkreds er begrænset af designkravene til vægt og størrelsesegenskaber. Valget af driftsbølgelængde er begrænset til de værdier, hvor lasering er mulig.

Konstansen af ​​resonatorens optiske vej sikres ved brug af en monolitisk struktur lavet af materialer med en lav temperaturkoefficient for lineær udvidelse, såsom sital Og osv. Den grundlæggende løsning på "fangst"-problemet, som samtidig hjælper med at reducere påvirkningen af ​​frekvensslæb-effekten, er at flytte lasergeneratorens driftspunkt fra indfangningszonen, for eksempel ved at indføre yderligere rotation (ensartet hhv. reversibel) af resonatoren omkring måleaksen, eller andre metoder, hvor ikke-gensidigheden af ​​brydningsindekset realiseres for modsat rettede stråler (baseret på de magneto-optiske effekter af Faraday, Kerr, etc.).

Forøgelse af stabiliteten af ​​skalafaktoren opnås hovedsageligt ved at justere længden af ​​den optiske vej (hulrumsperimeter), sædvanligvis baseret på ekstreme kontrolskemaer på en sådan måde, at det sikres, at der opnås maksimal strålingseffekt.

Lasergyroskopet har som allerede nævnt et relativt bredt måleområde. Den teoretiske værdi af den øvre grænse for dette område bestemmes af båndbredden af ​​ringresonatoren, og den nedre grænse af ustabiliteten af ​​frekvensen af ​​de genererede svingninger. Forskydningen og driften af ​​nulsignalet skyldes forskellen i brydningsindekset for mediet for modudbredende stråler på grund af mediets bevægelse inde i resonatoren (Fresnel-Fizeau-effekten), bevægelsen af ​​atomer i det aktive medium (Langmuir effekt), Faraday-effekten osv. Derudover kan nulforskydningen være forårsaget af anisotropisk spredning, ikke-gensidige mætningseffekter i det aktive medium, spredning ved inhomogeniteter i resonatoren osv. Den tilfældige drift af LG er . I øjeblikket fortsætter arbejdet med at forbedre LG.

§5.14.2. Fiberoptiske gyroskoper

I 1975 begyndte forskningen i USA inden for fiberoptiske gyroskoper (FOG), som ifølge eksperter vil være 5-10 gange billigere og flere gange mindre i volumen og vægt end eksisterende mekaniske og lasergyroskoper af sammenlignelige nøjagtighed. Allerede i 1982, under laboratorieforhold, blev FOG-følsomheden over for vinkelhastighed, acceptabel for en række anvendelser, opnået - 0,1 - 1 grader/t.

Funktionsprincippet for et optisk gyroskop er baseret på "hvirvel"-effekten af ​​Sagnac, som han eksperimentelt demonstrerede i 1913. Essensen af ​​"hvirvel"-effekten er som følger: Hvis to lysstråler udbreder sig i modsatte retninger i et lukket optisk kredsløb , så når kredsløbet roterer omkring en akse vinkelret på konturplanet, fra en vinkel

hastighed, er faseforskellen mellem to modgående lysstråler, der har passeret hele kredsløbet, proportional med kredsløbets vinkelhastighed:

hvor er arealet af den lukkede sløjfe; - bølgelængde af lysstrålen; - lysets hastighed.

I FOG er et lukket kredsløb dannet af en multi-turn optisk fiberspole. Hvori

(5.15)

hvor er antallet af omgange; - område af kredsløbsdrejningen.

Skematisk diagram af FOG:

1 - laserdiode;

2 - stråledeler;

3 - fiberkredsløb;

4 - fotodetektor;

5 - elektronisk behandlingsanordning

Det skematiske diagram af FOG er vist i fig. 7. En laserdiode bruges som strålingskilde. Strålingen føres til en stråledeler og opdeles i to stråler. Disse stråler, der går uden om en lukket sløjfe af optisk fiber, kombineres ved en stråledeler og føres til en fotodetektor og derefter til en elektronisk behandlingsenhed, hvorfra et elektrisk signal proportionalt med vinkelhastigheden c kan opnås, og hvis dette signal er integreret, derefter et signal proportionalt med rotationsvinklen for den lukkede sløjfe. kontur,

Typiske eksperimentelle FOG-designs bruger en spole af optisk fiber med en radius på 10 cm og en fiberlængde på 500 m. Rotation af et sådant kredsløb med en hastighed på 1 grader/t fører til fremkomsten af ​​en faseforskel af størrelsesordenen rad .

For længst forbi er de dage, hvor skibskaptajner begiver sig ud på lange rejser kun bevæbnet med et kompas og et kort. I dag kan ikke et eneste skib eller fly tænkes uden et moderne navigationssystem, som gør det muligt til enhver tid at bestemme skibets nøjagtige position i rummet. Moderne navigationssystemer bruger en række forskellige sensorer til at bestemme positionen af ​​et objekt i bevægelse: satellitnavigation (GPS, GLONASS), gyroskoper, accelerometre, kilometertællere osv. Eksperter ved dog, at et uafhængigt navigationssystem kun kan skabes baseret på inertisensorer, såsom gyroskoper og accelerometre.

Aktiv udvikling og kontinuerlig forbedring af den elementære basis af fiber og integreret optik i de seneste årtier har ført til fremkomsten af ​​en ny type - fiberoptiske gyroskoper (FOG). De vigtigste forskelle og fordele ved FOG sammenlignet med mekaniske gyroskoper er: fraværet af bevægelige dele, modstand mod acceleration og vibrationer; kort opstartstid; høj følsomhed over et bredt område af rotationshastigheder; bred båndbredde; høj linearitet af overførselskarakteristikken; lavt strømforbrug; høj pålidelighed; lang levetid (tivis af år); små dimensioner og vægt. I øjeblikket bruges FOG'er som det vigtigste følsomme element i inerti-navigationssystemer, orienteringssystemer og stabilisering af objekters position i rummet.

Funktionsprincippet for FOG er baseret på Sagnac-effekten. Nedenstående figur viser et skematisk diagram af en sådan enhed. Optisk stråling fra kilden, der passerer gennem X-koblingen, når indgangen til det integrerede optiske kredsløb, er opdelt i to stråler, som udbreder sig langs det fiberoptiske kredsløb i modsatte retninger. Hvis kredsløbet er i hvile, er der ingen faseforskel mellem strålerne (Δφ s = 0). Når konturen roterer i forhold til inertiereferencesystemet, opstår der en faseforskel Δφ s, proportional med FOG'ens rotationshastighed. En ændring i faseforskellen fører til en ændring i strålingseffekten, der detekteres ved fotodetektoren.

Siden 2005 På Forskningscenter for Lyslederfotonik (SRC Lyslederfotonik) arbejdes der sammen med Centralforskningsinstituttet "Bekymring "Electropribor" med at skabe et fiberoptisk gyroskop af navigationsnøjagtighedsklasse. Som en del af dette arbejde arbejder medarbejderne og studerende fra afdelingen i 2007-2008 udviklede og prototyper af FOG blev implementeret, herunder et optisk kredsløb, et modulationssystem, elektronik og software. For at løse hvert af de anførte problemer blev der udført en enorm mængde forskningsarbejde, snesevis af artikler blev skrevet og flere patenter blev modtaget. Det er værd at bemærke, at flere er helliget spørgsmålet om at bygge FOG bøger og monografier.

I 2013-2016 med økonomisk støtte fra Ministeriet for Uddannelse og Videnskab i Den Russiske Føderation (projekt nr. 02.G25.31.0044) blev arbejdet udført med henblik på at forberede seriel produktion af FOG med en nøjagtighedsklasse på 0,01 og 0,001 o/h, hvor ITMO University, repræsenteret ved Research Center for Light Guide Photonics, blev valgt som den vigtigste co-executor videnskabelige værker.

De ekspanderende anvendelsesområder for FOG kræver konstant modernisering og forfining af enheden (reduktion af vægt- og størrelseskarakteristika, udvidelse af det dynamiske område, driftstemperaturer, tilladte maksimale stødbelastninger osv.), derfor er arbejdet med FOG-projektet konstant i gang.

Send dit gode arbejde i videnbasen er enkel. Brug formularen nedenfor

Studerende, kandidatstuderende, unge forskere, der bruger videnbasen i deres studier og arbejde, vil være dig meget taknemmelig.

Introduktion

1. Principper for fiberoptisk gyroskopi

1.1 Hovedkarakteristika for FOG

1.2 Princippet om gensidighed og faseregistrering i FOG

1.3 Model af støj og ustabiliteter i tåge

2. Indflydelse af FOG-elementer på systemets nøjagtighedskarakteristika

2.1 Karakteristika for strålekilder

2.2 Støjkarakteristika for det fiberoptiske kredsløb

2.3 Støjkarakteristika for fotodetektorer

2.4 Analyse af direkte dynamiske effekter (temperaturgradienter og mekaniske spændinger)

2.5 Indflydelse af eksternt magnetfelt på FOG's nøjagtighedskarakteristika

3. Fejlkompensationsmetoder

3.2 Kompensation for overskydende støj i et fiberoptisk gyroskop med en 3x3 kobling

3.3 Backscatter-kompensation

3.4 Kompensation for Kerr-effektens indflydelse på FOG's nøjagtighed

4. Beregning af omkostningsoverslag for forskningsarbejde

4.1 Forudsætninger

4.2 Fastsættelse af arbejdsintensitet og kalenderperioder for arbejdet

4.3 Udgiftsberegning efter omkostningsposter og udarbejdelse af omkostningsoverslag

4.4 Beregningskonklusioner

5. Livssikkerhed og arbejdsbeskyttelse

5.1 Organisering af arbejdspladser

5.2 Temperatur, luftfugtighed, tryk

5.3 Belysningskrav

5.4 Krav til støj- og vibrationsniveauer

5.5 Krav til beskyttelse mod statisk elektricitet og stråling

5.6 Krav til videoterminalenhed

5.7 Elektrisk sikkerhed

5.7 Brandsikkerhed

5.9 Påtænkte beskyttelsesmetoder

6. Økologi og miljøbeskyttelse

Specialet er helliget analysen af ​​fejlene i et fiberoptisk gyroskop og er et forsøg på konsekvent at overveje principperne for at konstruere en FOG baseret på at minimere elementernes indflydelse på dets nøjagtighedskarakteristika. Artiklen undersøger de grundlæggende principper for fiberoptisk gyroskopi, karakteriserer hovedelementerne i forskellige typer FOG og foreslår metoder til at kompensere for nogle fejl forårsaget af forskellige faktorer.

Muligheden for at skabe en rigtig meget følsom FOG dukkede kun op med den industrielle udvikling af en enkelt-mode dielektrisk lysleder med lav dæmpning. Designet af FOG på sådanne fibre bestemmer enhedens unikke egenskaber:

potentielt høj følsomhed (0,01 grader/sek eller mindre);

små dimensioner og vægt af strukturen, takket være muligheden for at skabe FOG på integrerede optiske kredsløb;

lave produktionsomkostninger og relativ enkel teknologi sammenlignet med roterende gyroskoper;

lavt energiforbrug;

stort dynamisk område af målte vinkelhastigheder;

fravær af roterende mekaniske elementer (rotorer) og lejer, hvilket øger pålideligheden;

næsten øjeblikkelig parathed til arbejde (der bliver ikke brugt tid på at dreje rotoren op);

lav følsomhed over for lineær acceleration;

høj støjimmunitet;

Funktionsprincippet for FOG er baseret på Sagnac-hvirveleffekten, opdaget i 1913. Hvis to lysstråler udbreder sig i modsatte retninger i et lukket optisk kredsløb, så vil faseforskydningerne af begge stråler, der har passeret gennem hele kredsløbet, være de samme med et stationært kredsløb. Når konturen roterer omkring en akse vinkelret på konturens plan, er strålernes faseforskydninger uens, og strålernes faseforskel er proportional med konturens vinkelhastighed. For at forklare Sagnac-hvirveleffekten er der udviklet tre teorier: kinematisk, Doppler og relativistisk. Specialet gennemgår de to første.

Inden for rammerne af kinematisk teori betragtes et fladt lukket optisk kredsløb af vilkårlig form, hvor to lysbølger udbreder sig i modsatte retninger. Konturens plan er vinkelret på rotationsaksen. Ved at tage en lysstråles baneafsnit til at være uendelig lille og udtrykke den lineære hastighed af et punkt gennem dets radiusvektor, får vi et udtryk for den tid, det tager to modsatte stråler at krydse en sektion af konturen.

Når konturen roterer med en bestemt vinkelhastighed, viser den tilsyneladende længde af sektionen for de to bølger sig at være forskellig. I betragtning af at lysets hastighed er en uforanderlig størrelse, forbinder vi forlængelse og afkortning af stier med forlængelse og afkortning af tidsintervaller og opnår et udtryk for den relative forsinkelse, som kan udtrykkes gennem faseforskellen af ​​modudbredende bølger. Summation over hele længden af ​​kredsløbet bestemmer den endelige faseforskel.

Overvejelse af et ideelt ringoptisk kredsløb med et system med to spejle gør det muligt at opnå det samme resultat for forskellen i udbredelsestiderne for modudbredte stråler.

Fænomenet med ændringer i frekvensen af ​​oscillationer udsendt af senderen og modtaget af modtageren, observeret med gensidig relativ bevægelse af senderen og modtageren, giver os mulighed for at overveje Sagnac-effekten inden for rammerne af Doppler-teorien.

Den relative faseforskydning i dette tilfælde bestemmes af forskellen i frekvenser af de bølger, der har gennemgået et Dopplerskift, og udtrykkes også gennem kredsløbets vinkelhastighed.

Baseret på den betragtede effekt er det muligt at konstruere et skematisk diagram af den enkleste tåge. Stråling fra kilden kommer ind i stråledeleren, hvor den er opdelt i to lige store dele, som efter at have passeret gennem et lukket kredsløb bestående af en multi-turn spole kommer fibrene ind i fotodetektoren. Den ekstraherede Sagnac-fase omdannes af bearbejdningsanordningen til vinkelhastighed og integreres om nødvendigt for at bestemme rotationsvinklen for systemet.

Strålingsintensiteten ved fotodetektoren er proportional med cosinus af faseforskellen af ​​modudbredte bølger, hvilket bestemmer enhedens lave følsomhed over for lave vinkelhastigheder.

For at maksimere følsomheden over for små ændringer i den informative parameter er det nødvendigt at placere en simpel fasemodulator i fiberkredsløbet, hvilket giver et ikke-gensidigt faseskift /2 mellem to modsat vandrende stråler. Så ændres intensiteten ved fotodetektoren ved lave vinkelhastigheder næsten lineært.

Da instrumentaflæsningerne er fuldstændigt bestemt af faseforskellen af ​​mod-udbredende bølger, er alle FOG-fejl forbundet med ikke-gensidigheden af ​​betingelserne for deres udbredelse.

De vigtigste faktorer, der påvirker betingelserne for udbredelse af mod-udbredende bølger, er:

udsving i intensiteten og frekvensen af ​​strålingskilden;

ændring af stråledelerens egenskaber;

tilbagespredning fra stråler, der bevæger sig i forskellige retninger;

elektro-optiske effekter i fiber;

magneto-optiske effekter i fiber;

termiske gradienter;

polarisationseffekter;

termisk støj fra belastningselementerne i udgangsvejen;

fotodetektor skudstøj.

Arbejdet vurderede grænsen for følsomhed (nøjagtighed) for FOG, bestemt af niveauet af fotonstøj og afhængigt af intensiteten af ​​optisk stråling, der falder ind på fotodetektoren. De opnåede teoretiske udtryk for fejlen forårsaget af skudstøj giver os mulighed for at konkludere, at det er nødvendigt at øge længden af ​​kredsløbet og reducere båndbredden af ​​lavpasfilteret på udgangstrinnet. (tidsplan)

Brugen af ​​meget kohærente laserkilder reducerer skudstøj, men den kohærente Rayleigh backscatter-komponent i fiberen introducerer en fejl i faseforskellen mellem de to stråler. Baseret på dette er det at foretrække at bruge en kilde med en kohærenslængde meget kortere end fiberkredsløbets længde. I dette tilfælde tilføjes støjen forbundet med reflektionen for enden af ​​fiberen usammenhængende til det ønskede signal.

Brugen af ​​yderligere signalmodulation gør det også muligt at "dekohere" backscatter-støjen.

Det andet kapitel diskuterer FOG-elementers indflydelse på systemets nøjagtighedskarakteristika.

Analyse af karakteristika for strålingskilder giver os mulighed for at konkludere, at det er at foretrække at bruge superluminescerende dioder, som er lavt kohærente og gør det muligt at kompensere for indflydelsen af ​​Kerr-effekten og tilbagespredning. De har også mindre temperaturafhængighed, er enklere i design og er meget pålidelige.

Der lægges stor vægt på fiberkredsløbets karakteristika, da det er kredsløbet, der er hovedkilden til fejl i FOG. Overvejelse af kvantitative værdier af tab i fiberen er utilstrækkelig til at analysere nøjagtigheden af ​​FOG. Af interesse er vurderingen af ​​de statistiske karakteristika af kredsløbsparametrene. Arbejdet undersøger dispersionsegenskaberne for fibre med forskellige brydningsindeksprofiler og giver en kvalitativ vurdering af profildispersionens afhængighed af korrelationsegenskaberne for forskellige typer af inhomogeniteter i fiberen. (grafer)

De resulterende relationer gør det muligt indirekte at bestemme både indføringstabene og arten af ​​ikke-gensidighed for forskellige sektioner af fiberen under anvendelse af de kendte parametre for inhomogeniteter.

Den største indflydelse på FOG's egenskaber kan være forårsaget af ændringer i kerneradius og tilfældige bøjninger af fiberen, hvilket fører til en stigning i profilspredning og pulsudvidelse.

En vigtig kilde til støj i FOG er også fotodetektoren. Baggrundsbelysning, mørk strømskudsstøj, intern fotoelektrisk kvantestøj, overskydende intern forstærkningsstøj, forstærkerens termiske støj og konvertermodulationsstøj har en direkte indflydelse på FOG'ens nøjagtighed.

En kvalitativ vurdering af fotodetektorens ækvivalente støjeffekt for forskellige værdier af systembåndbredden giver os mulighed for at konkludere, at det er nødvendigt at bruge lavinefotodioder, der har et minimumsstøjniveau og betydeligt kan øge signal-til-støj-forholdet ved lave signalniveauer.

Analyse af direkte dynamiske effekter gjorde det muligt kvalitativt at evaluere den termisk inducerede ikke-gensidighed af Sagnac-fasen for forskellige værdier af kredsløbslængden og konkludere, at høj termisk stabilisering af enheden er nødvendig.

Behovet for polarisationsstabilitet skyldes magnetfeltets indflydelse på faseforskellen af ​​svingninger. (tidsplan)

Brugen af ​​fiber med stabil polarisering vil reducere kravene til polariserende enheder og sikre høj nøjagtighed af enheden.

For at kompensere for fejl foreslås to kredsløbsmetoder, og muligheder for at bruge nogle FOG-elementer overvejes. En kvalitativ vurdering af gevinsten i apparatets følsomhed blev udført.

En måde at forbedre nøjagtigheden af ​​FOG'er kan være at bruge superfluorescerende strålingskilder i dem. Sådanne kilder minder i egenskaber om termiske, men er karakteriseret ved et højt niveau af overskydende støj. Balanceret detektion kan bruges til at undertrykke overskydende støj. Som referencesignal skal du bruge kildestrålingen, forsinket med den tid, lyset passerer gennem tågens optiske vej.

For at sikre sammenhængende interaktion mellem de informative signaler og referencesignaler kan en 3x3 retningskobler bruges som en kobling. Stråling fra kilden tilføres gennem en retningskobler til indgangene på det følsomme kredsløb og derefter til fotodetektorer, hvis udgange er forbundet med en differentialforstærker. Hver af modbølgerne er både informativ (signal) og samtidig en referencebølge for den anden bølge. Ved udgangen af ​​differentialforstærkeren kompenseres overskydende støj forårsaget af baggrundsbelysning.

Den vigtigste tabsmekanisme i fiber er Rayleigh backscattering. Hver primær bølge, der udbreder sig modsat i fiberkredsløbet, exciterer småskala inhomogeniteter i fiberen, som igen fungerer som inducerede dipolemittere. Lyslederen fanger en del af den spredte stråling og kanaliserer den i den modsatte retning. Bidragene fra hver elementær scatterer summeres vektorielt med den tilfældige fase og danner det totale spredte felt i hver retning. Ved udgangen af ​​kredsløbet vises en faseforskydningskomponent, der er forskellig fra Sagnac-fasen, hvilket fører til en fejl i hastighedsmålingen.

Metoder til at minimere FOG-fejlen forårsaget af invers Rayleigh-spredning kan være forbundet med et fald i den gensidige sammenhæng mellem de primære og sekundære (spredte) bølger. Frekvensmodulation af det primære signal, mens det reducerer kohærens, introducerer ikke yderligere ikke-gensidighed i kredsløbet. Ændringer i laserfrekvens kan også være en kilde til faserandomisering. Reduktion af kohærens kan også opnås ved hjælp af yderligere fasemodulation af den primære bølge.

Fejlen kan reduceres ved hjælp af gennemsnitsmetoden under den konstante integration af behandlingssystemet.

Den optiske ikke-lineære Kerr-effekt manifesterer sig i form af en forstyrrelse af mediets brydningsindeks, når intensiteten af ​​det elektriske felt, der virker på mediet, ændres. Hvis kræfterne af optiske stråler, der udbreder sig i modsatte retninger, ikke er de samme, og udbredelseskonstanterne derfor ikke er de samme, fører dette til fase ikke-gensidighed i kredsløbet og som et resultat til en fejl ved måling af vinkelhastigheden .

Kompensation for denne effekt kan opnås ved rektangulær modulering af strålingskilden eller ved at vælge en kilde med passende spektrale karakteristika.

Introduktion

Et fiberoptisk gyroskop (FOG) er en optisk-elektronisk enhed, hvis oprettelse kun blev mulig med udviklingen og forbedringen af ​​den elementære base af kvanteelektronik. Enheden måler vinkelhastigheden og rotationsvinklerne for den genstand, den er installeret på. Funktionsprincippet for FOG er baseret på vortex (rotations) Sagnac-effekten.

Udenlandske og indenlandske virksomheders interesse for det optiske gyroskop er baseret på dets potentielle anvendelse som et følsomt rotationselement i inerti-navigations-, kontrol- og stabiliseringssystemer. I nogle tilfælde kan denne enhed fuldstændig erstatte komplekse og dyre elektromekaniske (rotor) gyroskoper og tre-akse gyro-stabiliserede platforme. Ifølge udenlandsk pressedata forventes det i fremtiden i USA, at omkring 50 % af alle gyroskoper, der bruges i navigations-, kontrol- og stabiliseringssystemer til objekter til forskellige formål, vil blive erstattet med fiberoptiske gyroskoper.

Muligheden for at skabe en rigtig meget følsom FOG dukkede kun op med den industrielle udvikling af en enkelt-mode dielektrisk lysleder med lav dæmpning. Det er designet af FOG på sådanne fibre, der bestemmer enhedens unikke egenskaber. Disse egenskaber omfatter:

potentielt høj følsomhed (nøjagtighed) af enheden, som allerede er 0,1 grader/t eller mindre på eksperimentelle prototyper;

små dimensioner og vægt. Designs, takket være muligheden for at skabe FOG udelukkende på integrerede optiske kredsløb;

lave produktionsomkostninger og design til masseproduktion og relativ enkelhed af teknologi;

ubetydeligt energiforbrug, hvilket er af ikke ringe betydning ved brug af FOG om bord;

et stort dynamisk område af målte vinkelhastigheder (især kan f.eks. én enhed måle omdrejningshastigheden fra 1 grader/t til 300 grader/s);

fraværet af roterende mekaniske elementer (rotorer) og lejer, hvilket øger pålideligheden og reducerer omkostningerne ved deres produktion;

næsten øjeblikkelig parathed til arbejde, da der ikke bruges tid på at dreje rotoren op;

ufølsomhed over for store lineære accelerationer og derfor ydeevne under forhold med høje mekaniske overbelastninger;

høj støjimmunitet, lav følsomhed over for kraftige eksterne elektromagnetiske påvirkninger på grund af fiberens dielektriske natur;

lav modtagelighed for penetrerende gamma-neutronstråling, især i 1,3 mikron-området.

Et fiberoptisk gyroskop kan bruges som et rotationsfølsomt element (sensor) stift fastgjort til bærelegemet i inertikontrol- og stabiliseringssystemer. Mekaniske gyroskoper har såkaldte gyromekaniske fejl, som især er udtalte ved manøvrering af luftfartøjet (fly, raket, rumfartøj). Disse fejl er endnu mere signifikante, hvis inertikontrolsystemet er designet med sensorer stift fastgjort eller "hængt" direkte til bærerens krop. Udsigten til at bruge en billig optisk rotationssensor, der kan fungere uden gyromekaniske fejl i inertialstyringssystemet, er en anden grund til den særlige interesse for det optiske gyroskop.

Fremkomsten af ​​ideen og de første designs af et fiberoptisk gyroskop er tæt forbundet med udviklingen af ​​et ringlasergyroskop (RLG). I en CLG er det følsomme kredsløb en ring-selv-exciterende resonator med et aktivt gasformigt medium og reflekterende spejle, mens et passivt multi-turn dielektrisk lyslederkredsløb i en FOG exciteres af en "ekstern" kilde til lysstråling. Disse funktioner bestemmer mindst fem fordele ved FOG sammenlignet med CLG:

I FOG er der ingen synkronisering af modsat bevægende typer af svingninger nær nulværdien af ​​vinkelhastigheden for rotation, hvilket gør det muligt at måle meget lave vinkelhastigheder, uden at det er nødvendigt at konstruere komplekse;

2. Sagnac-effekten, som enhedens driftsprincip er baseret på, manifesterer sig flere størrelsesordener stærkere på grund af lave tab i den optiske fiber og den lange fiberlængde.

3. Designet af FOG er udelukkende lavet i form af et solidt legeme (i fremtiden helt på integrerede optiske kredsløb), hvilket letter driften og øger pålideligheden sammenlignet med KLG.

4. FOG måler rotationshastigheden, mens KLG registrerer hastighedstilvæksten.

5. FOG-konfigurationen giver dig mulighed for at "føle" vendingen af ​​rotationsretningen.

Disse egenskaber ved FOG, som gør det muligt at skabe simple højpræcisionsstrukturer udelukkende på billige solide integrerede optiske kredsløb i masseproduktion, tiltrækker sig stor opmærksomhed fra styresystemudviklere. Ifølge en række udenlandske virksomheder vil FOG'er blive intensivt udviklet takket være de unikke tekniske muligheder.

Udenlandske forfattere siger, at det ikke er en let opgave at udvikle et FOG-design og bringe det til produktionsprøver. Når de udvikler FOG, står forskere og ingeniører over for en række vanskeligheder. Den første er relateret til produktionsteknologien af ​​FOG-elementer. På nuværende tidspunkt er der stadig få gode single-mode fibre, der bevarer polarisationsretningen; Produktionen af ​​stråledelere, polarisatorer, fase- og frekvensmodulatorer, rumlige filtre og integrerede optiske kredsløb er på det indledende udviklingsstadium. Antallet af sendere og fotodetektorer designet specielt til FOG er begrænset.

FOG-virksomheder og udviklere løser begge disse problemer. Teknologien til at producere elementer i FOG bliver forbedret, den fysiske karakter af forstyrrelser og ustabiliteter studeres teoretisk og eksperimentelt, forskellige kredsløbsversioner af FOG med kompensation for disse forstyrrelser bliver skabt og testet, og grundlæggende problemer med at bruge integreret optik er ved at blive udviklet. udviklede sig. Nøjagtigheden af ​​FOG er allerede tæt på den, der kræves i inertikontrolsystemer.

Mange videnskabelige artikler er allerede blevet publiceret i den specialiserede videnskabelige og periodiske litteratur om problemet med FOG. Analyse af disse artikler indikerer behovet for yderligere undersøgelse af dette problem og udvikling af nye måder at forbedre kvalitetsegenskaberne for FOG.

Systematisering og generalisering af nøglespørgsmål i teori og praksis for at skabe FOG'er er også en vigtig fase.

Formålet med afhandlingen er at analysere driften af ​​FOG, en generaliseret model for støj og ustabilitet, og vurdere enhedens maksimale (potentielle) følsomhed. Baseret på gensidighedsegenskaben er det nødvendigt at overveje minimumskonfigurationen af ​​FOG. Evaluer derefter den aktuelle tilstand af elementbasen. Vær samtidig meget opmærksom på egenskaberne af optiske fibre og analyser mulige inhomogeniteter og tab for forskellige typer fibre. Overvej hovedelementerne i FOG: fiberkredsløb, emittere og fotodetektorer, og foreslå også måder at kompensere for støj og ustabilitet af FOG (såsom invers Rayleigh-spredning, optisk ikke-lineær effekt, temperaturgradienter, magnetfelt osv.).

Hovedformålet med afhandlingen er at overveje de vigtigste aspekter af FOG-teorien baseret på en analyse af fejlene i dens elementer og en kvalitativ vurdering af enhedens nøjagtighedskarakteristika under hensyntagen til brugen af ​​forskellige tilgange til at løse problemet at øge dens følsomhed.

Det er også nødvendigt at overveje forskellige kredsløbskonstruktionsmetoder til at reducere støjniveauet og ustabiliteten af ​​FOG'er.

Afspejle særskilt de tekniske og økonomiske aspekter af arbejdet, livssikkerhedsproblemer under forskning samt miljøsikkerhedsspørgsmål ved brug af enheden.

1. Principper for fiberoptisk gyroskopi

1.1 Hovedkarakteristika for FOG

Et optisk gyroskop tilhører en klasse af enheder, hvori mod-udbredende lysstråler forplanter sig i et lukket optisk kredsløb. Funktionsprincippet for et optisk gyroskop er baseret på "hvirveleffekten" af Sagnac, opdaget af denne videnskabsmand i 1913. Essensen af ​​hvirveleffekten er som følger. Hvis to lysstråler udbreder sig i modsatte retninger i et lukket optisk kredsløb, så vil faseforskydningerne af begge stråler, der har passeret gennem hele kredsløbet, være de samme med et stationært kredsløb. Når konturen roterer omkring en akse vinkelret på konturens plan, er strålernes faseforskydninger uens, og strålernes faseforskel er proportional med konturens vinkelhastighed. For at forklare Sagnac-hvirveleffekten er der udviklet tre teorier: kinematisk, Doppler og relativistisk. Den enkleste af dem er kinematisk, den mest stringente er relativistisk, baseret på den generelle relativitetsteori. Lad os overveje Sagnac-hvirveleffekten inden for rammerne af kinematisk teori.

Figur 1.1. Kinematisk diagram af Sagnac-hvirveleffekten.

I fig. Figur 1.1 viser et fladt lukket optisk kredsløb af vilkårlig form, hvor to lysbølger 1 og 2 udbreder sig i modsatte retninger (Fig. 1.1). Konturens plan er vinkelret på den rotationsakse, der går gennem et vilkårligt punkt O. Vi betegner konturens vinkelhastighed. Lad os tage baneafsnittet af lysstrålen AB til at være uendeligt lille, og lad dens længde betegnes med l. Lad os betegne radiusvektoren for et vilkårligt punkt på konturen A som r. Vi betegner segmentet af buen AB ". Når konturen roterer omkring punkt O med vinkelhastighed, er den lineære hastighed af punkt A lig. I betragtning af at trekanten AB" B er lille:

hvor er vinklen mellem den lineære hastighedsvektor for punkt A og tangenten AM til konturen i punkt A.

Projektionen af ​​den lineære hastighed af konturen peger på retningen af ​​lyshastighedsvektoren i disse punkter

Hvis kredsløbet er stationært, så er den tid, det tager at krydse kredsløbssektionen AB=l med to modsatte stråler, den samme; lad os betegne det dt.

dt = l / c =. (1.3)

Når konturen roterer med vinkelhastighed, ændres den tilsyneladende afstand mellem punkt A og B for modgående stråler. For en bølge, der rejser fra punkt A til punkt B, dvs. i retningen, der falder sammen med konturens rotationsretning, forlænges afstanden, da dt punkt B i løbet af tiden vil bevæge sig med en vinkel og bevæge sig til punkt C.

Denne forlængelse af banen for lysstrålen vil være lig med dt, da strålen i hvert øjeblik er rettet langs en tangent til konturen, og projektionen af ​​lineær hastighed er rettet langs den samme tangent. Således er banesegmentet, som gennemløbes af strålen, lig med l + dt. På samme måde vil der for en modgående lysstråle være en tilsyneladende afkortning af vejsegmentet l - dt

I betragtning af at lysets hastighed er en uforanderlig størrelse, kan den tilsyneladende forlængelse og afkortning af veje for modgående stråler på samme måde betragtes som en forlængelse og forkortelse af tidsintervaller, dvs.

Ved at erstatte udtryk (1.2)-(1.3) for og dt får vi

Fra Fig. 1.1. bør

hvor s er sektorens areal.

Op til andenordens infinitesimals kan arealet af AOB erstattes af s. Derefter

Samlet udbredelsestid af modforplantende stråler langs hele konturen

hvor summeringen udføres over antallet af elementære sektorer, som hele kredsløbet er opdelt i.

Således er den samlede tid brugt af en stråle, der løber med uret, mens den krydser hele det roterende kredsløb, større end den samlede tid brugt af en stråle, der løber mod uret.

Tidsforskel og/eller relativ forsinkelse af modforplantende bølger

hvor S er arealet af hele konturen.

Hvis den relative forsinkelse af mod-udbredende bølger (1.8), der opstår under rotation, udtrykkes gennem faseforskellen af ​​mod-udbredende bølger, så vil den være

Faseforskellen er Sagnac-fasen. Som det kan ses, er Sagnac-fasen proportional med kredsløbets vinkelhastighed.

Den kinematiske teori om Sagnac-hvirveleffekten er endnu lettere at forklare ved at overveje en ideel ringformet optisk radiuskontur (fig. 1.2.).

Figur 1.2. Sagnac-effekt i et optisk ringkredsløb.

En lysstråle ankommer til punkt A og bliver ved hjælp af spejle opdelt i to stråler, hvoraf den ene forplanter sig med uret i kredsløbet, og den anden mod uret. Ved hjælp af de samme spejle, efter udbredelse i kredsløbet, kombineres strålerne og ledes langs en vej. Med en stationær kontur er strålernes veje identiske og ens

hvor c er lysets hastighed, er den tid, det tager strålen at bevæge sig langs konturens omkreds.

Begge stråler ankommer til punkt A ude af fase. Hvis kredsløbet roterer med en konstant vinkelhastighed, vil strålen, der udbreder sig med uret, rejse afstanden

Dette skyldes det faktum, at under bjælkens passage langs en lukket kontur, vil splitteren, som tidligere var ved punkt A, gå til punkt B. For en stråle, der forplanter sig mod uret, vil stien

Som vi kan se, er udbredelsesvejene for modsat rejsende stråler forskellige. Da lysets hastighed c er en konstant værdi, svarer dette til forskellige tidspunkter for passage af stråler, der udbreder sig i modsatte retninger af et lukket roterende kredsløb, og.

Formeringstidsforskel

I første ordens tilnærmelse kan vi skrive

Hvilket falder sammen med udtryk (1.8) opnået ovenfor, hvis vi betragter - konturens område.

Sagnac-effekten kan forklares ud fra konceptet Doppler-frekvensskift. Doppler-effekten er fænomenet med ændringer i frekvensen af ​​oscillationer, der udsendes af senderen og modtages af modtageren, observeret under den indbyrdes relative bevægelse af senderen og modtageren. I dette tilfælde frekvensen af ​​den modtagne oscillation

hvor f er frekvensen af ​​den udsendte vibration, V er senderens bevægelseshastighed, og tegnene "+" eller "-" svarer til senderens nærhed eller afstand i forhold til observatøren.

Doppler frekvensskift

proportional med emitterens bevægelseshastighed.

Lad os betragte et optisk ringkredsløb med radius, der roterer med vinkelhastighed (fig. 1.3.). En analog af en bevægelig emitter i et kredsløb er et reflekterende spejl, der bevæger sig med lineær hastighed. Når kredsløbet roterer, har mod-udbredende stråler forskellige bølgelængder på grund af Doppler-forskydningen akkumuleret, når bølgen reflekteres fra et spejl, der bevæger sig med hastighed.

Ved beregning af den fase, der er akkumuleret i begge arme af det optiske kredsløb, er det nødvendigt at overveje det roterende system som en helhed. Begge optiske veje er så ens, men bølgelængderne adskiller sig med Doppler-forskydningen. Derefter det relative faseskift

Lad os bestemme værdien. Bølgelængde af stråling, der har gennemgået et Doppler-skift:

Ved at erstatte det resulterende udtryk i formlen for det relative faseskift får vi

Sagnac fase

som helt falder sammen med udtryk (1.9), opnået ved at beregne forskellen i den tid, strålen gennemløber en roterende kontur.

Vi har således overvejet to ækvivalente tilgange til at forklare Sagnac-effekten. I den første fortolkning viser virkningen sig som en forskel i udbredelsestiderne for mod-udbredende stråler i et roterende kredsløb; i den anden - som forskellen i bølgelængder af stråler i to arme af et kredsløb af samme optiske længde.

Ved at måle faseforskellen med en elektronisk enhed kan du få information fra rotationsvinkelhastigheden for basen (objektet), hvorpå kredsløbet er fastgjort. Ved at integrere det målte signal opnås rotationsvinklen for basen (objektet). Disse oplysninger bruges derefter til at kontrollere og stabilisere objekter.

Afhængigt af designet af det lukkede optiske kredsløb skelnes der mellem to typer optiske gyroskoper. Den første type er det såkaldte ringlasergyroskop (RLG), hvor kredsløbet er dannet af et aktivt medium (en blanding af helium og neongasser) og tilsvarende spejle, der danner en lukket bane (ringlaser). Den anden type er et fiberoptisk gyroskop (FOG), hvor et lukket kredsløb er dannet af en multi-turn optisk fiberspole. Det skematiske diagram af FOG er vist i fig. 1.3.

Figur 1.3. Skematisk diagram af et fiberoptisk gyroskop.

Hvis FOG-konturen er dannet af en tråd af optisk fiber af længden L viklet på en cylinder med radius R, så er Sagnac-fasen

hvor R er radius af konturdrejningen; N - antal drejninger; S er arealet af kredsløbsdrejningen.

Ifølge fig. 1.3., føres kildestrålingen til en stråledeler og opdeles i to stråler. To stråler, der går rundt i kredsløbet i modsatte retninger, rekombinerer ved stråledeleren og blander sig i fotodetektoren. Den resulterende oscillation kan skrives i formen

hvor er vibrationsamplituderne; - strålingsfrekvens; ; ; - indledende fase af oscillation; - Sagnac fase.

Strålingsintensitet ved fotodetektoren

Ved at angive strålingsintensiteten ved udgangen af ​​laserdioden, forudsat at der ikke er tab i fiberkredsløbet, og antaget at stråledeleren deler energien nøjagtigt ligeligt, har vi:

Så har udtryk (1.21) formen:

Analyse af udtrykket giver os mulighed for at drage en konklusion om enhedens lave følsomhed i denne konfiguration over for lave vinkelhastigheder:

For at maksimere følsomheden over for små ændringer i den informative parameter (Sagnac-fasen) er det nødvendigt at placere en simpel fasemodulator i fiberkredsløbet, hvilket giver et "ikke-reciprok" faseskift /2 mellem to modsat vandrende stråler. Så ændres intensiteten ved fotodetektoren ved lave vinkelhastigheder næsten lineært:

og FOG-følsomheden vil være på en maksimal værdi på 0,5.

Forskellige måder at indføre et "ikke-gensidigt" faseskift på vil blive diskuteret nedenfor.

I konfigurationen vist i fig. 1.3 gentager fotodetektorens udgangsstrøm ændringerne i intensiteten (effekten) af inputstrålingen, dvs.:

hvor er fotodetektorens kvanteeffektivitet; q - elektronladning; h - Plancks konstant; f er frekvensen af ​​optisk stråling.

Hvis vi forsømmer den konstante komponent af udgangsstrømmen, får vi signalet ved udgangen af ​​fotodetektoren

Når der indføres et ikke-reciprokke faseskift /2 og for små værdier, er udgangsstrømmen:

Udgangsstrømværdierne er således proportionale med Sagnac-fasen, som igen er proportional med kredsløbets vinkelhastighed.

1.2 Princippet om gensidighed og faseregistrering i FOG

Typiske eksperimentelle gyroskopdesigns bruger en spole med R = 100 mm med en fiberlængde L = 500 m. Detektering af en rotationshastighed på 1 grader/t kræver fasedetektion med en opløsning i størrelsesordenen 10-5 rad. Dette er vist i fig. 1.4., som viser værdierne af faseforskydningen som funktion af kredsløbets rotationsvinkelhastighed og værdien af ​​LR ved = 0,63 μm.

Optiske imed denne følsomhed er velkendte, men der er nogle særlige problemer med fasedetektion i gyroskoper. Den første skyldes det faktum, at gyroskopet ofte arbejder med en nominel slagforskel næsten nul, og for små ændringer i den relative faseværdi er der en ubetydelig ændring i udgangsintensitet.

Figur 1.4. Sagnac-fase i rotationsvinkelhastigheden for forskellige værdier af LR-parameteren.

At arbejde med en faseforskydning på 90° maksimerer følsomheden, men dette introducerer en vis ikke-gensidighed mellem de to stråleretninger i gyroskopet, fordi fasen af ​​en stråle med uret er forskellig fra den for en stråle mod uret i fravær af rotation.

Egenskaben ved gensidighed er det andet vigtige punkt i FOG. Fase ikke-gensidighed i FOG bestemmes af den differentielle faseforskel af mod-udbredende stråler. Enhver faseudensidighed (faseforskel) for to retninger giver ændringer i gyroskopaflæsningerne. Hvis ikke-gensidighed er en funktion af tid, er der en vis tidsdrift i gyroskopaflæsningerne. En 500 m lang fiber giver en faseforsinkelse i størrelsesordenen 1010 rad. For at registrere en rotationshastighed på 0,05 grader/t er det således nødvendigt, at udbredelsesvejene for modsat gående stråler er konsistente med en relativ nøjagtighed på op til 10-17 rad.

Det skal desuden bemærkes, at selve princippet om drift af et fiberoptisk gyroskop er baseret på den ikke-gensidige egenskab ved udbredelse af modudbredende bølger i en roterende referenceramme (fremkomsten af ​​en forskel i faseforskydninger af to stråler under rotation). Derfor er vigtigheden af ​​at analysere ikke-gensidige effekter og enheder i FOG utvivlsom (i det mindste for at bestemme enhedens nøjagtighed).

Princippet om gensidighed er godt illustreret af den berømte Lorentz-sætning for gensidige systemer. Hvis vi karakteriserer magnetiske to elektrodebølger ved hjælp af vektorer, og hvor er vektoren for den elektriske feltstyrke, og er vektoren for den magnetiske feltstyrke, så er gensidighedsprincippet opfyldt for systemer, hvor

hvor er de antisymmetriske magnetiske og dielektriske tensorer

hhv. permeabiliteten af ​​det materielle miljø.

Betingelsen for ikke-gensidighed er, at ovenstående relation ikke er lig med nul. Medier, der udviser ikke-gensidighed, omfatter magnetisk-gyrotrope materialer (ferromagneter): elektrisk gyrotrope medier (diamagneter) under påvirkning af et magnetisk felt; gennemsigtige dielektrika; medier, der udfører translationel bevægelse i forhold til ethvert koordinatsystem, hvori det elektromagnetiske felt er specificeret; roterende medier; kanalsystemer såsom bølgeledere og optiske fibre. Sidstnævnte tilfælde er af særlig interesse, da når FOG'en roterer, opstår der fasenon-gensidighed, hvilket giver Sagnac-faseforskellen.

Når mediet roterer, har ikke-gensidighedsbetingelsen formen

Eliminering af tilfældige fluktuationer kan kræve langsigtet akkumulering (integration) af FOG-udgangssignalet for at isolere den nyttige komponent (som vist i nogle eksperimentelle installationer af meget følsomme FOG'er, når integrationstiden minutter og endda titusinder af minutter).

I forhold til FOG er det praktisk at analysere princippet om reciprocitet for et kredsløb med fire ind- og udgange. For en optisk bølgeleder svarer de fire input til strålingsinputs langs to indbyrdes vinkelrette polarisationsretninger i hver ende af fiberen. De tilsvarende ind- og udgange er defineret langs identiske polarisationsakser.

Det følger heraf, at i tilfælde af input af stråling med den initiale polarisationsretning X, vil lys, der forlader med den ortogonale polarisationsretning Y, have forskellige faseindtrængninger i hver udbredelsesretning, og lys, der forlader med den initiale polarisationsretning X vil have den samme fase indfald for hver retningsfordeling.

Dette er en del af det krav, der stilles af fortolkningen af ​​Lorentz' reciprocitetssætning, som postulerer, at i tilfælde af et lineært system er de optiske veje nøjagtigt gensidige, hvis en given rumlig inputtilstand er den samme ved udgangen.

En af parametrene for den rumlige tilstand er polarisering; en anden parameter skal også defineres, for eksempel den rumlige fordeling (placering) af tilstanden. Som følge heraf skal der for enden af ​​FOG-sløjfen være både et polarisationsfilter (valg af den indledende polarisation) og et rumligt filter, som vil opfylde Lorentz reciprocitetsprincippet.

Disse ret simple enheder i FOG-designet (forudsat at de kan implementeres med tilstrækkelig nøjagtighed) vil garantere gensidighedsbetingelser i systemet, men kun hvis linearitetsbetingelserne er opfyldt. Hvis ikke-lineariteterne er signifikante, vil FOG have reciprocitet, hvis der er nøjagtig symmetri med hensyn til midtpunktet af fiberkredsløbet. Denne betingelse indebærer, at den energi, der indføres i hver ende af sløjfen, er den samme, og at fiberens egenskaber er jævnt fordelt (eller i det mindste symmetriske).

Effekten af ​​optisk stråling, der indføres i fiberen, er så lav (altid mindre end 1,2 mW), at det ser ud til, at ulineariteter kan negligeres. Følsomheden af ​​FOG over for ikke-gensidighed er imidlertid ekstrem høj, og ikke-lineære effekter (især Kerr-effekten) fører til mærkbar ikke-gensidighed svarende til rotationshastigheder over 1 grader/t. I en optisk fiber roterer polariseringsplanet for lineært polariseret lys under påvirkning af et eksternt magnetfelt (Faraday-effekt).

Faraday-rotation er en anden ikke-gensidig effekt. I tilfælde af lineært polariseret lys afhænger den samlede rotation af linjeintegralet af strømmen taget langs den optiske vej. I tilfældet med FOG er dette integral lig med nul i Jordens magnetfelt. Et nærmere kig på lysets vekselvirkning i en fiber og det magnetiske felt langs fiberen indikerer imidlertid, at den sande kilde til rotation er induceret cirkulær dobbeltbrydning, og at den simple tilgang nævnt ovenfor kun er nyttig, hvis begge cirkulære polarisationskomponenter (højrehåndet) og venstrehåndede) har samme amplituder. Dette gælder kun for lineært polariseret lys.

Når lys forplanter sig gennem fiberen, forekommer alle mulige polarisationstilstande, og procentdelen af ​​lys, der er tilbage i hver iboende cirkulær polarisationstilstand i Faraday-rotatoren, varierer tilfældigt langs den optiske vej. Dette resulterer i en vis faseforskel for de to udbredelsesretninger af den lineært polariserede tilstand ved udgangen.

FOG er således meget følsom over for Jordens magnetfelt, og når man designer FOG til at måle omdrejningshastigheden, kræves magnetisk afskærmning (eller sikring af lineær polarisering af lys langs hele banen i fiberen). Forudsat at Jordens magnetfelt er 27 og forudsat at der ikke er feltkompensation for 5 % af fiberlængden, kan man opnå en faseafvigelsesværdi, der svarer til Jordens rotationshastighed.

Ovenstående punkter inkluderede ikke-gensidige virkninger induceret i fiberen; dog bør selv de første faser i design af FOG ud fra et synspunkt om at opretholde gensidighed i registreringssystemet være at sikre samme længde af optiske veje i FOG.

I fig. 1.3. Det kan ses, at denne konfiguration ikke har egenskaben gensidighed, eftersom en lysstråle, der udbreder sig med uret, passerer gennem lysdeleren to gange, og en lysstråle, der udbreder sig mod uret, reflekteres fra stråledeleren to gange. Men samtidig går den gensidige optiske udgangsvej fra detektionskredsløbet i retningen tilbage til kilden (fra stråledeleren til dioden), dvs. langs den optiske inputvej.

Som følge heraf kan reciprocitet opnås i registreringssystemet ved at placere en anden stråledeler langs den optiske inputvej (fig. 1.5.).

Området af rotationshastigheder, som måles af et meget følsomt gyroskop af inertikontrolsystemer, strækker sig fra 0,1 grader/t til 400 grader/t. Ved LR = 100 m svarer disse hastighedsværdier til et område af faseændringer fra 10 til 10 rad (fig. 1.4.).

Figur 1.5. TÅG-kredsløb med konstant faseforskydning.

Hidtil er der brugt en betydelig indsats på at øge apparatets følsomhed over for lave hastigheder, og samtidig er der meget lidt opmærksomhed på de problemer, der er forbundet med at øge det nødvendige dynamikområde.

Som allerede bemærket, hvis det er nødvendigt at måle store ændringer i intensitet for en given faseændring, er det nødvendigt at indføre et faseskift /2, dvs. interferometeret skal fungere i kvadraturtilstand. I denne tilstand er forholdet mellem intensitetsændringer og faseændringer lineært (op til 1%) kun op til maksimale faseafvigelser på 0,1 rad. Kompensation for ikke-linearitet kan udføres i selve registreringssystemet, men kun op til en maksimal faseafvigelse i størrelsesordenen 1 rad.

Der er en række fasedetekteringsmetoder, der kan bruges i design af FOG.

De mest almindelige skemaer bruger en statisk faseforskel på 90° mellem de to stråler og skemaer med en variabel faseforskel på 90°.

En statisk ikke-reciprok faseforskel mellem stråler, der udbreder sig med uret og mod uret, kan for eksempel skabes ved at bruge et Faraday-element placeret i den ene ende af fiberkredsløbet (fig. 1.5.). Ændringer i den registrerede intensitet ved den gensidige udgang svarer til ændringer i værdien af ​​den relative fase for de to stråler, der løber rundt om konturen.

Med udgangspunkt i principperne for faseskift kan der foreslås et andet registreringsprincip med højere følsomhed.

Den relative fase for stråler, der udbreder sig i to retninger, er fasemoduleret (- /2, /2) med en frekvens på 1/2T (T er ​​den tid, det tager for strålen at passere gennem kredsløbet). Således oplever lys, der indsprøjtes ad gangen i urets retning, en forsinkelse på 90°, lys, der forplanter sig i en retning mod uret, oplever ingen forsinkelse (dette bestemmes af positionen af ​​fasemodulatoren, som vist i fig. 1.4.).

Men når den mod uret bevægede stråle når fasemodulatorens position, vil der ikke være nogen faseforskydning. Lys, der indsprøjtes med uret på et tidspunkt i tiden, forstyrrer en bølge, der forplanter sig mod uret med en faseforskydning på 90° osv.

Følgelig moduleres den resulterende udgangsbølge, som inkluderer både effekten af ​​periodisk faseforskydning (som i princippet giver et konstant niveau af outputintensitet) og faseforskydningen på grund af Sagnac-effekten, som vist i fig. 1.5. Således udgangssignalet fra fotodetektoren

Ved modulering:

Modulationsdybden afhænger af den rotationsinducerede fase.

Når man laver FOG til modulering, bruges der normalt en cylindrisk piezoelektrisk sensor, omkring hvilken en fiber er viklet. Det er mere bekvemt at bruge sinusformet modulering af den relative fase af to modsat gående stråler. Hvis faseforskellen induceret af rotation er ens, så er det let at vise, at den variable komponent af intensiteten af ​​den totale bølge ved udgangen af ​​interferometeret, under hensyntagen til periodisk fasemodulation ved frekvens og med afvigelse, vil være lig med

Ved at bruge standardudvidelsen i Bessel-funktioner opnår vi:

Optagelse ved modulationsfrekvensen frembringer således et signal, hvis amplitude er proportional; denne værdi kan gøres maksimal ved at vælge en værdi, der maksimerer (dvs. 1,8 rad).

Mængden af ​​afvigelse er den maksimale inducerede effektive faseforskel mellem stråler, der bevæger sig med uret og mod uret under modulationscyklussen. Når man estimerer denne værdi, er det nødvendigt at kende ikke kun modulationsdybden af ​​selve sensoren, det er også nødvendigt at tage højde for flyvetiden for den optiske vej i fiberen.

1.3 Modelb støj og ustabilitet i tåge

Et fiberoptisk gyroskop er et ret komplekst optisk-elektronisk system. Ved design af en rigtig enhed skal optiske elementer og elektroniske enheder vælges og arrangeres på en sådan måde, at påvirkningen af ​​eksterne forstyrrelser (temperaturgradienter, mekaniske og akustiske vibrationer, magnetfelter osv.) minimeres. Derudover indeholder selve enheden en række interne kilder til støj og ustabilitet. Konventionelt kan disse lyde og ustabiliteter opdeles i hurtige og langsomme forstyrrelser. Hurtige forstyrrelser har en tilfældig kortsigtet gennemsnitlig effekt (sekunder) på FOG'ens følsomhed; de er tydeligt synlige ved nul omdrejningshastighed (kortvarig støj). Langsomme forstyrrelser forårsager en langsom drift af signalet, hvilket fører til langsigtede afvigelser i FOG-aflæsningen (langtidsdrift).

En generaliseret model af kilder til støj og ustabilitet i FOG er vist i fig. 1.6.

Figur 1.6. Generaliseret model af støj og ustabiliteter i FOG.

Hvis vi udelukker indflydelsen fra alle kilder til støj og ustabilitet i FOG, hvilket selvfølgelig kun er muligt i princippet, så forbliver der altid fundamentalt uafløselig støj - den såkaldte kvante- eller fotonstøj; De kaldes også skudstøj. Disse støj optræder kun i nærvær af et nyttigt optisk signal ved fotodetektorens indgang og er forårsaget af en tilfældig fordeling af fotonernes ankomsthastighed til fotodetektoren, hvilket fører til tilfældige fluktuationer af fotodetektorstrømmen. I dette tilfælde er følsomheden (nøjagtigheden) af FOG kun begrænset af skudstøj (foton). Følsomheden (nøjagtigheden) af FOG, bestemt af skudstøj (foton) er ligesom alle andre optiske informationsmålesystemer den grundlæggende grænse for enhedens følsomhed (nøjagtighed). Fotonstøj er en konsekvens af lysstrålingens kvantenatur. Som anvendt på optiske iblev den maksimale støjimmunitet for disse systemer på grund af fotonstøj beregnet i .

Efter arbejdet vil vi evaluere den grundlæggende grænse for følsomhed (nøjagtighed) af FOG.

Niveauet af fotonstøj afhænger af intensiteten af ​​optisk stråling, der falder ind på fotodetektoren og bestemmes af fluktuationer i intensiteten af ​​optisk stråling.

Formlen opnået ovenfor for intensiteten af ​​stråling på fotodetektoren giver os mulighed for at skrive udtrykket for styrken af ​​stråling, der falder ind på fotodetektoren i formen:

hvor P er effekten af ​​stråling, der tilføres tågen.

Af dette udtryk følger det, at skudt (foton) støj forårsaget af processen med at detektere strålingseffekt er forbundet med forekomsten af ​​"fase" støj og følgelig fører til en fejl ved måling af vinkelhastigheden af ​​rotation. Hvis fotodetektoren modtager en strøm af fotoner, så er antallet af detekterede fotoner per tidsenhed en tilfældig variabel fordelt i henhold til Poissons lov (i tilfælde af brug af en laseremitter) Den matematiske forventning til antallet af fotoner, der falder ind på fotodetektoren under integrationstiden er T lig med den gennemsnitlige energi divideret med energien af ​​en foton:

hvor h er Plancks konstant; f er strålingsfrekvensen.

Den gennemsnitlige kvadratiske værdi af antallet af fotoner i Poisson-fordelingen er lig kvadratroden af ​​gennemsnitsværdien, dvs.

Lad os finde den gennemsnitlige kvadratiske værdi af "fase"-støjen:

Derefter, under hensyntagen til udtryk (1.35), får vi:

hvor er båndbredden af ​​signaldetektions- og signalbehandlingssystemet.

Til typiske µW- og Hz-værdier

Det følger heraf, at med en båndbredde på 1 Hz er følsomhedsgrænsen for den målte fase rad.

For at bestemme rod-middel-kvadrat-fejlen ved måling af rotationsvinkelhastigheden på grund af fotonstøj, bruger vi udtrykket for Sagnac-fasen:

Hvis vi antager, at en typisk tåge har L = 1 km, D = 10 cm, (1/2)P0 = 100 μW, f = Hz, har vi:

Det følger heraf, at for en båndbredde på 1 Hz og for et kredsløb med LR = 50 er tærsklen for registrering af rotationshastigheden 0,01 grader/t. Ved at udtrykke båndbredden i enheder, der er reciprokke i forhold til uret, får vi et udtryk for den minimale tilfældige drift af FOG

Et estimat af den maksimale følsomhed af FOG kan findes ud fra signal-til-støj-forholdet ved udgangen af ​​behandlingsenheden. FOG-udgangssignalbehandlingsenheden består af en fotodetektor med kvanteeffektivitet, en forstærker med en forstærknings- (multiplikations-) faktor G, en belastningsmodstand Rн og et lavfrekvent filter med et pasbånd f.

Fotodetektor udgangsstrøm:

hvor q er ladningen af ​​elektronen.

Under hensyntagen til forstærkningen G skriver vi signalkomponenten af ​​strømmen i formen

Effekten af ​​signalkomponenten er lig med

Effekten af ​​skudstøj i henhold til standardmetoden til beregning af signal-til-støj-forholdet beregnes ved hjælp af Schottky-formlen og er lig med:

Ved beregning af støjeffekten tages der kun hensyn til fundamentalt uafvendelig skudstøj fra det nyttige signal.

Signal-til-støj-forholdet tager formen

Hvis vi antager (s/w) = 1, erstatter sinusfunktionen med dens argument, og erstatter i stedet for dens værdi gennem rotationsvinkelhastigheden, opnår vi den mindste detekterbare rotationsvinkelhastighed:

Lignende dokumenter

Optiske kabler og stik, deres design og parametre. Hovedtyper af fiberoptiske kabler. Klassificering af optiske strålingsmodtagere. Grundlæggende parametre og karakteristika for halvlederkilder til optisk stråling.

forelæsningsforløb, tilføjet 13-12-2009


Funktionsprincip for en generaliseret fiberoptisk sensor. Optisk lysmodulationsskema. Klassificering af fase (interferometriske) sensorer. Udseende af det automatiserede fiberoptiske interferometer ISA-1, tekniske egenskaber.

rapport, tilføjet 19/07/2015


Design af optisk fiber og beregning af antallet af kanaler langs rygraden. Udvælgelse af topologier af fiberoptiske kommunikationslinjer, type og design af optisk kabel, kilde til optisk stråling. Beregning af tab i den lineære vej og reservekraft.

kursusarbejde, tilføjet 02/09/2011


Princippet om at konstruere en fiberoptisk linje. Vurdering af fysiske parametre, spredning og tab i optisk fiber. Valg af kabel, transmissionssystem. Beregning af længden af ​​regenereringsafsnittet, udvikling af en ordning. Analyse af transmissionssystemets støjimmunitet.

kursusarbejde, tilføjet 10/01/2012


Fiberoptisk kabel rutediagram. Valg af et optisk kabel, dets egenskaber til at hænge og lægge i jorden. Beregning af lyslederparametre. Udvælgelse af udstyr og vurdering af kabelydelse, dets certificering. Søgning og analyse af skader.

kursusarbejde, tilføjet 11/07/2012


Matematisk model af tetrad af følsomme elementer i BIUS-VO-enheden. Driftsprincippet for det følsomme element i BIUS-VO-enheden - et fiberoptisk gyroskop. Udvikling af en teknik til at estimere støjkomponenterne i vinkelhastighedsmålekanalen.

afhandling, tilføjet 24/09/2012


Driftsprincippet for optisk fiber er baseret på effekten af ​​total intern refleksion. Fordele ved fiberoptiske kommunikationslinjer (FOCL), områder af deres anvendelse. Optiske fibre, der bruges til at bygge fiberoptiske forbindelser, deres fremstillingsteknologi.

abstrakt, tilføjet 26/03/2019


Bestemmelse af dæmpning (dæmpning), spredning, båndbredde, maksimal transmissionshastighed af binære impulser i et fiberoptisk system. Plotning af afhængigheden af ​​den optiske strålingskildes udgangseffekt af størrelsen af ​​den elektriske strøm.

test, tilføjet 21/06/2010


Digitale fiberoptiske kommunikationssystemer, koncept, struktur. Grundlæggende principper for et digitalt datatransmissionssystem. Processer, der forekommer i optisk fiber og deres indvirkning på hastigheden og rækkevidden af ​​informationstransmission. PMD kontrol.

kursusarbejde, tilføjet 28/08/2007


Generel beskrivelse og formål, funktionelle egenskaber og struktur af passive komponenter i fiberoptiske kommunikationslinjer: konnektorer og splittere. Multipleksere og demultipleksere. Optiske effektdelere, deres funktionsprincip og betydning.

I et ringlasergyroskop opstår fænomenet synkronisme, da det er en aktiv struktur, og selve den optiske spole til at detektere rotation er en del af lasergeneratoren. Tværtimod, i Sagnac-interferometeret vist i fig. 1, opstår ovenstående fænomen ikke, fordi det er et passivt design, hvor lyskilden er uden for følesløjfen. Hovedfokus her er på optisk fiber og reduktion af tab i det.

I fig. Figur 4 viser det optiske diagram af et fiberoptisk gyroskop. I det væsentlige er dette et Sagnac-interferometer (se fig. 1), hvor det cirkulære optiske kredsløb er erstattet af en spole af lang single-mode optisk fiber. Den del af kredsløbet, der er skitseret af den stiplede linje, er nødvendig for at forbedre stabiliteten af ​​nulpunktet. Således er faseforskellen mellem to lysbølger på grund af Sagnac-effekten, under hensyntagen til formel (5), udtrykt som

(7)

hvor N er antallet af vindinger i fiberspolen; L - fiberlængde; a er spolens radius.

Det skal bemærkes, at de grundlæggende formler ikke inkluderer lysets brydningsindeks i fiberen.

Takket være forbedringer i produktionsteknologien produceres fiber med meget lave tab. For at undgå at beskadige fiberen, sker viklingen på en rulle med en radius på flere centimeter. Samtidig observeres ingen mærkbar stigning i tab. Det er muligt at skabe et relativt lille og meget følsomt Sagnac-interferometer med en spole med lille radius (2...5 cm) ved at vikle en lang fiber omkring det. Efter at have dannet et optimalt optisk system er det muligt at måle faseændringer med høj nøjagtighed (i inertinavigation - omkring 10 -6 `rad), og derefter bestemme cirkulærhastigheden ud fra formel (7). Alt dette udgør driftsprincippet for et fiberoptisk gyroskop.

Da dette fiberoptiske gyroskop er en passiv type, lider det ikke af problemer såsom synkronisme fænomen.

Grænser for registrering af vinkelhastighed. I det optiske hovedsystem i fig. 4 i tilstanden, vil de optiske veje for lys i begge gennemløbsretninger være ens i længden, og da signalet ved udgangen af ​​lysmodtageren ændres proportionalt

, så er gyroskopet ufølsomt over for meget små drejninger. I et system med optimal følsomhed anses de teoretiske grænser for detektion af vinkelhastighed for at være relateret til lysdetektorens skudstøj. Analysen viser, at for en optisk fiber med tab a er der en vis længde, der gør det muligt at optimere detektionsgrænserne for skudstøj: (8)

Beregningsresultaterne for typiske parameterværdier er vist i fig. 5, a. For en optisk fiber med et tab på 2 dB/km er detektionsgrænserne cirka 10 -8 rad/s (0,001°/h). Det er præcis de værdier, der bruges i inerti-navigation. I fig. 5b viser, at ved at øge den optiske fiberspoles radius, samt at bruge lys med en bølgelængde på 1,55 μm, hvor tabene i den optiske fiber er meget lave, er det muligt at skabe en hastighedsmåler i inertialrummet med ekstremt lavt afdrift. Dette gør, at måleren ikke kun kan bruges i navigation, men også i geofysik.

I ægte fiberoptiske gyroskoper er mulighederne begrænset af støjfaktorer.

Følsomheden af ​​et gyroskop baseret på Sagnac-effekten kan øges ved hjælp af en optisk ringresonator ved hjælp af et gennemskinnelig spejl med høj reflektivitet (se fig. 3, c). Resonatoren er et Fabry-Perot interferometer i form af en ring. I dette tilfælde reagerer lysdetektorens udgangssignal skarpt på ændringen i fase wt, når lysbølgen passerer gennem den cirkulære optiske bane én gang. Derfor er det muligt at skabe en meget følsom sensor, der for eksempel måler forskydningen af ​​en resonant top på grund af rotation. Det er med andre ord muligt at reducere længden af ​​fiberen i følerringen, og hvis gyroskopet er af middelklasse, så er det sagtens muligt at bruge selv en enkeltdrejet fiberring forbundet til et optisk integreret kredsløb.

I en sådan gyroskopstruktur kræves en lyskilde med høj strålingskohærens for at opnå en skarp resonansrespons, mens der i et fiberoptisk gyroskop kræves en lyskilde med lav kohærens for at forbedre ydeevnen.

Det grundlæggende optiske diagram af et fiberoptisk gyroskop er vist i fig. 4, men dette kredsløb registrerer ikke små rotationer af gyroskopet. For at løse dette problem foreslås forskellige metoder: faseforskydning, fasemodulation, frekvensvariation og let heterodyning.

Lad os kun overveje den sidste metode. Strukturen af ​​det optiske system af et gyroskop med lys heterodyning er vist i fig. 6. Lysstrålen er opdelt af et diffraktionsgitter i to stråler med en meget lille divergensvinkel (ca. 10 mrad). Disse stråler, der har passeret gennem den optiske fiber i modsatte retninger, føres til AOM. Diffraktionsvinklen for AOM er den samme som for et diffraktionsgitter, hvilket resulterer i, at AOM her ikke kun bruges som en frekvensskifter, men også som en retningskobler, og den lysmodtagende enhed producerer et differensfrekvenssignal . I dette optiske system er det muligt at adskille lysstråler, der bevæger sig i modsatte retninger, men på grund af den ekstremt lille diffraktionsvinkel interagerer disse stråler, og driften forårsaget af mediets vibrationer svækkes. Når længden af ​​de optiske veje er forskellig, opstår der desuden en drift af udgangssignalet på grund af kildestrålingens frekvensafvigelse, men i denne struktur er denne forskel meget lille. I fig. Figur 7 viser det elektroniske kredsløb af udgangssignalfasemåleren i strukturen i figur 6 ved anvendelse af nulmetoden. Den nøjagtige tidsforsinkelse Td leveres af en ladningskoblet enhed (CCD). For denne ordning er det sandt

(9)

(N er et heltal), dvs. her opnår vi frekvensændringen Df 2 af det elektriske signal, proportional med vinkelhastigheden W, hvilket er meget bekvemt for den praktiske implementering af enheden.

Metoder til at øge følsomheden giver endnu ikke høj stabilitet; det er nødvendigt at tage højde for støjfaktorer og træffe foranstaltninger for at eliminere dem.

For at opnå høj stabilitet er det nødvendigt, at de ydre forstyrrelser, der opfattes af lysstråler, der bevæger sig i modsatte retninger, er nøjagtig de samme.

I det grundlæggende optiske system vist i fig. 4, når lysdetektoren 1 anvendes, reflekteres lyset to gange af stråledeleren og passerer desuden to gange igennem denne. I dette tilfælde er betingelsen for den samme længde af den optiske vej ikke opfyldt nøjagtigt, og på grund af temperaturudsving i stråledelerens karakteristika opstår der en drift ved udgangen. Når du bruger lysmodtager 2, sker det samme. For at sikre, at de lysstråler, der indføres i og udsendes af fiberen, bevæger sig den samme optiske vej, kombineres og adskilles på samme punkt i stråledeleren og også har samme tilstand, er det nødvendigt at installere et rumligt filter mellem strålen splittere. Det er tilrådeligt at bruge single-mode optisk fiber i dette filter - det samme som for den følsomme spole.

Typisk kan en enkelt-mode optisk fiber udbrede to uafhængige tilstande med ortogonal polarisering. Men da optiske fibre ikke har særlig streng aksial symmetri, er fasekonstanterne for disse to tilstande forskellige. Imidlertid udveksles energi mellem tilstandene af to polariseringer, hvis karakteristika ændres under ydre påvirkninger, så lyset, der udsendes af fiberen, opnår normalt cirkulær polarisering med ustabile parametre. Alt dette fører til drift af udgangssignalet.

Send dit gode arbejde i videnbasen er enkel. Brug formularen nedenfor

Studerende, kandidatstuderende, unge forskere, der bruger videnbasen i deres studier og arbejde, vil være dig meget taknemmelig.

Udgivet på http://www.allbest.ru/

Ministeriet for Uddannelse og Videnskab i Den Russiske Føderation

Federal Agency for Education

Statens uddannelsesinstitution for videregående faglig uddannelse

"SIBERIAN STATES GEODETIC ACADEMY"

Institut for Optik og Optiske Teknologier

ABSTRAKT

i teoretisk mekanik

OM EMNET:"Optiske gyroskoper"

Udført af en elev fra OTV-21-gruppen, Sergey Vladimirovich Klimenko

NOVOSIBIRSK 2011

1. Gyroskopets fødsel

2. Optiske gyroskoper

Bibliografi

1. Gyroskopets fødsel

Efter at have modtaget en medicinsk uddannelse blev Jean Bernard Leon Foucault (1819 - 4868) interesseret i eksperimentel fysik og opnåede betydelig succes på dette område. Lad os kun nævne de største - Foucault-strømme, Foucault-pendler, gyroskoper.

Ordet "gyroskop", opfundet af L. Foucault, består af to græske ord: "gyros" - rotation og "skopeo" - observere, se.

Så et gyroskop er en "rotationsobservatør". Nu "observerer" gyroskoper rotationen af ​​en lang række objekter - skibe, fly, raketter, satellitter og mange andre. L. Foucault, der skabte sit laboratorieapparat (gyroskop), ønskede at bruge det til at observere Jordens rotation i forhold til det absolutte rum.

Ideen med enheden var baseret på L. Eulers teoretiske position, at et hurtigt roterende legeme, som har ét fikspunkt og ikke er underlagt påvirkningen af ​​øjeblikke af ydre kræfter, opretholder positionen af ​​sin rotationsakse i absolut plads uændret. L. Foucault ræsonnerede noget som dette. Da Jorden roterer i det absolutte rum, bør bevægelsen af ​​objekter placeret på dens overflade observeres i forhold til aksen af ​​et sådant hurtigt roterende legeme.

Da han begyndte at skabe sin enhed, stødte L. Foucault straks på tre indbyrdes relaterede problemer, som senere blev klassiske inden for gyroskopisk teknologi:

1) hvordan man praktisk realiserer et legeme, der har ét fikspunkt og derfor rotationsfrihed omkring tre indbyrdes vinkelrette akser;

2) hvordan man drejer denne krop rundt om en af ​​dens akser og efterfølgende opretholder en høj vinkelhastighed;

3) hvordan man "beskytter" et roterende legeme mod virkningen af ​​eksterne forstyrrende øjeblikke. Som et legeme beregnet til hurtig rotation valgte L. Foucault et svinghjul, som var installeret i et kardanophæng.

Diagram af modellen af ​​det første gyroskop L. Foucault, 1852

Kardanophænget gør det muligt for kroppen, der er installeret i den, samtidig at rotere omkring tre indbyrdes vinkelrette akser (giver kroppen med tre rotationsgrader af frihed). Så for eksempel kunne svinghjulet installeret i L. Foucaults enhed rotere omkring sin egen akse (første frihedsgrad), sammen med kardanets indvendige ring kunne det rotere rundt om knivstøtternes akse (anden frihedsgrad) ), og sammen med kardanens indre og ydre ringe kunne rotere rundt om en lodret akse, let snoet silketråden (tredje frihedsgrad).

2. OptiskGyroskoper

I ballistiske missil- og rumfartøjsstyringssystemer, hvor hastighedsnøjagtighed er kritisk, blev gyroskopreaktionen tidligere brugt som modkraft, og acceleration blev automatisk integreret for at finde hastigheden. I et konventionelt mekanisk gyroskop opretholdes en fast retning i rummet gennem en roterende rotor, der ligner en snurretop. For at enheden skal være tilstrækkelig stabil til inertinavigationsformål, skal friktion og andre forstyrrende påvirkninger elimineres. Derfor er nøjagtige beregninger og omhyggelig fremstilling af gyroskopiske enheder af stor betydning. Men hovedårsagen til fejl i et mekanisk gyroskop er friktion i de bevægelige dele.

For nylig er mekaniske gyroskoper i stigende grad blevet erstattet af optiske. Sidstnævnte er især velegnet til strapdown inerti-navigationssystemer. Optiske gyroskoper er baseret på Sagnac-princippet, opkaldt efter den franske fysiker S. Sagnac, som i 1913 byggede et optisk interferometer til at måle rotationshastigheden.

Et lasergyroskop (fig. 1) er en ringresonator med tre eller fire spejle placeret i hjørnerne af en trekant eller firkant. To laserstråler genereret i selve systemet passerer gennem hulrummet i modsatte retninger. Ved at blande sig giver de et billede af lyse og mørke pletter. Dette billede bevarer sin position i rummet, og når resonatoren (gyroskoplegemet) drejes, registrerer fotodetektoren rotationen og tæller de pletter, der løber hen over den.

ris. 1

To laserstråler genereret af en udladning mellem anoder og katode udbreder sig mod hinanden i en ringresonator dannet af spejle. I samspil producerer strålerne et interferensmønster i form af et system af pletter, hvis bevægelse kan bruges til at bestemme rotationen af ​​gyroskoprotoren. Driften af ​​et lasergyroskop skades af tilbagespredning, dvs. spredning af en laserstråle på overfladerne af spejle og på gasmolekyler, der stødes på i strålens bane. Rygspredning forstyrrer pletmønsteret på en sådan måde, at det roterer med kroppen. Eliminering og minimering af backscatter kræver den højeste præcision i design og fremstilling af lasergyroskoper.

Det fiberoptiske gyroskop (fig. 2) fungerer efter princippet om et Sagnac-interferometer. Lyset i den rettes langs en lukket bane ved hjælp af en optisk bølgeleder. For at øge længden af ​​den optiske vej og øge følsomheden af ​​gyroskopet, oprulles den optiske fiber. Et fiberoptisk gyroskop bruger en ekstern laserlyskilde. Også her er tilbagespredning et alvorligt problem.

Fig.2

fiberoptisk lasergyroskop

Laserstråler bevæger sig langs en lukket bane, hvoraf en del er en oprullet optisk fiber. Gyroskopets rotation bestemmes af en fotodetektor, der registrerer interferensmønsteret af pletter skabt af strålerne. The Physical Encyclopedia giver en moderne generelt accepteret definition af Sagnac-eksperimentet: "Sagnac-effekten består i den eksperimentelle observation (ved hjælp af et interferometer) af skiftet i faseforskellen af ​​to mod-udbredende lysstråler, der udsendes samtidigt fra en kilde, reflekteret fra et system af spejle placeret i en cirkel og ankommer til modtageren, og hele denne installation roterer med en vis vinkelhastighed."

Bibliografi

1) Ishlinsky A.Yu. Orientering, gyroskoper og inertinavigation. M., 1976

2) Artikel "Inertial navigation" i "Round the World" encyklopædi

Udgivet på Allbest.ru

Lignende dokumenter

Det generelle koncept for et gyroskop, dets vigtigste egenskaber. Hovedantagelsen af ​​den elementære teori. Gyroskopets reaktion på eksterne kræfter. Øjeblikket for gyroskopisk reaktion, essensen af ​​Rezals sætning. Estimering af indflydelsen af ​​øjeblikkelig kraft på retningen af ​​gyroskopaksen.

præsentation, tilføjet 30/07/2013


Et gyroskops koncept og hovedegenskab (øverst). Hovedantagelsen af ​​den elementære teori. Essensen af ​​Résals sætning. Funktioner af bevægelsen af ​​en top under påvirkning af eksterne kræfter. Studie af loven om præcession af et gyroskop. Bestemmelse af tidspunktet for gyroskopisk reaktion.

præsentation, tilføjet 10/02/2013


En elementær idé om gyroskopet, dets grundlæggende egenskaber, driftsprincip og anvendelse i teknologi. Resals sætning. Retning af et frit gyroskops akse i en inertiereferenceramme. Regelmæssig præcession af et tungt gyroskop, Zhukovskys regel.

præsentation, tilføjet 11/09/2013


Analyse af gyroskopets driftstilstande ved lav vinkelhastighed af basen. Tegning af bevægelsesligninger ved hjælp af Hamilton-Ostrogradsky og Euler princippet. Karakteristika for frie vibrationer af et gyroskop på en bevægelig base med og uden friktion.

afhandling, tilføjet 07/08/2012


Magnetoelektriske momentsensorer. Undersøgelse af en matematisk model af et dynamisk afstemt gyroskop med en gasdynamisk rotorstøtte under hensyntagen til hastighedsstøttens vinkeloverensstemmelse. Bevægelsesligninger af et dynamisk indstillet gyroskop.

afhandling, tilføjet 04/12/2014


Udvikling af en ny matematisk model af et mikromekanisk gyroskop af typen stemmegaffel på en bevægelig base. Analyse af bevægelsesligningerne for dette gyroskop. Finde vinkelhastigheden af ​​præcession af bølgemønsteret af oscillationer, der illustrerer resonatorens slag.

afhandling, tilføjet 19/07/2012


Fotoelasticitet er en konsekvens af afhængigheden af ​​et stofs dielektriske konstant af deformation. Fiberoptiske sensorer ved hjælp af fotoelasticitet. Fotoelasticitet og spændingsfordeling. Fiberoptiske sensorer baseret på fotoelasticitetseffekten.

kursusarbejde, tilføjet 13-12-2010


Opdeling af firedimensionelt rum i fysisk tid og tredimensionelt rum. Konstans og isotropi af lysets hastighed, definition af samtidighed. Beregning af Sagnac-effekten under antagelse af anisotropi af lysets hastighed. Undersøgelse af egenskaberne af NUT-parameteren.

artikel, tilføjet 22/06/2015


Lysberegning af mekaniske, slibe- og værktøjsafdelinger. Valg af lyskilder, belysningsanlæg. Placering af lamper i rummet. Lyskildernes styrke. Installationsanbefalinger og sikkerhedsforanstaltninger.

kursusarbejde, tilføjet 03/06/2014


Følsomhed af det optiske modtagemodul. Fotodetektor belastningsmodstand. Personisk integreret for rektangulære input-impulser og "forhøjede cosinus" udgangsimpulser. Længde af regenereringssektionen af ​​det fiberoptiske system.