Giroscopul este conceput pentru a măsura viteza de rotație sau unghiul de rotație al obiectelor, cum ar fi roboți, mașini electrice, mașini, nave, avioane, rachete etc. Giroscopul conține un emițător superluminiscent cu un capăt de fibră de ieșire, un depolarizator de fibre de tip Lyot , un divizor de fascicul de fibre și un circuit anizotrop de fibre conectate în serie . Depolarizatorul este format din două bucăți de fibră anizotropă. Divizorul de fascicul este realizat din fibră anizotropă și este conectat optic la un fotodetector de la care este preluat semnalul de ieșire. Capătul cu fibre al emițătorului este utilizat ca primă secțiune a depolarizatorului, iar capătul de intrare al separatorului de fascicul este folosit ca a doua secțiune a acestuia. Capetele de ieșire ale divizorului fasciculului sunt conectate la capetele circuitului de fibre în așa fel încât axele lor de anizotropie să coincidă. Giroscopul este un design compact de clasă de precizie medie, simplu și avansat tehnologic de fabricat. 2 salariu f-ly, 1 bolnav.
Giroscoapele cu fibră optică (FOG) pot fi împărțite în două clase:
fază, în care se măsoară defazajul datorat rotației;
rezonator (sau cu dublă frecvență), în care se măsoară diviziunea frecvențelor de rezonanță ale unui rezonator cu fibre inelare pasive, proporțională cu viteza unghiulară.
Primul tip de FOG este un analog de fibre cu mai multe ture al interferometrului Sagnac clasic (Fig. 3.31). Designul FOG bazat pe o bobină de fibră permite creșterea semnificativă a sensibilității dispozitivului fără a crește dimensiunile sale totale. În acest caz, zona acoperită de contur este
unde este numărul de spire din bobină; a este zona acoperită de o tură. Expresia (3.96) pentru ia forma
Pentru o bobină cilindrică cu rază
Este important ca FOG-urile de fază să difere semnificativ de alți senzori interferometrici. După cum se arată în Secțiunea 3.4, în interferometrele multimode, defazajul unei unde luminoase sub influența câmpurilor fizice măsurate depinde în mod semnificativ de numărul modului. Schimbarea de fază Sagnac se dovedește a fi, într-o primă aproximare, aceeași pentru toate modurile dintr-un interferometru cu fibre multimodale. Acest lucru este clar teoretic din expresiile (3.96) și (3.101), care nu includ indicele de refracție al mediului. Un calcul precis confirmă aceste considerații. Astfel, ghidajele de lumină cu fibre multimodale pot fi utilizate în FOG-urile de fază, totuși, este necesar ca fluxurile de lumină care se propagă în direcții contrare să aibă aceeași compoziție de mod și condițiile pentru transferul lor în ghidul de lumină să fie strict aceleași.
În cea mai simplă schemă FOG avem în vedere (Fig. 3.31) cu două oglinzi divizoare, intensitatea luminii la intrarea fotodetectorilor (fără a lua în considerare pierderile în elementele FOG)
unde este intensitatea luminii la ieșirea sursei de radiație.
Operațiile simple cu semnale electrice la ieșirile fotodetectorilor vă permit să obțineți un semnal de ieșire
unde este coeficientul de proporționalitate determinat de parametrii fotodetectorilor și circuitelor electronice. Simplitatea procesării elimină dependența semnalului de ieșire de fluctuațiile puterii sursei de radiație.
Principalul dezavantaj al acestei scheme, care a fost studiată în primele etape de creare a FOG, este sensibilitatea scăzută la viteze mici de rotație. Din definiția sensibilității FOG
Este evident că la viteze mici de rotație valoarea numerică este mică.
Sensibilitatea maximă este atinsă în circuitele care utilizează o schimbare de fază suplimentară între undele de contrapropagare. În acest caz
Astfel, sensibilitatea giroscopului devine maximă la viteze mici de rotație, semnalul de ieșire este direct proporțional cu viteza unghiulară:
Conceptul de „factor de scară al giroscopului” este adesea folosit. Înseamnă un coeficient care caracterizează relația dintre viteza unghiulară și valoarea măsurată. În cazul unei FOG de fază cu un „stand”, viteza unghiulară și semnalul de ieșire (curent, tensiune) sunt legate de relația
Cu toate acestea, creșterea sensibilității FOG-urilor de fază datorită unei anumite faze nu rezolvă problema. Este necesar să se creeze un dispozitiv care să funcționeze pe o gamă largă cu erori aleatoare și sistematice minime și un prag de sensibilitate scăzut. În acest scop, în proiectele reale, se iau măsuri speciale pentru a elimina cauzele fundamentale ale erorilor și pentru a extinde intervalul dinamic
Teoretic, la fel ca în toți senzorii cu fibră optică, principalele limitări ale pragului de sensibilitate și acurateței FOG sunt impuse de prezența zgomotului de împușcare a fotodetectorului, dar în realitate o serie de alte procese fizice joacă un rol mai semnificativ. În primul rând, fenomene care duc, precum efectul Sagnac, la o schimbare de fază non-reciprocă a undelor luminoase contrapropagate.
Defazatul intr-un camp magnetic extern, datorita binecunoscutului efect Faraday, este proportional cu valoarea in care se afla o sectiune elementara a circuitului optic; H este puterea câmpului magnetic care acționează asupra acestei zone; V este constanta lui Verdet. Dacă H este o valoare constantă pentru întregul circuit, atunci defazarea Faraday este egală cu zero, deoarece prezența unui gradient de câmp magnetic sau a unei diferențe de
polarizările undelor de contrapropagare fac această schimbare diferită de zero. Ecranarea magnetică și utilizarea fibrelor care păstrează polarizarea reduc influența efectului Faraday.
Birefringența într-un ghid de lumină cu fibră este una dintre principalele surse de erori și zgomot în FOG. Elipticitatea fibrei, stresul mecanic și alte motive similare îndepărtează degenerarea polarizării într-o fibră monomodală. Ca urmare, modurile polarizate liniar ortogonal se propagă la viteze diferite. Acest fenomen în sine nu ar trebui să conducă la o schimbare de fază non-reciprocă. Cu toate acestea, în fibrele reale, aranjarea aleatorie a regiunilor cu birefringență și elipticitate a miezului, precum și cuplarea dintre modurile polarizate ortogonal, duc la faptul că căile optice efective ale undelor de contrapropagare ale interferometrului devin diferite. Birefringența indusă și cuplarea între modurile polarizate ortogonal sunt foarte dependente de fluctuațiile acustice și termice externe. Deplasarea la zero a CEAȚII datorită birefringenței și zgomotului de polarizare sunt reduse semnificativ atunci când sunt utilizate fibre de conservare a polarizării. De asemenea, este necesar să se monitorizeze starea de polarizare a cuplelor la intrarea și la ieșirea interferometrului.
Efectul Kerr de înaltă frecvență, cunoscut din optica neliniară, duce, de asemenea, la o schimbare de fază non-reciprocă în FOG. Esența sa este că indicele de refracție al unui mediu depinde de intensitatea luminii care se propagă în el. Dacă intensitățile undelor luminoase de contrapropagare nu sunt egale, constantele lor de propagare devin diferite. Acest efect este foarte slab, dar trebuie luat în considerare atunci când se creează FOG-uri de înaltă precizie. O modalitate de a minimiza influența efectului Kerr este utilizarea unui sistem electronic pentru egalizarea automată a intensităților undelor de contrapropagare, ceea ce, totuși, complică semnificativ dispozitivul. O altă soluție la problemă este utilizarea surselor de radiații cu un spectru destul de larg (diode superluminiscente). În acest caz, defazarea medie pe spectru este zero.
Printre motivele care influențează schimbarea de fază non-reciprocă, este necesar să se includă instabilitatea unui „stand” de fază dat. În dispozitivele reale, valoarea sa depinde de modificările condițiilor externe și de polarizarea radiațiilor introduse în interferometru.
Un loc special printre factorii care înrăutățesc caracteristicile FOG-urilor îl ocupă împrăștierea Rayleigh în ghidul de lumină și reflectarea elementelor giroscopului. Aceste procese nu afectează coerența radiațiilor, dar fazele luminii împrăștiate și reflectate se pot schimba semnificativ odată cu modificările condițiilor externe, precum și cu fluctuațiile acustice și termice din spațiul din jurul fibrei. Valuri împrăștiate și reflectate
interferează cu undele de contrapropagare, iar schimbarea de fază cauzată de rotație devine nedistinsă pe fondul acestei interferențe. O modalitate eficientă de reducere a nivelului de zgomot cauzat de factorii luați în considerare este reducerea lungimii de coerență a radiației sursei. Diferența în calea razelor de contrapropagare, determinată de efectul Sagnac, este destul de mică. Prin selectarea unei surse cu un spectru larg, astfel încât lungimea de coerență să fie doar puțin mai mare, influența multor lumini reflectate și împrăștiate este eliminată. Doar acea parte a acestuia care ajunge la fotodetector cu o întârziere care nu depășește participă la formarea unui semnal de zgomot.
Orez. 3.32 Giroscop cu fibră optică: 1 - bobină de fibră; 2 - matrice de patru cuplaje direcționale
Desigur, este, de asemenea, necesar să se reducă numărul de suprafețe reflectorizante în FOG, adică numărul de elemente într-un design volumetric.
Gama dinamică a FOG-urilor de fază este limitată în primul rând de faptul că semnalul de ieșire este o funcție trigonometrică (adică, deloc liniară) a defazajului. Porțiunea liniară a funcțiilor este mică. În plus, există dificultăți de înțeles asociate cu periodicitatea acestor funcții. Ca rezultat, pentru a crea o CEAȚĂ cu un interval dinamic acceptabil, este necesară o procesare specială a semnalului său de ieșire.
În prezent, sunt cunoscute o serie de soluții de circuit promițătoare pentru FOG-urile de fază, din care le vom evidenția pe cele care rezolvă colectiv problemele de reducere a nivelurilor de zgomot, erori, creșterea sensibilității și extinderea intervalului dinamic.
În diagrama giroscopului prezentată în fig. 3.32, folosește detectarea în cuadratura folosind o serie de patru cuple direcționale pasive, modularea factorului de scară și procesarea semnalului electronic. Această schemă face posibilă eliminarea semnificativă a erorilor cauzate de schimbările de fază non-reciproce de diferite naturi și liniarizarea caracteristicii de ieșire a FOG (pentru extinderea intervalului dinamic). În plus, înregistrarea unui semnal de curent alternativ folosind filtre sau amplificatoare rezonante duce la o reducere semnificativă a influenței zgomotului de la sursa de radiație și circuitele de înregistrare (acest zgomot depinde de frecvență ca
Cuplajele direcționale, realizate prin topirea fibrelor pentru a preveni răsucirea acestora (vezi capitolul 4), funcționează
ca punți de trei decibeli, oferind o schimbare de fază între undele luminoase în timpul diviziunii. După cum se poate observa din fig. 3.32, utilizarea unei matrice de cuple face posibilă obținerea de semnale normalizate de formă la ieșirile a patru fotodetectoare
Schimbarea de fază într-un cuplaj direcțional diferă întotdeauna cu o anumită valoare și care, datorită dependenței slabe a parametrilor cuplatorului de condițiile externe, poate depinde de timp. În plus, din motivele menționate mai sus, în FOG poate apărea o schimbare de fază suplimentară a undelor de contrapropagare, ceea ce duce la erori sistematice și aleatorii în măsurători. Ținând cont de existența cantităților, expresiile (3.105) iau forma:
După cum sa menționat deja, în schema luată în considerare, factorul de scară FOG este modulat. În acest scop, puteți modula una dintre cele două mărimi incluse în ecuația de bază FOG - raza bobinei sau lungimea de undă K:
În acest caz, cantitatea devine o funcție de timp. Rețineți că modularea sau K practic nu duce la modulare.Modularea se realizează ușor dacă bobina de fibră este înfășurată pe un cilindru piezoelectric, modularea lungimii de undă a sursei de radiație K - când se folosește un laser semiconductor (vezi capitolul 4).
Ca exemplu, luați în considerare cazul în care legea se schimbă
și apoi
Restricționându-ne la primul ordin de mărime, obținem
unde este schimbarea de fază Sagnac,
Sistemul electronic de procesare a semnalului efectuează următoarele operații:
Înlocuind valorile din ecuațiile (3.106), obținem asta
Valoarea care reprezintă abaterea unei faze date „schelă” de la valoare se modifică de obicei lent în timp (în conformitate cu schimbările de temperatură), prin urmare cel de-al treilea termen din expresia (3.109) este neglijabil. Diferențiând expresia (3.108), obținem că
În condiții reale, cu tehnologia modernă, așadar, la ieșirea unui filtru reglat la frecvența de modulație, obținem un semnal de ieșire
Astfel, amplitudinea semnalului la frecvența de modulație este direct proporțională cu viteza unghiulară de rotație, în timp ce erorile cauzate de schimbările de fază non-reciproce de diferite naturi și zgomotul de joasă frecvență sunt în mare măsură eliminate. Cu cât frecvența de modulație este mai mare, cu atât calculul este mai aproape de realitate.
Este important ca circuitul considerat să nu conțină sisteme complexe de control automat în buclă închisă; procesarea semnalului poate fi efectuată prin mijloace electronice destul de simple.
Ceața de acest tip poate fi în întregime din fibre (nu conține elemente în design volumetric sau plan), ceea ce reduce numărul de suprafețe reflectorizante și pierderile de radiație în timpul potrivirii.
Un alt circuit FOG, care are o caracteristică de ieșire liniară și, prin urmare, un domeniu dinamic larg, are aceleași avantaje (Fig. 3.33a). Modulatorul de fază, care este un cilindru piezoelectric cu mai multe spire de fibră (vezi capitolul 4), este situat asimetric față de intrarea-ieșire a interferometrului, astfel încât are loc modularea defazajului între undele de contrapropagare.
Orez. 3.33. FOG cu liniarizarea factorului de scară a - diagramă funcțională; b - diagrama timpului; 1 - sursa de radiatii, 2 - bobina fibra: 3 - modulator de faza, 4 - generator de frecventa modulanta f, 5 - fotodetector. 6 - amplificator trece-bandă, comutator cu 7 canale, 8, 9 - filtre trece-bandă, 10 - contor de defazare
Dacă modulatorului i se aplică o tensiune cu o frecvență unghiulară, atunci curentul la ieșirea fotodetectorului se modifică conform legii
unde este coeficientul de proporționalitate; - amplitudinea modulaţiei de fază.
Prin comutarea între canalele 1 și 2 la momente corespunzătoare maximelor și minimelor tensiunii de modulare, așa cum se arată în diagramele de timp (Fig. 3.33, b) și izolând semnalele la frecvență cu filtre, obținem ieșirea primului canal.
iar la ieșirea celui de-al doilea canal
unde A este coeficientul de proporționalitate determinat de parametrii fotodetectorului, circuitelor electronice și adâncimea de modulație. Măsurând defazajul dintre semnalele primului și celui de-al doilea canal cu un contor analog de defazare sau un contor digital de interval de timp, obținem valoarea deplasării duble Sagnac, care este direct proporțională cu viteza unghiulară de rotație.
Astfel, în circuitul considerat, înregistrarea unui semnal folosind curent alternativ reduce semnificativ nivelul de zgomot; măsurarea directă a defazajului liniarizează factorul de scară al dispozitivului. Cu toate acestea, erorile asociate cu efectele Faraday, Kerr și birefringență rămân; pentru a le elimina, este necesar să se ia măsurile discutate mai sus.
Într-o altă schemă FOG (Fig. 3.34), descrisă în lucrări, precum și într-un giroscop laser, se măsoară divizarea frecvențelor de rezonanță ale unui rezonator inel cauzată de rotație folosind o sursă externă de radiație laser. În acest caz, dezavantajele giroscoapelor laser asociate cu prezența unui element neliniar - mediul activ în rezonator - sunt eliminate.
Orez. 3.34. Rezonatoare FOG: 1 - laser heliu-neon; 2, 4 - celule acustice Bragg, 3 - generator de frecvente; 5 - generator de frecvență 6 - cuplaj direcțional 7 - rezonator, 8,9 - fotodetectoare, 10 - circuit de reglare automată a frecvenței; 11 - circuit pentru reglarea automată a perimetrului rezonatorului, 12 - mixer
Lumina cu o frecvență de la sursa de radiație pătrunde în două celule acusto-optice Bragg, care schimbă frecvența luminii cu valori și, respectiv. Radiația cu o frecvență este introdusă într-un rezonator cu fibre inelare printr-un cuplaj direcțional și se propagă în sensul acelor de ceasornic prin acesta. Radiația cu o frecvență este de asemenea introdusă în rezonator și se propagă în sens invers acelor de ceasornic. Sistemul de reglare automată a lungimii perimetrului îl reglează astfel încât frecvența de rezonanță a rezonatorului pentru o undă care se deplasează în sensul acelor de ceasornic să coincidă cu frecvența. Sistemul de control automat al frecvenței al generatorului ajustează valoarea astfel încât să coincidă cu frecvența de rezonanță pentru o undă care rulează în sens invers acelor de ceasornic. Ca urmare, există frecvențe de rezonanță ale rezonatorului cu fibre pentru contradirecții, iar diferența lor este proporțională cu produsul dintre numărul de spire ale bobinei și raza acesteia, în timp ce diviziunea de frecvență este proporțională pur și simplu cu raza.
În expresia pentru sensibilitatea FOG rezonatorului, spre deosebire de faza 1, apare indicele de refracție efectiv al peff-ului modului fibrei. În primul rând, aceasta înseamnă că numai fibre monomodale pot fi utilizate în FOG-urile rezonatoare, deoarece valoarea peff depinde de numărul modului. În al doilea rând, în FOG-urile rezonatoare, alături de erorile și zgomotul comune ambelor tipuri de FOG (cauzate de retroîmprăștiere și reflexie, birefringență, efecte Faraday și Kerr), apare o eroare din cauza dependenței de influențele externe, modificări ale presiunii, temperaturii etc. (vezi paragraful 3.3). Trebuie remarcat faptul că, odată cu măsurarea simultană a intervalului de frecvență dintre modurile longitudinale adiacente ale rezonatorului cu fibre, leff devine o mărime măsurabilă și
Tehnica de măsurare a divizării frecvențelor de rezonanță pentru direcțiile de contrapropagare folosind o sursă de radiație externă, utilizată în FOG-urile rezonatoare, impune restricții stricte asupra lățimii liniei spectrale a radiației. Cele mai bune rezultate se obțin folosind un laser cu heliu-ion cu o singură frecvență, în timp ce FOG-urile de fază utilizează surse slab coerente (lasere cu semiconductor și LED-uri). În plus, chiar dacă presupunem că radiația este monocromatică, pragul de sensibilitate al rezonatorului FOG va fi
depinde de lățimea curbei de rezonanță a rezonatorului optic, viteza unghiulară minimă măsurată 60 va fi determinată de expresia
unde Г este lățimea curbei de rezonanță a rezonatorului optic; - numărul mediu de fotoni pe unitatea de timp care lovesc fotodetectorul; - randamentul cuantic al fotodetectorului; - media timpului în FOG. Pentru a crește factorul de calitate al rezonatorului (reducerea G), este logic să creșteți lungimea acestuia (de exemplu, prin utilizarea unui design cu mai multe ture) până când pierderile din ghidajul de lumină devin comparabile cu pierderile datorate altor factori.
Alături de dezavantajele enumerate, este necesar de remarcat două avantaje indubitabile ale FOG-urilor rezonatoare față de cele de fază. Prima dintre ele este că mărimea măsurată - împărțirea frecvenței - este direct proporțională cu viteza unghiulară 0. Aceasta înseamnă că domeniul dinamic al rezonatorului FOG nu este limitat de sus.
Al doilea avantaj al FOG-urilor rezonatoare este că, în esență, sunt dispozitive digitale care pot fi ușor interfațate cu dispozitivele de calcul. În ele, ca și în giroscoapele laser, măsurarea diferenței de frecvență pe un anumit interval de timp nu este altceva decât numărarea numărului de impulsuri.
Numărul de impulsuri corespunde unghiului de rotație al sistemului în timp
FOG-urile de fază măsoară un semnal analogic și numai în circuite speciale, similare cu cel descris mai sus, măsurarea fazei duce la măsurarea intervalelor de timp.
Introducere
Principiul de funcționare al unui giroscop optic
Diagrame bloc ale giroscoapelor optice
Giroscop cu laser inel.
Giroscoape cu fibră optică.
Giroscop optic cu un rezonator inel de tip pasiv
Metode de creștere a sensibilității
Factori de zgomot, metode de eliminare a acestora
Sisteme optice de bază cu stabilitate sporită
Factori care limitează rezoluția
Caracteristici și metode de îmbunătățire a acestora
Sistem de modulație de fază
Sisteme cu frecvență variabilă
Sistem de heterodinizare a luminii
Concluzie
Giroscopul funcționează ca un detector de viteză unghiulară în spațiul inerțial și poate fi numit pe bună dreptate un tahometru absolut, fiind un element structural al unui sistem de navigație inerțială care prelucrează informații despre locația unei aeronave sau a unei nave pentru a o pune pe curs. Acest sistem include de obicei trei giroscoape - pentru a măsura viteza de rotație în jurul a trei axe ortogonale, trei accelerometre - pentru a determina viteza și distanța și direcția celor trei axe și un computer - pentru a procesa semnalele de ieșire ale acestor dispozitive. Giroscoapele de aeronave sunt supuse unor cerințe foarte înalte: rezoluție și deriva zero de 0,01°/h, interval dinamic de 6 ordine de mărime, stabilitate ridicată (10 -5) a factorului de scară pentru conversia unghiului de rotație în semnal de ieșire. Până în prezent s-au folosit în principal giroscoape mecanice, care funcționează pe baza efectului de menținere a axei de rotație a corpului într-o direcție a spațiului inerțial (legea conservării momentului unghiular). Acestea sunt dispozitive scumpe, deoarece sunt necesare o precizie ridicată a formei corpului de rotație și frecarea minimă posibilă a rulmenților. Spre deosebire de giroscoapele mecanice optice, de exemplu, cele cu fibră optică create pe baza efectului Sagnac, acestea au o structură de tip static care prezintă o serie de avantaje, dintre care principalele sunt: absența pieselor în mișcare și, prin urmare, rezistența la accelerare; simplitatea designului; timp scurt de pornire; sensibilitate crescută; liniaritate ridicată a caracteristicilor; consum redus de putere; fiabilitate ridicată.
În plus, este posibil să se reducă costul giroscoapelor cu fibră optică prin introducerea circuitelor integrate optice. Odată cu utilizarea lor în avioane și nave, pe măsură ce tehnologia giroscopului avansează, ne putem aștepta la utilizarea lor în mașini, roboți etc.
Principiul de funcționare al unui giroscop optic se bazează pe efectul Sagnac. De-a lungul unei căi optice circulare, așa cum se arată în Fig. 1, datorită divizorului de fascicul, lumina se răspândește în două direcții opuse. Dacă sistemul este în repaus în raport cu spațiul inerțial, ambele raze de lumină se propagă în contrapropagare de-a lungul unei căi optice de aceeași lungime. Prin urmare, atunci când grinzile sunt combinate în separator la sfârșitul traseului, nu există o schimbare de fază. Cu toate acestea, atunci când sistemul optic se rotește în spațiul inerțial cu o viteză unghiulară W, apare o diferență de fază între undele luminoase. Acest fenomen se numește efectul Sagnac.
Fie indicele de refracție pe calea optică n=1. Pentru o rază a căii optice a, timpul necesar luminii care se mișcă în sensul acelor de ceasornic pentru a ajunge la separatorul de fascicul este exprimat ca
in sens invers -
unde c este viteza luminii.
Din formulele (1) și (2) diferența în timpul de propagare a două unde luminoase, ținând cont de c>>aW
(3)
Aceasta înseamnă că există o diferență în lungimea căilor optice
sau, cu alte cuvinte, diferența de fază
Aici S este zona mărginită de calea optică; k este numărul de undă.
Formula (5) rezultă din formula (3) în ipoteza că n=1 și calea optică are o formă circulară, dar este posibil să se demonstreze că formula (5) este fundamentală pentru efectul Sagnac. Este independent de forma căii optice, de poziția centrului de rotație și de indicele de refracție.
În fig. 3 prezintă diagrame generale ale sistemelor concepute pentru a îmbunătăți acuratețea măsurătorilor. Giroscopul cu laser inel (Fig. 3, a) se distinge printr-o frecvență ridicată a undei de lumină - până la câteva sute de teraherți. Giroscopul cu fibră optică din fig. 3b are o sensibilitate ridicată datorită utilizării fibrei optice monomod lungi cu pierderi reduse. Un giroscop optic de tip pasiv cu un rezonator inel (Fig. 3, c) folosește caracteristica rezonantă ascuțită a rezonatorului.
Un giroscop cu laser inel este fabricat în mod similar cu un laser cu gaz: o cavitate (canal) în formă de triunghi este creată într-un bloc de cuarț prin topire și umplută cu un amestec de heliu și neon. Lungimea de undă a radiației generate de laser este de 632,8 nm. De obicei, frecvența de generare variază în funcție de lungimea cavității laser. Și în acest caz, frecvențele celor două unde luminoase generate care se propagă în direcții opuse de-a lungul unei căi optice triunghiulare (Fig. 3, a) nu sunt aceleași datorită diferenței de lungime optică DL [vezi formula (4)]. Prin urmare, este posibil să se utilizeze frecvența de bătaie a ambelor unde luminoase generate pentru măsurători, și anume
Aici L este lungimea totală a căii optice în rezonatorul inel; l este lungimea de undă laser în repaus.
Cu alte cuvinte, măsurând Df, puteți determina viteza unghiulară în raport cu spațiul inerțial. Deoarece frecvența luminii este de câteva sute de teraherți, chiar și modificările mici ale frecvenței fac posibilă măsurarea diferențelor de frecvență. Dacă semnalul de ieșire este o frecvență proporțională cu viteza unghiulară, atunci prin numărarea undelor de ieșire se poate determina creșterea unghiului de rotație în formă digitală, ceea ce asigură o precizie ridicată a informațiilor furnizate dispozitivului de calcul de navigație. Măsurarea frecvenței este posibilă într-un interval dinamic larg și, prin urmare, intervalul dinamic al giroscopului laser inel poate fi extins și suficient pentru un sistem de navigație inerțial. Acesta este un mare avantaj al acestor giroscoape.
Cercetările privind giroscoapele cu laser inel au început în anii 60. Până în prezent, au fost atinse o rezoluție și o stabilitate a punctului zero de aproximativ 0,001°/h. Recent, giroscoapele cu laser inel au fost folosite în sistemul de referință inerțial nu numai în aeronavele Boeing 757/767, ci și în Airbus A310. În Japonia, au fost publicate rapoarte despre măsurarea lor a unei viteze unghiulare de 0,01°/h.
Astfel, giroscopul laser inel a ajuns deja la stadiul de aplicare practică, dar, cu toate acestea, rămân o serie de probleme nerezolvate:
1. Neliniaritatea semnalului de ieșire la viteză unghiulară mică (influența sincronismului).
2. Derivarea semnalului de ieșire din cauza fluxurilor de gaz în laser.
3. Modificarea lungimii căii optice sub influența expansiunii termice, a presiunii și a deformării mecanice.
Dintre aceste probleme, cea mai importantă este prima. La viteze unghiulare mici, diferența de frecvență a undelor luminoase generate scade, iar acest lucru duce la sincronism (Df = 0) și la imposibilitatea detectării rotației. (Pragul tipic de detectare este de 10°/h.) Banda moartă datorată sincronismului este prezentată în Fig. 3, a cu linii întrerupte. Rezoluția de detecție mai sus menționată de 0,001°/h este asigurată prin suprimarea fenomenului de sincronism prin reducerea întregului sistem la micro-oscilații (metoda Deise). Dar neliniaritatea cu o ușoară rotație rămâne, în plus, aceasta înseamnă că un asemenea avantaj al giroscopului optic, cum ar fi imobilitatea sa, nu este utilizat.
Într-un giroscop cu laser inel, are loc fenomenul de sincronism, deoarece este o structură activă, iar bobina optică în sine pentru detectarea rotației face parte din generatorul laser. Dimpotrivă, în interferometrul Sagnac prezentat în Fig. 1, fenomenul de mai sus nu are loc deoarece este un design pasiv în care sursa de lumină se află în afara buclei de detectare. Accentul principal aici este pe fibra optică și reducerea pierderilor din aceasta.
În fig. Figura 4 prezintă schema optică a unui giroscop cu fibră optică. În esență, acesta este un interferometru Sagnac (vezi Fig. 1), în care circuitul optic circular este înlocuit cu o bobină de fibră optică monomod lungă. Partea circuitului conturată de linia întreruptă este necesară pentru a îmbunătăți stabilitatea punctului zero. Astfel, diferența de fază dintre două unde luminoase datorată efectului Sagnac, ținând cont de formula (5), este exprimată ca
(7)
unde N este numărul de spire în bobina de fibre; L - lungimea fibrei; a este raza bobinei.
Trebuie remarcat faptul că formulele de bază nu includ indicele de refracție al luminii din fibră.
Datorită îmbunătățirilor aduse tehnologiei de producție, se produce fibre cu pierderi foarte mici. Pentru a evita deteriorarea fibrei, bobinarea se face pe o bobină cu o rază de câțiva centimetri. În același timp, nu se observă o creștere semnificativă a pierderilor. Este posibil să se creeze un interferometru Sagnac de dimensiuni relativ mici și foarte sensibil, cu o bobină de rază mică (2...5 cm) prin înfășurarea unei fibre lungi în jurul acestuia. După ce s-a format un sistem optic optim, este posibil să se măsoare schimbările de fază cu o precizie ridicată (în navigație inerțială - aproximativ 10 -6` rad) și apoi să se determine viteza circulară din formula (7). Toate acestea constituie principiul de funcționare al giroscopului cu fibră optică.
Deoarece acest giroscop cu fibră optică este de tip pasiv, nu suferă de probleme precum fenomenul de sincronism.
Limitele de detectare a vitezei unghiulare. În sistemul optic principal din Fig. 4 în stare, căile optice pentru lumină în ambele direcții de parcurgere vor fi aceleași ca lungime și, deoarece semnalul la ieșirea receptorului de lumină se modifică proporțional, giroscopul este insensibil la ture foarte mici. Într-un sistem cu sensibilitate optimă, limitele teoretice de detecție a vitezei unghiulare sunt considerate a fi legate de zgomotul de împușcare al detectorului de lumină. Analiza arată că pentru o fibră optică cu pierdere a există o anumită lungime care permite optimizarea limitelor de detecție pentru zgomotul de împușcare:
(8)
Rezultatele calculului pentru valorile parametrilor tipice sunt prezentate în Fig. 5, a. Pentru o fibră optică cu o pierdere de 2 dB/km, limitele de detecție sunt de aproximativ 10 -8 rad/s (0,001°/h). Acestea sunt exact valorile utilizate în navigația inerțială. În fig. 5b arată că prin creșterea razei bobinei de fibră optică, precum și prin utilizarea luminii cu o lungime de undă de 1,55 μm, la care pierderile în fibra optică sunt foarte mici, este posibil să se creeze un contor de viteză în spațiu inerțial cu extrem de scăzute. derivă. Acest lucru permite contorului să fie utilizat nu numai în navigație, ci și în geofizică.
În giroscoapele reale cu fibră optică, capacitățile sunt limitate de factorii de zgomot.
Sensibilitatea unui giroscop bazat pe efectul Sagnac poate fi crescută utilizând un rezonator optic inel folosind o oglindă translucidă cu o reflectivitate ridicată (vezi Fig. 3, c). Rezonatorul este un interferometru Fabry-Perot în formă de inel. În acest caz, semnalul de ieșire al detectorului de lumină reacționează brusc la schimbarea fazei wt atunci când unda luminoasă trece o dată prin calea optică circulară. Prin urmare, este posibil să se creeze un senzor foarte sensibil, de exemplu, măsurând deplasarea unui vârf de rezonanță din cauza rotației. Cu alte cuvinte, este posibil să se reducă lungimea fibrei inelului de detectare, iar dacă giroscopul este de clasă medie, atunci este foarte posibil să se folosească chiar și un inel de fibră cu o singură tură conectat la un circuit integrat optic.
Într-o astfel de structură de giroscop, este necesară o sursă de lumină cu coerență ridicată a radiațiilor pentru a obține un răspuns rezonant ascuțit, în timp ce într-un giroscop cu fibră optică este necesară o sursă de lumină cu coerență scăzută pentru a îmbunătăți performanța.
Schema optică de bază a giroscopului cu fibră optică este prezentată în Fig. 4, dar acest circuit nu detectează mici rotații ale giroscopului. Pentru a rezolva această problemă, sunt propuse diverse metode: defazare, modulare de fază, variație de frecvență și heterodyning luminii.
Să luăm în considerare doar ultima metodă. Structura sistemului optic al unui giroscop cu heterodinizare luminoasă este prezentată în Fig. 6. Fasciculul luminos este împărțit printr-un rețele de difracție în două fascicule cu un unghi de divergență foarte mic (aproximativ 10 mrad). Aceste raze, care au trecut prin fibra optică în direcții opuse, sunt alimentate către AOM. Unghiul de difracție al AOM este același cu cel al unui rețele de difracție, ca urmare a căruia AOM este folosit aici nu numai ca comutator de frecvență, ci și ca cuplaj direcțional, iar dispozitivul de recepție a luminii produce un semnal de frecvență diferită. . În acest sistem optic, este posibilă separarea razelor de lumină care se mișcă în direcții opuse, dar din cauza unghiului de difracție extrem de mic, aceste raze interacționează, iar deriva cauzată de vibrațiile mediului este slăbită. În plus, de obicei, atunci când lungimea căilor optice diferă, apare o deviere a semnalului de ieșire din cauza deviației de frecvență a radiației sursei, dar în această structură această diferență este foarte mică. În fig. Figura 7 prezintă circuitul electronic al contorului de fază a semnalului de ieșire în structura din Figura 6 utilizând metoda zero. Întârzierea exactă Td este furnizată de un dispozitiv cuplat cu încărcare (CCD). Pentru această schemă este adevărat
(9)
(N este un număr întreg), adică aici obținem modificarea de frecvență Df 2 a semnalului electric, proporțională cu viteza unghiulară W, ceea ce este foarte convenabil pentru implementarea practică a dispozitivului.
Metodele de creștere a sensibilității nu oferă încă o stabilitate ridicată; este necesar să se țină cont de factorii de zgomot și să se ia măsuri pentru eliminarea acestora.
Pentru a obține o stabilitate ridicată, este necesar ca perturbațiile externe percepute de razele de lumină care se deplasează în direcții opuse să fie exact aceleași.
În sistemul optic de bază prezentat în Fig. 4, când se utilizează detectorul de lumină 1, lumina este reflectată de două ori de separatorul de fascicul și, în plus, trece prin acesta de două ori. În acest caz, condiția aceleiași lungimi a căii optice nu este îndeplinită cu exactitate și, din cauza fluctuațiilor de temperatură ale caracteristicilor separatorului de fascicul, apare o derivă la ieșire. Când utilizați receptorul de lumină 2, se întâmplă același lucru. Pentru ca razele de lumină introduse și emise de fibră să parcurgă aceeași cale optică, să se combine și să se separe în același punct în separatorul de fascicul și să aibă, de asemenea, același mod, este necesar să se instaleze un filtru spațial între fascicul. despicatoare. Este recomandabil să folosiți fibră optică monomod în acest filtru - la fel ca și pentru bobina sensibilă.
De obicei, o fibră optică cu un singur mod poate propaga două moduri independente cu polarizare ortogonală. Dar, deoarece fibrele optice nu au o simetrie axială foarte strictă, constantele de fază ale acestor două moduri sunt diferite. Cu toate acestea, se face schimb de energie între modurile a două polarizări, ale căror caracteristici se modifică sub influențe externe, astfel încât lumina emisă de fibră capătă de obicei polarizare circulară cu parametri instabili. Toate acestea duc la devierea semnalului de ieșire.
Dacă este plasat pe calea optică, așa cum se arată în linia întreruptă din Fig. 4, placa de polarizare, adică trimiteți o undă luminoasă cu o singură polarizare pe calea optică a interferometrului și izolați numai componenta cu aceeași polarizare în lumina emisă, apoi funcția de transfer a căii optice inelare (fibră optică) pentru razele cu sens invers de mișcare vor fi aceleași și, astfel, problema este rezolvată. Dar chiar și în acest caz, fluctuațiile în puterea luminii care ajunge la receptorul de lumină rămân, așa că este necesar să se ia măsuri suplimentare pentru a stabiliza factorul de scară. O astfel de măsură este introducerea unui depolarizator, care compensează fluctuațiile de polarizare în fibra optică și face starea de polarizare arbitrară, sau introducerea unei fibre optice care menține polarizarea. În giroscoapele ușoare heterodyning, o soluție eficientă a problemei este metoda zero.
Pentru a elimina derapajul datorat fluctuațiilor de polarizare dintr-o fibră optică, este necesar un polarizator cu atenuare foarte mare (aproximativ 90 dB), dar această cerință este relaxată atunci când se utilizează o fibră optică care păstrează polarizarea și o sursă de lumină cu coerență scăzută. În fibra optică care menține polarizarea, din cauza diferenței constantelor de fază pentru modurile cu polarizare ortogonală, apare o diferență în lungimea căii optice pentru aceste moduri, astfel încât utilizarea unei surse cu coerență scăzută face imposibilă interferența între moduri. Un efect similar poate fi obținut prin utilizarea unui depolarizator.
Tabelul 1. Factorii de zgomot în giroscoapele cu fibră optică
Factorul de zgomot | |
Fluctuațiile de polarizare într-o fibră optică, cum ar fi conversia polarizării liniară în circulară într-o fibră monomod | Pornirea ieșirii din fibră a analizorului pentru a izola componenta de polarizare dintr-o direcție |
Diferența de lungime a căilor optice pentru undele de lumină care călătoresc în direcții opuse, cu instabilitate dinamică a spectrului sursei de lumină | Stabilizarea spectrului sursei de lumină |
Diferența de frecvență a undelor care se deplasează de-a lungul unei fibre în direcții opuse în timpul fluctuațiilor de temperatură | Folosind doi modulatoare acusto-optice sau modulare cu impulsuri dreptunghiulare |
Distribuție neuniformă a temperaturii de-a lungul fibrei | Înfășurare din fibră optică în care distribuția temperaturii este simetrică față de mijlocul bobinei |
Modificarea fazei semnalului de ieșire din cauza efectului Faraday în fibră sub influența fluctuațiilor câmpului magnetic al Pământului | Fibră de protecție magnetică și menținerea polarizării |
Fluctuații (în divizorul fasciculului) ale raportului de intensitate al fasciculului înainte și înapoi datorită efectului optic Kerr | Modularea luminii emise prin impulsuri dreptunghiulare cu un ciclu de lucru de 50%; folosind o sursă de lumină în bandă largă |
Interferența fasciculului înainte și a fasciculului invers Rayleigh | Modularea de fază a undei luminoase; modularea frecvenței pulsului a radiației laser; utilizarea unei surse de lumină slab interferente |
Dintre factorii care limitează rezoluția pe termen scurt, retroîmprăștierea de-a lungul căii optice are cea mai puternică influență. Lumina de reflecție Fresnel de pe suprafețele elementelor sistemului optic sau lumina de retrodifuzare Rayleigh, de exemplu, în fibra optică în sine interferează cu lumina de semnal, ceea ce duce la mult zgomot. Pentru a le combate, se propune modularea de fază a undei luminoase, metode pulsate și o metodă care utilizează o sursă de lumină cu spectru larg și coerență scăzută, ceea ce agravează interferența datorită diferenței mari de lungime a căii optice pentru lumina de retrodifuzare Rayleigh. și lumina de semnalizare. (Această sursă ar putea fi un laser semiconductor multimod sau o diodă superluminiscentă.)
Zgomotul de ieșire al giroscopului poate fi exprimat prin următoarea formulă:
(10)
unde a 0 este pierderea prin împrăștiere Rayleigh în fibra optică; b R este fracțiunea împrăștierii luminii Rayleigh care se propagă în direcția opusă; Df s - lățimea spectrului sursei de lumină.
În fig. Figura 9 prezintă rezultatele experimentului, arătând cum, pe măsură ce spectrul de radiații se extinde, rezoluția giroscopului cu fibră optică crește. Astfel, în giroscoapele cu fibră optică, reducerea coerenței sursei de lumină este eficientă în reducerea nu numai a zgomotului la distanță Rayleigh, ci și a zgomotului cu efectul Kerr.
În prezent, au fost dezvoltate sisteme experimentale în care s-au luat măsuri pentru creșterea sensibilității și reducerea zgomotului. În aceste sisteme, lucrând folosind metoda modulării de fază, variației frecvenței și heterodinării luminii, s-a obținut o rezoluție care face posibilă măsurarea vitezelor egale sau mai mici decât viteza propriei rotații a Pământului (15°/h=7,3×). 10 -5 rad/s). Realizările sunt deosebit de mari în sistemele cu modulație de fază, care au o rezoluție și o derivă de aproximativ 0,02°/h, ceea ce este acceptabil pentru navigația inerțială.
Se explorează posibilitatea implementării giroscoapelor folosind tehnologia micro-optică, fibre funcționale și elemente de ghid de undă. Sunt deja produse giroscoape cu fibră optică cu o rezoluție de 1°/h. În plus, se aprofundează studiul sistemelor adecvate navigației inerțiale.
În fig. 10 prezintă sistemul de giroscop optic, dezvoltat la Universitatea Stafford, pe o fibră optică monomodală, supusă pe alocuri unor prelucrări speciale, și anume: un regulator de tip polarizare, un cuplaj direcțional, un polarizator, un modulator de fază și alte elemente funcționale. pe fibra optică obţinută prin prelucrarea acesteia. . Raza inelului fibrei optice este de 7 cm, lungimea fibrei este de 580 m. Astfel, reflexia de pe suprafetele diferitelor elemente ale sistemului optic este eliminata in giroscop. În plus, utilizarea unui laser semiconductor multimod ca sursă de lumină reduce coerența sistemului și, prin urmare, reduce zgomotul datorat împrăștierii Rayleigh. Faptul că sistemul este proiectat pe principiul modulării de fază ajută și la reducerea acestui zgomot. În giroscopul prezentat în fig. 10, se atinge o rezoluție de 0,022°/h (Fig. 11, a). În acest caz, timpul de integrare este de 1 s. Prin înfășurarea specială a fibrei optice, influența fluctuațiilor de temperatură este slăbită, iar prin utilizarea unui ecran magnetic și a unui laser semiconductor multimod se reduce deriva cauzată de efectul Kerr și se reduc fluctuațiile punctului zero (Fig. 11). , b, 0,02 °/h, cu un timp de integrare de 30 s).
Pentru a reduce fluctuațiile de polarizare, se propune modularea de fază a semnalului de ieșire folosind unda fundamentală și a doua armonică, precum și o metodă prin care se măsoară armonicile semnalului de ieșire al detectorului de lumină și componenta curentului continuu, apoi fluctuația componenta factorului de scară este izolată prin calcul. De asemenea, ei încearcă să introducă în sistem o fibră optică care menține polarizarea, să realizeze un modulator de fază cu cuple direcționale, iar elementele rămase sub formă de dispozitive de ghidare de undă. Experimentele cu astfel de giroscoape dau o rezoluție de la 0,02 la câteva grade pe oră (timp de integrare 1 s). Pentru a crește rezoluția și a reduce deriva zero, este eficientă și utilizarea unei diode superluminiscente cu coerență scăzută (lățimea spectrului de undă de coerență de 20 μm).
În fig. 12a prezintă un sistem în care: semnalul de excitație al modulatorului de fază este format prin integrarea unei tensiuni din dinte de ferăstrău și este generat un semnal cvasi-heterodin la ieșire. În fig. Figura 12, b prezintă schimbarea de fază a semnalului electric de curent alternativ atunci când giroscopul se rotește. Există și alte încercări de a implementa o metodă de lumină cvasi-heterodină bazată pe modularea de fază. De exemplu, sistemul este combinat cu un circuit de procesare a fazei (vezi Fig. 7), care permite extinderea intervalului dinamic și stabilizarea factorului de scară, adică compensarea dezavantajelor metodei de modulare a fazei. Acest sistem necesită setarea precisă a parametrilor formei de undă de modulare și este dificil să se obțină caracteristici de performanță care să satisfacă navigația inerțială. Prin manipularea formei semnalului de modulare, metoda zero este practic implementată, dar aceasta pune o problemă cu stabilizarea punctului zero.
În orice caz, sistemul modulat în fază este superior altor sisteme în ceea ce privește rezoluția și stabilitatea punctului zero și este, de asemenea, relativ simplu. Prin urmare, lucrările se extind la miniaturizarea acestui sistem prin crearea de elemente optice funcționale cu fibre și ghiduri de undă și dispozitive optice integrate. În special, compania vest-germană SEL produce deja giroscoape cu o rezoluție de aproximativ 15°/h și o liniaritate de 1%, în care elementele optice ale ghidului de undă sunt utilizate pentru modulatorul de fază. Lungimea fibrei 100 m, raza de sensibilitate a bobinei de fibra optica este de aproximativ 3,5 cm, dimensiuni 80´80´25 mm, greutate 200 g.
În fig. 13, a prezintă structura unui giroscop cu fibră optică cu schimbare de frecvență, dezvoltat de firma vest-germană SEL, acesta conține două oscilatoare de referință cu frecvențele f L și f H, cu ajutorul cărora se stabilește diferența de fază p, care este comutată cu frecvența f c. Toate acestea vă permit să creșteți sensibilitatea. În special, în modul staționar, frecvența de excitare f a AOM1 este egală cu (f L + f H)/2, adică la comutarea între f H și f L, semnalul de ieșire al interferometrului nu se modifică. În modul c. La o frecvență constantă f, componenta f c este absentă la ieșirea interferometrului, care poate fi baza pentru feedback pentru un oscilator controlat de tensiune. Când giroscopul se rotește, frecvența f se abate de la valoarea (f L + f H)/2 și, în conformitate cu diferența stabilită, viteza acestei rotații poate fi determinată folosind formula:
Acest sistem reduce efectiv zgomotul deoarece frecvența f c este definită ca fiind reciproca perioadei de propagare a undei luminoase de-a lungul bobinei de fibră optică, iar frecvența luminii de semnal și a luminii de retrodifuziune Rayleigh diferă de obicei doar ca f H - f L . Gama dinamică, așa cum se vede în fig. 13, b, se întinde pe șase ordine de mărime, ceea ce este o caracteristică a metodei de schimbare a frecvenței.
Dacă distanța de la modulatoarele AOM1 și AOM2 până la divizorul fasciculului nu este aceeași, apare o deriva zero. Din această cauză, stabilitatea punctului zero se degradează la cea a unui sistem modulat în fază. Cu toate acestea, aceste produse sunt deja produse (cu o deriva de aproximativ 3°/h). În ele, lungimea fibrei optice este de 1 km, raza bobinei este de 5 cm. Deplasarea unghiulară pentru fiecare citire de frecvență a semnalului de ieșire este de 2,95 s.
Metoda schimbării frecvenței se bazează structural pe metoda modulării de fază. Se crede că îmbunătățește rezoluția și stabilitatea punctului zero. În acest caz, principalele dificultăți sunt asociate cu comutatorul de frecvență. Dacă un AOM este folosit ca acesta, atunci apar două probleme - o creștere a dimensiunilor sistemului optic cu o creștere a puterii de excitare și a luminii reflectate, precum și o creștere a frecvenței de excitare. Împreună cu AOM, sunt studiate deplasatorii de frecvență sub formă de elemente funcționale de fibră optică și ghiduri de undă luminoase. În plus, sunt integrate două AOM și o lentilă pe un substrat LiNbO 3. De asemenea, sunt proiectate sisteme cu o schimbare de frecvență obținută pe baza metodei de fază.
În fig. Figura 14 prezintă structura generală a unui sistem de fază bazat pe un circuit integrat. Modulatorul de fază de tip ghid de undă are caracteristici bune de frecvență, astfel încât este posibil să excitați cu o tensiune dinți de ferăstrău și să implementați un sistem de fază. În plus, dacă amplitudinea tensiunii de excitare a dinților de ferăstrău corespunde strict cu 2p, atunci nu apar armonici mai mari și se obține un schimbător de frecvență ideal. Pentru un sistem de navigație inerțial, această condiție trebuie îndeplinită foarte strict. Compania franceză Thomson CSF a dezvoltat controlul automat al amplitudinii folosind un convertor digital-analogic, care oferă forma de undă necesară a tensiunii din dinte de ferăstrău cu un front de micropași. Frecvența sa este determinată ca Df din formula (11), iar cu feedback sincron cu convertorul digital-analogic, aici este furnizată metoda zero, iar o modificare a frecvenței ceasului informează despre viteza unghiulară a giroscopului. În acest sistem, nu este necesară o schimbare mare de frecvență și poate fi utilizat doar un comutator de frecvență. Un giroscop similar a fost dezvoltat cu o deriva zero de 0,3°/h și un interval dinamic de 7 ordine de mărime.
Sistemul din fig. 6 include o bobină cu rază de 15 cm din fibră optică monomod lungă de 2000 m, instrumente optice separate și un laser semiconductor monomod. Utilizează modularea în frecvență directă a radiației laser semiconductoare, ceea ce duce la zgomot suplimentar. Pentru a reduce coerența, lățimea spectrului de radiații crește. În fig. 15 prezintă caracteristicile zgomotului. Extinderea spectrului permite mărirea rezoluției de aproximativ 20 de ori. Deoarece spectrul laserului semiconductor este instabil din cauza luminii de fundal, un izolator este introdus în sistem.
În fig. 15 și este explicată funcționarea acestui sistem. Axa verticală reprezintă o modificare a frecvenței care este proporțională cu viteza unghiulară, cu un număr corespunzător unei deplasări unghiulare de 4" (cu un câștig de 10x de 0,4" pe număr). Viteza de rotație a globului este de 0,0042°/s, rezoluția pe termen scurt este de 5°/h. În fig. 15, b arată caracteristica de transmisie (input-output). O viteză de 11°/h corespunde unei diferențe de fază de 180°. Linearitatea caracteristicii este îmbunătățită prin utilizarea metodei zero. Limita superioară de detecție a rotației, determinată de circuitul electronic, este de 100°/s, intervalul dinamic al sistemului experimental este de 5 ordine de mărime.
Datorită fluctuațiilor termice ale vitezei sunetului în sistemul AOM, are loc o deplasare a zero notabilă și, prin urmare, cercetările continuă asupra modalităților de urmărire a vitezei sunetului în AOM. Acest sistem, folosind ghiduri de undă luminoase bidimensionale și rețele de difracție, poate fi implementat sub forma unui circuit integrat.
Este luat în considerare principiul de funcționare a unor giroscoape optice, inclusiv a celor cu fibră optică. Datorită metodei de modulare de fază, rezoluția și stabilitatea punctului zero sunt atinse în conformitate cu cerințele navigației inerțiale. Folosind metoda variației de frecvență și heterodinizarea luminii, se obține un interval dinamic larg (de la cinci la nouă ordine de mărime) și un factor de scară stabil. Giroscoapele cu fibră optică sunt utilizate pe scară largă. Diferite dispozitive bazate pe tehnologie micro-optică, elemente funcționale cu fibră optică și elemente optice de ghidare de undă sunt dezvoltate într-un ritm rapid. Până acum, astfel de giroscoape din clasa de mijloc sunt deja disponibile comercial.
Giroscoapele cu fibră optică diferă de cele anterioare prin absența sistemelor mecanice, ceea ce le face potrivite nu numai pentru navigație, ci și în alte zone, de exemplu, pentru controlul mișcării unui foraj la forarea puțurilor de petrol. În plus, dacă măriți diametrul inelului de fibră optică și prelungiți intervalul de integrare al semnalului de ieșire, puteți crește sensibilitatea, ceea ce vă va permite să utilizați giroscopul pentru prognoza meteo, măsurarea fluctuațiilor de rotație a Pământului, etc. .
- Ghiduri de undă de comunicații optice, Teumin I.I.
- Senzori cu fibră optică, ed. T. Okoshi, traducere din japoneză.
- Ghiduri de undă optice, Marcuse D., traducere din engleză.
- Fundamentele comunicațiilor prin fibră optică, ed. E.M. Dianova, traducere din engleză.
Acestea sunt împărțite în giroscoape cu fibră optică și laser. Principiul de funcționare se bazează pe efect Sagnac: apariția unei schimbări de fază a undelor electromagnetice (luminoase) contrapropagate într-un interferometru inel rotativ. Efectul este direct proporțional cu viteza unghiulară de rotație a interferometrului, aria acoperită de propagarea undelor luminoase în interferometru și frecvența radiației.
Principiul de funcționare giroscoapele optice sunt explicate teoretic folosind teoria relativității speciale. Potrivit SRT, viteza luminii este constantă în orice cadru de referință inerțial, în timp ce într-un cadru non-inerțial poate diferi de o anumită valoare constantă. La trimiterea unui fascicul de lumină în direcția de rotație a dispozitivului și împotriva direcției de rotație, diferența de timp de sosire a razelor, determinată de interferometru, face posibilă găsirea diferenței în căile optice ale razelor. în sistemul de referință inerțial și, în consecință, cantitatea de rotație unghiulară a dispozitivului în timpul trecerii fasciculului.
Giroscop cu laser
Giroscop cu laser- un dispozitiv optic pentru măsurarea vitezei unghiulare, al cărui principiu de funcționare se bazează pe efectul Sagnac.
Găsește aplicareaîn sistemele de navigație inerțială (determinarea coordonatelor și parametrilor de mișcare a diferitelor obiecte și controlul mișcării acestora, pe baza proprietăților de inerție a corpurilor și fiind autonome, adică nefiind necesară prezența reperelor externe sau a semnalelor venite din exterior).
Dispozitiv și principiu de funcționare.
Un giroscop laser este de obicei un rezonator inel cu trei sau patru oglinzi situate la colțurile unei cavități în formă de triunghi sau pătrat. Două fascicule laser, generate de o descărcare între anozi și catod și amplificate în cavitățile giroscopului, circulă continuu prin rezonator în direcții opuse. În senzor se formează un model de interferență de dungi deschise și întunecate. Poziția franjurilor nu se modifică dacă giroscopul nu se rotește (în planul conturului inelului) față de sistemul de referință inerțial, iar atunci când rezonatorul (corpul giroscopului) este rotit, fotodetectoarele măsoară unghiul de rotație prin numărare. franjurile de interferență care trec de-a lungul lor.
Astfel, o undă staționară este creată și menținută într-un giroscop laser, iar nodurile și antinodurile sale sunt asociate în mod ideal cu un cadru de referință inerțial. Precizia unor astfel de giroscoape este afectată negativ de retroîmprăștiere, adică împrăștierea unui fascicul laser pe suprafețele oglinzilor și moleculele de gaz.
Fig.5. Circuit giroscop laser
Giroscop cu fibră optică
Giroscop cu fibră optică este un dispozitiv optic-electronic care măsoară viteza unghiulară, al cărui principiu de funcționare se bazează pe efectul Sagnac.
Proprietățile dispozitivului:
precizie ridicată;
dimensiuni mici și greutatea structurii;
gamă largă de viteze unghiulare măsurate;
imunitate ridicată la zgomot datorită naturii dielectrice a fibrei;
fiabilitate ridicată datorită absenței elementelor mecanice.
Dispozitiv și principiu de funcționare. Fasciculele laser se deplasează de-a lungul unui traseu închis folosind un ghid de undă optic (ghid de lumină). O fibră optică monomod este utilizată pentru a direcționa fasciculul laser de-a lungul unei căi închise, iar radiația laser este furnizată de la o sursă externă. Pentru a crește sensibilitatea giroscopului și a crește lungimea căii optice, se folosește o fibră de lungime lungă (până la 1000 m) așezată pe rând.
Rotația giroscopului este determinată de un fotodetector care înregistrează modelul de interferență al petelor create de raze.
Precizia giroscoapelor cu fibră optică, ca și acuratețea giroscoapelor cu laser, este afectată negativ de backscatter.
Fig.6. Circuit giroscop cu fibră optică
Cursul 14.
1. Principiul de funcționare al unui giroscop laser;
2. Giroscoape cu fibră optică.
§5.14.1. Principiul de funcționare al unui giroscop laser.
Vom explica principiul de funcționare mai detaliat folosind exemplul celui mai simplu design al unui laser TLS, al cărui contur optic este triunghiular. În fig. Figura 6 prezintă un COCG care conține un tub 1 cu o substanță activă, un amestec de gaz, care este excitat de la un generator de pompă 2 cu un curent de înaltă frecvență (frecvență de câteva zeci de megaherți) sau continuu (tensiune de mii de volți) , și un rezonator inel în sine, care include două oglinzi opace 3 și o oglindă translucidă 4. Amestecul activ generează o emisie stimulată în cavitate datorită trecerii atomilor de neon (Ne) de la niveluri ridicate (excitate de generatorul pompei) la niveluri scăzute de energie. . Acest lucru devine posibil dacă câștigul în mediul activ depășește coeficientul de pierdere, iar lungimea de undă a radiației coerente se potrivește de un număr întreg de ori în jurul perimetrului rezonatorului. Oscilațiile electromagnetice care apar în acest caz (de obicei cu o lungime de undă aproximativ egală cu 0,63 μm) ies din capetele tubului 1 și se propagă în direcții opuse oglinzilor opace 3. Razele reflectate sunt scoase din contur cu ajutorul unui translucid. oglinda 4, iar cu ajutorul unei oglinzi opace suplimentare sunt combinate 5 direcții de propagare a acestora. Razele cad pe fotocatodul fotomultiplicatorului 6, unde interferează între ele, creând franjuri de interferență.
Rotirea corpului giroscopului laser cu o viteză unghiulară , al cărei vector este perpendicular pe planul de contur, duce la faptul că franjele de interferență încep să se miște în raport cu fotocatodul la viteza de rotație a corpului. Această împrejurare se datorează faptului că în timpul rotației, datorită apariției unei diferențe în timpii de parcurs a razelor care se propagă de-a lungul unui circuit optic închis în direcții opuse, apare și o diferență în cursa lor, adică. precum diferența dintre lungimile perimetrului rezonatorului de-a lungul căruia se propagă. Când sunt generate într-un COCG, lungimile de undă trebuie să se încadreze în perimetrele acum diferite de același număr întreg de ori, prin urmare aceste lungimi și, prin urmare, frecvențele oscilațiilor electromagnetice, dacă sunt prezente, devin diferite; apare o diferență de frecvență (frecvență de bătaie), ceea ce duce la o schimbare a franjelor de interferență. Deplasarea cu un pas între franjuri de interferență corespunde unei schimbări în faza bătăilor pe radian. Un semnal electric cu o diferență de frecvență apare la ieșirea fotomultiplicatorului 6. După amplificare, acest semnal este trimis la contorul de frecvență 7 și înregistrat de dispozitivul 8.
O altă interpretare fizică a principiului de funcționare al unui laser TLS este posibilă. În COCG, atunci când se suprapun unde care călătoresc îndreptate în direcția opusă, se formează unde staționare. Locația nodurilor și antinodurilor lor în raport cu rezonatorul este incertă și nu depinde de poziția sa unghiulară. Când rezonatorul se rotește în raport cu spațiul inerțial, undele staționare rămân nemișcate, ceea ce decurge din postulatul constanței vitezei luminii și principiul relativității. Deplasarea franjelor de interferență de-a lungul fotocatodului cu frecvența poate fi interpretată ca rezultat al rotației rezonatorului în raport cu un model staționar de unde staționare.
Relația analitică dintre viteza unghiulară măsurată și diferența de frecvențe de propagare a radiației contra-propagare de-a lungul conturului pentru parametrii de proiectare dați ai dispozitivului (frecvența radiației la , perimetrul conturului și aria limitată de acesta) poate fi obținută dintr-o analiză a principiul de funcționare al unui laser idealizat TLS cu contur circular. Deoarece un număr întreg de lungimi de undă trebuie să se potrivească pe lungimea perimetrului rezonatorului , apoi numărul total de unde stătătoare formate în circuit, . Astfel, o rotație a conturului cu un unghi de radiani corespunde numărului de unde staționare. Apoi, rotația conturului cu un unghi elementar va corespunde numărului de unde staționare
Rețineți că valoarea
(5.10)
este, în esență, frecvența de repetare a undelor staționare în raport cu un punct fix al unei bucle închise și este legată de diferența de frecvențe ale razelor de contrapropagare prin relația
Folosind dependențele (5.10) și (5.11) și ținând cont că pentru un contur circular, după transformări obținem
Formula (5.12) este valabilă nu numai pentru un contur circular, ci și pentru un contur plat închis de orice configurație.
Dacă vectorul viteză unghiulară este îndreptat la un anumit unghi față de perpendiculara coborâtă pe planul conturului, atunci formula (5.12) ia forma
(5.13)
În consecință, axa de măsurare a dispozitivului este axa normală cu planul conturului. Combinația a trei TLS laser plate într-un singur bloc cu orientare ortogonală a axelor de măsurare face posibilă obținerea unui contor de viteză unghiulară cu trei componente. Este recomandabil să rețineți că LG poate fi folosit și în modul de integrare, adică. în modul de măsurare a unghiului de rotație de bază. Să rescriem formula (5.12) sub forma
,
unde este faza de bataie; - unghiul de rotatie al aparatului in jurul axei de masurare.
Este evident că
Astfel, creșterea unghiului de rotație poate fi judecată după numărul de perioade (semicicluri) de bătăi (perioade de oscilație a unui semnal electric cu o frecvență diferită). ).
Giroscoapele cu laser au o serie de avantaje semnificative față de cele tradiționale. Aceasta este, în primul rând: absența oricăror elemente mecanice rotative și, prin urmare, acestea sunt lipsite de erori cauzate de momentele de forțe de frecare și de dezechilibru; fiabilitate ridicată și capacitatea de a funcționa stabil în condiții semnificative de suprasarcină; consum relativ scăzut de energie (unități de wați); disponibilitatea lor aproape instantanee (fracțiuni de secundă) pentru muncă. Un avantaj foarte important al LG este discretitatea semnalului de ieșire al informațiilor de măsurare, care permite utilizarea acestui semnal fără conversii suplimentare într-un computer. În plus, LG-urile pot funcționa într-o gamă dinamică largă, ceea ce face posibilă utilizarea lor în sistemele de navigație strapdown.
Alături de avantajele LG, este necesar să se indice o serie de dezavantaje ale acestora și probleme specifice care au trebuit să fie întâlnite în timpul dezvoltării. Una dintre cele mai dificile probleme este asociată cu așa-numitul efect de „captură” sau sincronizarea frecvențelor de oscilație care se propagă în direcții opuse în circuitul de funcționare. „Captarea” frecvențelor cu o mică detonare se datorează împrăștierii reciproce a fiecărei unde în direcția de propagare a contraundei atunci când este reflectată de oglinzi și alte elemente optice. Ca urmare a acestui fenomen, la viteze mici de rotație măsurate, frecvențele ambelor fascicule sunt aceleași, iar diferența de frecvență este zero, ceea ce determină prezența unui prag de sensibilitate al dispozitivului.
O altă problemă se bazează pe instabilitatea factorului de scară LG, a cărui valoare admisă este . Motivul instabilității factorului de scară este o modificare a perimetrului rezonatorului, de exemplu din cauza fluctuațiilor de temperatură, dar această instabilitate este generată în principal de instabilitatea indicelui de refracție al mediului optic. Mediul activ reduce deacordarea frecvenței în comparație cu ceea ce ar fi într-un rezonator „gol” (efect de tragere a frecvenței). Luând în considerare influența dispersiei anormale a mediului activ arată că influența sa relativă este cea mai semnificativă la frecvențe joase de bătaie. Soluția la aceste probleme este oferită în diferite moduri. Deci, de exemplu, reducerea zonei de „captură” se realizează prin minimizarea împrăștierii pe oglinzi și evacuarea profundă a căii pe care se propagă razele. În plus, zona de „captură” scade pe măsură ce perimetrul acoperit de fascicule crește, precum și cu scăderea lungimii de undă a radiației utilizate. Îngustarea zonei de „captură” prin creșterea perimetrului rezonatorului este limitată de cerințele de proiectare ale caracteristicilor de greutate și dimensiune. Alegerea lungimii de undă de operare este limitată la valorile la care este posibilă laserizarea.
Constanța căii optice a rezonatorului este asigurată de utilizarea unei structuri monolitice realizate din materiale cu un coeficient de temperatură scăzut de expansiune liniară, cum ar fi sital. Și etc. O soluție fundamentală la problema „captură”, care ajută simultan la reducerea influenței efectului de tragere a frecvenței, este deplasarea punctului de funcționare al generatorului laser din zona de captare, de exemplu, prin introducerea unei rotații suplimentare (uniformă sau reversibil) al rezonatorului din jurul axei de măsurare, sau alte metode în care nereciprocitatea indicelui de refracție este realizată pentru raze direcționate opus (pe baza efectelor magneto-optice ale lui Faraday, Kerr etc.).
Creșterea stabilității factorului de scară se realizează în principal prin reglarea lungimii căii optice (perimetrul cavității), de obicei pe baza unor scheme de control extreme în așa fel încât să se asigure că se obține puterea maximă de radiație.
Giroscopul laser, așa cum sa menționat deja, are o gamă de măsurare relativ largă. Valoarea teoretică a limitei superioare a acestui interval este determinată de lățimea de bandă a rezonatorului inel, iar limita inferioară de instabilitatea frecvenței oscilațiilor generate. Deplasarea și deriva semnalului zero se datorează diferenței de indice de refracție al mediului pentru contrapropagarea razelor din cauza mișcării mediului în interiorul rezonatorului (efectul Fresnel-Fizeau), mișcării atomilor în mediul activ (Langmuir). efectul Faraday, etc. În plus, deplasarea zero poate fi cauzată de împrăștiere anizotropă, efecte de saturație nereciprocă în mediul activ, împrăștiere prin neomogenități ale rezonatorului etc. Deriva aleatorie a LG este 
. În prezent, lucrările pentru îmbunătățirea LG continuă.
§5.14.2. Giroscoape cu fibră optică
În 1975, în Statele Unite au început cercetările în domeniul giroscoapelor cu fibră optică (FOG), care, conform experților, vor fi de 5-10 ori mai ieftine și de câteva ori mai puține ca volum și greutate decât giroscoapele mecanice și laser existente de comparabile. precizie. Deja în 1982, în condiții de laborator, se obținea sensibilitatea FOG la viteza unghiulară, acceptabilă pentru un număr de aplicații - 0,1 - 1 grade/h.
Principiul de funcționare al unui giroscop optic se bazează pe efectul „vârtej” al lui Sagnac, pe care l-a demonstrat experimental în 1913. Esența efectului „vârtej” este următoarea: Dacă două raze de lumină se propagă în direcții opuse într-un circuit optic închis. , atunci când circuitul se rotește în jurul unei axe perpendiculare pe planul conturului, dintr-un unghi
viteza, diferența de fază dintre două raze de lumină care se apropie și care au trecut întregul circuit este proporțională cu viteza unghiulară a circuitului:
unde este zona buclei închise; - lungimea de undă a fasciculului luminos; - viteza luminii.
În FOG, un circuit închis este format dintr-o bobină de fibră optică cu mai multe ture. în care
(5.15)
|
|
unde este numărul de ture; - zona virajului circuitului.
Schema schematică a FOG:
1 - dioda laser;
2 - splitter fascicul;
3 - circuit de fibră;
4 - fotodetector;
5 - dispozitiv electronic de procesare
Diagrama schematică a FOG este prezentată în Fig. 7. O diodă laser este folosită ca sursă de radiație. Radiația este alimentată către un divizor de fascicul și împărțită în două fascicule. Aceste raze, ocolind o buclă închisă de fibră optică, sunt combinate la un separator de fascicul și alimentate către un fotodetector și apoi către un dispozitiv electronic de procesare, de la care se poate obține un semnal electric proporțional cu viteza unghiulară c, iar dacă acest semnal este integrat, apoi un semnal proporțional cu unghiul de rotație al buclei închise.
Modelele experimentale tipice FOG folosesc o bobină de fibră optică cu o rază de 10 cm și o lungime a fibrei de 500 m. Rotirea unui astfel de circuit la o viteză de 1 grade/h duce la apariția unei diferențe de fază de ordinul rad .