Оптоволоконный гироскоп принцип работы. Оптические гироскопы
Провели эксперименты по определению скорости света на вращающейся платформе. В опытной установке Саньяка (рис. 1) на платформе находились как источник, так и приёмник света (фотопластина).
Рис. 1.
Свет от источника разделялся стеклом на два луча, которые обходили контур в противоположных направлениях и направлялись на фотопластинку. Эффект Саньяка проявлялся в смещении фаз встречных излучений в зависимости от скорости вращения платформы.
В установке Гарреса, в отличие от схемы Саньяка, источник света был подвешен над центром вращающейся платформы, а на краю платформы был установлен отражатель луча света. Далее этот отражённый луч разделялся на два луча, которые обходили контур в противоположных направлениях.
В обоих этих экспериментах было показано, что скорость света остаётся постоянной только относительно поверхности массивного гравитирующего тела Земли, вне зависимости от состояния покоя или вращения самой платформы. В литературе этот эффект получил наименование эффекта Саньяка.
Эффект Саньяка используется в лазерных и волоконно-оптических гироскопах. Эти гироскопы уже начинают применяться на практике для определения угловой скорости вращения в пространстве летательных аппаратов и других движущихся объектов, но широкое их внедрение в эксплуатацию сдерживается недостаточной чувствительностью этих приборов при малых угловых скоростях.
Рассмотрим простейшую принципиальную схему волоконно-оптического гироскопа (рис. 2).
Рис. 2.
На рис. 2а изображён одновитковый контур радиусом а с использованием оптического одномодового волокна (оптоволокна). На рис. 2б изображён тот же контур, свёрнутый в катушку. Лучи света противоположных направлений пропускают по одному и тому же волокну, что позволяет более эффективно использовать волокно.
В одновитковом контуре, изображённом на рис. 2а, лучи света противоположных направлений проходят весь контур, после чего измеряется смещение фаз. Контур вращается вместе с объектом с угловой скоростью Ω. Окружная скорость вращения оптического волокна равна v . Тогда скорость распространения света в волокне в направлении вращения будет равна: c – v ; скорость света в противоположном направлении составит: c + v . Где c – скорость света в вакууме. Следовательно, свет попутного направления придёт в точку встречи (к измерителю фазы) с опозданием. Это запаздывание света по времени ∆t определится из выражения:
Поскольку окружная скорость оптического волокна гироскопа v на много порядков меньше скорости света c , выражение (2) можно упростить и записать в виде:
где λ – длина волны света.
Подставляя в (4) выражения окружной скорости и длины оптического волокна: v = Ω·a ; L = 2π·a , и учитывая, что произведение π·a 2 – представляет собой площадь S , очерченную оптоволокном, можно записать:
| \[\Delta \psi = \frac{{8\pi \cdot S \cdot \Omega }}{{c \cdot \lambda }}.\] | (5) |
Эта формула считается основной. Она применима и для одновиткового контура, и для многовитковой катушки, в последнем случае площадь S представляет собой сумму площадей всех витков.
Анализ этой формулы показывает, что круговая форма навивки оптоволокна предпочтительна, поскольку окружность заметает максимальную площадь при фиксированной длине волокна. Но всё же формула эта не очень информативна, поскольку она ничего не говорит о том, как быть с габаритами (с радиусом навивки) волокна? Сейчас наблюдается тенденция к миниатюризации гироскопов, а это вряд ли правильно, и вот почему.
Учитывая, что v = Ω·a , и подставляя это выражение в (4) получим:
| \[\Delta \psi = \frac{{4\pi \cdot L \cdot a \cdot \Omega }}{{c \cdot \lambda }}.\] | (6) |
Как видно из формулы (6), смещение фаз встречных излучений пропорционально длине оптического волокна гироскопа и радиусу навивки волокна. Эти параметры примечательны тем, что оказывают наибольшее влияние на чувствительность гироскопа и тем, что они выбираются при конструировании прибора. И выбирать надо, очевидно, наибольшие возможные значения этих параметров. Из формулы (6) видно, что при максимально возможной и фиксированной величине L чувствительность гироскопа прямо зависит от радиуса навивки волокна.
Если, например, гироскоп проектируется для использования на авиалайнере как датчик угловой скорости крена, то, очевидно, что максимально возможный радиус укладки оптоволокна будет равен радиусу фюзеляжа самолёта. Другими словами, в этом случае оптоволокно можно уложить по внутренней поверхности фюзеляжа в плоскости перпендикулярной строительной оси самолёта (рис. 3а).
Рис. 3. Варианты укладки оптоволокна при использования гироскопа на авиалайнере: а) датчик угловой скорости крена; б) датчик угловой скорости тангажа; в) датчик угла поворота
Если же гироскоп проектируется к использованию как датчик угловой скорости тангажа, оптоволокно можно уложить на боковой внутренней поверхности фюзеляжа (рис. 3б). При этом для эффективного использования оптического волокна, проекция укладки на вертикальную плоскость, проходящую через строительную ось фюзеляжа, должна быть по возможности ближе к окружности.
Если гироскоп будет использоваться как датчик угла поворота – оптоволокно можно уложить на нижней (или верхней) внутренней поверхности фюзеляжа (рис. 3в). Проекция укладки на горизонтальную плоскость также должна быть по возможности ближе к окружности. Все остальные устройства гироскопа: источник света, приёмник, измеритель смещения фаз, поляризатор, фильтры и т.д., – можно собрать в корпусе прибора.
Поскольку средний радиус фюзеляжа самолёта на два порядка больше радиуса навивки волокна выпускаемых на сегодняшний день гироскопов, то этот приём позволит увеличить разрешающую способность гироскопа на два порядка.
Выводы
- При фиксированной длине оптического волокна измеряемый эффект оптических гироскопов зависит не только от угловой скорости вращения, но и от радиуса навивки оптического волокна. Следовательно, в итоге, измеряемый эффект зависит от окружной скорости оптоволокна.
- Для увеличения измеряемого эффекта при малых угловых скоростях и фиксированной длине оптоволокна необходимо увеличивать окружную скорость оптоволокна за счёт увеличения радиуса укладки волокна.
- Геометрические размеры авиалайнеров позволяют увеличить радиус укладки оптоволокна до нескольких метров и тем самым позволяют в десятки раз увеличить разрешающую способность волоконно-оптических гироскопов.
- Увеличение разрешающей способности волоконно-оптических гироскопов приведёт к их широкому внедрению в эксплуатацию.
Литература:
- Sagnac G. L’éther lumineux démontre par l’effet du vent relatif d"éther dans un interférométrie en rotation uniforme. Comptes Rendus, 157 (1913), S. 708...710.
- Harress F. Die Geschwindigkeit des Lichtes in bewegten Körpern? Dissertation, Jena, 1912. Пер. с нем. в кн. У.И. Франкфурт, А.М. Френк, «Оптика движущихся тел». М.: Наука, 1972, стр. 69.
- Гужеля Ю.А. Неиспользованные возможности эффекта Саньяка при измерении скорости объекта. IX международная конференция «Инновации в науке и образовании – 2011». Труды, Часть 1. Калининград 2011, стр. 173. УДК 535.225(06).
Отзыв на статью:
Амал-Топарх Юрьев Г.А. Отзыв на работу Ю.А. Гужеля «Эффект Саньяка и неиспользованные возможности волоконно-оптических гироскопов при измерении малых угловых скоростей» . , 2015.
Волоконно-оптический
Гироскоп
Эрве Лефевр
(Перевод Цаплина А.И.)
Дом технологий
Бостон · Лондон
Об этом доме технологий книги постоянно в печати.
Эта книга была издана в рамках программы дом технологий в программе постоянно в печати. Книги этой программы являются копиями ранее напечатанных домом технологий книг, теперь доступны исключительно как единичные копии при запросе читателей. Для получения информации о сотнях наименований, доступных в рамках этой программы, обращайтесь в дом технологий.
| Artech House, Inc. | Artech House Books |
| 685 Canton Street | Portland House, Stag Place |
| Norwood, MA 02062 | Londоn SW1E5XA |
| USA | UK |
Www.artech-house.com
ISBN: 0-89006-537-3
Artech House Publishers boston . london
Библиотека оптоэлектроники дома технологий
Брайан Гулшаф, Алан Роджерс и Генри Тейлор, редакторы серии
Обработка акустических и оптических сигналов: Основы и приложения , Панкадж Дас
Аморфные и микрокристаллические полупроводниковых устройства, оптико-электронные устройства , Ежи Kaниски и др.
Выполнение моделирования электро-оптических систем . Гэри Валдман и Джон Вуттон
Волоконно-оптические гироскопы , Эрве Лефевр
Теории поля акустических и оптических сигнал обработки устройств , Крейг Скотт
Высококогерентные полупроводниковые лазеры , Moтоичи Оцу
Введение в электро-оптические изображения и следящие системы , Халиле Сейрафи и С. Хованессиан
Введение в интегральную прозрачную оптику , С. Ирадж Найафи
Оптический контроль микроволновых устройств , Райнье Н.Саймонс Волоконно-оптические датчики, том 1: Принципы и компоненты , Джон Дакин и Брайан Кулшав.
Волоконно-оптические датчики, том II: Системы и приложения , Брайан Кулшав и Джон Дакин.
Теория оптических сетей , Ицхак Вайсман.
Принципы современных оптических систем, том I
Принципы современных оптических систем, том II , И. Андоновик и Д. Уттамхандани.
Надежность и деградация полимерных и полупроводниковых лазеров , Мицуо Фукуда.
Измерения одномодовыми оптическими волокнами: характеристика и чувствительность , Джованни Caнселиери.
Волоконно-оптические гироскопы / Эрве Лефевр.
ISBN 0-89006-537-3
1. Optical gyroscopes. I. Титул
TL589.2.06L44 1993
British Library Cataloguing in Publication Data
Fiber-optic Gyroscopes
ISBN 0-89006-537-3
© 1993 ARTECH HOUSE, INC.
Canton Street
Norwood, MA 02062
Все права защищены. Напечатано и переплетено в Великобритании Энтони Роуи Ltd. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена или использована в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись или какое-либо хранение информации в информационно-поисковой системе, без разрешения в письменном виде от издателя.
Международный стандартный номер книги: 0-89006-537-3
Номер карты в каталоге библиотеки конгресса: 92-28194
Софии, Шарлотте и Эллиот
"C"est un gyroscope, c"est la cle de l"Absolu"
Le Roi des Aulnes
Предисловие……………………………………………………………………….. 10 Предварительные замечания………………….…………………………………...11
Глава 1. Введение………...……………………………………………………13 Ссылки…………………………………………………………………..…………..15
Глава 2. Принципы волоконно оптического гироскопа………………….……...16
2.1. Эффект Саньяка……………………………………………….……..…...16
2.1.1.Интерферометр Саньяка…………………………………………..…16
2.1.2. Случай вещества……………………………………………….….....21
2.2. Активные и пассивные кольцевые резонаторы ………… …………..23
2.2.1. Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ)………………………….…..23
2.2.2.Резонирующий волоконно-оптический гироскоп (Р-ВОГ)……....26
2.3. Пассивный волоконный кольцевой интерферометр………………..….27
2.3.1. Принцип интерферометрического волоконно-
оптического гироскопа (И-ВОГ)…………………………………..27
2.3.2. Теоретическая чувствительность……………………………….…..30
2.3.3. Шум, дрейф и масштабный фактор……………………………..….34
2.3.4. Пропускная способность……………………………………………35
Глава 3. Обратимость в кольцевом волоконном интерферометре ………….…38
3.1. Принцип обратимости……………………………………………….….38
3.1.1. Обратимость распространения волны……………………….……..38
3.1.2. Обратимое поведение расщепленного луча……………….………39
3.2. Минимальная конфигурация кольцевого волоконного
интерферометра…………………………………………………….….…41
3.2.1. Взаимообратные конфигурации…………………………….………41
3.2.2. Обратимые смещения модуляции-демодуляции…………………..43
3.2.3. Характерная или основная частота………………………..……….47
3.3. Взаимность в многосветоводной схеме………………………………...55
3.3.1. Бесконечно малое поле ответвителя (или X-соединитель
или 4-портовый соединитель)…………………………………..….55
3.3.2. Y-соединение………………………………………………………..58
3.3.3. Многоволоконный подход…………………………………..…..…60
3.3.4. Гибридные архитектуры с интегральной оптикой:
оптимальные "Y-ответвление" или "Y-соединение"………….…63
3.4. Проблема взаимной поляризации……………………………….……68
3.4.1.Отказ от простого одномодового волокна……………………..….68
3.4.2. Использование волокон, сохраняющих поляризацию………..… 71
3.4.3. Использование деполяризаторов……………………………...……72
3.4.4.Использование источника деполяризации………………………....72
Глава 4. Отражение и обратное рассеяние………………..….………….…….….76
4.1. Проблема отражения…………………………………………………....76
4.1.1.Сокращение отражение с наклонным стыком…………………….76
4.1.2.Влияние когерентности источника………………………………...79
4.2. Проблема обратного рассеяния………………………………………....81
4.2.1. Когерентное обратное рассеяние………………………….………..81
4.2.2.Использование широкополосного источника………………….….81
4.2.3.Определение остаточной погрешности шума
обратного рассеяния……………………………………………..…..83
Глава 5. Анализ необратимости поляризации широкополосного
источника и достижение двулучепреломления волокон……………...86
5.1.Эффект деполяризации в двулучепреломленных
волокнах, сохраняющих поляризацию……………………………..….86
5.2.Анализ необратимости поляризации в волоконном
гироскопе, сохраняющим полную поляризацию
в конфигурации волновода……………………………………….…….89
5.2.1. Эффекты типов интенсивности……………………………………89
5.2.2. Комментарии о длине деполяризации L d
против длины корреляционной поляризации L pc …………..…..94
5.2.3. Типичные эффекты амплитуды …………………………………..98
5.3.Использование деполяризатора………………………………………...99
5.4. Оценка оптической длины когерентности поляриметрии (OCDP)
на основе сравнения путей белого света при интерферометрии..…101
Глава 6. Неустановившиеся соотношения для дрейфа и шума…….…….…...108
6.1. Эффект неустановившейся температуры………………………..…....108
6.2. Эффект акустического шума и вибрации …………………..……..…111
Глава 7. Точные эффекты необратимости…………………………………….....112
7.1. Магнитно-оптический эффект Фарадея…………………………..…...112
7.2. Нелинейный эффект Керра…………………………….……………….117
Глава 8.Оценка факторов точности…………………………………………...…123
8.1. Проблема оценки точности в интерферометрическом
волоконном гироскопе…………………………………………….…...123
8.2. Закрытая рабочая петля…………………………………………..….…124
8.2.1. Использование сдвига частоты……………………………….…...124
8.2.2. Аналоговый пилообразный фазовый сигнал или геродинная
модуляция………………………………………………....………..127
8.2.3. Цифровой пилообразный фазовый сигнал……………………….132
8.2.4. Метод цифровой обработки закрытого рабочего цикла……......139
8.3. Контроль длины волны………………………………………..………..145
8.3.1. Зависимость длины волны кольцевого
интерферометра с широкополосным источником…………….....145
8.3.2. Эффект модуляции фазы……………………………………..……148
8.3.3. Схемы контроля длины волны…………………………………....149
Глава 9. Технологии И-ВОГ……………………………………………………...153
9.1. Суммирование оптимальных условий эксплуатации………………..153
9.2. Источник…………………………………………………………….…..155
9.2.1. Суперлюминесцентный диод………………………………….…..155
9.2.2. Редкоземельное легирование волоконных источников…………156
9.3. Волоконная катушка……………………………………………….…..158
9.4. "Сердце" интерферометра………….. ………………………………....159
9.5. Детектор…………………………………………………………………160
Глава 10. Альтернативные подходы для И-ВОГ…………………………….….164
10.1. Альтернативные оптические конфигурации…………………….….164
10.2. Альтернативные схемы обработки сигналов……………………..….166
10.2.1.Схема открытой петли с использованием
многократных гармоник…………………… ……………………166
10.2.2. Вторичные гармоники обратной связи………………………....166
10.2.3. Фазовые импульсы модулирования обратной связи……………167
10.2.4. Гетеродинные и псевдогетеродинные схемы………………..….168
10.2.5. Детектирование биений с пилообразным сигналом
обратной связи………………………………………………….…170
10.2.6. Двойной пилообразный сигнал обратной связи ……………….171
10.3. Расширенный динамический диапазон с
мультипликативными источниками длин волн…………………….172
Глава 11. Резонирующий волоконно-оптический гироскоп (Р-ВОГ)………...175
11.1. Принцип работы многоволоконной кольцевой полости…………...175
11.2. Метод обработки сигнала……………………………………….…….179
11.3. Взаимодействия в кольцевом резонаторе волокна……………….…182
Глава 12. Приложения и тенденции………………………………………….….188
12.1. Настоящее состояние развития…………………………………..…...188
12.2. Тенденции на будущее и заключительные замечания…………..….190
Приложение 1. Основы оптики………………………………………………..…192
A 1.1. Оптические волны в вакууме……………………………………....192
A1.2. Поляризация оптических волн…………………………………….…196
A1.3. Распространение в диэлектрической среде………………….……...200
A1.4. Геометрическая оптика……………………………………………….209
A1.5. Граница диэлектриков: отражение, преломление и
перенос волны…………………………………………………………209
A1.6. Интерференция………………………………………………………..215
A1.7. Многоволновая интерференция…………………………………….. 220
A1.8. Дифракция и гауссовский пучок лучей………………………..…..223
A 1.9. Когеренция…………………………………………………………....227
A l.10. Двулучепреломление………..………………………………….….241
Библиография…………………………………………………………….…..246
Приложение 2. Основы одномодовой волоконной оптики……………………246
A2.1. Дискретное управление модой в многомодовом волокне………….246
A2.2. Одномодовые волокна……………………………………….……….251
A2.3. Применение стекла в одномодовых волокнах………………..…….256
A2.4. Стыковка одномодовых волокон………………………………….…258
A2.5. Двулучепреломление в одномодовом волокне……………………...266
A2.6. Поляризационно-сохраняющие волокна…………………...………..271
A2.7. Интерференция в одномодовых волокнах и
соответствующие компоненты………………………………….……280
Библиография……………………………………………………………..….285
Приложение 3. Основы интегральной оптики…………………………………..286
A3.1. Интегрированный оптический световод…………………………….286
A3.2.LiNbO 3 интегральная оптика………………………………………….290
A3.3. Протон-обменные волноводы………………………………………..295
Библиография…………………………………………………………….…..298
Приложение 4. Электромагнитная теория релятивистского эффекта
Саньяка…………………………………………………………..298
A4.1. Специальная теория относительности и электромагнетизм……….298
A4.2. Электромагнетизм во вращающейся системе отсчета…………..….308
A4.3. Случай вращения тороидального диэлектрического
волновода………………………………………………………….….311
Библиография…………………………………………………………….…..313
Символы…………………………………………………………………………...314
Предисловие
Как редактор серии, я выражаю особое удовольствие в том, что эта очень важная книга по волоконно-оптическому гироскопу завершена и опубликована. Волоконно оптический гироскоп имел особое очарование для моего друга более десяти лет. Мне повезло работать, хотя и недолго, с Эрве в Стэнфорде в начале 80-х – особенно захватывающем времени, когда была раскрыта физика гироскопа. Книга Эрве стимулировала интерес поклонников, что является уникальным для гироскопа. Ее особое очарование и проблема вытекает из необходимости понять сразу все проблемы физической оптики, волновой оптики, электроники, обработки сигнала и машиностроения.
В сообществе волоконно-оптических датчиков (или, по крайней мере, для фанатиков гироскопа) гироскоп считается вершиной достижения. Никто более квалифицированно, чем Эрве, не рассказал свою историю. Ниже приводится действительно история Эрве. Текст, содержащий достижения физики и прикладных наук, содержит текже отдельные идеи и решенияавтора. Даже инженеры с альтернативными подходами должны признать качество решений, описанных в настоящем документе. Я нахожу этот текст развивающим технику и интересным для чтения. Он отражает мужской подход и энтузиазм одного человека. Я уверен, что вы также будете разделять волнение по мере углубления в историю того, что обещает быть основой технологии навигационных систем XXI века.
Профессор Брайан Гулшав
Глазго, Шотландия
июнь 1992 года
Предварительные замечания
Пятнадцать лет исследований и разработок создали потенциал волоконно-оптического гироскопа, который сегодня считается привилегированной технологией для будущих приложений инерциальных систем управления. Его конфигурации "твердого тела" дает важнейшие преимущества по сравнению с прежними подходами, использующими вращение колеса или кольцо газовых лазеров.
Во многих компаниях в мире быстро растет интерес к волоконно-оптическому гироскопу. Разработка, производство и системы инжениринга показывают сложность проблемы, в которую вовлекаются и научно-технические сообщества, проводящие исследования. Таким образом, настало время, чтобы представить подробное описание проведенных исследований, которые были проведены для достижения практических устройств. Несмотря на относительную простоту окончательный схемы волоконно-оптического гироскопа – он остается сложным инструментом со многими источниками тонких погрешностей, которые необходимо понимать и контролировать. Предмет требует междисциплинарного подхода с участием физики, волновой оптики, оптико-электронной техники, теория обработки сигнала и электронного дизайна. Разнообразие тем является хорошим примером тщательного системного анализа, и изучение волокна гироскопа будет хорошей основой для программы теоретической и экспериментальной подготовки аспирантов в волоконной оптике и оптоэлектронике.
Чтобы помочь читателю, я включил подробные приложения, которые предоставляют информацию из оптики, одномодовый волоконной оптики и интегральной оптики, необходимую для понимания волоконного гироскопа и содержащие терминологию для общения с дизайнерами оптико-электронных компонент. Для новичка этот материал поможет избежать поиска конкретных основ, чтобы понять общий текст книги. Однако, исходя из моего собственного опыта, подготовке эти приложений оказывается полезным обзорам и для тех, кто уже участвует в предметной области. Я также попытался (за исключением добавления 4) избегать громоздких математических расчетов и формул, насколько это возможно. Многие рисунки упрощают объяснения и помогают читателю понять важные идеи, правила.
Эрве C. Лефевр Париж Франция март 1992 года
Глава 1. Введение
Законы механики показывают, что равномерное прямолинейное движение не может быть обнаружено прибором, помещенным внутри "черного ящика. С другой стороны этот прибор позволяет обнаружить линейные ускорения или вращение. Точные измерения могут быть выполнены с применением механического акселерометра и гироскопа. Это является основой инерциальной ориентации и навигации. Зная первоначальные ориентиры и положение транспортного средства, интегрирование (математическое) позволяет определить по ускорению скорость и траектории движения транспортного средства. Такие инерциальные методы полностью автономны и не нуждаются во внешних источниках: они не зависят от каких-либо эффектов или помех. За пятьдесят лет они были ключевой технологией в аэронавтике, военно-морских силах и космических системах для гражданских и военных применений.
В 1913 году Саньяк продемонстрировал, что вращение в инерциальном пространстве можно также обнаружить с применением оптической системы, которая не имеет движущихся частей. Он использовал кольцо интерферометра и показал, что вращение индуцирует разницу фаз между двумя противоположно распространяемыми лучами. Первоначальные установки, однако, были очень далеки от измерений практической ротации в связи с весьма ограниченной чувствительностью. В 1925 году Майкельсон и Гале имели возможность измерять вращения Земли с гигантским кольцевым интерферометром почти 2 км в периметре с увеличенной чувствительностью, но эффект Саньяка оставался незамеченным физиками в течение многих десятилетий, поскольку не удалось получить полезногой производительности в достаточно компактных устройствах.
Эта возможность получения гироскопа без подвижных частей для замены механических гироскопов с вращением колеса продолжает оставаться очень привлекательной, и в 1962 году Розенталь предложил повысить чувствительность с применением кольцевого лазера , в котором противоположно распространяющиеся волны многократно проходят внутри резонирующего контура вместо их однократного прохода в оригинальном интерферометре Саньяка. Сначала это было продемонстрировано Масеком и Дэвисом в 1963 году, и в настоящее время технология кольцевого лазерного гироскопа достигла своей полной зрелости и используется во многих приложениях инерциальной навигации .
Однако, в связи с огромные технологические усилия, посвященными разработке оптических влолокон с низким уровнем потерь и твердотельных полупроводниковых источников света, детекторов для телекоммуникационных приложений в течение 70-х, стало возможным использовать многоволоконные оптические катушки вместо кольцевого лазер для повышения эффекта Саньяка от нескольких рециркуляций. Предложенный Пирхером и Хепнером в начале 1967 и экспериментально продемонстрированный Вали и Шортхиллом в 1976 году волоконно-оптический гироскоп с тех пор вызвал большой научно-технический интерес, так как обеспечил уникальные преимущества благодаря своей твердотельный конфигурации.
Многочисленные публикации (770!) была посвящена теме , и наиболее значительный вклад были сведены в одном томе , что очень удобно при работе в этой области. Материалы трех конференций, специально посвященных этой теме , также дают хорошее представление о ходе реализации технологии за пятнадцать лет исследований и разработок. Важнейшим шагом стало промышленное производство продукции , предпринятое несколькими компаниями. На данном этапе представляется целесообразным представить тщательный анализ результатов этапа НИОКР, а также подчеркнуть концепции, которые возникли как предпочтительные решения.
Приложения содержат основы оптики, одномодовой волоконной оптики и интегральной оптики, облегчающие понимание волоконного гироскопа. Четвертое добавление более специализированно описывает подход электромагнетизма, объясняющий релятивистский эффект Саньяка.
[I] Sagnac, г., "L"ether lumineux demontre номинальная l"effet du жерл relatif d"ether dans ООН интерферометра en rolation uniformc," конт rendus де Г des академической науки. Vol. 95, 1913 г., стр. 708-710. Sagnac, г., "Sur la preuve de la realite де троса lumineux par I"experience де I"interferographe tournant," конт rendus де I"Acaddmie наук, том 95, 1913, pp. 1410 - 1413.
Михельсон, а. а. и н. г. Gale, журнал астрофизика, том 61, 1925, pp. 401.
Rosenlhal, а. н., "регенеративных обращения несколько интерферирующих лучей для изучения распространения света," J.O.S.A., том 52, 1962. pp. 1143-1148.
Štepánek, в. м. и D.T.M. Дэвис, "Зондирование вращения при движении волны пучка лазера по кольцу," Прикладная физика письма, Vol. 2, 1963, pp. 67-68.
Иезекииль, S. и г. е. Knausenberger, eds., "Лазерные инерциальные датчики вращения," SPIE труды, том 157, 1978.
Шоу В.В., Геа Буалочи, И.М., Редротли В.Е., Сандерс, В., Шлейш и М.О. Скалли, «Кольцевой лазерный гироскоп», обзор современной физики, том 57, 1985, стр. 61, Чоу.
Пиршер Ж. и. Ж. Хепнер, "Perfectionnemenls aux dispositifs du типа gyrometre interferomet-rique лазер," французский патентной 1.563.720, 1У67.
Вали В. Р.В. Шортхилф, "Волоконный кольцевой интерферометр," Прикладная оптика, том 15, 1976. pp. 1099-1100 (SPIE, MS8, стр. 135-136).
Смит. Р. В., "Волоконно-оптические гироскопы 1991: Библиография опубликованной литературы, "" SPIE труды, том 1585, 1991, pp. 464-503.
Смит, Р.Б., ed., "Избранные статьи по волоконно-оптически гироскопам," SPIE веха Series, Vol. MS8, 1989. Примечание: для ссылок, перечисленных в этой книге, в этот том веха, мы вставили (SPIE, MS8, pp. xx-yy).
Иезекииль, S. и х. ж. Arditty, eds., "Волоконно оптические датчики вращения и смежные технологии" отчет о первой международной конференции, короткая серия в оптические науки, Vol. 32, 1981.
Удд Е. ed., "Волоконно-оптические гироскопы: 10 юбилейной конференции," SPIE труды, том 719, 1986.
Иезекииль, S. и е. Udd, eds., «Волоконно-оптические гироскопы: XV Юбилейной конференции,» SPIE Pro ceedings, том 1585, 1991.
Глава 2. Принципы волоконно-оптического гироскопа
Эффект Саньяка
Интерферометр Саньяка
Волоконно оптический гироскоп основывается на эффекте Саньяка, который дает разность фаз ΔΦ R , пропорциональную скорости вращения Ω кольца интерферометра . Первоначальная установка Саньяка состояла из коллимированного источника с разделением луча на пластине для выделения на вводе двух световых волн, которые распространяют в противоположных направлениях вдоль замкнутого контура, определяемого зеркалами (рис. 2.1). Модель прямых полос интерференции была получена с неучетом одной ошибки, и сдвиг периферийной части интерференционных полос наблюдался как поворот всей системы. Этот сдвиг интерференционных полос соответствует разнице ΔΦ R , между двумя встречными волнами, в зависимости от площади, окружающей модель.
Это можно объяснить, рассматривая полигональный путь М 0 М 1 …M N -1 M 0 . В состоянии покоя оба противонаправленные пути равны, но при вращении вокруг центра часть пути в направлении вращения дает
увеличение на М 0 М′ 1 …M′ N -1 M N и противовращение дает снижение на М 0 М′′ 1 …M′′ N -1 M′′ N (рис. 2.2). Фактически для наблюдателя в рамках инерциального покоя точки M i двигаются по окружности радиусом R, и свет распространяется вдоль сторон многоугольника M′ i M′ i +1 или M′′ i M′′ i +1 , вместо того, чтобы вдоль M i M i +1 . В частности, в первой части сонаправленного вращения полигональный путь становится М 0 М′ 1 (рисунок 2.3). Обозначая 2θ угол M 0 OM 1 , δθ – угол M 1 OM′ 1 , L M – длину M 0 M 1 , и δL M длину приращения пути М 0 М′ 1 – М 0 М 1 , получим:
, 
(2.1)
Этот угол δθ первого порядка есть угол поворота во время распространения света между М 0 и М 1:
(2 2)
и так как 
, а площадь треугольника M 0 OM 1 есть , это дает:
. (2.3)
Явление наблюдается в состоянии покоя, где свет всегда распространяется со скоростью c; таким образом, путь приращения δL M соответствует увеличению δt + времени распространения:
(2.4)
Есть такой же рост для каждой из сторон многоугольника и противоположная вариация δt – =–δt + в противоположном направлении. Разница по времени распространения света между двумя противоположными закрытыми путями в вакууме:
(2.5)
где 
является суммой всех площадей треугольников (т.е. полной замкнутой площади A
). Эта разница во времени, измеренная интерферометром, дает разницу фаз:
(2.6)
где ω – угловая частота волны. Можно показать, что этот результат является общим и может быть распространен по любую ось вращения и на любой замкнутый контур, даже если они не содержатся в самолете, используя скалярное произведение А· Ω:
(2.7)
где Ω – вектор скорости вращения, и A – эквивалент вектора площади замкнутого контура, определяемый линейным интегрированием:
(2.8)
где r – радиальная координата вектора. Эффект Саньяка может быть представлен в виде потока вектора вращения Ω через замкнутую область.
Чтобы получить более глубокое понимание эффекта Саньяка, его можно считать простым случаем "идеального" круговой пути , который является пределом полигонального пути с бесконечным количеством сторон. Свет, входящий в систему, делится на две противонаправленные волны, которые возвращаются на этапе после обхода на том же пути в противоположных направлениях (Рисунок 2.4,a). Теперь, когда интерферометр вращается, наблюдатель в состоянии покоя в инерциальной системе отсчета видит свет, введенный в интерферометр на момент M (Рисунок 2.4,b) и распространяющийся со скоростью в вакууме c в противоположных направлениях; тем не менее, во время переноса t v через виток, луч перешел в точку M ", и наш наблюдатель видит, что волна в направлении вращения прошла более длительный путь, чем в противоположном направлении. Эта разница пути может быть измерена интерферометрическими средствами.
Давайте рассмотрим систему, состоящая из источника S размещенного на равном расстоянии от двух зеркал, М 1 и M 2 (Рисунок 2.5,a). Свет от источника раздается в противоположных направлениях, и после отражения обе волны возвращаются к источнику в то же время. Теперь, если система переместится горизонтально (Рисунок 2.5,b), наблюдатель в "лабораторной" системе будет наблюдать, во-первых, свет от зеркала М 1 , происходящий от вступающей
| S |
волны, а затем от другого зеркала, М 2 . Задержка между обоими мероприятиями в основном совпадает с задержкой Саньяка, если заменить круговой путь по расстоянию между источником и зеркалами и касательную скорость вследствие вращения на скорость переноса. Однако в связи с переносом оба мероприятия проводятся в двух разных точках, и принцип причинности не может быть применен. Наблюдателю в рамках движущейся системы приходится ждать возвращения света в источнике возникновения для наблюдателя, в то же время. Затем этот наблюдатель может только сделать вывод, что перемещение его или рамки, свет попадает в точку от обоих зеркал в одно и то же время. Обратите внимание, что источник также перемещается для наблюдателя в рамках "Лаборатория", и он видит, что свет возвращается из обоих направлений в одно и то же время. Это согласуется с ранее сказанным, потому что два события, происходящие в той же точке, наблюдаются одновременно в любой системе отсчета.
Примечание: Эффект Саньяка в качестве альтернативы можно интерпретировать как двойной эффект Доплера на разделителе луча. Вместо временного подхода, подробно изложенного выше, это может быть проанализировано пространственно, учитывая "замороженность" системы в данный момент (Рисунок 2.6). Наблюдатель в рамках лаборатории измеряет одну волну, передаваемую два раза с сохранением той же длины волны, а противонаправленная волна отражена дважды на движущемся разделителе,
Большинство конструкций ВОГ реализуют схему кольцевого оптического гироскопа нерезонансного типа с источником излучения, находящимся вне кольцевого многовиткового оптического контура, в котором проявляется вихревой эффект Саньяка. Это обстоятельство, а также технологические достижения последних лет в области разработки высококачественного оптоволокна, твердотельных полупроводниковых источников света, элементов интегральной оптики и др. предопределяют ряд достоинств ВОГ по сравнению с ЛГ. К ним следует отнести простоту конструкции с твердотельным выполнением (в перспективе полностью на гибридных интегральных микроэлементах), меньшую массу, габариты и стоимость. Современные конструкции ВОГ уже практически сопоставимы по точности с ЛГ. Все это определяет большие перспективы применения ВОГ в БИНС, в частности, для БПЛА.
На рис. 5.14 представлена принципиальная схема ВОГ.
Излучение источника света разделяется в расщепителе на две волны и , которые поступают в противоположные концы катушки оптического волокна, распространяются по ней в противоположных направлениях, рекомбинируют на расщепителе и смешиваются в фотоприемнике, где интерферируют. На выходе фотоприемника – фототок , линейно связанный с интенсивностью света на его входе. При отсутствии вращения оптического контура обе волны, распространяясь по нему, проходят одинаковый путь, и разность фаз волн и на фотоприемнике отсутствует. При вращении оптического контура с угловой скоростью эти волны проходят разные оптические пути, причем разность путей 2ΔL на длине одного витка катушки оптического волокна определяется соотношением (5.36). Разность путей порождает разность времен прихода волн на фотоприемник и, следовательно, соответствующую разность фаз электромагнитных колебаний Δφ c , пропорциональную угловой скорости (см. 5.41)
где индекс " " означает, что разность фаз Δφ c возникает за счет эффекта Саньяка; - число витков катушки оптического волокна; - площадь, охватываемая витком катушки; R – радиус витка; L- длина волокна.
Из (5.54) следует выражение для масштабного коэффициента К ВОГ
В известных конструкциях ВОГ величина К может составлять (1…40)
Теперь, на основе (5.51), имея в виду, что разность частот колебаний , угол расхождения лучей , получим для интенсивности света в фотоприемнике:
а для тока на выходе фотоприемника:
где - квантовая эффективность фотоприемника; - заряд электрона; - постоянная Планка; - частота излучения; - амплитуда фототока.
Согласно (5.54), (5.56), приращение фототока определяет угловую скорость вращения основания . Практическая реализация этого принципа измерения требует прежде всего таких схемно-конструктивных решений ВОГ, в которых обеспечивается свойство взаимности, при наличии которого встречные волны при проходят одинаковые оптические пути, сохраняя определенное состояние поляризации и форму волнового фронта. С этой целью в конструкциях катушки ВОГ часто используют одномодовое, сохраняющее поляризацию волокно, а излучение в катушку вводят и выводят из нее через одномодовый, фильтр, включающий, в частности, волоконный одномодовый пространственный фильтр и поляризатор (рис. 5.15) .
Следует отметить, что наличие в этой схеме ВОГ двух расщепителей дополнительно выравнивает фазы волн , которые дважды проходят через расщепители и дважды от них отражаются, в то время как в невзаимной схеме ВОГ на рис. 5.14 волна проходит через расщепитель дважды, а дважды от него отражается с соответствующим скачком фазы. Характерные параметры катушки одномодного оптического волокна ВОГ составляют: диаметр сердцевины волокна – 7 мкм, полный диаметр волокна с защитным покрытием – 250 мкм, длина волокна – 1000 м и более, потери в волокне – 0,2 дБ/км при длине волны 1,55 мкм. В качестве источников излучения используются лазерные диоды, светодиоды и суперлюминисцентные диоды; в качестве фотоприемников – полупроводниковые и лавинные фотодиоды .
Схема на рис. 5.15 – схема минимальной взаимной конфигурации. В соответствии с (5.54), (5.55) зависимость интенсивности от саньяковской разности фаз Δφ c носит косинусоидальный характер (рис. 5.16), причем собственно Δφ c весьма мала.
Так, например, применительно к ВОГ, в котором используется катушка с радиусом 0,1 м и длиной волокна 1000 м при скорости вращения разность фаз Δφ c =10 -5 рад . Очевидно в этом случае, когда рабочая область на характеристике I(Δφ c) находится вблизи точки Δφ c = 0, крутизна преобразования Δφ c , а следовательно и , в информационный сигнал очень мала. Кроме того, при вариациях , как видно из (5.55), имеет место аддитивная погрешность (дрейф нулевого сигнала).
Для повышения чувствительности ВОГ между встречными волнами искусственно вводят разность фаз Δφ c =π ⁄2; в этой точке крутизна характеристики I(Δφ c) - максимальна. На практике с учетом минимизации отношения сигнал/шум величину смещения Δφ c часто выбирают в диапазоне π⁄2< Δφ c < 3π⁄4 . Введение разности фаз обычно осуществляют путем размещения на одном из входов в катушку фазового модулятора. Наибольшее распространение получила схема с использованием взаимного фазового модулятора (рис. 5.17).
Собственно фазовый модулятор, например, представляет собой несколько витков оптоволокна, намотанного на пьезокерамическую трубку. Модулирующее напряжение, поступающее от задающего генератора и деформирующее трубку периодически изменяет длину оптоволокна и его показатель преломления, в результате чего периодически изменяется оптический путь волны, проходящей через модулятор, и возникает искусственное приращение ее фазы. Это приращение выбирается равным . В соответствии с рис. 5.17 модуляция фазы волны , распространяющейся в катушке по часовой стрелке, происходит с временным опережением по отношению к модуляции фазы волны , где - время обхода катушки. Выбирая в качестве полупериода модуляции, обеспечивают периодическое изменение разности фаз Δφ М с амплитудой .
Рис. 5.18 иллюстрирует процесс фазовой модуляции встречных волн в ВОГ по прямоугольному закону и соответственно процесс модуляции интенсивности света в фотоприемнике. При модуляция интенсивности света отсутствует.
При она имеет место, причем для интенсивностей на рис. 5.18 справедливо:
Глубина модуляции ∆I :
Выходной сигнал, пропорциональный (5.57), формируется в демодуляторе (рис. 5.17). Существенно то, что, помимо обеспечения максимальной крутизны преобразования Δφ c в информационный сигнал, в этой схеме ВОГ исключается аддитивная погрешность, порождаемая вариациями , коэффициентами усиления в электронной цепи обработки сигнала и амплитуды модуляции, но сохраняется мультипликативная погрешность – вариации масштабного коэффициента и его нелинейность.
Следует отметить, что во взаимном фазовом модуляторе часто используется косинусоидальная модуляция. В этом случае Δφ M =Δφ MO cosω M t где - соответственно амплитуда и частота модуляции . Тогда на основе (5.56) получим:
Разложение правой части (5.58) в ряд по бесселевым функциям первого рода дает:
где - бесселевы функции нулевого, первого, второго и третьего порядка соответственно.
Для , в частности, имеем:
причем своего максимума достигает своего максимума, равного 0,53, при 
.
Осуществляя демодуляцию на частоте , получим согласно (5.59) выходной сигнал, пропорциональный 2I 0 J 1 (φ мо)sin∆φ с ; при этом собственно частота модуляции составляет .
С целью уменьшения уровня мультипликативных погрешностей, обеспечения линейности его выходной характеристики в широком диапазоне измеряемых угловых скоростей ВОГ выстраивают по компенсационной схеме (схема с ²обнулением² саньяковской разности фаз Δφ c ). Для этого в оптическом контуре распространения встречных волн необходимо обеспечивать дополнительную искусственную разность фаз Δφ М (²сигнал² обратной связи) таким образом, чтобы выполнилось условие:
Δφ c + Δφ М =0. (5.60)
Наиболее распространенный способ формирования переменной Δφ М заключается в использовании, например, пьезокерамического фазового модулятора, как и ранее расположенного на входе в катушку оптического волокна, на который, в рассматриваемом случае, поступает пилообразное напряжение, скорость изменения которого пропорциональна Δφ c . На рис. 5.19 представлены характерные законы модуляции этим напряжением фаз встречных волн соответственно, причем модуляция осуществляется с запаздыванием по отношению к модуляции на время распространения волны по катушке оптического волокна.
При достижении максимального значения модулятором осуществляется скачок фазы на величину . Как видно на рис. 5.19, необходимая разность фаз Δφ М накапливается на интервалах и составляет , где - крутизна пилообразного изменения . Из (5.60) с учетом (5.54) получим:
где - оптическая длина одного витка катушки.
Тогда крутизна такова:
Фактически формирование эквивалентно сдвигу круговой частоты волн; сдвиг же циклической частоты совпадает по модулю с разностью частот , определяемой согласно (5.48) как разность частот встречных волн в резонаторе ЛГ.
Как видно (рис. 5.19), в процессе формирования компенсирующей разности фаз Δφ M =φ′ M τ O за счет "сброса" фазы на интервалах возникают стробы, порождающие погрешности ВОГ в течение времени после каждого сброса, если высота этих строб отличается от . Известны подходы к уменьшению влияния этого возмущающего фактора .
Следует отметить также, что подсчет числа "сбросов" (с учетом их знака) обеспечивает измерение приращения угла Δα поворота ВОГ на интервале измерения. Действительно, на основе (5.61) для ВОГ с катушкой диаметром из волокна с показателем преломления имеем:
(5.62)
Интегрированием (5.62) на периоде пилообразной фазовой модуляции, на котором достигается приращение фазы, равное , для соответствующего этому приращению угла поворота Δα мин получим:
(5.63)
Соотношение (5.63) определяет минимальное приращение угла поворота, регистрируемое при каждом скачке фазы на . Так, при длине волны , диаметре катушки , показателе преломления волокна приращение Δα мин составляет . Схема компенсационного ВОГ с пилообразной фазовой модуляцией представлена на рис. 5.20.
Современные конфигурации ВОГ характеризуются использованием цифровой обработки информации в его замкнутом контуре и широким применением интегральных оптических компонент (светоделителей, поляризаторов, фазовых модуляторов и др.), выполняемых по гибридной технологии, в частности на электрооптической подложке из ниобата лития. Схема высокоточного ВОГ с сохраняющим поляризацию волокном, в котором используются эти подходы, представлена на рис. 5.21.
Одним из перспективных направлений построения высокоточных ВОГ является применение в катушке сравнительно недорогого одномодового оптического волокна с деполяризацией поступающего в него оптического излучения . Перспективными являются трехосные архитектуры ВОГ с использованием ряда элементов для одновременного обслуживания всех трех измерительных каналов .
Рассмотрим теперь кратко основные источники погрешностей ВОГ. Фундаментальный порог чувствительности ВОГ регламентируется дробовым (фотонным) шумом фотоприемника, уровень которого, в свою очередь, зависит от мощности оптического излучения, поступающего в фотоприемник. При этом среднеквадратичное значение соответствующего фазового шума фотоприемника σ ∆φп определяется соотношением :
(5.64)
где - мощность входного излучения в ВОГ; ∆f - полоса пропускания системы обработки сигнала.
Из (5.64) с учетом (5.54) для среднеквадратичного значения порога чувствительности ВОГ как измерителя угловой скорости получим
(5.65)
Для ВОГ, имеющего , , 
, 
, порог чувствительности (5.65) составляет 
.
Одним из основных источников погрешностей ВОГ, а также основным механизмом потерь в волокне, является обратное рэлеевское рассеяние. Оно представляет собой рассеяние волн на микронеоднородностях волокна, а также за счет их отражения от дискретных оптических элементов в направлениях, противоположных основным встречным волнам. При этом когерентная составляющая обратного рассеяния интерферирует с основными волнами, что порождает флуктуации разности фаз встречных волн. Соответствующая максимальная погрешность измерения угловой скорости вращения определяется соотношением :
где - угол ввода излучения в сердцевину волокна; - коэффициент рассеяния света в волокне.
Одним из эффективных способов уменьшения этой погрешности является уменьшение степени когерентности между основными и рассеянными волнами. Это может быть достигнуто, в частности, за счет использования широкополосного источника света с малой длиной когерентности. При этом, вследствие большой разницы оптических путей основных и рассеянных волн, интерференционная картина, порождаемая их взаимодействием, размывается. В качестве широкополосных источников используют, в частности, суперлюминисцентные источники света. Отметим, что уменьшению влияния обратного рэлеевского рассеяния способствует и использование периодической фазовой модуляции.
Обозначает осреднение по времени.
Как следует из (5.67), при погрешность, порождаемая эффектом Керра, отсутствует. Она отсутствует также при выполнении условия 
, что достигается использованием, например, суперлюминесцентных источников.
Другим невзаимным эффектом, который приводит к появлению погрешности ВОГ, является магнитооптический эффект Фарадея. Во внешнем магнитном поле при повороте плоскости поляризации излучения изменяется показатель преломления волокна, и появляется дополнительная разность фаз встречных волн. Этот эффект не столь выражено проявляется в ВОГ с волокном, сохраняющим поляризацию. Наиболее эффективный способ уменьшения этих погрешностей – магнитное экранирование ВОГ.
Существенный вклад в погрешности ВОГ вносят также зависящие от времени температурные градиенты вдоль оптического волокна . Они порождают нестационарные изменения показателя преломления и длин участков волокна. Эти изменения приводят к невзаимности, поскольку встречные волны проходят эти участки за различное время. В предположении, что температура оптического волокна катушки изменяется линейно от его внутреннего слоя намотки к наружному, соответствующую погрешность измерения угловой скорости можно представить так:
где - температура в точке оптического волокна; ∆Т - изменение разности температур по сечению катушки; - линейный коэффициент теплового расширения волокна; δ∆Т/ δt - температурный градиент во времени.
Оценки показывают, что погрешность является одной из определяющих в ВОГ. Уменьшение может быть достигнуто за счет симметричной, относительно середины оптического контура, намотки катушки. При этом части волокна, которые отстоят одинаково от средней точки оптического контура, находятся рядом друг с другом. Это приводит к симметричному распределению температуры относительно средней точки и теоретически к исключению погрешности . Одновременно используется температурное циклирование катушки после ее намотки для стабилизации размеров и относительного положения витков, а также алгоритмическая компенсация остаточного температурного дрейфа в процессе эксплуатации ВОГ.
Помимо указанных возмущающих факторов следует отметить также вибрационные возмущения, которые порождают погрешности ВОГ через возмущение параметров оптического волокна. Возникающая при этом погрешность пропорциональна скорости изменения вибрационного ускорения с коэффициентом порядка, где - ускорение силы тяжести (НТК ²физоптика²). Существенно может быть также влияние акустических шумов через пьезооптический эффект в частотной полосе до нескольких .
В целом погрешности ВОГ характеризуются уровнем нестабильности масштабного коэффициента (главным образом температурной) и его нелинейностью, систематической составляющей дрейфа (смещение нуля) гироскопа, стабильностью дрейфа в запуске и от запуска к запуску, шумовой составляющей выходного сигнала. Существенный вклад в эти параметры вносят, естественно, не только оптические, но и электронные компоненты ВОГ.
В таблице 5.3 представлены основные характеристики ряда ВОГ отечественных компаний.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
Институт Оптики и Оптических Технологий
РЕФЕРАТ
по теоретической механике
НА ТЕМУ: «Оптические Гироскопы»
Выполнил студент группы ОТВ-21 Клименко Сергей Владимирович
НОВОСИБИРСК 2011 г.
1. Рождение Гироскопа
2. Оптические Гироскопы
Список литературы
1. Рождение Гироскопа
Получив медицинское образование, Жан Бернар Леон Фуко (1819 - 4868) увлекся экспериментальной физикой и достиг в этой области немалых успехов. Назовем лишь самые крупные - токи Фуко, маятник Фуко, гироскопы.
Слово "гироскоп", придуманное Л. Фуко, состоит из двух греческих слов: "гирос" - вращение и "скопео" - наблюдать, смотреть.
Итак, гироскоп - это "наблюдатель вращения". Сейчас гироскопы "наблюдают" вращение самых разнообразных объектов - кораблей, самолетов, ракет, спутников и многих других. Л. Фуко, создавая свой лабораторный прибор (гироскоп), хотел с его помощью наблюдать вращение Земли относительно абсолютного пространства.
Идея прибора основывалась на теоретическом положении Л. Эйлера о том, что быстровращающееся тело, имеющее одну неподвижную точку и не подверженное действию моментов внешних сил, сохраняет неизменным положение оси своего вращения в абсолютном пространстве. Л. Фуко рассуждал примерно так. Поскольку Земля вращается в абсолютном пространстве, то должно наблюдаться движение предметов, расположенных на ее поверхности, по отношению к оси такого быстровращающегося тела.
Приступая к созданию своего прибора, Л. Фуко сразу же столкнулся с тремя взаимосвязанными проблемами, ставшими потом классическими в гироскопической технике:
1) как практически реализовать тело, имеющее одну неподвижную точку и, стало быть, свободу вращения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей;
2) как раскрутить это тело вокруг одной из его осей и в дальнейшем поддерживать высокое значение угловой скорости;
3) как "защитить" вращающееся тело от действия внешних возмущающих моментов. В качестве тела, предназначенного для быстрого вращения, Л. Фуко выбрал маховик, который был установлен в кардановом подвесе.
Схема модели первого гироскопа Л. Фуко, 1852 г.
Карданов подвес позволяет установленному в нем телу одновременно поворачиваться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей (обеспечивает телу три вращательные степени свободы). Так, например, маховик, установленный в приборе Л. Фуко, мог вращаться вокруг собственной оси (первая степень свободы), вместе с внутренним кольцом карданова подвеса мог поворачиваться вокруг оси ножевых опор (вторая степень свободы) и вместе с внутренним и наружным кольцами карданова подвеса мог поворачиваться вокруг вертикальной оси, слегка закручивая шелковую нить (третья степень свободы).
2. Оптические Гироскопы
В системах наведения баллистических ракет и космических летательных аппаратов, где точность определения скорости является критически важной, в качестве противодействующей силы ранее использовалась реакция гироскопа, а ускорение автоматически интегрировалось для нахождения скорости. В обычном механическом гироскопе посредством вращающегося ротора, подобного юле, поддерживается фиксированное направление в пространстве. Чтобы прибор был достаточно стабилен для целей инерциальной навигации, должны быть исключены трение и другие возмущающие воздействия. Поэтому огромное значение имеют точные расчеты и тщательность изготовления гироскопических приборов. Тем не менее, основной причиной возникновения ошибки в механическом гироскопе является трение в движущихся частях.
В последнее время механические гироскопы все чаще заменяются оптическими. Последние особенно подходят для бесплатформенных систем инерциальной навигации. Оптические гироскопы основаны на принципе Саньяка, названном по имени французского физика С.Саньяка, который в 1913 построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения.
Лазерный гироскоп (рис. 1) представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам треугольника или квадрата. Два лазерных пучка, генерируемые в самой системе, проходят по резонатору в противоположных направлениях. Интерферируя, они дают картину из светлых и темных пятен. Эта картина сохраняет свое положение в пространстве, и при повороте резонатора (корпуса гироскопа) фотоприемник регистрирует поворот, считая пробегающие по нему пятна.
рис. 1
Два лазерных луча, генерируемые разрядом между анодами и катодом, распространяются навстречу друг другу в кольцевом резонаторе, образованном зеркалами. Взаимодействуя, лучи дают интерференционную картину в виде системы пятен, по перемещению которой можно определить поворот ротора гироскопа. Работе лазерного гироскопа вредит обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и на молекулах газа, встречающихся на пути луча. Обратное рассеяние нарушает картину пятен таким образом, что она поворачивается вместе с корпусом. Устранение и сведение к минимуму обратного рассеяния требуют высочайшей точности при проектировании и изготовлении лазерных гироскопов.
Волоконно-оптический гироскоп (рис. 2) действует по принципу интерферометра Саньяка. Свет в нем направляется по замкнутому пути с помощью оптического волновода. Для увеличения длины оптического пути и повышения чувствительности гироскопа оптическое волокно свернуто в спираль. В волоконно-оптическом гироскопе используется внешний лазерный источник света. И здесь обратное рассеяние остается серьезной проблемой.
рис.2
гироскоп волоконный оптический лазерный
Лазерные лучи распространяются по замкнутому пути, частью которого является свернутое в спираль оптическое волокно. Поворот гироскопа определяется посредством фотоприемника, регистрирующего интерференционную картину пятен, создаваемую лучами. В Физической Энциклопедии приведено современное общепринятое определение опыта Саньяка: «Эффект Саньяка заключается в экспериментальном наблюдении (с помощью интерферометра) сдвига разности фаз двух встречных лучей света, одновременно испущенных из источника, отраженных от системы расположенных по кругу зеркал, и пришедших к приемнику, причем вся эта установка вращается с некоторой угловой скоростью.»
Список Литературы
1) Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976
2) Статья «Инерциальная навигация» в энциклопедии «Кругосвет»
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Общее понятие гироскопа, его важнейшие свойства. Основное допущение элементарной теории. Реакция гироскопа на внешние силы. Момент гироскопической реакции, сущность теоремы Резаля. Оценка воздействия мгновенной силы на направление оси гироскопа.
презентация , добавлен 30.07.2013
Понятие и главное свойство гироскопа (волчка). Основное допущение элементарной теории. Сущность теоремы Резаля. Особенности движения волчка при воздействии внешних сил. Изучение закона прецессии гироскопа. Определение момента гироскопической реакции.
презентация , добавлен 02.10.2013
Элементарное представление о гироскопе, его основные свойства, принцип работы и применение в технике. Теорема Резаля. Направление оси свободного гироскопа в инерциальной системе отсчета. Регулярная прецессия тяжелого гироскопа, правило Жуковского.
презентация , добавлен 09.11.2013
Анализ режимов работы гироскопа при малой угловой скорости основания. Составление уравнений движения с помощью принципа Гамильтона-Остроградского и Эйлера. Характеристика свободных колебаний гироскопа на подвижном основании с учетом и без учета трения.
дипломная работа , добавлен 08.07.2012
Магнитоэлектрические датчики момента. Исследование математической модели динамически настраиваемого гироскопа с газодинамической опорой ротора, учитывающей угловую податливость скоростной опоры. Уравнения движения динамически настраиваемого гироскопа.
дипломная работа , добавлен 12.04.2014
Разработка новой математической модели микромеханического гироскопа камертонного типа на подвижном основании. Анализ уравнений движения данного гироскопа. Нахождение угловой скорости прецессии волновой картины колебаний, иллюстрирующей биение резонатора.
дипломная работа , добавлен 19.07.2012
Фотоупругость - следствие зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации. Волоконно-оптические сенсоры с применением фотоупругости. Фотоупругость и распределение напряжения. Волоконно-оптические датчики на основе эффекта фотоупругости.
курсовая работа , добавлен 13.12.2010
Разделение четырехмерного пространства на физическое время и трехмерное пространство. Постоянство и изотропия скорости света, определение одновременности. Расчет эффекта Саньяка в предположении анизотропии скорости света. Изучение свойств NUT-параметра.
статья , добавлен 22.06.2015
Светотехнический расчет механического, заточного и инструментального отделений. Выбор источников света, системы освещения. Размещение светильников в помещении. Мощность источников света. Рекомендации по монтажу и мероприятия по технике безопасности.
курсовая работа , добавлен 06.03.2014
Чувствительность оптического приемного модуля. Сопротивление нагрузки фотодетектора. Интеграл Персоника для прямоугольных входных импульсов и выходных импульсов в форме "приподнятого косинуса". Длина регенерационного участка волоконно-оптической системы.
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской
Революции и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.Э.Баумана.
________________________________________________
Факультет РЛ
Кафедра РЛ2
Реферат по теме
"Волоконно-оптические гироскопы"
студентки
Матвеевой Ляны Александровны
Введение..........................................................................................................................
Принцип действия оптического гироскопа.................................................................
Структурные схемы оптических гироскопов..............................................................
Кольцевой лазерный гироскоп......................................................................................
Волоконно-оптические гироскопы...............................................................................
Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа........................
Методы повышения чувствительности......................................................................
Шумовые факторы, методы их устранения................................................................
Основные оптические системы с повышенной стабильностью..............................
Факторы, ограничивающие разрешающую способность.........................................
Характеристики и методы их улучшения..................................................................
Система с фазовой модуляцией...................................................................................
Системы с изменением частоты..................................................................................
Система со световым гетеродинированием...............................................................
Заключение....................................................................................................................
Список литературы.......................................................................................................
Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инерциальной навигационной системы, обрабатывающей информацию о местонахождении самолета или судна с целью выведения его на курс. В состав этой системы обычно входит три гироскопа - для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей, три акселерометра - для определения скорости и расстояния и направлении трех осей и компьютер - для обработки выходных сигналов этих приборов. К самолетным гироскопам предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля 0,01°/ч, динамический диапазон 6 порядков, высокая стабильность (10 -5) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал. До сих пор применялись в основном механические гироскопы, работающие на основе эффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального пространства (закон сохранения момента количества движения). Это дорогостоящие приборы, поскольку требуется высокая точность формы тела вращения и минимальное возможное трение подшипников. В отличие от механических оптические гироскопы, например, волоконно-оптические, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую рядом достоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к ускорению; простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность.
Кроме того, возможно снижение стоимости волоконно-оптических гироскопов за счет внедрения оптических интегральных схем. Наряду с использованием в самолетах и на судах можно ожидать по мере прогресса в технике гироскопов применения их в автомобилях, роботах и т. д.
Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 1, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью W, между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.
в противоположном направлении -
(2)где с - скорость света.
Из формул (1) и (2) разность времени распространения двух световых волн с учетом c>>aW
(3)
Это означает, что появляется разность длины оптических путей
(4)или, иначе говоря, разность фаз
(5)Здесь S - площадь, окаймленная оптическим путем; k - волновое число.
Формула (5) вытекает из формулы (3) при допущении, что n=1 и оптический путь имеет круговую форму, но возможно доказать, что формула (5) является основной для эффекта Саньяка. Она не зависит от формы оптического пути, положения центра вращения и коэффициента преломления.
На рис. 3 приведены общие схемы систем, разработанных для повышения точности измерений. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 3, а) отличается высокой частотой световой волны - до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на рис. 3, б имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.
Кольцевой лазерный гироскоп изготовляется подобно газовому лазеру: в кварцевом блоке путем расплавления создается полость (канал) в форме треугольника и заполняется смесью гелия и неона. Длина волны генерируемого лазером излучения 632,8 нм. Обычно частота генерации изменяется в зависимости от длины лазерного резонатора. И в данном случае частоты двух генерируемых световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях по треугольному оптическому пути (рис. 3, а), неодинаковы из-за разности оптической длины DL [см. формулу (4)]. Поэтому можно использовать для измерений частоту биений обеих генерируемых световых волн, а именно
(6)Здесь L - общая длина оптического пути в кольцевом резонаторе; l - длина волны генерации в состоянии покоя.
Иначе говоря, измерив Df, можно определить угловую скорость относительно инерциального пространства. Поскольку частота света составляет несколько сотен терагерц, даже ее незначительные изменения позволяют измерить разность частот. Если выходным сигналом служит частота, пропорциональная угловой скорости, то подсчетом выходных волн можно определить приращение угла поворота в цифровой форме, что обеспечивает высокую точность информации, подаваемой в навигационное вычислительное устройство. Измерение частоты возможно в широком динамическом диапазоне, а следовательно, и динамический диапазон кольцевого лазерного гироскопа вполне можно расширить и сделать достаточным для инерциальной навигационной системы. В этом большое преимущество данных гироскопов.
Исследование кольцевых лазерных гироскопов началось в 60-х годах. К настоящему времени достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки примерно 0,001°/ч. В последнее время кольцевые лазерные гироскопы применяются в инерциальной системе отсчета не только в самолетах «Боинг» 757/767, но и в аэробусах А310. В Японии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01°/ч.
Таким образом, кольцевой лазерный гироскоп достиг уже стадии практического применения, но, тем не менее, остается ряд нерешенных проблем:
1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости (влияние синхронизма).
2. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере.
3. Изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.
Из этих проблем самой важной является первая. При малых угловых скоростях уменьшается разность частот генерируемых световых волн, а это приводит к синхронизму (Df=0) и невозможности обнаружения вращения. (Типичный порог обнаружения при этом 10°/ч.) Зона нечувствительности, обусловленная синхронизмом, показана на рис. 3, a штриховыми линиями. Указанная выше разрешающая способность обнаружения 0,001°/ч обеспечивается при подавлении явления синхронизма путем приведения всей системы к микроколебаниям (метод Дейза). Но нелинейность при незначительном повороте все же остается, кроме того, это означает, что не используется такое преимущество оптического гироскопа, как его неподвижность.