Kuituoptinen gyroskooppi

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 23.9.2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 11 muokkausta .

Kuituoptinen gyroskooppi (FOG) on optis-elektroninen laite , joka mittaa absoluuttista (suhteessa inertiaavaruuteen ) kulmanopeutta [1] . Kuten kaikkien optisten gyroskooppien, toimintaperiaate perustuu Sagnac-efektiin .

Kuituoptisen gyroskoopin valonsäde kulkee kuitukelan läpi , mistä johtuu nimi. Gyroskoopin herkkyyden lisäämiseksi käytetään pitkää (noin 1000 metriä) valoohjainta, joka on asetettu vuorotellen. Toisin kuin rengaslasergyroskoopit , kuituoptiset gyroskoopit käyttävät tyypillisesti valoa, jonka koherenssipituus on hyvin pieni , mikä on tarpeen gyroskoopin tarkkuuden lisäämiseksi tyydyttävälle tasolle. Valonlähteenä ei voi käyttää edes laserlaitetta , vaan esimerkiksi LEDiä .

Kuinka se toimii

Itse Sagnacin kokeessa kollimoitu ja polarisoitu valonsäde syötettiin interferometriin, jossa se jaettiin kahdeksi säteeksi, jotka ohittivat interferometrin vastakkaisiin suuntiin. Ohituksen jälkeen säteet kohdistettiin ja häiriökuvio tallennettiin valokuvalevylle. Kokeet osoittivat, että häiriökuvio siirtyi kokoonpanon pyöriessä ja siirtymä osoittautui verrannolliseksi pyörimisnopeuteen.

Optisen kuidun käyttö mahdollistaa peileistä eroon pääsemisen ja optisen reitin pituuden lisäämisen, mikä puolestaan määrittää havaitun vaihe-eron:

\Delta \phi _{S}={\frac {4\pi RL}{\lambda c))\cdot \Omega

missä on tuloksena saatu vaihe-ero, on ääriviivan säde, on optisen kuidun pituus, on optisen säteilyn aallonpituus, on valon nopeus tyhjiössä, on kulmanopeus. $\Delta \phi _{S}$ $R$ $L$ $\lambda$ $c$ $\Omega$

Kulmanopeuden puuttuessa vaihe-ero on nolla ja valoherkkä elementti rekisteröi maksimiintensiteetin. Kun kulmanopeus tapahtuu, tapahtuu moninkertainen muutos säteilyn vaihe-erossa. Valodetektorin intensiteetin muutos kuvataan seuraavalla yhtälöllä: $\Delta \phi _{S}$

P(\Delta \phi _{S})={\frac {P}{2}}\cdot [1+cos(\Delta \phi _{S})]

Kun tiedämme, että vaihe voi vaihdella välillä , voimme luotettavasti havaita vastaavan kulmanopeuksien alueen: $-\pi$ $+\pi$

\Omega _{\pi }={\frac {\lambda c}{2L\cdot D))

Jos 10 km pituinen silmukka kääritään 30 cm säteellä, niin optisen säteilyn lähteellä aallonpituudella 1550 nm havaittujen kulmanopeuksien alue on 4,4 astetta sekunnissa [2] . Laadukkaiden analogia-digitaalimuuntimien avulla on mahdollista havaita vaihemuutokset mikroradiaaneihin asti, mikä tarkoittaa, että tällaisen järjestelmän herkkyys on noin 0,005 astetta tunnissa .

Tällaisen gyroskoopin peruskaaviolla on joukko rajoituksia:

Häiriöfunktion symmetria ei salli pyörimissuunnan määrittämistä.
Siirtoominaisuuden epälineaarisuus aiheuttaa gyroskoopin epätasaisen herkkyyden.
Havaittujen kulmanopeuksien alue ei ole riittävä FOG:n käyttöön navigoinnissa.
Havaitun alueen (suurempi kuin ) ylitys voidaan tulkita väärin. $\pi$

Nykyaikaisten kuituoptisten gyroskooppien järjestelmässä käytetään taajuus- ja vaihemodulaattoreihin perustuvia tekniikoita .

Taajuusmodulaattorit muuttavat Sagnac-vaiheen muuttuviksi muutoksiksi vastakkaisesti kulkevien säteiden taajuuserossa, joten kun Sagnac-vaihetta kompensoidaan, erotaajuus on verrannollinen pyörimisen kulmanopeuteen Ω. Taajuusmodulaattorit perustuvat akusto-optiseen vaikutukseen, mikä tarkoittaa, että kun ultraäänivärähtelyt kulkevat väliaineen läpi, siihen ilmaantuu mekaanisia rasituksia sisältäviä alueita (puristus- ja harventumisalueita), mikä johtaa väliaineen taitekertoimen muutokseen. Ultraääniaallon aiheuttamat muutokset väliaineen taitekertoimessa muodostavat tulevan valon diffraktiokeskuksia. Valon taajuussiirtymä määräytyy ultraäänivärähtelyjen taajuuden mukaan. Taajuusmodulaattoreiden etuna FOG:ssa käytettynä on lähtösignaalin esitys digitaalisessa muodossa.

Vaihemodulaattorit muuttavat Sagnac-vaiheen vaihtosignaalin amplitudin muutokseksi, mikä eliminoi matalataajuisen kohinan ja helpottaa informaatioparametrin mittaamista.

Optimaalinen FOG-kokoonpano sisältää [2] :

Laajakaistainen optisen säteilyn lähde (optisen säteilyn superluminesoiva diodi tai erbiumkuitulähde);
Kuituoptinen jakaja tai kiertovesipumppu;
Monitoiminen integroitu optinen piiri (MIOS), joka on valmistettu litiumniobaattikiteestä ja joka suorittaa samanaikaisesti polarisaattorin , jakajan ja sähköoptisen modulaattorin toiminnot;
Kuituoptinen Sagnac-piiri, joka on FOG:n herkkä elementti;
Valoilmaisin optisen säteilyn havaitsemiseen;
Analogia-digitaalimuunnin valoilmaisimesta tulevan analogisen signaalin muuntamiseen digitaaliseksi;
Digitaali-analogi-muunnin MIOS-modulaation ohjaukseen;
Digitaalinen prosessori, joka käsittelee vastaanotetun signaalin, saa tietoa lähdön kulmanopeudesta ja joka ohjaa FOG:n toimintaa.

Laitteen ominaisuudet

Tällaisen laitteen ulkonäköä kuituoptiseksi gyroskoopiksi helpotti kuituoptiikan kehitys, nimittäin yksimuotoisen dielektrisen valonohjaimen kehittäminen, jolla on erityisominaisuudet ( vastakkaisten säteiden vakaa polarisaatio , korkea optinen lineaarisuus, riittävän pieni vaimennus) . Nämä valoohjaimet määrittävät laitteen ainutlaatuiset ominaisuudet:

mahdollisesti korkea tarkkuus;
rakenteen pienet mitat ja paino;
laaja valikoima mitattuja kulmanopeuksia;
korkea luotettavuus laitteen pyörivien osien puuttumisen vuoksi.

Sovellus

Käytetään laajasti keskitarkkuusluokan inertianavigointijärjestelmissä. FOG:iin perustuvia SINS:iä käytetään maaliikenteen, laivojen, sukellusveneiden ja satelliittien navigoinnissa [3] .

Venäjällä

Venäjällä useat keskukset harjoittavat nykyaikaisten kuituoptisten gyroskooppien ja niihin perustuvien laitteiden tuotantoa ja tutkimusta:

Tutkimus- ja tuotantoyhtiö "Optolink" [4]
Konsertti keskustutkimuslaitos "Elektropribor"
PJSC "Perm Research and Production Instrument-Making Company" (PNPPK)
CJSC "Physoptika" [5]

Lisäksi PNRPU :n , ITMO :n [6] , LETI :n ja SSU :n [7] tutkijaryhmät tekevät tutkimusta ja koulutusta parantaakseen kuituoptisten gyroskooppien ja niihin perustuvien laitteiden ominaisuuksia.

Muistiinpanot

↑ Vali, V.; Shorthill, RW (1976). kuiturengasinterferometri. Sovellettu optiikka . 15 (5): 1099-100. Bibcode : 1976ApOpt..15.1099V . DOI : 10.1364/AO.15.001099 . PMID20165128 . _
↑ 1 2 Hervé C. Lefèvre. Kuituoptinen gyroskooppi . - Toinen painos. - Boston, 2014. - 1 online-resurssi s. - ISBN 978-1-60807-696-3 , 1-60807-696-2, 978-1-5231-1764-2, 1-5231-1764-8.
↑ Yu. N. Korkishko, V. A. Fedorov, V. E. Prilutsky, V. G. Ponomarev, I. V. Morev, S. F. Skripnikov, M. I. Hmelevskaya, A. S. Buravlev, S. M. Kostritsky, A. I. Varnakov, V. K. Strapdown-inertianavigointijärjestelmät, jotka perustuvat kuituoptisiin gyroskooppeihin (venäjäksi) // Gyroskooppi ja navigointi: päiväkirja. - 2014. - V. 1 , nro 84 . - S. 14-25 . — ISSN 0869-7035 .
↑ LLC Tiede- ja tuotantoyhtiö "Optolink" | Tutkimus- ja tuotantoyhtiö "Optolink" . www.optolink.ru _ Haettu 27. huhtikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 15. kesäkuuta 2021. (määrätön)
↑ Fysiikka . www.fizoptika.ru _ Haettu 27. huhtikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 2. huhtikuuta 2022. (määrätön)
↑ Kuituoptinen gyroskooppi . sf.itmo.ru _ Käyttöönottopäivä: 27.4.2022. (Venäjän kieli)
↑ Kuituoptiset ja lasergyroskoopit | SSU - Saratovin osavaltion yliopisto . www.sgu.ru _ Käyttöönottopäivä: 27.4.2022. (määrätön)

Kirjallisuus

Sheremetiev A.G. Kuituoptinen gyroskooppi. -M.: Radio ja viestintä, 1987.
I.A. Andronova, G.B. Malykin. Sagnac-ilmiöön perustuvan kuitugyroskoopin fyysiset ongelmat // UFN . - 2002. - T. 172 , nro 8 . — S. 849–873 . - doi : 10.3367/UFNr.0172.200208a.0849 .
Filatov Yu. V. Optiset gyroskoopit. Venäjän federaation valtion tieteellinen keskus, keskustutkimuslaitos "Elektropribor", 2005.
Lefèvre, Hervé C. Interferometrisen kuituoptisen gyroskoopin perusteet. Artech House, 2014.