Šviesolaidžio

Giroskopas

Herve Lefebvre'as

(vertė A.I. Tsaplin)

Technologijų namai

Bostonas · Londonas

Knygos apie šiuos technologijų namus nuolat spausdinamos.

Ši knyga buvo išleista kaip Technologijų namų programos dalis, nuolat spausdinama programoje. Šios programos knygos yra knygų, kurias anksčiau išspausdino technologijų namai, kopijos, kurias dabar galima įsigyti tik pavieniais egzemplioriais, skaitytojams paprašius. Norėdami gauti informacijos apie šimtus pavadinimų, pasiekiamų per šią programą, susisiekite su Technologijų namais.

www.artech-house.com

ISBN: 0-89006-537-3

Artech House Publishers Bostonas . Londonas

Optoelektronikos namų technologijų biblioteka

Brianas Gulshafas, Alanas Rogersas ir Henry Tayloras, serialo redaktoriai

Akustinių ir optinių signalų apdorojimas: pagrindai ir taikymas, Pankaj Das

Amorfiniai ir mikrokristaliniai puslaidininkiniai įtaisai, optoelektroniniai prietaisai, Jerzy Kaniski ir kt.

Elektrooptinių sistemų modeliavimų atlikimas. Gary Waldman ir John Wootton

Šviesolaidiniai giroskopai, Herve'as Lefebvre'as

Akustinių ir optinių signalų apdorojimo įrenginių lauko teorijos, Craigas Scottas

Labai koherentiniai puslaidininkiniai lazeriai, Motoichi Otsu

Įvadas į elektrooptines vaizdo gavimo ir sekimo sistemas, Khalile Seirafi ir S. Hovanessian

Integruotos skaidrios optikos įvadas, S. Irajus Najafis

Optinis mikrobangų prietaisų valdymas, Rainier N. Simons Šviesolaidiniai jutikliai, 1 tomas: principai ir komponentai, Johnas Dakinas ir Brianas Kulshavas.

Šviesolaidiniai jutikliai II tomas: sistemos ir taikymas, Brianas Kulshavas ir Johnas Dakinas.

Optinio tinklo teorija, Itzhak Weissman.

Šiuolaikinių optinių sistemų principai, I tomas

Šiuolaikinių optinių sistemų principai, II tomas, I. Andonovik ir D. Uttamkhandani.

Polimerinių ir puslaidininkinių lazerių patikimumas ir degradacija, Mitsuo Fukuda.

Vienmodžio optinio pluošto matavimai: našumas ir jautrumas, Giovanni Cancellieri.

Šviesolaidiniai giroskopai / Hervé Lefebvre.

ISBN 0-89006-537-3

1. Optiniai giroskopai. I. Pavadinimas

TL589.2.06L44 1993 m

Britų bibliotekos katalogavimas leidinių duomenyse

Šviesolaidiniai giroskopai

ISBN 0-89006-537-3

© 1993 ARTECH HOUSE, INC.

Kantono gatvė

Norwood, MA 02062

Visos teisės saugomos. Atspausdino ir įrišo JK Anthony Rowe Ltd. Be raštiško leidėjo leidimo, jokia šios knygos dalis negali būti atgaminta ar naudojama jokia forma ar bet kokiomis priemonėmis, elektroninėmis ar mechaninėmis, įskaitant kopijavimą, įrašymą ar bet kokią informacijos paieškos sistemos saugojimą.

Tarptautinis standartinis knygos numeris: 0-89006-537-3

Kongreso bibliotekos katalogo numeris: 92-28194

Sofija, Šarlotė ir Eliotas

"C"est un giroskopas, c"est la cle de l"Absolu"

Le Roi des Aulnes

Įžanga………………………………………………………………………………….. 10 Įžanginės pastabos…………………….………………… ……… …………...vienuolika

1 skyrius. Įvadas………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………… …………………………………..15

2 skyrius. Šviesolaidinio giroskopo principai………………….………16

2.1. Sagnac efektas…………………………………………………………………..16

2.1.1. Sagnac interferometras……………………………………………..…16

2.1.2. Byla dėl esmės……………………………………………………………………………………………………………..

2.2. Aktyvieji ir pasyvieji žiedų rezonatoriai ………… …………..23

2.2.1. Žiedinis lazerinis giroskopas (RLG)…………………………..23

2.2.2. Rezonuojantis šviesolaidinis giroskopas (R-FOG)……….26

2.3. Pasyvaus pluošto žiedo interferometras………………………..27

2.3.1. Interferometrinio pluošto principas

optinis giroskopas (I-VOG)……………………………………..27

2.3.2. Teorinis jautrumas………………………………..30

2.3.3. Triukšmas, poslinkis ir mastelio faktorius………………………………..34

2.3.4. Pralaidumas…………………………………………………… 35

3 skyrius. Grįžtamumas žiedinio pluošto interferometre………….…38

3.1. Grįžtamumo principas……………………………………………………………..38

3.1.1. Bangos sklidimo grįžtamumas………………………..……..38

3.1.2. Grįžtamasis suskaidyto pluošto elgesys…………………………39

3.2. Minimali žiedinio pluošto konfigūracija

interferometras……………………………………………………….….…41

3.2.1. Abipusės konfigūracijos…………………………………………41

3.2.2. Grįžtamieji moduliavimo-demoduliavimo poslinkiai……………………..43

3.2.3. Būdingasis arba pagrindinis dažnis……………………………………….47

3.3. Abipusiškumas kelių skaidulų grandinėje………………………………………..55

3.3.1. Be galo maža lauko jungtis (arba X jungtis

arba 4 prievadų jungtis)……………………………………..….55

3.3.2. Y jungtis……………………………………………………………..58

3.3.3. Kelių skaidulų metodas……………………………………………..60

3.3.4. Hibridinės architektūros su integruota optika:

optimali "Y atšaka" arba "Y jungtis"………….…63

3.4. Abipusės poliarizacijos problema………………………………………68

3.4.1. Atsisakymas naudoti paprastą vienmodį šviesolaidį………………………..68

3.4.2. Poliarizaciją palaikančių skaidulų naudojimas………..… 71

3.4.3. Depoliarizatorių naudojimas…………………………………… 72

3.4.4.Depoliarizacijos šaltinio naudojimas…………………………72

4 skyrius. Atspindys ir atgalinė sklaida………………..….………….…….….76

4.1. Refleksijos problema…………………………………………………………………76

4.1.1.Atspindžio mažinimas pasvirusiu jungtimi…………………….76

4.1.2. Šaltinio darnos įtaka……………………………………79

4.2. Atgalinės sklaidos problema……………………………………………………………81

4.2.1. Nuosekli atgalinė sklaida………………………………………..81

4.2.2.Plačiajuosčio ryšio šaltinio naudojimas………………….….81

4.2.3 Liekamojo triukšmo paklaidos nustatymas

atgalinis sklaidymas………………………………………………………………..…..83

5 skyrius. Plačiajuosčio ryšio poliarizacijos negrįžtamumo analizė

šaltinis ir pluošto dvigubo lūžio pasiekimas………………86

5.1.Depoliarizacijos efektas dvipusio lūžio atveju

poliarizaciją išsaugantys pluoštai………………………………..86

5.2.Skaidulų poliarizacijos negrįžtamumo analizė

giroskopas, palaikantis visą poliarizaciją

bangolaidžio konfigūracija……………………………………………………………….89

5.2.1. Intensyvumo tipų poveikis……………………………………89

5.2.2. Pastabos apie depoliarizacijos ilgį Ld

prieš koreliacijos poliarizacijos ilgį Lpc…………..…..94

5.2.3. Tipiški amplitudės efektai………………………………..98

5.3.Depoliarizatoriaus naudojimas……………………………………………………………99

5.4. Optinės koherencijos ilgio poliarimetrijos (OCDP) įvertinimas

remiantis baltos šviesos takų palyginimu interferometrijos metu.....101

6 skyrius. Nepastovūs dreifo ir triukšmo ryšiai………………..108

6.1. Nepastovios temperatūros poveikis………………………………..108

6.2. Akustinio triukšmo ir vibracijos poveikis……………………………..…111

7 skyrius. Tikslūs negrįžtamumo padariniai…………………………………………………….

7.1. Magnetinis-optinis Faradėjaus efektas………………………………..112

7.2. Netiesinis Kero efektas……………………………………………….117

8 skyrius. Tikslumo koeficientų įvertinimas……………………………………………………………

8.1. Interferometrinio tikslumo įvertinimo problema

skaidulinis giroskopas……………………………………………

8.2. Uždaras darbo ciklas…………………………………………..….…124

8.2.1. Dažnio poslinkio naudojimas………………………………………..124

8.2.2. Analoginės rampos fazės signalas arba herodinas

moduliavimas………………………………………………………………………………..127

8.2.3. Skaitmeninis rampos fazinis signalas……………………….132

8.2.4. Metodas skaitmeninis apdorojimas uždaras darbo ciklas.........139

8.3. Bangos ilgio valdymas……………………………………………………..………..145

8.3.1. Žiedo bangos ilgio priklausomybė

interferometras su plačiajuosčio ryšio šaltiniu 145

8.3.2. Fazių moduliacijos efektas…………………………………………………………………………………………………

8.3.3. Bangos ilgio valdymo grandinės………………………..149

9 skyrius. I-VOG technologijos………………………………………………………153

9.1. Optimalių eksploatavimo sąlygų apibendrinimas………………..153

9.2. Šaltinis………………………………………………………………..155

9.2.1. Superliuminescencinis diodas…………………………………..155

9.2.2. Skaidulų šaltinių retųjų žemių dopingas…………156

9.3. Pluošto ritė………………………………………………..158

9.4. Interferometro „širdis“………………………………………..159

9.5. Detektorius……………………………………………………………………………………………

10 skyrius. Alternatyvūs I-FOG metodai……………………………….….164

10.1. Alternatyvios optinės konfigūracijos…………………….….164

10.2. Alternatyvios signalų apdorojimo schemos………………………..….166

10.2.1.Atviros kilpos diagrama naudojant

daugialypės harmonikos………………………………………………166

10.2.2. Antrinės harmonikos Atsiliepimas………………………....166

10.2.3. Fazinio grįžtamojo ryšio moduliacijos impulsai……………167

10.2.4. Heterodino ir pseudoheterodino grandinės…………………..168

10.2.5. Ramp ritmo aptikimas

atsiliepimai……………………………………………………….…170

10.2.6. Dvigubas pjūklo signalas atsiliepimai………………….171

10.3. Didelis dinaminis diapazonas su

dauginamieji šaltiniai bangos ilgiai…………………….172

11 skyrius. Rezonuojantis šviesolaidinis giroskopas (R-FOG)……….175

11.1. Daugiapluoštinės žiedinės ertmės veikimo principas……………175

11.2. Signalų apdorojimo metodas……………………………………………………….…….179

11.3. Sąveika skaidulinio žiedo rezonatoriuje………………….…182

12 skyrius. Taikymas ir tendencijos………………………………………………………..188

12.1. Dabartinė raidos padėtis…………………………………………..188

12.2. Ateities tendencijos ir baigiamosios pastabos…………..190

1 priedas. Optikos pagrindai………………………………………………..…192

A 1.1. Optinės bangos vakuume………………………………………..

A1.2. Optinių bangų poliarizacija……………………………………….…196

A1.3. Paplitimas dielektrinėje terpėje………………….………200

A1.4. Geometrinė optika……………………………………………….209

A1.5. Dielektrinė riba: atspindys, lūžis ir

bangų perdavimas………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

A1.6. Trikdžiai…………………………………………………………..215

A1.7. Daugiabangiai trukdžiai………………………………………….. 220

A1.8. Difrakcija ir Gauso spindulių pluoštas…………………………………..223

A 1.9. Suderinamumas…………………………………………………………227

A l.10. Dvipusis lūžis…………………………………………..241

Bibliografija………………………………………………………………..246

2 priedas. Vienmodės šviesolaidinės optikos pagrindai…………………………246

A2.1. Diskretaus režimo valdymas daugiamodėje skaiduloje………….246

A2.2. Vienmodžiai skaidulos……………………………………………….251

A2.3. Stiklo panaudojimas vienmodiuose pluoštuose………………..…….256

A2.4. Vienmodio skaidulų prijungimas prie doko…………………………………………………………………………………………………………………

A2.5. Dvigubas lūžis vienmodiame pluošte………………………266

A2.6. Poliarizaciją išsaugantys pluoštai………………………………..271

A2.7. Vienmodių skaidulų trikdžiai ir

atitinkami komponentai………………………………………………280

Bibliografija…………………………………………………………………..285

3 priedas. Integruotos optikos pagrindai………………………………………..286

A3.1. Integruotas šviesolaidinis pluoštas……………………………………….286

A3.2.LiNbO 3 integruota optika……………………………………………………….290

A3.3. Protonų mainų bangolaidžiai………………………………………..295

Bibliografija………………………………………………………………..298

4 priedas. Reliatyvistinio efekto elektromagnetinė teorija

Sanyaka……………………………………………………………..298

A4.1. Specialioji reliatyvumo ir elektromagnetizmo teorija……….298

A4.2. Elektromagnetizmas besisukančioje atskaitos sistemoje…………..308

A4.3. Toroidinio dielektriko sukimosi atvejis

bangolaidis………………………………………………………..311

Bibliografija………………………………………………………………..313

Simboliai………………………………………………………………………………………314

Pratarmė

Kaip serijos redaktorius, aš ypač džiaugiuosi, kad ši labai svarbi knyga apie šviesolaidinį giroskopą buvo baigta ir išleista. Šviesolaidinis giroskopas mano draugą žavi jau daugiau nei dešimt metų. Man pasisekė, nors ir trumpai, dirbti su Hervé Stanforde devintojo dešimtmečio pradžioje, ypač įdomiu metu, kai buvo atrasta giroskopo fizika. Hervé knyga paskatino gerbėjų susidomėjimą tokiu būdu, kuris būdingas tik giroskopui. Jo ypatingas susižavėjimas ir iššūkis kyla dėl poreikio vienu metu suprasti visas fizinės optikos, bangų optikos, elektronikos, signalų apdorojimo ir mechaninės inžinerijos problemas.

Šviesolaidinio jutimo bendruomenėje (ar bent jau giroskopo fanatikams) giroskopas laikomas pasiekimų viršūne. Niekas nepasakojo savo istorijos taip meistriškai kaip Hervé. Toliau pateikiama tikroji Hervé istorija. Tekste, kuriame pateikiami fizikos ir taikomųjų mokslų pasiekimai, yra ir individualių autoriaus idėjų bei sprendimų. Netgi alternatyvius metodus turintys inžinieriai turėtų pripažinti šiame dokumente aprašytų sprendimų kokybę. Manau, kad šis tekstas tobulinamas ir įdomus skaityti. Tai atspindi vieno vyro vyrišką požiūrį ir entuziazmą. Esu tikras, kad jūs taip pat dalinsitės įspūdžiais, kai gilinsimės į istoriją, kuri žada būti XXI amžiaus navigacijos technologijos pagrindas.

Profesorius Brianas Gulshaw

Glazgas, Škotija

1992 metų birželis

Preliminarios pastabos

Penkiolika metų trukusių tyrimų ir plėtros sukūrė šviesolaidinio giroskopo potencialą, kuris dabar laikomas tinkamiausia technologija būsimoms inercinės valdymo sistemos programoms. Jo „kieto korpuso“ konfigūracija suteikia esminių pranašumų, palyginti su ankstesniais metodais, naudojant besisukančius ratus arba žiedinius dujų lazerius.

Susidomėjimas šviesolaidiniais giroskopais sparčiai auga daugelyje įmonių visame pasaulyje. Plėtra, gamyba ir sistemų inžinerija parodo problemos sudėtingumą, kuri taip pat apima mokslinių ir techninių tyrimų bendruomenes. Taigi laikas pristatyti Išsamus aprašymas atliko tyrimus, kurie buvo atlikti siekiant praktinių prietaisų. Nepaisant santykinio galutinio šviesolaidinio giroskopo dizaino paprastumo, jis išlieka sudėtingas instrumentas su daugybe subtilių klaidų šaltinių, kurias reikia suprasti ir kontroliuoti. Dalykui reikalingas tarpdisciplininis požiūris, apimantis fiziką, bangų optiką, optinę-elektroninę inžineriją, signalų apdorojimo teoriją ir elektroninis dizainas. Temų įvairovė yra geras pavyzdys išsami sistemos analizė, o šviesolaidinio giroskopo studijos suteiks gerą pagrindą absolventų teoriniam ir eksperimentiniam šviesolaidžio ir optoelektronikos mokymo programai.

Kad padėtų skaitytojui, įtraukiau išsamius priedus, kuriuose pateikiama informacija iš optikos, vienmodės skaidulinės optikos ir integruotos optikos, reikalingos skaiduliniam giroskopui suprasti, ir yra bendravimo su optoelektroninių komponentų dizaineriais terminijos. Pradedantiesiems ši medžiaga padės neieškoti konkrečių pagrindų, kad suprastų bendrą knygos tekstą. Tačiau, remiantis savo patirtimi, šių paraiškų rengimas pasirodo esąs naudingų atsiliepimų ir tiems, kurie jau yra susiję su dalykine sritimi. Taip pat stengiausi (išskyrus 4 priedą) kiek įmanoma vengti sudėtingos matematikos ir formulių. Daugelis paveikslėlių supaprastina paaiškinimus ir padeda skaitytojui suprasti svarbias idėjas ir taisykles.

Hervé C. Lefebvre Paris Prancūzija 1992 m. kovas

1 skyrius. Įvadas

Mechanikos dėsniai rodo, kad uniforma tiesinis judėjimas negali būti aptiktas prietaisu, esančiu juodos dėžės viduje. Kita vertus, šis instrumentas gali aptikti linijinius pagreičius ar sukimąsi. Tikslius matavimus galima atlikti naudojant mechaninį akselerometrą ir giroskopą. Tai yra inercinės orientacijos ir navigacijos pagrindas. Žinant pradiniai orientyrai ir transporto priemonės padėtis reiškia, integracija (matematinė) leidžia iš pagreičio nustatyti transporto priemonės greitį ir trajektoriją.Tokie inerciniai metodai yra visiškai autonomiški ir nereikalauja išorinių šaltinių: nepriklauso nuo jokių efektų ar trukdžių. Jau penkiasdešimt metų jie buvo pagrindinė technologija aeronautikos, jūrų pajėgų ir kosminės sistemos civiliniams ir kariniams tikslams.

1913 metais Sagnac pademonstravo, kad sukimąsi inercinėje erdvėje galima aptikti ir naudojant optinę sistemą, kuri neturi judančių dalių. Jis panaudojo interferometro žiedą ir parodė, kad sukimasis sukelia fazių skirtumą tarp dviejų priešingai sklindančių spindulių. Tačiau pradiniai nustatymai buvo labai toli nuo praktinio sukimosi matavimo dėl labai riboto jautrumo. 1925 metais Michelsonas ir Hale'as sugebėjo išmatuoti Žemės sukimus milžinišku žiediniu interferometru, kurio perimetras yra beveik 2 km, su padidintu jautrumu, tačiau Sagnac efektas fizikai liko nepastebėtas daugelį dešimtmečių, nes pakankamai kompaktiškuose įrenginiuose nepavyko pasiekti naudingų rezultatų.

Ši galimybė pagaminti giroskopą be judančių dalių, kad būtų pakeisti mechaniniai ratais besisukantys giroskopai, tebėra labai patraukli, ir 1962 m. Rosenthal pasiūlė padidinti jautrumą naudojant žiedinį lazerį, kuriame priešingai sklindančios bangos kartojasi per rezonansinę grandinę, o ne vieną kartą. Originalus Sagnac interferometras. Tai pirmą kartą pademonstravo Masekas ir Davisas 1963 m., o žiedinio lazerinio giroskopo technologija dabar pasiekė visą savo brandą ir naudojama daugelyje inercinės navigacijos programų.

Tačiau dėl didžiulių technologinių pastangų, skirtų mažo nuostolio optinių skaidulų ir kietojo kūno puslaidininkinių šviesos šaltinių detektorių, skirtų telekomunikacijų reikmėms, kūrimui aštuntajame dešimtmetyje, atsirado galimybė naudoti kelių skaidulų optines rites, o ne žiedinį lazerį, siekiant sustiprinti Sagnac efektą. kelių recirkuliacijų. 1967 m. pradžioje Pircherio ir Hepnerio pasiūlytas, o 1976 m. eksperimentiškai pademonstruotas Wali ir Shorthill, šviesolaidinis giroskopas nuo tada sulaukė didelio mokslinio ir technologinio susidomėjimo, nes suteikia unikalių pranašumų dėl savo kietojo kūno konfigūracijos.

Temai buvo skirta daugybė publikacijų (770!), o reikšmingiausi indėliai apibendrinti viename tome, o tai labai patogu dirbant šioje srityje. Trijų konferencijų, skirtų konkrečiai šiai temai, medžiaga taip pat puikiai apžvelgia technologijos pažangą per penkiolika tyrimų ir plėtros metų. Svarbiausias žingsnis buvo pramoninė gaminių gamyba, kurią ėmėsi kelios įmonės. Įjungta šioje stadijoje atrodo tikslinga pateikti išsamią MTEP etapo rezultatų analizę, taip pat išryškinti koncepcijas, kurios išryškėjo kaip pageidaujami sprendimai.

Prieduose pateikiami optikos, vienmodės šviesolaidžio ir integruotos optikos pagrindai, kad skaidulinius giroskopus būtų lengviau suprasti. Ketvirtajame priede pateikiamas labiau specializuotas požiūris į elektromagnetizmą, kad paaiškintų reliatyvistinį Sagnac efektą.

[I] Sagnac, G., "L"ether lumineux demontre nominal l"effet du vent relatif d"ether dans UN interferometer en rolation uniformc", cont rendus de G. des academic science. Vol. 95, 1913, p. 708 -710. Sagnac, G., "Sur la preuve de la realite de cable lumineux par I"experience de I"interferographe tournant", cont rendus de I"Acaddmie Sciences, 95 tomas, 1913, pp. 1410–1413 m.

Mikhelsonas, a. A. ir n. P. Gale, astrofizikos žurnalas, 61 tomas, 1925, p. 401.

Rosenhal, a. n., "Kelių trukdančių spindulių regeneracinė inversija šviesos sklidimo tyrimui", J.O.S.A., t. 52, 1962. p. 1143-1148.

Stepánek, in. m. ir D.T.M. Davis, „Probing Rotation as a Laser Beam Wave Moves in a Ring“, Applied Physics Writing, Vol. 2, 1963, p. 67-68.

Ezekiel, S. ir G. E. Knausenberger, red., "Lazeriniai inerciniai sukimosi jutikliai", SPIE medžiaga, t. 157, 1978.

Shaw, W.W., Gea Bualochi, I.M., Redrotli, W.E., Sanders, W., Schleisch ir M.O. Scully, „Ring Laser Gyro“, „Modern Physics“ apžvalga, 57 tomas, 1985, 61 psl., Chow.

Pierscher J. ir. J. Hepner, "Perfectionnemenls aux dispositifs du type girometre interferomet-rique laser", Prancūzijos patentas 1.563.720, 1U67.

Vali V.R.V. Shorthilf, "Fiber ring interferometer", Applied Optics, t. 15, 1976. p. 1099-1100 (SPIE, MS8, p. 135-136).

Kalvis. R.V., „Skaiduliniai optiniai giroskopai 1991: publikuotos literatūros bibliografija“, SPIE Proceedings, 1585 tomas, 1991, p. 464–503.

Smith, R.B., red., „Pasirinkti straipsniai apie šviesolaidinius giroskopus“, SPIE Milestone Series, t. MS8, 1989. Pastaba: Šioje knygoje pateiktoms nuorodoms mes įtraukėme (SPIE, MS8, p. xx-yy) į šį etapą.

Ezekielis, S. ir H. ir. Arditty, red., "Fiber Optical Rotational Sensors and Related Technologies", Pirmosios tarptautinės konferencijos ataskaita, Trumpa optikos mokslų serija, t. 1981 m., 32 d.

Udd E. ed., "Fiber Optic Giroscopes: 10th Anniversary Conference", SPIE Proceedings, 719 tomas, 1986 m.

Ezekiel, S. ir E. Udd, red., „Fiber Optic Giroscopes: XV Anniversary Conference“, SPIE Pro ceedings, 1585 tomas, 1991 m.

2 skyrius. Šviesolaidinio giroskopo principai

Sagnac efektas

Sagnac interferometras

Šviesolaidinis giroskopas yra pagrįstas Sagnac efektu, kuris sukuria fazių skirtumą ΔΦ R, proporcingas interferometro žiedo sukimosi greičiui Ω. Pradinė Sagnac sąranka susideda iš kolimuoto šaltinio su pluošto padalijimu ant plokštelės, kad įvestyje būtų izoliuotos dvi šviesos bangos, kurios sklinda priešingomis kryptimis išilgai uždaros kilpos, apibrėžtos veidrodžių (2.1 pav.). Tiesioginių trukdžių kraštų modelis gautas neatsižvelgiant į vieną klaidą, o trikdžių kraštų periferinės dalies poslinkis buvo stebimas kaip visos sistemos sukimasis. Šis trukdžių pakraščių poslinkis atitinka skirtumą ΔΦ R, tarp dviejų priešingų bangų, priklausomai nuo modelį supančios srities.

Tai galima paaiškinti atsižvelgiant į daugiakampį kelią M 0 M 1 ...M N -1 M 0 . Ramybės būsenoje abu priešingi keliai yra lygūs, tačiau sukant aplink centrą dalis kelio sukimosi kryptimi suteikia

padidėjus М 0 М′ 1 …M′ N -1 M N, o sukimasis priešinga kryptimi, sumažėja М 0 М′′ 1 …M′′ N -1 M′′ N (2.2 pav.). Tiesą sakant, stebėtojui inercinės ramybės sistemoje taškai M i juda R spindulio apskritimu, o šviesa sklinda daugiakampio M′ i M′ i +1 arba M′′ i M′′ i kraštinėmis. +1 , o ne palei M i M i +1 . Visų pirma, pirmoje sukimosi vienakrypčio dalyje daugiakampis kelias tampa M 0 M′ 1 (2.3 pav.). Žymintys 2θ kampą M 0 OM 1, δθ – kampą M 1 OM′ 1, L M – ilgį M 0 M 1 ir δL M kelio prieaugio ilgį M 0 M′ 1 – M 0 M 1, gauname:

, (2.1)

Šis pirmos eilės kampas δθ yra sukimosi kampas šviesai sklindant tarp M 0 ir M 1:

(2 2)

ir nuo tada , o trikampio M 0 OM 1 plotas yra , tai suteikia:

. (2.3)

Reiškinys stebimas ramybėje, kai šviesa visada sklinda c greičiu; taigi, prieaugio δL M kelias atitinka δ padidėjimą t+ sklidimo laikas:

(2.4)

Kiekvienai daugiakampio kraštinei yra vienodas augimas ir priešinga variacija δ t – =–δ t+ priešinga kryptimi. Šviesos sklidimo laiko skirtumas tarp dviejų priešingų uždarų takų vakuume:

(2.5)

Kur yra visų trikampių plotų suma (ty bendras uždaras plotas A). Šis laiko skirtumas, išmatuotas interferometru, suteikia fazių skirtumą:

(2.6)

čia ω yra bangos kampinis dažnis. Galima parodyti, kad šis rezultatas yra bendras ir gali būti išplėstas išilgai bet kurios sukimosi ašies ir bet kurios uždaros kilpos, net jei jos nėra plokštumoje, naudojant taškinį sandaugą A · Ω:

(2.7)

Kur Ω yra sukimosi greičio vektorius ir A– uždarojo ciklo ploto vektoriaus ekvivalentas, nustatytas tiesine integracija:

(2.8)

Kur r– radialinė vektoriaus koordinatė. Sagnac efektas gali būti pavaizduotas kaip sukimosi vektoriaus srautas Ω per uždarą zoną.

Norint giliau suprasti Sagnac efektą, jį galima laikyti paprastu „tobulo“ apskritimo tako, kuris yra daugiakampio kelio su begaliniu kraštinių skaičiumi, riba. Į sistemą patekusi šviesa suskaidoma į dvi priešingos krypties bangas, kurios grįžta į sceną, įveikusios tą patį kelią priešingomis kryptimis (2.4a pav.). Dabar, kai interferometras sukasi, ramybės būsenoje esantis stebėtojas inerciniame rėme mato šviesą, kuri įvedama į interferometrą momentu M (2.4 pav., b) ir sklinda dideliu greičiu vakuume. c priešingomis kryptimis; tačiau perkėlimo metu tv per posūkį spindulys perėjo į tašką M", o mūsų stebėtojas mato, kad banga sukimosi kryptimi nukeliavo ilgesnį kelią nei priešinga. Šį kelio skirtumą galima išmatuoti interferometrinėmis priemonėmis.

Panagrinėkime sistemą, susidedančią iš šaltinio S, esančio vienodu atstumu nuo dviejų veidrodžių M 1 ir M 2 (2.5,a pav.). Šviesa iš šaltinio sklinda priešingomis kryptimis, o po atspindžio abi bangos grįžta į šaltinį vienu metu. Dabar, jei sistema juda horizontaliai (2.5 pav., b), stebėtojas „laboratorinėje“ sistemoje pirmiausia stebės šviesą iš veidrodžio M 1, sklindančią iš įeinančios šviesos.

bangomis, o tada iš kito veidrodžio M2. Vėlavimas tarp abiejų įvykių iš esmės yra toks pat kaip Sagnac vėlavimas, jei pakeičiame apskritimo kelią išilgai atstumo tarp šaltinio ir veidrodžių ir tangentinį greitį dėl sukimosi su vertimo greičiu. Tačiau dėl atidėjimo abi veikla vykdoma dviejose skirtingose ​​vietose ir priežastinio ryšio principas negali būti taikomas. Stebėtojas judančioje sistemoje turi laukti, kol šviesa grįš į stebėtojo kilmės šaltinį tuo pačiu metu. Tada šis stebėtojas gali tik padaryti išvadą, kad judant jį arba rėmą šviesa patenka į tašką iš abiejų veidrodžių vienu metu. Atkreipkite dėmesį, kad šaltinis taip pat juda stebėtojui laboratorijoje ir jis mato šviesą, grįžtančią iš abiejų krypčių tuo pačiu metu. Tai atitinka tai, kas buvo pasakyta anksčiau, nes du įvykiai, vykstantys tame pačiame taške, yra stebimi vienu metu bet kurioje atskaitos sistemoje.

Pastaba: Sagnac efektas gali būti interpretuojamas kaip dvigubas Doplerio efektas spindulio skirstytuvoje. Vietoj aukščiau aprašyto laiko požiūrio, tai galima analizuoti erdviškai, atsižvelgiant į sistemos „užšalimą“ tam tikru momentu (2.6 pav.). Laboratorijoje esantis stebėtojas matuoja vieną du kartus perduodamą bangą, išlaikydamas tą patį bangos ilgį, o priešingos krypties bangą du kartus atsispindi judančiame skirstytuve,

Maskvos Lenino ordinas, Spalio ordinas
Revoliucija ir Raudonosios darbo vėliavos ordinas
VALSTYBINĖ TECHNINĖ
UNIVERSITETAS
pavadintas N. E. Baumano vardu.

________________________________________________

LR fakultetas

RL2 skyrius

Anotacija tema

"Skaiduliniai optiniai giroskopai"

studentai

Matveeva Lyana Aleksandrovna

Įvadas.................................................. ...................................................... ..............................................

Optinio giroskopo veikimo principas................................................ ......................................

Optinių giroskopų struktūrinės schemos................................................ ..............................

Žiedinis lazerinis giroskopas................................................ .....................................................

Šviesolaidiniai giroskopai................................................ .................................................. ...

Optinis giroskopas su pasyvaus tipo žiediniu rezonatoriumi................................

Jautrumo didinimo metodai.................................................. ......................................................

Triukšmo veiksniai, jų pašalinimo būdai................................................ ......................................

Pagrindinės optinės sistemos su padidintu stabilumu...................................

Skiriamąją gebą ribojantys veiksniai................................................ .....

Charakteristikos ir jų tobulinimo būdai................................................ ......................................

Fazių moduliavimo sistema................................................ .............................................................. ......

Dažnio keitimo sistemos................................................ .............................................................. ......

Sistema su lengvu heterodinizavimu................................................ ..............................

Išvada................................................ .................................................. ..............

Bibliografija................................................................ .................................................. ...........

Giroskopas veikia kaip kampinio greičio detektorius inercinėje erdvėje ir teisėtai gali būti vadinamas absoliučiu tachometru, kuris yra inercinės navigacijos sistemos struktūrinis elementas, apdorojantis informaciją apie orlaivio ar laivo vietą, kad būtų galima nustatyti kursą. Į šią sistemą dažniausiai įeina trys giroskopai – sukimosi greičiui aplink tris statmenas ašis matuoti, trys akselerometrai – trijų ašių greičiui ir atstumui bei krypčiai nustatyti, o kompiuteris – šių įrenginių išvesties signalams apdoroti. Orlaivių giroskopams keliami labai aukšti reikalavimai: skiriamoji geba ir nulinis dreifas 0,01°/h, dinaminis diapazonas 6 dydžių eilės, didelis mastelio koeficiento stabilumas (10 -5) sukimosi kampą paversti išėjimo signalu. Iki šiol daugiausia buvo naudojami mechaniniai giroskopai, veikiantys kūno sukimosi ašies laikymo viena inercinės erdvės kryptimi (kampinio momento išsaugojimo dėsnis) pagrindu. Tai brangūs prietaisai, nes reikalingas didelis sukimosi korpuso formos tikslumas ir kuo mažesnė guolių trintis. Skirtingai nuo mechaninių optinių giroskopų, pavyzdžiui, šviesolaidinių, sukurtų remiantis Sagnac efektu, jie turi statinio tipo struktūrą, kuri turi daugybę privalumų, iš kurių pagrindiniai yra: judančių dalių nebuvimas ir dėl to atsparumas. pagreitis; dizaino paprastumas; trumpas paleidimo laikas; didelis jautrumas; didelis charakteristikų tiesiškumas; mažas energijos suvartojimas; didelis patikimumas.

Be to, įdiegus optinius integrinius grandynus galima sumažinti šviesolaidinių giroskopų kainą. Kartu su jų naudojimu orlaiviuose ir laivuose, tobulėjant giroskopų technologijoms, galime tikėtis, kad jie bus naudojami automobiliuose, robotuose ir kt.

Optinio giroskopo veikimo principas pagrįstas Sagnac efektu. Išilgai apskrito optinio kelio, kaip parodyta Fig. 1, dėka spindulio skirstytuvo, šviesa sklinda dviem priešingomis kryptimis. Jei sistema yra ramybės būsenoje, palyginti su inercine erdve, abu šviesos spinduliai sklinda priešingai vienodo ilgio optiniu keliu. Todėl, kai spinduliai sujungiami skirstytuve kelio gale, fazinio poslinkio nėra. Tačiau kai optinė sistema sukasi inercinėje erdvėje kampiniu greičiu W, tarp šviesos bangų atsiranda fazių skirtumas. Šis reiškinys vadinamas Sagnac efektu.

priešinga kryptimi -

kur c yra šviesos greitis.

Iš (1) ir (2) formulių dviejų šviesos bangų sklidimo laiko skirtumas, atsižvelgiant į c>>aW

Tai reiškia, kad skiriasi optinių takų ilgis

arba, kitaip tariant, fazių skirtumas

Čia S yra sritis, kurią riboja optinis kelias; k yra bangos skaičius.

Formulė (5) išplaukia iš (3) formulės, darant prielaidą, kad n = 1 ir optinis kelias yra apskritimo formos, tačiau galima įrodyti, kad (5) formulė yra esminė Sagnac efektui. Jis nepriklauso nuo optinio kelio formos, sukimosi centro padėties ir lūžio rodiklio.

Fig. 3 parodytos bendrosios sistemų, skirtų matavimo tikslumui pagerinti, diagramos. Žiedinis lazerinis giroskopas (3 pav., a) skiriasi aukštas dažnisšviesos banga – iki kelių šimtų terahercų. Šviesolaidinis giroskopas pav. 3b jautrumas yra didelis, nes naudojamas ilgas vienmodis optinis pluoštas su mažais nuostoliais. Pasyvaus tipo optinis giroskopas su žiediniu rezonatoriumi (3 pav., c) naudoja aštrią rezonatoriaus rezonansinę charakteristiką.

Žiedinis lazerinis giroskopas gaminamas panašiai kaip dujinis lazeris: kvarco bloke išlydant sukuriama trikampio formos ertmė (kanalas), užpildoma helio ir neono mišiniu. Lazerio generuojamos spinduliuotės bangos ilgis yra 632,8 nm. Paprastai generavimo dažnis skiriasi priklausomai nuo lazerio ertmės ilgio. Ir šiuo atveju dviejų generuojamų šviesos bangų, sklindančių priešingomis kryptimis trikampiu optiniu keliu (3 pav., a), dažniai nėra vienodi dėl optinio ilgio skirtumo DL [žr. formulė (4)]. Todėl matavimams galima naudoti abiejų generuojamų šviesos bangų dūžių dažnį, būtent

Čia L yra bendras optinio kelio ilgis žiedo rezonatoriuje; l yra lazerio bangos ilgis ramybės būsenoje.

Kitaip tariant, matuodami Df, galite nustatyti kampinį greitį, palyginti su inercine erdve. Kadangi šviesos dažnis yra keli šimtai terahercų, net ir nedideli dažnio pokyčiai leidžia išmatuoti dažnių skirtumus. Jeigu išėjimo signalas yra dažnis, proporcingas kampiniam greičiui, tai skaičiuojant išėjimo bangas galima nustatyti sukimosi kampo prieaugį skaitmenine forma, o tai užtikrina didelį į navigacinį skaičiavimo įrenginį pateikiamos informacijos tikslumą. Dažnio matavimas įmanomas plačiame dinaminiame diapazone, todėl žiedinio lazerinio giroskopo dinaminį diapazoną galima išplėsti ir padaryti jį pakankamu inercinei navigacijos sistemai. Tai didelis šių giroskopų privalumas.

Žiedinių lazerinių giroskopų tyrimai pradėti septintajame dešimtmetyje. Iki šiol buvo pasiekta maždaug 0,001°/h skiriamoji geba ir nulinio taško stabilumas. Pastaruoju metu žiediniai lazeriniai giroskopai inercinėje atskaitos sistemoje naudojami ne tik Boeing 757/767 lėktuvuose, bet ir Airbus A310. Japonijoje buvo paskelbtos ataskaitos apie 0,01°/h kampinio greičio matavimą.

Taigi žiedinis lazerinis giroskopas jau pasiekė praktinio pritaikymo etapą, tačiau vis dėlto liko nemažai neišspręstų problemų:

1. Išėjimo signalo netiesiškumas esant mažam kampiniam greičiui (sinchronizmo įtaka).

2. Išvesties signalo poslinkis dėl dujų srautų lazeryje.

3. Optinio kelio ilgio pokytis dėl šiluminio plėtimosi, slėgio ir mechaninių deformacijų.

Iš šių problemų svarbiausia yra pirmoji. Esant mažiems kampiniams greičiams, generuojamų šviesos bangų dažnių skirtumas mažėja, o tai lemia sinchronizmą (Df = 0) ir sukimosi aptikimo neįmanoma. (Tipinis aptikimo slenkstis yra 10°/h.) Negyvoji juosta dėl sinchronizmo parodyta fig. 3, a su punktyrinėmis linijomis. Aukščiau minėta 0,001°/h aptikimo skiriamoji geba užtikrinama slopinant sinchronizmo reiškinį, visą sistemą redukuojant iki mikrosvyravimų (Deise metodas). Tačiau netiesiškumas su nedideliu sukimu vis dar išlieka, be to, tai reiškia, kad toks optinio giroskopo pranašumas kaip jo nejudrumas nėra naudojamas.

Lazeriniai giroskopai turi daug privalumų, palyginti su elektromechaniniais. Šie pranašumai atveria plačias perspektyvas praktinis naudojimas lazeriu varomi giroskopai. Taigi valdymo sistemų projektuotojams visada labai svarbu, kokiu būdu ir kokia forma paimami giroskopų išvesties duomenys.

Lazerinis giroskopas leidžia gauti labai patogius signalus jo išvestyje, pavyzdžiui, elektros impulsų sekos pavidalu, kurių poliškumą lemia giroskopo sukimosi kryptis. Pavienių impulsų skaičius yra proporcingas mažiems pastoviems sukimosi kampo žingsniams (pavyzdžiui, viena lanko sekundė). Visas giroskopo sukimosi kampas randamas pagal bendrą impulsų skaičių. Dar svarbiau dizaineriams yra įrenginio tikslumas. Lazerinių giroskopų tikslumas yra itin didelis. Kadangi pagal paskirtį jie turi registruoti mažesnį nei 0,1 laipsnio/h sukimosi greitį, tai lemia būtinybę matuoti optinių trajektorijų skirtumą 10 -5 nm tikslumu ir maždaug 0,1 Hz dažnio pokyčius (esant veikimo dažnis 10 14 -10 15 Hz).

Labiausiai paprastas dizainas Toks įrenginys yra įprastas įrenginys su trimis atspindinčiais veidrodžiais, išdėstytais grandinės kampuose taip, kad šviesos pluoštui susidarytų uždara trajektorija (žiedas). Lazerio spindulį (žr. pav.) sukuria du kvantiniai generatoriai (QO), kurių vienas siunčia spinduliuotę pagal laikrodžio rodyklę, o kitas prieš laikrodžio rodyklę. Siekiant supaprastinti diskusiją, paminėtos dvi OKH. Praktiškai lazeriniame giroskope gali būti sumontuotas vienas optinis kvantinis generatorius, turintis du ar daugiau aktyvių elementų, formuojančių priešingomis kryptimis judančius pluoštus.

Atsispindėdamas nuo veidrodžių, pereinant nuo veidrodžio prie veidrodžio ir galiausiai per permatomą veidrodį bei prizmę, šviesos spinduliavimas silpnėja. Išlaikyti šviesos bangas sistemoje reikiamu lygiu normalus veikimas, būtina, kad šviesos spindulių stiprinimo koeficientas visame kelyje būtų ne mažesnis kaip 1. Taip pat būtina, kad išilgai kelio ilgio lazerio spinduliai tilptų sveikas skaičius lazerių generuojamų bangų ilgių, t.y., šviesos virpesių fazinis poslinkis rezonatoriaus ertmėje turėtų būti lygus nuliui. Kad būtų įvykdyta paskutinė sąlyga, lazerio virpesių dažnis turi būti toks, kad ramybės būsenos terpė užtikrintų pakankamą stiprinimą atspindinčiose ir kituose lazerio optinės grandinės elementų nuostoliams kompensuoti. Šis dažnis nustatomas automatiškai lazerio veikimo metu.

Sukant žiedinį rezonatorių inercinėje erdvėje, pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę judančių spindulių optiniai keliai pasirodo skirtingi. Skirtumas tarp optinių takų šiuo atveju lemia generuojamų virpesių dažnių skirtumą (Sagnac efektas), kuris lemia rezonatoriaus sukimosi greitį.

14 paskaita.

1. Lazerinio giroskopo veikimo principas;

2. Šviesolaidiniai giroskopai.

§5.14.1. Lazerinio giroskopo veikimo principas.

Leiskite mums išsamiau paaiškinti veikimo principą naudodami pavyzdį. paprasčiausia schema lazerinis DOS, kurio optinis kontūras yra trikampis. Fig. 6 paveiksle pavaizduotas COCG, kuriame yra vamzdelis 1 su aktyvia medžiaga, dujų darbiniu mišiniu, kuris sužadinamas iš siurblio generatoriaus 2 aukšto dažnio (kelių dešimčių megahercų dažnis) arba nuolatine (tūkstančių voltų įtampa) srove. , ir pats žiedinis rezonatorius, įskaitant du nepermatomus veidrodžius 3 ir vieną permatomą veidrodį 4. Aktyvus mišinys sukuria stimuliuojamą emisiją ertmėje dėl neono (Ne) atomų perėjimo iš aukšto (sužadinamo siurblio generatoriaus) į žemą energijos lygį. . Tai tampa įmanoma, jei aktyviosios terpės stiprinimas viršija nuostolių koeficientą, o koherentinės spinduliuotės bangos ilgis atitinka sveiką skaičių kartų aplink rezonatoriaus perimetrą. Šiuo atveju atsirandantys elektromagnetiniai virpesiai (dažniausiai kurių bangos ilgis yra maždaug 0,63 μm) išeina iš vamzdžio 1 galų ir sklinda priešingomis kryptimis nepermatomiems veidrodžiams 3. Atsispindėję spinduliai iš kontūro iškeliami naudojant permatomą veidrodis 4, o papildomų nepermatomų veidrodžių pagalba sujungiamos 5 jų sklidimo kryptys. Spinduliai patenka ant fotodaugiklio 6 fotokatodo, kur jie trukdo vienas kitam, sukurdami trukdžių pakraščius.

Lazerinio giroskopo korpuso sukimas kampiniu greičiu , kurio vektorius yra statmenas kontūro plokštumai, lemia tai, kad trukdžių krašteliai pradeda judėti fotokatodo atžvilgiu kūno sukimosi greičiu. Ši aplinkybė susidarė dėl to, kad sukimosi metu atsiradus optine uždara grandine priešingomis kryptimis sklindančių spindulių judėjimo trukmės skirtumui, atsiranda ir jų eigos skirtumas, t.y. kaip ir rezonatoriaus, kuriuo jie sklinda, perimetro ilgių skirtumas. Sukuriant COCG bangos ilgiai į dabar skirtingus perimetrus turi tilpti tą patį sveikąjį skaičių kartų, todėl šie ilgiai, taigi ir elektromagnetinių virpesių dažniai, jei yra, skiriasi; atsiranda dažnių skirtumas (mušimo dažnis), dėl kurio pasislenka trukdžių pakraščiai. Perėjimas vienu žingsniu tarp trukdžių kraštų atitinka smūgių fazės pokytį radianui. Fotodaugiklio 6 išvestyje pasirodo elektrinis signalas su skirtingu dažniu. Po stiprinimo šis signalas siunčiamas į dažnio matuoklį 7 ir įrašomas 8 prietaisu.

Galima ir kita fizinė lazerinio TLS veikimo principo interpretacija. COCG, kai važiuojančios bangos nukreiptos priešinga kryptimi, susidaro stovinčios bangos. Jų mazgų ir antimazgų vieta rezonatoriaus atžvilgiu yra neaiški ir nepriklauso nuo jo kampinės padėties. Kai rezonatorius sukasi inercinės erdvės atžvilgiu, stovinčios bangos lieka nejudančios, o tai išplaukia iš šviesos greičio pastovumo postulato ir reliatyvumo principo. Interferencinių kraštų poslinkis išilgai fotokatodo su dažniu gali būti interpretuojamas kaip rezonatoriaus sukimosi stacionarios stovinčių bangų modelio atžvilgiu rezultatas.

Analitinis ryšys tarp išmatuoto kampinio greičio ir spinduliuotės, sklindančios priešpriešinio sklidimo išilgai kontūro, dažnių skirtumo esant tam tikriems prietaiso projektiniams parametrams (spinduliavimo dažnis ties , kontūro perimetras ir jo ribojamas plotas) gali būti nustatytas analizuojant idealizuoto lazerio TLS su apskrito kontūro veikimo principas. Kadangi rezonatoriaus perimetro ilgyje turi tilpti sveikas bangos ilgių skaičius , tada bendras grandinėje susidariusių stovinčių bangų skaičius,. Taigi kontūro pasukimas radianų kampu atitinka stovinčių bangų skaičių. Tada kontūro pasukimas elementariu kampu atitiks stovinčių bangų skaičių

Atkreipkite dėmesį, kad vertė

(5.10)

iš esmės yra stovinčių bangų pasikartojimo dažnis tam tikro fiksuoto uždaro ciklo taško atžvilgiu ir yra susijęs su priešpriešinių spindulių dažnių skirtumu pagal ryšį

Naudojant priklausomybes (5.10) ir (5.11) ir atsižvelgiant į tai, kad apskrito kontūro atveju po transformacijų gauname

Formulė (5.12) galioja ne tik apskritam kontūrui, bet ir plokščiam uždaram bet kokios konfigūracijos kontūrui.

Jei kampinio greičio vektorius yra nukreiptas tam tikru kampu į statmeną, nuleistą į kontūro plokštumą, tada (5.12) formulė įgauna formą

(5.13)

Vadinasi, prietaiso matavimo ašis yra ašis, kuri yra normali kontūro plokštumai. Trijų plokščių lazerinių TLS sujungimas į vieną bloką su statmena matavimo ašių orientacija leidžia gauti trijų komponentų kampinio greičio matuoklį. Patartina atkreipti dėmesį, kad LG galima naudoti ir integravimo režimu, t.y. pagrindinio sukimosi kampo matuoklio režimu. Perrašykime formulę (5.12) į formą

,

kur yra ritmo fazė; - prietaiso sukimosi kampas aplink matavimo ašį.

Tai akivaizdu

Taigi apie sukimosi kampo padidėjimą galima spręsti pagal smūgių periodų (pusės ciklų) skaičių (elektrinio signalo virpesių periodus su skirtingu dažniu ).

Lazeriniai giroskopai turi daug reikšmingų pranašumų, palyginti su tradiciniais. Tai visų pirma: jokių mechaninių besisukančių elementų nebuvimas, todėl juose nėra klaidų, kurias sukelia trinties jėgų momentai ir disbalansas; didelis patikimumas ir gebėjimas stabiliai veikti esant didelėms perkrovoms; santykinai mažas energijos suvartojimas (vatų vienetai); beveik akimirksniu (sekundės dalimis) jų pasirengimą darbui. Labai svarbus LG privalumas – matavimo informacijos išvesties signalo diskretiškumas, leidžiantis naudoti šį signalą be papildomų konversijų kompiuteryje. Be to, LG gali veikti plačiame dinaminiame diapazone, todėl juos galima naudoti sujungimo navigacijos sistemose.

Kartu su LG pranašumais būtina nurodyti nemažai jų trūkumų ir specifinių problemų, su kuriomis teko susidurti kuriant. Viena iš sunkiausių problemų yra susijusi su vadinamuoju „fiksavimo“ efektu arba priešingomis kryptimis sklindančių virpesių dažnių sinchronizavimu veikiančioje grandinėje. Dažnių „užfiksavimas“ su nedideliu derinimu atsiranda dėl abipusio kiekvienos bangos sklaidos priešinės bangos sklidimo kryptimi, kai atsispindi nuo veidrodžių ir kitų optinių elementų. Dėl šio reiškinio, esant mažiems išmatuotiems sukimosi greičiams, abiejų spindulių dažniai yra vienodi, o dažnių skirtumas lygus nuliui, o tai lemia įrenginio jautrumo slenksčio buvimą.

Kita problema yra pagrįsta LG mastelio koeficiento, kurio leistina reikšmė yra, nestabilumu. Mastelio koeficiento nestabilumo priežastis yra rezonatoriaus perimetro pokytis, pavyzdžiui, dėl temperatūros svyravimų, tačiau šį nestabilumą daugiausia sukelia optinės terpės lūžio rodiklio nestabilumas. Aktyvioji terpė sumažina dažnio derinimą, palyginti su tuo, kas būtų „tuščiame“ rezonatoriuje (dažnio traukimo efektas). Atsižvelgiant į aktyviosios terpės anomalios dispersijos įtaką, matyti, kad jos santykinė įtaka reikšmingiausia esant žemiems ritmo dažniams. Šių problemų sprendimas pateikiamas įvairiais būdais. Taigi, pavyzdžiui, „užfiksavimo“ zonos sumažinimas pasiekiamas iki minimumo sumažinant išsklaidymą ant veidrodžių ir giliai evakuojant kelią, kuriuo sklinda spinduliai. Be to, „užfiksavimo“ zona mažėja didėjant spindulių padengtam perimetrui, taip pat mažėjant naudojamos spinduliuotės bangos ilgiui. „Užfiksavimo“ zonos susiaurinimas didinant rezonatoriaus perimetrą ribojamas svorio ir dydžio charakteristikų projektavimo reikalavimų. Veikimo bangos ilgio pasirinkimas apsiriboja verte, kuriai esant galima lazeruoti.

Rezonatoriaus optinio kelio pastovumas užtikrinamas naudojant monolitinę struktūrą, pagamintą iš medžiagų, turinčių žemą temperatūrinį linijinio plėtimosi koeficientą, pvz. Ir tt Esminis „fiksavimo“ problemos sprendimas, kuris kartu padeda sumažinti dažnio tempimo efekto įtaką, yra lazerio generatoriaus veikimo taško perkėlimas iš fiksavimo zonos, pavyzdžiui, įvedant papildomą sukimąsi (vienodą arba grįžtamasis) rezonatoriaus aplink matavimo ašį arba kitais metodais, kuriais realizuojamas lūžio rodiklio neabipusiškumas priešingos krypties spinduliams (remiantis Faradėjaus, Kero ir kt. magneto-optiniais efektais).

Mastelio koeficiento stabilumo didinimas daugiausia pasiekiamas reguliuojant optinio kelio ilgį (rezonatoriaus perimetrą), dažniausiai remiantis ekstremaliomis valdymo schemomis taip, kad būtų užtikrintas maksimali galia radiacija.

Lazerinis giroskopas, kaip jau minėta, turi gana platų matavimo diapazoną. Viršutinės šio diapazono ribos teorinę reikšmę lemia žiedo rezonatoriaus pralaidumas, o apatinę – generuojamų virpesių dažnio nestabilumas. Nulinio signalo poslinkis ir dreifas atsiranda dėl terpės lūžio rodiklio skirtumo priešpriešiniams spinduliams dėl terpės judėjimo rezonatoriaus viduje (Fresnelio-Fizeau efektas), atomų judėjimo aktyvioje terpėje (Langmuir). efektas), Faradėjaus efektas ir tt Be to, nulinį poslinkį gali sukelti anizotropinė sklaida, neabipusiai prisotinimo efektai aktyvioje terpėje, sklaida dėl rezonatoriaus nehomogeniškumo ir kt. Atsitiktinis LG dreifas yra . Šiuo metu LG tobulinimo darbai tęsiami.

§5.14.2. Šviesolaidiniai giroskopai

1975 m. Jungtinėse Amerikos Valstijose pradėti tyrimai šviesolaidinių giroskopų (FOG) srityje, kurie, pasak ekspertų, bus 5–10 kartų pigesni ir kelis kartus mažesnio tūrio bei svorio nei esami panašios klasės mechaniniai ir lazeriniai giroskopai. tikslumu. Jau 1982 m. laboratorinėmis sąlygomis buvo gautas daugeliui pritaikymų priimtinas FOG jautrumas kampiniam greičiui - 0,1 - 1 laipsnis/val.

Optinio giroskopo veikimo principas pagrįstas Sagnaco „sūkurio“ efektu, kurį jis eksperimentiškai įrodė 1913 m. „Sūkurio“ efekto esmė tokia.Jei du šviesos spinduliai sklinda priešingomis kryptimis uždaroje optinėje grandinėje. , tada, kai grandinė sukasi aplink ašį, statmeną kontūro plokštumai, iš kampinio

greičiu, fazių skirtumas tarp dviejų artėjančių šviesos spindulių, praėjusių visą grandinę, yra proporcingas grandinės kampiniam greičiui:

kur yra uždaros kilpos plotas; - šviesos pluošto bangos ilgis; - šviesos greitis.

FOG uždarą grandinę sudaro kelių apsisukimų optinio pluošto ritė. Kuriame

(5.15)

kur yra apsisukimų skaičius; - grandinės posūkio plotas.

FOG schema:

1 - lazerinis diodas;

2 - sijos skirstytuvas;

3 - pluošto grandinė;

4 - fotodetektorius;

5 - elektroninis apdorojimo įrenginys

FOG schema parodyta 7 pav. Lazerinis diodas naudojamas kaip spinduliuotės šaltinis. Spinduliuotė tiekiama į pluošto skirstytuvą ir padalinama į du pluoštus. Šie pluoštai, apeinant uždarą optinio pluošto kilpą, sujungiami pluošto skirstytuve ir tiekiami į fotodetektorių, o po to į elektroninį apdorojimo įrenginį, iš kurio galima gauti elektrinis signalas, proporcingas kampiniam greičiui с , o jei šis signalas yra integruotas, tai signalas, proporcingas uždaros kilpos sukimosi kampui,

Tipiškose eksperimentinėse FOG konstrukcijose naudojama 10 cm spindulio optinio pluošto ritė, kurios ilgis 500 m. Tokios grandinės sukimasis 1 laipsnio/h greičiu lemia rad eilės fazių skirtumą. .

Atliko eksperimentus, siekdamas nustatyti šviesos greitį besisukančioje platformoje. Sagnac eksperimentinėje sąrangoje (1 pav.) ir šaltinis, ir šviesos imtuvas (fotoplokštelė) buvo ant platformos.

Ryžiai. 1.

Šviesa iš šaltinio buvo padalinta stiklu į du pluoštus, kurie apėjo grandinę priešingomis kryptimis ir buvo nukreipti į fotografinę plokštę. Sagnac efektas pasireiškė priešingai sklindančios spinduliuotės fazės poslinkiu, priklausomai nuo platformos sukimosi greičio.

„Garres“ sąrankoje, skirtingai nei „Sagnac“, šviesos šaltinis buvo pakabintas virš besisukančios platformos centro, o platformos krašte buvo sumontuotas šviesos spindulio atšvaitas. Tada šis atspindėtas spindulys buvo padalintas į du pluoštus, kurie apėjo kontūrą priešingomis kryptimis.

Abiejuose šiuose eksperimentuose buvo įrodyta, kad šviesos greitis išlieka pastovus tik masyvaus gravitacinio Žemės kūno paviršiaus atžvilgiu, nepriklausomai nuo pačios platformos ramybės būsenos ar sukimosi. Literatūroje šis efektas vadinamas Sagnac efektu.

Sagnac efektas naudojamas lazeriniuose ir šviesolaidiniuose giroskopuose. Šie giroskopai jau pradedami naudoti praktikoje nustatant orlaivių ir kitų judančių objektų kampinį sukimosi erdvėje greitį, tačiau platų jų įdiegimą į eksploataciją trukdo nepakankamas šių prietaisų jautrumas esant mažiems kampiniams greičiams.

Apsvarstykime paprasčiausią schemašviesolaidinis giroskopas (2 pav.).

Ryžiai. 2.

Fig. 2a paveiksle parodytas vieno posūkio kontūras su spinduliu A naudojant vienmodį šviesolaidį (šviesolaidį). Fig. 2b parodytas tas pats kontūras, susuktas į ritę. Šviesos spinduliai iš priešingų krypčių praleidžiami išilgai to paties pluošto, todėl skaidulą galima naudoti efektyviau.

Vieno apsisukimo grandinėje, parodytoje fig. 2a, priešingų krypčių šviesos spinduliai praeina visą grandinę, po kurios matuojamas fazės poslinkis. Kontūras sukasi kartu su objektu kampiniu greičiu Ω. Optinės skaidulos periferinis sukimosi greitis lygus v. Tada šviesos sklidimo greitis pluošte sukimosi kryptimi bus lygus: c – v; šviesos greitis priešinga kryptimi bus: c + v. Kur c– šviesos greitis vakuume. Vadinasi, šviesa iš tos pačios krypties į susitikimo vietą (į fazės matuoklį) pateks su vėlavimu. Tai šviesos ∆ laiko delsa t bus nustatytas iš išraiškos:

Kadangi giroskopo optinio pluošto periferinis greitis v daug dydžių kategorijų mažesnis už šviesos greitį c, išraišką (2) galima supaprastinti ir parašyti taip:

kur λ yra šviesos bangos ilgis.

Pakeičiant (4) optinio pluošto periferinio greičio ir ilgio išraiškas: v = Ω· a; L= 2π a, ir atsižvelgiant į tai, kad sandauga π· a 2 – žymi sritį S optinio pluošto kontūrą galima parašyti:

Ši formulė laikoma pagrindine. Jis taikomas tiek vieno apsisukimo grandinei, tiek kelių apsisukimų ritei, pastaruoju atveju – zonai S yra visų posūkių plotų suma.

Šios formulės analizė rodo, kad optinio pluošto apvijos apskritimo forma yra pageidautina, nes apskritimas nubraukia maksimalų plotą fiksuoto pluošto ilgiui. Bet vis tiek ši formulė nėra labai informatyvi, nes joje nieko nepasakoma, ką daryti su pluošto matmenimis (apvijos spinduliu)? Dabar pastebima giroskopų miniatiūrizavimo tendencija, ir tai vargu ar teisinga, ir štai kodėl.

Atsižvelgiant į tai v = Ω· a, ir pakeitę šią išraišką į (4), gauname:

Kaip matyti iš (6) formulės, priešingai sklindančios spinduliuotės fazės poslinkis yra proporcingas giroskopo optinio pluošto ilgiui ir pluošto apvijos spinduliui. Šie parametrai įsidėmėti tuo, kad jie turi didžiausią įtaką giroskopo jautrumui ir todėl, kad jie parenkami projektuojant įrenginį. Ir, žinoma, būtina pasirinkti didžiausias įmanomas šių parametrų vertes. Iš (6) formulės aišku, kad esant maksimaliai galimai ir fiksuotai vertei L Giroskopo jautrumas tiesiogiai priklauso nuo pluošto apvijos spindulio.

Jei, pavyzdžiui, giroskopas skirtas naudoti lėktuve kaip sukimosi kampinio greičio jutiklis, tada, akivaizdu, maksimalus galimas optinio pluošto įrengimo spindulys bus lygus orlaivio fiuzeliažo spinduliui. Kitaip tariant, šiuo atveju optinis pluoštas gali būti tiesiamas išilgai vidinio fiuzeliažo paviršiaus plokštumoje, statmenoje orlaivio konstrukcijos ašiai (3a pav.).

Ryžiai. 3. Optinės skaidulos klojimo galimybės naudojant giroskopą ant lėktuvo: a) riedėjimo kampinio greičio jutiklis; b) žingsnio kampinio greičio jutiklis; c) sukimosi kampo jutiklis

Jei giroskopas skirtas naudoti kaip žingsnio kampinio greičio jutiklis, optinis pluoštas gali būti tiesiamas ant fiuzeliažo šoninio vidinio paviršiaus (3b pav.). Tuo pačiu metu, norint efektyviai naudoti optinį pluoštą, klojimo projekcija į vertikalią plokštumą, einanti per fiuzeliažo konstrukcijos ašį, turėtų būti kuo arčiau apskritimo.

Jei giroskopas bus naudojamas kaip sukimosi kampo jutiklis, optinis pluoštas gali būti klojamas ant apatinio (arba viršutinio) korpuso vidinio paviršiaus (3c pav.). Instaliacijos projekcija į horizontalią plokštumą taip pat turėtų būti kuo arčiau apskritimo. Prietaiso korpuse gali būti montuojami visi kiti giroskopo įrenginiai: šviesos šaltinis, imtuvas, fazių poslinkio matuoklis, poliarizatorius, filtrai ir kt.

Kadangi vidutinis orlaivio fiuzeliažo spindulys yra dviem dydžiais didesnis nei šiuo metu gaminamų giroskopų pluošto apvijos spindulys, ši technika padidins giroskopo skiriamąją gebą dviem dydžiais.

išvadas

1. Fiksuoto optinio pluošto ilgio matuojamas optinių giroskopų poveikis priklauso ne tik nuo sukimosi kampinio greičio, bet ir nuo optinio pluošto apvijos spindulio. Todėl galiausiai išmatuotas efektas priklauso nuo optinio pluošto periferinio greičio.
2. Norint padidinti išmatuotą efektą esant mažiems kampiniams greičiams ir fiksuotam optinio pluošto ilgiui, būtina padidinti optinio pluošto periferinį greitį, didinant pluošto klojimo spindulį.
3. Orlaivių geometriniai matmenys leidžia padidinti optinio pluošto klojimo spindulį iki kelių metrų ir taip dešimtis kartų padidinti šviesolaidinių giroskopų skiriamąją gebą.
4. Padidinus šviesolaidinių giroskopų skiriamąją gebą, jie bus plačiai naudojami.

Literatūra:

1. Sagnac G. L'éther lumineux démontre par l'effet du vent relatif d"éther dans un interferométrie en rotation uniforme. Comptes Rendus, 157 (1913), S. 708...710.
2. Harress F. Die Geschwindigkeit des Lichtes in bewegten Körpern? Disertacija, Jena, 1912. Vert. su juo. knygoje U.I. Frankfurtas, A.M. Frankas „Judančių kūnų optika“. M.: Nauka, 1972, 69 p.
3. Guzhelya Yu.A. Neišnaudotos Sagnac efekto galimybės matuojant objekto greitį. IX tarptautinė konferencija „Mokslo ir švietimo inovacijos – 2011“. Bylos, 1 dalis. Kaliningradas 2011, p. 173. UDK 535.225(06).

Atsiliepimai apie straipsnį:

Amal-Toparkh Jurijevas G.A. Atsiliepimai apie Yu.A. Guzhel „Sagnac efektas ir nepanaudotos šviesolaidinių giroskopų galimybės matuojant mažus kampinius greičius“. , 2015 m.