Принципът на действие на фиброоптични и лазерни жироскопи. Ефектът на Sagnac и неизползваните възможности на оптичните жироскопи при измерване на ниски ъглови скорости. оптичен лазерен жироскоп

В пръстеновидния лазерен жироскоп възниква феноменът на синхронизъм, тъй като той е активна структура и самата оптична бобина за откриване на въртене е част от лазерния генератор. Напротив, в интерферометъра Sagnac, показан на фиг. 1, горният феномен не се случва, защото това е пасивен дизайн, при който източникът на светлина е извън сензорния контур. Основният фокус тук е оптичното влакно и намаляването на загубите в него.

На фиг. Фигура 4 показва оптичната диаграма на фиброоптичен жироскоп. По същество това е интерферометър Sagnac (виж фиг. 1), в който кръговата оптична верига е заменена от намотка от дълго едномодово оптично влакно. Частта от веригата, очертана с пунктираната линия, е необходима за подобряване на стабилността на нулевата точка. По този начин фазовата разлика между две светлинни вълни, дължаща се на ефекта на Саняк, като се вземе предвид формула (5), се изразява като

(7)

където N е броят на навивките в намотката с влакна; L - дължина на влакното; a е радиусът на намотката.

Трябва да се отбележи, че основните формули не включват индекса на пречупване на светлината във влакното.

Благодарение на подобренията в производствената технология се произвеждат влакна с много ниски загуби. За да не се повреди влакното, навиването се извършва на макара с радиус от няколко сантиметра. В същото време не се наблюдава забележимо увеличение на загубите. Възможно е да се създаде сравнително малък и високочувствителен интерферометър Sagnac с намотка с малък радиус (2...5 cm) чрез навиване на дълго влакно около него. След като се формира оптимална оптична система, е възможно да се измерват фазовите промени с висока точност (при инерционна навигация - около 10 -6 `rad), след което да се определи кръговата скорост от формула (7). Всичко това съставлява принципа на работа на фиброоптичния жироскоп.

Тъй като този оптичен жироскоп е пасивен тип, той не страда от проблеми като феномен на синхронизъм.

Граници на откриване на ъглова скорост.В основната оптична система на фиг. 4 в състояние, оптичните пътища за светлина в двете посоки на преминаване ще бъдат еднакви по дължина и тъй като сигналът на изхода на светлинния приемник се променя пропорционално

, тогава жироскопът е нечувствителен към много малки завои. В система с оптимална чувствителност, теоретичните граници на откриване на ъглова скорост се считат за свързани с шума от изстрела на светлинния детектор. Анализът показва, че за оптично влакно със загуба a има определена дължина, която позволява оптимизиране на границите на откриване на ударен шум:

(8)

Резултатите от изчислението за типичните стойности на параметрите са показани на фиг. 5, а. За оптично влакно със загуба от 2 dB/km, границите на откриване са приблизително 10 -8 rad/s (0,001°/h). Това са точно стойностите, използвани в инерционната навигация. На фиг. 5b показва, че чрез увеличаване на радиуса на намотката на оптичното влакно, както и използване на светлина с дължина на вълната 1,55 μm, при която загубите в оптичното влакно са много ниски, е възможно да се създаде скоростомер в инерционно пространство с изключително ниски дрейф. Това позволява измервателният уред да се използва не само в навигацията, но и в геофизиката.

В реалните оптични жироскопи възможностите са ограничени от шумови фактори.

Чувствителността на жироскопа, базиран на ефекта на Sagnac, може да бъде увеличена с помощта на пръстеновиден оптичен резонатор, използващ полупрозрачно огледало с висока отразяваща способност (виж фиг. 3, c). Резонаторът е интерферометър на Фабри-Перо във формата на пръстен. В този случай изходният сигнал на светлинния детектор реагира рязко на промяната във фазата wt, когато светлинната вълна преминава през кръговия оптичен път веднъж. Следователно е възможно да се създаде високочувствителен сензор, например, измерващ изместването на резонансен пик поради въртене. С други думи, възможно е да се намали дължината на влакното на сензорния пръстен, а ако жироскопът е от среден клас, то е напълно възможно да се използва дори едновитков влакнен пръстен, свързан към оптична интегрална схема.

В такава структура на жироскоп е необходим източник на светлина с висока кохерентност на излъчване, за да се получи рязък резонансен отговор, докато в гироскоп с оптични влакна е необходим източник на светлина с ниска кохерентност, за да се подобри работата.

Основната оптична диаграма на фиброоптичен жироскоп е показана на фиг. 4, но тази верига не открива малки завъртания на жироскопа. За решаването на този проблем се предлагат различни методи: фазово изместване, фазова модулация, честотна промяна и светлинно хетеродиниране.

Нека разгледаме само последния метод. Структурата на оптичната система на жироскоп със светлинно хетеродиниране е показана на фиг. 6. Светлинният лъч се разделя от дифракционна решетка на два лъча с много малък ъгъл на отклонение (около 10 mrad). Тези лъчи, преминали през оптичното влакно в противоположни посоки, се подават към AOM. Ъгълът на дифракция на AOM е същият като този на дифракционната решетка, в резултат на което AOM се използва тук не само като превключвател на честотата, но и като насочен съединител, а устройството за приемане на светлина произвежда сигнал с различна честота . В тази оптична система е възможно да се разделят светлинни лъчи, движещи се в противоположни посоки, но поради изключително малкия ъгъл на дифракция, тези лъчи си взаимодействат и дрейфът, причинен от вибрациите на средата, е отслабен. В допълнение, обикновено когато дължината на оптичните пътища се различава, се получава дрейф на изходния сигнал поради честотното отклонение на излъчването на източника, но в тази структура тази разлика е много малка. На фиг. Фигура 7 показва електронната схема на фазомера на изходния сигнал в структурата на Фигура 6, използвайки нулевия метод. Точното времезакъснение Td се осигурява от устройство със зарядна връзка (CCD). За тази схема е вярно

(9)

(N е цяло число), т.е. тук получаваме промяната на честотата Df 2 на електрическия сигнал, пропорционална на ъгловата скорост W, което е много удобно за практическо изпълнениеустройства.

Методите за повишаване на чувствителността все още не осигуряват висока стабилност, необходимо е да се вземат предвид шумовите фактори и да се вземат мерки за тяхното премахване.

За постигане на висока стабилност е необходимо външните смущения, възприемани от светлинните лъчи, движещи се в противоположни посоки, да са абсолютно еднакви.

В основната оптична система, показана на фиг. 4, когато се използва светлинен детектор 1, светлината се отразява два пъти от разделителя на лъча и освен това преминава през него два пъти. В този случай условието за една и съща дължина на оптичния път не е изпълнено точно и поради температурни колебания в характеристиките на разделителя на лъча се получава дрейф на изхода. При използване на светлинен приемник 2 се случва същото. За да могат светлинните лъчи, въведени във и излъчени от влакното, да пътуват по същия оптичен път, да се комбинират и разделят в една и съща точка в разделителя на лъча, както и да имат същия режим, е необходимо да се инсталира пространствен филтър между лъча сплитери. Препоръчително е в този филтър да се използва едномодово оптично влакно - същото като за чувствителната намотка.

Обикновено едномодовото оптично влакно може да разпространява два независими режима с ортогонална поляризация. Но тъй като оптичните влакна нямат точно стриктна аксиална симетрия, фазовите константи на тези два режима са различни. Въпреки това се обменя енергия между режимите на две поляризации, чиито характеристики се променят под външни влияния, така че светлината, излъчвана от влакното, обикновено придобива кръгова поляризация с нестабилни параметри. Всичко това води до дрейф на изходния сигнал.

Въведение

Принцип на действие на оптичния жироскоп

Блокови схеми на оптични жироскопи

Пръстен лазерен жироскоп.

Оптични жироскопи.

Оптичен жироскоп с пръстеновиден резонатор от пасивен тип

Методи за повишаване на чувствителността

Шумови фактори, методи за тяхното отстраняване

Основни оптични системи с повишена стабилност

Фактори, ограничаващи разделителната способност

Характеристики и методи за тяхното подобряване

Система за фазова модулация

Системи с променлива честота

Светлинна хетеродинизираща система

Заключение

Жироскопът изпълнява функциите на детектор на ъглова скорост в инерционното пространство и с право може да се нарече абсолютен тахометър, като структурен елемент на инерционния навигационна система, който обработва информация за местоположението на самолет или кораб, за да го постави на курс. Тази система обикновено включва три жироскопа - за измерване на скоростта на въртене около три ортогонални оси, три акселерометъра - за определяне на скоростта и разстоянието и посоката на трите оси и компютър - за обработка на изходните сигнали на тези устройства. Жироскопите на самолетите са обект на много високи изисквания: разделителна способност и дрейф на нулата от 0,01°/h, динамичен диапазон 6 порядъка, висока стабилност (10 -5) на мащабния фактор за преобразуване на ъгъла на завъртане в изходния сигнал. Досега се използват предимно механични жироскопи, работещи на базата на ефекта от задържането на оста на въртене на тялото в една посока на инерционното пространство (законът за запазване на ъгловия момент). Това са скъпи устройства, защото изискват висока точностформа на тялото на въртене и минимално възможно триене на лагерите. За разлика от механичните, оптичните жироскопи, например оптичните, създадени на базата на ефекта на Саняк, имат структура статичен тип, който има редица предимства, основните от които са: липсата на движещи се части и следователно устойчивост на ускорение; простота на дизайна; кратко време за стартиране; висока чувствителност; висока линейност на характеристиките; ниска консумация на енергия; висока надеждност.

Освен това е възможно да се намалят разходите за фиброоптични жироскопи чрез въвеждането на оптични интегрални схеми. Наред с използването им в самолети и кораби, с напредването на технологията на жироскопите можем да очакваме използването им в автомобили, роботи и т.н.

Принципът на работа на оптичния жироскоп се основава на ефекта на Саняк. По протежение на кръгъл оптичен път, както е показано на фиг. 1, благодарение на разделителя на лъча, светлината се разпространява в две противоположни посоки. Ако системата е в покой спрямо инерционното пространство, и двата светлинни лъча се разпространяват насрещно по оптичен път със същата дължина. Следователно, когато лъчите се комбинират в сплитера в края на пътя, няма фазово изместване. Когато обаче оптичната система се върти в инерционното пространство с ъглова скорост W, между светлинните вълни възниква фазова разлика. Това явление се нарича ефект на Саняк.

Нека индексът на пречупване на оптичния път е n=1. За радиус на оптичен път a, времето, необходимо на светлината, движеща се по посока на часовниковата стрелка, за да достигне разделителя на лъча, се изразява като

в обратната посока -

където c е скоростта на светлината.

От формули (1) и (2) разликата във времето на разпространение на две светлинни вълни, като се вземе предвид c>>aW

(3)

Това означава, че има разлика в дължината на оптичните пътища

или, с други думи, фазовата разлика

Тук S е областта, ограничена от оптичния път; k е вълновото число.

Формула (5) следва от формула (3) при предположението, че n=1 и оптичният път има кръгла форма, но е възможно да се докаже, че формула (5) е фундаментална за ефекта на Саняк. Не зависи от формата на оптичния път, позицията на центъра на въртене и индекса на пречупване.

На фиг. 3 са дадени общи схемисистеми, предназначени да подобрят точността на измерване. Пръстеновият лазерен жироскоп (фиг. 3, а) е различен висока честотасветлинна вълна - до няколкостотин терахерца. Оптичният жироскоп на фиг. 3b има висока чувствителност поради използването на дълго едномодово оптично влакно с ниски загуби. Оптичен жироскоп от пасивен тип с пръстеновиден резонатор (фиг. 3, c) използва острата резонансна характеристика на резонатора.

Пръстеновият лазерен жироскоп се произвежда подобно на газовия лазер: кухина (канал) с форма на триъгълник се създава в кварцов блок чрез топене и се запълва със смес от хелий и неон. Дължината на вълната на генерираното от лазера лъчение е 632,8 nm. Обикновено честотата на генериране варира в зависимост от дължината на лазерната кухина. И в в такъв случайчестотите на двете генерирани светлинни вълни, разпространяващи се в противоположни посоки по триъгълен оптичен път (фиг. 3, а), не са еднакви поради разликата в оптичната дължина DL [вж. формула (4)]. Следователно е възможно да се използва честотата на биене на двете генерирани светлинни вълни за измервания, а именно

Тук L е общата дължина на оптичния път в пръстеновидния резонатор; l е дължината на вълната на генерация в покой.

С други думи, чрез измерване на Df можете да определите ъгловата скорост спрямо инерционното пространство. Тъй като честотата на светлината е няколкостотин терахерца, дори малки промени в честотата правят възможно измерването на честотните разлики. Ако изходният сигнал е честота, пропорционална на ъгловата скорост, тогава чрез преброяване на изходните вълни увеличението на ъгъла на въртене може да се определи в цифров вид, което осигурява висока точност на информацията, подадена към навигационното изчислително устройство. Измерването на честотата е възможно в широк динамичен диапазон и следователно динамичният диапазон на пръстеновидния лазерен жироскоп може да бъде разширен и направен достатъчен за инерционна навигационна система. Това е голямо предимство на тези жироскопи.

Изследванията на пръстеновидните лазерни жироскопи започват през 60-те години. Към днешна дата са постигнати резолюция и стабилност на нулевата точка от приблизително 0,001°/h. IN напоследъкПръстеновите лазерни жироскопи се използват в инерционната референтна система не само в самолетите Boeing 757/767, но и в Airbus A310. В Япония бяха публикувани доклади за тяхното измерване на ъглова скорост от 0,01°/h.

Така пръстеновидният лазерен жироскоп вече е на сцената практическо приложение, но въпреки това остават редица нерешени проблеми:

1. Нелинейност на изходния сигнал при ниска ъглова скорост (влияние на синхронизма).

2. Дрейф на изходния сигнал поради газовите потоци в лазера.

3. Промяна в дължината на оптичния път под въздействието на термично разширение, налягане и механична деформация.

От тези проблеми най-важен е първият. При ниски ъглови скорости разликата в честотите на генерираните светлинни вълни намалява и това води до синхронизъм (Df = 0) и невъзможност за откриване на въртене. (Типичният праг на откриване е 10°/h.) Мъртвата зона, дължаща се на синхронизъм, е показана на фиг. 3, а с пунктирани линии. Споменатата по-горе разделителна способност на откриване от 0,001°/h се осигурява чрез потискане на явлението синхронизъм чрез намаляване на цялата система до микроколебания (метод на Deise). Но нелинейността с леко завъртане все още остава, освен това това означава, че не се използва такова предимство на оптичния жироскоп като неговата неподвижност.

(7)

където N е броят на навивките в намотката с влакна; L - дължина на влакното; a е радиусът на намотката.

Трябва да се отбележи, че основните формули не включват индекса на пречупване на светлината във влакното.

Благодарение на подобренията в производствената технология се произвеждат влакна с много ниски загуби. За да не се повреди влакното, навиването се извършва на макара с радиус от няколко сантиметра. В същото време не се наблюдава забележимо увеличение на загубите. Възможно е да се създаде сравнително малък и високочувствителен интерферометър Sagnac с намотка с малък радиус (2...5 cm) чрез навиване на дълго влакно около него. След като се формира оптимална оптична система, е възможно да се измерват фазовите промени с висока точност (при инерционна навигация - около 10 -6` rad), след което да се определи кръговата скорост от формула (7). Всичко това съставлява принципа на работа на фиброоптичния жироскоп.

Тъй като този оптичен жироскоп е пасивен тип, той не страда от проблеми като феномен на синхронизъм.

Граници на откриване на ъглова скорост. В основната оптична система на фиг. 4 в състояние, оптичните пътища за светлина в двете посоки на преминаване ще бъдат еднакви по дължина и тъй като сигналът на изхода на светлинния приемник се променя пропорционално, жироскопът е нечувствителен към много малки завои. В система с оптимална чувствителност, теоретичните граници на откриване на ъглова скорост се считат за свързани с шума от изстрела на светлинния детектор. Анализът показва, че за оптично влакно със загуба a има определена дължина, която позволява оптимизиране на границите на откриване на ударен шум:

(8)

В реалните оптични жироскопи възможностите са ограничени от шумови фактори.

(9)

(N е цяло число), т.е. тук получаваме промяната на честотата Df 2 на електрическия сигнал, пропорционална на ъгловата скорост W, което е много удобно за практическото изпълнение на устройството.

Ако се постави върху оптичния път, както е показано на пунктираната линия на фиг. 4, поляризационна плоча, т.е. изпраща светлинна вълна с единична поляризация върху оптичния път на интерферометъра и изолира само компонента със същата поляризация в излъчената светлина, след което трансферната функция на пръстеновидния оптичен път (оптично влакно) за лъчи с обратна посока на движение ще бъдат еднакви и по този начин проблемът е решен. Но дори и в този случай остават колебания в мощността на светлината, достигаща до приемника на светлина, така че е необходимо да се вземат допълнителни мерки за стабилизиране на мащабния фактор. Една такава мярка е въвеждането на деполяризатор, който компенсира поляризационните флуктуации в оптичното влакно и прави поляризационното състояние произволно, или въвеждането на оптично влакно, което поддържа поляризацията. При светлинните хетеродиниращи жироскопи ефективно решение на проблема е нулевият метод.

За да се елиминира дрейфът, дължащ се на поляризационни флуктуации в оптично влакно, е необходим поляризатор с много високо затихване (около 90 dB), но това изискване е облекчено, когато се използва поляризационно запазващо оптично влакно и източник на светлина с ниска кохерентност. В оптичното влакно, поддържащо поляризация, поради разликата във фазовите константи за режими с ортогонална поляризация, възниква разлика в дължината на оптичния път за тези режими, така че използването на източник с ниска кохерентност прави невъзможна интерференцията между режимите. Подобен ефект може да се постигне с помощта на деполяризатор.

Маса 1. Шумови фактори във фиброоптични жироскопи

Шумов фактор
Флуктуации на поляризация в оптично влакно, като преобразуване на линейна в кръгова поляризация в едномодово влакно	Включване на изхода на влакното на анализатора, за да се изолира поляризационният компонент в една посока
Разликата в дължината на оптичните пътища за светлинни вълни, движещи се в противоположни посоки, с динамична нестабилност на спектъра на източника на светлина	Стабилизация на спектъра на източника на светлина
Разликата в честотите на вълните, движещи се по влакното в противоположни посоки по време на температурни колебания	Използване на два акустооптични модулатора или модулация с правоъгълни импулси
Неравномерно разпределение на температурата по влакното	Намотка на оптично влакно, при което разпределението на температурата е симетрично спрямо средата на бобината
Промяна във фазата на изходния сигнал поради ефекта на Фарадей във влакното под влияние на флуктуации в магнитното поле на Земята	Магнитно екраниране и поддържащо поляризацията влакно
Флуктуации (в разделителя на лъча) на съотношението на интензитета на предния и обратния лъч поради оптичния ефект на Кер	Модулация на излъчваната светлина чрез правоъгълни импулси с коефициент на запълване 50%; използване на широколентов източник на светлина
Интерференция на предния лъч и лъча на обратното разсейване на Релей	Фазова модулация на светлинна вълна; импулсна честотна модулация на лазерно лъчение; използване на източник на светлина със слаби смущения

Сред факторите, ограничаващи краткосрочната резолюция, обратното разсейване по оптичния път има най-силно влияние. Френеловата отразена светлина от повърхностите на елементите на оптичната система или светлината от обратното разсейване на Релей, например, в самото оптично влакно пречи на сигналната светлина, което води до много шум. За борба с тях се предлагат фазова модулация на светлинната вълна, импулсни методи и метод, който използва източник на светлина с широк спектър и ниска кохерентност, което влошава смущенията поради голямата разлика в дължината на оптичния път за светлината на обратното разсейване на Релей и сигналната лампа. (Този източник може да бъде многомодов полупроводников лазер или суперлуминисцентен диод.)

Изходният шум на жироскопа може да се изрази със следната формула:

(10)

където a 0 е загубата на Релеево разсейване в оптичното влакно; b R е частта от светлинното разсейване на Rayleigh, разпространяващо се в обратна посока; Df s - ширината на спектъра на светлинния източник.

На фиг. Фигура 9 представя резултатите от експеримента, показвайки как с разширяването на спектъра на излъчване разделителната способност на фиброоптичния жироскоп се увеличава. По този начин, във фиброоптични жироскопи, намаляването на кохерентността на светлинния източник е ефективно за намаляване не само на шума от разстоянието на Релей, но и на шума от ефекта на Кер.

В момента са разработени експериментални системи, в които са взети мерки за повишаване на чувствителността и намаляване на шума. В тези системи, работещи с помощта на метода на фазова модулация, промяна на честотата и хетеродиниране на светлината, е постигната разделителна способност, която прави възможно измерването на скорости, равни или по-ниски от скоростта на собственото въртене на Земята (15°/h=7,3 × 10 -5 rad/s). Постиженията са особено големи при системи с фазова модулация, които имат разделителна способност и дрейф от приблизително 0,02°/h, което е приемливо за инерционна навигация.

Проучва се възможността за внедряване на жироскопи, използващи микрооптична технология, функционални влакна и вълноводни елементи. Вече се произвеждат фиброоптични жироскопи с разделителна способност 1°/h. Освен това се задълбочава изучаването на системи, подходящи за инерционна навигация.

На фиг. 10 показва системата оптичен жироскоп, разработена в Стафордския университет, върху едномодово оптично влакно, подложено на някои места на специална обработка, а именно: поляризационен тип регулатор, насочен съединител, поляризатор, фазов модулатор и други функционални елементи върху оптичното влакно, получено чрез обработката му. Радиусът на оптичния пръстен е 7 см, дължината на влакното е 580 м. По този начин в жироскопа се елиминира отражението от повърхностите на различни елементи на оптичната система. В допълнение, използването на многомодов полупроводников лазер като източник на светлина намалява кохерентността на системата и по този начин намалява шума, дължащ се на разсейването на Rayleigh. Фактът, че системата е проектирана на принципа на фазовата модулация, също помага за намаляване на този шум. В жироскопа, показан на фиг. 10 се постига разделителна способност 0,022°/h (фиг. 11, а). В този случай времето за интегриране е 1 s. Чрез специално навиване на оптичното влакно влиянието на температурните колебания се отслабва, а с използването на магнитен екран и многомодов полупроводников лазер се намалява отклонението, причинено от ефекта на Кер, и се намаляват колебанията на нулевата точка (фиг. 11). , b, 0,02 ° / h, с време на интегриране от 30 s ).

За да се намалят поляризационните флуктуации, се предлага фазова модулация на изходния сигнал с помощта на основната вълна и втория хармоник, както и метод, при който хармониците на изходния сигнал на светлинния приемник и компонента постоянен ток, тогава флуктуационният компонент на коефициента на мащаба се изолира чрез изчисление. Те също така се опитват да въведат в системата оптично влакно, което поддържа поляризацията, да направят фазов модулатор с насочени съединители, а останалите елементи под формата на вълноводни устройства. Експериментите с такива жироскопи дават разделителна способност от 0,02 до няколко градуса на час (време за интегриране 1 s). За увеличаване на разделителната способност и намаляване на дрейфа на нулата, използването на суперлуминесцентен диод с ниска кохерентност (широчина на спектъра на кохерентната вълна от 20 μm) също е ефективно.

На фиг. 12а показва система, в която: възбуждащият сигнал на фазовия модулатор се формира чрез интегриране на зъбно напрежение и на изхода се генерира квазихетеродиниращ сигнал. На фиг. Фигура 12, b показва промяната във фазата на електрическия сигнал на променлив ток, когато жироскопът се върти. Има и други опити за прилагане на метод на квазихетеродинна светлина, базиран на фазова модулация. Например, системата е комбинирана със схема за фазова обработка (виж фиг. 7), която позволява разширяване на динамичния обхват и стабилизиране на мащабния фактор, т.е. компенсиране на недостатъците на метода на фазова модулация. В тази система е необходима прецизна настройка на параметрите на модулиращата форма на вълната и това е трудно постижимо техническа характеристика, удовлетворяващи инерционната навигация. Чрез манипулиране на формата на модулиращия сигнал практически се прилага нулевият метод, но това създава проблем със стабилизирането на нулевата точка.

Във всеки случай, фазово модулираната система превъзхожда другите системи по отношение на разделителната способност и стабилността на нулевата точка, а също така е относително проста. Следователно, работата се разширява върху миниатюризацията на тази система чрез създаване на функционални оптични елементи от влакна и вълноводи и интегрирани оптични устройства. По-специално, западногерманската компания SEL вече произвежда жироскопи с разделителна способност от около 15 ° / h и линейност в рамките на 1%, където вълноводните оптични елементи се използват за фазов модулатор. Дължина на влакното 100 m, радиус на чувствителност на бобината на оптичното влакно е около 3,5 cm, размери 80´80´25 mm, тегло 200 g.

На фиг. 13, а показва структурата на фиброоптичен жироскоп с промяна на честотата, разработен от западногерманската фирма SEL, той съдържа два еталонни осцилатора с честоти f L и f H, с помощта на които се установява фазовата разлика p, която се превключва с честота f c. Всичко това ви позволява да увеличите чувствителността. По-специално, в стационарен режим честотата на възбуждане f на AOM1 е равна на (f L + f H)/2, т.е. при превключване между f H и f L изходният сигнал на интерферометъра не се променя. В режим c. при постоянна честота f, компонентът f c отсъства на изхода на интерферометъра, което може да е основа за обратна връзказа генератор с контролирано напрежение. Когато жироскопът се върти, честотата f се отклонява от стойността (f L + f H)/2 и в съответствие с установената разлика скоростта на това въртене може да се определи по формулата:

Тази система ефективно намалява шума, тъй като честотата f c се определя като реципрочна стойност на периода на разпространение на светлинната вълна по макарата с оптични влакна, а честотата на сигналната светлина и светлината на обратното разсейване на Релей обикновено се различават само като f H - f L . Динамичният диапазон, както се вижда на фиг. 13, b, се простира върху шест порядъка, което е характеристика на метода за промяна на честотата.

Ако разстоянието от модулаторите AOM1 и AOM2 до разделителя на лъча не е еднакво, възниква дрейф на нулата. Поради това стабилността на нулевата точка се влошава до тази на фазово модулирана система. Тези продукти обаче вече се произвеждат (с дрейф около 3°/h). При тях дължината на оптичното влакно е 1 км, радиусът на намотката е 5 см. Ъгловото отместване за всяко честотно отчитане на изходния сигнал е 2,95 s.

Методът за промяна на честотата е структурно базиран на метода на фазовата модулация. Смята се, че подобрява разделителната способност и стабилността на нулевата точка. В този случай основните трудности са свързани с превключвателя на честотата. Ако като него се използва AOM, тогава възникват два проблема - увеличаване на размерите на оптичната система с увеличаване на мощността на възбуждане и отразената светлина, както и увеличаване на честотата на възбуждане. Заедно с AOM се изучават честотни превключватели под формата на оптични функционални елементи и светлинни вълноводи. Освен това са интегрирани два AOMs и леща върху LiNbO 3 субстрат. Проектират се и системи с честотно изместване, получено по фазовия метод.

На фиг. Фигура 14 показва общата структура на фазова система, базирана на интегрална схема. Фазовият модулатор от вълноводен тип има добри честотни характеристики, така че е възможно да се възбуди с трионно напрежение и да се приложи фазова система. Освен това, ако амплитудата на трионообразното напрежение на възбуждане стриктно съответства на 2p, тогава не възникват по-високи хармоници и се получава идеален превключвател на честотата. За инерционна навигационна система това условие трябва да се спазва много стриктно. Френската компания Thomson CSF разработи автоматична настройкаамплитуда с помощта на цифрово-аналогов преобразувател, който осигурява необходимата трионообразна форма на вълната на напрежението с фронт от микростъпки. Неговата честота се определя като Df от формула (11) и с обратна връзка, синхронна с цифрово-аналоговия преобразувател, тук е предоставен нулевият метод и промяната тактова честотаинформира за ъгловата скорост на жироскопа. В тази система не е необходимо голямо честотно изместване и може да се използва само един честотен превключвател. Разработен е подобен жироскоп с нулев дрейф от 0,3°/h и динамичен диапазон от 7 порядъка.

Системата на фиг. 6 включва намотка с радиус 15 cm от едномодово оптично влакно с дължина 2000 m, отделни оптични инструменти и едномодов полупроводников лазер. Той използва директна честотна модулация на полупроводниково лазерно лъчение, което води до допълнителен шум. За да се намали кохерентността, ширината на радиационния спектър се увеличава. На фиг. 15 показва характеристиките на шума. Разширяването на спектъра позволява разделителната способност да се увеличи приблизително 20 пъти. Тъй като поради светлина за заден ходспектърът на полупроводниковия лазер е нестабилен, в системата се въвежда изолатор.

На фиг. 15, и е обяснена работата на тази система. Вертикалната ос представлява промяна в честотата, която е пропорционална на ъгловата скорост, като едно броене съответства на ъглово изместване от 4" (с 10x увеличение от 0,4" на броене). Скоростта на въртене на земното кълбо е 0,0042°/s, краткотрайната разделителна способност е 5°/h. На фиг. 15, b показва характеристиката на предаване (вход-изход). Скорост от 11°/h съответства на фазова разлика от 180°. Линейността на характеристиката се подобрява чрез използване на нулевия метод. Горна граница за откриване на въртене, определена от електронна схема, е 100°/s, динамичният обхват на експерименталната система е 5 порядъка.

Поради термичните колебания в скоростта на звука в AOM системата се получава забележим дрейф на нулата и следователно изследванията на методите за проследяване продължават скорост на звукав AOM. Тази система, използвайки двумерни светлинни вълноводи и дифракционни решетки, може да се реализира под формата на интегрална схема.

Разгледан е принципът на действие на някои оптични жироскопи, включително фиброоптични. Благодарение на метода на фазовата модулация се постига разделителна способност и стабилност на нулевата точка в съответствие с изискванията на инерционната навигация. Използвайки метода на промяна на честотата и светлинния хетеродин, се постига широк динамичен диапазон (от пет до девет порядъка) и стабилен мащабен коефициент. Оптичните жироскопи са широко използвани. Разработването на различни устройства, базирани на микрооптични технологии, оптични влакна функционални елементи, оптични вълноводни елементи. Досега такива жироскопи от среден клас вече са налични в търговската мрежа.

Оптичните жироскопи се различават от предишните по липсата на механични системи, което ги прави подходящи не само за навигация, но и в други области, например за управление на движението на бормашина при пробиване на нефтени кладенци. Освен това, ако увеличите диаметъра на пръстена от оптични влакна и удължите интервала на интегриране на изходния сигнал, можете да увеличите чувствителността, което ще ви позволи да използвате жироскопа за прогнозиране на времето, измерване на колебанията на собственото въртене на Земята и т.н. .

Оптични комуникационни вълноводи, Teumin I.I.
Оптични сензори, изд. Т. Окоши, превод от японски.
Оптични вълноводи, Маркузе Д., превод от английски.
Основи на оптичните комуникации, изд. Е. М. Дианова, превод от английски.

Фиброоптичен жироскоп

Въведение

Фиброоптичният жироскоп (FOG) е оптично-електронно устройство, чието създаване стана възможно само с развитието и усъвършенстването елементна базаквантова електроника. Уредът измерва ъгловата скорост и ъглите на въртене на обекта, върху който е монтиран. Принципът на действие на FOG се основава на вихровия (ротационен) ефект на Саняк.

Интересът на чуждестранни и местни компании към оптичния жироскоп се основава на потенциалното му приложение като чувствителен ротационен елемент в инерционни системи за навигация, контрол и стабилизация. В някои случаи това устройство може напълно да замени сложните и скъпи електромеханични (роторни) жироскопи и триосни жиростабилизирани платформи. Според данни на чуждестранната преса в бъдеще в САЩ се очаква около 50% от всички жироскопи, използвани в системите за навигация, контрол и стабилизация на обекти с различно предназначение, да бъдат заменени с фиброоптични жироскопи.

Възможността за създаване на истинска високочувствителна мъгла се появи едва с промишленото разработване на едномодов диелектричен световод с ниско затихване. Дизайнът на FOG върху такива влакна определя уникалните свойства на устройството. Тези свойства включват:

потенциално висока чувствителност (точност) на устройството, която вече е 0,1 deg/h или по-малко при експериментални прототипи;

малки размери и тегло на конструкцията, благодарение на възможността за създаване на МЪГЛА изцяло върху интегрални оптични схеми;

ниска цена на производство и дизайн за масово производство и относителна простота на технологията;

пренебрежимо малка консумация на енергия, което е от голямо значение при използване на FOG на борда;

голям динамичен диапазон на измерените ъглови скорости (по-специално, например, едно устройство може да измерва скоростта на въртене от 1 deg/h до 300 deg/s);

липсата на въртящи се механични елементи (ротори) и лагери, което повишава надеждността и намалява разходите за тяхното производство;

почти моментална готовност за работа, тъй като не се отделя време за въртене на ротора;

нечувствителност към големи линейни ускорения и следователно производителност при условия на високи механични претоварвания;

висока устойчивост на шум, ниска чувствителност към мощни външни електромагнитни влияния поради диелектричната природа на влакното;

ниска чувствителност към проникваща гама неутронна радиация, особено в диапазона от 1,3 микрона.

Влакнесто-оптичният жироскоп може да се използва като чувствителен към въртене елемент (сензор), твърдо фиксиран към носещото тяло в инерционни системи за управление и стабилизиране. Механичните жироскопи имат така наречените жиромеханични грешки, които са особено изразени при маневриране на носителя (самолет, ракета, космически кораб). Тези грешки са още по-значими, ако инерционната система за управление е проектирана със сензори, здраво закрепени или „окачени“ директно към тялото на потребителя. Перспективата за използване на евтин оптичен сензор за въртене, който може да работи без жиромеханични грешки в инерционната система за управление, е друга причина за специалния интерес към оптичния жироскоп.

Появата на идеята и първите дизайни на фиброоптичен жироскоп е тясно свързана с разработването на пръстеновиден лазерен жироскоп (RLG). В CLG чувствителната верига е пръстен самовъзбуждащ се резонатор с активна газова среда и отразяващи огледала, докато в FOG пасивна многооборотна диелектрична световодна верига се възбужда от „външен“ източник на светлинно лъчение. Тези характеристики определят поне пет предимства на FOG в сравнение с CLG:

В FOG няма синхронизация на противоположно пътуващи видове трептения близо до нулевата стойност на ъгловата скорост на въртене, което прави възможно измерването на много ниски ъглови скорости, без да е необходимо да се конструират сложни устройства за изместване на нулевата точка;

2. Ефектът на Саняк, на който се основава принципът на работа на устройството, се проявява с няколко порядъка по-силно поради ниските загуби в оптичното влакно и дългата дължина на влакното.

3. Дизайнът на FOG е изцяло направен под формата на твърдо тяло (в бъдеще изцяло на интегрални оптични схеми), което улеснява работата и повишава надеждността в сравнение с KLG.

4. FOG измерва скоростта на въртене, докато KLG записва увеличението на скоростта.

5. Конфигурацията FOG ви позволява да "усетите" обръщането на посоката на въртене.

Тези свойства на FOG, които правят възможно създаването на прости структури с висока точност изцяло върху евтини солидни интегрални оптични схеми в масово производство, привличат голямо внимание от разработчиците на системи за управление. Според редица чуждестранни компании, благодарение на уник технически възможностиИнтензивно ще се развиват МЪГЛИ.

Чуждестранни автори заявяват, че развитието на дизайна на FOG и довеждането му до производствени проби не е така проста задача. При разработването на FOG учените и инженерите се сблъскват с редица трудности. Първият е свързан с технологията на производство на FOG елементи. Понастоящем все още има малко добри едномодови влакна, които запазват посоката на поляризацията; Производството на разделители на лъчи, поляризатори, фазови и честотни модулатори, пространствени филтри и интегрални оптични схеми е в начален етап на развитие. Броят на излъчвателите и фотодетекторите, проектирани специално за FOG, е ограничен.

Компаниите и разработчиците на FOG решават и двата проблема. Технологията за производство на елементи в FOG се подобрява, физическата природа на смущенията и нестабилностите се изучава теоретично и експериментално, създават се и се тестват различни вериги на FOG с компенсация за тези смущения и се изследват фундаменталните въпроси за използването на интегрирана оптика развити. Точността на FOG вече е близка до изискваната в инерционните системи за управление.

Вече са публикувани множество научни статии в специализираната научна и периодична литература по проблема МЪГЛА. Анализът на тези статии показва необходимостта от по-нататъшно проучване на този проблем и разработването на нови начини за подобряване на качествените характеристики на FOG.

Важен етап е и систематизирането и обобщаването на ключовите въпроси от теорията и практиката на създаване на ФОГ.

Целта на дипломната работа е да се анализира работата на FOG, обобщен модел на шум и нестабилност, и да се оцени максималната (потенциална) чувствителност на устройството. Въз основа на свойството за реципрочност е необходимо да се вземе предвид минималната конфигурация на FOG. След това преценете сегашно състояниеелементна база. В същото време обърнете значително внимание на свойствата на оптичните влакна и анализирайте възможните нехомогенности и загуби за различни видове влакна. Разгледайте основните елементи на FOG: влакнеста верига, излъчватели и фотодетектори, а също така предложете начини за компенсиране на шума и нестабилността на FOG (като обратно разсейване на Rayleigh, оптичен нелинеен ефект, температурни градиенти, магнитно поле и др.).

Основната цел на дипломната работа е да разгледа ключовите аспекти на теорията на FOG въз основа на анализ на грешките на нейните елементи и качествена оценка на характеристиките на точността на устройството, като се вземе предвид използването на различни подходи за решаване на проблема за повишаване на неговата чувствителност.

Необходимо е също така да се разгледат различни методи за инженерство на схеми за намаляване на нивото на шума и нестабилността на FOGs.

Отделно отразявайте техническите и икономическите аспекти на работата, проблемите с безопасността на живота по време на изследването, както и проблемите на безопасността на околната среда при използване на устройството.

1. Принципи на фиброоптична жироскопия

1.1. Основни характеристики на МЪГЛА

Оптичният жироскоп принадлежи към клас устройства, в които противоположно разпространяващите се светлинни лъчи се разпространяват в затворена оптична верига. Принципът на работа на оптичния жироскоп се основава на "вихровия" ефект на Sagnac, открит от този учен през 1913 г. Същността на вихровия ефект е следната. Ако два светлинни лъча се разпространяват в противоположни посоки в затворена оптична верига, тогава при неподвижна верига фазовите отмествания на двата лъча, преминали през цялата верига, ще бъдат еднакви. Когато контурът се върти около ос, нормална към равнината на контура, фазовите смени на лъчите са неравномерни, а фазовата разлика на лъчите е пропорционална на ъгловата скорост на въртене на контура. За да се обясни вихровият ефект на Саняк, са разработени три теории: кинематична, Доплерова и релативистка. Най-простият от тях е кинематичен, най-строгият е релативисткият, базиран на общата теория на относителността. Нека разгледаме вихровия ефект на Саняк в рамките на кинематичната теория.

В зависимост от конструкцията на затворената оптична верига се разграничават два вида оптични жироскопи. Първият тип е така нареченият пръстеновиден лазерен жироскоп (RLG), при който веригата се формира от активна среда (смес от газове хелий и неон) и съответните огледала, образуващи затворен път (пръстенов лазер). Вторият тип е фиброоптичен жироскоп (FOG), при който затворен контур се образува от многооборотна намотка от оптично влакно. Схематичната диаграма на FOG е показана на фиг. 1.3.

1.2. Принципът на реципрочност и фазова регистрация в FOG

Типичните експериментални проекти на жироскопи използват намотка с R = 100 mm с дължина на влакното L = 500 м. Откриването на скорост на въртене от 1 deg/h изисква фазово откриване с разделителна способност от порядъка на 10 -5 rad. Това е показано на фиг. 1.4., който показва стойностите на фазовото изместване като функция на ъгловата скорост на въртене на веригата и стойността на LR при  = 0,63 μm.

Системите за откриване на фаза с оптична интерференция с тази чувствителност са добре известни, но има някои специални проблеми с откриването на фаза в жироскопите. Първият се дължи на факта, че често жироскопът работи при номинална почти нулева разлика в хода и за малки промени в относителната фазова стойност има незначителна промяна в изходния интензитет.

Фигура 1.4. Фаза на Sagnac в ъгловата скорост на въртене за различни стойности на параметъра LR.

Работата при отместване на фазата от 90° увеличава максимално чувствителността, но това въвежда известна нереципрочност между двете посоки на лъча в жироскопа, тъй като фазата на лъча по посока на часовниковата стрелка е различна от тази на лъча обратно на часовниковата стрелка при липса на въртене.

Свойството реципрочност е вторият важен момент в МЪГЛАТА. Фазовата нереципрочност при FOG се определя от диференциалната фазова разлика на насрещно разпространяващите се лъчи. Всяка фазова нереципрочност (фазова разлика) за две посоки води до промени в показанията на жироскопа. Ако нереципрочността е функция на времето, тогава има известно времево отклонение в показанията на жироскопа. Влакно с дължина 500 m дава фазово забавяне от порядъка на 10 10 rad. По този начин, за да се регистрира скорост на въртене от 0,05 deg/h, е необходимо пътищата на разпространение на противоположно пътуващите лъчи да бъдат в съответствие с относителна точност до 10 -17 rad.

Освен това трябва да се отбележи, че самият принцип на работа на фиброоптичния жироскоп се основава на нереципрочното свойство на разпространение на насрещно разпространяващи се вълни във въртяща се референтна рамка (появата на разлика във фазовите измествания на два лъча по време на въртене). Следователно значението на анализирането на нереципрочни ефекти и устройства в FOG е несъмнено (поне за определяне на точността на устройството).

Във връзка с FOG е удобно да се анализира принципът на реципрочност за верига с четири входа и изхода. За оптичен вълновод четирите входа съответстват на входовете на радиация по две взаимно перпендикулярни посоки на поляризация във всеки край на влакното. Съответните входове и изходи са дефинирани по еднакви поляризационни оси.

От това следва, че в случай на въвеждане на радиация с начална посока на поляризация X, светлината, излизаща с ортогонална посока на поляризация Y, ще има различни фазови навлизания във всяка посока на разпространение, а светлината, излизаща с първоначална посока на поляризация X, ще има същата фаза нахлувания за всяко разпределение на посоката.

Това е част от изискването, наложено от интерпретацията на теоремата за реципрочност на Лоренц, която постулира, че в случая линейна системаоптичните пътища са точно взаимни, ако даден входен пространствен режим е същият на изхода.

Един от параметрите на пространствения режим е поляризацията; трябва да се дефинира и втори параметър, например пространственото разпределение (локация) на режима. Следователно, в края на веригата FOG трябва да има както поляризационен филтър (избиращ първоначалната поляризация), така и пространствен филтър, който ще задоволи принципа на реципрочност на Лоренц.

Тези са хубави прости устройствав дизайна на FOG (при условие, че могат да бъдат реализирани с достатъчна точност) ще гарантират условия за реципрочност в системата, но само ако условието за линейност е изпълнено. Ако нелинейностите са значителни, тогава FOG ще има реципрочност, ако има точна симетрия по отношение на средната точка на оптичната верига. Това условие предполага, че енергията, въведена във всеки край на веригата, е една и съща и че свойствата на влакното са равномерно разпределени (или поне симетрични).

Мощността на оптичното излъчване, въведено във влакното, е толкова ниска (винаги по-малко от 1...2 mW), че изглежда, че нелинейностите могат да бъдат пренебрегнати. Въпреки това, чувствителността на FOG към нереципрочност е изключително висока и нелинейните ефекти (по-специално ефектът на Кер) водят до забележима нереципрочност, еквивалентна на скорости на въртене над 1 градус/ч. В оптичното влакно равнината на поляризация на линейно поляризирана светлина се върти под въздействието на външно магнитно поле (ефект на Фарадей).

Фарадеевото въртене е друг нереципрочен ефект. В случай на линейно поляризирана светлина, пълното въртене зависи от линейния интеграл на тока, поет по оптичния път. В случая на МЪГЛА този интеграл е равен на нула в магнитното поле на Земята. Въпреки това, по-внимателно разглеждане на взаимодействието на светлината във влакното и магнитното поле по протежение на влакното показва, че истинският източник на въртене е индуцирано кръгово двойно пречупване и че простият подход, споменат по-горе, е полезен само ако и двата компонента на кръгова поляризация (дясна и лявата ръка) имат еднакви амплитуди. Това важи само за случая на линейно поляризирана светлина.

Тъй като светлината се разпространява през влакното, възникват всички възможни състояния на поляризация и процентът на светлината, оставаща във всяко присъщо състояние на кръгова поляризация на фарадеевия ротатор, варира произволно по протежение на оптичния път. Това води до известна фазова разлика за двете посоки на разпространение на линейно поляризираната мода на изхода.

По този начин FOG е много чувствителен към магнитното поле на Земята и когато се проектира FOG за измерване на скоростта на въртене, е необходимо магнитно екраниране (или осигуряване на линейна поляризация на светлината по целия път във влакното). Ако приемем, че магнитното поле на Земята е 27 A*m 2 и приемем, че няма компенсация на полето за 5% от дължината на влакното, можем да получим стойност на фазовото отклонение, което е еквивалентно на скоростта на въртене на Земята.

Горните точки включват нереципрочни ефекти, предизвикани във влакното; въпреки това дори първите етапи в проектирането на FOG от гледна точка на поддържане на реципрочност в регистрационната система трябва да бъдат осигуряване на еднаква дължина на оптичните пътища в FOG.

От фиг. 1.3. Може да се види, че тази конфигурация няма свойството реципрочност, тъй като лъч светлина, разпространяващ се по посока на часовниковата стрелка, преминава два пъти през разделителя на светлината, а лъч светлина, разпространяващ се обратно на часовниковата стрелка, се отразява от разделителя на лъча два пъти. Но в същото време взаимният оптичен изходен път от сензорната верига върви в посока обратно към източника (от разделителя на лъча към диода), т.е. по протежение на входния оптичен път.

Следователно, реципрочност може да бъде постигната в регистрационната система чрез поставяне на втори светоразделител по протежение на входния оптичен път (фиг. 1.5.).

Диапазонът на скоростите на въртене, които се измерват от високочувствителен жироскоп от инерционни системи за управление, се простира от 0,1 deg/h до 400 deg/h. При LR = 100 m тези стойности на скоростта съответстват на диапазон от фазови промени от 10 до 10 rad (фиг. 1.4.).

Фигура 1.5. FOG верига с постоянно изместване на фазовата разлика.

Към днешна дата са положени значителни усилия за повишаване на чувствителността на устройството към ниски скорости и в същото време много малко внимание е обърнато на проблемите, свързани с увеличаването на необходимия динамичен обхват.

Както вече беше отбелязано, ако е необходимо да се измерят големи промени в интензитета за дадена фазова промяна, е необходимо да се въведе фазово изместване от /2, т.е. интерферометърът трябва да работи в квадратурен режим. В този режим връзката между промените в интензитета и фазовите промени е линейна (до 1%) само до максимални фазови отклонения от 0,1 rad. Компенсацията на нелинейността може да се извърши в самата записваща система, но само до максимално отклонение на фазата от порядъка на 1 rad.

Има редица методи за откриване на фаза, които могат да се използват при проектирането на FOG.

Най-често срещаните схеми използват статична фазова разлика от 90° между двата лъча и схеми с променлива фазова разлика от 90°.

Статична нереципрочна фазова разлика между лъчи, разпространяващи се по посока на часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка, може да бъде създадена, например, като се използва елемент на Фарадей, поставен в единия край на влакнеста верига (фиг. 1.5.). Промените в регистрирания интензитет на взаимния изход съответстват на промените в стойността на относителната фаза за двата лъча, преминаващи около контура.

Въз основа на принципите на фазово изместване може да се предложи друг принцип на регистрация с по-висока чувствителност.

1.3. Модел на шум и нестабилности в МЪГЛА.

Оптичният жироскоп е доста сложна оптико-електронна система. При проектирането на реално устройство оптичните елементи и електронните устройства трябва да бъдат избрани и подредени по такъв начин, че да се сведе до минимум влиянието на външните смущения (температурни градиенти, механични и акустични вибрации, магнитни полета и др.). Освен това самото устройство съдържа редица вътрешни източници на шум и нестабилност. Условно тези шумове и нестабилности могат да бъдат разделени на бързи и бавни смущения. Бързите смущения имат случаен краткотраен осреднен ефект (секунди) върху чувствителността на FOG; те са ясно видими при нулева скорост на въртене (краткотраен шум). Бавните смущения причиняват бавен дрейф на сигнала, което води до дългосрочни отклонения в показанията на FOG (дългосрочен дрейф).

Обобщен модел на източници на шум и нестабилности в FOG е показан на фиг. 1.6.

Фигура 1.6. Обобщен модел на шум и нестабилности в МЪГЛА.

Ако изключим влиянието на всички източници на шум и нестабилности в МЪГЛАТА, което, разбира се, е възможно само по принцип, тогава винаги остава фундаментално неотстраним шум - така нареченият квантов или фотонен шум; Те се наричат още изстрелен шум. Тези шумове се появяват само при наличие на полезен оптичен сигнал на входа на фотодетектора и се причиняват от случайно разпределение на скоростта на пристигането на фотоните във фотодетектора, което води до случайни колебания на тока на фотодетектора. В този случай чувствителността (точността) на FOG е ограничена само от изстрелен (фотонен) шум. Чувствителността (точността) на МЪГЛАТА, определена от изстрелен (фотонен) шум, както всяка друга оптична информационно-измервателна система, е фундаменталната граница на чувствителността (точността) на устройството. Фотонният шум е следствие от квантовата природа на светлинното излъчване. По отношение на оптичните системи за предаване на информация, максималната шумоустойчивост на тези системи, дължаща се на фотонен шум, беше изчислена в .

Следвайки работата, ние ще оценим фундаменталната граница на чувствителност (точност) на FOG.

Нивото на фотонния шум зависи от интензитета на оптичното лъчение, падащо върху фотодетектора, и се определя от колебанията в интензитета на оптичното лъчение.

Оценката на границата на чувствителност, дължаща се на изстрелния шум, може да се промени поради редица фактори.

Първият е квантовата ефективност на фотодетектора, намаляването на което води до намаляване на съотношението сигнал / шум. Друг фактор е, че по подходящ начинпретеглената средна мощност, падаща върху фотодетектора, определя нивото на изстрела (фотонния) шум и може да бъде по-ниска от максималната мощност. Въпреки това не винаги е ясно как да се извърши процедурата по претегляне. Може да има разлика от приблизително 2 пъти между оценката и постигнатата граница на изстрелния шум.

Има и други по-слаби несъответствия, определени от характеристиките на процеса на детекция. Краткосрочната чувствителност на FOG, приближаваща определената квантова граница, беше отбелязана в работата. Подобна чувствителност може да се постигне чрез внимателно намаляване на всички видове друг шум до много ниски нива. Например, термичният шум на усилвател може да бъде намален чрез подходящо избиране на товарното съпротивление на фотодиода; освен това може да се използва усилвател с ниско ниво на шум; Вече е постигнато ниво на шум под 1 dB. Други видове шум и нестабилност в FOG могат да бъдат намалени или компенсирани чрез методите, обсъдени в глава. 3.

Нека разгледаме обобщен модел на шума и нестабилността на МЪГЛАТА. Нека дадем кратко описание на основните смущения на истинската МЪГЛА.

Един от основните източници на шум в системата FOG е обратното разсейване на Rayleigh във влакното, а в някои системи също и отражението от дискретни оптични елементи, използвани за въвеждане на радиация в системата. Физически тези шумове се появяват

поради разсейването на светлинното лъчение от директен лъч върху микрочастици и нехомогенности в средата за размножаване.

Шумът, свързан с обратното разсейване и отражението, може да съдържа два компонента: кохерентен и некохерентен. Некохерентният компонент повишава общото ниво на хаотична светлинна мощност в детектора и е източник на допълнителен ударен шум. Некохерентният компонент не пречи на сигнала, свързан с измерената скорост на въртене.

Беше изчислено нивото на допълнителен принос към шума от изстрела и във всички практически ситуации стойността му беше не повече от 1 dB.

Компонентът на кохерентното обратно разсейване и шумът от отражението се добавят векторно към противоположно пътуващите лъчи; това води до грешка във фазовата разлика между двата лъча в зависимост от фазата на шумовия сигнал. Например, както е отбелязано в работата, отражението на Френел от граничната повърхност стъкло-въздух е около 4% по интензитет.

При най-лошите условия този компонент може да се комбинира кохерентно с главния лъч и да предизвика фазова промяна от повече от 10 -1 rad, което е еквивалентно на скорост на въртене от около 10 deg/s. Грешката, дължаща се на кохерентно отражение, може да бъде елиминирана, ако в FOG се използва източник на радиация с кохерентна дължина, много по-малка от дължината на влакнеста верига. Тогава шумът, свързан с отражението в края на влакното, се сумира некохерентно с полезния сигнал.

Шумът, свързан с кохерентното обратно разсейване на Релей, може да бъде намален по подобен начин, т.е. чрез използване на източник на излъчване с най-късата дължина на кохерентност. Винаги обаче има част от влакното, разположена приблизително в средата на цикъла, чиято дължина е равна на кохерентната дължина на източника, и именно тази част от влакното дава кохерентния компонент на обратното разсейване.

Оценка на големината на този шум може да бъде направена въз основа на прост модел, който предполага, че загубите във влакното възникват поради равномерно разсейване от малки нередности в сърцевината на влакното (Rayleigh scattering). Ако влакното има загуба от 10 dB/km, тогава 0,1% от падащата енергия се разсейва на метър; част от разпръснатата енергия, равна на квадрата на числовата апертура на влакното, се разпръсква обратно. По този начин, в даден един метър влакно, енергия от порядъка на 10 -5 от падащата енергия се разсейва обратно към източника на светлина.

Ако вземем предвид средата на веригата и ако общото затихване в веригата е 10 dB, тогава централната част на веригата (дълъг един метър) дава отклонение от една част на милион в мощността (10 -6) спрямо получена мощност в устройството за сравнение на фазите, което води до грешка в оценката на фазата, равна на 10 -3 rad (ако обратното разсейване е кохерентно). Тогава еквивалентната грешка при определяне на скоростта на въртене е около 150 градуса/ч (виж фиг. 1.5).

Ефективната грешка, свързана с оценката на скоростта на въртене, е пропорционална на корен квадратен от кохерентната дължина на радиацията на източника. Като се има предвид това, работата показва, че за откриване на дневното въртене на Земята ефективната максимална кохерентна дължина е 0,1 mm; за запис на въртене със скорост

0,1 deg/h, кохерентната дължина е от порядъка на няколко микрометра.

Редица изследователи използват произволни фазови модулатори, поставени в средата на цикъла, за да "декохерират" (декорелират) шума от обратното разсейване.

Свойството на реципрочност на FOG може да бъде нарушено под влияние на промени във външната температура. Температурните градиенти, които се променят с времето във веригата на влакната, водят до появата на сигнал, еквивалентен на определена стойност на скоростта на въртене. Анализът на най-лошия случай показва необходимостта от строга температурна стабилизация на веригата, но ограниченията могат да бъдат премахнати до голяма степен, ако намотката на намотката е направена симетрична.

Отклоненията от свойството на реципрочност възникват само по време на промяна в температурния градиент и не възникват, ако температурата на цялата верига се променя равномерно. Ефектът от температурен градиент, възникващ между две стабилни температурни разпределения, причинява грешка в отчитането на ъгловата скорост по време на температурни промени.

Площта на намотката е функция от температурата и материала на намотката, върху която е навита примката. Много е вероятно инструмент с висока точност да изисква стабилизиране на температурата. Може да се наложи да се направят температурни корекции по време на обработката на сигнала. Трябва също така да се отбележи, че коефициентите на топлинно разширение на влакното и макарата за навиване трябва да бъдат добре съгласувани, за да се сведат до минимум загубите от микроогъване във влакното, предизвикани от температурата. Те възникват, когато влакното е подложено на механично напрежение и може да достигне повече от 10 dB/km.

Източникът на шум в FOG, който влошава чувствителността на устройството, е колебанията в излъчването на оптичния източник (лазерен диод, LED или суперлуминесцентен диод). Този шум се проявява като колебания в измерения изходен сигнал. Излъчването от източника на МЪГЛА може да варира както по интензитет, така и по дължина на вълната на генерираната светлинен поток.

Шумът, свързан с промените в интензитета на радиацията, повишава общото ниво на изстреловия шум; то може да бъде причинено или от колебания в тока на отклонение, приложен към източника, или от вътрешни колебания в самия източник. При полупроводникови лазерни източници шумът, свързан с промените в интензитета, добавя един или два децибела към общото ниво на ударен шум. При проектирането на МЪГЛА спектърът на такъв шум, разбира се, трябва да бъде известен; Известно е, че при полупроводниковите лазери този спектър е много сложен.

Трябва да се отбележи обаче, че в много схеми за откриване, използвани в FOG, оптичната фаза се преобразува в интензитет чрез интерферометричен процес. На изхода на електронното устройство се четат стойности на оптичния интензитет, еквивалентни на фазата. Нестабилността на интензитета на излъчване на оптичен източник (дори ако дължината на вълната на излъчване остава постоянна) води до нестабилност на фазовите стойности.

Хетеродиновите системи, както и регистрационните системи с обръщане на фазата към нула, са устойчиви на нестабилности от този тип. Известно е, че полупроводниковите източници показват нестабилност на интензитета с течение на времето поради стареене, но този ефект може да бъде компенсиран чрез измерване на пълния интензитет от задната страна на източника и съответно регулиране на тока на отклонение. Не е ясно колко ефективна е тази процедура, тъй като промените в тока на отклонение ще причинят съответните промени в температурата на лазера, което ще доведе до съответните промени в изходната дължина на вълната, като по този начин ще повлияе на мащабния фактор.

Както вече беше отбелязано, стабилността на дължината на вълната на излъчване на източника на лъчение FOG пряко влияе върху мащабния фактор на устройството. Термично стабилизираните лазери могат да бъдат доста стабилни, въпреки че промените в дължината на вълната на емисиите, дължащи се на стареене на тока на помпата и температурата на радиатора, трябва да бъдат включени в спецификацията, когато са предназначени за използване на FOG; това ще ви позволи да изберете диоди с подходящи характеристики.

Трябва да се отбележи обаче, че шумът, свързан с промените в дължината на вълната на лъчението на източника на FOG, е незначителен в повечето системи за откриване на фаза. Те всъщност декорират обратното Релеево разсейване на радиацията по честота. Например, известни са системи FOG, където излъчването на хелиево-неонов лазер е специфично честотно модулирано, за да се декорира обратно разсеяното лъчение.

Нека сега разгледаме шума, който се появява при МЪГЛА поради нелинейния характер на взаимодействието на радиацията със средата, в която се разпространява. Въпреки много ниските нива на радиация, разпространяваща се в FOG, нелинейните ефекти могат да бъдат много значителни, като се има предвид, разбира се, че FOG е много чувствителен към нереципрочността на фазите във веригата. Нелинейният електрооптичен ефект се нарича ефект на Кер и се състои в промяна на фазовото изместване на светлинната вълна, разпространяваща се в среда под въздействието на интензитета на излъчване (т.е. фазата се променя в зависимост от квадрата на амплитудата на излъчване). По време на проучванията на FOG имаше

Фазовата константа на разпространение на вълна, движеща се по посока на часовниковата стрелка, е пропорционална на сумата от интензитета на предната вълна и два пъти интензитета на обратната вълна. Същото важи и за вълна, движеща се обратно на часовниковата стрелка във верига. Следователно приносът към нелинейността се определя както от вълната, разпространяваща се по часовниковата стрелка, така и от вълната, разпространяваща се обратно на часовниковата стрелка. Ако интензитетите на насрещно пътуващите вълни са различни и това може да се дължи на температурни промени в разделителите на лъча, съединителите и т.н., тогава фазовите константи на разпространение за насрещно пътуващите вълни се променят по различни начини. Налице е фазова невзаимност на веригата FOG, което води до съответен дрейф на устройството.

Самокомпенсиране на влиянието на ефекта на Кер може да се осъществи и чрез избор на източник на лъчение МЪГНА с подходящи спектрални и статистически характеристики. Както е известно, източникът на гаусово шумово поле, имащ разпределение на амплитудата на Гаус, има разпределение на обвивката на Релей или експоненциално разпределение на интензитета.

Ако конструкцията на FOG е механично несъвършена, акустичните полета, механичните вибрации и ускоренията могат да бъдат сериозен източник на шум.

За да завършите статистическия модел на смущенията на МЪГЛАТА, трябва поне да споменем такива смущения като типов шум (нискочестотен шум на фотодетектора), спонтанен и стимулиран шум на източника на лазерно лъчение, мултипликативен, APD шум, разсейване на Брилуен (разсейване върху фонони). - акустични образувания в средата), разсейване Mi (разсейване от големи нехомогенности в средата). На практика обаче нивото на интензивност на тези шумове е ниско.

По този начин разгледахме обобщен модел на източници на шум и нестабилност на FOGs. В зависимост от конструктивната опция на FOG, определени източници на шум и нестабилност могат да играят по-голяма или по-малка роля. Основните източници са обратното разсейване на Релей, нелинеен електрооптичен ефект, температурни градиенти, външно магнитно поле и нестабилност на интензитета и дължината на вълната на източника на радиация. Фундаментално неотстранимият шум е изстрелният (фотонният) шум на полезния сигнал, който се появява в записващата система и определя основната граница на чувствителност (точност) на МЪГЛАТА.

Анализът на свойството реципрочност и обобщеният модел на шума и нестабилностите на МЪГЛАТА ни позволява да разгледаме схемата на така наречената минимална конфигурация на МЪГЛАТА. Такава конфигурация трябва да включва минималния набор от елементи, които ще направят възможно създаването на работещо устройство с достатъчно висока чувствителност.

Тъй като основните характеристики на работата на FOG са тясно свързани със свойството на реципрочност и в допълнение дори малки отклонения в реципрочността могат да доведат до грешки в показанията на скоростта на въртене и дългосрочни ефекти на дрейфа - изборът на минимална конфигурация на FOG трябва да бъде въз основа на този ключов момент – свойството реципрочност. Минималната опция за конфигурация е показана на фиг. 1.7.

Излъчването от източника се въвежда във влакнестия световод с помощта на устройство за въвеждане на радиация (възможни са системи с леща, потапяне, челна повърхност и други). Ефективността на въвеждане на радиация в едномодово влакно зависи от степента на пространствена кохерентност на източника на радиация. Колкото по-голяма е пространствената кохерентност на радиацията, толкова по-малки са загубите при въвеждане на радиация във влакното.

Изчисленията и експериментите, представени в, показаха, че за да се намали влиянието на обратното разсейване на Rayleigh и ефекта на Kerr, излъчвателят трябва да има кратка времева кохерентна дължина. На практика като излъчватели се използват светодиоди (LED), лазерни диоди (LD) и суперлуминесцентни диоди (SLD). Последните два вида излъчватели имат доста висока степен на пространствена кохерентност; SD има най-малка времева кохерентност.

Един модов филтър обикновено се състои от дължина на едномодово влакно (пространствен филтър) и поляризатор. Очевидно е препоръчително да се направи пространствен филтър от едномодово влакно, което поддържа поляризацията.

Фигура 1.7. Минимална конфигурация на МЪГЛА.

Използването на модов филтър ще улесни изпълнението на основните условия на свойството за реципрочност на Лоренц, като по този начин ще намали дрейфа на МЪГЛАТА. Филтърът за стабилен режим ще бъде ефективен, ако средата между входа и изхода на оптичната верига се поддържа линейна и постоянна във времето.

Необходим е прецизен контрол на поляризацията на лъчението на входа и изхода на веригата. Качеството на поляризатора зависи от степента на отхвърляне на лъчите с ортогонална поляризация от поляризатора. В най-лошия случай, когато има излъчване с еднакъв интензитет във всяка посока на поляризация, нежеланият сигнал е в квадратура във фаза с желания сигнал; Именно в този случай възниква максималната фазова грешка. Както се съобщава в , за поляризатор с отхвърляне на нежелана поляризация от 70 dB, фазовото отклонение в записващата система е около 10 -4 rad,

което е еквивалентно на дрейф на жироскоп от около 20 градуса/ч. Въпреки това, дрейфът може да бъде намален с един или два порядъка дори с помощта на споменатия поляризатор, ако поляризациите на лъчението на входа и изхода съвпадат с оста на поляризатора с точност до 1°. По този начин въпросът за стабилността на радиационната поляризация в FOG е от много сериозно значение.

Експерименталният дизайн на FOG, обсъден в , беше направен изцяло върху едномодово влакно със стабилна поляризация и демонстрира висока чувствителност. Очевидно е възможно да се поддържа стабилна поляризация във веригата, когато се използва конвенционално едномодово влакно, но последното трябва да бъде навито на намотка с определен радиус и с определено механично напрежение, тъй като самият факт на навиване на влакното на намотка води до избор и запазване на поляризационните свойства в системата.

За да се подобри степента на отхвърляне на нежелана поляризация, също е възможно да се използват два или повече поляризатора. Трябва обаче да се отбележи, че пълната деполяризация на радиацията при МЪГЛА понякога дава много добри резултати.

Пространственият филтър, разположен между съединителите P 1 и P 2, трябва да има пространствена характеристика, която се припокрива със структурата на режима на входа и изхода на влакнеста верига. В допълнение, той трябва да поддържа стабилна пространствена връзка с краищата на влакната; модална структура в теглича

не на входа и изхода на веригата трябва да са идентични.

Тъй като FOG обикновено използва едномодово влакно, затихването на режимите от по-висок порядък чрез пространствен филтър е лесно.

Когато се използва конвенционално едномодово влакно (без запазване на поляризацията) в FOG, вътре във веригата се поставя поляризационно устройство PU, което допълнително избира и контролира поляризацията във веригата, като по този начин стабилизира оптичната мощност на режима, освободен от режима филтър.

Диаграмата на минималната конфигурация на FOG (фиг. 1.7.) показва модулатори М, които при необходимост могат да бъдат включени в различни точки на оптичния жироскоп. По правило това са честотни и фазови модулатори, чиято цел е да прехвърлят фазата на Sagnac към сигнал с променлива честота или да компенсират честотата на тази фаза, така че измерванията на ъгловата скорост да могат да се извършват на променлив сигнал. В допълнение шумът от обратното разсейване на Релей може да бъде намален чрез модулация.

Фотодетекторите (PD), p-i-n-фотодиодите и лавинните фотодиоди (APD) се използват като фотодетектори в практиката за проектиране на FOG. Мощността на лазерния източник е достатъчно висока, за да позволи използването на p-i-n фотодиоди; въпреки това може да са необходими вътрешно умножаващи лавинни фотодиоди, когато се използват SLD. В последния случай се появява допълнителен източник на шум - случайни колебания на коефициента на лавинно умножение.

Влияние на FOG елементите върху точностните характеристики на системата

2.1. Характеристики на източниците на радиация за МЪГЛА.

При проектирането на фиброоптични жироскопи, като правило, като излъчватели се използват полупроводникови лазери (LD лазерни диоди), светодиоди (LED) и суперлуминесцентни диоди (SLD). В редица експериментални инсталации за мъгла обаче се използват и хелиево-неонови оптични квантови генератори. Тяхното използване очевидно се обяснява с традиционното мнение, че в оптиката, когато се измерват фазовите съотношения, се предпочитат силно кохерентни източници на излъчване. При използване на хелиево-неонови лазери неговото излъчване може да бъде „декохерентирано“ чрез честотна модулация, което ще намали влиянието на обратното кохерентно разсейване на Rayleigh, което въвежда грешка при измерване на ъгловата скорост на въртене. Освен това, за да се компенсира ефектът на Кер, който също въвежда грешка, е възможно да се използват широколентови източници, които са близки по своите спектрални свойства до топлинните източници.

В допълнение, специфичният дизайн на FOG изисква Допълнителни изискваниякъм източници на радиация. Те включват: съответствие на дължината на вълната на излъчване с номиналната дължина на вълната на световода, където загубите са минимални; осигуряване на достатъчно висока ефективност на въвеждане на радиация в оптичното влакно; възможност за работа на източника на радиация в непрекъснат режим без охлаждане; достатъчно високо нивоизходна мощност на емитер; издръжливост, възпроизводимост на характеристиките, структурна твърдост, както и минимални размери, тегло, консумация на енергия и цена.

На тези условия най-пълно отговарят полупроводниковите излъчватели - LD, SD и SLD. Нека да разгледаме някои характеристики на излъчвателите.

Възможността за използване на полупроводникови инжекционни лазери като източник на радиация в FOGs привлича изследователи и дизайнери предимно поради техните малки размери и тегло, висока ефективност, изпомпване с постоянен ток, дизайн в твърдо състояние и ниска цена. В допълнение, чрез въвеждане на различни примеси е възможно да се покрие необходимия диапазон на дължината на вълната.

Понастоящем са създадени голям брой видове полупроводникови инжекционни лазери или лазерни диоди (LD) върху различни материали. Принципът на генериране на LD лъчение има редица съществени разлики от принципа на генериране на лазери от други видове, което се дължи главно на особеностите на тяхната енергийна структура.

Нека разгледаме в общи линии техническите параметри на LD, които ще ни позволят да оценим възможността за използване на определени структури във влакнесто-оптични жироскопи, като вземем предвид изискванията, наложени към тях.

В чистия полупроводник се разграничават следните енергийни ленти: валентност, забранена зона и зона на проводимост. В истинския полупроводник трябва да се вземе предвид наличието на примеси. Примесите причиняват появата на допълнителни енергийни нива. Донорните примеси създават нива близо до зоната на проводимост, а самите частици на примесите, когато се йонизират, добавят излишни електрони към възбудената зона (лента на проводимост). Акцепторните примеси имат нива близо до валентната лента. Тези примеси улавят електрони от валентната лента, образувайки излишен брой дупки в нея. Броят на електроните в зоната на проводимост значително надвишава броя на дупките във валентната зона (това е типично за полупроводник от n-тип, обратното за полупроводник от тип p).

Когато се свържат полупроводници с различен тип проводимост, на тяхната повърхност се образува p-n преход.

Характерът на разпределението на електроните върху възможните енергийни състояния в полупроводника зависи от концентрацията на добавката и температурата. За да се създадат условия за генериране на стимулирано лъчение в полупроводник, е необходимо да се наруши равновесното разпределение между енергийните нива, т.е. да се преразпределят така, че на по-високите нива да има повече електрони, отколкото на по-ниските. В полупроводниковите материали са възможни различни преходи на електрони, като лента към лента, лента към примес и преходи между нивата на примеси. Пренос на електрони към

по-високите енергийни нива са придружени от абсорбиране на енергия отвън. При преминаване към по-ниски нива се освобождава енергия. В този случай освободената енергия се излъчва във формата електромагнитни вибрации, или се изразходва за нагряване на кристалната решетка.

За преход от лента към лента се получава инверсия на населението на енергийните нива, ако броят на електроните в зоната на проводимост е по-голям от този във валентната зона. Инверсията на населението в полупроводникови материали може да се реализира само чрез създаване на неравновесна концентрация на електрони и дупки.

Основният начин за създаване на инверсия на населението в полупроводниците е методът за инжектиране на неравновесни токови носители през p-n прехода. Такова инжектиране се осъществява чрез прилагане на електрическо отклонение към pn прехода в положителна посока. Тогава потенциалът на полупроводниковия интерфейс намалява и преминава

преход, токът на основните носители на дупки от p-областта и електрони от n-областта започва да тече. В близост до p-n прехода се появява зона с обърната заселеност. Когато електроните преминават от зоната на проводимост към валентната зона, възниква индуцирано лъчение, т.е. процесът на индуциран преход е придружен от радиационна рекомбинация на електрони и дупки в p-n прехода. По време на радиационната рекомбинация излишната енергия се освобождава под формата на светлинен квант.

Ефектът от лазерното генериране на светлина в полупроводникови структури е възможен само при наличие на положителна обратна връзка върху светлинното излъчване; в този случай печалбата трябва да компенсира оптичните загуби. Положителната обратна връзка се осигурява от оптичен резонатор на Фабри-Перо, образуван от отразяващи плоскопаралелни кристални повърхности, перпендикулярни на равнината на p-n прехода. Отражателните повърхности се създават чрез полиране на две противоположни повърхности на кристал или чрез разцепване по кристалографски равнини. Коефициентът на отражение на тези повърхности е приблизително 0,3. Въпреки това, дори при малка дължина на активното вещество (десети от милиметъра), такъв коефициент на отражение е достатъчен за лазерно генериране поради голямото усилване на активната среда.

Понастоящем ефектът от стимулираното генериране е получен върху много полупроводникови материали; Лазерният диапазон от 0,33 до 31 µm е почти покрит.

Един от ранните дизайни на инжекционен полупроводников лазер е създаден с помощта на GaAs материал. В лазерен диод долната плоча се състои от GaAs, легиран с телур, и има n-тип проводимост. Горната плоча се състои от легиран с цинк GaAs и има p-тип проводимост. Всяка планка има контакт за свързване към източник на захранване. Геометричните размери на p-n прехода са стотни от милиметъра, дебелината на областта, в която се създава излъчването, е 0,15...0,2 микрона. Крайните полирани ръбове образуват резонатор. Емитер от този тип работи в импулсен режим с достатъчно дълбоко охлаждане (77 K).

За GaAs лазери с прост p-n преход, праговите плътности на тока при стайна температура са > 10 5 A/cm 2 . В този режим полупроводниковият лазер се нагрява толкова много, че без добър радиатор дългосрочната работа е невъзможна. Следователно, без охлаждане, такива GaAs лазери работят само в импулсен режим. Дългосрочната работа на излъчвателя при стайна температура (което е важно за FOG) е възможна само чрез намаляване на праговата плътност на тока до приблизително 10 3 A/cm 2 .

Изискванията за ниски прагови плътности на тока и възможността за продължителна работа при стайна температура се изпълняват от полупроводникови лазери, базирани на двойни AIGaAs/GaAs хетероструктури. Те също имат редица предимства, които са особено важни при проектирането на FOG.

В лазери, базирани на структури с двойни хетеропреходи, дебелината на активната рекомбинационна област е намалена, осигурявайки ограничаване на носители и радиация в тясна област близо до p-n прехода. Това дава възможност да се повиши ефективността и да се създадат лазери с даден модел на излъчване. В режима на индуцирано генериране в двойна хетероструктура, затихването на основната вълна е много малко, тъй като структурата образува диелектричен вълновод.

При конструирането на FOG се използват полупроводникови лазери с ивична контактна геометрия върху двойни хетероструктури като излъчвател, свързан към влакнест световод. При такива конструкции лазерното лъчение излиза от малка област, което осигурява добри условия за въвеждане на лъчение във влакна с ниска числова апертура. Поради малкия размер на активната област, лазерът има ниски прагови и работни токове с достатъчна изходна мощност, което осигурява дългосрочна непрекъсната работа при стайна температура. С малък активен

площ, по-лесно е да се получи зона без дефекти, което е важно за повишаване на лазерната ефективност.

Типични параметри на полупроводникови лазери с двойна хетероструктура, генериращи в областта 0,8 - 0,9 μm, са следните: ширина на лазерната линия 0,2 - 5 nm, размери на излъчващата област 0,5...30 μm 2, средна ъглова дивергенция на лъчението 5... 30° (в равнината, успоредна на p-n прехода) и 30...60° (в равнината, перпендикулярна на p-n прехода), изходна мощност 1...10 mW, прагов ток 20... 200 mA, средна издръжливост 10 5 h .

Текущото състояние на технологията за производство на кварцови оптични влакна направи възможно създаването на влакна с минимални загуби и дисперсия в диапазона на дължината на вълната 1,1 ... 1,7 μm. Този диапазон също се препоръчва за използване от разработчиците на FOG. Тези нужди стимулират развитието на полупроводникови лазери за този диапазон на дължина на вълната. Полупроводниковият материал беше троични и кватернерни съединения. Създадени са полупроводникови лазери на базата на хетероструктурата GalnAsP/lnP, излъчващи при дължини на вълните 1,3 и 1,6 μm. Има съобщения за създаване на лазери с хетероструктури на базата на съединения AIGaAsSb/GaAsSb, генериращи при дължини на вълните от 1,3 μm и 1,5...1,6 μm.

Освен това дизайнът и параметрите на тези лазери са подобни на тези на AIGaAs лазерите.

Светодиодите (LED) генерират некохерентно излъчване, тъй като радиационната рекомбинация в тях е чисто спонтанна. Спектралното разпределение на емисионната линия на радиационната рекомбинация е поне с един порядък по-широка от емисионната линия на лазерните диоди. Широк обхват LED радиацията е много благоприятна за FOG, тъй като поради късата дължина на кохерентност позволява да се компенсира влиянието на ефекта на Кер и обратното разсейване на Релей.

Входният коефициент на светодиодите в световоди с малка числова апертура е значително по-нисък, отколкото при лазерните диоди. Светодиодите обаче са по-прости по дизайн и имат по-малка температурна зависимост на мощността на излъчване. По този начин, по-специално, изходната мощност на светодиод с двоен хетеропреход намалява само наполовина, когато температурата на диода се повиши от стайна температура до 100 ° C.

Възбуждането на светодиода се осигурява чрез инжектиране на носители през p-n прехода. Подобно на конвенционален полупроводников лазер, обикновеният светодиод съдържа един p-n преход в полупроводник с директна междина; само част от инжектираните електрони се рекомбинират радиационно. Останалите се губят при нерадиационни рекомбинации.

Рекомбинацията и оптичните загуби на светодиодите могат да бъдат намалени, ако устройството е направено с хетеропреходи или дори на двойни хетероструктури.

LED с двоен хетеропреход, проектиран специално за свързване към оптичен световод. Областта на рекомбинация е разположена близо до студената тръба и в подложката на GaAs е гравиран отвор, в който е вмъкнат световодът. Светодиодите са проектирани както с излъчване на радиация през повърхността, ограничаваща кръстовището отгоре (равнинни светодиоди), така и с излъчване на енергия в посока, успоредна на равнината на p-n кръстовището (монтирани в края светодиоди). В този случай изходната мощност е няколко миливата при плътност на тока от около 10 3 A/cm. По този начин, светодиод, направен на базата на AlGaAs структура с ивичен контакт с ширина 100 μm при плътност на тока на помпата 2·10 3, има мощност на излъчване 3 mW при дължина на вълната 0,8 μm; Светодиод с гравирана яма и повърхност с форма на леща има мощност на излъчване 6 mW при плътност на тока 3400 A/cm.

Светодиодите дори при висока плътност на инжекционния ток (над 10 A/cm) се оказват много надеждни; средната им трайност достига 10 5 ...10 6 часа.

Суперлуминесцентните диоди са широко използвани. Както беше отбелязано, радиационната рекомбинация в конвенционалните светодиоди води до спонтанно излъчване на светлина. Това спонтанно излъчване причинява последващи радиационни преходи и се усилва (тъй като концентрацията на електрони и дупки не е в равновесие). Това подобрение е малко, тъй като радиацията преминава през тънка рекомбинационна област в напречна посока. За да се получи лазерен ефект, това лъчение трябва да бъде насочено по протежение на активния слой и отразено от крайните равнини. Въпреки това, увеличение на спонтанното излъчване в тази конфигурация се наблюдава под прага на възбуждане и в неотразяващи крайни равнини. Усиленото и насочено по този начин излъчване се нарича суперлуминесценция. На този ефект се основават суспензионните луминесцентни диоди (SLD). В този случай активната среда е оформена под формата на оптичен вълновод, който е затворен от единия край със силно отразяващо огледало, а от другия край излъчва светлина без отражение в пространството или в световода. Силната суперлуминесценция изисква високо усилване в активната среда, което в полупроводниците се осигурява от висока плътност на мощността. Суперлуминесцентните диоди са проектирани на базата на двойна хетероструктура с ивична геометрия. Контактните ленти от едната страна достигат до крайната предна повърхност, а от другата страна не достигат до ръба на полупроводника. Именно от тази страна суперлуминесценцията се разпада, тъй като електроните не се инжектират в тази област. Суперлуминесценцията се генерира от предната страна, докато отворът на емисионната диаграма се определя от ширината и дължината на лентата.

При изграждането на двойна хетероструктура с ивична геометрия за SLD, активната GaAs p-област се прави с дебелина 0,3...0,5 µm, а контактната лента е с ширина 12...15 µm. При дължина на лентата до 1,5 mm и плътност на тока 10 4 A/cm мощността на излъчване в импулсен режим достига 50 mW с ширина на лазерната линия 0,008 μm.

Шумови характеристики оптична верига

В оптичната жироскопия се използват три вида влакна за навиване на чувствителната верига: многомодови, едномодови и едномодови със стабилна поляризация. Дължината на периметъра на контура се определя въз основа на две предпоставки. От една страна, увеличаването на дължината на веригата повишава точността на системата като цяло, тъй като величината на нереципрочното фазово изместване е пропорционална на дължината на влакното; от друга страна, за по-дълга верига, работата на системата се влияе в по-голяма степен от параметрите на затихване и неравномерност на влакното. Системи с висока чувствителност към ниски скоростиротациите предполагат избор на оптимална дължина на контура, като се вземат предвид всички възможни фактори, влияещи върху характеристиките на точността на системата. Обикновено се използват влакна с дължина от 200 до 1500 m.

Диаметърът на намотката се избира въз основа на критерия за минимизиране на загубите във влакното при завои и като се вземат предвид общите размери на устройството. Типичната стойност е от 6 до 40 см.

В зависимост от броя на вълните (модите), разпространяващи се при работната честота, могат да се използват едно- и многомодови влакна.

Профилът на индекса на пречупване на напречното сечение е важен за характеристиките на световода. Използвайки способността на нехомогенните влакна да променят характеристиките си в широк диапазон в зависимост от закона за промяна на диелектричната константа в напречното сечение, е възможно за всяко конкретно приложение да се избере влакно с най-добро съответствие на неговите характеристики с разтвора на проблема.

Важна характеристика на световода е числовата апертура NA, която е синусът на максималния ъгъл на падане на лъчите в края на световода, при който в световода лъчът попада на границата на сърцевината и обвивката критичен ъгъл. Ефективността на въвеждането на LED радиация във влакното, загубите от микроогъване, дисперсията на импулса и броят на режимите на разпространение зависят от стойността на NA.

В практиката на фиброоптична жироскопия е важно да се оценят характеристиките на влакна с различни структури, без да се прибягва до сложни изчисления, за да се представи общ модел на грешки, който може значително да намали характеристиките на точността на системата. Нека получим приблизителни зависимости за статистическите характеристики на загубите във влакна с различни свойства и структурата, която ги определя. Тъй като многомодовите влакна имат характеристики на дисперсия, които значително ограничават точността на устройствата, ние ще се съсредоточим върху разглеждането на едномодовите влакна като част от общата теория за разпространението на вълните.

При избора на фотоприемник за FOG е необходимо да се осигури максимална интегрална чувствителност, минимална еквивалентна шумова мощност и минимален тъмен ток в необходимия спектрален диапазон.

Честотната характеристика и скоростта на фотодетектора играят по-малко важна роля, тъй като максималната честота на промяна в ъгловата скорост, измерена от FOG, винаги се вписва в лентата на пропускане на PD, независимо от използването на спомагателна модулация.

Полупроводниковите фотодиоди се характеризират с добра спектрална и интегрална чувствителност. Имат висока квантова ефективност и ниска инерция; техните параметри са стабилни във времето.

Принципът на работа на полупроводниковия диод се основава на фотоволтаичния ефект, който се състои в това, че когато нееднороден полупроводник се облъчи със светлина, се появява фототок (или фото-ЕМП). Високочувствителните фотодиоди и лавинните фотодиоди с вътрешно усилване на тока са проектирани на базата на p-n преходи, p-i-n структури или преходи метал-полупроводник.

Във всички структури фотовъзбудените електрони и дупки, образувани вътре в преходната област и в обема на полупроводника, дифундират към прехода, образувайки фототок. За образуването на свободна двойка електрон-дупка от двете страни на p-n прехода е необходимо енергията на погълнатия фотон да е по-голяма от ширината на забранената зона. Образуването и дифузията на двойки електрон-дупка се придружава от появата на потенциал в напречното сечение на прехода. Под въздействието на електрическото поле на прехода електронът се движи в посока на n-областта, а дупката се движи в посока на p-областта.

Ето как двойките се разделят. Излишъкът от електрони в n-областта и дупки в p-областта кара n-областта да бъде заредена отрицателно, а p-областта да бъде заредена положително. В отворените краища на детектора се появява ЕМП; свързването на съпротивление към краищата ще доведе до открит ток.

Фотодиодите могат да се включват както без източници на ток, така и последователно с източник на постоянен ток с напрежение от няколко волта до 100 V. Във втория случай чувствителността на детектора се увеличава значително. Когато се анализират шумовите свойства на фотодиодите (т.е. ако е необходимо да се намери съотношението сигнал/шум или да се определи чувствителността на FOG, ограничена само от фотодетектора), обикновено е необходимо да се вземат предвид три вида шум течения:

1) шумов ток, възникващ при откриване на светлинен поток (изстрелен шум); 2) шумов ток, причинен от произволно термично движение на електрони в съпротивлението на натоварването и в следващите електронни вериги; 3) шумовия ток на самия фотодиод, чийто основен компонент се дължи на тъмния ток.

Ако намалим термичния шум на съпротивлението на натоварване чрез промяна на ефективната температура на съпротивлението и фундаментално неотстранимият шум от изстрел се счита за малък, тогава праговата чувствителност на фотодиода ще се определя от тъмния ток. От тази гледна точка за постигане на максимална прагова чувствителност е необходимо да се избере фотодиод с минимални тъмни токове. Големината на тъмния ток зависи от свойствата на материала на фотодиода, температурата, площта Р-н- преход, конструктивни особености и др.

При фотодиоди с Р- аз - н- преходът води до доста широк диапазон на присъща проводимост ( аз - област) се намира между две области на полупроводник с противоположен знак на проводимост; V аз- регионът е разпределен със силно равномерно електрическо поле, което спомага за увеличаване на чувствителността на фотодиода.

Чувствителност на германий и силиций Р- i - n- фотодиоди е 0,5... 0,6 A/W, тъмният ток с дълбоко охлаждане (77 K) може да се увеличи до 10 -11 A.

Наскоро разработен Р-и-н- фотодиоди на базата на InGaAs/InP, които заедно с усилвател на полеви транзистор (FET) образуват интегрална схема; такива Р-и-н- FET приемникът работи в диапазона на дължината на вълната 1,3...1,5 µm, има висока квантова ефективност от 0,65...0,7, нисък капацитет - 0,15 РЕ, което определя висока производителност. Фотодиодът е монтиран в кварцов блок, който има малък отвор за въвеждане на влакнест светодиод с диаметър на сърцевината 50 μm, като оптичният сигнал от влакното се прихваща изцяло от фотодиода. Кварцовият блок е монтиран на дебелослойна хибридна предусилвателна верига. Захранването на световода към веригата е запечатано. Предусилвателят съдържа транзистор (GaAs MESFET), съпротивление на отклонение от 10 MΩ, два силициеви биполярни транзистора с гранична честота около 7 GHz и дебелослойни резистори, произведени в хибридна схема. Чувствителността на такъв модулен p - i - n -F ET на приемника е -53 dBm; Интересно е да се отбележи, че когато температурата на околната среда се промени от 20 до 60" C, чувствителността се променя само с 1 dB.

Лавинният фотодиод (APD) е твърдотелен аналог на фотоумножителна тръба. Той използва механизма на ударна йонизация в областта на силното поле на обратно-предубедения преход. Умножаването на тока възниква поради сблъсъка на двойки електрон-дупка в резултат на фотойонизация с атоми от кристалната решетка на полупроводника. Този ефект, под въздействието на силно отклонение при условия на лавина, генерира голям брой двойки електрон-дупка. В резултат на това токът се увеличава значително дори при свръхвисоки честоти. С усилване на лавинен ток за умерени нива на светлинен поток и високи коефициенти на лавинно умножение, чувствителността на приемащото устройство се определя от съотношението сигнал/квантов шум. За ниски нива на лумена и ниски лавинообразни коефициенти на умножение, съотношението сигнал/шум и прагът на чувствителност са ограничени от термичен шум.

Лавинните фотодиоди се характеризират с по-висок тъмен ток от фотодиодите и следователно с по-ниска чувствителност, дори ако е приложено достатъчно високо усилване на тока, за да позволи ниски нивасигнал за преодоляване на термичния шум. В допълнение, процесът на умножение въвежда излишен шум. Въпреки това, лавинният фотодиод има по-висока квантова ефективност. Използването на силициеви или германиеви лавинни фотодиоди може значително да повиши общата чувствителност на широколентовите приемни устройства. При избора на лавинен фотодиод за приемна система е необходимо, в допълнение към квантовата ефективност и честотната лента, да се вземат предвид специфични фактори, присъщи само на лавинен фотодиод, като усилване на тока и свързаните с него ограничения, както и излишък от шум. Технологията на производство на лавинните фотодиоди е сложна. Това се дължи на необходимостта да се осигури пространствена еднородност на умножаването на носителя в цялата фоточувствителна зона на диода и да се сведе до минимум изтичането по ръбовете на кръстовището. За да се намали изтичането, се използват защитни пръстени. Обикновено разпространението на усилването поради пространствена неравномерност на умножението на носителя варира от 20 до 50% със средно усилване от 1000.

В лавинния фотодиод усилването е максимално в режим, когато отклонението на диода се доближава до напрежението на пробив. При напрежения, по-големи от напрежението на пробив, протича самоподдържащ се лавинен ток, който все по-малко зависи от концентрацията на носители, възникващи под действието на светлинния поток. В режим на работа максималното усилване на лавинните фотодиоди е ограничено или от ефектите на насищане, причинени от текущия поток, или от произведението на усилването и честотната лента. Ефектът на насищане от умножаването на носителите се дължи на факта, че носителите, напускащи региона, в който се извършва умножаването, намаляват електрическото поле в кръстовището и създават спад на напрежението в серийния резистор и в товара на диода. Ограничението на честотната лента се обяснява с движението на вторични електрони и дупки (образувани чрез йонизация) по протежение на умножителната област в противоположни посоки известно време след като първичните носители са напуснали кръстовището. Излишният шум в лавинните фотодиоди се причинява от флуктуации в процеса на умножаване на носителя.

Най-простите лавинни фотодиоди са силициевите диоди със защитен пръстен и фоточувствителна зона с диаметър от 40 до 200 µm; работният диапазон на вълната е приблизително от 0,4 до 0,8 микрона. Германиева лавина П + - p-диодите имат работен вълнов диапазон от 0,5 до 1,5 микрона. Продуктът на текущото усилване и широчината на честотната лента за силициеви и германиеви лавинни фотодиоди е съответно 100 и 60 GHz. Следователно, при коефициент на усилване на тока от 100 и 60, използването на силициев или германиев лавинен фотодиод в приемната система осигурява честотна лента от 1 GHz.

В момента се развиват интензивно лавинни фотодиоди на основата на GaAs, InAs и InSb, които имат високо усилване и незначителен излишен шум.

На базата на съединението GaAlAsSb са създадени APD за обхвата на дължината на вълната 1...1,4 µm, които превъзхождат по параметри германиеви APD. За дължини на вълните от 1... 1,7 µm се използват съединения от типа InGaAsP; Очаква се значително подобрение на характеристиките на APD при използване на хетероструктури, базирани на InGaAsP/InP. Освен това продължава работата по създаването на интегрални схеми, които са комбинация от APD и входен усилвател на базата на полеви транзистор (т.нар. FET-AFD), което може да подобри качеството на фотодетектора.

2 .4. Анализ на директни динамични ефекти (температурни градиенти и механични напрежения)

Случайните временни промени в температурата на околната среда и механичните напрежения на влакното водят до промени в оптичните константи на разпространение и геометричните параметри на влакното. Това води до появата на фазова нереципрочност във веригата FOG, което води до „шум от фазова разлика“
на фотодетектор (свойството реципрочност е приложимо само за линейни системи, които са инвариантни във времето).

За да моделираме шум от „фазова разлика“, ще приемем, че локален единичен източник на фазов шум е разположен в произволна точка във влакнеста верига (фиг. 2.5.)

Фигура 2.5. Оптична верига с локален източник на фазов шум.

Влиянието на външно магнитно поле върху характеристиките на точността на FOG.

Има много вещества, чиито оптични параметри зависят от силата на външното магнитно поле. Коефициентът на пречупване на средата е един от тези параметри. Промяната в показателя на пречупване е свързана с въртенето на равнината на поляризация на лъчението, разпространяващо се в средата. Въртенето на равнината на поляризация на светлинен лъч, разпространяващ се в среда под въздействието на магнитно поле, се дължи на ефекта на Фарадей. Понякога ефектът на Фарадей се нарича изкуствена оптична активност, която възниква в среда под въздействието на магнитно поле.

Оптичната активност е способността на веществото да върти поляризационния вектор на линейно поляризиран светлинен лъч. Ако причината за ротационната способност е някаква външно влияние(например магнитно поле), тогава дейността от този тип е изкуствена. В оптично активно вещество оптичното лъчение се разделя на две вълни, кръгово поляризирани - в десния и левия кръг. Векторите на поляризация на тези вълни се въртят в противоположни посоки, а показателите на пречупване за тях са различни.

Линейно поляризиран светлинен лъч може да бъде представен като суперпозиция на две кръгово поляризирани вълни с взаимно противоположно въртене на поляризационния вектор и еднакви амплитуди на трептене. Нека разгледаме разпространението на линейно поляризирана вълна в среда, проявяваща ефекта на Фарадей. За да анализираме разпространението на вълна в среда, поставена в магнитно поле, нека си представим вълната като сбор от две вълни, поляризирани в кръг с противоположни посоки на въртене и различни скорости на разпространение:

Приложение жироскопи
Резюме >> Физика
... оптиченвълновод. За увеличаване на дължината оптиченначини и повишаване на чувствителността жироскоп оптиченвлакното е навито. IN фибри-оптичен жироскоп... проблем Фиг. 4. ФИБРИ-ОПТИКА ЖИРОСКОП. Лазерните лъчи се разпространяват...
Двуосен индикаторен стабилизатор за телевизионни камери на ВО (2)
Резюме >>
Скорост (DUS), чиято роля играе фибри-оптика жироскоп(FOG), изходният сигнал на който... работа на FOG, за разлика от механичния жироскопи, е неговата висока чувствителност към излишък...
Лазерно лъчение и неговите приложения
Тест >> Индустрия, производство
Далекомери и скоростомери квантови жироскопи, холографски устройства. Чест на изобретението и... . Това беше електрическата схема на кванта жироскоп. През 1948 г. Д. Габор, ... започва да се използва лазерният лъч фибри-оптиченлинии. Основата на такива линии...

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

Въведение

1. Принципи на фиброоптична жироскопия

1.1 Основни характеристики на МЪГЛАТА

1.2 Принципът на реципрочност и фазова регистрация в FOG

1.3 Модел на шум и нестабилности в МЪГЛА

2. Влияние на FOG елементите върху точностните характеристики на системата

2.1 Характеристики на източниците на радиация

2.2 Шумови характеристики на оптичната верига

2.3 Шумови характеристики на фотодетекторите

2.4 Анализ на преките динамични ефекти (температурни градиенти и механични напрежения)

2.5 Влияние на външното магнитно поле върху точностните характеристики на FOG

3. Методи за компенсиране на грешки

3.2 Компенсация за излишния шум във фиброоптичен жироскоп с 3x3 съединител

3.3 Компенсация на обратното разсейване

3.4 Компенсация за влиянието на ефекта на Кер върху точността на FOG

4. Изчисляване на прогнозни разходи за изследователска работа

4.1 Предположения

4.2 Определяне на интензивността на труда и календарните периоди на работа

4.3 Калкулиране на разходите по позиции и изготвяне на разчети

4.4 Изводи от изчисленията

5. Безопасност на живота и защита на труда

5.1 Организация на работните места

5.2 Температура, влажност, налягане

5.3 Изисквания към осветлението

5.4 Изисквания за нивата на шум и вибрации

5.5 Изисквания за защита срещу статично електричество и радиация

5.6 Изисквания за видеотерминално устройство

5.7 Електрическа безопасност

5.7 Пожарна безопасност

5.9 Предвидени методи за защита

6. Екология и опазване на околната среда

Дипломната работа е посветена на анализа на грешките на фиброоптичния жироскоп и е опит за последователно разглеждане на принципите на конструиране на FOG въз основа на минимизиране на влиянието на елементите върху характеристиките на неговата точност. Статията разглежда основните принципи на фиброоптична жироскопия и предоставя характеристики на основните елементи на FOG различни видовеи са предложени методи за компенсиране на някои грешки, причинени от различни фактори.

потенциално висока чувствителност (0,01 градуса/сек или по-малко);

малки размери и тегло на конструкцията, благодарение на възможността за създаване на FOG върху интегрални оптични схеми;

ниска производствена цена и относителна простота на технологията в сравнение с ротационните жироскопи;

ниска консумация на енергия;

голям динамичен диапазон на измерените ъглови скорости;

липса на въртящи се механични елементи (ротори) и лагери, което повишава надеждността;

почти моментална готовност за работа (не се отделя време за въртене на ротора);

ниска чувствителност към линейно ускорение;

висока устойчивост на шум;

Принципът на действие на FOG се основава на вихровия ефект на Sagnac, открит през 1913 г. Ако два светлинни лъча се разпространяват в противоположни посоки в затворена оптична верига, тогава при неподвижна верига фазовите отмествания на двата лъча, преминали през цялата верига, ще бъдат еднакви. Когато контурът се върти около ос, нормална към равнината на контура, фазовите смени на лъчите са неравномерни, а фазовата разлика на лъчите е пропорционална на ъгловата скорост на въртене на контура. За да се обясни вихровият ефект на Саняк, са разработени три теории: кинематична, Доплерова и релативистка. Дипломната работа разглежда първите две.

В рамките на кинематичната теория се разглежда плоска затворена оптична верига с произволна форма, в която две светлинни вълни се разпространяват в противоположни посоки. Равнината на контура е перпендикулярна на оста на въртене. Приемайки участъка от пътя на светлинен лъч за безкрайно малък и изразявайки линейната скорост на точка чрез нейния радиус вектор, получаваме израз за времето, необходимо на два срещуположни лъча, за да преминат през участък от контура.

При въртене на контура с определена ъглова скорост видимата дължина на сечението за двете вълни се оказва различна. Считайки скоростта на светлината за инвариантна величина, ние свързваме удължаването и скъсяването на пътищата с удължаването и скъсяването на интервалите от време и получаваме израз за относителното забавяне, което може да бъде изразено чрез фазовата разлика на насрещно разпространяващите се вълни. Сумирането по цялата дължина на веригата определя крайната фазова разлика.

Разглеждането на идеална пръстеновидна оптична верига със система от две огледала позволява да се получи същия резултат за разликата във времената на разпространение на насрещно разпространяващите се лъчи.

Феноменът на промените в честотата на трептенията, излъчвани от предавателя и получени от приемника, наблюдавани при взаимно относително движение на излъчвателя и приемника, ни позволява да разгледаме ефекта на Саняк в рамките на теорията на Доплер.

Относителното фазово изместване в този случай се определя от разликата в честотите на вълните, които са претърпели доплерово изместване, и също се изразява чрез ъгловата скорост на въртене на веригата.

Въз основа на разглеждания ефект е възможно да се изгради схематична диаграма на най-простата МЪГЛА. Лъчението от източника навлиза в разделителя на лъча, където се разделя на две равни части, които след преминаване през затворена верига, състояща се от многооборотна намотка, влакната влизат във фотодетектора. Извлечената фаза на Sagnac се преобразува от обработващото устройство в ъглова скорост и, ако е необходимо, се интегрира, за да се определи ъгълът на въртене на системата.

Интензитетът на излъчване на фотодетектора е пропорционален на косинуса на фазовата разлика на насрещно разпространяващите се вълни, което определя ниската чувствителност на устройството към ниски ъглови скорости.

За да се увеличи максимално чувствителността към малки промени в информационния параметър, е необходимо да се постави прост фазов модулатор във влакнеста верига, даващ нереципрочно фазово изместване /2 между два противоположно пътуващи лъча. Тогава интензитетът на фотодетектора при ниски ъглови скорости се променя почти линейно.

Тъй като показанията на инструмента се определят изцяло от фазовата разлика на насрещно разпространяващите се вълни, всички грешки на FOG са свързани с нереципрочността на условията на тяхното разпространение.

Основните фактори, влияещи върху условията на разпространение на насрещно разпространяващите се вълни са:

колебания в интензитета и честотата на източника на радиация;

промяна на характеристиките на светлоразделителя;

обратно разсейване от лъчи, движещи се в различни посоки;

електрооптични ефекти във влакна;

магнитооптични ефекти във влакна;

термични градиенти;

поляризационни ефекти;

топлинен шум на товарните елементи на изходния път;

фотодетектор шум от изстрел.

Работата оценява границата на чувствителност (точност) на FOG, определена от нивото на фотонния шум и в зависимост от интензитета на оптичното лъчение, падащо върху фотодетектора. Получените теоретични изрази за грешката, причинена от ударния шум, ни позволяват да заключим, че е необходимо да се увеличи дължината на веригата и да се намали честотната лента на нискочестотния филтър на изходния етап. (график)

Използването на силно кохерентни лазерни източници намалява шума от изстрела, но кохерентният компонент на обратното разсейване на Rayleigh във влакното въвежда грешка във фазовата разлика между двата лъча. Въз основа на това, за предпочитане е да се използва източник с кохерентна дължина, много по-къса от дължината на влакнеста верига. В този случай шумът, свързан с отражението в края на влакното, се добавя некохерентно към желания сигнал.

Използването на допълнителна модулация на сигнала също позволява шумът от обратното разсейване да бъде „декохериран“.

Втората глава разглежда влиянието на FOG елементите върху характеристиките на точността на системата.

Анализът на характеристиките на източниците на радиация ни позволява да заключим, че е за предпочитане да се използват суперлуминесцентни диоди, които са с ниска кохерентност и позволяват да се компенсира влиянието на ефекта на Кер и обратното разсейване. Те също имат по-малка температурна зависимост, по-опростени са по дизайн и са много надеждни.

Много внимание се обръща на характеристиките на оптичната верига, тъй като именно веригата е основният източник на грешки при FOG. Отчитането на количествените стойности на загубите във влакното е недостатъчно за анализиране на точността на FOG. Интерес представлява оценката на статистическите характеристики на параметрите на веригата. Работата изследва дисперсионните свойства на влакна с различни профили на индекса на пречупване и дава качествена оценка на зависимостта на дисперсията на профила от корелационните свойства за различни видове нехомогенности във влакното. (графики)

Получените връзки позволяват индиректно да се определят както загубите на вмъкване, така и естеството на нереципрочността за различни секции на влакното, като се използват известните параметри на нехомогенностите.

Най-голямото влияние върху характеристиките на FOG може да бъде причинено от промени в радиуса на сърцевината и произволни извивки на влакното, което води до увеличаване на дисперсията на профила и разширяване на импулса.

Важен източник на шум при МЪГЛА е и фотодетекторът. Фоновото осветление, шумът от тъмен ток, вътрешен фотоелектричен квантов шум, излишният вътрешен шум на усилване, топлинният шум на усилвателя и шумът от модулацията на преобразувателя имат пряко въздействие върху точността на FOG.

Качествената оценка на еквивалентната мощност на шума на фотодетектора за различни стойности на честотната лента на системата ни позволява да заключим, че е необходимо да се използват лавинни фотодиоди, които имат минимално ниво на шум и могат значително да увеличат съотношението сигнал / шум при ниски нива на сигнала.

Анализът на директните динамични ефекти даде възможност да се оцени качествено термично индуцираната нереципрочност на фазата на Sagnac за различни стойности на дължината на веригата и да се заключи, че е необходима висока термична стабилизация на устройството.

Необходимостта от поляризационна стабилност се дължи на влиянието на магнитното поле върху фазовата разлика на трептенията. (график)

Използването на влакна със стабилна поляризация ще намали изискванията за поляризационни устройства и ще осигури висока точност на устройството.

За компенсиране на грешките са предложени два метода на веригата и са разгледани опции за използване на някои елементи на FOG. Извършена е качествена оценка на повишаването на чувствителността на устройството.

Един от начините за подобряване на точността на FOG може да бъде използването на суперфлуоресцентни източници на радиация в тях. Такива източници са сходни по свойства с термичните, но се характеризират с високо ниво на излишен шум. Балансираното откриване може да се използва за потискане на излишния шум. Като референтен сигнал използвайте излъчването на източника, забавено от времето, когато светлината преминава през оптичния път на МЪГЛАТА.

За да се осигури кохерентно взаимодействие между информационния и референтния сигнал, като съединител може да се използва насочен съединител 3x3. Излъчването от източника се подава през насочен съединител към входовете на чувствителната верига и след това към фотодетектори, чиито изходи са свързани към диференциален усилвател. Всяка от насрещните вълни е едновременно информативна (сигнална) и в същото време еталонна вълна за другата вълна. На изхода на диференциалния усилвател се компенсира излишният шум, причинен от фоновото осветление.

Основният механизъм на загуба във влакното е обратното разсейване на Rayleigh. Всяка първична вълна, разпространяваща се срещуположно във влакнеста верига, възбужда дребномащабни нехомогенности във влакното, които от своя страна действат като индуцирани диполни излъчватели. Световодът улавя част от разсеяната радиация и я насочва в обратна посока. Приносите от всеки елементарен разсейвач се сумират векторно със случайната фаза и образуват общото разсеяно поле във всяка посока. На изхода на веригата се появява компонент на фазово изместване, който е различен от фазата на Саняк, което води до грешка в измерването на скоростта.

Методите за минимизиране на грешката на FOG, причинена от обратно разсейване на Rayleigh, могат да бъдат свързани с намаляване на взаимната кохерентност между първичните и вторичните (разсеяни) вълни. Честотната модулация на първичния сигнал, въпреки че намалява кохерентността, не въвежда допълнителна нереципрочност във веригата. Промените в лазерната честота също могат да бъдат източник на рандомизация на фазите. Намаляване на кохерентността може да се постигне и чрез допълнителна фазова модулация на първичната вълна.

Грешката може да бъде намалена с помощта на метода на осредняване по време на постоянната интеграция на системата за обработка.

Оптичният нелинеен ефект на Кер се проявява под формата на смущение на индекса на пречупване на средата, когато интензитетът на електрическото поле, действащо върху средата, се променя. Ако силите на оптичните лъчи, разпространяващи се в противоположни посоки, не са еднакви и следователно константите на разпространение не са еднакви, тогава това води до фазова нереципрочност на веригата и в резултат на това до грешка при измерване на ъгловата скорост .

Компенсацията на този ефект може да се постигне чрез правоъгълна модулация на източника на лъчение или чрез избор на източник с подходящи спектрални характеристики.

Въведение

Оптичният жироскоп (FOG) е оптично-електронно устройство, чието създаване стана възможно само с развитието и усъвършенстването на елементната база на квантовата електроника. Уредът измерва ъгловата скорост и ъглите на въртене на обекта, върху който е монтиран. Принципът на действие на FOG се основава на вихровия (ротационен) ефект на Саняк.

малки размери и тегло. Дизайни, благодарение на възможността за създаване на FOG изцяло върху интегрални оптични схеми;

ниска цена на производство и дизайн за масово производство и относителна простота на технологията;

пренебрежимо малка консумация на енергия, което е от голямо значение при използване на FOG на борда;

почти моментална готовност за работа, тъй като не се отделя време за въртене на ротора;

висока устойчивост на шум, ниска чувствителност към мощни външни електромагнитни влияния поради диелектричния характер на влакното;

ниска чувствителност към проникваща гама неутронна радиация, особено в диапазона от 1,3 микрона.

Влакнесто-оптичният жироскоп може да се използва като чувствителен към въртене елемент (сензор), твърдо фиксиран към носещото тяло в инерционни системи за управление и стабилизиране. Механичните жироскопи имат така наречените жиромеханични грешки, които са особено изразени при маневриране на носителя (самолет, ракета, космически кораб). Тези грешки са още по-значими, ако инерционната система за управление е проектирана със сензори, здраво закрепени или "окачени" директно към тялото на потребителя. Перспективата за използване на евтин оптичен сензор за въртене, който може да работи без жиромеханични грешки в инерционната система за управление, е друга причина за специалния интерес към оптичния жироскоп.

4. FOG измерва скоростта на въртене, докато KLG записва увеличението на скоростта.

5. Конфигурацията FOG ви позволява да "усетите" обръщането на посоката на въртене.

Тези свойства на FOG, които правят възможно създаването на прости структури с висока точност изцяло върху евтини солидни интегрални оптични схеми в масово производство, привличат голямо внимание от разработчиците на системи за управление. Според редица чуждестранни компании, благодарение на уникалните технически възможности, FOG ще се развиват интензивно.

Чуждестранни автори заявяват, че разработването на дизайн на FOG и привеждането му в производствени проби не е лесна задача. При разработването на FOG учените и инженерите се сблъскват с редица трудности. Първият е свързан с технологията на производство на FOG елементи. Понастоящем все още има малко добри едномодови влакна, които запазват посоката на поляризацията; Производството на разделители на лъчи, поляризатори, фазови и честотни модулатори, пространствени филтри и интегрални оптични схеми е в начален етап на развитие. Броят на излъчвателите и фотодетекторите, проектирани специално за FOG, е ограничен.

Целта на дипломната работа е да се анализира работата на FOG, обобщен модел на шум и нестабилност, и да се оцени максималната (потенциална) чувствителност на устройството. Въз основа на свойството за реципрочност е необходимо да се вземе предвид минималната конфигурация на FOG. След това оценете текущото състояние на елементната база. В същото време обърнете значително внимание на свойствата на оптичните влакна и анализирайте възможните нехомогенности и загуби за различни видове влакна. Разгледайте основните елементи на FOG: влакнеста верига, излъчватели и фотодетектори, а също така предложете начини за компенсиране на шума и нестабилността на FOG (като обратно разсейване на Rayleigh, оптичен нелинеен ефект, температурни градиенти, магнитно поле и др.).

1. Принципи на фиброоптична жироскопия

1.1 Основни характеристики на МЪГЛАТА

Фигура 1.1. Кинематична диаграма на вихровия ефект на Саняк.

На фиг. Фигура 1.1 показва плоска затворена оптична верига с произволна форма, в която две светлинни вълни 1 и 2 се разпространяват в противоположни посоки (фиг. 1.1). Равнината на контура е перпендикулярна на оста на въртене, минаваща през произволна точка О. Означаваме ъгловата скорост на въртене на контура. Нека приемем, че участъкът от пътя на светлинния лъч AB е безкрайно малък и нека дължината му се означи с l. Нека обозначим радиус вектора на произволна точка от контура A като r. Означаваме сегмента на дъгата AB ". Когато контурът се върти около точка O с ъглова скорост, линейната скорост на точка A е равна. Като се има предвид, че триъгълникът AB" B е малък:

където е ъгълът между вектора на линейната скорост на точка А и допирателната AM към контура в точка А.

Проекция на линейната скорост на контурните точки върху посоката на вектора на скоростта на светлината в тези точки

Ако веригата е неподвижна, тогава времето, необходимо за преминаване на участъка на веригата AB=l от два срещуположни лъча, е същото; нека го обозначим dt.

dt = l / c =. (1.3)

Когато контурът се върти с ъглова скорост, видимото разстояние между точките A и B за насрещни лъчи се променя. За вълна, движеща се от точка А до точка Б, т.е. в посока, съвпадаща с посоката на въртене на контура, разстоянието се удължава, тъй като през времето dt точка B ще се премести на ъгъл, премествайки се в точка C.

Това удължаване на пътя за светлинния лъч ще бъде равно на dt, тъй като във всеки момент лъчът е насочен по допирателна към контура и проекцията на линейната скорост е насочена по същата допирателна. По този начин сегментът от пътя, изминат от лъча, е равен на l + dt. Разсъждавайки по подобен начин, за насрещно движещ се лъч светлина ще има очевидно скъсяване на сегмента на пътя l - dt

Като се има предвид, че скоростта на светлината е инвариантна величина, видимото удължаване и скъсяване на пътищата за насрещните лъчи може да се разглежда еквивалентно като удължаване и скъсяване на времеви интервали, т.е.

Замествайки изрази (1.2)-(1.3) за и dt, получаваме

От фиг. 1.1. Трябва

където s е площта на сектора.

До безкрайно малки от втори ред площта на AOB може да бъде заменена с s. Тогава

Общо време на разпространение на насрещните лъчи по целия контур

където сумирането се извършва върху броя на елементарните сектори, на които е разделена цялата верига.

По този начин общото време, прекарано от лъч, движещ се по посока на часовниковата стрелка, докато обхожда цялата въртяща се верига, е по-голямо от общото време, прекарано от лъч, движещ се обратно на часовниковата стрелка.

Времева разлика и/или относително забавяне на насрещно разпространяващи се вълни

където S е площта на целия контур.

Ако относителното забавяне на насрещно разпространяващите се вълни (1.8), възникващи по време на въртене, се изрази чрез фазовата разлика на насрещно разпространяващите се вълни, тогава ще бъде

Фазовата разлика е фазата на Саняк. Както може да се види, фазата на Саняк е пропорционална на ъгловата скорост на въртене на веригата.

Кинематичната теория на вихровия ефект на Саняк е още по-лесна за обяснение, като се вземе предвид идеален пръстеновиден оптичен контур с радиус (фиг. 1.2.).

Фигура 1.2. Саняк ефект в пръстеновидна оптична верига.

Лъч светлина пристига в точка А и с помощта на огледала се разделя на два лъча, единият от които се разпространява по посока на часовниковата стрелка във веригата, а другият обратно на часовниковата стрелка. С помощта на същите огледала, след разпространение във веригата, лъчите се комбинират и насочват по един път. При неподвижен контур пътищата на лъчите са еднакви и равни

където c е скоростта на светлината, е времето, необходимо на лъча да измине периметъра на контура.

И двата лъча пристигат в точка А извън фаза. Ако веригата се върти с постоянна ъглова скорост, тогава лъчът, разпространяващ се по часовниковата стрелка, ще измине разстоянието

Това се дължи на факта, че по време на преминаването на лъча по затворен контур, разделителят, който преди това е бил в точка А, ще отиде до точка Б. За лъч, който се разпространява обратно на часовниковата стрелка, пътят

Както виждаме, пътищата на разпространение на противоположно пътуващите лъчи са различни. Тъй като скоростта на светлината c е постоянна стойност, това е еквивалентно на различни времена на преминаване на лъчи, разпространяващи се в противоположни посоки на затворена въртяща се верига, и.

Времева разлика на разпространение

В приближение от първи ред можем да запишем

Което съвпада с израза (1.8), получен по-горе, ако вземем предвид - площта на контура.

Ефектът на Sagnac може да се обясни въз основа на концепцията за изместване на честотата на Доплер. Ефектът на Доплер е феномен на промени в честотата на трептенията, излъчвани от предавателя и приемани от приемника, наблюдавани по време на взаимното относително движение на излъчвателя и приемника. В този случай честотата на полученото трептене

където f е честотата на излъчваната вибрация, V е скоростта на движение на предавателя, а знаците "+" или "-" съответстват на близостта или разстоянието на предавателя спрямо наблюдателя.

Доплерово изместване на честотата

пропорционална на скоростта на движение на излъчвателя.

Нека разгледаме пръстеновидна оптична верига с радиус, въртяща се с ъглова скорост (фиг. 1.3.). Аналог на движещ се емитер във верига е отразяващо огледало, движещо се с линейна скорост. Когато веригата се върти, противоположно разпространяващите се лъчи имат различни дължини на вълната поради доплеровото изместване, натрупано, когато вълната се отразява от огледало, движещо се със скорост.

При изчисляване на фазата, натрупана в двете рамена на оптичната верига, е необходимо да се вземе предвид въртящата се система като цяло. Тогава и двата оптични пътя са равни, но дължините на вълните се различават с Доплеровото изместване. След това относителното фазово изместване

Да определим стойността. Дължина на вълната на радиация, претърпяла доплерово изместване:

Замествайки получения израз във формулата за относителното фазово изместване, получаваме

Фаза Саняк

което напълно съвпада с израза (1.9), получен чрез изчисляване на разликата във времето за преминаване на лъча през въртящ се контур.

По този начин разгледахме два еквивалентни подхода за обяснение на ефекта на Саняк. В първата интерпретация ефектът се проявява като разлика във времената на разпространение на насрещно разпространяващите се лъчи във въртяща се верига; във втория - като разликата в дължините на вълните на лъчите в две рамена на верига с еднаква оптична дължина.

Чрез измерване на фазовата разлика с електронно устройство можете да получите информация от ъгловата скорост на въртене на основата (обекта), върху която е закрепена веригата. Чрез интегриране на измерения сигнал се получава ъгълът на завъртане на основата (обекта). След това тази информация се използва за контрол и стабилизиране на обекти.

В зависимост от конструкцията на затворената оптична верига се разграничават два вида оптични жироскопи. Първият тип е така нареченият пръстеновиден лазерен жироскоп (RLG), при който веригата се формира от активна среда (смес от газове хелий и неон) и съответните огледала, образуващи затворен път (пръстенов лазер). Вторият тип е фиброоптичен жироскоп (FOG), при който затворена верига се формира от многооборотна оптична намотка. Схематична диаграмаМЪГЛАТА е показана на фиг. 1.3.

Фигура 1.3. Принципна схема на фиброоптичен жироскоп.

Ако контурът на FOG се формира от нишка от оптично влакно с дължина L, навита върху цилиндър с радиус R, тогава фазата на Sagnac

където R е радиусът на завоя на контура; N - брой завои; S е площта на завоя на веригата.

Според фиг. 1.3., излъчването на източника се подава към разделител на лъчи и се разделя на два лъча. Два лъча, които обикалят веригата в противоположни посоки, се рекомбинират в разделителя на лъча и се смесват във фотодетектора. Полученото трептене може да бъде записано във формата

къде са амплитудите на вибрациите; - честота на излъчване; ; ; - начална фаза на трептене; - фаза Саняк.

Интензитет на радиация на фотодетектора

Определяйки интензитета на излъчване на изхода на лазерния диод, като приемем, че няма загуби във веригата с влакна и приемем, че разделителят на лъча разделя енергията точно еднакво, имаме:

Тогава изразът (1.21) приема формата:

Анализът на израза ни позволява да направим заключение за ниската чувствителност на устройството в тази конфигурация към ниски ъглови скорости:

За да се увеличи максимално чувствителността към малки промени в информативния параметър (фаза на Sagnac), е необходимо да се постави прост фазов модулатор във влакнеста верига, давайки "нереципрочно" фазово изместване /2 между два противоположно пътуващи лъча. Тогава интензитетът на фотодетектора при ниски ъглови скорости се променя почти линейно:

и чувствителността на FOG ще бъде при максимална стойност 0.5.

По-долу ще бъдат обсъдени различни начини за въвеждане на „нереципрочно“ фазово изместване.

В конфигурацията, показана на фиг. 1.3, изходният ток на фотодетектора повтаря промените в интензитета (мощността) на входното лъчение, т.е.:

където е квантовата ефективност на фотодетектора; q - заряд на електрона; h - константата на Планк; f е честотата на оптичното излъчване.

Ако пренебрегнем постоянната компонента на изходния ток, тогава на изхода на фотодетектора получаваме сигнала

При въвеждане на нереципрочно фазово изместване /2 и за малки стойности изходният ток е:

По този начин стойностите на изходния ток са пропорционални на фазата на Sagnac, която от своя страна е пропорционална на ъгловата скорост на въртене на веригата.

1.2 Принципът на реципрочност и фазова регистрация в FOG

Типичните експериментални проекти на жироскопи използват намотка с R = 100 mm с дължина на влакното L = 500 м. Откриването на скорост на въртене от 1 deg/h изисква фазово откриване с разделителна способност от порядъка на 10-5 rad. Това е показано на фиг. 1.4., който показва стойностите на фазовото изместване като функция на ъгловата скорост на въртене на веригата и стойността на LR при = 0,63 μm.

Фигура 1.4. Фаза на Sagnac в ъгловата скорост на въртене за различни стойности на параметъра LR.

Свойството реципрочност е вторият важен момент в МЪГЛАТА. Фазовата нереципрочност при FOG се определя от диференциалната фазова разлика на насрещно разпространяващите се лъчи. Всяка фазова нереципрочност (фазова разлика) за две посоки води до промени в показанията на жироскопа. Ако нереципрочността е функция на времето, тогава има известно времево отклонение в показанията на жироскопа. Влакно с дължина 500 m дава фазово забавяне от порядъка на 1010 rad. По този начин, за да се регистрира скорост на въртене от 0,05 deg/h, е необходимо пътищата на разпространение на противоположно пътуващите лъчи да бъдат в съответствие с относителна точност до 10-17 rad.

Принципът на реципрочност е добре илюстриран от известната теорема на Лоренц за реципрочни системи. Ако характеризираме магнитните вълни на два електрода чрез вектори и където е векторът на напрегнатостта на електрическото поле и е векторът на напрегнатостта на магнитното поле, тогава принципът на реципрочност е изпълнен за системи, в които

където са антисиметричните магнитни и диелектрични тензори

пропускливост на материалната среда, респ.

Условието за нереципрочност е горната връзка да не е равна на нула. Средите, проявяващи нереципрочност, включват магнитно-жиротропни материали (феромагнетици): електрически жиротропни среди (диамагнити) под въздействието на магнитно поле; прозрачни диелектрици; медии, които извършват постъпателно движение спрямо всяка координатна система, в която е определено електромагнитното поле; въртящи се медии; системи за канализиране като вълноводи и оптични влакна. Последните случаи са от особен интерес, тъй като когато FOG се върти, се появява фазова нереципрочност, което дава фазовата разлика на Sagnac.

Когато средата се върти, условието за нереципрочност има формата

Елиминирането на случайни флуктуации може да изисква дългосрочно натрупване (интегриране) на изходния сигнал на FOG, за да се изолира полезният компонент (както е показано в някои експериментални инсталации на високочувствителни FOG, времето за интегриране достига минути и дори десетки минути).

Това е част от изискването, наложено от интерпретацията на теоремата за реципрочност на Лоренц, която постулира, че в случай на линейна система оптичните пътища са точно реципрочни, ако даден входен пространствен режим е същият на изхода.

Тези доста прости устройства в дизайна на FOG (при условие, че могат да бъдат реализирани с достатъчна точност) ще гарантират условия за реципрочност в системата, но само ако условието за линейност е изпълнено. Ако нелинейностите са значителни, тогава FOG ще има реципрочност, ако има точна симетрия по отношение на средната точка на оптичната верига. Това условие предполага, че енергията, въведена във всеки край на веригата, е една и съща и че свойствата на влакното са равномерно разпределени (или поне симетрични).

Мощността на оптичното излъчване, въведено във влакното, е толкова ниска (винаги по-малко от 1,2 mW), че изглежда, че нелинейностите могат да бъдат пренебрегнати. Въпреки това, чувствителността на FOG към нереципрочност е изключително висока и нелинейните ефекти (по-специално ефектът на Кер) водят до забележима нереципрочност, еквивалентна на скорости на въртене над 1 градус/ч. В оптичното влакно равнината на поляризация на линейно поляризирана светлина се върти под въздействието на външно магнитно поле (ефект на Фарадей).

По този начин FOG е много чувствителен към магнитното поле на Земята и когато се проектира FOG за измерване на скоростта на въртене, е необходимо магнитно екраниране (или осигуряване на линейна поляризация на светлината по целия път във влакното). Ако приемем, че магнитното поле на Земята е 27 и приемем, че няма компенсация на полето за 5% от дължината на влакното, може да се получи стойност на фазово отклонение, което е еквивалентно на скоростта на въртене на Земята.

На фиг. 1.3. Може да се види, че тази конфигурация няма свойството реципрочност, тъй като лъч светлина, разпространяващ се по посока на часовниковата стрелка, преминава два пъти през разделителя на светлината, а лъч светлина, разпространяващ се обратно на часовниковата стрелка, се отразява от разделителя на лъча два пъти. Но в същото време взаимният оптичен изходен път от сензорната верига върви в посока обратно към източника (от разделителя на лъча към диода), т.е. по протежение на входния оптичен път.

Фигура 1.5. FOG верига с постоянно изместване на фазовата разлика.

Както вече беше отбелязано, ако е необходимо да се измерват големи промени в интензитета за тази промянафазово отместване трябва да се въведе фазово отместване от /2, т.е. интерферометърът трябва да работи в квадратурен режим. В този режим връзката между промените в интензитета и фазовите промени е линейна (до 1%) само до максимални фазови отклонения от 0,1 rad. Компенсацията на нелинейността може да се извърши в самата записваща система, но само до максимално отклонение на фазата от порядъка на 1 rad.

Има редица методи за откриване на фаза, които могат да се използват при проектирането на FOG.

Относителната фаза за лъчи, разпространяващи се в две посоки, е фазово модулирана (- /2, /2) при честота 1/2T (T е времето, необходимо на лъча да премине през веригата). По този начин светлината, инжектирана наведнъж по посока на часовниковата стрелка, изпитва забавяне от 90°, светлината, разпространяваща се в посока, обратна на часовниковата стрелка, не изпитва забавяне (това се определя от позицията на фазовия модулатор, както е показано на фиг. 1.4.).

Въпреки това, докато движещият се в посока обратна на часовниковата стрелка лъч достигне позицията на фазовия модулатор, няма да има фазово изместване. Светлината, инжектирана по посока на часовниковата стрелка в даден момент, пречи на вълна, разпространяваща се обратно на часовниковата стрелка с фазово изместване от 90° и т.н.

Следователно получената изходна вълна, която включва както ефекта на периодично фазово изместване (даващо по принцип постоянно ниво на изходен интензитет), така и фазовото изместване, дължащо се на ефекта на Sagnac, се модулира, както е показано на фиг. 1.5. По този начин изходният сигнал на фотодетектора

При модулиране:

Дълбочината на модулация зависи от индуцираната от въртене фаза.

При създаването на FOG за модулация обикновено се използва цилиндричен пиезоелектричен сензор, около който се навива влакно. По-удобно е да се използва синусоидална модулация на относителната фаза на два противоположно движещи се лъча. Ако фазовата разлика, предизвикана от въртене, е равна, тогава е лесно да се покаже, че променливият компонент на интензитета на общата вълна на изхода на интерферометъра, като се вземе предвид периодичната фазова модулация при честота и с отклонение, ще бъде равен на

Използвайки стандартното разширение във функциите на Бесел, получаваме:

По този начин, записването на честотата на модулация произвежда сигнал, чиято амплитуда е пропорционална; тази стойност може да се направи максимална, като се избере стойност, която максимизира (т.е. 1,8 rad).

Размерът на отклонението е максималната индуцирана ефективна фазова разлика между лъчите, движещи се по посока на часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка по време на модулационния цикъл. Когато се оценява тази стойност, е необходимо да се знае не само дълбочината на модулация на самия сензор, но също така е необходимо да се вземе предвид времето на полет за оптичния път във влакното.

1.3 Моделb шум и нестабилност при МЪГЛА

Оптичният жироскоп е доста сложна оптико-електронна система. При проектирането на реално устройство оптичните елементи и електронни устройстватрябва да бъдат избрани и разположени така, че да се сведе до минимум влиянието на външни смущения (температурни градиенти, механични и акустични вибрации, магнитни полета и др.). Освен това самото устройство съдържа редица вътрешни източници на шум и нестабилност. Условно тези шумове и нестабилности могат да бъдат разделени на бързи и бавни смущения. Бързите смущения имат случаен краткотраен осреднен ефект (секунди) върху чувствителността на FOG; те са ясно видими при нулева скорост на въртене (краткотраен шум). Бавните смущения причиняват бавен дрейф на сигнала, което води до дългосрочни отклонения в показанията на FOG (дългосрочен дрейф).

Обобщен модел на източници на шум и нестабилности в FOG е показан на фиг. 1.6.

Фигура 1.6. Обобщен модел на шум и нестабилности в МЪГЛА.

Следвайки работата, ние ще оценим фундаменталната граница на чувствителност (точност) на FOG.

Получената по-горе формула за интензитета на излъчване на фотодетектора ни позволява да напишем израза за мощността на падащото на фотодетектора излъчване във формата:

където P е мощността на входящата радиация в МЪГЛАТА.

От този израз следва, че ударният (фотонен) шум, причинен от процеса на откриване на радиационна мощност, е свързан с появата на „фазов“ шум и съответно води до грешка при измерване на ъгловата скорост на въртене. Ако фотодетекторът получи поток от фотони, тогава броят на откритите фотони за единица време е случайна променлива, разпределена според закона на Поасон (в случай на използване на лазерен излъчвател).Математическото очакване на броя на фотоните, падащи върху фотодетектора по време на времето за интегриране T е равно на средната енергия, разделена на енергията на един фотон:

където h е константата на Планк; f е честотата на излъчване.

Средната квадратична стойност на броя на фотоните от разпределението на Поасон е равна на корен квадратен от средната стойност, т.е.

Нека намерим средната квадратична стойност на "фазовия" шум:

Тогава, като вземем предвид израза (1.35), получаваме:

където е честотната лента на системата за откриване и обработка на сигнала.

За типични µW и Hz стойности

От това следва, че при честотна лента от 1 Hz границата на чувствителност за измерената фаза е rad.

За да определим средноквадратичната грешка при измерване на ъгловата скорост на въртене, дължаща се на фотонен шум, използваме израза за фазата на Sagnac:

Ако приемем, че типична мъгла има L = 1 km, D = 10 cm, (1 / 2)P0 = 100 μW, f = Hz, имаме:

От това следва, че за честотна лента от 1 Hz и за верига с LR = 50, прагът за регистриране на скоростта на въртене е 0,01 deg/h. Изразявайки широчината на честотната лента по отношение на единици, реципрочни на часовника, получаваме израз за минималния случаен дрейф на FOG

Оценка на максималната чувствителност на FOG може да се намери от съотношението сигнал/шум на изхода на обработващото устройство. Устройството за обработка на изходния сигнал на FOG се състои от фотодетектор с квантова ефективност, усилвател с коефициент на усилване (умножение) G, товарно съпротивление Rн и нискочестотен филтър с лента на пропускане f.

Изходен ток на фотодетектора:

където q е зарядът на електрона.

Като вземем предвид печалбата G, записваме компонента на сигнала на тока във формата

Мощността на компонента на сигнала е равна на

Силата на изстреловия шум съгласно стандартния метод за изчисляване на съотношението сигнал/шум се изчислява по формулата на Шотки и е равна на:

При изчисляване на мощността на шума се взема предвид само принципно неотстранимият ударен шум на полезния сигнал.

Съотношението сигнал/шум приема формата

Ако приемем (s / w) = 1, заменяйки функцията синус с нейния аргумент, замествайки вместо нейната стойност чрез ъгловата скорост на въртене, получаваме минималната откриваема ъглова скорост на въртене:

Подобни документи

Оптични кабели и съединители, техните конструкции и параметри. Основни видове оптични кабели. Класификация на приемниците на оптични лъчения. Основни параметри и характеристики на полупроводникови източници на оптично лъчение.

курс на лекции, добавен на 13.12.2009 г

Принцип на действие на обобщен фиброоптичен сензор. Схема за оптична модулация на светлината. Класификация на фазовите (интерферометрични) сензори. Външен видавтоматизиран фиброоптичен интерферометър ISA-1, технически характеристики.

доклад, добавен на 19.07.2015 г

Проектиране на оптично влакно и изчисляване на броя на каналите по гръбнака. Избор на топология на оптични комуникационни линии, вид и дизайн на оптичен кабел, източник на оптично излъчване. Изчисляване на загубите по линейния път и резервната мощност.

курсова работа, добавена на 02/09/2011

Принципът на изграждане на оптична линия. Оценка на физични параметри, дисперсия и загуби в оптични влакна. Избор на кабел, преносна система. Изчисляване на дължината на регенерационния участък, разработване на схема. Анализ на шумоустойчивостта на преносната система.

курсова работа, добавена на 01.10.2012 г

Схема на трасето на оптичния кабел. Избор на оптичен кабел, неговите характеристики за окачване и полагане в земята. Изчисляване на параметрите на световода. Избор на оборудване и оценка на характеристиките на кабела, неговото сертифициране. Търсене и анализ на щети.

курсова работа, добавена на 07.11.2012 г

Математически модел на тетрада от чувствителни елементи на устройството BIUS-VO. Принципът на работа на чувствителния елемент на устройството BIUS-VO - фиброоптичен жироскоп. Разработване на техника за оценка на шумовите компоненти на канала за измерване на ъглова скорост.

дисертация, добавена на 24.09.2012 г

Принципът на работа на оптичното влакно се основава на ефекта на пълно вътрешно отражение. Предимства на оптичните комуникационни линии (ВОЛК), области на тяхното приложение. Оптични влакна, използвани за изграждане на оптични връзки, технология за тяхното производство.

резюме, добавено на 26.03.2019 г

Определяне на затихване (атенюация), дисперсия, честотна лента, максимална скорост на предаване на двоични импулси във влакнесто-оптична система. Построяване на зависимостта на изходната мощност на източника на оптично лъчение от големината на електрическия ток.

тест, добавен на 21.06.2010 г

Цифрови оптични комуникационни системи, концепция, структура. Основни принципи цифрова системапредаване на данни. Процеси, протичащи в оптичното влакно и тяхното влияние върху скоростта и обхвата на предаване на информация. PMD контрол.

курсова работа, добавена на 28.08.2007 г

общо описаниеи цел, функционални характеристикии структурата на пасивните компоненти на оптичните комуникационни линии: конектори и сплитери. Мултиплексори и демултиплексори. Оптични делители на мощност, принцип на действие и значение.

2 Жироскопът е устройство, способно да измерва промените в ъглите на ориентация на тялото, свързано с него спрямо инерционната координатна система. Доскоро навигационните системи използваха главно механични жироскопи, работещи на базата на ефекта от задържането на оста на въртене на тялото в една посока на инерционното пространство. Механичните жироскопи са скъпи устройства, тъй като тяхната правилна работа изисква висока точност на формата на тялото на въртене и минимално възможно триене на лагерите.

3 В момента един от най-обещаващите класове жироустройства е класът на оптичните жироскопи. Принципът на работа на повечето оптични жироскопи се основава на ефекта на Саняк. Основните предимства на такива жироскопи: липсата на движещи се части; простота на дизайна; кратко време за стартиране; висока чувствителност; висока линейност на характеристиките; ниска консумация на енергия; висока надеждност.

Ефект на Sagnac 4 Ефектът на Sagnac е появата на фазово изместване на противоположни електромагнитни вълни във въртящ се пръстен интерферометър. Δφ – фазово отместване; k – вълново число; S – зона, ограничена от оптичния път; с – скорост на вълната; Ω – ъглова скорост на въртене на системата. В рамките на кинематичната теория може да се получи формула (коефициентът на пречупване по оптичния път се приема равен на единица):

5 Ефектът на Sagnac е право пропорционален на ъгловата скорост на въртене на интерферометъра, площта, покрита от разпространението на светлинните вълни в интерферометъра и честотата на излъчване. Ефектът на Sagnac се дължи на нереципрочността на разпространението на противоположни вълни във въртяща се референтна рамка, свързана с различни дължини на оптичните пътища.

Пръстенов лазерен жироскоп (RLG) 7 Честотите на двете генерирани светлинни вълни, разпространяващи се в противоположни посоки по триъгълна оптична пътека, са неравни поради разликата в оптичната дължина L. Биене По същество това е обикновен интерферометър на Саняк.

Недостатъци на CLG: 9 1. Нелинейност на изходния сигнал при ниска ъглова скорост (влияние на синхронизма). 2. Дрейф на изходния сигнал поради газовите потоци в лазера. 3. Промяна в дължината на оптичния път под въздействието на термично разширение, налягане и механична деформация.

Оптичен жироскоп (FOG) 10 За разлика от KLG, оптичният жироскоп ви позволява да измервате действителната ъглова скорост, а не нейното увеличение. Основните елементи на FOG са излъчвател, разделител на лъча, многооборотен затворен контур на едномодов диелектричен световод с ниско затихване и фотодетектор. Фиброоптичният жироскоп е интерферометър на Sagnac, в който кръговата оптична верига е заменена от намотка от дълго едномодово оптично влакно.

Предимства пред KLG: 12 Ефектът на Sagnac, на който се основава принципът на работа на устройството, се проявява с няколко порядъка по-силно поради ниските загуби в оптичното влакно и голямата дължина на влакното. Дизайнът на FOG е изцяло направен под формата на масивно тяло, което улеснява работата и повишава надеждността в сравнение с KLG. FOG измерва скоростта на въртене, докато KLG записва увеличението на скоростта. Конфигурацията FOG ви позволява да "усетите" обръщането на посоката на въртене. Възможност за измерване на ниски ъглови скорости.

13 потенциално висока чувствителност (точност) на устройството; малки размери и тегло на конструкцията; ниска цена на производство и дизайн за масово производство, относителна простота на технологията; незначителна консумация на енергия; голям динамичен диапазон на измерените ъглови скорости; липса на въртящи се механични елементи (ротори) и лагери; почти мигновена готовност за работа; нечувствителност към големи линейни ускорения. Свойства на МЪГЛАТА:

14 МЪГЛА с пръстеновиден резонатор от пасивен тип Изходният сигнал на светлинния детектор реагира рязко на промяна във фазата, когато светлинна вълна веднъж премине през оптичния пръстен. Възможно е да се създаде високочувствителен сензор, който измерва изместването на резонансния пик поради въртене. Модифициране на схемата по този начин може да намали дължината на влакното на чувствителния пръстен (ако жироскопът е от среден клас, тогава е напълно възможно да се използва дори едновитков влакнен пръстен). Чувствителността на FOG може да се увеличи с помощта на пръстеновиден оптичен резонатор, като се използват полупрозрачни огледала с високи коефициенти на отражение, прикрепени към краищата на пръстен от оптично влакно. Такъв резонатор усилва режимите, съответстващи на стоящите вълни на даден резонатор, и отслабва други.

15 Основни елементи на FOG При проектирането на фиброоптични жироскопи, като правило, полупроводниковите лазери се използват като излъчватели ( лазерни диоди), светодиоди и суперлуминесцентни диоди. Специфичният дизайн на МЪГЛАТА налага допълнителни изисквания към източниците на радиация. Те включват: съответствие на дължината на вълната на излъчване с номиналната дължина на вълната на световода, където загубите са минимални; осигуряване на достатъчно висока ефективност на въвеждане на радиация в оптичното влакно; възможност за работа на източника на радиация в непрекъснат режим без охлаждане; достатъчно високо ниво на изходна мощност на излъчвателя; издръжливост, възпроизводимост на характеристиките, структурна твърдост, както и минимални размери, тегло, консумация на енергия и цена. Редица експериментални инсталации за мъгла използват газови лазери.

16 В FOG се използват три вида влакна за навиване на чувствителната верига: многомодови, едномодови и едномодови със стабилна поляризация. Дължината на периметъра на веригата се определя въз основа на две предпоставки: увеличаването на дължината на веригата повишава точността на системата като цяло, тъй като големината на нереципрочното фазово изместване е пропорционална на дължината на влакното за по-дълго време. контур, параметрите на затихването и неравномерността на влакното влияят в по-голяма степен на работата на системата. Обикновено се използват влакна с дължина от 200 до 1500 м. Диаметърът на намотката се избира според критерия за минимизиране на загубите във влакното при завои и като се вземат предвид общите размери на устройството. Типичният диаметър варира от 6 до 40 cm.

17 При избора на фотодетектор за МЪГЛА е необходимо да се осигури максимална интегрална чувствителност, минимална еквивалентна шумова мощност и минимален тъмен ток в необходимия спектрален диапазон. Полупроводникови фотодиоди, p-i-n фотодиоди и лавинни фотодиоди се използват като фотодетектори в повечето FOG.

19 Реципрочност може да се постигне в системата за откриване чрез поставяне на втори разделител на лъча по дължината на входния оптичен път. Общият оптичен дизайн на FOG, показан по-горе, няма свойството на реципрочност, тъй като лъч светлина, разпространяващ се по посока на часовниковата стрелка, преминава през и се отразява от разделителя на светлината, а лъч светлина, разпространяващ се обратно на часовниковата стрелка, се отразява от разделителя на лъча два пъти. Теоремата за реципрочност на Лоренц постулира: в случая на линейна система, оптичните пътища са точно реципрочни, ако даден входен пространствен режим е същият на изхода. Ако нелинейностите са значителни, тогава МЪГЛАТА ще има реципрочност само ако има точна симетрия на свойствата на влакното спрямо средната точка на влакнеста верига.

Приложение жироскопи

Двуосен индикаторен стабилизатор за телевизионни камери на ВО (2)

Лазерно лъчение и неговите приложения

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Подобни документи