A száloptikai és lézergiroszkópok működési elve. A száloptikai giroszkópok Sagnac-effektusa és kiaknázatlan képességei alacsony szögsebességek mérésénél. száloptikai lézergiroszkóp

A gyűrűs lézergiroszkópban a szinkronizmus jelensége lép fel, mivel ez egy aktív szerkezet, és maga az elfordulást észlelő optikai tekercs a lézergenerátor része. Ellenkezőleg, az ábrán látható Sagnac interferométerben. Az 1. ábrán a fenti jelenség nem fordul elő, mert passzív kialakításról van szó, amelyben a fényforrás az érzékelőhurkon kívül van. A fő hangsúly itt az optikai szálon és a veszteségek csökkentésén van.

ábrán. A 4. ábra egy száloptikai giroszkóp optikai diagramját mutatja. Lényegében ez egy Sagnac interferométer (lásd 1. ábra), amelyben a kör alakú optikai áramkört egy hosszú, egymódusú optikai szál tekercs helyettesíti. Az áramkörnek a szaggatott vonallal körvonalazott része szükséges a nullapont stabilitásának javításához. Így a Sagnac-effektusból adódó két fényhullám közötti fáziskülönbséget az (5) képlet figyelembevételével a következőképpen fejezzük ki:

(7)

ahol N a menetek száma a száltekercsben; L - szál hossza; a a tekercs sugara.

Meg kell jegyezni, hogy az alapképletek nem tartalmazzák a fény törésmutatóját a szálban.

A gyártástechnológia fejlesztésének köszönhetően nagyon alacsony veszteségű szálakat állítanak elő. A szál sérülésének elkerülése érdekében a tekercselés több centiméter sugarú orsón történik. Ugyanakkor a veszteségek észrevehető növekedése nem figyelhető meg. Lehetőség van egy viszonylag kis méretű és rendkívül érzékeny Sagnac interferométer létrehozására kis sugarú (2...5 cm) tekercssel, ha egy hosszú szálat körbetekernek. Az optimális optikai rendszer kialakítása után nagy pontossággal mérhetők a fázisváltozások (inerciális navigációban - körülbelül 10-6 rad), majd a (7) képletből meghatározható a körsebesség. Mindez a száloptikai giroszkóp működési elvét alkotja.

Mivel ez a száloptikai giroszkóp passzív típusú, nem szenved olyan problémáktól, mint a szinkronjelenség.

Szögsebesség érzékelési határok.ábrán látható fő optikai rendszerben. A 4. ábrán látható állapotban a fény optikai útjai mindkét bejárási irányban azonos hosszúságúak lesznek, és mivel a fényvevő kimenetén a jel arányosan változik

, akkor a giroszkóp nagyon kis fordulatokra érzéketlen. Optimális érzékenységű rendszerben a szögsebesség érzékelésének elméleti határait a fénydetektor lövészajához viszonyítottnak tekintjük. Az elemzés azt mutatja, hogy egy a veszteségű optikai szálnál van egy bizonyos hosszúság, amely lehetővé teszi a lövészaj észlelési határainak optimalizálását:

(8)

A tipikus paraméterértékekre vonatkozó számítási eredmények az ábrán láthatók. 5, a. Egy 2 dB/km veszteségű optikai szál esetében az észlelési határok körülbelül 10-8 rad/s (0,001°/h). Pontosan ezek az értékek az inerciális navigációban. ábrán. Az 5b. ábra azt mutatja, hogy az optikai szál tekercs sugarának növelésével, valamint 1,55 μm hullámhosszú fény használatával, amelynél az optikai szál veszteségei nagyon alacsonyak, lehetséges egy sebességmérőt létrehozni inerciális térben, rendkívül alacsony értékkel. sodródás. Ez lehetővé teszi, hogy a mérőt ne csak a navigációban, hanem a geofizikában is használják.

Az igazi száloptikai giroszkópokban a képességeket a zajtényezők korlátozzák.

A Sagnac-effektuson alapuló giroszkóp érzékenysége gyűrűs optikai rezonátorral növelhető, nagy fényvisszaverő képességű, áttetsző tükör segítségével (lásd 3. ábra c). A rezonátor egy gyűrű alakú Fabry-Perot interferométer. Ebben az esetben a fénydetektor kimeneti jele élesen reagál a wt fázis változására, amikor a fényhullám egyszer áthalad a kör alakú optikai úton. Ezért lehetőség van egy rendkívül érzékeny érzékelő létrehozására, például egy rezonanciacsúcs elmozdulásának mérésére a forgás következtében. Vagyis csökkenthető az érzékelőgyűrű szálának hossza, és ha a giroszkóp középosztályú, akkor akár egy optikai integrált áramkörhöz csatlakoztatott egyfordulatú szálgyűrűt is lehet használni.

Egy ilyen giroszkóp szerkezetben nagy sugárzási koherenciájú fényforrás szükséges az éles rezonanciaválasz eléréséhez, míg az optikai giroszkópban alacsony koherenciájú fényforrás szükséges a teljesítmény javításához.

A száloptikai giroszkóp alapvető optikai diagramja az ábrán látható. 4, de ez az áramkör nem érzékeli a giroszkóp kis forgását. A probléma megoldására különféle módszereket javasolnak: fáziseltolás, fázismoduláció, frekvenciaváltozás és fény heterodinizálás.

Tekintsük csak az utolsó módszert. A fény heterodinizált giroszkóp optikai rendszerének felépítése a 2. ábrán látható. 6. A fénysugarat egy diffrakciós rács két, nagyon kis eltérési szögű (kb. 10 mrad) nyalábra osztja. Ezek a sugarak az optikai szálon ellentétes irányban áthaladva az AOM-ba kerülnek. Az AOM diffrakciós szöge megegyezik egy diffrakciós ráccsal, aminek következtében az AOM itt nem csak frekvenciaváltóként, hanem iránycsatolóként is használható, és a fényvevő készülék differenciálfrekvenciás jelet állít elő. . Ebben az optikai rendszerben lehetőség van az ellentétes irányba mozgó fénysugarak szétválasztására, de a rendkívül kis diffrakciós szög miatt ezek a sugarak kölcsönhatásba lépnek, és gyengül a közeg rezgései által okozott sodródás. Ezenkívül általában az optikai utak hosszának eltérése esetén a kimenő jel eltolódása következik be a forrássugárzás frekvenciaeltérése miatt, de ebben a struktúrában ez a különbség nagyon kicsi. ábrán. A 7. ábra a kimeneti jel fázismérőjének elektronikus áramkörét mutatja a 6. ábra szerinti szerkezetben nulla módszerrel. A pontos Td késleltetést egy töltéscsatolt eszköz (CCD) biztosítja. Erre a sémára igaz

(9)

(N egész szám), azaz itt megkapjuk az elektromos jel Df 2 frekvenciaváltozását, amely arányos a W szögsebességgel, ami nagyon kényelmes gyakorlati megvalósítás eszközöket.

Az érzékenység növelésének módszerei még nem biztosítanak nagy stabilitást, figyelembe kell venni a zajtényezőket, és intézkedéseket kell tenni azok kiküszöbölésére.

A nagy stabilitás eléréséhez szükséges, hogy az ellentétes irányba mozgó fénysugarak által érzékelt külső zavarok pontosan azonosak legyenek.

ábrán látható alapvető optikai rendszerben. A 4. ábrán látható, hogy az 1 fényérzékelő használatakor a fény kétszer verődik vissza a sugárosztóról, és ezen felül kétszer is áthalad rajta. Ebben az esetben az optikai út azonos hosszúságának feltétele nem teljesül pontosan, és a sugárosztó jellemzőinek hőmérséklet-ingadozása miatt a kimeneten eltolódás lép fel. A 2. fényvevő használatakor ugyanez történik. Ahhoz, hogy a szálba bevitt és az általa kibocsátott fénysugarak ugyanazt az optikai utat járják be, a sugárosztó ugyanazon a pontján egyesüljenek és elválasszák, valamint azonos üzemmódúak legyenek, térszűrőt kell beépíteni a nyaláb közé. osztók. Ebben a szűrőben célszerű egymódusú optikai szálat használni - ugyanúgy, mint az érzékeny tekercsnél.

Jellemzően egy egymódusú optikai szál két független módot képes továbbítani ortogonális polarizációval. De mivel az optikai szálak nem rendelkeznek pontosan szigorú tengelyszimmetriával, ennek a két módusnak a fázisállandója eltérő. Az energiacsere azonban két polarizáció módusa között történik, amelyek karakterisztikája külső hatásokra megváltozik, így a szál által kibocsátott fény általában instabil paraméterű körpolarizációt kap. Mindez a kimeneti jel eltolódásához vezet.

Bevezetés

Az optikai giroszkóp működési elve

Optikai giroszkópok blokkdiagramjai

Gyűrűs lézeres giroszkóp.

Száloptikai giroszkópok.

Optikai giroszkóp passzív típusú gyűrűrezonátorral

Módszerek az érzékenység növelésére

Zajtényezők, megszüntetésük módszerei

Alapvető optikai rendszerek megnövelt stabilitással

A felbontást korlátozó tényezők

Javításuk jellemzői és módszerei

Fázismodulációs rendszer

Frekvenciaváltozó rendszerek

Light Heterodyning System

Következtetés

A giroszkóp a tehetetlenségi térben a szögsebesség-érzékelő funkcióit látja el, és joggal nevezhető abszolút fordulatszámmérőnek, mivel az inercia szerkezeti eleme. navigációs rendszer, amely feldolgozza a repülőgép vagy hajó helyzetére vonatkozó információkat annak érdekében, hogy útirányba állítsa. Ez a rendszer általában három giroszkópot tartalmaz - három merőleges tengely körüli forgási sebesség mérésére, három gyorsulásmérőt - a három tengely sebességének, távolságának és irányának meghatározására, valamint egy számítógépet - ezen eszközök kimeneti jeleinek feldolgozására. A repülőgépgiroszkópokra nagyon magas követelmények vonatkoznak: felbontás és nulla eltolódás 0,01°/h, dinamikus hatókör 6 nagyságrend, nagy stabilitás (10 -5) az elforgatási szög kimeneti jellé alakításához. Eddig főként mechanikus giroszkópokat használtak, amelyek a test forgástengelyét a tehetetlenségi tér egyik irányába tartó hatása alapján működtek (a szögimpulzus megmaradásának törvénye). Ezek drága készülékek, mert megkövetelik nagy pontosság a forgótest alakja és a csapágyak lehető legkisebb súrlódása. Ellentétben a mechanikus, optikai giroszkópokkal, például a Sagnac-effektus alapján létrehozott száloptikai giroszkópoknak szerkezetük van. statikus típus, amelynek számos előnye van, amelyek közül a főbbek a következők: a mozgó alkatrészek hiánya, és ezért a gyorsulással szembeni ellenállás; a tervezés egyszerűsége; rövid indítási idő; nagy érzékenység; a jellemzők nagy linearitása; alacsony energia fogyasztás; magas megbízhatóság.

Ezenkívül az optikai integrált áramkörök bevezetésével csökkenteni lehet a száloptikai giroszkópok költségeit. Repülőgépekben és hajókban való felhasználásuk mellett a giroszkóp technológia fejlődésével számíthatunk rájuk autókban, robotokban stb.

Az optikai giroszkóp működési elve a Sagnac effektuson alapul. Egy kör alakú optikai út mentén, amint az az ábrán látható. 1, a sugárosztónak köszönhetően a fény két ellentétes irányba terjed. Ha a rendszer a tehetetlenségi térhez képest nyugalomban van, akkor mindkét fénysugár ellentétes irányban, azonos hosszúságú optikai úton terjed. Ezért amikor a nyalábokat az út végén lévő osztóban egyesítjük, nincs fáziseltolódás. Ha azonban az optikai rendszer a tehetetlenségi térben W szögsebességgel forog, fáziskülönbség lép fel a fényhullámok között. Ezt a jelenséget Sagnac-effektusnak nevezik.

Legyen a törésmutató az optikai úton n=1. Az a optikai útsugár esetén azt az időt, amely alatt a fénynek az óramutató járásával megegyező irányban mozogva eléri a sugárosztót, a következőképpen fejezzük ki:

ellenkező irányba -

ahol c a fénysebesség.

Az (1) és (2) képletből két fényhullám terjedési idejének különbsége c>>aW figyelembevételével

(3)

Ez azt jelenti, hogy különbség van az optikai utak hosszában

vagy más szóval a fáziskülönbség

Itt S az optikai út által határolt terület; k a hullámszám.

Az (5) képlet a (3) képletből következik, feltéve, hogy n=1, és az optikai út kör alakú, de bebizonyítható, hogy az (5) képlet alapvető a Sagnac-effektus szempontjából. Független az optikai út alakjától, a forgásközéppont helyzetétől és a törésmutatótól.

ábrán. 3 van megadva általános sémák mérési pontosság javítására tervezett rendszerek. A gyűrűs lézeres giroszkóp (3. ábra, a) más magas frekvencia fényhullám - akár több száz terahertz. A száloptikai giroszkóp az ábrán. A 3b nagy érzékenységgel rendelkezik a hosszú egymódusú optikai szálak alacsony veszteséggel történő használatának köszönhetően. A passzív típusú optikai giroszkóp gyűrűrezonátorral (3. ábra, c) a rezonátor éles rezonancia karakterisztikáját használja.

A gyűrűs lézergiroszkópot a gázlézerhez hasonlóan gyártják: egy kvarctömbben olvasztással háromszög alakú üreget (csatornát) alakítanak ki, amelyet hélium és neon keverékével töltenek meg. A lézer által keltett sugárzás hullámhossza 632,8 nm. Általában a generálási frekvencia a lézerüreg hosszától függően változik. És be ebben az esetben a háromszög alakú optikai út mentén ellentétes irányban terjedő két generált fényhullám frekvenciája (3. ábra, a) a DL optikai hosszkülönbség miatt nem azonos [ld. (4) képlet]. Emiatt lehetőség van mindkét generált fényhullám ütési frekvenciájára a mérésekhez, nevezetesen

Itt L az optikai út teljes hossza a gyűrűrezonátorban; l a lézer hullámhossza nyugalmi állapotban.

Más szóval, a Df mérésével meghatározhatja a tehetetlenségi térhez viszonyított szögsebességet. Mivel a fény frekvenciája több száz terahertz, a frekvencia kis változásai is lehetővé teszik a frekvenciakülönbségek mérését. Ha a kimenőjel a szögsebességgel arányos frekvencia, akkor a kimenő hullámok megszámlálásával digitális formában meghatározható az elforgatási szög növekedése, amely biztosítja a navigációs számítástechnikai eszközhöz továbbított információ nagy pontosságát. A frekvencia mérése széles dinamikatartományban lehetséges, így a gyűrűs lézeres giroszkóp dinamikatartománya bővíthető és elegendő egy inerciális navigációs rendszerhez. Ez nagy előnye ezeknek a giroszkópoknak.

A gyűrűs lézeres giroszkópok kutatása a 60-as években kezdődött. A mai napig körülbelül 0,001°/h felbontást és nullapont-stabilitást sikerült elérni. BAN BEN Utóbbi időben A gyűrűs lézergiroszkópokat az inerciális referenciarendszerben nemcsak a Boeing 757/767-es repülőgépeken, hanem az Airbus A310-ben is alkalmazzák. Japánban jelentéseket tettek közzé a 0,01°/h szögsebesség méréséről.

Így a gyűrűs lézeres giroszkóp már színpadra lépett praktikus alkalmazás, de ennek ellenére számos megoldatlan probléma maradt:

1. A kimenő jel nemlinearitása kis szögsebesség mellett (a szinkronizmus hatása).

2. A kimenő jel eltolódása a lézerben áramló gázok miatt.

3. Az optikai úthossz változása hőtágulás, nyomás és mechanikai deformáció hatására.

E problémák közül a legfontosabb az első. Alacsony szögsebességeknél a keletkező fényhullámok frekvenciájának különbsége csökken, ami szinkronizáláshoz (Df = 0) és a forgás észlelésének lehetetlenségéhez vezet. (A tipikus érzékelési küszöb 10°/h.) A szinkronizmus miatti holtsáv a 2. ábrán látható. 3, a szaggatott vonallal. A fent említett 0,001°/h detektálási felbontást a szinkronizmus jelenségének elnyomásával biztosítjuk, az egész rendszert mikrooszcillációra redukálva (Deise módszer). De az enyhe forgással járó nemlinearitás továbbra is megmarad, ráadásul ez azt jelenti, hogy az optikai giroszkóp olyan előnyét, mint a mozdulatlanságát, nem használják ki.

(7)

ahol N a menetek száma a száltekercsben; L - szál hossza; a a tekercs sugara.

Meg kell jegyezni, hogy az alapképletek nem tartalmazzák a fény törésmutatóját a szálban.

A gyártástechnológia fejlesztésének köszönhetően nagyon alacsony veszteségű szálakat állítanak elő. A szál sérülésének elkerülése érdekében a tekercselés több centiméter sugarú orsón történik. Ugyanakkor a veszteségek észrevehető növekedése nem figyelhető meg. Lehetőség van egy viszonylag kis méretű és rendkívül érzékeny Sagnac interferométer létrehozására kis sugarú (2...5 cm) tekercssel, ha egy hosszú szálat körbetekernek. Az optimális optikai rendszer kialakítása után nagy pontossággal mérhető a fázisváltozások (inerciális navigációban - kb. 10 -6` rad), majd a (7) képletből meghatározható a körsebesség. Mindez a száloptikai giroszkóp működési elvét alkotja.

Mivel ez a száloptikai giroszkóp passzív típusú, nem szenved olyan problémáktól, mint a szinkronjelenség.

Szögsebesség érzékelési határok. ábrán látható fő optikai rendszerben. A 4. ábrán látható állapotban a fény optikai útjai mindkét bejárási irányban azonos hosszúságúak lesznek, és mivel a fényvevő kimenetén a jel arányosan változik, a giroszkóp érzéketlen a nagyon kis fordulatokra. Optimális érzékenységű rendszerben a szögsebesség érzékelésének elméleti határait a fénydetektor lövészajához viszonyítottnak tekintjük. Az elemzés azt mutatja, hogy egy a veszteségű optikai szálnál van egy bizonyos hosszúság, amely lehetővé teszi a lövészaj észlelési határainak optimalizálását:

(8)

Az igazi száloptikai giroszkópokban a képességeket a zajtényezők korlátozzák.

(9)

(N egész szám), azaz itt megkapjuk az elektromos jel W szögsebességgel arányos frekvenciaváltozását Df 2, ami nagyon kényelmes az eszköz gyakorlati megvalósítása szempontjából.

Az érzékenység növelésének módszerei még nem biztosítanak nagy stabilitást, figyelembe kell venni a zajtényezőket, és intézkedéseket kell tenni azok kiküszöbölésére.

A nagy stabilitás eléréséhez szükséges, hogy az ellentétes irányba mozgó fénysugarak által érzékelt külső zavarok pontosan azonosak legyenek.

Ha az optikai úton van elhelyezve, amint azt a szaggatott vonal mutatja az ábrán. 4, polarizációs lemez, azaz egyetlen polarizációjú fényhullámot küld az interferométer optikai útjára, és csak az azonos polarizációjú komponenst izolálja a kibocsátott fényben, majd a gyűrű alakú optikai út (optikai szál) átviteli függvényét ellentétes mozgási irányú sugarak azonosak lesznek, és így a probléma megoldódott. De ebben az esetben is megmarad a fényvevőt érő fény teljesítményének ingadozása, ezért további intézkedésekre van szükség a léptéktényező stabilizálására. Az egyik ilyen intézkedés a depolarizátor bevezetése, amely kompenzálja az optikai szál polarizációs ingadozásait, és tetszőlegessé teszi a polarizációs állapotot, vagy olyan optikai szál bevezetése, amely fenntartja a polarizációt. A könnyű heterodining giroszkópoknál a probléma hatékony megoldása a nulla módszer.

Az optikai szálban a polarizációs ingadozások miatti sodródás kiküszöbölésére nagyon nagy csillapítású (kb. 90 dB) polarizátor szükséges, de ez a követelmény enyhül, ha polarizációt megőrző optikai szálat és alacsony koherenciájú fényforrást használunk. A polarizációt fenntartó optikai szálban az ortogonális polarizációjú módusok fázisállandóinak különbsége miatt ezeknél az üzemmódoknál különbség adódik az optikai úthosszban, így az alacsony koherenciájú forrás használata lehetetlenné teszi az üzemmódok közötti interferenciát. Hasonló hatás érhető el depolarizátor használatával.

Asztal 1. Zajtényezők száloptikai giroszkópokban

Zajfaktor
Polarizációs ingadozások optikai szálban, például lineáris polarizáció cirkuláris átalakítása egymódusú szálban	Az analizátor szálkimenetének bekapcsolása az egyik irányú polarizációs komponens elkülönítése érdekében
Ellentétes irányban haladó fényhullámok optikai úthosszának különbsége a fényforrás spektrumának dinamikus instabilitásával	Fényforrás spektrum stabilizálása
A hőmérséklet-ingadozások során egy szál mentén ellentétes irányban haladó hullámok frekvenciájának különbsége	Két akusztikai-optikai modulátor használata vagy moduláció téglalap alakú impulzusokkal
Egyenetlen hőmérséklet-eloszlás a szál mentén	Optikai szál tekercselése, amelyben a hőmérséklet-eloszlás szimmetrikus a tekercs közepe körül
A kimenő jel fázisváltozása a Faraday-effektus következtében a szálban a Föld mágneses mezőjének ingadozása hatására	Mágneses árnyékolás és polarizációt fenntartó szál
Az előre és hátrafelé irányuló sugár intenzitásarányának ingadozásai (a nyalábosztóban) az optikai Kerr-effektus miatt	A kibocsátott fény modulálása téglalap alakú impulzusokkal, 50%-os kitöltési tényezővel; szélessávú fényforrás használatával
Az elülső sugár és a Rayleigh visszaszórás sugár interferenciája	Fényhullám fázismodulációja; lézersugárzás impulzusfrekvencia modulációja; gyengén zavaró fényforrás használata

A rövid távú felbontást korlátozó tényezők közül az optikai út mentén történő visszaszórásnak van a legerősebb hatása. Az optikai rendszerelemek felületéről érkező Fresnel-reflexiós fény vagy például az optikai szálban lévő Rayleigh-féle visszaszórás fény zavarja a jelzőfényt, ami sok zajhoz vezet. Ezek leküzdésére a fényhullám fázismodulációját, impulzusos módszereket, valamint egy széles spektrumú és alacsony koherenciájú fényforrást használó módszert javasoltak, ami rontja az interferenciát a Rayleigh-visszaszórás fényének optikai úthosszának nagy különbsége miatt. és a jelzőfény. (Ez a forrás lehet többmódusú félvezető lézer vagy szuperlumineszcens dióda.)

A giroszkóp kimeneti zaja a következő képlettel fejezhető ki:

(10)

ahol a 0 a Rayleigh-szórási veszteség az optikai szálban; b R a Rayleigh fényszórás ellentétes irányban terjedő része; Df s - a fényforrás spektrumszélessége.

ábrán. A 9. ábra mutatja be a kísérlet eredményeit, bemutatva, hogy a sugárzási spektrum bővülésével hogyan növekszik a száloptikai giroszkóp felbontása. Így a száloptikai giroszkópokban a fényforrás koherenciájának csökkentése nemcsak a Rayleigh-féle távolsági zajt, hanem a Kerr-effektus zaját is hatékonyan csökkenti.

Jelenleg kísérleti rendszereket fejlesztettek ki, amelyekben intézkedéseket tettek az érzékenység növelésére és a zaj csökkentésére. Ezekben a rendszerekben a fázismoduláció, a frekvenciaváltozás és a fényheterodinizálás módszerével dolgozva olyan felbontást sikerült elérni, amely lehetővé teszi a Föld saját forgási sebességével megegyező vagy annál kisebb sebességek mérését (15°/h=7,3×). 10 -5 rad/s). Az eredmények különösen nagyok a fázismodulációval rendelkező rendszerekben, amelyek felbontása és driftje körülbelül 0,02°/h, ami elfogadható inerciális navigációhoz.

Feltárják a giroszkópok mikrooptikai technológiával, funkcionális szálas és hullámvezető elemekkel történő megvalósításának lehetőségét. Már készülnek 1°/h felbontású száloptikai giroszkópok. Emellett elmélyül az inerciális navigációra alkalmas rendszerek vizsgálata is.

ábrán. A 10. ábra a Stafford Egyetemen kifejlesztett optikai giroszkóp rendszert mutatja egymódusú optikai szálon, helyenként speciális feldolgozásnak, nevezetesen: polarizációs típusú szabályozónak, iránycsatolónak, polarizátornak, fázismodulátornak és egyéb funkcionális elemeknek. a feldolgozásával kapott optikai szálon. Az optikai szál gyűrűjének sugara 7 cm, a szál hossza 580 m. Így a giroszkópban megszűnik az optikai rendszer különböző elemeinek felületéről való visszaverődés. Ezenkívül a többmódusú félvezető lézer fényforrásként történő használata csökkenti a rendszer koherenciáját, és ezáltal csökkenti a Rayleigh-szórás miatti zajt. Az a tény, hogy a rendszert a fázismoduláció elvén tervezték, szintén segít csökkenteni ezt a zajt. ábrán látható giroszkópban. A 10. ábrán 0,022°/h felbontás érhető el (11. ábra, a). Ebben az esetben az integrálási idő 1 s. Az optikai szál speciális tekercselésével a hőmérséklet-ingadozások hatása gyengül, mágneses képernyő és többmódusú félvezető lézer használatával pedig a Kerr-effektus okozta sodródás és a nullpont ingadozások mérséklődnek (11. ábra). , b, 0,02 °/h, 30 s integrálási idővel).

A polarizációs ingadozások csökkentésére javasolt a kimenő jel fázismodulációja az alaphullám és a második felharmonikus felhasználásával, valamint egy olyan módszer, amelyben a fényvevő kimeneti jelének és a komponensének harmonikusait. egyenáram, akkor a léptéktényező fluktuációs komponensét számítással izoláljuk. A polarizációt fenntartó optikai szálat is igyekeznek bevezetni a rendszerbe, egy fázismodulátort készíteni iránycsatolókkal, a maradék elemeket pedig hullámvezető eszközök formájában. Az ilyen giroszkópokkal végzett kísérletek 0,02-től több fokig terjedő felbontást adnak óránként (integrációs idő 1 s). A felbontás növelésére és a nulla eltolódás csökkentésére szintén hatékony az alacsony koherenciájú szuperlumineszcens dióda (20 μm koherencia hullámspektrum szélessége) alkalmazása.

ábrán. A 12a. ábra egy olyan rendszert mutat be, amelyben: a fázismodulátor gerjesztő jelét fűrészfog feszültség integrálásával alakítjuk ki, és a kimeneten egy kvázi-heterodináló jelet állítunk elő. ábrán. A 12. b ábra a váltakozó áramú elektromos jel fázisváltozását mutatja a giroszkóp forgásakor. Vannak más kísérletek a fázismoduláción alapuló kvázi-heterodin fénymódszer megvalósítására. Például a rendszer kombinálva van egy fázisfeldolgozó áramkörrel (lásd a 7. ábrát), amely lehetővé teszi a dinamikatartomány kiterjesztését és a léptéktényező stabilizálását, azaz kompenzálja a fázismodulációs módszer hátrányait. Ebben a rendszerben a moduláló hullámforma paraméterek pontos beállítása szükséges, és ezt nehéz elérni technikai sajátosságok, kielégíti az inerciális navigációt. A moduláló jel alakjának manipulálásával a nulla módszer gyakorlatilag megvalósul, de ez problémát jelent a nullapont stabilizálásával.

Mindenesetre a fázismodulált rendszer a felbontás és a nullpont stabilitás tekintetében felülmúlja a többi rendszert, ráadásul viszonylag egyszerű is. Ezért a munka kiterjed a rendszer miniatürizálására szálas és hullámvezető funkcionális optikai elemek és integrált optikai eszközök létrehozásával. A nyugatnémet SEL cég már most is gyárt giroszkópokat, amelyek felbontása körülbelül 15°/h, linearitása 1%-on belül van, ahol hullámvezető optikai elemeket használnak a fázismodulátorhoz. A szál hossza 100 m, az optikai szál tekercs érzékenységi sugara kb. 3,5 cm, méretei 80´80´25 mm, súlya 200 g.

ábrán. A 13. ábrán a a nyugatnémet SEL cég által kifejlesztett frekvenciaváltós száloptikás giroszkóp felépítése látható, két f L és f H frekvenciájú referenciaoszcillátort tartalmaz, amelyek segítségével megállapítható a p fáziskülönbség, amely f c frekvenciával van kapcsolva. Mindez lehetővé teszi az érzékenység növelését. Konkrétan, stacionárius üzemmódban az AOM1 f gerjesztési frekvenciája egyenlő (f L + f H)/2, azaz az f H és f L közötti váltáskor az interferométer kimeneti jele nem változik. c módban. állandósult állapotú f frekvenciánál az interferométer kimenetén hiányzik az f c komponens, ami alapja lehet Visszacsatolás feszültségvezérelt generátorhoz. Amikor a giroszkóp forog, az f frekvencia eltér az (f L + f H)/2 értéktől, és a megállapított különbségnek megfelelően ennek a forgásnak a sebessége a következő képlettel határozható meg:

Ez a rendszer hatékonyan csökkenti a zajt, mivel az f c frekvenciát a fényhullám optikai szál tekercs mentén történő terjedési periódusának reciprokaként határozzuk meg, és a jelzőfény és a Rayleigh visszaszórás fény frekvenciája általában csak f H - f L. . Dinamikus tartomány, amint az ábrán látható. A 13. b, hat nagyságrendre terjed ki, ami a frekvenciaváltoztatási módszer jellemzője.

Ha az AOM1 és AOM2 modulátor és a sugárosztó közötti távolság nem azonos, nulla eltolódás lép fel. Emiatt a nullpont-stabilitás a fázismodulált rendszer stabilitására csökken. Ezeket a termékeket azonban már gyártják (kb. 3°/h sodrással). Ezekben az optikai szál hossza 1 km, a tekercs sugara 5 cm. A szögeltolódás a kimenőjel minden egyes frekvenciaolvasásánál 2,95 s.

A frekvenciaváltó módszer szerkezetileg a fázismodulációs módszeren alapul. Úgy gondolják, hogy javítja a felbontást és a nullapont stabilitását. Ebben az esetben a fő nehézségek a frekvenciaváltóval kapcsolatosak. Ha AOM-t használnak, akkor két probléma merül fel - az optikai rendszer méreteinek növekedése a gerjesztési teljesítmény és a visszavert fény növekedésével, valamint a gerjesztési frekvencia növekedésével. Az AOM mellett a frekvenciaváltókat száloptikai funkcionális elemek és fényhullámvezetők formájában tanulmányozzák. Ezenkívül két AOM és egy LiNbO 3 hordozón lévő lencse van integrálva. A fázismódszeren alapuló frekvenciaeltolásos rendszereket is tervezik.

ábrán. A 14. ábra egy integrált áramkörre épülő fázisrendszer általános felépítését mutatja be. A hullámvezető típusú fázismodulátor jó frekvenciakarakterisztikával rendelkezik, így lehetőség van fűrészfog feszültséggel történő gerjesztésre és fázisrendszer megvalósítására. Ezenkívül, ha a fűrészfog gerjesztési feszültségének amplitúdója szigorúan 2p-nek felel meg, akkor nem keletkeznek magasabb harmonikusok, és ideális frekvenciaváltót kapunk. Egy inerciális navigációs rendszer esetében ennek a feltételnek nagyon szigorúan kell teljesülnie. A francia Thomson CSF cég fejlesztette ki automatikus beállítás amplitúdóját digitális-analóg konverter segítségével, amely mikrolépéses fronttal biztosítja a szükséges fűrészfog feszültség hullámformát. Frekvenciáját Df-ként határozzuk meg a (11) képletből, és a digitális-analóg átalakítóval szinkron visszacsatolással itt a nulla módszert adjuk meg, és a változást órajel frekvenciája tájékoztat a giroszkóp szögsebességéről. Ebben a rendszerben nincs szükség nagy frekvenciaváltóra, és csak egy frekvenciaváltó használható. Hasonló giroszkópot fejlesztettek ki, 0,3°/h nulla eltolódással és 7 nagyságrendű dinamikatartománnyal.

ábrán látható rendszer. A 6. ábra egy 15 cm sugarú, 2000 m hosszú egymódusú optikai szál tekercset, különálló optikai műszereket és egymódusú félvezető lézert tartalmaz. A félvezető lézersugárzás közvetlen frekvenciamodulációját használja, ami további zajhoz vezet. A koherencia csökkentése érdekében a sugárzási spektrum szélessége nő. ábrán. A 15. ábra a zaj jellemzőit mutatja. A spektrumbővítés lehetővé teszi a felbontás körülbelül 20-szoros növelését. Mivel miatt hátrameneti lámpa a félvezető lézer spektruma instabil, szigetelő kerül a rendszerbe.

ábrán. 15. ábra, és ennek a rendszernek a működését ismertetjük. A függőleges tengely a frekvencia változását mutatja, amely arányos a szögsebességgel, és egy minta 4"-os szögeltolódásnak felel meg (1 mintánként 0,4" 10-szeres erősítéssel). A földgömb forgási sebessége 0,0042°/s, rövid távú felbontása 5°/h. ábrán. A 15. ábra az átviteli karakterisztikát mutatja (bemenet-kimenet). A 11°/h sebesség 180°-os fáziskülönbségnek felel meg. A karakterisztika linearitását nulla módszerrel javítjuk. által meghatározott forgásérzékelés felső határa elektronikus áramkör, 100°/s, a kísérleti rendszer dinamikatartománya 5 rend.

Az AOM rendszerben a hangsebesség hőingadozása miatt észrevehető nulla eltolódás lép fel, ezért a nyomkövetési módszerek kutatása folytatódik. hangsebesség az AOM-nál. Ez a rendszer, kétdimenziós fényhullámvezetők és diffrakciós rácsok felhasználásával, integrált áramkör formájában valósítható meg.

Figyelembe veszik egyes optikai giroszkópok működési elvét, beleértve a száloptikaiakat is. A fázismodulációs módszernek köszönhetően a nullapont felbontása és stabilitása az inerciális navigáció követelményeinek megfelelően érhető el. A frekvenciavariációs módszerrel és a fény heterodinizálásával széles dinamikatartományt (öt-kilenc nagyságrendig) és stabil léptéktényezőt érünk el. A száloptikai giroszkópokat széles körben használják. Különféle mikro-optikai technológián alapuló eszközök fejlesztése, száloptika funkcionális elemek, optikai hullámvezető elemek. Mára már kereskedelmi forgalomban is kaphatók ilyen középkategóriás giroszkópok.

A száloptikás giroszkópok a mechanikus rendszerek hiányában különböznek a korábbiaktól, ami nemcsak navigációra, hanem más területekre is alkalmassá teszi őket, például olajkutak fúrásakor egy fúró mozgásának vezérlésére. Ezen túlmenően, ha növeli az optikai szál gyűrűjének átmérőjét és meghosszabbítja a kimenő jel integrációs intervallumát, növelheti az érzékenységet, ami lehetővé teszi a giroszkóp használatát időjárás előrejelzésre, a Föld saját forgásának ingadozásának mérésére stb. .

Optikai kommunikációs hullámvezetők, Teumin I.I.
Száloptikai érzékelők, szerk. T. Okoshi, fordítás japánból.
Optikai hullámvezetők, Marcuse D., fordítás angolból.
Az optikai kommunikáció alapjai, szerk. E.M. Dianova, fordítás angolból.

Száloptikai giroszkóp

Bevezetés

A száloptikai giroszkóp (FOG) egy optikai-elektronikai eszköz, amelynek létrehozása csak fejlesztéssel és továbbfejlesztéssel vált lehetségessé. elem alap kvantumelektronika. A készülék méri annak a tárgynak a szögsebességét és elfordulási szögeit, amelyre fel van szerelve. A FOG működési elve a vortex (forgó) Sagnac effektuson alapul.

A külföldi és hazai cégek érdeklődése az optikai giroszkóp iránt az inerciális navigációs, vezérlő és stabilizáló rendszerek érzékeny forgóelemeként való lehetséges alkalmazásán alapul. Ez az eszköz bizonyos esetekben teljesen helyettesítheti az összetett és drága elektromechanikus (rotoros) giroszkópokat és a háromtengelyes giroszkóppal stabilizált platformokat. Külföldi sajtóadatok szerint a jövőben az Egyesült Államokban várhatóan a különböző célú objektumok navigációs, vezérlő- és stabilizációs rendszereiben használt giroszkópok mintegy 50%-át száloptikai giroszkópokra cserélik.

Valódi, rendkívül érzékeny FOG létrehozásának lehetősége csak az egymódusú, alacsony csillapítású dielektromos fényvezető ipari fejlesztésével jelent meg. A FOG ilyen szálakon való kialakítása határozza meg az eszköz egyedi tulajdonságait. Ezek a tulajdonságok a következők:

az eszköz potenciálisan nagy érzékenysége (pontossága), amely már 0,1 fok/óra vagy kevesebb a kísérleti prototípusokon;

a szerkezet kis méretei és súlya a FOG teljes egészében integrált optikai áramkörökön történő létrehozásának lehetőségének köszönhetően;

alacsony gyártási és tervezési költség a tömeggyártáshoz és a technológia viszonylagos egyszerűsége;

elhanyagolható energiafogyasztás, ami nem kis jelentőségű a FOG fedélzeti használatakor;

a mért szögsebességek nagy dinamikus tartománya (különösen például egy eszköz képes mérni a forgási sebességet 1 fok/h és 300 fok/s között);

a forgó mechanikai elemek (rotorok) és csapágyak hiánya, ami növeli a megbízhatóságot és csökkenti az előállítási költségeket;

szinte azonnali készenlét a munkára, mivel nem telik el az idő a rotor felpörgetésével;

érzéketlenség a nagy lineáris gyorsulásokra, és ezért a teljesítmény nagy mechanikai túlterhelések esetén;

nagy zajvédelem, alacsony érzékenység erős külső elektromágneses hatások a szál dielektromos természetéből adódóan;

alacsony érzékenység a behatoló gamma-neutronsugárzásra, különösen az 1,3 mikronos tartományban.

A száloptikai giroszkóp a hordozótesthez mereven rögzített forgásérzékeny elemként (érzékelőként) használható inerciális vezérlő és stabilizáló rendszerekben. A mechanikus giroszkópok úgynevezett giromechanikai hibákkal rendelkeznek, amelyek különösen szembetűnőek a hordozó (repülőgép, rakéta, űrhajó) manőverezése során. Ezek a hibák még jelentősebbek, ha az inerciális vezérlőrendszert mereven rögzített vagy közvetlenül a viselő testére „akasztott” érzékelőkkel tervezték. A tehetetlenségi vezérlőrendszerben giromechanikai hibák nélkül működő, alacsony költségű optikai forgásérzékelő alkalmazásának kilátásba helyezése a másik oka az optikai giroszkóp iránti különös érdeklődésnek.

A száloptikai giroszkóp ötletének megjelenése és első tervei szorosan összefüggenek a gyűrűs lézeres giroszkóp (RLG) fejlesztésével. A CLG-ben az érzékeny áramkör egy gyűrűs öngerjesztő rezonátor aktív gáznemű közeggel és visszaverő tükrökkel, míg a FOG-ban egy passzív, többfordulatú dielektromos fényvezető áramkört egy „külső” fénysugárforrás gerjeszti. Ezek a tulajdonságok meghatározzák a FOG legalább öt előnyét a CLG-hez képest:

A FOG-ban nincs a forgási szögsebesség nulla értékéhez közeli, ellentétes irányú irányú rezgések szinkronizálása, ami lehetővé teszi nagyon kis szögsebességek mérését anélkül, hogy bonyolult nullapont-eltolódási eszközöket kellene készíteni;

2. A Sagnac-effektus, amelyen az eszköz működési elve alapul, több nagyságrenddel erősebben jelentkezik az optikai szál alacsony vesztesége és a hosszú szálhossz miatt.

3. A FOG kialakítása teljes egészében tömör test formájában készült (a jövőben teljes egészében integrált optikai áramkörökön), ami megkönnyíti a működést és növeli a megbízhatóságot a KLG-hez képest.

4. A FOG a forgási sebességet méri, míg a KLG a sebességnövekedést rögzíti.

5. A FOG konfiguráció lehetővé teszi a forgásirány megfordításának „érzését”.

A FOG ezen tulajdonságai, amelyek lehetővé teszik egyszerű, nagy pontosságú szerkezetek létrehozását teljes egészében olcsó, tömör integrált optikai áramkörökön a tömeggyártásban, nagy figyelmet keltenek a vezérlőrendszerek fejlesztőiben. Számos külföldi cég szerint egyedülálló technikai lehetőségeket A ködök intenzíven fejlődnek.

Külföldi szerzők azt állítják, hogy a FOG tervezésének kidolgozása és gyártási mintákba hozatala nem egyszerű feladat. A FOG fejlesztése során a tudósok és mérnökök számos nehézséggel szembesülnek. Az első a FOG elemek gyártási technológiájával kapcsolatos. Jelenleg még kevés jó egymódusú szál van, amely megőrzi a polarizációs irányt; A nyalábosztók, polarizátorok, fázis- és frekvenciamodulátorok, térszűrők és integrált optikai áramkörök gyártása a fejlesztés kezdeti szakaszában van. A kifejezetten FOG-hoz tervezett emitterek és fotodetektorok száma korlátozott.

A FOG cégek és fejlesztők mindkét problémát megoldják. Folyamatban van a FOG-ban történő elemek előállításának technológiájának fejlesztése, a zavarok és instabilitások fizikai természetének elméleti és kísérleti tanulmányozása, a FOG különféle áramköri változatai létrehozása és tesztelése, ezeknek a zavaroknak kompenzációjával, valamint az integrált optika használatának alapvető kérdései. fejlett. A FOG pontossága már közel van az inerciális vezérlőrendszerekben megkövetelthez.

Számos tudományos cikk jelent meg már a FOG problémájával foglalkozó szakirodalomban és folyóiratokban. E cikkek elemzése azt jelzi, hogy a probléma további tanulmányozására van szükség, és új módszereket kell kidolgozni a FOG minőségi jellemzőinek javítására.

A FOG-ok létrehozásának elméletében és gyakorlatában a kulcskérdések rendszerezése és általánosítása szintén fontos lépés.

A dolgozat célja a zaj és instabilitás általánosított modellje, a FOG működésének elemzése, valamint az eszköz maximális (potenciális) érzékenységének felmérése. A kölcsönösségi tulajdonság alapján figyelembe kell venni a FOG minimális konfigurációját. Akkor értékeld jelen állapot elem alap. Ugyanakkor fordítson jelentős figyelmet az optikai szálak tulajdonságaira, és elemezze a lehetséges inhomogenitásokat és veszteségeket a különböző típusú szálak esetében. Tekintsük a FOG fő elemeit: szálas áramkör, emitterek és fotodetektorok, és javasoljon módokat a FOG zajának és instabilitásának kompenzálására (például inverz Rayleigh-szórás, optikai nemlineáris hatás, hőmérsékleti gradiensek, mágneses tér stb.).

A disszertáció fő célja a FOG elmélet kulcsfontosságú szempontjainak átgondolása az elemeinek hibáinak elemzése és az eszköz pontossági jellemzőinek kvalitatív értékelése alapján, figyelembe véve a problémamegoldás különböző megközelítési módjait. érzékenységének növelésére.

A FOG-ok zajszintjének és instabilitásának csökkentésére különféle áramköri tervezési módszereket is figyelembe kell venni.

Külön tükrözze a munkavégzés műszaki és gazdasági szempontjait, a kutatás során az életbiztonsági kérdéseket, valamint a készülék használata során a környezetbiztonsági kérdéseket.

1. A száloptikai giroszkópia alapelvei

1.1. A FOG főbb jellemzői

Az optikai giroszkóp az eszközök azon osztályába tartozik, amelyekben az ellentétesen terjedő fénysugarak zárt optikai áramkörben terjednek. Az optikai giroszkóp működési elve a Sagnac „örvény” hatásán alapul, amelyet ez a tudós fedezett fel 1913-ban. Az örvényhatás lényege a következő. Ha egy zárt optikai áramkörben két fénysugár ellentétes irányban terjed, akkor álló áramkörnél a teljes áramkörön áthaladó mindkét sugár fáziseltolódása azonos lesz. Amikor a kontúr a kontúr síkjára merőleges tengely körül forog, a sugarak fáziseltolódásai egyenlőtlenek, és a sugarak fáziskülönbsége arányos a kontúr forgási szögsebességével. A Sagnac örvényhatás magyarázatára három elméletet dolgoztak ki: kinematikus, Doppler és relativisztikus. Közülük a legegyszerűbb kinematikai, a legszigorúbb relativisztikus, amely az általános relativitáselméletre épül. Tekintsük a Sagnac-örvényhatást a kinematikai elmélet keretein belül.

A zárt optikai áramkör kialakításától függően kétféle optikai giroszkóp különböztethető meg. Az első típus az úgynevezett gyűrűlézer giroszkóp (RLG), amelyben az áramkört egy aktív közeg (hélium és neon gázok keveréke) és a megfelelő tükrök alkotják, amelyek zárt utat képeznek (gyűrűlézer). A második típus a száloptikai giroszkóp (FOG), amelyben egy zárt hurkot képez egy többfordulatú optikai szál tekercs. A FOG sematikus diagramja az ábrán látható. 1.3.

1.2. A kölcsönösség elve és a fázisregisztráció a FOG-ban

A tipikus kísérleti giroszkóp-kialakítások R = 100 mm-es tekercset használnak, L = 500 m szálhosszúsággal. 1 fok/h forgási sebesség észleléséhez 10-5 rad nagyságrendű felbontású fázisdetektálás szükséges. Ez az ábrán látható. 1.4., amely a fáziseltolódás értékeit mutatja az áramkör forgási szögsebességének és az LR értékének függvényében  = 0,63 μm-nél.

Az ilyen érzékenységű optikai interferencia fázisérzékelő rendszerek jól ismertek, de vannak speciális problémák a giroszkópok fázisérzékelésével kapcsolatban. Az első annak a ténynek köszönhető, hogy a giroszkóp gyakran névleges közel nulla löketkülönbséggel működik, és a relatív fázisérték kis változásainál elhanyagolható a kimeneti intenzitás változása.

1.4. ábra. Sagnac fázis a forgási szögsebességben az LR paraméter különböző értékeihez.

A 90°-os fáziseltolás melletti működés maximalizálja az érzékenységet, de ez némi kölcsönösséget okoz a giroszkóp két sugáriránya között, mivel az óramutató járásával megegyező irányú sugár fázisa eltér az óramutató járásával ellentétes sugárétól, ha nincs forgás.

A kölcsönösség tulajdonsága a FOG második fontos pontja. A FOG-ban a fázis-nem kölcsönösséget az ellentétesen terjedő sugarak differenciális fáziskülönbsége határozza meg. Bármely fáziskülönbség (fáziskülönbség) két irányban változást eredményez a giroszkóp leolvasásában. Ha a kölcsönösség hiánya az idő függvénye, akkor van némi időeltolódás a giroszkóp leolvasásában. Egy 500 m hosszú szál 10 10 rad nagyságrendű fáziskésést ad. Így a 0,05 fok/h forgási sebesség regisztrálásához szükséges, hogy az ellentétes irányú sugarak terjedési útja 10-17 rad relatív pontossággal összhangban legyen.

Ezenkívül meg kell jegyezni, hogy a száloptikai giroszkóp működési elve az ellenszaporodó hullámok forgó referenciakeretben történő terjedésének nem-reciprok tulajdonságán alapul (két nyaláb fáziseltolódásai közötti különbség megjelenése). forgás közben). Ezért a nem kölcsönös hatások és eszközök elemzésének fontossága a FOG-ban kétségtelen (legalábbis az eszköz pontosságának meghatározásához).

A FOG kapcsán célszerű elemezni a kölcsönösség elvét egy négy bemenettel és kimenettel rendelkező áramkör esetében. Optikai hullámvezető esetén a négy bemenet a szál mindkét végén két, egymásra merőleges polarizációs irány mentén érkező sugárzási bemenetnek felel meg. A megfelelő be- és kimenetek azonos polarizációs tengelyek mentén vannak meghatározva.

Ebből következik, hogy az X kezdeti polarizációs iránnyal történő sugárzás bemenete esetén az Y merőleges polarizációs iránnyal kilépő fény terjedési irányonként eltérő fázisbehatolást, az X kezdeti polarizációs iránnyal kilépő fény pedig azonos fázisú lesz. betörések az egyes irányú eloszlásokhoz.

Ez része a Lorentz-féle reciprocitás-tétel értelmezése által támasztott követelménynek, amely azt feltételezi, hogy abban az esetben lineáris rendszer Az optikai utak pontosan kölcsönösek, ha egy adott bemeneti térbeli mód azonos a kimeneten.

A térbeli mód egyik paramétere a polarizáció; egy második paramétert is meg kell adni, például az üzemmód térbeli eloszlását (helyét). Következésképpen a FOG hurok végén egy polarizációs szűrőnek (a kezdeti polarizáció kiválasztásával) és egy térbeli szűrőnek is lennie kell, amely kielégíti a Lorentz-reciprocitás elvét.

Ezek szépek egyszerű eszközök a FOG tervezésben (feltéve, hogy kellő pontossággal megvalósíthatók) garantálja a kölcsönösségi feltételeket a rendszerben, de csak akkor, ha a linearitási feltétel teljesül. Ha a nemlinearitások jelentősek, akkor a FOG-nak reciprocitása lesz, ha pontos szimmetria van a szálas áramkör felezőpontjához képest. Ez a feltétel azt jelenti, hogy a hurok mindkét végébe bevitt energia azonos, és a szál tulajdonságai egyenletesen (vagy legalább szimmetrikusan) oszlanak el.

A szálba bevitt optikai sugárzás teljesítménye olyan kicsi (mindig 1...2 mW-nál kisebb), hogy úgy tűnik, a nemlinearitás elhanyagolható. Azonban a FOG érzékenysége a nem viszonosságra rendkívül magas, és a nemlineáris hatások (különösen a Kerr-effektus) észrevehető non-reciprocitáshoz vezetnek, amely egyenértékű 1 fok/óra feletti forgási sebességgel. Egy optikai szálban a lineárisan polarizált fény polarizációs síkja külső mágneses tér hatására forog (Faraday-effektus).

A Faraday-forgatás egy másik nem kölcsönös hatás. Lineárisan polarizált fény esetén a teljes forgás az optikai út mentén vett áram vonalintegráljától függ. A FOG esetében ez az integrál egyenlő a nullával a Föld mágneses terén. A szálban lévő fény és a szál mentén kialakuló mágneses tér kölcsönhatásának alaposabb vizsgálata azonban azt mutatja, hogy a forgás valódi forrása az indukált körkörös kettős törés, és hogy a fent említett egyszerű megközelítés csak akkor hasznos, ha mindkét cirkuláris polarizációs komponens (jobbkezes) és balkezesek) azonos amplitúdójúak. Ez csak a lineárisan polarizált fény esetében igaz.

Ahogy a fény terjed a szálon, minden lehetséges polarizációs állapot fellép, és a Faraday-forgató egyes belső körkörös polarizációs állapotaiban megmaradó fény százalékos aránya véletlenszerűen változik az optikai út mentén. Ez bizonyos fáziskülönbséget eredményez a lineárisan polarizált üzemmód két terjedési irányában a kimeneten.

Így a FOG nagyon érzékeny a Föld mágneses mezejére, és amikor a FOG-ot a forgási sebesség mérésére tervezik, akkor mágneses árnyékolásra (vagy a fény lineáris polarizációjának biztosítására a szálban a teljes út mentén) van szükség. Feltételezve, hogy a Föld mágneses tere 27 A*m 2, és ha a szálhossz 5%-ára nincs térkompenzáció, akkor a Föld forgási sebességével egyenértékű fáziseltérési értéket kaphatunk.

A fenti pontok tartalmazták a rostban kiváltott nem kölcsönös hatásokat; mindazonáltal a FOG tervezésének első lépései a regisztrációs rendszer kölcsönösségének megőrzése szempontjából az kell, hogy legyenek, hogy a FOG-ban azonos hosszúságú optikai útvonalakat biztosítsanak.

ábrából 1.3. Látható, hogy ez a konfiguráció nem rendelkezik a reciprocitás tulajdonságával, mivel az óramutató járásával megegyező irányba terjedő fénysugár kétszer halad át a fényosztón, az óramutató járásával ellentétes irányba terjedő fénysugár pedig kétszer verődik vissza a sugárosztóról. Ugyanakkor az érzékelő áramkörből a kölcsönös optikai kimeneti út a forrás felé (a sugárosztótól a diódáig) visszafelé halad, azaz a bemeneti optikai út mentén.

Ebből következően a reciprocitás a bemeneti optikai út mentén egy második sugárosztó elhelyezésével érhető el a regisztrációs rendszerben (1.5. ábra).

Az inerciális vezérlőrendszerek rendkívül érzékeny giroszkópjával mért forgási sebesség tartománya 0,1 fok/óra és 400 fok/óra között van. LR = 100 m-nél ezek a sebességértékek 10-10 rad közötti fázisváltozási tartománynak felelnek meg (1.4. ábra).

1.5. ábra. FOG áramkör állandó fáziskülönbség eltolással.

A mai napig jelentős erőfeszítéseket tettek a készülék alacsony sebességekre való érzékenységének növelésére, ugyanakkor nagyon kevés figyelmet fordítottak a szükséges dinamikatartomány növelésével kapcsolatos problémákra.

Mint már említettük, ha egy adott fázisváltozáshoz nagy intenzitásváltozást kell mérni, akkor /2 fáziseltolást kell bevezetni, azaz az interferométernek kvadratúra üzemmódban kell működnie. Ebben a módban az intenzitásváltozások és a fázisváltozások közötti kapcsolat csak 0,1 rad maximális fáziseltérésig lineáris (1%-ig). A nemlinearitás kompenzációja magában a rögzítőrendszerben is elvégezhető, de csak 1 rad nagyságrendű maximális fáziseltérésig.

A FOG tervezésénél számos fázisérzékelési módszer használható.

A legelterjedtebb sémák 90°-os statikus fáziskülönbséget használnak a két nyaláb között, illetve 90°-os változó fáziskülönbséget alkalmaznak.

Az óramutató járásával megegyezően és azzal ellentétes irányban terjedő nyalábok között statikus nem-reciprok fáziskülönbség hozható létre például a szálas áramkör egyik végén elhelyezett Faraday-elem segítségével (1.5. ábra). A kölcsönös kimeneten felvett intenzitás változásai megfelelnek a kontúr körül futó két sugár relatív fázisértékének változásainak.

A fáziseltolódás elvei alapján egy másik, nagyobb érzékenységű regisztrációs elv javasolható.

1.3. Zaj és instabilitás modellje FOG-ban.

A száloptikai giroszkóp meglehetősen összetett optikai-elektronikus rendszer. Valós eszköz tervezésénél az optikai elemeket és az elektronikai eszközöket úgy kell kiválasztani és elhelyezni, hogy a külső zavarok (hőmérséklet gradiensek, mechanikai és akusztikus rezgések, mágneses mezők stb.) hatása a lehető legkisebb legyen. Ezenkívül maga az eszköz számos belső zajforrást és instabilitást tartalmaz. Hagyományosan ezek a zajok és instabilitások gyors és lassú zavarokra oszthatók. A gyors zavarok véletlenszerű, rövid távú átlagolt hatással (másodpercekben) vannak a FOG érzékenységére; jól láthatóak nulla forgási sebességnél (rövid távú zaj). A lassú zavarok a jel lassú eltolódását okozzák, ami hosszú távú eltérésekhez vezet a FOG-leolvasásban (hosszú távú eltolódás).

A FOG zaj- és instabilitási forrásainak általánosított modellje látható az 1. ábrán. 1.6.

1.6. ábra. A zaj és instabilitások általánosított modellje a FOG-ban.

Ha kizárjuk az összes zajforrás és instabilitás befolyását a FOG-ban, ami természetesen csak elvileg lehetséges, akkor alapvetően eltávolíthatatlan zaj mindig marad - az úgynevezett kvantum- vagy fotonzaj; Lövészajnak is nevezik őket. Ezek a zajok csak hasznos optikai jel jelenlétében jelennek meg a fotodetektor bemenetén, és a fotonok fotodetektorhoz való érkezési sebességének véletlenszerű eloszlása okozza, ami a fotodetektor áramának véletlenszerű ingadozásaihoz vezet. Ebben az esetben a FOG érzékenységét (pontosságát) csak a lövés (foton) zaj korlátozza. A FOG lövészajjal (foton) meghatározott érzékenysége (pontossága), mint minden más optikai információ-mérő rendszer, az eszköz érzékenységének (pontosságának) alapvető határa. A fotonzaj a fénysugárzás kvantumtermészetének következménye. Az optikai információátviteli rendszerekre vonatkoztatva ezeknek a rendszereknek a fotonzaj miatti maximális zajtűrő képességét ben számítottuk ki.

A munkákat követően értékeljük a FOG alapvető érzékenységi (pontossági) határát.

A fotonzaj szintje a fotodetektorra eső optikai sugárzás intenzitásától függ, és az optikai sugárzás intenzitásának ingadozása határozza meg.

A felvételi zaj miatti érzékenységi határérték becslése számos tényező miatt változhat.

Az első a fotodetektor kvantumhatékonysága, amelynek csökkenése a jel-zaj arány csökkenéséhez vezet. Egy másik tényező az megfelelő módon a fotodetektoron fellépő súlyozott átlagos teljesítmény határozza meg a felvétel (foton) zajszintjét, és kisebb lehet, mint a maximális teljesítmény. Azonban nem mindig világos, hogyan kell elvégezni a mérlegelési eljárást. Körülbelül 2-szeres eltérés lehet a becsült és az elért felvételi zajhatár között.

Vannak más gyengébb eltérések is, amelyeket az észlelési folyamat jellemzői határoznak meg. A FOG rövid távú érzékenységét, amely megközelíti a meghatározott kvantumhatárt, feljegyezték a munkákban. Hasonló érzékenység érhető el, ha minden egyéb zajt óvatosan nagyon alacsony szintre csökkentünk. Például egy erősítő termikus zaja csökkenthető a fotodióda terhelési ellenállásának megfelelő megválasztásával; emellett alacsony zajszintű erősítő is használható; Mostanra 1 dB-nél kisebb zajszintet értek el. A FOG más típusú zajai és instabilitásai csökkenthetők vagy kompenzálhatók a fejezetben tárgyalt módszerekkel. 3.

Tekintsük a FOG zajának és instabilitásának általánosított modelljét. Röviden leírjuk a valódi köd főbb zavarait.

A FOG-rendszerek egyik fő zajforrása a Rayleigh-visszaszórás a szálban, és egyes rendszerekben a sugárzás rendszerbe juttatására használt diszkrét optikai elemek visszaverődése is. Fizikailag ezek a zajok megjelennek

a közvetlen nyalábból származó fénysugárzás mikrorészecskékre való szóródása és a terjedő közeg inhomogenitása miatt.

A visszaszóráshoz és a visszaverődéshez kapcsolódó zaj két összetevőből állhat: koherens és inkoherens. Az inkoherens komponens növeli a kaotikus fényteljesítmény általános szintjét a detektornál, és további lövészaj forrása. Az inkoherens komponens nem zavarja a mért forgási sebességhez tartozó jelet.

Kiszámították a lövészajhoz való járulékos hozzájárulás mértékét, és ennek értéke minden gyakorlati helyzetben nem haladta meg az 1 dB-t.

A koherens visszaszórási komponens és a reflexiós zaj vektoriálisan hozzáadódik az ellentétes irányban haladó sugarakhoz; ez a két nyaláb közötti fáziskülönbség hibáját eredményezi a zajjel fázisától függően. Például, amint a munkában megjegyeztük, az üveg-levegő határfelületről érkező Fresnel-visszaverődés intenzitása körülbelül 4%.

A legrosszabb körülmények között ez az alkatrész koherensen kombinálható a fősugárral, és több mint 10 -1 rad fázisváltozást produkál, ami körülbelül 10 fok/s forgási sebességnek felel meg. A koherens visszaverődésből adódó hiba kiküszöbölhető, ha a FOG-ban a szálas áramkör hosszánál jóval rövidebb koherenciahosszú sugárforrást alkalmazunk. Ezután a szál végén a visszaverődéshez kapcsolódó zaj inkoherensen összeadódik a hasznos jellel.

A Rayleigh koherens visszaszórásához kapcsolódó zaj hasonló módon csökkenthető, azaz a legrövidebb koherenciahosszú sugárforrás használatával. Azonban mindig van egy szálszakasz, amely megközelítőleg a hurok közepén helyezkedik el, amelynek hossza megegyezik a forrás koherenciahosszával, és ez a szálszakasz adja a koherens visszaszórási komponenst.

Ennek a zajnak a nagyságát egy egyszerű modell alapján becsülhetjük meg, amely feltételezi, hogy a szálban a veszteségek a szálmag apró szabálytalanságai miatti egyenletes szóródás miatt következnek be (Rayleigh-szórás). Ha egy szál vesztesége 10 dB/km, akkor méterenként a beeső energia 0,1%-a disszipálódik; a szál numerikus apertúrájának négyzetével megegyező szórt energia töredéke szóródik vissza. Így egy adott egy méter szálban a beeső energiából 10-5 nagyságrendű energia disszipálódik vissza a fényforrásba.

Ha a hurok közepét vesszük figyelembe, és ha a hurokban a teljes csillapítás 10 dB, akkor a hurok középső része (egy méter hosszú) egy milliórészes eltérést ad a teljesítményben (10 -6) a vett teljesítményt a fázis-összehasonlító eszközben, ami a fázisbecslésben 10 -3 rad hibát eredményez (ha a visszaszórás koherens). Ekkor az ekvivalens hiba a forgási sebesség becslésében körülbelül 150 fok/óra (lásd 1.5. ábra).

A forgási sebesség becsléséhez kapcsolódó effektív hiba arányos a forrássugárzás koherenciahosszának négyzetgyökével. Ezt figyelembe véve a munka azt mutatja, hogy a Föld napi forgásának detektálásához az effektív maximális koherenciahossz 0,1 mm; fordulatszám rögzítéséhez

0,1 fok/h, a koherencia hossza néhány mikrométer nagyságrendű.

Számos kutató véletlenszerű fázismodulátorokat használ a hurok közepére a visszaszórás zaj "dekoherálására" (dekorrelálására).

A FOG reciprocitási tulajdonsága megsérülhet a külső hőmérséklet változásának hatására. A szálas áramkörben idővel változó hőmérsékleti gradiensek a forgási sebesség bizonyos értékével egyenértékű jel megjelenéséhez vezetnek. A legrosszabb eset elemzése azt jelzi, hogy az áramkörben szigorú hőmérséklet-stabilizálásra van szükség, de a korlátozások nagymértékben megszüntethetők, ha a tekercs tekercselését szimmetrikussá tesszük.

A reciprocitás tulajdonságtól való eltérés csak a hőmérsékleti gradiens változása során fordul elő, és nem akkor, ha a teljes kör hőmérséklete egyenletesen változik. A két stabil hőmérséklet-eloszlás között fellépő hőmérsékleti gradiens hatása a hőmérséklet-változások során a szögsebesség leolvasásában hibát okoz.

A tekercs területe a hőmérséklet és a tekercs anyagának függvénye, amelyre a hurok fel van tekerve. Nagyon valószínű, hogy egy nagy pontosságú műszer hőmérséklet-stabilizálást igényel. A jelfeldolgozás során szükség lehet hőmérséklet-korrekciókra. Azt is meg kell jegyezni, hogy a szál és a tekercsorsó hőtágulási együtthatóinak jól illeszkedniük kell ahhoz, hogy minimálisra csökkentsük a hőmérséklet által kiváltott mikrohajlítási veszteségeket a szálban. Akkor fordulnak elő, amikor a szál mechanikai igénybevételnek van kitéve, és elérheti a 10 dB/km-t is.

A FOG-ban a zaj forrása, amely rontja a készülék érzékenységét, az optikai forrás (lézerdióda, LED vagy szuperlumineszcens dióda) sugárzásának ingadozása. Ez a zaj a mért kimeneti jel ingadozásaként nyilvánul meg. A FOG forrásból származó sugárzás intenzitásában és hullámhosszában is változhat. fényáram.

A sugárzás intenzitásának változásaihoz kapcsolódó zaj növeli a lövészaj általános szintjét; vagy a forrásra alkalmazott előfeszítő áram ingadozása, vagy magának a forrásnak a belső ingadozása okozhatja. A félvezető lézerforrásoknál az intenzitásváltozásokhoz kapcsolódó zaj egy vagy két decibellel növeli a felvételek teljes zajszintjét. A FOG tervezésekor természetesen ismerni kell az ilyen zaj spektrumát; Ismeretes, hogy a félvezető lézerek esetében ez a spektrum nagyon összetett.

Meg kell azonban jegyezni, hogy a FOG-ban használt számos detektálási sémában az optikai fázist interferometrikus eljárással alakítják intenzitássá. Az elektronikus eszköz kimenetén a fázissal egyenértékű optikai intenzitás értékek olvashatók le. Az optikai forrás sugárzási intenzitásának instabilitása (még akkor is, ha a sugárzás hullámhossza állandó marad) a fázisértékek instabilitásához vezet.

A heterodin rendszerek, valamint a nullára fázisfordítással rendelkező regisztrációs rendszerek ellenállnak az ilyen típusú instabilitásoknak. Ismeretes, hogy a félvezető források intenzitási instabilitást mutatnak az idő múlásával az öregedés miatt, de ez a hatás kompenzálható a teljes intenzitás mérésével a forrás hátuljáról, és ennek megfelelően állítják be az előfeszítő áramot. Nem világos, hogy ez az eljárás mennyire hatékony, mivel az előfeszítő áram változásai megfelelő változásokat okoznak a lézer hőmérsékletében, ami a kimeneti hullámhossz megfelelő változásához vezet, ezáltal befolyásolva a léptéktényezőt.

Mint már említettük, a FOG sugárforrás sugárzási hullámhosszának stabilitása közvetlenül befolyásolja az eszköz léptéktényezőjét. A termikusan stabilizált lézerek meglehetősen stabilak lehetnek, bár az emissziós hullámhossz változásait a szivattyú áramának elöregedése és a hűtőborda hőmérséklete miatt fel kell tüntetni a specifikációban, ha FOG-használatra szánják; ez lehetővé teszi a megfelelő jellemzőkkel rendelkező diódák kiválasztását.

Meg kell azonban jegyezni, hogy a FOG-forrás sugárzás hullámhosszának változásaihoz kapcsolódó zaj a legtöbb fázisérzékelő rendszerben elhanyagolható. Valójában a sugárzás inverz Rayleigh-féle frekvenciájú szórását díszítik. Ismeretesek például a FOG rendszerek, ahol a hélium-neon lézer sugárzásának frekvenciáját kifejezetten modulálják a visszaszórt sugárzás dekorrelációja érdekében.

Tekintsük most azt a zajt, amely a FOG-ban a sugárzás és a terjedési közeg közötti kölcsönhatás nemlineáris jellege miatt jelenik meg. A FOG-ban terjedő sugárzás nagyon alacsony szintje ellenére a nemlineáris hatások nagyon jelentősek lehetnek, természetesen tekintettel arra, hogy a FOG nagyon érzékeny az áramkör fázis-nem kölcsönösségére. A nemlineáris elektro-optikai hatást Kerr-effektusnak nevezzük, és a sugárzás intenzitása hatására közegben terjedő fényhullám fáziseltolódásának változásából áll (azaz a fázis a sugárzási amplitúdó négyzetétől függően változik). A FOG vizsgálatok során volt

Az óramutató járásával megegyező irányban haladó hullám terjedésének fázisállandója arányos az előremenő hullám intenzitásának és a visszafelé irányuló hullám intenzitásának kétszeresének összegével. Ugyanez igaz az óramutató járásával ellentétes irányban haladó hullámra is. Következésképpen a nemlinearitáshoz való hozzájárulást mind az óramutató járásával megegyezően, mind az óramutató járásával ellentétes irányban terjedő hullám határozza meg. Ha az ellenutazó hullámok intenzitása eltérő, és ennek oka lehet a nyalábosztók, csatolók stb. hőmérséklet-változása, akkor az ellenirányú hullámok fázisterjedési állandói különböző módon változnak. A FOG-áramkör fáziskülönbsége van, ami az eszköz megfelelő eltolódásához vezet.

A Kerr-effektus hatásának önkompenzálása megfelelő spektrális és statisztikai jellemzőkkel rendelkező FOG sugárforrás kiválasztásával is megvalósítható. Mint ismeretes, egy Gauss-féle zajmező-forrás, amelynek Gauss-amplitúdó-eloszlása van, Rayleigh-burkológörbe-eloszlása vagy exponenciális intenzitáseloszlása van.

Ha a FOG kialakítás mechanikailag tökéletlen, akkor az akusztikus mezők, mechanikai rezgések és gyorsulások komoly zajforrást jelenthetnek.

A FOG-zavarok statisztikai modelljének kiegészítéseként meg kell említeni legalább olyan zavarokat, mint a típuszaj (a fotodetektor alacsony frekvenciájú zaja), a lézersugárforrás spontán és stimulált zaja, multiplikatív, APD zaj, Brillouin-szórás (szórás fononokon). - akusztikus képződmények a közegben), Mi szóródás (a közegben nagy inhomogenitások általi szóródás). A gyakorlatban azonban ezeknek a zajoknak az intenzitása alacsony.

Így a FOG-ok zajforrásainak és instabilitásának általánosított modelljét vettük figyelembe. A FOG tervezési lehetőségétől függően bizonyos zajforrások és instabilitások kisebb-nagyobb szerepet játszhatnak. A fő források a Rayleigh-visszaszórás zaj, a nemlineáris elektro-optikai hatás, a hőmérsékleti gradiensek, a külső mágneses tér, valamint a sugárforrás intenzitásának és hullámhosszának instabilitása. Az alapvetően eltávolíthatatlan zaj a hasznos jel lövési (foton) zaja, amely a rögzítési rendszerben megjelenik, és meghatározza a FOG érzékenységének (pontosságának) alapvető határát.

A reciprocitási tulajdonság és a FOG zajának és instabilitásának általánosított modelljének elemzése lehetővé teszi számunkra, hogy megvizsgáljuk a FOG úgynevezett minimális konfigurációjának sémáját. Egy ilyen konfigurációnak tartalmaznia kell az elemek minimális készletét, amely lehetővé teszi egy kellően nagy érzékenységű működő eszköz létrehozását.

Mivel a FOG működésének főbb jellemzői szorosan összefüggenek a reciprocitás tulajdonsággal, és ezen túlmenően a reciprocitás kis eltérései is hibához vezethetnek a forgási sebesség leolvasásában és hosszú távú sodródási hatásokhoz, ezért a minimális FOG konfiguráció kiválasztását célszerű megválasztani. e kulcsfontosságú pont alapján - a kölcsönösségi tulajdonság. A minimális konfigurációs opció a ábrán látható. 1.7.

A forrásból származó sugárzást sugárzási beviteli eszközzel vezetik be a szálas fényvezetőbe (lehetséges lencse, merülő, végfelület és egyéb rendszerek). Az egymódusú szálba történő sugárzás hatásfoka a forrássugárzás térbeli koherenciájának mértékétől függ. Minél nagyobb a sugárzás térbeli koherenciája, annál kisebbek a veszteségek a sugárzás szálba juttatásakor.

Az itt bemutatott számítások és kísérletek azt mutatták, hogy az inverz Rayleigh-szórás és a Kerr-effektus hatásának csökkentése érdekében az emitternek rövid időkoherencia-hosszúságúnak kell lennie. A gyakorlatban fénykibocsátó diódákat (LED), lézerdiódákat (LD) és szuperlumineszcens diódákat (SLD) használnak emitterként. Az utóbbi két típusú kibocsátó meglehetősen magas fokú térbeli koherenciával rendelkezik; Az SD-nek van a legkisebb időbeli koherenciája.

Az üzemmódszűrő általában egymódusú szálból (térszűrő) és polarizátorból áll. Úgy látszik, egymódusú, polarizációt tartó szálból célszerű térszűrőt készíteni.

1.7. ábra. A FOG minimális konfigurációja.

A móduszszűrő alkalmazása elősegíti a Lorentz-reciprocitási tulajdonság alapvető feltételeinek teljesítését, ezáltal csökkenti a FOG sodródását. A stabil módú szűrő akkor lesz hatékony, ha a szálas áramkör bemenete és kimenete közötti közeget lineárisan és állandóan tartják az idő múlásával.

Az áramkör be- és kimenetén a sugárzás polarizációjának pontos szabályozása szükséges. A polarizátor minősége attól függ, hogy a polarizátor milyen mértékben utasítja el az ortogonális polarizációjú sugarakat. A legrosszabb esetben, amikor a polarizáció minden irányában azonos intenzitású emisszió történik, a nem kívánt jel a kívánt jellel négyzetfázisban van; Ebben az esetben a maximális fázishiba lép fel. Amint arról már beszámoltunk, egy 70 dB-es nem kívánt polarizációt elutasító polarizátor esetében a rögzítési rendszer fáziseltérése körülbelül 10-4 rad,

ami körülbelül 20 fok/óra giroszkóp-driftnek felel meg. A sodródás azonban egy-két nagyságrenddel csökkenthető még az említett polarizátor használatával is, ha a be- és kimeneten a sugárzás polarizációja 1°-os pontossággal egybeesik a polarizáció tengelyével. Így a FOG-ban a sugárzási polarizáció stabilitásának kérdése nagyon komoly jelentőséggel bír.

A ben tárgyalt kísérleti FOG-tervezés teljes egészében egymódusú, stabil polarizációjú szálon készült, és nagy érzékenységet mutatott. Hagyományos egymódusú szál használata esetén láthatóan lehetséges a stabil polarizáció fenntartása az áramkörben, de az utóbbit egy bizonyos sugarú tekercsre kell feltekerni, és bizonyos mechanikai igénybevétellel kell feltekerni, mivel a szál tekercselése maga a tény. a polarizációs tulajdonságok kiválasztásához és megőrzéséhez vezet a rendszerben.

A nem kívánt polarizáció visszautasítási fokának javítása érdekében két vagy több polarizátor is használható. Meg kell azonban említeni, hogy a FOG-ban a sugárzás teljes depolarizációja néha nagyon jó eredményeket ad.

A P 1 és P 2 csatolók között elhelyezkedő térbeli szűrőnek olyan térbeli karakterisztikával kell rendelkeznie, amely átfedésben van a szálas áramkör bemeneti és kimeneti üzemmódjával. Ezenkívül stabil térbeli kapcsolatot kell fenntartania a szálvégekkel; modális szerkezet a vonórúdban

nem az áramkör bemenetén és kimenetén azonosnak kell lennie.

Mivel a FOG jellemzően egymódusú szálat használ, a magasabb rendű módok térszűrővel történő csillapítása egyszerű.

Ha hagyományos egymódusú (a polarizációt nem megőrző) szálat használunk a FOG-ban, az áramkör belsejében egy PU polarizációs eszközt helyeznek el, amely emellett kiválasztja és szabályozza az áramkör polarizációját, ezáltal stabilizálja az üzemmód által kibocsátott üzemmód optikai teljesítményét. szűrő.

A FOG minimális konfigurációjának diagramján (1.7. ábra) láthatók az M modulátorok, amelyek szükség esetén az optikai giroszkóp különböző pontjain helyezhetők el. Ezek általában frekvencia- és fázismodulátorok, amelyek célja a Sagnac fázis átvitele változó frekvenciájú jelre, vagy ennek a fázisnak a frekvenciakompenzálása, hogy váltakozó jelen szögsebesség méréseket lehessen végezni. Ezenkívül a Rayleigh visszaszórás zaja modulációval csökkenthető.

A FOG tervezési gyakorlatában fotodetektorok (PD), p-i-n-fotodiódák és lavina fotodiódák (APD) használatosak fotodetektorként. A lézerforrás teljesítménye elég nagy ahhoz, hogy lehetővé tegye p-i-n fotodiódák használatát; az SLD-k használatakor azonban szükség lehet belső sokszorozó lavina fotodiódákra. Az utóbbi esetben egy további zajforrás jelenik meg - a lavina szorzási együtthatójának véletlenszerű ingadozásai.

A FOG elemek hatása a rendszer pontossági jellemzőire

2.1. A FOG sugárforrásainak jellemzői.

A száloptikai giroszkópok tervezésekor általában félvezető lézereket (LD lézerdiódákat), fénykibocsátó diódákat (LED-eket) és szuperlumineszcens diódákat (SLD) használnak emitterként. Számos kísérleti FOG-telepítésben azonban hélium-neon optikai kvantumgenerátorokat is használnak. Használatukat nyilvánvalóan az a hagyományos vélemény magyarázza, hogy az optikában a fázisviszonyok mérésénél a nagy koherens sugárforrásokat részesítik előnyben. Hélium-neon lézerek használatakor sugárzása frekvenciamodulációval „dekoherálható”, ami csökkenti az inverz koherens Rayleigh-szórás hatását, ami hibát okoz a forgási szögsebesség mérésénél. Sőt, a szintén hibát bevezető Kerr-effektus kompenzálására olyan szélessávú források is használhatók, amelyek spektrális tulajdonságaikban közel állnak a hőforrásokhoz.

Ezenkívül a FOG speciális kialakítása megköveteli További követelmények sugárforrásokhoz. Ezek a következők: a sugárzás hullámhosszának megfelelése a fényvezető névleges hullámhosszának, ahol a veszteségek minimálisak; az optikai szálba történő sugárzás kellően magas hatásfokának biztosítása; a sugárforrás folyamatos üzemmódban történő működtetésének képessége hűtés nélkül; elég magas szint emitter kimeneti teljesítménye; a tartósság, a jellemzők reprodukálhatósága, a szerkezeti merevség, valamint a minimális méretek, tömeg, energiafogyasztás és költség.

A félvezető emitterek - LD, SD és SLD - a leginkább megfelelnek ezeknek a feltételeknek. Nézzük meg az emitterek néhány jellemzőjét.

A félvezető befecskendező lézerek sugárforrásként való alkalmazásának lehetősége a FOG-okban elsősorban kis méretük és súlyuk, nagy hatásfokuk, egyenáramú szivattyúzásuk, szilárdtest-kialakításuk és alacsony költségük miatt vonzza a kutatókat és a tervezőket. Ezenkívül különféle szennyeződések bejuttatásával lehetőség nyílik a szükséges hullámhossz-tartomány lefedésére.

Jelenleg nagyon sokféle félvezető injekciós lézer vagy lézerdióda (LD) készült különböző anyagokon. Az LD sugárzás generálásának elve számos jelentős eltérést mutat a más típusú lézerek előállításának elvétől, ami elsősorban energiaszerkezetük sajátosságaiból adódik.

Tekintsük általánosságban az LD műszaki paramétereit, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy felmérjük bizonyos szerkezetek száloptikai giroszkópokban való felhasználásának lehetőségét, figyelembe véve a rájuk támasztott követelményeket.

Egy tiszta félvezetőben a következő energiasávokat különböztetjük meg: vegyérték, sávrés és vezetési sáv. Valódi félvezetőben számolni kell a szennyeződések jelenlétével. A szennyeződések további energiaszintek megjelenését okozzák. A donor szennyeződések szinteket hoznak létre a vezetési sáv közelében, és maguk a szennyező részecskék, amikor ionizálódnak, felesleges elektronokat adnak a gerjesztett zónához (vezetési sáv). Az akceptor szennyeződések szintje a vegyértéksáv közelében van. Ezek a szennyeződések befogják az elektronokat a vegyértéksávból, és több lyukat képeznek benne. A vezetési sávban lévő elektronok száma jelentősen meghaladja a vegyértéksávban lévő lyukak számát (ez jellemző az n-típusú félvezetőre, fordítva a p-típusú félvezetőre).

Különböző vezetőképességű félvezetők összekapcsolásakor a határfelületükön p-n átmenet jön létre.

Az elektronok lehetséges energiaállapotok közötti eloszlása félvezetőben az adalékanyag koncentrációjától és hőmérsékletétől függ. Ahhoz, hogy a félvezetőben stimulált sugárzás keletkezésének feltételeit megteremtsük, meg kell szakítani az egyensúlyi eloszlást az energiaszintek között, azaz újra kell osztani őket úgy, hogy a magasabb szinteken több elektron legyen, mint az alacsonyabbakon. A félvezető anyagokban különféle elektronátmenetek lehetségesek, például sávból sávba, sávból szennyeződésbe és szennyeződési szintek közötti átmenetek. Elektronátvitel a

magasabb energiaszinttel együtt jár a kívülről jövő energia felvétele. Amikor alacsonyabb szintre lépünk, energia szabadul fel. Ebben az esetben a felszabaduló energia formában sugárzik ki elektromágneses rezgések, vagy a kristályrács fűtésére költik.

A sávról sávra való átmenet esetén az energiaszintek populációinverziója történik, ha a vezetési sávban az elektronok száma nagyobb, mint a vegyértéksávban. A populáció inverziója a félvezető anyagokban csak az elektronok és lyukak nem egyensúlyi koncentrációjának létrehozásával valósítható meg.

A populációinverzió létrehozásának fő módja a félvezetőkben a nem egyensúlyi áramhordozók befecskendezése a p-n átmeneten keresztül. Az ilyen befecskendezés úgy valósul meg, hogy a pn átmeneten pozitív irányban elektromos előfeszítést alkalmazunk. Ekkor a félvezető interfész potenciálja csökken és átmegy

átmenet során a p-régióból származó lyukak és az n-régió elektronjainak többségi hordozóinak árama folyni kezd. A p-n csomópont közelében egy fordított populációjú zóna jelenik meg. Amikor az elektronok a vezetési sávból a vegyértéksávba kerülnek, indukált sugárzás lép fel, azaz az indukált átmenet folyamatát elektronok és lyukak sugárzási rekombinációja kíséri a p-n átmenetben. A sugárzási rekombináció során többletenergia szabadul fel fénykvantum formájában.

A lézeres fénygenerálás hatása félvezető szerkezetekben csak a fénysugárzásra adott pozitív visszacsatolás jelenlétében lehetséges; ebben az esetben a nyereségnek kompenzálnia kell az optikai veszteségeket. A pozitív visszacsatolást egy Fabry-Perot optikai rezonátor biztosítja, amelyet a p-n átmenet síkjára merőleges, tükröződő sík-párhuzamos kristályfelületek alkotnak. A fényvisszaverő felületek a kristály két ellentétes oldalának polírozásával vagy krisztallográfiai síkok mentén történő hasítással jönnek létre. Ezeknek a felületeknek a reflexiós tényezője körülbelül 0,3. A lézeres lézerezéshez azonban még a hatóanyag kis hossza (tizedmilliméter) esetén is elegendő egy ilyen visszaverődési együttható az aktív közeg nagy erősítése miatt.

Jelenleg a stimulált generálás hatását számos félvezető anyagon tapasztalták; A 0,33 és 31 µm közötti lézerezési tartomány szinte lefedett.

A befecskendező félvezető lézer egyik korai terve GaAs anyag felhasználásával készült. A lézerdiódában a fenéklemez tellúrral adalékolt GaA-ból áll, és n-típusú vezetőképességgel rendelkezik. A felső lemez cinkkel adalékolt GaAs-ból áll, és p-típusú vezetőképességgel rendelkezik. Minden lemeznek van egy érintkezője az áramforráshoz való csatlakoztatáshoz. A p-n átmenet geometriai méretei századmilliméterek, a sugárzás keletkezési tartományának vastagsága 0,15...0,2 mikron. A polírozott végélek rezonátort képeznek. Egy ilyen típusú emitter impulzus üzemmódban működik kellően mély hűtéssel (77 K).

Az egyszerű p-n átmenettel rendelkező GaAs lézereknél az áramsűrűségek küszöbértéke szobahőmérsékleten > 10 5 A/cm 2 . Ebben az üzemmódban a félvezető lézer annyira felmelegszik, hogy jó hűtőborda nélkül a hosszú távú működés lehetetlen. Ezért hűtés nélkül az ilyen GaAs lézerek csak impulzus üzemmódban működnek. Az emitter hosszú távú működése szobahőmérsékleten (ami fontos a FOG-nál) csak úgy lehetséges, ha a küszöbáram-sűrűséget körülbelül 10 3 A/cm 2 -re csökkentjük.

Az alacsony küszöbáram-sűrűség követelményeit és a szobahőmérsékleten történő hosszú távú működés lehetőségét a kettős AIGaAs/GaAs heterostruktúrán alapuló félvezető lézerek teljesítik. Számos előnnyel is rendelkeznek, amelyek különösen fontosak a FOG tervezésénél.

A kettős heterojunkciós struktúrákon alapuló lézereknél az aktív rekombinációs régió vastagsága lecsökken, biztosítva a hordozók és a sugárzás bezárását a p-n átmenet közelében lévő szűk tartományba. Ez lehetővé teszi a hatékonyság növelését és adott sugárzási mintázatú lézerek létrehozását. Az indukált lézerezési módban kettős heterostruktúrában az alaphullám csillapítása nagyon kicsi, mivel a szerkezet dielektromos hullámvezetőt alkot.

A FOG konstrukciója során kettős heterostruktúrákon csíkkontaktus geometriájú félvezető lézereket használnak emitterként, amely szálas fényvezetőhöz kapcsolódik. Az ilyen kialakításokban a lézersugárzás kis területről távozik, ami jó feltételeket biztosít a sugárzásnak az alacsony numerikus apertúrájú szálakba való bejuttatásához. Az aktív tartomány kis mérete miatt a lézer alacsony küszöbértékkel és megfelelő kimeneti teljesítménnyel üzemelő árammal rendelkezik, amely biztosítja a hosszú távú folyamatos működést szobahőmérsékleten. Egy kis aktív

területen könnyebben lehet hibátlan területet kapni, ami a lézer hatékonyságának növelése szempontjából fontos.

A 0,8 - 0,9 μm tartományban lézerező kettős heterostruktúrájú félvezető lézerek jellemző paraméterei a következők: lézervonal szélesség 0,2 - 5 nm, kibocsátó tartomány méretei 0,5...30 μm 2, sugárzás átlagos szögdivergencia 5... 30° (a síkban, párhuzamosan a p-n átmenettel) és 30...60° (a p-n átmenetre merőleges síkban), kimenő teljesítmény 1...10 mW, küszöbáram 20... 200 mA, átlagos tartósság 10 5 óra.

A kvarc optikai szálak gyártási technológiájának jelenlegi állása lehetővé tette olyan szálak létrehozását, amelyek minimális veszteséggel és diszperzióval rendelkeznek az 1,1 ... 1,7 μm hullámhossz-tartományban. Ezt a tartományt FOG fejlesztők számára is ajánljuk. Ezek az igények ösztönözték a félvezető lézerek kifejlesztését erre a hullámhossz-tartományra. A félvezető anyag hármas és kvaterner vegyületekből állt. A GalnAsP/lnP heterostruktúrán alapuló félvezető lézereket készítettek, amelyek 1,3 és 1,6 μm hullámhosszon bocsátanak ki. Beszámoltak olyan AIGaAsSb/GaAsSb vegyületeken alapuló heterostruktúrájú lézerek létrehozásáról, amelyek 1,3 μm és 1,5...1,6 μm hullámhosszon generálnak.

Ezen túlmenően ezeknek a lézereknek a kialakítása és paraméterei hasonlóak az AIGaAs lézerekhez.

A fénykibocsátó diódák (LED) inkoherens sugárzást generálnak, mivel a sugárzási rekombináció bennük tisztán spontán. A sugárzási rekombinációs emissziós vonal spektrális eloszlása legalább egy nagyságrenddel szélesebb, mint a lézerdiódák emissziós vonala. Széleskörű A LED-sugárzás nagyon kedvező a FOG számára, mivel a rövid koherencia-hossz miatt lehetővé teszi a Kerr-effektus és az inverz Rayleigh-szórás hatásának kompenzálását.

A LED-ek bemeneti együtthatója az alacsony numerikus apertúrájú fényvezetőkbe lényegesen alacsonyabb, mint a lézerdiódáké. A LED-ek azonban egyszerűbb kialakításúak, és kisebb a sugárzási teljesítmény hőmérsékletfüggése. Így különösen a kettős heterocsatlakozású LED kimeneti teljesítménye csak a felére csökken, amikor a dióda hőmérséklete szobahőmérsékletről 100 °C-ra emelkedik.

A LED gerjesztését hordozók befecskendezése biztosítja a p-n átmeneten keresztül. A hagyományos félvezető lézerekhez hasonlóan az egyszerű LED egy p-n átmenetet tartalmaz egy közvetlen rés félvezetőben; a beinjektált elektronoknak csak egy része sugárzik újra. A többi elvész a nem sugárzó rekombinációk során.

A LED-ek rekombinációja és optikai vesztesége csökkenthető, ha a készülék heterojunkciókkal vagy akár kettős heterostruktúrákon készül.

Dupla heterojunction LED, kifejezetten szálas fényvezetőhöz való csatlakoztatáshoz. A rekombinációs régió a hidegcső közelében található, és a GaAs szubsztrátumba egy lyukat martak, amelybe a fényvezetőt beillesztik. A LED-eket egyrészt a csomópontot felülről korlátozó felületen keresztüli sugárzással (sík LED-ek), másrészt a p-n átmenet síkjával párhuzamos irányú energiakibocsátással (végre szerelt LED-ek) tervezték. Ebben az esetben a kimenő teljesítmény több milliwatt, körülbelül 10 3 A/cm áramsűrűség mellett. Így egy AlGaAs szerkezet alapján készült, 100 μm széles szalagérintkezővel 2 10 3 szivattyú áramsűrűség mellett 3 mW sugárzási teljesítménye van 0,8 μm hullámhosszon; Egy maratott gödrös, lencse alakú felületű LED sugárzási teljesítménye 6 mW 3400 A/cm áramsűrűség mellett.

A LED-ek még nagy befecskendezési áramsűrűség mellett is (10 A/cm felett) nagyon megbízhatónak bizonyulnak; átlagos tartósságuk eléri a 10 5 ...10 6 órát.

A szuperlumineszcens diódákat széles körben használják. Amint megjegyeztük, a hagyományos LED-ekben a sugárzási rekombináció spontán fénykibocsátást eredményez. Ez a spontán emisszió utólagos sugárzási átmeneteket okoz, és felerősíti magát (mivel az elektronok és a lyukak koncentrációja nincs egyensúlyban). Ez a javulás kicsi, mivel a sugárzás keresztirányban egy vékony rekombinációs tartományon halad át. A lézerhatás eléréséhez ezt a sugárzást az aktív réteg mentén kell irányítani és a végsíkokról visszaverődni. Ebben a konfigurációban azonban a spontán emisszió növekedése figyelhető meg a gerjesztési küszöb alatt és a nem tükröződő végsíkoknál. Az így felerősített és irányított emissziót szuperlumineszcenciának nevezzük. A felfüggesztő lumineszcens diódák (SLD-k) ezen a hatáson alapulnak. Ebben az esetben az aktív közeget optikai hullámvezető formájában alakítják ki, amely egyik végén erősen visszaverő tükörrel van lezárva, a másik végén pedig visszaverődés nélkül bocsát ki fényt a térbe vagy a fényvezetőbe. Az erős szuperlumineszcenciához nagy erősítés szükséges az aktív közegben, amit a félvezetőkben a nagy teljesítménysűrűség biztosít. A szuperlumineszcens diódákat kettős csíkgeometriás heterostruktúra alapján tervezték. Az érintkezőlécek az egyik oldalon elérik a végfronti felületet, míg a másik oldalon nem érik el a félvezető szélét. Ezen az oldalon bomlik le a szuperlumineszcencia, mivel az elektronok nem injektálódnak ebbe a tartományba. A szuperlumineszcencia az elülső oldalról jön létre, míg az emissziós diagram nyitását a csík szélessége és hossza határozza meg.

Az SLD-k csíkgeometriájú kettős heterostruktúrájának megalkotásakor az aktív GaAs p-régió 0,3...0,5 µm vastagságú, az érintkezőcsík pedig 12...15 µm széles. Akár 1,5 mm-es szalaghosszúság és 10 4 A/cm áramsűrűség mellett a sugárzási teljesítmény impulzus üzemmódban eléri az 50 mW-ot, 0,008 μm lézervonalszélesség mellett.

Zajjellemzők száloptikai áramkör

Az optikai giroszkópiában háromféle szálat használnak az érzékeny áramkör tekercselésére: többmódusú, egymódusú és egymódusú, stabil polarizációval. A körvonal kerületének hosszát két premisszió alapján határozzuk meg. Egyrészt az áramkör hosszának növelése növeli a rendszer egészének pontosságát, mivel a nem-reciprok fáziseltolódás nagysága arányos a szál hosszával, másrészt hosszabb áramkör esetén a rendszer működését nagyobb mértékben befolyásolják a szál csillapítási és szabálytalansági paraméterei. Olyan rendszerek, amelyekre nagy az érzékenység alacsony sebességek Az elforgatások az optimális kontúrhossz kiválasztását jelentik, figyelembe véve a rendszer pontossági jellemzőit befolyásoló összes lehetséges tényezőt. Általában 200 és 1500 m közötti szálhosszúságot használnak.

A tekercs átmérőjét a szálban a kanyarokban bekövetkező veszteségek minimalizálásának kritériuma alapján választják ki, és figyelembe veszik az eszköz teljes méreteit. Tipikus érték 6-40 cm.

A működési frekvencián terjedő hullámok (módusok) számától függően egy- és többmódusú szálak használhatók.

A keresztmetszeti törésmutató-profil fontos a fényvezető jellemzői szempontjából. Az inhomogén szálak azon képességét kihasználva, hogy a dielektromos állandó változásának törvényétől függően széles tartományban változtatják jellemzőiket a keresztmetszetben, minden egyes alkalmazásnál lehetőség van arra, hogy olyan szálat válasszunk ki, amelynek jellemzői a legjobban megfelelnek az oldatnak. a problémáról.

A fényvezető fontos jellemzője az NA numerikus apertúra, amely a sugarak maximális beesési szögének szinusza a fényvezető végén, amelynél a fényvezetőben a sugár a magburkolat határát egy kritikus szög. Az NA értéktől függ a szálba történő LED sugárzás hatásfoka, a mikrohajlítási veszteségek, az impulzusszórás és a terjedési módok száma.

A száloptikai giroszkópia gyakorlatában fontos, hogy a különféle szerkezetű szálak becsült jellemzői legyenek, összetett számítások igénybevétele nélkül, hogy olyan általános hibamodellt mutassunk be, amely jelentősen csökkentheti a rendszer pontossági jellemzőit. Kapjunk közelítő összefüggéseket a különböző tulajdonságú szálak veszteségeinek statisztikai jellemzőire és az azokat meghatározó szerkezetre. Mivel a többmódusú szálak olyan diszperziós jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek nagymértékben korlátozzák az eszközök pontosságát, a hullámterjedés általános elméletének részeként az egymódusú szálakra fogunk összpontosítani.

A FOG fotodetektor kiválasztásakor biztosítani kell a maximális integrált érzékenységet, a minimális ekvivalens zajteljesítményt és a minimális sötétáramot a kívánt spektrális tartományban.

A fotodetektor frekvenciamenete és sebessége kevésbé jelentős szerepet játszik, mivel a FOG által mért szögsebesség változásának maximális frekvenciája mindig a PD áteresztősávon belülre illeszkedik, függetlenül a segédmoduláció alkalmazásától.

A félvezető fotodiódákat jó spektrális és integrál érzékenység jellemzi. Nagy a kvantumhatékonyságuk és alacsony a tehetetlenségük; paramétereik időben stabilak.

A félvezető dióda működési elve a fotovoltaikus effektuson alapul, ami abból áll, hogy ha egy nem egyenletes félvezetőt fénnyel sugározunk be, akkor fotoáram (vagy foto-EMF) jelenik meg. A nagy érzékenységű fotodiódákat és a belső áramerősítésű lavina fotodiódákat p-n átmenetek, p-i-n szerkezetek vagy fém-félvezető átmenetek alapján tervezték.

Valamennyi szerkezetben az átmeneti tartományon belül és a félvezető nagy részében kialakuló fotogerjesztett elektronok és lyukak a csomópont felé diffundálnak, fotoáramot képezve. Ahhoz, hogy a p-n átmenet mindkét oldalán szabad elektron-lyuk pár jöjjön létre, szükséges, hogy az elnyelt foton energiája nagyobb legyen, mint a sávköz. Az elektron-lyuk párok kialakulása és diffúziója egy potenciál megjelenésével jár az átmeneti keresztmetszetben. Az átmenet elektromos mezőjének hatására az elektron az n-régió irányába, a lyuk pedig a p-régió irányába mozog.

Így váltak szét a párok. Az elektrontöbblet az n-régióban és a lyukak a p-régióban az n-régió negatív, a p-régió pedig pozitív töltését okozza. Az érzékelő nyitott végein EMF jelenik meg; ellenállás csatlakoztatása a végekhez, érzékelt áramot eredményez.

A fotodiódák akár áramforrás nélkül, akár egyenáramú forrással sorba kapcsolhatók, több volttól 100 V-ig terjedő feszültséggel. A második esetben az érzékelő érzékenysége jelentősen megnő. A fotodiódák zajtulajdonságainak elemzésekor (vagyis ha meg kell találni a jel-zaj arányt, vagy meg kell határozni a FOG érzékenységét, csak a fotodetektor korlátozza), általában háromféle zajt kell figyelembe venni. áramlatok:

1) fényáram észlelésekor fellépő zajáram (lövészaj); 2) zajáram, amelyet az elektronok véletlenszerű termikus mozgása okoz a terhelési ellenállásban és az azt követő elektronikus áramkörökben; 3) magának a fotodiódának a zajárama, amelynek fő összetevője a sötét áramnak köszönhető.

Ha az ellenállás effektív hőmérsékletének változtatásával csökkentjük a terhelési ellenállás termikus zaját, és az alapvetően eltávolíthatatlan lövészajt kicsinek tekintjük, akkor a fotodióda küszöbérzékenységét a sötétáram határozza meg. Ebből a szempontból a maximális küszöbérzékenység eléréséhez minimális sötét árammal rendelkező fotodiódát kell választani. A sötétáram nagysága a fotodióda anyagának tulajdonságaitól, hőmérsékletétől, területétől függ R-n- átmenet, tervezési jellemzők stb.

A fotodiódákban R- én - n- az átmenet a belső vezetőképesség meglehetősen széles tartományát eredményezi ( én - régió) egy ellentétes vezetőképességű félvezető két tartománya között helyezkedik el; V én- a régió erős egyenletes elektromos térrel oszlik el, ami segít növelni a fotodióda érzékenységét.

Germánium és szilícium érzékenysége R- ban ben- fotodiódák 0,5... 0,6 A/W, a sötétáram mélyhűtéssel (77 K) 10 -11 A-re növelhető.

Nemrég kifejlesztett R-ban ben- InGaAs/InP alapú fotodiódák, amelyek egy térhatású tranzisztoros (FET) erősítővel együtt integrált áramkört alkotnak; ilyen R-ban ben- A FET vevő 1,3...1,5 µm hullámhossz tartományban működik, nagy kvantumhatékonysága 0,65...0,7, kis kapacitása 0,15 RF, ami meghatározza a nagy teljesítményt. A fotodióda egy kvarcblokkba van szerelve, amelyen egy 50 μm magátmérőjű szálas LED bevezetésére szolgáló kis lyuk található, és a szálból érkező optikai jelet a fotodióda teljesen elfogja. A kvarcblokk egy vastagfilmes hibrid előerősítő áramkörre van felszerelve. Az áramkör fényvezető betáplálása le van zárva. Az előerősítő tartalmaz egy tranzisztort (GaAs MESFET), 10 MΩ-os előfeszítési ellenállást, két szilícium bipoláris tranzisztort körülbelül 7 GHz-es vágási frekvenciával és egy hibrid áramkörben gyártott vastag filmellenállást. Egy ilyen moduláris érzékenysége p - i - n -F A vevő ET értéke -53 dBm; Érdekes megjegyezni, hogy amikor a környezeti hőmérséklet 20-ról 60" C-ra változik, az érzékenység csak 1 dB-lel változik.

Az lavina fotodióda (APD) a fénysokszorozó cső szilárdtest analógja. Az ütési ionizáció mechanizmusát alkalmazza a fordított torzítású átmenet erős tértartományában. Az áramszaporodás a fotoionizáció eredményeként létrejövő elektron-lyuk párok ütközése miatt következik be a félvezető kristályrácsának atomjaival. Ez a hatás lavinakörülmények között erős torzítási mező hatására nagyszámú elektron-lyuk párt generál. Ennek eredményeként az áramerősség jelentősen megnő még ultramagas frekvenciákon is. A lavinaáram-erősítés mérsékelt fényáram-szintek és magas lavinaszorzó tényezők esetén a vevő eszköz érzékenységét a jel-kvantumzaj arány határozza meg. Alacsony lumenszint és alacsony lavinaszorzó tényező esetén a jel-zaj arányt és az érzékenységi küszöböt a termikus zaj korlátozza.

A lavina fotodiódákat nagyobb sötétáram jellemzi, mint a fotodiódákat, és ezért kisebb az érzékenység, még akkor is, ha elég nagy áramerősítést alkalmaznak ahhoz, hogy alacsony szintek jel a hőzaj leküzdésére. Ezenkívül a szorzási folyamat túlzott zajt okoz. A lavina fotodiódának azonban nagyobb a kvantumhatásfoka. A szilícium vagy germánium lavina fotodiódák használata jelentősen növelheti a szélessávú vevőkészülékek általános érzékenységét. A vevőrendszer lavina fotodiódájának kiválasztásakor a kvantumhatékonyságon és a sávszélességen kívül figyelembe kell venni a csak egy lavina fotodiódára jellemző specifikus tényezőket is, mint például az áramerősítést és a kapcsolódó korlátokat, valamint a túlzott zajt. A lavina fotodiódák gyártási technológiája összetett. Ez annak köszönhető, hogy biztosítani kell a vivőszorzás térbeli egyenletességét a dióda fényérzékeny területén, és minimalizálni kell a szivárgást a csomópont szélei mentén. A szivárgás csökkentése érdekében védőgyűrűket használnak. Jellemzően a vivőszorzás térbeli egyenetlensége miatti nyereség felár 20 és 50% között mozog 1000-es átlagos nyereség mellett.

A lavina fotodiódában az erősítés abban a módban a legnagyobb, amikor a dióda előfeszítése megközelíti a letörési feszültséget. Az áttörési feszültségnél nagyobb feszültségeknél önfenntartó lavinaáram folyik, amely egyre kevésbé függ a fényáram hatására megjelenő hordozók koncentrációjától. Üzemmódban a lavina fotodiódák maximális erősítését vagy az áramáramlás okozta telítési hatások, vagy az erősítés és a sávszélesség szorzata korlátozzák. A vivőszorzás telítési hatását az okozza, hogy a hordozók elhagyják azt a tartományt, ahol a szorzás történik, csökkenti az elektromos mezőt a csomóponton belül, és feszültségesést hoz létre a soros ellenálláson és a dióda terhelésén. A sávszélesség korlátozását a másodlagos elektronok és (ionizációval létrejött) lyukak mozgása magyarázza a többszörözési tartomány mentén ellentétes irányban, valamivel azután, hogy az elsődleges hordozók elhagyták a csomópontot. A lavina fotodiódákban a túlzott zajt a vivő sokszorosítási folyamatának ingadozása okozza.

A legegyszerűbb lavina fotodiódák a védőgyűrűvel és 40-200 µm átmérőjű fényérzékeny területtel rendelkező szilíciumdiódák; a működési hullámtartomány körülbelül 0,4-0,8 mikron. Germánium lavina P + - A p-diódák működési hullámtartománya 0,5-1,5 mikron. Az áramerősítés és a sávszélesség szorzata szilícium és germánium lavina fotodiódák esetén 100, illetve 60 GHz. Ezért 100 és 60 áramerõsítés mellett szilícium vagy germánium lavinafotodióda alkalmazása a vevõrendszerben 1 GHz-es sávszélességet biztosít.

Jelenleg intenzív fejlesztés folyik a GaAs, InAs és InSb alapú lavina fotodiódákon, amelyek nagy nyereséggel és elhanyagolható többletzajjal rendelkeznek.

A GaAlAsSb vegyület alapján 1...1,4 µm hullámhossz tartományra hoztak létre APD-ket, amelyek paramétereikben jobbak, mint a germánium APD-k. 1...1,7 µm hullámhosszhoz InGaAsP típusú vegyületeket használnak; Az APD jellemzőiben jelentős javulás várható, ha InGaAsP/InP alapú heterostruktúrákat használunk. Emellett folytatódik a munka az integrált áramkörök létrehozásán, amelyek egy APD és egy térhatású tranzisztoron alapuló bemeneti erősítő kombinációjából állnak (az úgynevezett FET-AFD), amelyek javíthatják a fotodetektor minőségét.

2 .4. Közvetlen dinamikus hatások elemzése (hőmérséklet gradiensek és mechanikai feszültségek)

A környezeti hőmérséklet véletlenszerű átmeneti változásai és a szál mechanikai igénybevételei a szál optikai terjedési állandóinak és geometriai paramétereinek változásához vezetnek. Ez a fáziskülönbség megjelenéséhez vezet a FOG áramkörben, ami „fáziskülönbség zajt” eredményez.
fotodetektoron (a reciprocitás tulajdonság csak időben invariáns lineáris rendszerekre vonatkozik).

A „fáziskülönbség” zaj modellezéséhez feltételezzük, hogy az optikai áramkör egy tetszőleges pontján egy lokális egyetlen fáziszajforrás található (2.5. ábra).

2.5. ábra. Optikai áramkör helyi fáziszaj forrással.

A külső mágneses tér hatása a FOG pontossági jellemzőire.

Sok olyan anyag létezik, amelyek optikai paraméterei a külső mágneses tér erősségétől függenek. A közeg törésmutatója az egyik ilyen paraméter. A törésmutató változása a közegben terjedő sugárzás polarizációs síkjának elfordulásával függ össze. A közegben terjedő fénysugár polarizációs síkjának elfordulása mágneses tér hatására a Faraday-effektusnak köszönhető. Néha a Faraday-effektust mesterséges optikai tevékenységnek nevezik, amely mágneses tér hatására egy közegben fordul elő.

Az optikai aktivitás egy anyag azon képessége, hogy elforgatja egy lineárisan polarizált fénysugár polarizációs vektorát. Ha a forgási képesség oka bármilyen külső hatás(például mágneses tér), akkor az ilyen típusú tevékenység mesterséges. Az optikailag aktív anyagban az optikai sugárzás két hullámra bomlik, körkörösen polarizálva - a jobb és a bal körökben. Ezeknek a hullámoknak a polarizációs vektorai ellentétes irányban forognak, és a törésmutatóik eltérőek.

Egy lineárisan polarizált fénysugarat ábrázolhatunk két cirkulárisan polarizált hullám szuperpozíciójaként, amelyek a polarizációs vektor egymással ellentétes forgásával és egyenlő oszcillációs amplitúdókkal rendelkeznek. Tekintsük egy lineárisan polarizált hullám terjedését Faraday-effektust mutató közegben. A mágneses térben elhelyezett közegben egy hullám terjedésének elemzéséhez képzeljük el a hullámot két ellentétes irányú forgási irányú és eltérő terjedési sebességű körben polarizált hullám összegeként:

Alkalmazás giroszkópok
Absztrakt >> Fizika
... optikai hullámvezető. A hossz növelésére optikai módokon és az érzékenység növelésében giroszkóp optikai a szál tekercselt. BAN BEN rost-optikai giroszkóp... probléma Fig. 4. ROST-OPTIKAI GIROSZKÓP. A lézersugarak terjednek...
Biaxiális jelzőstabilizátor televíziós kamerákhoz VO-n (2)
Absztrakt >>
Speed (DUS), amelynek szerepét a rost-optikai giroszkóp(FOG), melynek kimenőjele... a FOG működése, ellentétben a mechanikussal giroszkópok, nagy a túlérzékenysége...
A lézersugárzás és alkalmazásai
Teszt >> Ipar, gyártás
Távolságmérők és sebességmérők, kvantum giroszkópok, holografikus eszközök. Feltalálás becsülete és... . Ez volt a kvantum kapcsolási rajza giroszkóp. 1948-ban D. Gábor, ... a lézersugarat kezdték használni rost-optikai vonalak. Az ilyen sorok alapja...

Küldje el a jó munkát a tudásbázis egyszerű. Használja az alábbi űrlapot

Diákok, végzős hallgatók, fiatal tudósok, akik a tudásbázist tanulmányaikban és munkájukban használják, nagyon hálásak lesznek Önnek.

Bevezetés

1. A száloptikai giroszkópia alapelvei

1.1 A FOG fő jellemzői

1.2 A kölcsönösség elve és a fázisregisztráció a FOG-ban

1.3 Zaj és instabilitások modellje FOG-ban

2. A FOG elemek hatása a rendszer pontossági jellemzőire

2.1 Sugárforrások jellemzői

2.2 Az optikai áramkör zajjellemzői

2.3 Fotodetektorok zajjellemzői

2.4 Közvetlen dinamikus hatások elemzése (hőmérséklet gradiensek és mechanikai feszültségek)

2.5 A külső mágneses tér hatása a FOG pontossági jellemzőire

3. Hibakompenzációs módszerek

3.2 Túlzott zaj kompenzálása 3x3-as csatolóval ellátott optikai giroszkópban

3.3 Visszaszórás kompenzáció

3.4 A Kerr-effektus FOG pontosságára gyakorolt hatásának kompenzálása

4. Kutatómunka költségbecslésének számítása

4.1 Feltételezések

4.2 A munkaintenzitás és a munkavégzés naptári időszakainak meghatározása

4.3 Kiadások költségtételenkénti számítása és költségbecslés készítése

4.4 Számítási következtetések

5. Életbiztonság és munkavédelem

5.1 A munkahelyek szervezése

5.2 Hőmérséklet, páratartalom, nyomás

5.3 Világítási követelmények

5.4 A zaj- és rezgésszintekre vonatkozó követelmények

5.5 A statikus elektromosság és sugárzás elleni védelem követelményei

5.6 A videoterminál eszközzel szemben támasztott követelmények

5.7 Elektromos biztonság

5.7 Tűzbiztonság

5.9 A védekezés tervezett módjai

6. Ökológia és környezetvédelem

A disszertáció egy száloptikai giroszkóp hibáinak elemzésére irányul, és kísérletet tesz arra, hogy következetesen mérlegelje a FOG megalkotásának alapelveit az elemek pontossági jellemzőire gyakorolt hatásának minimalizálása alapján. A cikk megvizsgálja a száloptikai giroszkópia alapelveit, és ismerteti a FOG fő elemeinek jellemzőit. különféle típusokés módszereket javasolnak a különféle tényezők által okozott hibák kompenzálására.

Valódi, rendkívül érzékeny FOG létrehozásának lehetősége csak az egymódusú, alacsony csillapítású dielektromos fényvezető ipari fejlesztésével jelent meg. Az ilyen szálakon lévő FOG kialakítása meghatározza az eszköz egyedi tulajdonságait:

potenciálisan nagy érzékenység (0,01 fok/sec vagy kevesebb);

a szerkezet kis méretei és súlya a FOG integrált optikai áramkörökön történő létrehozásának lehetőségének köszönhetően;

alacsony gyártási költség és viszonylagos technológiai egyszerűség a rotációs giroszkópokhoz képest;

alacsony energiafogyasztás;

a mért szögsebességek nagy dinamikus tartománya;

forgó mechanikus elemek (rotorok) és csapágyak hiánya, ami növeli a megbízhatóságot;

szinte azonnali készenlét a munkára (nincs idő a forgórész felpörgetése);

alacsony érzékenység a lineáris gyorsulásra;

nagy zajvédelem;

A FOG működési elve az 1913-ban felfedezett Sagnac örvényeffektuson alapul. Ha egy zárt optikai áramkörben két fénysugár ellentétes irányban terjed, akkor álló áramkörnél a teljes áramkörön áthaladó mindkét sugár fáziseltolódása azonos lesz. Amikor a kontúr a kontúr síkjára merőleges tengely körül forog, a sugarak fáziseltolódásai egyenlőtlenek, és a sugarak fáziskülönbsége arányos a kontúr forgási szögsebességével. A Sagnac örvényhatás magyarázatára három elméletet dolgoztak ki: kinematikus, Doppler és relativisztikus. A dolgozat az első kettőt vizsgálja.

A kinematikai elmélet keretein belül egy tetszőleges alakú lapos zárt optikai áramkört vizsgálunk, amelyben két fényhullám ellentétes irányban terjed. A kontúr síkja merőleges a forgástengelyre. Ha egy fénysugár útszakaszát végtelenül kicsinek vesszük, és egy pont lineáris sebességét a sugárvektoron keresztül fejezzük ki, akkor azt az időtartamot kapjuk, amely alatt két ellentétes sugár áthalad a körvonal egy szakaszán.

Ha a kontúr egy bizonyos szögsebességgel forog, a két hullám metszetének látszólagos hossza eltérőnek bizonyul. A fénysebességet invariáns mennyiségnek tekintve az utak meghosszabbodását és lerövidülését az időintervallumok meghosszabbodásához és rövidüléséhez társítjuk, és megkapjuk a relatív késleltetés kifejezését, amely az ellenszaporodó hullámok fáziskülönbségén keresztül fejezhető ki. Az áramkör teljes hosszára kiterjedő összegzés határozza meg a végső fáziskülönbséget.

Egy ideális gyűrűs optikai áramkör figyelembevétele két tükörrendszerrel lehetővé teszi, hogy ugyanazt az eredményt kapjuk az ellenszaporodó sugarak terjedési idejének különbségére.

Az adó által kibocsátott és a vevő által vett rezgések frekvenciájának változásának jelensége, amelyet az adó és a vevő kölcsönös egymáshoz viszonyított mozgása során figyeltünk meg, lehetővé teszi, hogy a Sagnac-effektust a Doppler-elmélet keretein belül vegyük figyelembe.

A relatív fáziseltolódást ebben az esetben a Doppler-eltolódáson átesett hullámok frekvenciáinak különbsége határozza meg, és az áramkör forgási szögsebességén keresztül is kifejeződik.

A figyelembe vett hatás alapján elkészíthető a legegyszerűbb FOG sematikus diagramja. A forrásból származó sugárzás a nyalábosztóba jut, ahol két egyenlő részre oszlik, amelyek egy többfordulatú tekercsből álló zárt áramkörön áthaladva a szálak a fotodetektorba kerülnek. A kivont Sagnac fázist a feldolgozó berendezés szögsebessé alakítja, és szükség esetén integrálja a rendszer elfordulási szögének meghatározására.

A sugárzás intenzitása a fotodetektornál arányos az ellenterjesztő hullámok fáziskülönbségének koszinuszával, ami meghatározza a készülék kis szögsebességekre való alacsony érzékenységét.

Az informatív paraméter kis változásaira való érzékenység maximalizálása érdekében egy egyszerű fázismodulátort kell elhelyezni a szálas áramkörben, amely nem reciprok /2 fáziseltolódást biztosít két ellentétes irányú sugár között. Ekkor az intenzitás a fotodetektornál kis szögsebességek mellett szinte lineárisan változik.

Mivel a műszer leolvasását teljes mértékben az ellenterjesztő hullámok fáziskülönbsége határozza meg, minden FOG hiba a terjedésük feltételeinek nem kölcsönösségével függ össze.

Az ellenterjesztő hullámok terjedésének feltételeit befolyásoló fő tényezők:

a sugárforrás intenzitásának és frekvenciájának ingadozásai;

a sugárosztó jellemzőinek megváltoztatása;

a különböző irányokba mozgó sugarak visszaszórása;

elektro-optikai hatások a szálban;

magneto-optikai effektusok a szálban;

termikus gradiensek;

polarizációs hatások;

a kimeneti út terhelőelemeinek hőzajja;

fotodetektor lövészaj.

A munka felmérte a FOG érzékenységi (pontossági) határát, amelyet a fotonzaj szintje és a fotodetektorra eső optikai sugárzás intenzitása határoz meg. A lövészaj okozta hibára kapott elméleti kifejezések arra engednek következtetni, hogy növelni kell az áramkör hosszát és csökkenteni kell a végfokozat aluláteresztő szűrőjének sávszélességét. (menetrend)

Az erősen koherens lézerforrások használata csökkenti a lövészajt, de a szálban lévő koherens Rayleigh-visszaszórás komponens hibát okoz a két nyaláb közötti fáziskülönbségben. Ennek alapján célszerű olyan forrást használni, amelynek koherenciahossza sokkal rövidebb, mint a szálas áramkör hossza. Ebben az esetben a szál végén a visszaverődéshez kapcsolódó zaj inkoherensen hozzáadódik a kívánt jelhez.

A kiegészítő jelmoduláció lehetővé teszi a visszaszórási zaj „dekoherálását”.

A második fejezet a FOG elemek befolyását tárgyalja a rendszer pontossági jellemzőire.

A sugárforrások jellemzőinek elemzése arra enged következtetni, hogy előnyösebb szuperlumineszcens diódák alkalmazása, amelyek alacsony koherensek és lehetővé teszik a Kerr-effektus és a visszaszórás hatásának kompenzálását. Emellett kisebb a hőmérsékletfüggésük, egyszerűbb a felépítésük és nagyon megbízhatóak.

Nagy figyelmet fordítanak a szálas áramkör jellemzőire, mivel ez az áramkör a fő hibaforrás a FOG-ban. A szálban előforduló veszteségek mennyiségi értékeinek figyelembevétele nem elegendő a FOG pontosságának elemzéséhez. Érdekes az áramköri paraméterek statisztikai jellemzőinek értékelése. A munka a különböző törésmutató-profilú szálak diszperziós tulajdonságait vizsgálja, és kvalitatív értékelést ad a profildiszperzió korrelációs tulajdonságoktól való függésére a szál különböző típusú inhomogenitásai esetén. (grafikonok)

Az így létrejövő összefüggések lehetővé teszik mind a beillesztési veszteségek, mind a nem viszonosság természetének közvetett meghatározását a szál különböző szakaszaira az ismert inhomogenitási paraméterek segítségével.

A FOG jellemzőire a legnagyobb hatást a mag sugarának változása és a szál véletlenszerű hajlításai okozhatják, ami a profildiszperzió növekedéséhez és az impulzus kiszélesedéséhez vezet.

A FOG egyik fontos zajforrása a fotodetektor is. A háttérvilágítás, a sötétáram felvételi zaja, a belső fotoelektromos kvantumzaj, a túlzott belső erősítési zaj, az erősítő termikus zaja és az átalakító modulációs zaja közvetlen hatással vannak a FOG pontosságára.

A fotodetektor ekvivalens zajteljesítményének minőségi értékelése a rendszer sávszélességének különböző értékeire lehetővé teszi, hogy arra a következtetésre juthassunk, hogy olyan lavina fotodiódákat kell használni, amelyek minimális zajszinttel rendelkeznek, és jelentősen növelhetik a jel-zaj arányt alacsony jelszintek.

A közvetlen dinamikus hatások elemzése lehetővé tette a Sagnac-fázis termikusan indukált non-reciprocitásának minőségi értékelését az áramkör hosszának különböző értékei esetén, és arra a következtetésre jutott, hogy az eszköz nagy termikus stabilizálására van szükség.

A polarizációs stabilitás szükségessége a mágneses térnek az oszcillációk fáziskülönbségére gyakorolt hatásából adódik. (menetrend)

A stabil polarizációjú szálak használata csökkenti a polarizáló eszközökkel szemben támasztott követelményeket, és biztosítja az eszköz nagy pontosságát.

A hibák kompenzálására két áramköri módszert javasolunk, és megvizsgálunk néhány FOG-elem használatának lehetőségeit. Az eszköz érzékenységének növekedését kvalitatív módon értékelték.

A FOG-ok pontosságának javításának egyik módja lehet szuperfluoreszcens sugárforrások alkalmazása bennük. Az ilyen források tulajdonságai hasonlóak a termikus forrásokhoz, de magas szintű többletzaj jellemzi őket. A kiegyensúlyozott érzékelés a túlzott zaj elnyomására használható. Referenciajelként használja a forrássugárzást, amelyet késleltet, ameddig a fény áthalad a FOG optikai útján.

Az informatív és referenciajelek közötti koherens kölcsönhatás biztosítása érdekében csatolóként egy 3x3-as iránycsatoló használható. A forrásból érkező sugárzás iránycsatolón keresztül jut az érzékeny áramkör bemeneteire, majd a fotodetektorokhoz, amelyek kimenetei egy differenciálerősítőhöz vannak kötve. Az ellenhullámok mindegyike informatív (jel), és egyben referenciahullám is a másik hullám számára. A differenciálerősítő kimenetén a háttérvilágítás okozta többletzaj kompenzálva van.

A rostok fő veszteségi mechanizmusa a Rayleigh-visszaszórás. Mindegyik primer hullám, amely ellentétesen terjed a szálak áramkörében, kis léptékű inhomogenitásokat gerjeszt a szálban, amelyek viszont indukált dipól emitterként működnek. A fényvezető felfogja a szórt sugárzás egy részét, és az ellenkező irányba tereli. Az egyes elemi szórók hozzájárulásait vektoriálisan összegzik a véletlen fázissal, és minden irányban alkotják a teljes szórt mezőt. Az áramkör kimenetén a Sagnac fázistól eltérő fáziseltolásos komponens jelenik meg, ami hibához vezet a sebességmérésben.

Az inverz Rayleigh-szórás okozta FOG hiba minimalizálására szolgáló módszerek az elsődleges és a szekunder (szórt) hullámok közötti kölcsönös koherencia csökkenésével hozhatók összefüggésbe. Az elsődleges jel frekvenciamodulációja, miközben csökkenti a koherenciát, nem vezet be további nem-reciprocitást az áramkörbe. A lézerfrekvencia változása a fázis randomizáció forrása is lehet. A koherencia csökkentése az elsődleges hullám további fázismodulációjával is elérhető.

A hiba csökkenthető az átlagoló módszerrel a feldolgozó rendszer folyamatos integrációja során.

Az optikai nemlineáris Kerr-effektus a közeg törésmutatójának perturbációjában nyilvánul meg, amikor a közegre ható elektromos tér intenzitása megváltozik. Ha az ellentétes irányban terjedő optikai sugarak teljesítménye nem azonos, és ezért a terjedési állandók sem azonosak, akkor ez az áramkör fázis-nem-reciprocitásához vezet, és ennek eredményeként a szögsebesség mérésének hibájához vezet. .

Ezt a hatást a sugárforrás négyszögletes modulációjával vagy megfelelő spektrális jellemzőkkel rendelkező forrás kiválasztásával lehet kompenzálni.

Bevezetés

A száloptikai giroszkóp (FOG) egy optikai-elektronikai eszköz, amelynek létrehozása csak a kvantumelektronika elemi bázisának fejlesztésével és továbbfejlesztésével vált lehetségessé. A készülék méri annak a tárgynak a szögsebességét és elfordulási szögeit, amelyre fel van szerelve. A FOG működési elve a vortex (forgó) Sagnac effektuson alapul.

az eszköz potenciálisan nagy érzékenysége (pontossága), amely már 0,1 fok/óra vagy kevesebb a kísérleti prototípusokon;

kis méretek és súly. Tervek, köszönhetően annak a lehetőségnek, hogy a FOG teljesen integrált optikai áramkörökön létrehozható;

alacsony gyártási és tervezési költség a tömeggyártáshoz és a technológia viszonylagos egyszerűsége;

elhanyagolható energiafogyasztás, ami nem kis jelentőségű a FOG fedélzeti használatakor;

a mért szögsebességek nagy dinamikus tartománya (különösen például egy eszköz képes mérni a forgási sebességet 1 fok/h és 300 fok/s között);

a forgó mechanikai elemek (rotorok) és csapágyak hiánya, ami növeli a megbízhatóságot és csökkenti az előállítási költségeket;

szinte azonnali készenlét a munkára, mivel nem telik el az idő a rotor felpörgetésével;

érzéketlenség a nagy lineáris gyorsulásokra, és ezért a teljesítmény nagy mechanikai túlterhelések esetén;

nagy zajállóság, alacsony érzékenység az erős külső elektromágneses hatásokra a szál dielektromos természete miatt;

alacsony érzékenység a behatoló gamma-neutronsugárzásra, különösen az 1,3 mikronos tartományban.

A száloptikai giroszkóp a hordozótesthez mereven rögzített forgásérzékeny elemként (érzékelőként) használható inerciális vezérlő és stabilizáló rendszerekben. A mechanikus giroszkópok úgynevezett giromechanikai hibákkal rendelkeznek, amelyek különösen szembetűnőek a hordozó (repülőgép, rakéta, űrhajó) manőverezése során. Ezek a hibák még jelentősebbek, ha az inerciális vezérlőrendszert mereven rögzített vagy közvetlenül a viselő testére "akasztott" érzékelőkkel tervezték. A tehetetlenségi vezérlőrendszerben giromechanikai hibák nélkül működő, alacsony költségű optikai forgásérzékelő alkalmazásának kilátásba helyezése a másik oka az optikai giroszkóp iránti különös érdeklődésnek.

2. A Sagnac-effektus, amelyen az eszköz működési elve alapul, több nagyságrenddel erősebben jelentkezik az optikai szál alacsony vesztesége és a hosszú szálhossz miatt.

4. A FOG a forgási sebességet méri, míg a KLG a sebességnövekedést rögzíti.

5. A FOG konfiguráció lehetővé teszi a forgásirány megfordításának „érzését”.

A FOG ezen tulajdonságai, amelyek lehetővé teszik egyszerű, nagy pontosságú szerkezetek létrehozását teljes egészében olcsó, tömör integrált optikai áramkörökön a tömeggyártásban, nagy figyelmet keltenek a vezérlőrendszerek fejlesztőiben. Számos külföldi cég szerint az egyedülálló technikai lehetőségeknek köszönhetően a FOG-okat intenzíven fejlesztik majd.

Külföldi szerzők azt állítják, hogy a FOG-terv kidolgozása és a gyártási mintákhoz való eljuttatása nem könnyű feladat. A FOG fejlesztése során a tudósok és mérnökök számos nehézséggel szembesülnek. Az első a FOG elemek gyártási technológiájával kapcsolatos. Jelenleg még kevés jó egymódusú szál van, amely megőrzi a polarizációs irányt; A nyalábosztók, polarizátorok, fázis- és frekvenciamodulátorok, térszűrők és integrált optikai áramkörök gyártása a fejlesztés kezdeti szakaszában van. A kifejezetten FOG-hoz tervezett emitterek és fotodetektorok száma korlátozott.

A FOG-ok létrehozásának elméletében és gyakorlatában a kulcskérdések rendszerezése és általánosítása szintén fontos lépés.

A dolgozat célja a zaj és instabilitás általánosított modellje, a FOG működésének elemzése, valamint az eszköz maximális (potenciális) érzékenységének felmérése. A kölcsönösségi tulajdonság alapján figyelembe kell venni a FOG minimális konfigurációját. Ezután értékelje az elembázis aktuális állapotát. Ugyanakkor fordítson jelentős figyelmet az optikai szálak tulajdonságaira, és elemezze a lehetséges inhomogenitásokat és veszteségeket a különböző típusú szálak esetében. Tekintsük a FOG fő elemeit: szálas áramkör, emitterek és fotodetektorok, és javasoljon módokat a FOG zajának és instabilitásának kompenzálására (például inverz Rayleigh-szórás, optikai nemlineáris hatás, hőmérsékleti gradiensek, mágneses tér stb.).

A FOG-ok zajszintjének és instabilitásának csökkentésére különféle áramköri tervezési módszereket is figyelembe kell venni.

1. A száloptikai giroszkópia alapelvei

1.1 A FOG fő jellemzői

1.1. ábra. A Sagnac örvényhatás kinematikai diagramja.

ábrán. Az 1.1. ábra egy tetszőleges alakú lapos zárt optikai áramkört mutat be, amelyben két 1. és 2. fényhullám ellentétes irányban terjed (1.1. ábra). A kontúr síkja merőleges egy tetszőleges O ponton átmenő forgástengelyre. Jelöljük a kontúr forgási szögsebességét. Vegyük az AB fénysugár útszakaszát végtelenül kicsinek, hosszát pedig jelöljük l-el. Jelöljük az A körvonal egy tetszőleges pontjának sugárvektorát r-ként. Jelöljük az AB " ív szakaszát. Amikor a kontúr O pont körül szögsebességgel forog, az A pont lineáris sebessége egyenlő. Tekintettel arra, hogy az AB" B háromszög kicsi:

ahol az A pont lineáris sebességvektora és az A pont kontúrjának AM érintője közötti szög.

A kontúrpontok lineáris sebességének vetítése ezeken a pontokon a fénysebesség-vektor irányába

Ha az áramkör álló helyzetben van, akkor az AB=l körszakasz két ellentétes sugárral történő áthaladásához szükséges idő azonos; jelöljük dt.

dt = l / c =. (1.3)

Ha a kontúr szögsebességgel forog, az A és B pontok közötti látszólagos távolság az ellentétesen futó sugarak esetében megváltozik. Az A pontból B pontba haladó hullámra, azaz. a körvonal forgási irányával egybeeső irányban a távolság megnő, mivel dt idő alatt a B pont szöget fog elmozdulni, a C pontba kerülve.

A fénysugár útjának ez a meghosszabbítása egyenlő lesz dt-vel, mivel a sugár minden pillanatban a körvonal érintője mentén irányul, és a lineáris sebesség vetülete ugyanazon az érintő mentén irányul. Így a sugár által bejárt útszakasz egyenlő l + dt-vel. Hasonlóan érvelve, egy ellentétesen haladó fénysugár esetében az l - dt útszakasz látszólagos lerövidülése lesz.

Ha a fénysebességet invariáns mennyiségnek tekintjük, a szembejövő sugarak útjainak látszólagos meghosszabbodását és lerövidülését egyenértékűen tekinthetjük az időintervallumok meghosszabbodásának és lerövidülésének, azaz.

Ha behelyettesítjük az (1.2)-(1.3) kifejezéseket a és dt helyére, megkapjuk

Az 1.1. kellene

ahol s a szektor területe.

Másodrendű infinitezimálisig az AOB területe helyettesíthető s-vel. Akkor

Az ellenszaporító sugarak teljes terjedési ideje a teljes körvonal mentén

ahol az összegzés azon elemi szektorok számán történik, amelyekre a teljes áramkör fel van osztva.

Így az óramutató járásával megegyező irányban futó sugár által eltöltött teljes idő, miközben a teljes forgókörön áthalad, nagyobb, mint az óramutató járásával ellentétes irányú sugár által eltöltött teljes idő.

Az ellenterjesztő hullámok időkülönbsége és/vagy relatív késleltetése

ahol S a teljes kontúr területe.

Ha a forgás során fellépő ellenterjesztő hullámok relatív késleltetését (1.8) az ellenterjesztő hullámok fáziskülönbségén keresztül fejezzük ki, akkor ez

A fáziskülönbség a Sagnac fázis. Amint látható, a Sagnac fázis arányos az áramkör forgási szögsebességével.

A Sagnac-örvényhatás kinematikai elmélete még könnyebben megmagyarázható, ha egy ideális gyűrű alakú optikai körvonalat figyelembe veszünk (1.2. ábra).

1.2. ábra. Sagnac-effektus gyűrűs optikai áramkörben.

Egy fénysugár érkezik az A pontba, és tükrök segítségével két sugárra oszlik, amelyek közül az egyik az óramutató járásával megegyező, a másik az óramutató járásával ellentétes irányban terjed. Ugyanezen tükrök segítségével az áramkörben való terjedés után a sugarakat egyesítik és egy út mentén irányítják. Álló kontúr esetén a sugarak útjai azonosak és egyenlőek

ahol c a fény sebessége, az az idő, amely alatt a sugár meghaladja a körvonal kerületét.

Mindkét sugár fázison kívül érkezik az A pontba. Ha az áramkör állandó szögsebességgel forog, akkor az óramutató járásával megegyező irányban terjedő sugár megteszi a távolságot

Ennek az az oka, hogy a nyaláb zárt kontúron való áthaladása során a korábban az A pontban lévő osztó a B pontba kerül. Az óramutató járásával ellentétes irányba terjedő sugár esetén az út

Amint látjuk, az ellentétes irányú sugarak terjedési útja eltérő. Mivel a c fénysebesség állandó érték, ez egyenértékű a zárt forgókör ellentétes irányába terjedő sugarak különböző áthaladási idejeivel, és.

Terjedési idő különbség

Az elsőrendű közelítésben írhatjuk

Ez egybeesik a fent kapott (1.8) kifejezéssel, ha figyelembe vesszük - a kontúr területét.

A Sagnac-effektus a Doppler-frekvenciaeltolódás koncepciójával magyarázható. A Doppler-effektus az adó által kibocsátott és a vevő által vett rezgések frekvenciájának változásának jelensége, amely az adó és a vevő egymáshoz viszonyított mozgása során figyelhető meg. Ebben az esetben a vett oszcilláció frekvenciája

ahol f a kibocsátott rezgés frekvenciája, V az adó mozgási sebessége, és a „+” vagy „-” jelek az adó közelségét vagy távolságát jelzik a megfigyelőhöz képest.

Doppler frekvenciaeltolás

arányos az emitter mozgási sebességével.

Tekintsünk egy szögsebességgel forgó sugarú gyűrűs optikai áramkört (1.3. ábra). Az áramkörben lévő mozgó emitter analógja a visszaverő tükör, amely lineáris sebességgel mozog. Amikor az áramkör forog, az ellentétesen terjedő sugarak eltérő hullámhosszúak a Doppler-eltolódás miatt, amely akkor halmozódik fel, amikor a hullám egy gyorsan mozgó tükörről verődik vissza.

Az optikai áramkör mindkét karjában felhalmozott fázis kiszámításakor a forgó rendszer egészét kell figyelembe venni. Ekkor mindkét optikai út egyenlő, de a hullámhosszak a Doppler-eltolódásban különböznek. Ezután a relatív fáziseltolódás

Határozzuk meg az értéket. Doppler-eltolódáson átesett sugárzás hullámhossza:

A kapott kifejezést behelyettesítve a relatív fáziseltolódás képletébe, megkapjuk

Sagnac fázis

amely teljesen egybeesik az (1.9) kifejezéssel, amelyet a sugár forgó kontúron való áthaladásának időbeli különbségének kiszámításával kapunk.

Így két egyenértékű megközelítést vizsgáltunk a Sagnac-effektus magyarázatára. Az első értelmezésben a hatás az ellentétesen terjedő sugarak terjedési idejének különbségében nyilvánul meg egy forgó körben; a másodikban - mint a sugarak hullámhosszának különbsége egy azonos optikai hosszúságú áramkör két karjában.

A fáziskülönbség elektronikus eszközzel történő mérésével információt kaphat az alap (tárgy) forgási szögsebességéről, amelyre az áramkört rögzítik. A mért jel integrálásával megkapjuk az alap (tárgy) elfordulási szögét. Ezt az információt azután az objektumok vezérlésére és stabilizálására használják.

A zárt optikai áramkör kialakításától függően kétféle optikai giroszkóp különböztethető meg. Az első típus az úgynevezett gyűrűlézer giroszkóp (RLG), amelyben az áramkört egy aktív közeg (hélium és neon gázok keveréke) és a megfelelő tükrök alkotják, amelyek zárt utat képeznek (gyűrűlézer). A második típus a száloptikai giroszkóp (FOG), amelyben egy zárt áramkört egy többfordulatú optikai szál tekercs alkot. Sematikus ábrája A FOG látható az ábrán. 1.3.

1.3. ábra. Száloptikai giroszkóp sematikus diagramja.

Ha a FOG kontúrt egy L hosszúságú optikai szál szál alkotja, amely egy R sugarú hengerre van feltekerve, akkor a Sagnac fázis

ahol R a kontúrfordulat sugara; N - fordulatok száma; S az áramkör fordulatának területe.

ábra szerint. 1.3., a forrássugárzást egy sugárosztóba tápláljuk és két nyalábra osztjuk. Két, az áramkört ellentétes irányban körbefutó nyaláb a sugárosztónál rekombinálódik és keveredik a fotodetektorban. Az így létrejövő oszcilláció a formába írható

hol vannak a rezgés amplitúdói; - sugárzási frekvencia; ; ; - az oszcilláció kezdeti fázisa; - Sagnac fázis.

Sugárzás intenzitása a fotodetektornál

A lézerdióda kimenetén a sugárzás intenzitását kijelölve, feltételezve, hogy a szálas áramkörben nincs veszteség, és feltételezve, hogy a sugárosztó pontosan egyenlően osztja el az energiát, a következőt kapjuk:

Ekkor az (1.21) kifejezés a következő alakot veszi fel:

A kifejezés elemzése lehetővé teszi számunkra, hogy következtetést vonjunk le az eszköz alacsony érzékenységére ebben a konfigurációban az alacsony szögsebességekre:

Az informatív paraméter (Sagnac-fázis) kis változásaira való érzékenység maximalizálása érdekében egy egyszerű fázismodulátort kell elhelyezni a szálas áramkörben, amely „nem-reciprok” fáziseltolódást /2 biztosít két ellentétes irányú sugár között. Ekkor az intenzitás a fotodetektornál kis szögsebességek mellett szinte lineárisan változik:

és a FOG érzékenysége a maximális érték 0.5.

Az alábbiakban a „nem kölcsönös” fáziseltolódás bevezetésének különféle módjait tárgyaljuk.

Az 1.3. ábrán látható konfigurációban a fotodetektor kimenő árama megismétli a bemenő sugárzás intenzitásának (teljesítményének) változásait, azaz:

ahol a fotodetektor kvantumhatékonysága; q - elektrontöltés; h - Planck-állandó; f az optikai sugárzás frekvenciája.

Ha elhanyagoljuk a kimeneti áram állandó összetevőjét, akkor a fotodetektor kimenetén kapjuk a jelet

Nem-reciprok fáziseltolódás /2 bevezetésekor és kis értékek esetén a kimeneti áram:

Így a kimeneti áramértékek arányosak a Sagnac fázissal, ami viszont arányos az áramkör forgási szögsebességével.

1.2 A kölcsönösség elve és a fázisregisztráció a FOG-ban

A tipikus kísérleti giroszkóp-kialakítások R = 100 mm-es tekercset használnak, L = 500 m szálhosszúsággal, 1 fok/h forgási sebesség észleléséhez 10-5 rad nagyságrendű felbontású fázisdetektálás szükséges. Ez az ábrán látható. 1.4., amely a fáziseltolódás értékeit mutatja az áramkör forgási szögsebességének függvényében és az LR értékét = 0,63 μm-nél.

1.4. ábra. Sagnac fázis a forgási szögsebességben az LR paraméter különböző értékeihez.

A kölcsönösség tulajdonsága a FOG második fontos pontja. A FOG-ban a fázis-nem kölcsönösséget az ellentétesen terjedő sugarak differenciális fáziskülönbsége határozza meg. Bármely fáziskülönbség (fáziskülönbség) két irányban változást eredményez a giroszkóp leolvasásában. Ha a kölcsönösség hiánya az idő függvénye, akkor van némi időeltolódás a giroszkóp leolvasásában. Egy 500 m hosszú szál 1010 rad nagyságrendű fáziskésést ad. Így a 0,05 fok/h forgási sebesség regisztrálásához szükséges, hogy az ellentétes irányú sugarak terjedési útja 10-17 rad relatív pontossággal összhangban legyen.

A kölcsönösség elvét jól szemlélteti a reciprok rendszerekre vonatkozó híres Lorentz-tétel. Ha két elektród mágneses hullámát vektorokkal jellemezzük, és ahol az elektromos térerősség vektora, és a mágneses térerősség vektora, akkor a reciprocitás elve teljesül azokra a rendszerekre, amelyekben

hol vannak az antiszimmetrikus mágneses és dielektromos tenzorok

az anyagi környezet áteresztőképessége, ill.

A nem kölcsönösség feltétele, hogy a fenti összefüggés ne legyen egyenlő nullával. A nem kölcsönösséget mutató közegek közé tartoznak a mágneses-girotróp anyagok (ferromágnesek): elektromosan girotróp közegek (diamágnesek) mágneses tér hatására; átlátszó dielektrikumok; olyan közegek, amelyek transzlációs mozgást hajtanak végre bármely olyan koordinátarendszerhez képest, amelyben az elektromágneses tér meghatározott; forgó közegek; csatornázó rendszerek, például hullámvezetők és optikai szálak. Ez utóbbi esetek különösen érdekesek, mivel amikor a FOG forog, megjelenik a fázis-nem kölcsönösség, ami a Sagnac fáziskülönbséget adja.

Amikor a közeg forog, a nem viszonossági feltétel alakja van

A véletlenszerű ingadozások kiküszöböléséhez szükség lehet a FOG kimeneti jel hosszú távú felhalmozására (integrálására) a hasznos komponens izolálása érdekében (amint azt a rendkívül érzékeny FOG-ok néhány kísérleti telepítése mutatja, az integrációs idő eléri a perceket, sőt a tíz perceket is).

Ez része annak a követelménynek, amelyet a Lorentz-féle reciprocitási tétel értelmezése támaszt, amely azt feltételezi, hogy egy lineáris rendszer esetén az optikai utak pontosan reciprok, ha egy adott bemeneti térbeli módus megegyezik a kimeneten.

Ezek a meglehetősen egyszerű eszközök a FOG kialakításban (feltéve, hogy kellő pontossággal megvalósíthatók) garantálják a kölcsönösségi feltételeket a rendszerben, de csak akkor, ha a linearitási feltétel teljesül. Ha a nemlinearitások jelentősek, akkor a FOG-nak reciprocitása lesz, ha pontos szimmetria van a szálas áramkör felezőpontjához képest. Ez a feltétel azt jelenti, hogy a hurok mindkét végébe bevitt energia azonos, és a szál tulajdonságai egyenletesen (vagy legalább szimmetrikusan) oszlanak el.

A szálba bevitt optikai sugárzás ereje olyan alacsony (mindig kevesebb, mint 1,2 mW), hogy úgy tűnik, a nemlinearitás elhanyagolható. Azonban a FOG érzékenysége a nem viszonosságra rendkívül magas, és a nemlineáris hatások (különösen a Kerr-effektus) észrevehető non-reciprocitáshoz vezetnek, amely egyenértékű 1 fok/óra feletti forgási sebességgel. Egy optikai szálban a lineárisan polarizált fény polarizációs síkja külső mágneses tér hatására forog (Faraday-effektus).

Így a FOG nagyon érzékeny a Föld mágneses mezejére, és amikor a FOG-ot a forgási sebesség mérésére tervezik, akkor mágneses árnyékolásra (vagy a fény lineáris polarizációjának biztosítására a szálban a teljes út mentén) van szükség. Feltételezve, hogy a Föld mágneses tere 27, és ha a szálhossz 5%-ánál nincs térkompenzáció, akkor a Föld forgási sebességével egyenértékű fáziseltérési értéket kaphatunk.

ábrán. 1.3. Látható, hogy ez a konfiguráció nem rendelkezik a reciprocitás tulajdonságával, mivel az óramutató járásával megegyező irányba terjedő fénysugár kétszer halad át a fényosztón, az óramutató járásával ellentétes irányba terjedő fénysugár pedig kétszer verődik vissza a sugárosztóról. Ugyanakkor az érzékelő áramkörből a kölcsönös optikai kimeneti út a forrás felé (a sugárosztótól a diódáig) visszafelé halad, azaz a bemeneti optikai út mentén.

Ebből következően a reciprocitás a bemeneti optikai út mentén egy második sugárosztó elhelyezésével érhető el a regisztrációs rendszerben (1.5. ábra).

1.5. ábra. FOG áramkör állandó fáziskülönbség eltolással.

Mint már említettük, ha szükséges mérni az intenzitás nagy változásait ez a változás fáziseltolódás esetén /2-es fáziseltolást kell bevezetni, vagyis az interferométernek kvadratúra üzemmódban kell működnie. Ebben a módban az intenzitásváltozások és a fázisváltozások közötti kapcsolat csak 0,1 rad maximális fáziseltérésig lineáris (1%-ig). A nemlinearitás kompenzációja magában a rögzítőrendszerben is elvégezhető, de csak 1 rad nagyságrendű maximális fáziseltérésig.

A FOG tervezésénél számos fázisérzékelési módszer használható.

A legelterjedtebb sémák 90°-os statikus fáziskülönbséget használnak a két nyaláb között, illetve 90°-os változó fáziskülönbséget alkalmaznak.

A fáziseltolódás elvei alapján egy másik, nagyobb érzékenységű regisztrációs elv javasolható.

A két irányban terjedő sugarak relatív fázisa fázismodulált (- /2, /2) 1/2T frekvenciával (T az az idő, amely alatt a sugár áthalad az áramkörön). Így az óramutató járásával megegyező irányban befújt fény 90°-os késleltetést tapasztal, az óramutató járásával ellentétes irányban terjedő fény nem tapasztal késleltetést (ezt a fázismodulátor helyzete határozza meg, ahogy az 1.4. ábrán látható).

Mire azonban az óramutató járásával ellentétes irányban mozgó nyaláb eléri a fázismodulátor helyzetét, már nem lesz fáziseltolás. Az óramutató járásával megegyezően befecskendezett fény egy adott pillanatban megzavarja az óramutató járásával ellentétes irányba terjedő hullámot 90°-os fáziseltolással stb.

Következésképpen az eredményül kapott kimeneti hullám, amely magában foglalja mind a periodikus fáziseltolódás hatását (amely elvileg állandó szintű kimeneti intenzitást ad), mind a Sagnac-effektus miatti fáziseltolódást, az ábra szerint modulálva van. 1.5. Így a fotodetektor kimeneti jele

Moduláláskor:

A moduláció mélysége a forgás által kiváltott fázistól függ.

A FOG moduláció létrehozásakor általában hengeres piezoelektromos érzékelőt használnak, amely köré egy szálat tekercselnek. Kényelmesebb két ellentétes irányú sugár relatív fázisának szinuszos modulációját alkalmazni. Ha a forgás által indukált fáziskülönbség egyenlő, akkor könnyen kimutatható, hogy az interferométer kimenetén a teljes hullám intenzitásának változó komponense, figyelembe véve a frekvencián és eltéréssel történő periodikus fázismodulációt, egyenlő lesz

A Bessel-függvények szabványos kiterjesztését használva a következőket kapjuk:

Így a modulációs frekvencián történő rögzítés olyan jelet állít elő, amelynek amplitúdója arányos; ez az érték maximumra tehető, ha olyan értéket választunk, amely maximalizálja (azaz 1,8 rad).

Az eltérés mértéke a maximális indukált effektív fáziskülönbség a modulációs ciklus során az óramutató járásával megegyezően és ellentétes irányban mozgó nyalábok között. Ennek az értéknek a becslésénél nemcsak magának az érzékelőnek a modulációs mélységét kell ismerni, hanem figyelembe kell venni a szálban lévő optikai út repülési idejét is.

1.3 Modellb zaj és instabilitás a ködben

A száloptikai giroszkóp meglehetősen összetett optikai-elektronikus rendszer. Valódi készülék tervezésénél az optikai elemek ill elektronikus eszközökúgy kell kiválasztani és elhelyezni, hogy a külső zavarok (hőmérséklet gradiensek, mechanikai és akusztikus rezgések, mágneses mezők stb.) hatása a lehető legkisebb legyen. Ezenkívül maga az eszköz számos belső zajforrást és instabilitást tartalmaz. Hagyományosan ezek a zajok és instabilitások gyors és lassú zavarokra oszthatók. A gyors zavarok véletlenszerű, rövid távú átlagolt hatással (másodpercekben) vannak a FOG érzékenységére; jól láthatóak nulla forgási sebességnél (rövid távú zaj). A lassú zavarok a jel lassú eltolódását okozzák, ami hosszú távú eltérésekhez vezet a FOG-leolvasásban (hosszú távú eltolódás).

A FOG zaj- és instabilitási forrásainak általánosított modellje látható az 1. ábrán. 1.6.

1.6. ábra. A zaj és instabilitások általánosított modellje a FOG-ban.

A munkákat követően értékeljük a FOG alapvető érzékenységi (pontossági) határát.

A fotonzaj szintje a fotodetektorra eső optikai sugárzás intenzitásától függ, és az optikai sugárzás intenzitásának ingadozása határozza meg.

A fenti képlet a fotodetektor sugárzásának intenzitására lehetővé teszi, hogy a fotodetektorra eső sugárzás erejének kifejezését a következő formában írjuk fel:

ahol P a FOG-ba bemenő sugárzás teljesítménye.

Ebből a kifejezésből következik, hogy a sugárzási teljesítmény észlelésének folyamata által okozott lövések (foton) zaj a „fázis” zaj megjelenésével jár, és ennek megfelelően hibához vezet a forgási szögsebesség mérésében. Ha a fotodetektor fotonáramot kap, akkor az egységnyi idő alatt észlelt fotonok száma a Poisson-törvény szerint eloszló valószínűségi változó (lézersugárzó alkalmazása esetén) A fotodetektorra beeső fotonok számának matematikai elvárása az integrációs idő alatt T egyenlő az átlagos energia osztva egy foton energiájával:

ahol h Planck-állandó; f a sugárzási frekvencia.

A Poisson-eloszlás fotonszámának négyzetgyökértéke megegyezik az átlagérték négyzetgyökével, azaz.

Keressük meg a "fázis" zaj négyzetes középértékét:

Ezután az (1.35) kifejezést figyelembe véve kapjuk:

ahol a jelérzékelő és feldolgozó rendszer sávszélessége.

Tipikus µW és Hz értékekhez

Ebből következik, hogy 1 Hz-es sávszélesség mellett a mért fázis érzékenységi határa rad.

A fotonzajból eredő forgási szögsebesség mérésénél a négyzetes átlag hiba meghatározásához a Sagnac-fázis kifejezését használjuk:

Feltételezve, hogy egy tipikus FOG L = 1 km, D = 10 cm, (1/2)P0 = 100 μW, f = Hz, a következőt kapjuk:

Ebből következik, hogy 1 Hz-es sávszélesség és LR = 50 áramkör esetén a forgási sebesség regisztrálásának küszöbe 0,01 fok/h. A sávszélességet az órajel reciprok egységeiben kifejezve megkapjuk a FOG minimális véletlenszerű eltolódásának kifejezését.

A FOG maximális érzékenységének becslése a feldolgozó eszköz kimenetén található jel-zaj viszonyból érhető el. A FOG kimeneti jelfeldolgozó berendezés egy kvantumhatékonyságú fotodetektorból, egy G erősítési (szorzási) faktorral rendelkező erősítőből, egy Rн terhelési ellenállásból és egy f áteresztősávú kisfrekvenciás szűrőből áll.

Fotodetektor kimeneti árama:

ahol q az elektron töltése.

A G erősítést figyelembe véve az áram jelkomponensét írjuk a formába

A jelkomponens teljesítménye egyenlő

A lövészaj teljesítményét a jel-zaj arány kiszámításának szabványos módszere szerint a Schottky-képlet segítségével számítják ki, és egyenlő:

A zajteljesítmény kiszámításakor csak a hasznos jel alapvetően eltávolíthatatlan lövészaját veszik figyelembe.

A jel-zaj arány formát ölt

Feltételezve (s / w) = 1, a szinuszfüggvényt az argumentumával helyettesítve, értéke helyett a forgási szögsebességgel helyettesítve, megkapjuk a legkisebb kimutatható forgási szögsebességet:

Hasonló dokumentumok

Optikai kábelek és csatlakozók, kialakításuk és paramétereik. Az optikai kábelek fő típusai. Az optikai sugárzás vevőinek osztályozása. Az optikai sugárzás félvezető forrásainak alapvető paraméterei és jellemzői.

előadások tanfolyama, hozzáadva 2009.12.13

Általánosított száloptikai érzékelő működési elve. Optikai fénymodulációs séma. Fázis (interferometrikus) érzékelők osztályozása. Kinézet automatizált optikai interferométer ISA-1, műszaki jellemzők.

jelentés, hozzáadva: 2015.07.19

Optikai szál tervezése és a gerinc mentén húzódó csatornák számának kiszámítása. Száloptikai kommunikációs vonalak topológiáinak kiválasztása, optikai kábel típusa és kialakítása, optikai sugárzás forrása. A lineáris út veszteségeinek és a tartalék teljesítmény számítása.

tanfolyami munka, hozzáadva 2011.02.09

Az optikai vezeték felépítésének elve. Fizikai paraméterek, diszperzió és veszteségek értékelése optikai szálban. Kábel, átviteli rendszer kiválasztása. A regenerációs szakasz hosszának kiszámítása, séma kidolgozása. Az átviteli rendszer zajtűrésének elemzése.

tanfolyami munka, hozzáadva 2012.10.01

Száloptikai kábel útvonal diagramja. Optikai kábel kiválasztása, jellemzői akasztáshoz és talajba fektetéshez. Fényvezető paraméterek számítása. Berendezés kiválasztása és kábelteljesítmény felmérése, tanúsítása. Károk felkutatása és elemzése.

tanfolyami munka, hozzáadva 2012.11.07

A BIUS-VO készülék érzékeny elemeinek tetrádjának matematikai modellje. A BIUS-VO készülék érzékeny elemének működési elve - egy száloptikai giroszkóp. A szögsebességmérő csatorna zajkomponenseinek becslésére szolgáló technika kidolgozása.

szakdolgozat, hozzáadva: 2012.09.24

Az optikai szál működési elve a teljes belső visszaverődés hatásán alapul. A száloptikai kommunikációs vonalak (FOCL) előnyei, alkalmazási területei. Száloptikai kapcsolatok építéséhez használt optikai szálak, gyártási technológiájuk.

absztrakt, hozzáadva: 2019.03.26

A bináris impulzusok csillapításának (csillapításának), diszperziójának, sávszélességének, maximális átviteli sebességének meghatározása száloptikai rendszerben. Az optikai sugárforrás kimenő teljesítményének az elektromos áram nagyságától való függésének ábrázolása.

teszt, hozzáadva: 2010.06.21

Digitális optikai kommunikációs rendszerek, koncepció, felépítés. Alapelvek digitális rendszer adatátvitel. Az optikai szálban lezajló folyamatok és hatásuk az információátvitel sebességére és tartományára. PMD vezérlés.

tanfolyami munka, hozzáadva 2007.08.28

Általános leírásaés cél, funkcionális jellemzői valamint a száloptikai kommunikációs vonalak passzív összetevőinek felépítése: csatlakozók és osztók. Multiplexerek és demultiplexerek. Optikai teljesítményosztók, működési elve és jelentősége.

2 A giroszkóp egy olyan eszköz, amely képes mérni a hozzá tartozó test tájolási szögeinek változását a tehetetlenségi koordináta-rendszerhez képest. Egészen a közelmúltig a navigációs rendszerek főként mechanikus giroszkópokat használtak, amelyek a test forgástengelyét a tehetetlenségi tér egyik irányában tartva működtek. A mechanikus giroszkópok költséges eszközök, mivel megfelelő működésükhöz a forgástest alakjának nagy pontossága és a csapágyak lehető legkisebb súrlódása szükséges.

3 Jelenleg a giroszkópok egyik legígéretesebb osztálya az optikai giroszkópok osztálya. A legtöbb optikai giroszkóp működési elve a Sagnac effektuson alapul. Az ilyen giroszkópok fő előnyei: mozgó alkatrészek hiánya; a tervezés egyszerűsége; rövid indítási idő; nagy érzékenység; a jellemzők nagy linearitása; alacsony energia fogyasztás; magas megbízhatóság.

Sagnac-effektus 4 A Sagnac-effektus az ellenszaporodó elektromágneses hullámok fáziseltolódásának megjelenése egy forgógyűrűs interferométerben. Δφ – fáziseltolódás; k – hullámszám; S – az optikai út által határolt terület; с – hullámsebesség; Ω – a rendszer forgási szögsebessége. A kinematikai elmélet keretein belül egy képletet kaphatunk (az optikai út mentén a törésmutatót egységnek tekintjük):

5 A Sagnac-effektus egyenesen arányos az interferométer forgási szögsebességével, az interferométerben a fényhullámok terjedése által lefedett területtel és a sugárzás frekvenciájával. A Sagnac-effektus az ellenszaporodó hullámok forgó referenciakeretben történő terjedésének nem kölcsönösségéből adódik, amely különböző hosszúságú optikai utakhoz kapcsolódik.

Gyűrűs lézergiroszkóp (RLG) 7 A háromszög alakú optikai úton ellentétes irányban terjedő két generált fényhullám frekvenciája az L optikai hossz különbsége miatt nem egyenlő. Verés Lényegében egy szabályos Sagnac interferométerről van szó.

A CLG hátrányai: 9 1. A kimenő jel nemlinearitása kis szögsebességnél (szinkronizmus hatása). 2. A kimenő jel eltolódása a lézerben áramló gázok miatt. 3. Az optikai úthossz változása hőtágulás, nyomás és mechanikai deformáció hatására.

Fiber-optic giroszkóp (FOG) 10 A KLG-vel ellentétben a száloptikai giroszkópok lehetővé teszik a tényleges szögsebesség mérését, nem pedig a növekményét. A FOG fő elemei egy emitter, egy sugárosztó, egy egymódusú, alacsony csillapítású dielektromos fényvezető többfordulatú zárt hurkja és egy fotodetektor. A száloptikai giroszkóp egy Sagnac interferométer, amelyben a kör alakú optikai áramkört egy hosszú, egymódusú optikai szál tekercs helyettesíti.

Előnyök a KLG-vel szemben: 12 A Sagnac effektus, amelyen a készülék működési elve alapul, több nagyságrenddel erősebben jelentkezik az optikai szál alacsony vesztesége és a hosszú szálhossz miatt. A FOG konstrukció teljes egészében tömör test formájában készült, ami megkönnyíti a működést és növeli a megbízhatóságot a KLG-hez képest. A FOG a forgási sebességet méri, míg a KLG a sebességnövekedést rögzíti. A FOG konfiguráció lehetővé teszi, hogy „érezze” a forgásirány megfordulását. Alacsony szögsebességek mérésének lehetősége.

13 a készülék potenciálisan nagy érzékenysége (pontossága); a szerkezet kis méretei és súlya; alacsony gyártási és tervezési költség a tömeggyártáshoz, a technológia viszonylagos egyszerűsége; elhanyagolható energiafogyasztás; a mért szögsebességek nagy dinamikus tartománya; forgó mechanikai elemek (rotorok) és csapágyak hiánya; szinte azonnali készenlét a munkára; érzéketlenség a nagy lineáris gyorsulásokra. A FOG tulajdonságai:

14 FOG passzív típusú gyűrűrezonátorral A fényérzékelő kimeneti jele élesen reagál a fázisváltozásra, amikor egy fényhullám egyszer áthalad a gyűrű optikai úton. Lehetőség van egy rendkívül érzékeny érzékelő létrehozására, amely méri a rezonanciacsúcs elmozdulását a forgás következtében. Az áramkör ily módon történő módosításával csökkenthető az érzékeny gyűrű szálának hossza (ha a giroszkóp középosztályú, akkor akár egyfordulatú szálgyűrűt is lehet használni). A FOG érzékenysége gyűrűs optikai rezonátor segítségével növelhető, nagy visszaverődési együtthatójú, áttetsző tükrök használatával, amelyek az optikai szál gyűrűjének végeihez vannak rögzítve. Egy ilyen rezonátor fokozza az adott rezonátor állóhullámainak megfelelő üzemmódokat, másokat gyengít.

15 A FOG alapelemei A száloptikai giroszkópok tervezésénél általában félvezető lézereket használnak emitterként ( lézer diódák), LED-ek és szuperlumineszcens diódák. A FOG speciális kialakítása további követelményeket támaszt a sugárforrásokkal szemben. Ezek a következők: a sugárzás hullámhosszának megfelelése a fényvezető névleges hullámhosszának, ahol a veszteségek minimálisak; az optikai szálba történő sugárzás kellően magas hatásfokának biztosítása; a sugárforrás folyamatos üzemmódban történő működtetésének képessége hűtés nélkül; az emitter kellően magas kimeneti teljesítménye; a tartósság, a jellemzők reprodukálhatósága, a szerkezeti merevség, valamint a minimális méretek, tömeg, energiafogyasztás és költség. Számos kísérleti FOG-berendezés gázlézert használ.

16 A FOG-ban háromféle szálat használnak az érzékeny áramkör tekercselésére: többmódusú, egymódusú és egymódusú, stabil polarizációval. A hurok kerületének hosszát két premisszió alapján határozzuk meg: a hurok hosszának növelése növeli a rendszer egészének pontosságát, mivel a nem-reciprok fáziseltolódás mértéke hosszabb ideig arányos a szál hosszával. hurok esetén a szál csillapítási és szabálytalansági paraméterei nagyobb mértékben befolyásolják a rendszer működését. Jellemzően 200-1500 m hosszúságú szálakat használnak.A tekercs átmérőjét a szál kanyarodási veszteségének minimalizálásának kritériuma szerint választják ki, és figyelembe veszik az eszköz teljes méreteit. A tipikus átmérő 6-40 cm.

17 A FOG fotodetektor kiválasztásakor biztosítani kell a maximális integrált érzékenységet, a minimális ekvivalens zajteljesítményt és a minimális sötétáramot a kívánt spektrális tartományban. A legtöbb FOG-ban a félvezető fotodiódákat, a p-i-n fotodiódákat és a lavina fotodiódákat fotodetektorként használják.

19 A kölcsönösség az érzékelőrendszerben úgy érhető el, hogy a bemeneti optikai út mentén egy második sugárosztót helyezünk el. A fent bemutatott általános FOG optikai kialakítás nem rendelkezik a reciprocitás tulajdonságával, mivel az óramutató járásával megegyező irányban terjedő fénysugár áthalad és visszaverődik a fényosztón, az óramutató járásával ellentétes irányba terjedő fénysugár pedig kétszer verődik vissza a sugárosztóról. A Lorentz-féle reciprocitás tétele felteszi: lineáris rendszer esetén az optikai utak pontosan reciprok, ha egy adott bemeneti térbeli módus megegyezik a kimeneten. Ha a nemlinearitások jelentősek, akkor a FOG-nak csak akkor lesz reciprocitása, ha a szál tulajdonságainak pontos szimmetriája van a száláramkör felezőpontjához képest.

A száloptikai és lézergiroszkópok működési elve. A száloptikai giroszkópok Sagnac-effektusa és kiaknázatlan képességei alacsony szögsebességek mérésénél. száloptikai lézergiroszkóp

Alkalmazás giroszkópok

Biaxiális jelzőstabilizátor televíziós kamerákhoz VO-n (2)

A lézersugárzás és alkalmazásai

Küldje el a jó munkát a tudásbázis egyszerű. Használja az alábbi űrlapot

Hasonló dokumentumok