Fiberoptiskt gyroskop

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 september 2021; kontroller kräver 11 redigeringar .

Ett fiberoptiskt gyroskop (FOG) är en optisk-elektronisk enhet som mäter den absoluta (i förhållande till tröghetsrymden ) vinkelhastighet [1] . Som med alla optiska gyroskop är funktionsprincipen baserad på Sagnac-effekten .

Ljusstrålen i ett fiberoptiskt gyroskop passerar genom en spole av fiber , därav namnet. För att öka gyroskopets känslighet används en ljusledare av stor längd (ca 1000 meter), som läggs i varv. Till skillnad från ett ringlasergyroskop använder fiberoptiska gyroskop vanligtvis ljus med en mycket liten koherenslängd , vilket är nödvändigt för att öka gyroskopets noggrannhet till en tillfredsställande nivå. Inte ens en laserapparat kan användas som ljuskälla , utan till exempel en LED .

Hur det fungerar

I Sagnacs experiment själv matades en kollimerad och polariserad ljusstråle in i en interferometer, där den delades upp i två strålar som gick förbi interferometern i motsatta riktningar. Efter förbikopplingen inriktades strålarna och interferensmönstret registrerades på en fotografisk platta. Experimenten visade att interferensmönstret skiftade när uppställningen roterade, och växlingen visade sig vara proportionell mot rotationshastigheten.

Användningen av optisk fiber gör det möjligt att bli av med speglar och öka längden på den optiska vägen, vilket i sin tur bestämmer den detekterade fasskillnaden:

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

var är den resulterande fasskillnaden, är konturradien, är längden på den optiska fibern, är våglängden för optisk strålning, är ljusets hastighet i vakuum, är vinkelhastigheten. $\Delta \phi _{S}$ $R$ $L$ $\lambda$ $c$ $\Omega$

I frånvaro av vinkelhastighet är fasskillnaden noll, och det ljuskänsliga elementet kommer att registrera den maximala intensiteten. När en vinkelhastighet inträffar kommer en multipel förändring i fasskillnaden mellan strålningarna att inträffa. Förändringen i intensitet vid fotodetektorn beskrivs med följande ekvation: $\Delta \phi _{S}$

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

Genom att veta att fasen kan variera från till kan vi med säkerhet upptäcka motsvarande vinkelhastighetsområde: $-\pi$ $+\pi$

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

Om en 10 km lång slinga lindas med en radie på 30 cm, då med en källa för optisk strålning vid en våglängd på 1550 nm, kommer området för detekterade vinkelhastigheter att vara 4,4 grader per sekund [2] . Med hjälp av högkvalitativa analog-till-digital-omvandlare är det möjligt att detektera fasförändringar ner till mikroradianer, vilket innebär att känsligheten för ett sådant system blir cirka 0,005 grader per timme .

Grundschemat för ett sådant gyroskop har en uppsättning begränsningar:

Interferensfunktionens symmetri tillåter inte att bestämma rotationsriktningen.
Icke-linjäriteten hos överföringskarakteristiken orsakar ojämn känslighet hos gyroskopet.
Omfånget av detekterade vinkelhastigheter är otillräckligt för användning av DIMA i navigering.
Att gå utanför det detekterade området (större än ) kan tolkas felaktigt. $\pi$

I schemat för moderna fiberoptiska gyroskop används tekniker baserade på frekvens- och fasmodulatorer .

Frekvensmodulatorer översätter Sagnac-fasen till variabla förändringar i frekvensskillnaden för motsatt rörliga strålar, därför, när Sagnac-fasen kompenseras, är skillnadsfrekvensen proportionell mot vinkelhastigheten för rotation Ω. Frekvensmodulatorer är baserade på den akusto-optiska effekten, vilket innebär att när ultraljudsvibrationer passerar genom ett medium, uppstår områden med mekaniska påfrestningar (kompressions- och rarfaktionsområden), vilket leder till en förändring av mediets brytningsindex. Förändringarna i mediets brytningsindex orsakade av ultraljudsvågen bildar diffraktionscentra för det infallande ljuset. Ljusets frekvensförskjutning bestäms av frekvensen av ultraljudsvibrationer. Fördelen med frekvensmodulatorer när de används i FOG är representationen av utsignalen i digital form.

Fasmodulatorer omvandlar Sagnac-fasen till en förändring i amplituden för den alternerande signalen, vilket eliminerar lågfrekvent brus och underlättar mätningen av informationsparametern.

Den optimala FOG-konfigurationen inkluderar [2] :

Bredbandskälla för optisk strålning ( superluminescerande diod eller erbiumfiberkälla för optisk strålning);
Fiberoptisk splitter eller cirkulator;
Multifunktionell integrerad optisk krets (MIOS), gjord av en litiumniobatkristall och som samtidigt utför funktionerna hos en polarisator , en splitter och en elektrooptisk modulator;
Fiberoptisk Sagnac-krets, som är ett känsligt element i FOG;
Fotodetektor för detektering av optisk strålning;
Analog-till-digital-omvandlare för omvandling av den analoga signalen som kommer från fotodetektorn till digital;
Digital-till-analog-omvandlare för MIOS-modulationskontroll;
En digital processor som bearbetar den mottagna signalen, erhåller information om vinkelhastigheten vid utgången och som styr driften av FOG.

Enhetsegenskaper

Utseendet på en sådan anordning som ett fiberoptiskt gyroskop underlättades av utvecklingen av fiberoptik, nämligen utvecklingen av en enkelmodig dielektrisk ljusledare med speciella egenskaper (stabil polarisering av motsatta strålar, hög optisk linjäritet, tillräckligt låg dämpning) . Det är dessa ljusledare som bestämmer enhetens unika egenskaper:

potentiellt hög noggrannhet;
små dimensioner och vikt av strukturen;
stort intervall av uppmätta vinkelhastigheter;
hög tillförlitlighet på grund av frånvaron av roterande delar av enheten.

Applikation

Används ofta i tröghetsnavigeringssystem av medelhög noggrannhetsklass. SINS baserade på FOG används i navigering för landtransporter, fartyg, ubåtar och satelliter [3] .

I Ryssland

I Ryssland är ett antal centra engagerade i produktion och forskning av moderna fiberoptiska gyroskop och enheter baserade på dem:

Forsknings- och produktionsföretaget "Optolink" [4]
Oro Central Research Institute "Elektropribor"
PJSC "Perm Research and Production Instrument-Making Company" (PNPPK)
CJSC "Physoptika" [5]

Dessutom bedriver grupper av forskare vid PNRPU , ITMO [6] , LETI och SSU [7] forskning och utbildning för att förbättra egenskaperna hos fiberoptiska gyroskop och enheter baserade på dem.

Anteckningar

↑ Vali, V.; Shorthill, RW (1976). fiberring interferometer. Tillämpad optik . 15 (5): 1099-100. Bibcode : 1976ApOpt..15.1099V . DOI : 10.1364/AO.15.001099 . PMID20165128 . _
↑ 1 2 Hervé C. Lefèvre. Det fiberoptiska gyroskopet . - Andra upplagan. - Boston, 2014. - 1 onlineresurs sid. - ISBN 978-1-60807-696-3 , 1-60807-696-2, 978-1-5231-1764-2, 1-5231-1764-8.
↑ Yu. N. Korkishko, V. A. Fedorov, V. E. Prilutsky, V. G. Ponomarev, I. V. Morev, S. F. Skripnikov, M. I. Khmelevskaya, A. S. Buravlev, S.M.Kostritsky, A.I.Zuev, V.K.Varnakov. Strapdown tröghetsnavigeringssystem baserade på fiberoptiska gyroskop (ryska) // Gyroskopi och navigering: journal. - 2014. - V. 1 , nr 84 . - S. 14-25 . — ISSN 0869-7035 .
↑ LLC Scientific and Production Company "Optolink" | Forsknings- och produktionsföretaget "Optolink" . www.optolink.ru _ Hämtad 27 april 2022. Arkiverad från originalet 15 juni 2021. (obestämd)
↑ Fysioptik . www.fizoptika.ru _ Hämtad 27 april 2022. Arkiverad från originalet 2 april 2022. (obestämd)
↑ Fiberoptiskt gyroskop . sf.itmo.ru _ Tillträdesdatum: 27 april 2022. (ryska)
↑ Fiberoptiska och lasergyroskop | SSU - Saratov State University . www.sgu.ru _ Tillträdesdatum: 27 april 2022. (obestämd)

Litteratur

Sheremetiev A.G. Fiberoptiskt gyroskop. -M.: Radio och kommunikation, 1987.
I.A. Andronova, G.B. Malykin. Fysiska problem med fibergyroskopi baserad på Sagnac-effekten // UFN . - 2002. - T. 172 , nr 8 . — S. 849–873 . - doi : 10.3367/UFNr.0172.200208a.0849 .
Filatov Yu. V. Optiska gyroskop. State Scientific Center of the Russian Federation Central Research Institute "Elektropribor", 2005.
Lefèvre, Hervé C. Grunderna i det interferometriska fiberoptiska gyroskopet. Artech House, 2014.