Fiberoptisk gyroskop

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 23. september 2021; checks kræver 11 redigeringer .

Et fiberoptisk gyroskop (FOG) er en optisk-elektronisk enhed , der måler den absolutte (i forhold til inertialrummet ) vinkelhastighed [1] . Som med alle optiske gyroskoper er funktionsprincippet baseret på Sagnac-effekten .

Lysstrålen i et fiberoptisk gyroskop passerer gennem en spole af fiber , deraf navnet. For at øge gyroskopets følsomhed anvendes en lysleder af stor længde (ca. 1000 meter), lagt på skift. I modsætning til et ringlasergyroskop bruger fiberoptiske gyroskoper typisk lys med en meget lille kohærenslængde , hvilket er nødvendigt for at øge gyroskopets nøjagtighed til et tilfredsstillende niveau. Ikke engang en laserenhed kan bruges som lyskilde , men for eksempel en LED .

Sådan virker det

I selve Sagnacs eksperiment blev en kollimeret og polariseret lysstråle ført ind i et interferometer, hvor den blev opdelt i to stråler, der gik uden om interferometeret i modsatte retninger. Efter bypasset blev strålerne justeret, og interferensmønsteret blev optaget på en fotografisk plade. Forsøgene viste, at interferensmønsteret skiftede efterhånden som opstillingen roterede, og skiftet viste sig at være proportionalt med rotationshastigheden.

Brugen af optisk fiber gør det muligt at slippe af med spejle og øge længden af den optiske vej, hvilket igen bestemmer den detekterede faseforskel:

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

hvor er den resulterende faseforskel, er konturradius, er længden af den optiske fiber, er bølgelængden af optisk stråling, er lysets hastighed i vakuum, er vinkelhastigheden. $\Delta \phi _{S}$ $R$ $L$ $\lambda$ $c$ $\Omega$

I fravær af vinkelhastighed er faseforskellen nul, og det lysfølsomme element vil registrere den maksimale intensitet. Når der opstår en vinkelhastighed, vil der ske en multipel ændring i faseforskellen mellem strålingerne. Ændringen i intensitet ved fotodetektoren er beskrevet ved følgende ligning: $\Delta \phi _{S}$

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

Ved at vide, at fasen kan variere fra til , kan vi trygt detektere det tilsvarende område af vinkelhastigheder: $-\pi$ $+\pi$

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

Hvis en sløjfe på 10 km er viklet med en radius på 30 cm, så med en kilde til optisk stråling ved en bølgelængde på 1550 nm, vil området af detekterede vinkelhastigheder være 4,4 grader i sekundet [2] . Ved hjælp af højkvalitets analog-til-digital-omformere er det muligt at detektere faseændringer ned til mikroradianer, hvilket betyder, at et sådant systems følsomhed vil være omkring 0,005 grader i timen .

Grundskemaet for et sådant gyroskop har et sæt begrænsninger:

Symmetrien af interferensfunktionen tillader ikke at bestemme rotationsretningen.
Overførselskarakteristikkens ikke-linearitet forårsager ujævn følsomhed af gyroskopet.
Området af detekterede vinkelhastigheder er utilstrækkeligt til brugen af FOG i navigation.
At gå ud over det detekterede område (større end ) kan blive fortolket forkert. $\pi$

I ordningen med moderne fiberoptiske gyroskoper anvendes teknikker baseret på frekvens- og fasemodulatorer .

Frekvensmodulatorer oversætter Sagnac-fasen til variable ændringer i frekvensforskellen for modsat gående stråler, og derfor, når Sagnac-fasen kompenseres, er forskelsfrekvensen proportional med vinkelhastigheden af rotation Ω. Frekvensmodulatorer er baseret på den akusto-optiske effekt, hvilket betyder, at når ultralydsvibrationer passerer gennem et medium, opstår der områder med mekaniske spændinger (kompressions- og sjældne områder), hvilket fører til en ændring i mediets brydningsindeks. Ændringerne i mediets brydningsindeks forårsaget af ultralydsbølgen danner diffraktionscentre for det indfaldende lys. Lysets frekvensskift bestemmes af frekvensen af ultralydsvibrationer. Fordelen ved frekvensmodulatorer, når de bruges i FOG, er repræsentationen af udgangssignalet i digital form.

Fasemodulatorer konverterer Sagnac-fasen til en ændring i amplituden af det vekslende signal, hvilket eliminerer lavfrekvent støj og letter måling af informationsparameteren.

Den optimale FOG-konfiguration inkluderer [2] :

Bredbåndskilde til optisk stråling ( superluminescerende diode eller erbiumfiberkilde til optisk stråling);
Fiberoptisk splitter eller cirkulator;
Multifunktionelt integreret optisk kredsløb (MIOS), lavet af en lithiumniobatkrystal og samtidig udfører funktionerne som en polarisator , en splitter og en elektro-optisk modulator;
Fiberoptisk Sagnac-kredsløb, som er et følsomt element i FOG;
Fotodetektor til detektering af optisk stråling;
Analog-til-digital-konverter til konvertering af det analoge signal, der kommer fra fotodetektoren, til digitalt;
Digital-til-analog-konverter til MIOS-modulationsstyring;
En digital processor, der behandler det modtagne signal, indhenter information om vinkelhastigheden ved udgangen, og som styrer driften af FOG.

Enhedsegenskaber

Udseendet af en sådan enhed som et fiberoptisk gyroskop blev lettet af udviklingen af fiberoptik, nemlig udviklingen af en enkelt-mode dielektrisk lysleder med specielle egenskaber (stabil polarisering af modsatrettede stråler, høj optisk linearitet, tilstrækkelig lav dæmpning) . Det er disse lysledere, der bestemmer enhedens unikke egenskaber:

potentielt høj nøjagtighed;
små dimensioner og vægt af strukturen;
stort udvalg af målte vinkelhastigheder;
høj pålidelighed på grund af fraværet af roterende dele af enheden.

Ansøgning

Udbredt i inerti-navigationssystemer af middel nøjagtighedsklasse. SINS baseret på FOG bruges i navigation til landtransport, skibe, ubåde og satellitter [3] .

I Rusland

I Rusland er en række centre engageret i produktion og forskning af moderne fiberoptiske gyroskoper og enheder baseret på dem:

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

Derudover udfører grupper af forskere ved PNRPU , ITMO [6] , LETI og SSU [7] forsknings- og uddannelsesaktiviteter for at forbedre egenskaberne af fiberoptiske gyroskoper og enheder baseret på dem.

Noter

↑ Vali, V.; Shorthill, RW (1976). fiberring interferometer. Anvendt optik . 15 (5): 1099-100. Bibcode : 1976ApOpt..15.1099V . DOI : 10.1364/AO.15.001099 . PMID20165128 . _
↑ 1 2 Hervé C. Lefèvre. Det fiberoptiske gyroskop . - Anden version. - Boston, 2014. - 1 online ressource s. - ISBN 978-1-60807-696-3 , 1-60807-696-2, 978-1-5231-1764-2, 1-5231-1764-8.
↑ Yu. N. Korkishko, V. A. Fedorov, V. E. Prilutsky, V. G. Ponomarev, I. V. Morev, S. F. Skripnikov, M. I. Khmelevskaya, A. S. Buravlev, S.M.Kostritsky, A.I.Zuev, V.K.Varnakov. Strapdown inertial navigationssystemer baseret på fiberoptiske gyroskoper (russisk) // Gyroskopi og navigation: journal. - 2014. - V. 1 , nr. 84 . - S. 14-25 . — ISSN 0869-7035 .
↑ LLC videnskabeligt og produktionsselskab "Optolink" | Forsknings- og produktionsselskabet "Optolink" . www.optolink.ru _ Hentet 27. april 2022. Arkiveret fra originalen 15. juni 2021. (ubestemt)
↑ Fysioptik . www.fizoptika.ru _ Hentet 27. april 2022. Arkiveret fra originalen 2. april 2022. (ubestemt)
↑ Fiberoptisk gyroskop . sf.itmo.ru _ Dato for adgang: 27. april 2022. (Russisk)
↑ Fiberoptiske og lasergyroskoper | SSU - Saratov State University . www.sgu.ru _ Dato for adgang: 27. april 2022. (ubestemt)

Litteratur

Sheremetiev A.G. Fiberoptisk gyroskop. -M.: Radio og kommunikation, 1987.
I.A. Andronova, G.B. Malykin. Fysiske problemer med fibergyroskopi baseret på Sagnac-effekten // UFN . - 2002. - T. 172 , nr. 8 . — S. 849–873 . - doi : 10.3367/UFNr.0172.200208a.0849 .
Filatov Yu. V. Optiske gyroskoper. Statens videnskabelige center for den russiske føderations centrale forskningsinstitut "Elektropribor", 2005.
Lefèvre, Hervé C. Grundlæggende om det interferometriske fiberoptiske gyroskop. Artech House, 2014.