Száloptikai giroszkóp

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. szeptember 23-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 11 szerkesztést igényelnek .

A száloptikai giroszkóp (FOG) egy optikai-elektronikus eszköz , amely az abszolút (a tehetetlenségi térhez viszonyított ) szögsebességet méri [1] . Mint minden optikai giroszkóp, működési elve a Sagnac effektuson alapul .

A száloptikai giroszkópban lévő fénysugár egy szálszálon halad át , innen ered a név. A giroszkóp érzékenységének növelésére nagy hosszúságú (körülbelül 1000 méteres) fényvezetőt használnak, felváltva. A gyűrűs lézeres giroszkópokkal ellentétben a száloptikai giroszkópok jellemzően nagyon kis koherenciahosszú fényt használnak , ami szükséges a giroszkóp pontosságának kielégítő szintre növeléséhez. Még csak nem is lézeres eszköz használható fényforrásként , hanem például LED .

Hogyan működik

Magában Sagnac kísérletében egy kollimált és polarizált fénysugarat betápláltak egy interferométerbe, amelyben azt két sugárra osztották, amelyek ellentétes irányban megkerülték az interferométert. A bypass után a nyalábokat egy vonalba hoztuk, és az interferenciamintát fényképező lemezre rögzítettük. A kísérletek azt mutatták, hogy az interferencia-minta eltolódott a beállítás elforgatásával, és az eltolódás arányosnak bizonyult a forgási sebességgel.

Az optikai szál használata lehetővé teszi a tükrök eltávolítását és az optikai út hosszának növelését, ami viszont meghatározza az észlelt fáziskülönbséget:

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

ahol a kapott fáziskülönbség, a körvonal sugara, az optikai szál hossza, az optikai sugárzás hullámhossza, a fény sebessége vákuumban, a szögsebesség. $\Delta \phi _{S}$ $R$ $L$ $\lambda$ $c$ $\Omega$

Szögsebesség hiányában a fáziskülönbség nulla, és a fényérzékeny elem a maximális intenzitást regisztrálja. Ha szögsebesség lép fel, a sugárzások közötti fáziskülönbség többszörös változása következik be. Az intenzitás változását a fotodetektornál a következő egyenlet írja le: $\Delta \phi _{S}$

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

Tudva, hogy a fázis változhat -tól -ig , akkor magabiztosan detektálhatjuk a megfelelő szögsebesség-tartományt: $-\pi$ $+\pi$

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

Ha egy 10 km hosszú hurkot 30 cm sugarú körben tekercselünk, akkor 1550 nm hullámhosszú optikai sugárforrással a detektált szögsebesség tartománya 4,4 fok/s lesz [2] . A kiváló minőségű analóg-digitális átalakítók segítségével akár mikroradiánokig is kimutatható a fázisváltozás, ami azt jelenti, hogy egy ilyen rendszer érzékenysége körülbelül 0,005 fok/óra lesz .

Az ilyen giroszkóp alapvető sémája korlátozásokkal rendelkezik:

Az interferenciafüggvény szimmetriája nem teszi lehetővé a forgásirány meghatározását.
Az átviteli karakterisztika nemlinearitása a giroszkóp egyenetlen érzékenységét okozza.
Az észlelt szögsebességek tartománya nem elegendő a FOG navigációban történő használatához.
Az észlelt tartományon túllépés (nagyobb mint ) helytelenül értelmezhető. $\pi$

A modern száloptikai giroszkópok rendszerében frekvencia- és fázismodulátorokon alapuló technikákat alkalmaznak .

A frekvenciamodulátorok a Sagnac fázist az ellentétes irányú sugárnyalábok frekvenciakülönbségének változó változásaivá alakítják át, ezért a Sagnac fázis kompenzálásakor a frekvenciakülönbség arányos a forgás Ω szögsebességével. A frekvenciamodulátorok az akuszto-optikai hatáson alapulnak, ami azt jelenti, hogy amikor ultrahangos rezgések áthaladnak egy közegen, mechanikai igénybevételnek kitett területek (kompressziós és ritkítási területek) jelennek meg benne, ami a közeg törésmutatójának megváltozásához vezet. A közeg törésmutatójában az ultrahanghullámok által okozott változások diffrakciós központokat képeznek a beeső fény számára. A fény frekvenciaeltolódását az ultrahang rezgések frekvenciája határozza meg. A FOG-ban használt frekvenciamodulátorok előnye, hogy a kimenő jelet digitális formában jelenítik meg.

A fázismodulátorok a Sagnac fázist a váltakozó jel amplitúdójának változásává alakítják át, ami kiküszöböli az alacsony frekvenciájú zajt és megkönnyíti az információs paraméter mérését.

Az optimális FOG konfiguráció a következőket tartalmazza : [2] :

Szélessávú optikai sugárzás forrás ( szuperlumineszcens dióda vagy erbiumszálas optikai sugárzás forrás);
Száloptikai elosztó vagy keringető;
Többfunkciós integrált optikai áramkör (MIOS), amely lítium-niobát kristályból készül, és egyidejűleg látja el a polarizátor , az osztó és az elektro-optikai modulátor funkcióit;
Száloptikai Sagnac áramkör, amely a FOG érzékeny eleme;
Fotodetektor optikai sugárzás érzékelésére;
Analóg-digitális átalakító a fotodetektorból érkező analóg jel digitálissá alakításához;
Digitális-analóg konverter a MIOS moduláció vezérléséhez;
Digitális processzor, amely feldolgozza a vett jelet, információt szerez a kimeneten a szögsebességről, és vezérli a FOG működését.

Eszköz tulajdonságai

Egy ilyen eszköz száloptikai giroszkópként való megjelenését elősegítette a száloptika fejlődése, nevezetesen egy speciális jellemzőkkel rendelkező egymódusú dielektromos fényvezető kifejlesztése ( ellentétes sugarak stabil polarizációja , magas optikai linearitás, kellően alacsony csillapítás). . Ezek a fényvezetők határozzák meg az eszköz egyedi tulajdonságait:

potenciálisan nagy pontosság;
a szerkezet kis méretei és súlya;
a mért szögsebesség nagy tartománya;
nagy megbízhatóság a készülék forgó alkatrészeinek hiánya miatt.

Alkalmazás

Széles körben használják közepes pontosságú inerciális navigációs rendszerekben. A FOG-on alapuló SINS-eket a szárazföldi szállítás, hajók, tengeralattjárók és műholdak navigációjában használják [3] .

Oroszországban

Oroszországban számos központ foglalkozik modern száloptikai giroszkópok és ezeken alapuló eszközök gyártásával és kutatásával:

"Optolink" kutató és produkciós cég [4]
Konszern "Elektropribor" Központi Kutatóintézet
PJSC "Perm Kutató és Gyártó Műszergyártó Vállalat" (PNPPK)
CJSC "Physoptika" [5]

Emellett a PNRPU , az ITMO [6] , a LETI és az SSU [7] tudóscsoportjai kutatási és oktatási tevékenységet folytatnak a száloptikai giroszkópok és az azokon alapuló eszközök jellemzőinek javítása érdekében.

Jegyzetek

↑ Vali, V.; Shorthill, RW (1976). szálgyűrűs interferométer. Alkalmazott optika . 15 (5): 1099-100. Bibcode : 1976ApOpt..15.1099V . DOI : 10.1364/AO.15.001099 . PMID20165128 _ _
↑ 1 2 Hervé C. Lefèvre. A száloptikai giroszkóp . - Második kiadás. - Boston, 2014. - 1 online forrás p. - 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. Szkripnyikov, M. I. Hmelevszkaja, A. S. Buravlev, S. M. Kostritsky, A. I. Varnakov, V. K. Strapdown inerciális navigációs rendszerek száloptikai giroszkópokon (orosz) // Giroszkópia és navigáció: napló. - 2014. - V. 1 , 84. sz . - S. 14-25 . — ISSN 0869-7035 .
↑ LLC Tudományos és Termelő Vállalat "Optolink" | "Optolink" kutató és termelő vállalat . www.optolink.ru _ Letöltve: 2022. április 27. Az eredetiből archiválva : 2021. június 15. (határozatlan)
↑ Fizika . www.fizoptika.ru _ Letöltve: 2022. április 27. Az eredetiből archiválva : 2022. április 2. (határozatlan)
↑ Száloptikai giroszkóp . sf.itmo.ru _ Hozzáférés időpontja: 2022. április 27. (Orosz)
↑ Száloptikai és lézergiroszkópok | SSU - Szaratovi Állami Egyetem . www.sgu.ru _ Hozzáférés időpontja: 2022. április 27. (határozatlan)

Irodalom

Sheremetiev A.G. Száloptikai giroszkóp. -M.: Rádió és kommunikáció, 1987.
I.A. Andronova, G.B. Malykin. A rostos giroszkópia fizikai problémái a Sagnac-effektus alapján // UFN . - 2002. - T. 172 , 8. sz . – S. 849–873 . - doi : 10.3367/UFNr.0172.200208a.0849 .
Filatov Yu. V. Optikai giroszkópok. Az Orosz Föderáció Állami Tudományos Központja "Elektropribor" Központi Kutatóintézet, 2005.
Lefèvre, Hervé C. Az interferometrikus száloptikai giroszkóp alapjai. Artech Ház, 2014.