Принцип роботи волоконно-оптичного гіроскопа. Ефект саньяку та невикористані можливості волоконно-оптичних гіроскопів при вимірі малих кутових швидкостей. §5.14.1. Принцип роботи лазерного гіроскопа

На відміну від КЛГ у волоконно-оптичних гіроскопах (ВОГ) замкнутий контур утворений багатовитковою котушкою оптичного світловолокна. В цьому випадку за наявності обертання основи приладу з кутовою швидкістю Ω фазовий зсув φ променів, що поширюються за контуром у двох взаємно- протилежних напрямках(фаза Саньяка), визначатиметься наступним виразом:

(2.152)
де N- Число витків котушки, S- Середня площа витка, λ - Довжина хвилі світлового променя, з- швидкість світла. З останнього виразу випливає основна перевага ВОГ над КЛГ: величина його масштабного коефіцієнта за рахунок великої кількості витків світловоду значно більша. Різниця фаз, що реєструється приладом, може становити 10 -5 ÷ 10 -7 радіан, що відповідає кутовій швидкості обертання контуру, що дорівнює 1 ÷ 10 -3 град/год. Крім цього :

· у ВОГ відсутня синхронізація протилежно променів, що біжать, поблизу нульового значення кутової швидкості обертання, що дозволяє вимірювати дуже малі кутові швидкості, без необхідності конструювати складні в налаштуванні пристрою зміщення нульової точки;

· Конструкція ВОГ повністю виконується у вигляді твердого тіла (у перспективі повністю на інтегральних оптичних схемах), що полегшує експлуатацію та підвищує надійність порівняно з КЛГ;

· ВОГ вимірює швидкість обертання, тоді як КЛГ фіксує збільшення швидкості;

· Конфігурація ВОГ дає можливість «відчувати» реверс напряму обертання.

· Завдяки можливості створення ВОГ повністю на інтегральних оптичних схемах вони мають малі габарити та масу, а також мізерне споживання енергії, що має важливе значення при використанні ВОГ на борту;

· ВОГ має великий динамічний діапазонвимірюваних кутових швидкостей (зокрема, наприклад, одним приладом можна вимірювати швидкість повороту від 1 град/год до 300 град/с);

· Через те, що не витрачається час на розкручування не існуючого ротора, ВОГ практично миттєво готовий до роботи;

· Розглянуті гіроскопи мають низьку чутливість до великих лінійних прискорень і, отже, працездатні в умовах впливу високих механічних навантажень;

· завдяки діелектричній природі волокна, ВОГ має високу стійкість до перешкод, нечутливість до потужних зовнішніх електромагнітних впливів і до проникаючої гамма-нейтронної радіації, особливо в діапазоні 1,3 мкм;

Волоконні оптичні гіроскопи, виконуючи роль датчиків кутової швидкості, можуть бути пов'язані безпосередньо без додаткового карданового підвісу з корпусом об'єкта, параметри руху якого вимірюються. Це значно спрощує конструкцію та вартість систем управління чи стабілізації, основу якої вони становлять.

Волоконна гіроскопія на ефекті Саньяка розвивалася у двох напрямках, що відрізняються використанням резонансних та нерезонансних інтерференційних схем. В основі нерезонансних схем лежить волоконний кільцевий інтерферометр (ВКІ) Саньяка, в якому вимірюється різницю фаззустрічних хвиль. У резонансних схемах використовується пасивний багатопрохідний кільцевий волоконний резонатор, в якому вимірюється. усунення резонансних частотзустрічних хвиль або їх різниця фаз у сфері резонансу.Резонансний ВОГ з низки причин значно менш досліджений практично не виробляється. Тому подальшу увагу зосередимо на розгляді інтерференційного ВОГ.

До загальних переваг оптичних волокон слід віднести:

· Широкосмуговий (передбачається до декількох десятків терагерц);

· малі втрати (мінімальні 0,154 дБ/км);

· Мінімальний (близько 125 мкм) діаметр;

· Мала (приблизно 30 г/км) маса;

· Еластичність (мінімальний радіус вигину 2 мм);

· Механічна міцність (витримує навантаження на розрив приблизно 7 кг);

· Відсутність взаємної інтерференції;

· безіндукційність (практично відсутня вплив електромагнітної індукції);

· Вибухобезпечність (гарантується абсолютною нездатністю волокна бути причиною іскри);

· Висока електроізоляційна міцність (наприклад, волокно довжиною 20 см витримує напругу до 10000 B);

·
висока корозійна стійкість, особливо до хімічних розчинників, олій, води.

Найпростіша принципова схема ВОГ представлена ​​на рис. 2.43. Лазерний діод є джерелом світла, що надходить на напівпрозоре дзеркало (світлодільник), що розділяє його на два однакові промені, що обертаються по волоконному контуру в протилежних напрямках. На виході з волоконного контуру промені знову надходять на дзеркало і далі у фотодетектор та електронний пристрій обробки прийнятого сигналу. Фотодетектор виробляє напругу, пропорційну відносному зміщенню фаз променів, яке, своєю чергою, пропорційне швидкості обертання контуру навколо осі. Електронний пристрій обробки прийнятого сигналу виробляє значення вимірюваної швидкості та шляхом її інтегрування – кута повороту контуру.

Два промені, що обійшли контур у протилежних напрямках, змішуючись у фотодетекторі, утворюють результуюче коливання, закон зміни напруги якого можна записати у вигляді:

де - амплітуди коливань; - Частота випромінювання; ; ; - Початкова фаза коливання; - Фаза Саньяка.

Інтенсивність I випромінювання на фотодетекторі (або величина фотоструму на його виході) визначатиметься такою рівністю:

Позначивши інтенсивність випромінювання на виході лазерного діода , і навіть вважаючи, що у волоконному контурі відсутні втрати, і, вважаючи, що світлодільник поділяє енергію точно порівну, знайдемо:

(2.155)

Тоді вираз (2.154) набуває вигляду:

(2.156)

Для усунення цих недоліків можна використовувати введення початкового фазового зсувуодного з променів на величину, близьку до p/2, або компенсаційний метод вимірювання з подвійною фазовою модуляцієюна високій та низькій частотах

Морський гірокомпас

Проблема створення ГК практично не піддається впливу качки судна зажадала використання як його чутливого елемента гіроскопа з трьома ступенями свободи. Очевидно, що тільки такий гіроскоп, що має досконалу систему підвісу ротора, може ізолювати останній від впливу кутового руху основи, де він встановлений. Однак, зазначений прилад, позбавлений будь-яких коригувальних впливів, не здатний автоматично поєднувати свою головну вісь із площиною меридіана і, тим самим, не може бути гірокомпасом.

Очевидно, необхідно створити таку систему корекції гіроскопа, яка б змушувала його головну вісь встановлюватися в меридіан, але, по можливості, не породжувала б залежності її руху від параметрів качки судна. Найпростіше це завдання вирішується шляхом зміщення центру маси чутливого елемента приладу вздовж зовнішньої осі його підвісу. Розглянемо закон руху головної осі гіроскопа за наявності зазначеного усунення.

Вважатимемо, що гіроскоп із трьома ступенями свободи, до гірокамери ВК(рис. 1.3) якого з метою усунення його центру мас прикріплений вантаж Q, встановлений на земній поверхні в будь-якому пункті а.Будемо також вважати, що в початковий момент його головна вісь ОАзбігається з площиною горизонту та спрямована із заходу на схід. У цих умовах сила Gваги гіроскопа, незважаючи на наявність відстані lміж його центром ваги та точкою підвісу Про, не буде створювати щодо останньої
жодного моменту. Напрямок вектора Gв даному випадку збігатиметься з вертикально розташованою віссю ОСзовнішнього карданова кільця НКі, отже, проходити через точку Пропідвісу гіроскопа.

Початкова орієнтація гіроскопа щодо земної поверхні не залишатиметься незмінною. З часом внаслідок добового обертання Землі місце встановлення гіроскопа переміщатиметься у просторі. Якщо за обертанням Землі спостерігати ззовні з боку північного полюса, буде видно, що це рух відбувається проти годинникової стрілки. Таким чином, через деякий час місце установки гіроскопа, здійснивши разом із Землею поворот навколо її осі, переміститься в просторі на деякий кут і займе нове положення, позначене на схемі точкою б.

У процесі описуваного переміщення гіроскоп, який прагне зберегти напрямок своєї головної осі незмінним у просторі, почне набувати все більшого нахилу до горизонту. При цьому східний кінець головної осі ОАбезперервно підніматиметься над горизонтом, а західний - опускатиметься. Разом із гіроскопом навколо осі 0Вповертатиметься і вантаж Q. За наявності кута β між головною віссю та площиною горизонту вектор Gвже не проходитиме через точку Пропідвісу гіроскопа, обумовлюючи цим виникнення моменту M В,діючого на гіроскоп щодо його внутрішньої осі підвісу ВВ.Неважко помітити, що величина моменту M Увизначається твором , яке внаслідок малості кута β може бути прийнято рівним Glβі, отже, вважатися пропорційною куту β. Напрямок векторного моменту M Узбігається з позитивним напрямом осі 0В,тобто. буде перпендикулярно площині креслення та вказувати на читача.

Як тільки момент М Впочне діяти на гіроскоп, виникне прецесійний рух навколо зовнішньої осі ОС.В результаті головна вісь ОАгіроскопа, повертаючись навколо осі ОСз кутовою швидкістю , буде наближатися до поверхні географічного меридіана. При цьому вектор кінетичного моменту Нгіроскопа рухатиметься у напрямку до північного географічного полюса, як це показано на схемі у положенні в. Як бачимо, описаний гіроскоп набуває здатності встановлюватися на меридіан і, тим самим, перетворюється на компас з маятниковою корекцією. Нерідко його називають гірокомпас з безпосередньою корекцією.

Оскільки, прагнучи меридіана, гіроскоп одночасно рухається двома кутами. α і β , цікавить з'ясувати траєкторію руху його головної осі. Для цього звернемося до рівнянь (2.20), що описують поведінку гіроскопа з трьома ступенями свободи, основа якого обертається у просторі з кутовими швидкостями ω хо,ω уоі ω zo. Якщо врахувати, що у цьому випадку

, (1.1)
де , то вказані рівняння можна переписати в такому вигляді:

(1.2)

Оскільки в якості базової системи координат нами була обрана горизонтальна система з географічною орієнтацією осей (рис. 2.20), зазначені кутові швидкості будуть визначатися рівностями (2.38), у яких відносні швидкості :

Підставляючи рівності (1.3) до рівнянь (1.2) і зважаючи на те, що на практиці << , найдем:

(1.4)

Як було показано раніше (параграф 2.7 ), члени рівнянь (1.4), що залежать від кутових прискорень і визначають незначні за своєю амплітудою нутаційні коливання, що мають досить високу частоту, які, як правило, не реєструються вимірювальними системами. Тому, аналізуючи зазначені рівняння, обмежимося рамками прецесійної теорії, яка не враховує нутаційний рух гіроскопа та дає підставу для виключення з розгляду перших складових цих рівнянь. В результаті вони набудуть вигляду:

(1.5)

Виключивши з отриманих рівнянь також змінну β , будемо мати:

, (1.6)

(1.7)

Рішення рівняння (1.6) може бути записане у вигляді:

де З 1і З 2- Довільні постійні, що залежать від початкових умов.
Продиференціювавши рівність (1.8) і підставивши значення перше рівняння системи (1.5), знайдемо вираз для кута :

Залежності (1.8) та (1.9) характеризують собою зміну у часі кутів відхилення головної осі гіроскопа щодо площин меридіана та горизонту.

Вважатимемо, що в початковий момент часу головна вісь гіроскопа лежала в площині горизонту. β(0)= 0] і була відхилена від меридіана на кут а н [а(0)=а н]. Враховуючи це неважко знайти значення довільних постійних З 1і З 2:

(1.10)

Підставляючи значення зазначених постійних у виразах (1.8) та (1.9), матимемо:

(1.11)

Спростимо отриманий вираз. Для цього введемо позначення:

(1.13)

Підставляючи рівності (1.12) у (1.11), знайдемо: (1.14)

Отримані залежності показують, що ГК, основа якого встановлена ​​нерухомо на земній поверхні, здійснює незагасаючі гармонічні коливання щодо площини меридіана з амплітудою (рис. 1.4) та площини, нахиленої до площини горизонту на кут

(1.15)

Амплітуда останніх, як це випливає з рівності (1.14), визначається таким виразом:

(1.16)

Величина β 0 характеризує той необхідний кут нахилу головної осі гіроскопа, при якому забезпечується безперервний рух цієї осі у світовому просторі за площиною земного меридіана. Справді, Земля обертається довкола місцевої вертикалі. ОСз кутовою швидкістю, що дорівнює

Для того щоб викликати таке ж обертання осі гіроскопа у просторі, необхідно створити постійно діючий щодо внутрішньої осі ОВпідвісу його ротора момент зовнішньої сили, який має дорівнювати твору Зазначений момент виникає при відхиленні осі гіроскопа від вертикалі. Його величина дорівнює . Таким чином, для того, щоб ГК міг відстежувати обертання у просторі площини меридіана, повинна мати рівність:

, (1.17)

з якого випливає рівність (1.12).

Еліптичний характер траєкторії руху головної осі гіроскопа на картинній площині Qобумовлений наявністю фазового зсуву коливань, що відбуваються щодо осей його підвісу, на кут 90 0 аналогічного тому, що був представлений на рис. 2.21.

Період Т 0незатухаючих коливань гіроскопа біля положення рівноваги відповідно до рівностей (1.11) та (1.7) визначається наступним виразом:

(1.18)

З отриманого виразу випливає, що значення Ту процесі плавання залишається постійним, залежить від широти місця судна. У зв'язку з тим, що величина кінетичного моменту Н, зазвичай, досить велика, практично аналізований період становить кілька десятків хвилин, що значно перевищує період качки судна. Це значно підвищує стійкість головної осі гіроскопа під час роботи у різних умовах експлуатації. Проте прецесійні коливання, що розглядаються, породжують періодичну помилку у показаннях ЦК, для виключення якої їх необхідно погасити. З цією метою компас слід забезпечити тим або іншим пристроєм, що демпфує. Характер руху головної осі гіроскопа і положення її стійкої рівноваги в даному випадку залежить від виду демпфуючого пристрою, що використовується. Докладніше це питання буде розглянуто нижче.

Підсумовуючи сказане, відзначимо, що з побудови морського ДК слід:

§

§ забезпечити його пристроєм, що створює щодо внутрішньої осі підвісу ротора момент, пропорційний куту відхилення головної осі гіроскопа від площини горизонту;

§ забезпечити прилад пристроєм, що демпфує прецесійні коливання гіроскопа, що виникають у процесі його встановлення в меридіан.

Волоконний оптичний гіроскоп

Вступ

Волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ) - оптико-електронний прилад, створення якого стало можливим лише з розвитком та вдосконаленням елементної бази квантової електроніки. Прилад вимірює кутову швидкість та кути повороту об'єкта, на якому він встановлений. Принцип дії ВОГ заснований на вихровому (обертальному) ефекті Саньяка.

Інтерес зарубіжних та вітчизняних фірм до оптичного гіроскопу базується на його потенційних можливостях застосування як чутливого елемента обертання в інерційних системах навігації, керування та стабілізації. Цей прилад у ряді випадків може повністю замінити складні та дорогі електромеханічні (роторні) гіроскопи та тривісні гіростабілізовані платформи. За даними зарубіжного друку у майбутньому США близько 50% всіх гіроскопів, які у системах навігації, управління та стабілізації об'єктів різного призначення, передбачається замінити волоконними оптичними гіроскопами.

Можливість створення реального високочутливого ВОГ виникла лише з промислової розробкою одномодового діелектричного світловода з малим згасанням. Конструювання ВОГ на таких світловодах визначає унікальні властивості приладу. До цих властивостей відносять:

потенційно високу чутливість (точність) приладу, що вже зараз на експериментальних макетах 0,1 град/год і менше;

малі габарити та масу.конструкції, завдяки можливості створення ВОГ повністю на інтегральних оптичних схемах;

невисоку вартість виробництва та конструювання при масовому виготовленні та відносну простоту технології;

нікчемне споживання енергії, що має важливе значення при використанні ВОГ на борту;

великий динамічний діапазон кутових швидкостей, що вимірюваються (зокрема, наприклад, одним приладом можна вимірювати швидкість повороту від 1 град/год до 300 град/с);

відсутність обертових механічних елементів (роторів) і підшипників, що підвищує надійність та здешевлює їх виробництво;

практично миттєву готовність до роботи, оскільки не витрачається час на розкручування ротора;

нечутливість до великих лінійних прискорень і, отже, працездатність в умовах високих механічних навантажень;

високу завадостійкість, низьку чутливість до потужним зовнішнім електромагнітним впливам завдяки діелектричній природі волокна;

слабку схильність до проникаючої гамма-нейтронної радіації, особливо в діапазоні 1,3 мкм.

Волоконний оптичний гіроскоп може бути застосований як жорстко закріплений на корпусі носій чутливий елемент (датчик) обертання в інерційних системах управління і стабілізації. Механічні гіроскопи мають так звані гіромеханічні помилки, які особливо сильно виявляються при маневруванні носія (літака, ракети, космічного апарату). Ці помилки ще більші, якщо інерційна система управління конструюється з жорстко закріпленими або "підвішеними" датчиками безпосередньо до тіла носія. Перспектива використання дешевого оптичного датчика обертання, який може працювати без гіромеханічних помилок в інерційній системі управління, є ще одна причина особливого інтересу до оптичного гіроскопа.

Поява ідеї та перших конструкцій волоконного оптичного гіроскопа тісно пов'язана з розробкою кільцевого лазерного гіроскопа (КЛГ). У КЛГ чутливим контуром є кільцевий самозбуджувальний резонатор з активним газовим середовищем і дзеркалами, що відбивають, в той час як у ВОГ пасивний багатовитковий діелектричний світловодний контур збуджується "зовнішнім" джерелом світлового випромінювання. Ці особливості визначають принаймні п'ять переваг ВОГ порівняно з КЛГ:

У ВОГ відсутня синхронізація протилежно біжучих типів коливань поблизу нульового значення кутової швидкості обертання, що дозволяє вимірювати дуже малі кутові швидкості, без необхідності конструювати складні в налаштуванні зсуву пристрою нульової точки;

2. Ефект Саньяка, на якому заснований принцип роботи приладу, проявляється на кілька порядків сильніше через малі втрати в оптичному волокні та великій довжині волокна.

3. Конструкція ВОГ повністю виконується як твердого тіла (у перспективі повністю на інтегральних оптичних схемах), що полегшує експлуатацію і підвищує надійність проти КЛГ.

4. ВОГ вимірює швидкість обертання, тоді як КЛГ фіксує збільшення швидкості.

5. Конфігурація ВОГ дозволяє "відчувати" реверс напряму обертання.

Ці властивості ВОГ, що дозволяють створити прості високоточні конструкції повністю на дешевих інтегральних твердих оптичних схемах при масовому виробництві привертають пильну увагу розробників систем управління. На думку низки зарубіжних фірм, завдяки унікальним технічним можливостям ВОГ інтенсивно розвиватимуться.

Зарубіжні автори констатують, що розробка конструкції ВОГ та доведення його до серійних зразків є непростим завданням. Під час розробки ВОГ вчені та інженери стикаються з низкою труднощів. Перша пов'язані з технологією виробництва елементів ВОГ. В даний час ще мало хорошого одномодового волокна, що зберігає напрямок поляризації; виробництво світлодільників, поляризаторів, фазових та частотних модульаторів, просторових фільтрів, інтегральних оптичних схем знаходиться на початковій стадії розвитку. Число розроблених спеціально для ВОГ випромінювачів та фотодетекторів обмежене.

Фірмами та розробниками ВОГ обидві ці завдання вирішуються. Удосконалюється технологія виробництва елементів у ВОГ, теоретично та експериментально досліджуються фізична природа збурень та нестабільностей, створюються та випробовуються різні схемні варіанти ВОГ із компенсацією цих збурень, розробляються фундаментальні питання використання інтегральної оптики. Точність ВОГ вже зараз близька до необхідної в інерційних системах управління.

У спеціальній науковій та періодичній літературі проблемі ВОГ вже опубліковано багато наукових статей. Аналіз цих статей свідчить про необхідність подальшого вивчення цієї проблеми та розробки нових способів покращення якісних характеристик ВОГ.

Систематизація та узагальнення вузлових питань теорії та практики створення ВОГ також є важливим етапом.

Завданням дипломної роботиє аналіз роботи ВОГ, узагальненої моделі шумів та нестабільностей та оцінка граничної (потенційної) чутливості приладу. На основі якості взаємності необхідно розглянути мінімальну конфігурацію ВОГ. Потім оцінити сучасний стан елементної бази. При цьому значну увагу приділити властивостям волоконних світловодів та провести аналіз можливих неоднорідностей та втрат для різних типів волокон. Розглянути основні елементи ВОГ: волоконний контур, випромінювачі та фотодетектори, а також запропонувати способи компенсації шумів та нестабільностей ВОГ (таких як зворотне релеївське розсіювання, оптичний нелінійний ефект, температурні градієнти, магнітне поле та ін.).

Основним завданням дипломної роботи є розгляд ключових аспектів теорії ВОГ на основі аналізу похибок його елементів та якісної оцінки точності характеристик пристрою з урахуванням використання різних підходів до вирішення проблеми підвищення його чутливості.

Необхідно також розглянути різні схемотехнічні методи зниження рівня шумів та нестабільностей ВОГ.

Окремо відобразити техніко-економічні аспекти роботи, питання безпеки життєдіяльності під час проведення досліджень, а також проблеми екологічної безпеки під час використання приладу.

1. Принципи волоконно-оптичної гіроскопії

1.1. Основні характеристики ВОГ

Оптичний гіроскоп відноситься до класу приладів, в яких в замкнутому оптичному контурі поширюються світлові промені, що зустрічно біжать. Принцип дії оптичного гіроскопа заснований на "вихровому" ефекті Саньяка, відкритим цим ученим у 1913 році. Сутність вихрового ефекту ось у чому. Якщо в замкнутому оптичному контурі в протилежних напрямках поширюються два світлові промені, то при нерухомому контурі фазові набіги обох променів, що пройшли весь контур, будуть однаковими. При обертанні контуру навколо осі, нормальної площині контуру, фазові набіги променів неоднакові, а різниця фаз променів пропорційна кутовий швидкості обертання контуру. Для пояснення вихрового ефекту Саньяка розроблено три теорії: кінематична, доплерівська та релятивістська. Найбільш проста з них – кінематична, найбільш строга – релятивістська, заснована на загальній теорії відносності. Розглянемо вихровий ефект Саньяка у межах кінематичної теорії.

Залежно від конструкції замкнутого оптичного контуру розрізняють два типи оптичних гіроскопів. Перший тип, так званий кільцевий лазерний гіроскоп (КЛГ), у якому контур утворений активним середовищем (сумішою газів гелію та неону) та відповідними дзеркалами, що утворюють замкнутий шлях (кільцевий лазер). Другий тип-волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ), в якому замкнутий контур утворений багатовитковою котушкою оптичного волокна. Принципова схема ВОГ показано на рис. 1.3.

1.2. Принцип взаємності та реєстрація фази у ВОГ

У типових експериментальних конструкціях гіроскопів використовується котушка з R = 100 мм при довжині волокна L = 500 м. Виявлення швидкості обертання 1 град/год вимагає реєстрації фази з роздільною здатністю близько 10 -5 рад. Це показано на рис. 1.4., де зображені значення фазового зсуву функції кутової швидкості обертання контуру і величини LR при  = 0,63 мкм.

Оптичні інтерференційні системи фазової реєстрації з такою чутливістю добре відомі, однак у гіроскопах існують деякі особливі моменти, пов'язані з реєстрацією фази. Перший пов'язаний з тим фактом, що найчастіше гіроскоп працює з номінальною майже нульовою різницею ходу, і для малих змін у відносному значенні фази має місце зневажливо мала зміна інтенсивності на виході.

Рис. 1.4. Фаза Саньяка в кутову швидкість обертання для різних значень параметра LR.

Робота при зміщенні фази в 90° максимізує чутливість, однак це вносить деяку невзаємність для двох напрямів поширення променів у гіроскопі, т. к. фаза променя, що поширюється за годинниковою стрілкою, відрізняється від фази променя, що поширюється проти годинникової стрілки, відсутня.

Властивість взаємності – це другий важливий момент у ВОГ. Фазова невзаємність у ВОГ визначається диференціальною різницею фаз зустрічних променів, що біжать. Будь-яка фазова невзаємність (різниця фаз) для двох напрямків дає зміни у показаннях гіроскопа. Якщо невзаємність є функцією часу, має місце деякий тимчасової дрейф у показаннях гіроскопа. Волокно довжиною 500 м дає фазову затримку близько 10 10 рад. Таким чином, для того щоб зареєструвати швидкість обертання 0,05 град/год, потрібно, щоб шляхи поширення променів, що протилежно біжать, узгоджувалися з відносною точністю до 10 -17 рад.

Слід, крім того, відзначити, що сам принцип дії волоконного оптичного гіроскопа заснований на невзаємній властивості поширення зустрічних хвиль у системі відліку, що обертається (поява різниці фазових набігів двох променів при обертанні). Тому безперечна важливість аналізу невзаємних ефектів і пристроїв у ВОГ (щонайменше хоча б для визначення точності приладу).

Щодо ВОГ аналіз принципу взаємності зручно проводити для ланцюга з чотирма входами та виходами. Для оптичного хвилеводу чотири входи відповідають вводам випромінювання вздовж двох взаємно перпендикулярних напрямів поляризації кожному кінці волокна. Відповідні входи та виходи визначаються вздовж ідентичних поляризаційних осей.

Звідси випливає, що у разі введення випромінювання з вихідним напрямом поляризації Х світло, що виходить з ортогональним напрямом поляризації У, матиме різні набіги фази в кожному напрямку поширення, а світло, що виходить з вихідним напрямом поляризації X, матиме однакові набіги фази для кожного напрямку поширення.

У цьому вся частина вимог, накладених інтерпретацією теореми взаємності Лоренца, яка постулює, що у разі лінійної системи оптичні шляхи точно взаємні, якщо дана вхідна просторова мода виявляється такий самий виході.

Одним із параметрів просторової моди є поляризація; другий параметр також повинен бути визначений, наприклад, просторовий розподіл (розташування) моди. Отже, на кінці контуру ВОГ мають бути як поляризаційний фільтр (селектуючий вихідну поляризацію), так і просторовий фільтр, що задовольнятиме принцип взаємності Лоренца.

Ці досить прості пристрої у конструкції ВОГ (за умови, що вони можуть бути реалізовані з достатньою точністю) гарантуватимуть умови взаємності в системі, але тільки в тому випадку, якщо виконується умова лінійності. Якщо ж нелінійності значні, то ВОГ матиме взаємність у тому випадку, якщо є точна симетрія щодо середньої точки волоконного контуру. Ця умова має на увазі, що енергія, що вводиться в кожен кінець контуру, однакова і що властивості волокна рівномірно розподілені (або принаймні симетричні).

Потужність оптичного випромінювання, що вводиться у волокно, настільки мала (завжди менше ніж 1...2 мВт), що, здавалося б, нелінійності можна знехтувати. Однак чутливість ВОГ до невзаємностей надзвичайно висока і нелінійні ефекти (зокрема ефект Керра) призводять до помітних не взаємностей, еквівалентних швидкості обертання вище 1 град/год. В оптичному волокні має місце обертання площини поляризації лінійно-поляризованого світла під дією зовнішнього магнітного поля (ефект Фарадея).

Обертання Фарадея - це інший невзаємний ефект. У разі лінійно-поляризованого світла повне обертання залежить від лінійного інтеграла струму, взятого оптичним шляхом. Що стосується ВОГ цей інтеграл дорівнює нулю у магнітному полі Землі. Однак, більш ретельне вивчення взаємодії світла у волокні та магнітного поля вздовж волокна вказує на те, що справжнім джерелом обертання є індуковане кругове подвійне променезаломлення і що згаданий вище простий підхід виявляється корисним тільки в тому випадку, якщо обидва кругові компоненти поляризації (права та ліва) мають однакові амплітуди. Це справедливо лише для випадку лінійно-поляризованого світла.

При поширенні світла у волокні мають місце всі можливі стани поляризації і відсоток перебування світла у кожному власному круговому поляризаційному стані Фарадіївського ротатора змінюється вздовж оптичного шляху випадковим чином. Це призводить до певної різниці фаз для двох напрямів поширення лінійно-поляризованої моди на виході.

Таким чином, ВОГ дуже чутливий до магнітного поля Землі, і при конструюванні ВОГ для вимірювання швидкості обертання потрібне магнітне екранування (або забезпечення лінійної поляризації світла по всьому шляху в волокні). Припускаючи, що магнітне поле Землі дорівнює 27 A*m 2 і вважаючи, що компенсація поля відсутня на 5% довжини волокна, можна отримати значення відхилення фази, яке еквівалентне швидкості обертання Землі.

Викладені моменти включали невзаємні ефекти, індуковані в волокні; проте, навіть перші етапи при конструюванні ВОГ з погляду збереження взаємності у системі реєстрації повинні полягати у тому, щоб забезпечити однакову довжину оптичних шляхів у ВОГ.

З рис. 1.3. видно, що ця конфігурація не має властивості взаємності, так як пучок світла, що розповсюджується за годинниковою стрілкою, проходить через дільник світла двічі, а пучок світла, що поширюється проти годинникової стрілки, відбивається від світлоділювача двічі. Але в той же час взаємний оптичний вихідний шлях від чутливого контуру йде у напрямку назад до джерела (від світлодільника до діода), тобто вздовж вхідного оптичного шляху.

Отже, домогтися взаємності у системі реєстрації можна, якщо помістити другий розщеплювач пучка вздовж вхідного оптичного шляху (рис. 1.5.).

Діапазон швидкостей обертання, що вимірюються високочутливим гіроскопом інерційних систем управління, тягнеться від 0,1 град/год до 400 град/год. При LR = 100 м цим значенням швидкості відповідає діапазон зміни фази від 10 до 10 рад (рис.1.4).

Рис. 1.5. Схема ВОГ із постійним усуненням різниці фаз.

До теперішнього часу вже витрачені значні зусилля на збільшення чутливості приладу до низьких швидкостей, і в той же час дуже мало уваги приділяється проблемам, пов'язаним із збільшенням динамічного діапазону.

Як зазначалося, у разі потреби вимірювання великих змін інтенсивності для цієї зміни фази потрібно внести фазовий зсув /2, т. е. інтерферометр повинен працювати у режимі квадратури. У цьому режимі зв'язок між змінами інтенсивності та змінами фази є лінійним (до 1%) тільки до максимальних відхилень фази 0,1 рад. Компенсація нелінійності може бути здійснена у самій системі реєстрації, проте лише до максимального відхилення фази порядку 1 рад.

Існує ряд способів реєстрації фази, які можуть бути використані при конструюванні ВОГ.

Найбільш поширені схеми, де використовується статична різниця фаз 90° між двома променями і схеми зі змінною різницею фаз 90°.

Статична невзаємна різниця фаз між променями, що розповсюджуються за годинниковою та проти годинникової стрілки, може створюватися, наприклад, за допомогою елемента Фарадея, що розміщується на одному кінці волоконного контуру (рис. 1.5). Зміни реєстрованої інтенсивності на взаємному виході відповідають змінам у значенні відносної фази для двох променів, що обігають контур.

Грунтуючись на принципах усунення фази можна запропонувати інший принцип реєстрації, що володіє вищою чутливістю.

1.3. Модель шумів та нестабільностей у ВОГ.

Волоконний оптичний гіроскоп є досить складною оптико-електронною системою. При конструюванні реального приладу оптичні елементи та електронні пристрої повинні вибиратися та компонуватися так, щоб мінімізувати вплив зовнішніх збурень (температурних градієнтів, механічних та акустичних вібрацій, магнітних полів та ін.). У самому приладі, крім того, має місце низка внутрішніх джерел шумів та нестабільностей. Умовно ці шуми та нестабільності можна розділити на швидкі та повільні обурення. Швидкі обурення надають випадковий короткочасний усереднений вплив (секунди) на чутливість ВОГ; вони виразно проявляються при нульовій швидкості обертання (короткочасний шум). Повільні обурення викликають повільний дрейф сигналу, що призводить до тривалих доглядів у зчитуванні показань ВОГ (довготривалий дрейф).

Узагальнена модель джерел шумів та нестабільностей у ВОГ показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Узагальнена модель шумів та нестабільностей у ВОГ.

Якщо виключити вплив всіх джерел шумів і нестабільностей у ВОГ, що, звісно можливо лише у принципі, завжди залишаються принципово непереборні шуми - звані квантові чи фотонні шуми; їх називають також дробовими шумами. Ці шуми з'являються лише у присутності корисного оптичного сигналуна вході фотодетектора та обумовлені випадковим розподіломшвидкості приходу фотонів на фотодетектор, що призводить до випадкових флуктуацій струму фотодетектора. В цьому випадку чутливість (точність) ВОГ обмежується лише дробовими (фотонними) шумами. Чутливість (точність) ВОГ, що визначається дробовими (фотонними) шумами, як і будь-яких інших оптичних інформаційно-вимірювальних систем, є фундаментальною межею чутливості (точності) приладу. Фотонні шуми є наслідком квантової природи світлового випромінювання. Стосовно оптичних систем передачі інформації гранична завадостійкість цих систем, обумовлена ​​фотонними шумами, була обчислена в .

Дотримуючись робіт, проведемо оцінку фундаментальної межі чутливості (точності) ВОГ.

Рівень фотонних шумів залежить від інтенсивності оптичного випромінювання, що падає на фотодетектор, та визначається флуктуаціями інтенсивності оптичного випромінювання.

Оцінка межі чутливості, обумовленої дробовим шумом, може змінитися під впливом ряду чинників.

Першим є квантова ефективність фотодетектора, зменшення якої призводить до зменшення відношення сигнал-шум. Інший фактор полягає в тому, що відповідним чином зважена середня потужність, що потрапляє на фотодетектор, визначає рівень дробового (фотонного) шуму, і вона може бути меншою, ніж максимальна потужність. Однак не завжди зрозуміло, як проводити процедуру зважування. Між оцінкою і межею дробового шуму, що досягається, може бути різниця приблизно в 2 рази.

Існують також інші слабші розбіжності, зумовлені особливостями процесу детектування. Короткочасна чутливість ВОГ, що наближається до вказаної квантової межі, була відзначена в роботах. Подібна чутливість може бути досягнута при ретельному зменшенні всіх інших шумів до дуже низького рівня. Наприклад, тепловий шум підсилювача можна зменшити, якщо відповідним чином вибрати опір навантаження фотодіода; крім того, можна використовувати підсилювач із низьким коефіцієнтом шуму; Сьогодні вже досягнуто коефіцієнт шуму менше 1 дБ. Іншого виду шуми та нестабільності у ВОГ можна зменшити або компенсувати способами, розглянутими в гол. 3.

Розглянемо узагальнену модель шумів та нестабільностей ВОГ. Дамо коротку характеристику основних збурень реального ВОГ.

Одним із головних джерел шуму в системі ВОГ є зворотне релеївське розсіювання в волокні, а в деяких системах ще й відбиття від дискретних оптичних елементів, що використовуються для введення випромінювання в систему. Фізично ці шуми з'являються

через розсіювання світлового випромінювання прямого променя на мікрочастинках та неоднорідностях середовища розповсюдження.

Шуми, пов'язані зі зворотним розсіюванням та відображенням, можуть містити дві компоненти: когерентну та некогерентну. Некогерентна складова збільшує загальний рівень хаотичної світлової потужності на детекторі, джерело додаткових дробових шумів. Некогерентна складова не інтерферує з сигналом, пов'язаним з швидкістю обертання, що вимірюється.

Рівень додаткового вкладу дробовий шум обчислювався, й у всіх практичних ситуаціях величина його трохи більше 1 дБ .

Когерентна складова зворотного розсіювання і шуми відображення підсумовуються векторно з протилежно променями, що біжать; це призводить до виникнення помилки у різниці фаз між двома променями, що залежить від фази шумового сигналу. Наприклад, як зазначається у роботі, френелівське відбиття від граничної поверхні скло-повітря становить близько 4% за інтенсивністю.

У найгірших умовах ця компонента може скластися когерентно з основним променем і дати зміну фази більш ніж 10 -1 рад, що еквівалентно швидкості обертання близько 10 град/с. Помилку за рахунок когерентного відображення можна виключити, якщо використовувати у ВОГ джерело випромінювання з довжиною когерентності набагато менше, ніж довжина волоконного контуру. Тоді шум, пов'язаний з відображенням на кінці волокна, підсумовується некогерентно з корисним сигналом.

Шум, пов'язаний з когерентним зворотним релеєвським розсіюванням, може бути зменшений подібним чином, тобто за допомогою використання джерела випромінювання з найбільш короткою довжиною когерентності. Однак завжди є певний відрізок волокна, розташований приблизно в середині контуру, довжина якого дорівнює довжині когерентності джерела, і саме ця ділянка волокна дає когерентну складову зворотного розсіювання.

Оцінка величини цього шуму може бути зроблена на основі простої моделі, в якій передбачається, що втрати в волокні мають місце завдяки рівномірному розсіюванню на крихітних неоднорідностях в осерді волокна (релеєвське розсіювання). Якщо волокно має втрати 10 дБ/км, то одному метрі розсіюється 0,1% падаючої енергії; назад розсіюється частка розсіяної енергії, що дорівнює квадрату числової апертури волокна. Таким чином, в одному метрі волокна енергія порядку 10 -5 від падаючої розсіюється назад до джерела світла.

Якщо розглядати середину контуру і якщо повне згасання в контурі дорівнює 10 дБ, то центральна частина контуру (довжиною в один метр) дає відхилення в одну мільйонну частину за потужністю (10 -6) по відношенню до потужності, що приймається в пристрої порівняння фаз, що призводить до помилки при оцінці фази, що дорівнює 10 -3 рад (якщо зворотне розсіювання когерентно). Тоді еквівалентна помилка в оцінці швидкості обертання становить величину близько 150 град/год (див. рис. 1.5).

Ефективна помилка, пов'язана з оцінкою швидкості обертання, пропорційна квадратного кореня із довжини когерентності випромінювання джерела. Враховуючи це, у роботі показано, що для виявлення добового обертання Землі ефективна максимальна довжина когерентності дорівнює 0,1 мм; для реєстрації обертання зі швидкістю

0,1 град/год довжина когерентності становить величину близько кількох мікрометрів.

Ряд дослідників використовують модулятори випадкової фази, що розміщуються в середині контуру для того, щоб "декогерувати" (декорелювати) шум зворотного розсіювання.

Властивість взаємності ВОГ може порушуватися під впливом змін зовнішньої температури. Температурні градієнти, що змінюються у часі у волоконному контурі, призводять до появи сигналу, еквівалентного не якому значенню швидкості обертання. Аналіз для гіршого випадку вказує на необхідність жорсткої температурної стабілізації контуру, проте обмеження можуть бути зняті значною мірою, якщо зробити намотування котушки симетричною.

Відхилення від якості взаємності мають місце лише під час зміни температурного градієнта і немає місця, якщо температура всього контуру змінюється однорідно. Вплив температурного градієнта, що має місце між двома стабільними розподілами температур, викликає помилку у зчитуванні кутової швидкості протягом температурних змін.

Площа витка є функцією температури та матеріалу котушки, на яку намотується контур. Цілком імовірно, що для приладу високої точності потрібна стабілізація температури. Можливо, потрібно вносити температурну корекцію в процесі обробки сигналу. Слід також зауважити, що температурні коефіцієнти розширення волокна і котушки для намотування повинні бути добре узгоджені з тим, щоб мінімізувати викликані змінами температури втрати мікрозгинах в волокні. Вони мають місце в тому випадку, коли волокно знаходиться під механічною напругою і можуть становити величину більше 10 дБ/км.

Джерелом шумів у ВОГ, що погіршують чутливість приладу, є флуктуації випромінювання оптичного джерела (лазерного діода, світлодіода або суперлюмінесцентного діода). Цей шум проявляється у флуктуаціях вимірюваного вихідного сигналу. Випромінювання джерела ВОГ може змінюватися як за інтенсивністю, так і за довжиною хвилі світлового потоку, що генерується.

Шум, пов'язаний із зміною інтенсивності випромінювання, збільшує загальний рівень дробових шумів; він може бути викликаний або флуктуаціями струму усунення, що додається до джерела, або внутрішніми флуктуаціями у самому джерелі. У разі напівпровідникових лазерних джерел шум, пов'язаний із змінами інтенсивності, додає один або два децибели до загального рівня дробових шумів. При проектуванні ВОГ спектр такого шуму необхідно, звичайно, знати; відомо, що у разі напівпровідникових лазерів цей спектр дуже складний.

Слід, однак, зауважити, що в багатьох схемах реєстрації, що використовуються у ВОГ, оптична фаза перетворюється на інтенсивність за допомогою інтерферометричного процесу. На виході електронного пристрою зчитують значення оптичної інтенсивності, еквівалентні фазі. Нестабільність в інтенсивності випромінювання оптичного джерела (навіть якщо довжина хвилі випромінювання залишається постійною) призводить до нестабільностей у значеннях фази.

Гетеродинні системи, а також системи реєстрації з обертанням фази в нуль стійкі до нестабільностей такого типу. Відомо, що у напівпровідників джерел з часом з'являється нестабільність інтенсивності випромінювання, викликана старінням, проте цей ефект може бути компенсований, якщо вимірювати повну інтенсивність, від задньої грані джерела і відповідним чином регулювати струм зміщення. Неясно, наскільки ефективна ця процедура, оскільки зміни в струмі зміщення викличуть відповідні зміни температури лазера, а це призведе до відповідних змін у довжині хвилі випромінювання на виході, тим самим впливаючи на масштабний коефіцієнт.

Як зазначалося, стабільність довжини хвилі випромінювання джерела випромінювання ВОГ безпосередньо впливає масштабний коефіцієнт приладу. Лазери з термічною стабілізацією можуть бути досить стабільними, хоча зміни в довжині хвилі випромінювання в залежності від старіння струму накачування і температури тепловідведення повинні бути включені в специфікацію при призначенні для ВОГ; це дозволить вибрати діоди з відповідними характеристиками.

Слід зазначити, що шуми, пов'язані зі зміною довжини хвилі випромінювання джерела ВОГ, незначні у більшості систем реєстрації фази. Вони фактично декорелюють за частотою зворотне релеєвське розсіювання випромінювання. Наприклад, відомі системи ВОГ, де випромінювання гелій-неонового лазера спеціально модулюється за частотою для того, щоб декорелювати назад розсіяне випромінювання.

Розглянемо тепер шуми, що з'являються у ВОГ через нелінійний характер взаємодії випромінювання з середовищем, у якому воно поширюється. Незважаючи на дуже низькі рівні випромінювання, що поширюється у ВОГ, нелінійні ефекти можуть бути дуже значними, якщо врахувати, звичайно, що ВОГ дуже чутливий до фазових невзаємностей у контурі. Нелінійний електрооптичний ефект зветься ефекту Керра і полягає у зміні фазового набігу світлової хвилі, що поширюється в середовищі, під дією інтенсивності випромінювання (тобто фаза змінюється в залежності від квадрата амплітуди випромінювання). При дослідженнях ВОГ було

Фазова стала поширення для хвилі, що біжить за годинниковою стрілкою, пропорційна сумі інтенсивності прямої хвилі та подвоєної інтенсивності зворотної хвилі. Те саме справедливо для хвилі, що біжить проти годинникової стрілки в контурі. Отже, вклади в нелінійність визначаються як хвилею, що розповсюджується за годинниковою стрілкою, так і хвилею, що поширюється проти годинникової стрілки. Якщо інтенсивності стрічно біжать хвиль різні, а це може бути при температурних змінах світлодільників пучків, відгалужувачів і т. д., то фазові постійні поширення для протилежно біжать хвиль змінюються по-різному. Наявна фазова невзаємність контуру ВОГ, що призводить до відповідного дрейфу приладу.

Самокомпенсацію впливу ефекту Керра можна також реалізувати вибором джерела випромінювання ВОГ із відповідними спектральними та статистичними характеристиками. Як відомо, гаусівське джерело шумового поля, маючи гауссовий розподіл амплітуди, має релеївський розподіл огинаючої або експоненційного розподілу інтенсивності.

При механічній недосконалості конструкції ВОГ серйозним джерелом шумів можуть бути акустичні поля, механічні вібрації та прискорення.

Для повноти статистичної моделі збурень ВОГ слід хоча б згадати про такі збурення, як шум типу (низькочастотний шум фотодетектора), спонтанні та стимульовані шуми лазерного джерела випромінювання, мультиплікативні, шуми ЛФД, розсіювання Брілюена (розсіювання на фононах - акустичних) Мі (розсіяння на великих неоднорідностях серед). Проте практично рівень інтенсивності цих шумів невисокий.

Таким чином, ми розглянули узагальнену модель джерел шумів та нестабільностей ВОГ. Залежно від варіанта конструкції ВОГ ті чи інші джерела шумів і нестабільностей можуть грати більшу чи меншу роль. Основними джерелами є шуми зворотного релеївського розсіювання, нелінійний електрооптичний ефект, температурні градієнти, зовнішнє магнітне поле, а також нестабільність інтенсивності та довжини хвилі джерела випромінювання. Принципово непереборним шумом є дробовий (фотонний) шум корисного сигналу, що з'являється в системі реєстрації та визначає фундаментальну межу чутливості (точності) ВОГ.

Аналіз якості взаємності та узагальненої моделі шумів та нестабільностей ВОГ дозволяє розглянути схему так званої мінімальної конфігурації ВОГ. Така конфігурація повинна включати мінімальний набір елементів, які дозволять створити працездатний прилад досить високої чутливості.

Оскільки основні особливості роботи ВОГ тісно пов'язані з властивістю взаємності, а крім того, навіть невеликі відхилення взаємності можуть призвести до похибок у показаннях швидкості обертання і ефектів довготривалого дрейфу - вибір мінімальної конфігурації ВОГ повинен бути заснований на цьому ключовому моменті - властивості взаємності. Варіант мінімальної конфігурації наведено на рис. 1.7.

Випромінювання джерела за допомогою пристрою введення випромінювання (можлива лінзова, імерсійна, торцева та інші системи) вводиться у волоконний світловод. Ефективність введення випромінювання в одномодове волокно залежить від рівня просторової когерентності випромінювання джерела. Чим більша просторова когерентність випромінювання, тим менші втрати при введенні випромінювання у волокно.

Розрахунок та експерименти наведені в показали, що для зменшення впливу зворотного релеївського розсіювання та ефекту Керра випромінювач повинен мати малу довжину тимчасової когерентності. На практиці як випромінювачі використовують світлодіоди (СД), лазерні діоди (ЛД) та суперлюмінісцентні діоди (СЛД). Останні два типи випромінювачів мають досить високий рівень просторової когерентності; ЦД має найменшу тимчасову когерентність.

Модовий фільтр зазвичай складається з відрізка одномодового волокна (просторовий фільтр) та поляризатора. Очевидно, доцільно просторовий фільтр виконати з одномодового волокна, що зберігає поляризацію.

Рис. 1.7. Мінімальна конфігурація ВОГ.

Застосування модового фільтра сприятиме виконанню основних умов властивості взаємності Лоренца, зменшуючи тим самим дрейф ВОГ. Стабільний модовий фільтр буде ефективним, якщо середовище між входом і виходом волоконного контуру зберігатиметься лінійним і незмінним у часі.

Необхідний точний контроль поляризації випромінювання на вході та виході контуру. Якість поляризатора залежить від ступеня ріжекції поляризатором променів із ортогональною поляризацією. У гіршому випадку, коли на кожен напрямок поляризації припадає випромінювання рівної інтенсивності, небажаний сигнал знаходиться у квадратурі по фазі з корисним сигналом; саме в цьому випадку має місце максимальна фазова помилка. Як повідомляється в , для поляризатора з режекцією небажаної поляризації в 70 дБ фазове відхилення в системі реєстрації становить величину близько 10 -4 рад.

що еквівалентно догляду гіроскопа близько 20 град/год. Однак догляд можна зменшити на один-два порядку навіть з використанням згаданого поляризатора, якщо поляризації випромінювань на вході та виході збігатимуться з віссю поляризатора з точністю до 1°. Таким чином, питання стабільності поляризації випромінювання у ВОГ має дуже серйозне значення.

Експериментальна конструкція ВОГ, розглянута в , була виконана повністю на одномодовому волокні зі стійкою поляризацією і продемонструвала високу чутливість. Зберегти стійкою поляризацію в контурі можна, мабуть, і при використанні звичайного одномодового волокна, але намотування останнього треба робити на котушку певного радіусу і з певною механічною напругою, оскільки сам факт намотування волокна на котушку призводить до селекції та збереження поляризаційних властивостей у системі.

Для поліпшення ступеня ріжекції небажаної поляризації можливе використання двох або більшого числа поляризаторів. Слід, проте, згадати, що повна деполяризація випромінювання у ВОГ іноді дає дуже хороші результати.

Просторовий фільтр, розташований між відгалужувачами P 1 і P 2 повинен мати просторову характеристику, що перекривається з модовою структурою на вході і виході волоконного контуру. Крім того, він повинен зберігати стабільне просторове співвідношення з торцями волокна; модова структура у волок

не на вході та виході контуру має бути ідентичним.

Оскільки у ВОГ, як правило, використовується одномодове волокно, ослаблення просторовим фільтром мод вищого порядку не викликає труднощів.

При застосуванні у ВОГ звичайного одномодового волокна (не зберігає поляризацію) всередину контуру поміщають поляризаційний пристрій ПУ, який додатково селектує і контролює поляризацію в контурі, тим самим стабілізуючи оптичну потужність моди, що виділяється модовим фільтром.

На схемі мінімальної конфігурації ВОГ (рис.1.7.) показані модулятори М, які за необхідності можуть бути включені до різних точок оптичного гіроскопа. Як правило - це частотні і фазові модулятори, призначення яких полягає у перенесенні фази Саньяка на сигнал змінної частоти або частотної компенсації цієї фази - з тим, щоб вимірювання кутової швидкості проводити на змінному сигналі. Крім того, модуляцією можна зменшити шуми зворотного релеєвського розсіювання.

Як фотодетектор у практиці конструювання ВОГ застосовують фотодіоди (ФД), р - i - n -фотодіоди та лавинні фотодіоди (ЛФД). Потужність лазерного джерела достатня висока для того, щоб можна було використовувати р - i - n -фотодіоди; проте при застосуванні СЛД можуть знадобитися лавинні фотодіоди із внутрішнім множенням. У разі з'являється додаткове джерело шумів - випадкові флуктуації коефіцієнта лавинного множення.

Вплив елементів ВОГ на точнісні характеристики системи

2.1. Характеристики джерел випромінювання для ВОГ.

При конструюванні волоконних оптичних гіроскопів, як правило, як випромінювачі використовують напівпровідникові лазери (лазерні діоди ЛД), світлодіоди (СД) та суперлюмінесцентні діоди (СЛД). У ряді експериментальних установок ВОГ, проте, застосовують також гелій-неонові квантові оптичні генератори. Їх використання пояснюється, мабуть, традиційною думкою про те, що в оптиці при вимірі фазових співвідношень переважають висококогерентні джерела випромінювань. При використанні гелій-неонових ОКГ його випромінювання можна "декогерувати" частотною модуляцією, що зменшить вплив зворотного релеївського когерентного розсіювання, що вносить помилку при вимірюванні кутової швидкості обертання. Більш того, для компенсації ефекту Керра, що також вносить помилку, можна застосовувати широкосмугові джерела, що наближаються за спектральними властивостями до теплових джерел.

Крім того, специфіка конструкції ВОГ висуває додаткові вимоги до джерел випромінювання. До них відносять: відповідність довжини хвилі випромінювання номінальною довжиною хвилі світловода, де втрати мінімальні; забезпечення досить високої ефективності введення випромінювання у світловод; можливість роботи джерела випромінювання у безперервному режимі без охолодження; досить високий рівень вихідної потужності випромінювача; довговічність, відтворюваність характеристик, жорсткість конструкції, а також мінімальні габарити, маса, споживана потужність та вартість.

Найбільш повно цим умовам відповідають напівпровідникові випромінювачі – ЛД, СД та СЛД. Розглянемо деякі характеристики випромінювачів.

Можливість використання напівпровідникових інжекційних лазерів як джерело випромінювання у ВОГ приваблює дослідників та конструкторів насамперед їх малими габаритами та масою, високим ККД, прямим струмовим накачуванням, твердотільною конструкцією та низькою вартістю. Крім того, вводячи різні домішки, можна перекривати необхідний діапазон довжин хвиль.

В даний час створено велику кількість типів напівпровідникових інжекційних лазерів або лазерних діодів (ЛД) на різних матеріалах. Принцип генерації випромінювання ЛД має низку істотних відмінностей від принципу генерації лазерів інших типів, що пов'язано з особливостями їх енергетичної структури.

Розглянемо в загальних рисах технічні параметри ЛД, що дозволить нам оцінити можливість використання тих чи інших структур у волоконно-оптичних гіроскопах з урахуванням вимог, що накладаються на них.

У безпримісному напівпровіднику розрізняють такі енергетичні зони: валентну, заборонену та зону провідності. У реальному напівпровіднику слід враховувати наявність домішок. Домішки є причиною додаткових енергетичних рівнів. Донорні домішки утворюють рівні поблизу зони провідності, а самі частинки домішки, іонізуючись, додають у збуджену зону (зону провідності) надлишкові електрони. Акцепторні домішки мають рівні поблизу валентної зони. Ці домішки захоплюють електрони з валентної зони, утворюючи надлишкову кількість дірок. Число електронів у зоні провідності суттєво перевищує число дірок у валентній зоні (це характерно для напівпровідника n-типу, для напівпровідника р-типу навпаки).

При з'єднанні напівпровідників різних типів провідності на межі їхнього розділу утворюється р-n-перехід.

Характер розподілу електронів за можливими енергетичними станами у напівпровіднику залежить від концентрації легуючої домішки та температури. Для того, щоб створити в напівпровіднику умови генерації індукованого випромінювання, потрібно порушити рівноважний розподіл за енергетичними рівнями, тобто перерозподілити їх так, щоб на високих рівнях виявилося більше електронів, ніж на нижніх. У напівпровідникових матеріалах можливі різні переходи, електронів, такі як "зона-зона", "зона-домішка", та переходи між рівнями домішки. Перехід електрона на

Вищі енергетичні рівні супроводжується поглинанням енергії ззовні. При переході більш низькі рівні енергія виділяється. При цьому енергія, що виділяється, випромінюється у вигляді електромагнітних коливань, або витрачається на нагрівання кристалічної решітки.

Для переходу "зона-зона" інверсія населеності енергетичних рівнів має місце, якщо число електронів у зоні провідності більше, ніж у валентній зоні. Інверсію населеності у напівпровідникових матеріалах можна реалізувати лише шляхом створення нерівноважної концентрації електронів та дірок.

Основним способом створення інверсної населеності в напівпровідниках є спосіб інжекції через р-п-перехід нерівноважних носіїв струму. Така інжекція реалізується подачею електричного зміщення на р-п-перехід у позитивному напрямку. Тоді потенціал на межі розділу напівпровідників знижується і через

перехід починає протікати струм основних носіїв дірок з р-області та електронів з n-області. Зона з інверсною населеністю виникає поблизу р – n-переходу. При переходах електронів із зони провідності до валентної зони виникає індуковане випромінювання, тобто процес індукованого переходу супроводжується випромінювальною рекомбінацією електронів і дірок у р - n-переході. При випромінювальній рекомбінації виділяється надмірна енергія у вигляді світлового кванта.

Ефект лазерної генерації світла в напівпровідникових структурах можливий лише за наявності позитивного зворотного зв'язку світлового випромінювання; при цьому посилення має компенсувати оптичні втрати. Позитивний зворотний зв'язок здійснює оптичний резонатор Фабрі - Перо, утворений плоскопаралельними гранями кристала, що відбивають, перпендикулярними площині р - n -переходу. Поверхні, що відбивають, створюються шляхом полірування двох протилежних граней кристала або шляхом сколювання по кристалографічних площинах. Коефіцієнт відбиття цих поверхонь становить приблизно 0,3. Однак навіть при невеликій довжині активної речовини (десяті частки міліметра) такий коефіцієнт відображення достатній для лазерної генерації завдяки великому коефіцієнту посилення активного середовища.

Нині ефект вимушеної генерації отримано багатьох напівпровідникових матеріалах; майже перекрито діапазон генерації від 0,33 до 31 мкм.

Одна з ранніх конструкцій напівпровідникового інжекційного лазера була створена на матеріалі GaAs. У лазерному діоді нижня пластина складається з GaAs з домішкою телуру і має провідність n-типу. Верхня пластина складається з GaAs з домішкою цинку та має провідність р-типу. Кожна пластина має контакт для з'єднання із джерелом живлення. Геометричні розміри р - n-переходу становлять соті частки міліметра, товщина області, у якій створюється випромінювання, 0,15...0,2 мкм. Торцеві відполіровані грані утворюють резонатор. Випромінювач такого типу працює в імпульсному режимі при досить глибокому охолодженні (77 К).

Для GaAs-лазерів із простим р - n-переходом порогові щільності струму при кімнатній температурі становлять значення > 10 5 А/см 2 . У такому режимі напівпровідниковий лазер нагрівається настільки сильно, що без хорошого тепловідведення тривала експлуатація його можливості. Тому без охолодження такі GaAs-лазери працюють лише в імпульсному режимі. Тривала експлуатація випромінювача при кімнатній температурі (що важливо для ВОГ) можлива лише за зменшення порогової щільності струму приблизно 10 3 А/см 2 .

Вимогам низьких порогових щільностей струму та можливості тривалої роботи при кімнатній температурі відповідають напівпровідникові лазери на подвійних гетероструктурах AIGaAs/GaAs. Вони мають ще цілу низку переваг, особливо важливих при конструюванні ВОГ.

У лазерах на структурах з подвійними гетеропереходами зменшується товщина активної області рекомбінації, забезпечується утримання носіїв та випромінювання у вузькій області поблизу р - n-переходу. Це дозволяє підвищити ККД та створювати лазери із заданою діаграмою спрямованості випромінювання. У режимі індукованої генерації у подвійній гетероструктурі згасання основної хвилі дуже мало, оскільки структура утворює діелектричний хвилевід.

При конструюванні ВОГ як випромінювач, що з'єднується з волоконним світловодом, застосовують напівпровідникові лазери зі смужковою геометрією контакту на подвійних гетероструктурах. У таких конструкціях лазерне випромінювання виходить із малої області, що забезпечує хороші умови введення випромінювання у світловоди з низькою числовою апертурою. Через невеликі розміри активної області лазер має малими пороговими і робочими струмами при достатній вихідній потужності, що забезпечує тривалу роботу в безперервному режимі при кімнатній температурі. При малому розмірі активної

області простіше отримати площу, вільну від дефектів, що важливо підвищення ефективності лазера.

Типові параметри напівпровідникових лазерів з подвійною гетероструктурою, що генерують в області 0.8 - 0.9 мкм, наступні: ширина лінії генерації 0.2 - 5 нм, розміри випромінюючої області 0.5...30 мкм 2 середня кутова розбіжність випромінювання 5... 30° , паралельної р - n -переходу) і 30 ... 60 ° (в площині, перпендикулярній р - n -переходу), вихідна потужність 1 ... 10 мВт, пороговий струм 20 ... 200 мА, середня довговічність 10 5 год .

Сучасний стан технології виготовлення кварцових оптичних світловодів дозволив створити світловоди, що мають мінімум втрат та дисперсії в діапазоні довжин хвиль 1,1...1,7 мкм. Цей діапазон рекомендується використовувати також розробникам ВОГ. Ці потреби стимулювали розробку напівпровідникових лазерів на даний діапазон довжин хвиль. Напівпровідниковим матеріалом послужили потрійні та четверні з'єднання. Були створені напівпровідникові лазери на гетероструктурі GalnAsP/lnP, що випромінюють на довжинах волі 1,3 та 1,6 мкм. З'явилися повідомлення про створення лазерів з гетероструктурами на основі сполук AIGaAsSb/GaAsSb, що генерують на довжинах хвиль 1,3 мкм та 1,5...1,6 мкм.

При цьому конструкції та параметри цих лазерів аналогічні конструкціям лазерів на AIGaAs.

Світлодіоди (ЦД) генерують некогерентне випромінювання, оскільки в них випромінювальна рекомбінація має суто спонтанний характер. Спектральний розподіл лінії випромінювання випромінювальної рекомбінації принаймні на порядок ширший за лінію випромінювання лазерних діодів. Широкий спектр випромінювання ЦД дуже сприятливий для ВОГ, оскільки за рахунок малої довжини когерентності дозволяє компенсувати вплив ефекту Керра та зворотного релеївського розсіювання.

Коефіцієнт введення випромінювання світлодіодів у світловоди з низькою числовою апертурою значно менше, ніж для лазерних діодів. Однак ЦД простіше в конструктивному виконанні і має меншу температурну залежність потужності випромінювання. Так, зокрема, вихідна потужність ЦД з подвійним гетеропереходом зменшується лише удвічі зі збільшенням температури діода від кімнатної до 100°.

Порушення ЦД забезпечується інжекцією носіїв через р-n-перехід. Як і звичайний напівпровідниковий лазер, простий ЦД містить один р - n-перехід у прямозонному напівпровіднику, лише частина інжектованих електронів рекомбінують випромінювально. Інші губляться на безвипромінювальних рекомбінаціях.

Зменшити рекомбінаційні та оптичні втрати ЦД можна, якщо виконати прилад із гетеропереходами або навіть на подвійних гетероструктурах.

СД із подвійним гетеропереходом, розроблений спеціально для з'єднання з волоконним світловодом. Область рекомбінації розташована поблизу холодопроводу, а в підкладці з GaAs протруєно ямку, в яку вставляється світловод. Конструюються світлодіоди як з виведенням випромінювання через поверхню, що обмежує перехід зверху (площинні ЦД), так і з виведенням енергії в напрямку, паралельному площині р - n-переходу (торцеві ЦД). При цьому вихідна потужність становить кілька міліватів при щільності струму близько 10 3 А/см. Так ЦД виготовлений на основі AlGaAs-структури з полосковим контактом шириною 100 мкм при щільності струму накачування 2 10 3 має потужність випромінювання 3 мВт на довжині хвилі 0,8 мкм; ЦД з витравленою ямкою та лінзоподібною поверхнею має потужність випромінювання 6 мВт при щільності струму 3400 А/см.

Світлодіоди навіть при високих густинах струму інжекції (понад 10 А/см) виявляються дуже надійними; їхня середня довговічність досягає 10 5 ...10 6 год.

Широке застосування набули суперлюмінесцентні діоди. Як зазначалося, випромінювальна рекомбінація у звичайних світлодіодах призводить до спонтанного випромінювання світла. Це спонтанне випромінювання викликає наступні випромінювальні переходи і посилює саме себе (оскільки концентрація електронів і дірок не є рівноважною). Це посилення невелике, оскільки випромінювання проходить тонку область рекомбінації у поперечному напрямку. Для отримання лазерного ефекту необхідно це випромінювання спрямувати вздовж активного шару і забезпечити відбиття від кінцевих площин. Однак посилення спонтанного випромінювання в такій конфігурації спостерігається і нижче порога збудження і при кінцевих площинах, що не відбивають. Посилене і направлене таким чином випромінювання називається суперлюмінесценцією. На цьому ефекті і засновані супсрлюмінесцентні діоди (СЛД). При цьому активне середовище формують у вигляді оптичного хвилеводу, який замикається на одному кінці дзеркалом, що добре відображає, а на іншому кінці випромінює світло без відображення в простір або в світловод. Для сильної суперлюмінесценції необхідне високе посилення активному середовищі, що у напівпровідниках забезпечується високої щільністю потужності. Суперлюмінесцентні діоди конструюються на основі подвійної гетероструктури із смужковою геометрією. Контактні смужки з одного боку доходять до торцевої фронтальної поверхні, у той час як з іншого боку не доходять до краю напівпровідника. Саме на цій стороні суперлюмінесценція згасає, оскільки в цю сферу електрони не інжектуються. З фронтальної сторони генерується суперлюмінесценція, при цьому розкривши діаграми випромінювання визначається шириною та довжиною смужки.

При конструюванні подвійної гетероструктури зі смужковою геометрією для СЛД активна р-область GaAs робиться товщиною 0,3...0,5 мкм, контактна смужка - шириною 12...15 мкм. При довжині смужки до 1,5 мм і щільності струму 10 4 А/см потужність випромінювання імпульсному досягає 50 мВт при ширині лінії генерації 0,008 мкм.

Шумові характеристики волоконно-оптичного контуру

В оптичній гіроскопії для намотування чутливого контуру використовують три види волокна: багатомодове, одномодове та одномодове зі стійкою поляризацією. Довжина периметра контуру визначається з двох передумов. З одного боку, збільшення довжини контуру підвищує точність системи в цілому, так як величина невзаємного фазового зсуву пропорційна довжині волокна, з іншого боку для більш довгого контуру більшою мірою на роботу системи впливають параметри згасання та нерегулярності волокна. Системи, де потрібна висока чутливість до низьких швидкостей обертання, мають на увазі вибір оптимальної довжини контуру з урахуванням усіх можливих факторів, що впливають на точнісні характеристики системи. Зазвичай використовуються волокна завдовжки від 200 до 1500 м-коду.

Діаметр котушки вибирається за критерієм мінімізації втрат у волокні на згинах та з урахуванням габаритних розмірів пристрою. Типове значення від 6 до 40 див.

Залежно від кількості хвиль (мод), що поширюються на робочій частоті, можуть використовуватися одно- і багатомодові світловоди.

Для характеристик світловода важливе значення має профіль показника заломлення поперечному перерізі. Використовуючи можливості неоднорідних світловодів в широких межах змінювати свої характеристики залежно від закону зміни діелектричної проникності по поперечному перерізу, можна для кожного конкретного застосування підібрати світловод з найкращою відповідністю його характеристик до вирішення задачі.

Важливою характеристикою світловода є числова апертура NA, що представляє собою синус максимального кута падіння променів на торець світловоду, при якому у світловоді промінь на кордон "серцевина-оболонка" падає під критичним кутом. Від значення NA залежать ефективність введення випромінювання світлодіода в світловод, втрати на мікрозгинах, дисперсія імпульсів, число мод, що поширюються.

У практиці волоконно-оптичної гіроскопії важливо мати оціночні характеристики волокон різної структури, не вдаючись до складних розрахунків, представляти загальну модель помилок, які можуть помітно знизити точнісні характеристики системи. Отримаємо наближені співвідношення для статистичних характеристик втрат у волокнах з різними властивостями та структурою, що їх визначає. Так як багатомодові світловоди мають дисперсійні характеристики, що сильно обмежують точність приладів, зупинимося на розгляді одномодових волокон у складі загальної теорії поширення хвиль.

При виборі фотодетектора для ВОГ необхідно в спектральному діапазоні забезпечувати максимальну інтегральну чутливість, мінімальну еквівалентну потужність шумів і мінімальний темновий струм.

Частотна характеристика та швидкодія фотодетектора відіграють менш значну роль, оскільки максимальна частота зміни кутової швидкості, що вимірюється ВОГ, завжди вкладається в смугу пропускання ФД, незалежно від застосування допоміжної модуляції.

Напівпровідникові фотодіоди характеризуються гарною спектральною та інтегральною чутливістю. Вони мають високу квантову ефективність і малу інерційність; їх параметри стабільні у часі.

Принцип роботи напівпровідникового діода заснований на фотовольтаїчному ефекті, який полягає в тому, що при опроміненні неоднорідного напівпровідника світлом виникає фотострум (або фото-ЕРС). Високочутливі фотодіоди та лавинні фотодіоди з внутрішнім посиленням струму конструюються на основі р-n-переходів, р-i-n-структур або переходів метал-напівпровідник.

У всіх структурах фотозбуджені електрони н дірки, що утворюються всередині області переходу та в об'ємі напівпровідника, дифундують до переходу, утворюючи фотострум. Для утворення вільної електронно-діркової пари з обох боків від p-n-переходу необхідно, щоб енергія поглиненого фотона була більша за ширину забороненої зони. Утворення та дифузія пар електрон-дірка супроводжується появою потенціалу у перерізі переходу. Під дією електричного поля переходу електрон рухається у напрямку n-області, а дірка - у напрямку p-області.

У такий спосіб відбувається розщеплення пар. Надлишок електронів у n-області та дірок у p-області призводить до того, що n-область заряджається негативно, а p-область - позитивно. На розімкнених кінцях детектора з'являється ЕРС; приєднання до кінців опору призведе до появи продетектованого струму.

Фотодіоди можуть включатися без джерел струму, так і послідовно з джерелом постійного струму напругою від декількох вольт до 100 В. У другому випадку чутливість детектора значно підвищується. При аналізі шумових властивостей фотодіодів (тобто при необхідності знайти відношення сигнал/шум або визначити чутливість ВОГ, обмежену лише фотоприймачем) зазвичай потрібно враховувати три види шумових струмів:

1) шумовий струм, що виникає при детектуванні світлового потоку (дробовий шум); 2) шумовий струм, обумовлений випадковим тепловим рухом електронів у навантажувальному опорі та в наступних електронних ланцюгах; 3) шумовий струм самого фотодіода, основна складова якого обумовлена ​​темновим струмом.

Якщо зменшити тепловий шум навантаження опору зміною ефективної температури опору, а принципово непереборний дробовий шум вважати малим, то порогову чутливість фотодіода визначатиме темновий струм. З цієї точки зору для реалізації максимальної граничної чутливості необхідно вибирати фотодіод з мінімальними темновими струмами. Розмір темнового струму залежить від властивостей матеріалу фотодіода, температури, площі р-n- переходу, конструктивних особливостей тощо.

У фотодіодах з р- i - n- переходом досить широка область своєї провідності ( i - область) розташована між двома областями напівпровідника протилежного знака провідності; в i-області розподілено сильне однорідне електричне поле, що сприяє збільшенню чутливості фотодіода

Чутливість германієвих та кремнієвих р- i - n- фотодіодів становить 0.5... 0.6 А/Вт, темновий струм при глибокому охолодженні (77 К) може бути доведений до 10 -11 А.

Останнім часом розроблено р-i-n- фотодіоди на основі InGaAs/InP, які спільно з підсилювачем на польовому транзисторі (FET) утворюють інтегральну схему; такий р-i-n- FEТ-приймач працює в діапазоні довжин хвиль 1,3...1,5 мкм, має високу квантову ефективність 0.65...0.7, малу ємність - 0.15 рF, що визначає високу швидкодію. Фотодіод змонтований в кварцовому блоці, в якому є невеликий отвір для введення світлодіода волоконного з діаметром сердечника 50 мкм, при цьому оптичний сигнал з волокна повністю перехоплюється фотодіодом. Кварцовий блок монтується на товстоплівковій гібридній схемі попереднього підсилювача. Підведення світловоду до схеми герметизовано. Попередній підсилювач містить транзистор (GaAs МЕSFЕТ), опір зміщення 10МОм, два кремнієві біполярні транзистори з граничною частотою близько 7 ГГц і товстоплівкові опори, виготовлені на гібридній схемі. Чутливість такого модульного р - i - n-FЕТ-приймача становить -53 дБм; Цікаво відзначити, що з зміні навколишньої температури від 20 до 60" З чутливість змінюється лише з 1 дБ.

Лавинний фотодіод (ЛФД) є твердотільний аналог фотоелектронного помножувача. У ньому використовується механізм ударної іонізації в області сильного поля зворотногозміщеного переходу. Примноження струму відбувається внаслідок зіткнення електронно-діркових пар, що виникають в результаті фотоіонізації, з атомами кристалічної решітки напівпровідника. Цей ефект під впливом сильного поля зміщення в умовах лавини породжує велику кількість електронно-діркових пар. В результаті струм суттєво збільшується навіть на надвисоких частотах. При лавинному посиленні струму для середніх рівнів світлового потоку та високого коефіцієнта лавинного множення чутливість приймального пристрою визначається відношенням сигналу до квантового шуму. Для низьких рівнів світлового потоку та малого коефіцієнта лавинного множення відношення сигнал-шум та поріг чутливості обмежуються тепловим шумом.

Лавинні фотодіоди характеризуються більшим темновим струмом, ніж фотодіоди, а отже і більш низькою чутливістю, навіть якщо реалізовано досить високе посилення струму, що дозволяє при низьких рівнях сигналу перевершити тепловий шум. Крім того, процес множення вносить надмірний шум. Однак лавинний фотодіод має більш високу квантову ефективність. Використання кремнієвих або германієвих лавинних фотодіодів дозволяє суттєво підвищити загальну чутливість широкосмугових. приймальних пристроїв. При виборі лавинного фотодіода для приймальної системи необхідно, крім квантового виходу і широкосмугового, враховувати специфічні фактори, притаманні тільки лавинному фотодіоду, такі, як посилення струму і пов'язані з ним обмеження, а також надмірні шуми. Технологія виготовлення лавинних фотодіодів є складною. Це зумовлено необхідністю забезпечення просторової рівномірності множення носіїв по всьому світлочутливому майданчику діода та мінімізації витоку по краях переходу. Для зменшення витоку використовують захисні кільця. Зазвичай розкид у посиленні через просторову нерівномірність множення носіїв становить від 20 до 50% за середнього посилення 1000.

У лавинному фотодіоді посилення максимально в режимі, коли зсув на діоді наближається до пробивної напруги. При напругах, великих пробивного, протікає лавинний струм, що самопідтримується, який все менш і менше залежить від концентрації носіїв, що з'являються під дією світлового потоку. У робочому режимі максимальне посилення лавинних фотодіодів обмежується або ефектами насичення, викликаними струмом, що протікає, або добутком коефіцієнта посилення на смугу пропускання. Ефект насичення множення носіїв зумовлений тим, що носії, що виходять з області, в якій відбувається множення, зменшують електричне поле всередині переходу та створюють падіння напруги на послідовному резистори та навантаженні діода. Обмеження смуги пропускання пояснюється переміщенням вторинних електронів і дірок (утворених за допомогою іонізації) по області множення в протилежних напрямках ще деякий час після того, як первинні носії покинули перехід. Надмірний шум у лавинних фотодіодах обумовлений флуктуаціями процесу множення носіїв.

Найпростішими лавинними фотодіодами є кремнієві діоди із захисним кільцем та з діаметром світлочутливого майданчика від 40 до 200мкм; робочий діапазон хвиль – приблизно від 0,4 до 0,8 мкм. Германієві лавинні п + - р-діоди мають робочий діапазон хвиль від 05 до 15 мкм. Добуток коефіцієнта посилення струму на смугу пропускання для кремнієвих і германієвих лавинних фотодіодів дорівнює відповідно 100 і 60 ГГц. Отже, при посиленні струмом 100 і 60 використання в приймальній системі кремнієвого або германієвого лавинного фотодіода забезпечує смугу пропускання в 1 ГГц.

В даний час ведуться інтенсивні розробки лавинних фотодіодів на основі GaAs, InAs і InSb, які мають високе посилення і нікчемний надлишковий шум.

На основі з'єднання GaAlAsSb створені ЛФД на діапазон довжин хвиль 1... 1,4 мкм, що перевершують за параметрами германієві ЛФД. Для довжин хвиль 1...1,7 мкм застосовують сполуки типу InGaAsP; значного поліпшення характеристик ЛФД очікують під час використання гетероструктур з урахуванням InGaAsP/InP. Крім того, продовжуються роботи зі створення інтегральних схем, що є комбінацією ЛФД та вхідного підсилювача на польовому транзисторі (так звані FET-ЛФД), що дозволяє покращити якість фотоприймача.

2 .4. Аналіз прямих динамічних ефектів (температурних градієнтів та механічних напруг)

Випадкові тимчасові зміни навколишньої температури та механічної напруги волокна призводять до змін оптичних постійних поширення та геометричних параметрів волокна. Це призводить до того, що в контурі ВОГ з'являється фазова невзаємність, наслідком якої є "фазорозносні шуми"
на фотодетекторі (властивість взаємності застосовується лише до лінійних систем, інваріантних у часі).

Для моделювання "фазорозносних" шумів вважатимемо, що локальне одиночне джерело фазових шумів розміщено в довільній точці волоконного контуру (рис 2.5.)

Рис. 2.5. Волоконний контур із локальним джерелом фазових шумів.

Вплив зовнішнього магнітного поля на точнісні характеристики ВОГ.

Існує багато речовин, оптичні параметри яких залежить від величини напруженості зовнішнього магнітного поля. Коефіцієнт заломлення середовища є одним із таких параметрів. Зміна коефіцієнта заломлення пов'язане з обертанням площини поляризації випромінювання, що поширюється серед. Обертання площини поляризації світлового променя, що розповсюджується в середовищі, під дією магнітного поля обумовлено ефектом Фарадея. Іноді ефектом Фарадея називають штучну оптичну активність, що у середовищі під впливом магнітного поля.

Оптичною активністю є здатність речовини повертати вектор поляризації лінійно-поляризованого світлового променя. Якщо причиною виникнення обертальної здатності є будь-який зовнішній вплив (наприклад, магнітне поле), активність цього типу є штучною. В оптично активній речовині оптичне випромінювання розпадається на дві хвилі, поляризовані циркулярно - по правому та лівому колах. Вектори поляризації цих хвиль обертаються у протилежних напрямках, а коефіцієнти заломлення їм різні.

Лінійно-поляризований світловий промінь можна представити суперпозицією двох хвиль, поляризованих по колу, із взаємно протилежним обертанням вектора поляризації та рівними амплітудами коливань. Розглянемо поширення лінійно-поляризованої хвилі в середовищі, що виявляє ефект Фарадея. Для аналізу поширення хвилі в середовищі, поміщеному в магнітне поле, представимо хвилю у вигляді суми двох хвиль, поляризованих по колу з протилежними напрямками обертання та різними швидкостями поширення:

1. Застосування гіроскопів

   Реферат >> Фізика

   ... оптичногохвилеводу. Для збільшення довжини оптичногошляхи та підвищення чутливості гіроскопа оптичневолокно згорнуте у спіраль. У волоконно-оптичному гіроскоп... проблемою Мал. 4. ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИЙ ГІРОСКОП. Лазерні промені поширюються...

2. Двохосний індикаторний стабілізатор телекамер на ВО (2)

   Реферат >>

   Швидкості (ДУС), роль якого виконує волоконно-оптичний гіроскоп(ВОГ), сигнал на виході якого... експлуатації ВОГ, на відміну від механічних гіроскопів, є його висока чутливість до перевищень.

3. Лазерне випромінювання та його застосування

   Контрольна робота >> Промисловiсть, виробництво

   Дальноміри та вимірювачі швидкості, квантові гіроскопи, Голографічні прилади. Честь винаходу та... . Це була принципова схема квантового гіроскопа. У 1948 р. Д. Габор, ... лазерного променя стало використання волоконно-оптичнихліній. Основу таких ліній...

Гіроскоп призначений для вимірювання швидкості обертання або кута повороту об'єктів, наприклад роботів, електрокар, автомобілів, кораблів, літаків, ракет і т. д. . Деполяризатор складається із двох відрізків анізотропного волокна. Світлодільник виконаний з анізотропного волокна та оптично пов'язаний з фотоприймачем, з якого знімається вихідний сигнал. Як перший відрізок деполяризатора використаний волоконний кінець випромінювача, а як його другий відрізок - вхідний кінець світлодільника. Вихідні кінці світлодільника з'єднані з кінцями волоконного контуру таким чином, що їх осі анізотропії збігаються. Гіроскоп є компактною конструкцією середнього класу точності, простою і технологічною у виготовленні. 2 з.п. ф-ли, 1 іл.

Волоконно-оптичні гіроскопи (ВОГ) можна розділити на два класи:

фазові, в яких вимірюється зсув фази, обумовлений обертанням;

резонаторні (або двочастотні), в яких вимірюється розщеплення резонансних частот пасивного кільцевого резонатора волоконного, пропорційне кутової швидкості.

Перший тип ВОГ є багатовитковим волоконним аналогом класичного інтерферометра Саньяка (рис. 3.31). Конструкція ВОГ на основі котушки волокна дозволяє значно підвищити чутливість приладу без збільшення його габаритних розмірів. У цьому випадку площа, що охоплюється контуром,

де - Число витків в котушці; а - площа, що охоплюється одним витком. Вираз (3.96) для набуває вигляду

Для циліндричної котушки радіусу

Важливою є суттєва відмінність фазових ВОГ з інших датчиків інтерферометричного типу. Як показано в п. 3.4, у багатомодових інтерферометрах набіг фази світлової хвилі під дією фізичних полів, що вимірюваються, істотно залежить від номера моди. Саньяковський зсув фази виявляється у першому наближенні однаковим всім мод в многомодовом волоконному інтерферометрі. Це теоретично ясно з виразів (3.96) і (3.101), які не входить показник заломлення середовища. Точний розрахунок підтверджує ці міркування. Таким чином, у фазових ВОГ можуть використовуватися багатомодові волоконні світловоди, проте при цьому необхідно, щоб світлові потоки, що поширюються у зустрічних напрямках, мали однаковий модовий склад і умови їхнього ваоду в світловод, були однакові .

У аналізованій нами (рис. 3.31) найпростішою схемоюВОГ з двома дзеркальними дзеркалами інтенсивність світла на вході фотодетекторів (без урахування втрат в елементах ВОГ)

де - Інтенсивність світла на виході джерела випромінювання.

Нескладні операції з електричними сигналами на виходах фотодетекторів дозволяють отримати вихідний сигнал

де - коефіцієнт пропорційності, що визначається параметрами фотодетекторів та електронних схем. Простота обробки виключає залежність вихідного сигналу флуктуацій потужності джерела випромінювання.

Основний недолік цієї схеми, що досліджувалась на перших етапах створення ВОГ, - низька чутливість при малих швидкостях обертання. З визначення чутливості ВОГ

Зрозуміло, що з малих швидкостях обертання числове значення мало.

Максимум чутливості досягається в схемах, що використовують додатковий фазовий зсув між зустрічними хвилями. В цьому випадку

Таким чином, чутливість гіроскопа стає максимальною при Малих швидкостях обертання вихідний сигнал прямо пропорційний кутовий швидкості:

Часто використовують поняття «масштабний коефіцієнт гіроскопа». Під ним мають на увазі коефіцієнт, що характеризує співвідношення між кутовою швидкістю та вимірюваною величиною. У разі фазового ВОГ з «підставкою» кутова швидкість та вихідний сигнал (струм, напруга) пов'язані співвідношенням

Підвищення чутливості фазових ВОГ за рахунок заданої фазової «підставки» не вирішує проблеми. Необхідно створити прилад, що працює у широкому діапазоні з мінімальними випадковими та систематичними похибками та низьким порогом чутливості. З цією метою в реальних конструкціях вживаються спеціальні заходи для усунення основних причин похибок та розширення динамічного діапазону.

Теоретично, як і у всіх волоконно-оптичних датчиках, основні обмеження на поріг чутливості та точність ВОГ накладає наявність дробових шумів фотодетектора, проте насправді більш істотну роль відіграє низка інших фізичних процесів. Насамперед - явища, що призводять, як і ефект Саньяка, до невзаємного зсуву фаз зустрічних світлових хвиль.

Зсув фаз у зовнішньому магнітному полі, обумовлений добре відомим ефектом Фарадея, пропорційний величині де - елементарна ділянка оптичного контуру; Н - напруженість магнітного поля, що діє на цю ділянку; V – стала Верде. Якщо Н - величина, постійна для всього контуру, то фарадіївський зсув фаз дорівнює нулю, тому що наявність градієнта магнітного поля або відмінність в

поляризація зустрічних хвиль роблять це зсув відмінним від нуля. Магнітне екранування та використання волокон, що зберігають поляризацію, послаблюють вплив ефекту Фарадея.

Двопроменеломлення в волоконному світловоді є одним з основних джерел помилок і шумів у ВОГ. Еліптичність волокна, механічні напруги та інші подібні причини знімають виродження по поляризації в одномодовому волокні. В результаті ортогональні лінійно-поляризовані моди поширюються з різними швидкостями. Саме собою це явище повинно призводити до невзаємному зсуву фаз. Однак у реальних волокнах випадкове розташування ділянок з подвійним променезаломленням і еліптичність серцевини, а також зв'язок між ортогонально-поляризованими модами призводять до того, що ефективні оптичні шляхи зустрічних хвиль інтерферометра стають різними. Наведене двопроменезаломлення та зв'язок між ортогонально-поляризованими модами сильно залежать від зовнішніх акустичних та теплових флуктуацій. Зсув нуля ВОГ, зумовлений двопроменеломленням, і поляризаційний шум значно зменшуються при використанні світловодів, що зберігають поляризацію. Необхідний також контроль стану поляризації у відгалужувачах на вході та виході інтерферометра.

До невзаємного зсуву фаз у ВОГ призводить і високочастотний ефект Керра, відомий з нелінійної оптики. Суть його полягає в тому, що показник заломлення середовища залежить від інтенсивності світла, що поширюється в ній. Якщо інтенсивності зустрічних світлових хвиль не рівні, постійні їх поширення стають різними. Цей ефект проявляється дуже слабко, проте його необхідно враховувати під час створення високоточних ВОГ. Один із шляхів мінімізації впливу ефекту Керра полягає у використанні електронної системиавтоматичного вирівнювання інтенсивностей зустрічних хвиль, що, проте, значно ускладнює прилад. Інше вирішення проблеми полягає у використанні джерел випромінювання із досить широким спектром (суперлюмінесцентних діодів). При цьому усереднений за спектром зсув фаз дорівнює нулю.

До причин, що впливають невзаємний зсув фаз, необхідно віднести і нестабільність заданої фазової «підставки». У реальних пристроях її величина залежить від змін зовнішніх умов і поляризації випромінювання, що вводиться в інтерферометр.

p align="justify"> Особливе місце серед факторів, що погіршують характеристики ВОГ, займають релеєвське розсіювання у світловоді і відображення від елементів гіроскопа. Ці процеси не впливають на когерентність випромінювання, але фази розсіяного та відбитого світла можуть суттєво змінюватися при зміні зовнішніх умов, а також при акустичних та теплових флуктуаціях у просторі, що оточує світловод. Розсіяні та відбиті хвилі

інтерфірують із зустрічними хвилями і зсув фаз, викликаний обертанням, стає невиразним на тлі цієї інтерференції. Ефективний спосіб зниження рівня шуму, обумовленого аналізованими факторами, полягає у зменшенні довжини когерентності випромінювання джерела. Різниця ходу зустрічних променів, яка визначається ефектом Саньяка, досить мала. Якщо вибрати джерело з широким спектром, так що довжина когерентності буде лише не набагато більший вплив значної частини відбитого та розсіяного світла усувається. Лише та його частина, яка потрапляє на фотодетектор із затримкою, що не перевищує, бере участь у формуванні шумового сигналу.

Мал. 3.32 Волоконно-оптичний гіроскоп: 1 – волоконна котушка; 2 - матриця з чотирьох спрямованих відгалужувачів

Безумовно, необхідно і зменшення кількості поверхонь, що відбивають у ВОГ, тобто числа елементів в об'ємному виконанні.

Динамічний діапазон фазових ВОГ обмежує насамперед та обставина, що вихідний сигнал є тригонометрична (тобто аж ніяк не лінійна) функція зсуву фаз Лінійний ділянку функцій або малий. З іншого боку, зрозумілі проблеми пов'язані з періодичністю цих функций. В результаті для створення ВОГ із прийнятним динамічним діапазоном необхідна спеціальна обробка вихідного сигналу.

В даний час відома низка перспективних схемних рішень фазових ВОГ, з яких ми виділимо ті, які в комплексі вирішують проблеми зменшення рівня шумів, похибок, підвищення чутливості та розширення динамічного діапазону.

У схемі гіроскопа, що наведена на рис. 3.32 використовується квадратурне детектування за допомогою матриці з чотирьох пасивних спрямованих відгалужувачів, модуляція масштабного коефіцієнта та електронна обробка сигналу . Така схема дозволяє значною мірою виключити помилки, викликані невзаємними зрушеннями фаз різної природи, лінеаризувати вихідну характеристику ВОГ (розширити динамічний діапазон). Крім того, реєстрація сигналу по змінному струму з використанням фільтрів або резонансних підсилювачів призводить до суттєвого зменшення впливу шумів джерела випромінювання та реєструючих схем (ці шуми залежать від частоти як

Спрямовані відгалужувачі, виготовлені шляхом сплавлення волокон, що виключають їх скручування (див. гл. 4),

як тридецибельні мости, забезпечуючи при розподілі зсув фаз між світловими хвилями. Як видно із рис. 3.32 використання матриці відгалужувачів дозволяє отримати на виходах чотирьох фотодетекторів нормалізовані сигнали виду

Зсув фази в спрямованому відгалужувачі завжди відрізняється від деяку величину а яка в силу слабкої залежності параметрів відгалужувача від зовнішніх умов може залежати від часу. Крім того, з причин, викладених вище, у ВОГ може мати місце додатковий зсув фаз зустрічних хвиль, що призводить до систематичних та випадкових помилок у вимірах. З урахуванням існування величин виразу (3.105) набувають вигляду:

Як зазначалося, в схемі здійснюється модуляція масштабного коефіцієнта ВОГ. З цією метою можна модулювати одну з двох величин, що входять в основне рівняння ВОГ-радіус котушки або довжину хвилі:

У цьому величина стає функцією часу. Зауважимо, що модуляція або К практично не призводить до модуляції. Модуляція легко здійснюється, якщо волоконна котушка намотана на п'єзоелектричний циліндр, модуляція довжини хвилі джерела випромінювання К - при використанні напівпровідникового лазера (див. гл. 4).

Як приклад розглянемо випадок, коли змінюється згідно із законом

причому тоді

Обмежуючись першим порядком величини отримуємо

де - саньяківський зсув фази,

Електронна система обробки сигналів здійснює такі операції:

Підставивши значення із рівнянь (3.106), отримуємо, що

Величина є відхиленням заданої фазової «підставки» від значення зазвичай повільно змінюється в часі (відповідно до змін температури), тому і третій доданок у виразі (3.109) зневажливо малі. Диференціюючи вираз (3.108), отримуємо, що

У реальних умовах при сучасної технологіїтому на виході фільтра, налаштованого на частоту модуляції отримуємо вихідний сигнал

Таким чином, амплітуда сигналу на частоті модуляції прямо пропорційна і відповідно кутовий швидкості обертання, при цьому значною мірою виключаються помилки, викликані невзаємними зрушеннями фаз різної природи, і низькочастотні шуми. Чим вище частота модуляції, тим ближче до дійсності проведений розрахунок.

Важливо, що розглянута схема не містить складних замкнутих систем автоматичного керування, обробка сигналу може проводитись досить простими електронними засобами.

ВОГ такого типу може бути повністю волоконним (не містити елементів в об'ємному і планарному виконанні), що знижує кількість поверхонь, що відбивають, і втрати випромінювання при узгодженні.

Цими ж перевагами має й інша схема ВОГ, що має лінійну вихідну характеристику, а отже, і широкий динамічний діапазон (рис. 3.33, а). Фазовий модулятор, що є п'єзоелектричним циліндром з кількома витками волокна (див. гл. 4), розташований несиметрично щодо входу - виходу інтерферометра, тому відбувається модуляція зсуву фази між зустрічними хвилями.

Мал. 3.33. ВОГ з лінеаризацією масштабного коефіцієнта а - функціональна схема; б – тимчасова діаграма; 1 – джерело випромінювання, 2 – волоконна котушка: 3 – фазовий модулятор» 4 – генератор модулюючої частоти f, 5 – фотодетектор. 6 - смуговий підсилювач, 7 - перемикач каналів, 8, 9 - смугові фільтри, 10 - вимірювач зсуву фаз

Якщо на модулятор подається напруга з кутовою частотою, то струм на виході фотодетектора змінюється за законом

де - Коефіцієнт пропорційності; - Амплітуда фазової модуляції.

Здійснюючи перемикання між каналами 1 і 2 у моменти часу, що відповідають максимумам і мінімумам модулюючої напруги, як це показано на тимчасових діаграмах (рис. 3.33, б), і виділяючи фільтрами сигнали на частоті отримуємо на виході першого каналу

і на виході другого каналу

де А - коефіцієнт пропорційності, що визначається параметрами фотодетектора, електронних схем та глибиною модуляції. Вимірюючи зсув фаз між сигналами першого і другого каналів аналоговим вимірювачем зсуву фаз або цифровим лічильником часових інтервалів, ми отримуємо значення подвоєного саньяковського зсуву прямо пропорційного кутової швидкості обертання.

Таким чином, у розглянутій схемі реєстрація сигналу змінного струму істотно знижує рівень шумів, безпосередній вимір фазового зсуву лінеаризує масштабний коефіцієнт приладу. Однак помилки, пов'язані з ефектами Фарадея, Керра, двопроменеломленням, залишаються, для їх усунення необхідно вживати заходів, розглянутих вище.

В іншій схемі ВОГ (рис. 3.34), описаної в роботах, як і в лазерному гіроскопі, вимірюється розщеплення резонансних частот кільцевого резонатора, викликане обертанням за допомогою зовнішнього лазерного джерела випромінювання. У цьому випадку усуваються недоліки лазерних гіроскопів, пов'язані з наявністю нелінійного елемента – активного середовища у резонаторі.

Мал. 3.34. Резонаторип ВОГ: 1 - гелій-неоновий лазер; 2, 4 - акустичні осередки Брегга, 3 - генератор частоти; 5 - генератор частоти 6 - спрямований відгалужувач 7 - резонатор, 8,9 - фотодетектори, 10 - схема автоіодбудови частоти; 11 - схема автопідстроювання периметра резонатора, 12 - змішувач

Світло з частотою від джерела випромінювання надходить на два бреггівські акустооптичні осередки, що зсувають світлову частоту на величини і відповідно. Випромінювання з частотою через спрямований відгалужувач вводиться в кільцевий волоконний резонатор і поширюється в ньому за годинниковою стрілкою. Випромінювання із частотою також вводиться в резонатор і поширюється проти годинникової стрілки. Система автопідстроювання довжини периметра підлаштовує її так, щоб резонансна частота резонатора для хвилі, що біжить за годинниковою стрілкою, збіглася з частотою. Система автопідстроювання частоти генератора підлаштовує величину так, щоб збігалася з резонансною частотою для хвилі, що біжить проти годинникової стрілки. В результаті величини є резонансні частоти волоконного резонатора для зустрічних напрямків, а їх різниця пропорційна добутку числа витків котушки на її радіус, тоді як розщеплення частот пропорційно просто радіусу.

У вираженні для чутливості резонаторного ВОГ, на відміну фазового, з'являється ефективний показник заломлення моди світловода пэфф. По-перше, це означає, що в резонаторних ВОГ можна використовувати тільки одномодові світловоди, оскільки значення Пефф залежить від номера моди. По-друге, у резонаторних ВОГ поряд із загальними для обох типів ВОГ похибками і шумами (викликаними зворотним розсіюванням і відображенням, двопроменеломленням, ефектами Фарадея і Керра) з'являється похибка, обумовлена ​​залежністю від зовнішніх впливів, змін тиску, температури і т.п. див. п. 3.3). Слід зазначити, що з одночасному вимірі і частотного інтервалу між сусідніми поздовжніми модами волоконного резонатора лефф стає вимірюваною величиною і

Методика вимірювання розщеплення резонансних частот для зустрічних напрямів за допомогою зовнішнього джерела випромінювання, що використовується в резонаторних ВОГ, накладає жорсткі обмеження на ширину спектральної лінії випромінювання. Найкращі результати отримані з використанням гелій-ієонового одночастотного лазера, тоді як у фазових ВОГ використовуються слабокогерентні джерела (напівпровідникові лазери та світлодіоди). Крім того, навіть якщо припустити, що випромінювання монохроматично, поріг чутливості резонаторного ВОГ буде

залежати від ширини кривої резонансної оптичного резонатора, мінімальна вимірювана кутова швидкість 60 буде визначатися виразом

де Г - ширина кривої резонансної оптичного резонатора; - Середня в одиницю часу кількість фотонів, що потрапляють на фотодетектор; - квантова ефективність фотодетектора; - час опосередкування у ВОГ. З метою підвищення добротності резонатора (зменшення Г) має сенс збільшувати його довжину (наприклад, за рахунок використання багатовиткової конструкції) доти, доки втрати у світловоді не стануть порівнянними із втратами за рахунок інших факторів

Поряд з перерахованими недоліками необхідно відзначити дві безперечні переваги резонаторних ВОГ перед фазовими. Перше полягає в тому, що вимірювана величина - розщеплення частот - прямо пропорційна кутової швидкості 0. Це означає, що динамічний діапазон резонаторного ВОГ не обмежений зверху.

Друга перевага резонаторних ВОГ полягає в тому, що за своєю суттю є цифровими приладами, що легко стикуються з обчислювальними пристроями. Вони, як й у лазерних гіроскопах , вимір різниці частот за певний інтервал часу не що інше, як рахунок числа імпульсів.

Число імпульсів відповідає куту повороту системи за час

Фазові ВОГ вимірюють аналоговий сигнал, і лише в спеціальних схемах, подібних до описаної вище, вимірювання фази приводиться до вимірювання інтервалів часу.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Вступ

1. Принципи волоконно-оптичної гіроскопії

1.1 Основні характеристики ВОГ

1.2 Принцип взаємності та реєстрація фази у ВОГ

1.3 Модель шумів та нестабільностей у ВОГ

2. Вплив елементів ВОГ на точнісні характеристики системи

2.1 Характеристики джерел випромінювання

2.2 Шумові характеристики волоконно-оптичного контуру

2.3 Шумові характеристики фотодетекторів

2.4 Аналіз прямих динамічних ефектів (температурних градієнтів та механічних напруг)

2.5 Вплив зовнішнього магнітного поля на точні характеристики ВОГ

3. Методи компенсації похибок

3.2 Компенсація надлишкового шуму у волоконно-оптичному гіроскопі з відгалужувачем типу 3x3

3.3 Компенсація зворотного релеївського розсіювання

3.4 Компенсація впливу ефекту Керра на точність ВОГ

4. Розрахунок кошторисної калькуляції НДР

4.1 Вихідні положення

4.2 Визначення трудомісткості та календарних термінів роботи

4.3 Розрахунок витрат за статтями витрат та складання кошторисної калькуляції

4.4 Висновки з розрахунку

5. Безпека життєдіяльності та охорона праці

5.1 Організація робочих місць

5.2 Температура, вологість, тиск

5.3 Вимоги до освітлення

5.4 Вимоги до рівнів шуму та вібрації

5.5 Вимоги до захисту від статичної електрики та випромінювань

5.6 Вимоги до відеотермінального пристрою

5.7 Електробезпека

5.7 Пожежна безпека

5.9 Можливі методи захисту

6. Екологія та охорона навколишнього середовища

Дипломна робота присвячена аналізу похибок волоконно-оптичного гіроскопа і є спробою послідовного розгляду принципів побудови ВОГ, виходячи з мінімізації впливу елементів на його точнісні характеристики. В роботі розглянуто основні принципи волоконно-оптичної гіроскопії, дана характеристика основних елементів ВОГ. різних типівта запропоновано методи компенсації деяких похибок, зумовлених різними факторами.

Можливість створення реального високочутливого ВОГ виникла лише з промислової розробкою одномодового діелектричного світловода з малим згасанням. Конструювання ВОГ на таких світловодах визначає унікальні властивості приладу:

потенційно висока чутливість (0.01 град/сек і менше);

малі габарити та маса конструкції, завдяки можливості створення ВОГ на інтегрально-оптичних схемах;

невисока вартість виробництва та відносна простота технології порівняно з роторними гіроскопами;

низьке споживання енергії;

великий динамічний діапазон кутових швидкостей, що вимірюваються;

відсутність обертових механічних елементів (роторів) та підшипників, що підвищує надійність;

практично миттєва готовність роботи (не витрачається час на розкручування ротора);

низька чутливість до лінійних прискорень;

висока завадостійкість;

Принцип дії ВОГ заснований на вихровому ефекті Саньяка, відкритого в 1913 році. Якщо в замкнутому оптичному контурі в протилежних напрямках поширюються два світлові промені, то при нерухомому контурі фазові набіги обох променів, що пройшли весь контур, будуть однаковими. При обертанні контуру навколо осі, нормальної площині контуру, фазові набіги променів неоднакові, а різниця фаз променів пропорційна кутовий швидкості обертання контуру. Для пояснення вихрового ефекту Саньяка розроблено три теорії: кінематична, доплерівська та релятивістська. У дипломній роботі розглянуто перші дві.

У рамках кінематичної теорії розглянуто плоский замкнутий оптичний контур довільної форми, в якому поширюються у протилежних напрямках дві світлові хвилі. Площина контуру перпендикулярна осі обертання. Прийнявши ділянку шляху світлового променя нескінченно малим і виразивши лінійну швидкість точки через її радіус-вектор отримаємо вираз для часу обходу ділянки контуру двома протилежними променями.

При обертанні контуру з деякою кутовою швидкістю довжина ділянки, що здається, для двох хвиль виявляється різною. Вважаючи швидкість світла інваріантною величиною пов'язуємо подовження та скорочення шляхів з подовженням та скороченням відрізків часу та отримуємо вираз для відносного запізнення, яке можна виразити через різницю фаз зустрічних хвиль. Підсумовування по всій довжині контуру визначає підсумкову різницю фаз.

Розгляд ідеального кільцевого оптичного контуру з системою двох дзеркал дозволяє отримати той же результат для різниці часів поширення зустрічних променів.

Явище зміни частоти коливання, випромінюваного передавачем і прийнятого приймачем, що спостерігається при взаємному відносному переміщенні випромінювача та приймача дозволяє розглянути ефект Саньяка у межах доплерівської теорії.

Відносний фазовий зсув у цьому випадку визначається різницею частот хвиль, що зазнали доплерівського зсуву, і також виражається через кутову швидкість обертання контуру.

За підсумками розглянутого ефекту можна побудувати принципову схему найпростішого ВОГ. Випромінювання від джерела потрапляє на світлодільник, де поділяється на дві рівні частини, які пройшовши замкнутий контур, що складається з багатовиткової котушки, волокна потрапляють на фотодетектор. Виділена фаза Саньяка перетворюється пристроєм обробки на кутову швидкість обертання і за необхідності інтегрується з метою визначення кута повороту системи.

Інтенсивність випромінювання на фотодетекторі пропорційна косинус різниці фаз зустрічних хвиль, що визначає низьку чутливість приладу до малих кутових швидкостей.

Для максимізації чутливості до малих змін інформативного параметра в волоконний контур необхідно помістити простий фазовий модулятор, що дає невзаємний фазовий зсув /2 між двома променями, що протилежно біжать. Тоді інтенсивність на фотодетектор при малих кутових швидкостях змінюється майже лінійно.

Так як показання приладу повністю визначаються різницею фаз зустрічно біжать хвиль, всі помилки ВОГ пов'язані з невзаємністю умов їх поширення.

Основними факторами, що впливають на умови розповсюдження хвиль, що зустрічають, є:

флуктуації інтенсивності та частоти джерела випромінювання;

зміна характеристик світлодільника;

зворотне розсіювання від променів, що рухаються у різних напрямках;

електрооптичні ефекти у волокні;

магнітооптичні ефекти у волокні;

теплові градієнти;

поляризаційні ефекти;

теплові шуми навантажувальних елементів вихідного тракту;

Дробові шуми фотодетектора.

У роботі проведено оцінку межі чутливості (точності) ВОГ, що визначається рівнем фотонних шумів і залежить від інтенсивності оптичного випромінювання падаючого на фотодетектор. Отримані теоретичні вирази для помилки обумовленої дробовими шумами дозволяють зробити висновок необхідність збільшення довжини контуру і зменшення смуги пропускання НЧ-фільтра вихідного каскаду. (графік)

Використання висококогерентних лазерних джерел дозволяє знизити рівень дробових шумів, проте когерентна складова зворотного (релєєвського) розсіювання у волокні призводить до виникнення помилки у різниці фаз між двома променями. Виходячи з цього переважно використання джерела з довжиною когерентності набагато меншою, ніж довжина волоконного контуру. В цьому випадку шум, пов'язаний з відображенням на кінці волокна, некогерентно підсумовується з корисним сигналом.

Використання додаткової модуляції сигналів також дозволяє декогерувати шум зворотного розсіювання.

У другому розділі розглянуто питання впливу елементів ВОГ на точнісні характеристики системи.

Аналіз характеристик джерел випромінювання дозволяє зробити висновок про перевагу використання суперлюмінесцентних діодів, які є низько когерентними і дозволяють компенсувати вплив ефекту Керра та зворотного розсіювання. Також вони мають меншу температурну залежність, простіше в конструктивному виконанні і є дуже надійними.

Значну увагу приділено характеристикам волоконного контуру, оскільки саме контур є основним джерелом похибок у ВОГ. Розгляд кількісних значень втрат у волокні є недостатнім аналізу точності ВОГ. Інтерес представляє оцінка статистичних параметрів параметрів контуру. У роботі розглянуто дисперсійні властивості волокон з різними профілями показника заломлення, проведено якісну оцінку залежностей дисперсії профілю від кореляційних властивостей для різних типів неоднорідностей у волокні. (графіки)

Отримані співвідношення дозволяють за відомими параметрами неоднорідностей побічно визначити як втрати, що вносяться, так і характер невзаємностей для різних ділянок волокна.

Найбільший вплив на характеристики ВОГ можуть надавати зміну радіусу серцевини та випадкові вигини волокна, що призводять до збільшення дисперсії профілів та розширення імпульсів.

Важливим джерелом шумів у ВОГ є також фотоприймач. Фонова засвітка, дробовий шум темнового струму, квантовий шум внутрішнього фотоефекту, надлишковий шум внутрішнього посилення, тепловий шум підсилювача і шум перетворювача модуляції надають безпосередній вплив на точність ВОГ.

Якісна оцінка еквівалентної потужності шуму фотоприймача для різних значень смуги пропускання системи дозволяє зробити висновок про необхідність використання лавинних фотодіодів, які мають мінімальний рівень шуму і дозволяють значно збільшити відношення сигнал/шум при низьких рівнях сигналу.

Аналіз прямих динамічних ефектів дозволив якісно оцінити термічно індуковану невзаємність фази Саньяка для різних значень довжини контуру і зробити висновок необхідність високої термостабілізації приладу.

Необхідність поляризаційної стабільності обумовлена ​​впливом магнітного поля на різницю фаз коливань. (графік)

Використання волокна із стійкою поляризацією знизить вимоги до поляризаційних пристроїв та забезпечить високу точність приладу.

Як компенсацію похибок запропоновано два схемотехнічні методи та розглянуто варіанти використання деяких елементів ВОГ. Проведено якісну оцінку виграшу у чутливості приладу.

Одним із шляхів підвищення точності ВОГ може бути використання в них суперфлуоресцентних джерел випромінювання. Такі джерела близькі за властивостями тепловим, але характеризуються високим рівнем надлишкового шуму. Для придушення надлишкового шуму можна використовувати балансне детектування. Як опорний сигнал використовувати випромінювання джерела, затримане на час проходження світла оптичним трактом ВОГ.

Для забезпечення когерентної взаємодії інформативного та опорного сигналу можна використовувати як відгалужувач спрямований відгалужувач 3x3. Випромінювання джерела надходить через спрямований відгалужувач на входи чутливого контуру, а потім на фотодетектори, виходи яких підключені до диференціального підсилювача. Кожна із зустрічних хвиль є й інформативною (сигнальною) і одночасно – опорною для іншої хвилі. На виході диференціального підсилювача надлишковий шум, зумовлений фоновим засвіченням, виявляється компенсованим.

Основним механізмом втрат у волокні є зворотне релеєвське розсіювання. Кожна первинна хвиля, що протилежно поширюється у волоконному контурі, збуджує маломасштабні неоднорідності у волокні, які у свою чергу діють як індуковані дипольні випромінювачі. Світловод захоплює частину розсіяного випромінювання та каналізує його у зворотному напрямку. Вклади кожного елементарного розсіювача підсумовуються векторно з випадковою фазою і утворюють повне розсіяне поле в кожному напрямку. На виході контуру з'являється складова фазового зсуву відмінна від фази Саньяка, що призводить до помилки у вимірі швидкості.

Способи мінімізації помилки ВОГ, обумовленої зворотним релеєвським розсіюванням, можуть бути пов'язані зі зменшенням взаємної когерентності між первинною та вторинною (розсіяною) хвилею. Частотна модуляція первинного сигналу, зменшуючи когерентність, не вносить додаткової невзаємності контур. Зміни частоти лазерного випромінювання можуть бути джерелом рандомізації фази. Зменшення когерентності можна реалізувати за допомогою додаткової фазової модуляції первинної хвилі.

Зменшити помилку можна використовуючи спосіб усереднення протягом постійної інтегрування системи обробки.

Оптичний нелінійний ефект Керра проявляється у вигляді обурення коефіцієнта заломлення середовища при зміні інтенсивності електричного поля, що впливає на середовище. Якщо потужності оптичних променів, що розповсюджуються в протилежних напрямках неоднакові, а отже неоднакові і постійні поширення, це призводить до фазової невзаємності контуру і в результаті до помилки вимірювання кутової швидкості.

Компенсацію цього ефекту можна досягти прямокутною модуляцією джерела випромінювання або вибором джерела з відповідними спектральними характеристиками.

Вступ

Волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ) - оптико-електронний прилад, створення якого стало можливим лише з розвитком та вдосконаленням елементної бази квантової електроніки. Прилад вимірює кутову швидкість та кути повороту об'єкта, на якому він встановлений. Принцип дії ВОГ заснований на вихровому (обертальному) ефекті Саньяка.

Інтерес зарубіжних та вітчизняних фірм до оптичного гіроскопу базується на його потенційних можливостях застосування як чутливого елемента обертання в інерційних системах навігації, керування та стабілізації. Цей прилад у ряді випадків може повністю замінити складні та дорогі електромеханічні (роторні) гіроскопи та тривісні гіростабілізовані платформи. За даними зарубіжного друку у майбутньому США близько 50% всіх гіроскопів, які у системах навігації, управління та стабілізації об'єктів різного призначення, передбачається замінити волоконними оптичними гіроскопами.

Можливість створення реального високочутливого ВОГ виникла лише з промислової розробкою одномодового діелектричного світловода з малим згасанням. Конструювання ВОГ на таких світловодах визначає унікальні властивості приладу. До цих властивостей відносять:

потенційно високу чутливість (точність) приладу, що вже зараз на експериментальних макетах 0,1 град/год і менше;

малі габарити та масу. Конструкції завдяки можливості створення ВОГ повністю на інтегральних оптичних схемах;

невисоку вартість виробництва та конструювання при масовому виготовленні та відносну простоту технології;

нікчемне споживання енергії, що має важливе значення при використанні ВОГ на борту;

великий динамічний діапазон кутових швидкостей, що вимірюваються (зокрема, наприклад, одним приладом можна вимірювати швидкість повороту від 1 град/год до 300 град/с);

відсутність обертових механічних елементів (роторів) і підшипників, що підвищує надійність та здешевлює їх виробництво;

практично миттєву готовність до роботи, оскільки не витрачається час на розкручування ротора;

нечутливість до великих лінійних прискорень і, отже, працездатність в умовах високих механічних навантажень;

високу завадостійкість, низьку чутливість до потужних зовнішніх електромагнітних впливів завдяки діелектричній природі волокна;

слабку схильність до проникаючої гамма-нейтронної радіації, особливо в діапазоні 1,3 мкм.

Волоконний оптичний гіроскоп може бути застосований як жорстко закріплений на корпусі носій чутливий елемент (датчик) обертання в інерційних системах управління і стабілізації. Механічні гіроскопи мають так звані гіромеханічні помилки, які особливо виявляються при маневруванні носія (літака, ракети, космічного апарату). Ці помилки ще більші, якщо інерційна система управління конструюється з жорстко закріпленими або «підвішеними» датчиками безпосередньо до тіла носія. Перспектива використання дешевого оптичного датчика обертання, який може працювати без гіромеханічних помилок в інерційній системі управління, є ще одна причина особливого інтересу до оптичного гіроскопа.

Поява ідеї та перших конструкцій волоконного оптичного гіроскопа тісно пов'язана з розробкою кільцевого лазерного гіроскопа (КЛГ). У КЛГ чутливим контуром є кільцевий самозбудливий резонатор з активним газовим середовищем і дзеркалами, що відбивають, у той час як у ВОГ пасивний багатовитковий діелектричний світловодний контур збуджується «зовнішнім» джерелом світлового випромінювання. Ці особливості визначають принаймні п'ять переваг ВОГ порівняно з КЛГ:

У ВОГ відсутня синхронізація протилежно біжучих типів коливань поблизу нульового значення кутової швидкості обертання, що дозволяє вимірювати дуже малі кутові швидкості, без необхідності конструювати складні в налаштуванні зсуву пристрою нульової точки;

2. Ефект Саньяка, на якому заснований принцип роботи приладу, проявляється на кілька порядків сильніше через малі втрати в оптичному волокні та великій довжині волокна.

3. Конструкція ВОГ повністю виконується як твердого тіла (у перспективі повністю на інтегральних оптичних схемах), що полегшує експлуатацію і підвищує надійність проти КЛГ.

4. ВОГ вимірює швидкість обертання, тоді як КЛГ фіксує збільшення швидкості.

5. Конфігурація ВОГ дозволяє «відчувати» реверс напряму обертання.

Ці властивості ВОГ, що дозволяють створити прості високоточні конструкції повністю на дешевих інтегральних твердих оптичних схемах при масовому виробництві привертають пильну увагу розробників систем управління. На думку низки зарубіжних фірм, завдяки унікальним технічним можливостям ВОГ інтенсивно розвиватимуться.

Зарубіжні автори констатують, що розробка конструкції ВОГ та доведення його до серійних зразків є непростим завданням. Під час розробки ВОГ вчені та інженери стикаються з низкою труднощів. Перша пов'язані з технологією виробництва елементів ВОГ. В даний час ще мало хорошого одномодового волокна, що зберігає напрямок поляризації; виробництво світлодільників, поляризаторів, фазових та частотних модульаторів, просторових фільтрів, інтегральних оптичних схем знаходиться на початковій стадії розвитку. Число розроблених спеціально для ВОГ випромінювачів та фотодетекторів обмежене.

Фірмами та розробниками ВОГ обидві ці завдання вирішуються. Удосконалюється технологія виробництва елементів у ВОГ, теоретично та експериментально досліджуються фізична природа збурень та нестабільностей, створюються та випробовуються різні схемні варіанти ВОГ із компенсацією цих збурень, розробляються фундаментальні питання використання інтегральної оптики. Точність ВОГ вже зараз близька до необхідної в інерційних системах управління.

У спеціальній науковій та періодичній літературі проблемі ВОГ вже опубліковано безліч наукових статей. Аналіз цих статей свідчить про необхідність подальшого вивчення цієї проблеми та розробки нових способів покращення якісних характеристик ВОГ.

Систематизація та узагальнення вузлових питань теорії та практики створення ВОГ також є важливим етапом.

Завданням дипломної роботи є аналіз роботи ВОГ, узагальненої моделі шумів та нестабільностей та оцінка граничної (потенційної) чутливості приладу. На основі якості взаємності необхідно розглянути мінімальну конфігурацію ВОГ. Потім оцінити сучасний стан елементної бази. При цьому значну увагу приділити властивостям волоконних світловодів та провести аналіз можливих неоднорідностей та втрат для різних типів волокон. Розглянути основні елементи ВОГ: волоконний контур, випромінювачі та фотодетектори, а також запропонувати способи компенсації шумів та нестабільностей ВОГ (таких як зворотне релеївське розсіювання, оптичний нелінійний ефект, температурні градієнти, магнітне поле та ін.).

Основним завданням дипломної роботи є розгляд ключових аспектів теорії ВОГ на основі аналізу похибок його елементів та якісної оцінки точності характеристик пристрою з урахуванням використання різних підходів до вирішення проблеми підвищення його чутливості.

Необхідно також розглянути різні схемотехнічні методи зниження рівня шумів та нестабільностей ВОГ.

Окремо відобразити техніко-економічні аспекти роботи, питання безпеки життєдіяльності під час проведення досліджень, а також проблеми екологічної безпеки під час використання приладу.

1. Принципи волоконно-оптичної гіроскопії

1.1 Основні характеристики ВОГ

Оптичний гіроскоп відноситься до класу приладів, в яких в замкнутому оптичному контурі поширюються світлові промені, що зустрічно біжать. Принцип дії оптичного гіроскопа заснований на «вихровому» ефекті Саньяка, відкритим цим ученим у 1913 році. Сутність вихрового ефекту ось у чому. Якщо в замкнутому оптичному контурі в протилежних напрямках поширюються два світлові промені, то при нерухомому контурі фазові набіги обох променів, що пройшли весь контур, будуть однаковими. При обертанні контуру навколо осі, нормальної площині контуру, фазові набіги променів неоднакові, а різниця фаз променів пропорційна кутовий швидкості обертання контуру. Для пояснення вихрового ефекту Саньяка розроблено три теорії: кінематична, доплерівська та релятивістська. Найбільш проста з них – кінематична, найбільш строга – релятивістська, заснована на загальній теорії відносності. Розглянемо вихровий ефект Саньяка у межах кінематичної теорії.

Рис. 1.1. Кінематична схема вихрового ефекту Саньяка.

На рис. 1.1 зображено плоский замкнутий оптичний контур довільної форми, в якому поширюються у протилежних напрямках дві світлові хвилі 1 та 2 (рис. 1.1). Площина контуру перпендикулярна до осі обертання, що проходить через довільну точку О. Кутову швидкість обертання контуру позначимо. Ділянку шляху світлового променя АВ приймемо нескінченно малим, його довжину позначимо l. Радіус-вектор довільної точки контуру А позначимо r. Відрізок дуги АВ" позначимо. При обертанні контуру навколо точки О з кутовою швидкістю лінійна швидкість точки А дорівнює. Враховуючи, що трикутник AB"B малий:

де - Кут між вектором лінійної швидкості точки А і дотичної AM до контуру в точці А.

Проекція лінійної швидкості точок контуру на напрям вектора швидкості світла у цих точках

Якщо контур нерухомий, то час обходу ділянки контуру АВ=l двома протилежними променями однаково; позначимо його dt.

dt = l/c =. (1.3)

При обертанні контуру з кутовою швидкістю здається відстань між точками А і В для зустрічно променів, що зустрічаються, змінюється. Для хвилі що біжить з точки А точку У, тобто. у напрямку, що збігається з напрямком обертання контуру, відстань подовжується, так як за час dt точка переміститься на кут, перейшовши в точку С.

Це подовження шляху для світлового променя дорівнюватиме dt, оскільки кожної миті промінь спрямований по дотичній до контуру, по цій же дотичній спрямована проекція лінійної швидкості. Таким чином, відрізок шляху, що проходить променем, дорівнює l + dt. Розмірковуючи аналогічно, для зустрічно променя світла, що біжить, буде мати місце здається скорочення відрізка шляху l - dt

Вважаючи швидкість світла інваріантною величиною, здаються подовження і скорочення шляхів для зустрічних променів можна вважати подовженнями і скороченнями відрізків часу, тобто.

Підставляючи вирази (1.2)-(1.3) для dt, отримуємо

З рис 1.1. слід

де s – площа сектора.

З точністю до нескінченно малих другого порядку площу АОВ можна замінити на s. Тоді

Повний час поширення зустрічних променів вздовж контуру

де підсумовування ведеться за кількістю елементарних секторів, куди розбитий весь контур.

Таким чином, повний час, що витрачається променем, що біжить за годинниковою стрілкою при обході всього контуру, що обертається, більш ніж повний час, що витрачається променем, що біжить проти годинникової стрілки.

Різниця часів і чи відносне запізнення зустрічних хвиль

де S – площа всього контуру.

Якщо відносне запізнення зустрічних хвиль (1.8), що виникає при обертанні, виразити через різницю фаз зустрічних хвиль, то вона складе

Різниця фаз є фазою Саньяку. Як бачимо, фаза Саньяка пропорційна кутовий швидкості обертання контуру.

Кінематичну теорію вихрового ефекту Саньяка ще простіше пояснити, розглядаючи ідеальний кільцевий оптичний контур радіусу (рис 1.2).

Рис. 1.2. Ефект Саньяка у кільцевому оптичному контурі.

Промінь світла приходить у точку А і за допомогою дзеркал і розщеплюється на два промені, один з яких поширюється за годинниковою стрілкою в контурі, а інший проти годинникової стрілки. За допомогою цих же дзеркал після поширення в контурі промені об'єднуються і направляються по одному шляху. При нерухомому контурі шляху проходження променів однакові та рівні

де - швидкість світла, - час проходження периметра контуру променем.

Обидва промені приходять в точку А на розщеплення у фазі. Якщо контур обертається з постійною кутовою швидкістю, то промінь, що розповсюджується за годинниковою стрілкою, перш ніж потрапить на розщеплювач, що переміщається, пройде шлях

Це викликано тим, що за час проходження променя по замкнутому контуру розщеплювач, що знаходився раніше в точці А, піде в точку В. Для променя, що розповсюджується проти годинникової стрілки, шлях

Як бачимо, шляхи поширення протилежно променів, що біжать, різні. Оскільки швидкість світла з - величина стала, це еквівалентно різним часам проходження променів, що поширюються в протилежних напрямках замкнутого обертового контуру, і.

Різниця часів поширення

У наближенні першого порядку можна записати

Що збігається з виразом (1.8), отриманим вище, якщо рахувати - площа контуру.

Ефект Саньяка можна пояснити з урахуванням поняття доплерівського зсуву частоти. Ефектом Доплера називається явище зміни частоти коливань, випромінюваних передавачем і прийнятих приймачем, що спостерігається при відносному взаємному переміщенні випромінювача і приймача. При цьому частота прийнятого коливання

де f - частота випромінюваного коливання, V - швидкість переміщення передавача, а знаки "+" або "-" відповідають зближенню або видаленню передавача щодо спостерігача.

Доплерівське частотне зрушення

пропорційний швидкості переміщення випромінювача.

Розглянемо кільцевий оптичний контур радіусу, що обертається з кутовою швидкістю (рис. 1.3.). Аналогом переміщуваного випромінювача в контурі є дзеркало, що рухається з лінійною швидкістю. При обертанні контуру промені, що зустрічно біжать, мають різні довжини хвиль внаслідок доплерівського зсуву, що накопичується при відображенні хвилі від дзеркала, що зміщується зі швидкістю.

При обчисленні фази, накопиченої в обох плечах оптичного контуру, необхідно розглядати систему, що обертається в цілому. Обидва оптичні шляхи тоді рівні, але довжини хвиль відрізняються на доплерівське зрушення. Тоді відносний фазовий зсув

Визначимо величину. Довжина хвилі випромінювання, що зазнало доплерівського зрушення:

Підставляючи отриманий вираз у формулу для відносного фазового зсуву, отримуємо

Фаза Саньяка

що повністю збігається з виразом (1.9), отриманим при обчисленні різниці часів обходу променем обертового контуру.

Таким чином, ми розглянули два еквівалентні підходи до пояснення ефекту Саньяка. У першій інтерпретації ефект проявляється як різницю часів поширення зустрічно променів, що біжать, в обертовому контурі; у другій - як різниця довжин хвиль променів у двох плечах контуру однакової оптичної довжини.

Вимірюючи електронним пристроєм різницю фаз, можна отримати інформацію від кутової швидкості обертання основи (об'єкта), на якому закріплений контур. Інтегруючи вимірюваний сигнал, одержують кут повороту основи (об'єкта). Ця інформація потім використовується для керування та стабілізації об'єктів.

Залежно від конструкції замкнутого оптичного контуру розрізняють два типи оптичних гіроскопів. Перший тип, так званий кільцевий лазерний гіроскоп (КЛГ), у якому контур утворений активним середовищем (сумішою газів гелію та неону) та відповідними дзеркалами, що утворюють замкнутий шлях (кільцевий лазер). Другий тип - волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ), в якому замкнутий контур утворений багатовитковою котушкою оптичного волокна. Принципова схема ВОГ показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Принципова схема волоконно-оптичного гіроскопа.

Якщо контур ВОГ утворити ниткою оптичного волокна довжиною L, намотаного на циліндр радіуса R, то фаза Саньяка

де R - радіус витка контуру; N – число витків; S -площа витка контуру.

Відповідно до рис. 1.3., випромінювання джерела подається на світлодільник і поділяється на два промені. Два промені, що обійшли контур у протилежних напрямках, рекомбінують на світлоділювачі та змішуються у фотодетекторі. Результуюче коливання можна записати як

де – амплітуди коливань; - Частота випромінювання; ; ; - Початкова фаза коливання; - Фаза Саньяка.

Інтенсивність випромінювання на фотодетекторі

Позначивши інтенсивність випромінювання на виході лазерного діода вважаючи, що у волоконному контурі відсутні втрати, і вважаючи, що світлодільник поділяє енергію точно порівну, маємо:

Тоді вираз (1.21) набуває вигляду:

Аналіз виразу дозволяє зробити висновок про низьку чутливість приладу в даній конфігурації до малих кутових швидкостей:

Для максимізації чутливості до малих змін інформативного параметра (фази Саньяка) у волоконний контур необхідно помістити простий фазовий модулятор, що дає «невзаємний» фазовий зсув /2 між двома променями, що протилежно біжать. Тоді інтенсивність на фотодетектор при малих кутових швидкостях змінюється майже лінійно:

а чутливість ВОГ перебуватиме на максимальному значенні 0.5.

Різні способи введення "невзаємного" фазового зсуву будуть розглянуті нижче.

У конфігурації, наведеній на рис 1.3., вихідний струм фотодетектора повторює зміни інтенсивності (потужності) вхідного випромінювання, тобто:

де – квантова ефективність фотодетектора; q – заряд електрона; h – постійна Планка; f – частота оптичного випромінювання.

Якщо знехтувати постійну складову вихідного струму, то на виході фотодетектора отримаємо сигнал

При введенні фазового невзаємного зсуву /2 і для малих значень вихідний струм:

Таким чином, значення вихідного струму пропорційні фазі Саньяка, яка у свою чергу пропорційна кутової швидкості обертання контуру.

1.2 Принцип взаємності та реєстрація фази у ВОГ

У типових експериментальних конструкціях гіроскопів використовується котушка з R = 100 мм при довжині волокна L = 500 м. Виявлення швидкості обертання 1 град/год вимагає реєстрації фази з роздільною здатністю близько 10-5 рад. Це показано на рис. 1.4., де зображені значення фазового зсуву функції кутової швидкості обертання контуру і величини LR при = 0,63 мкм.

Оптичні інтерференційні системи фазової реєстрації з такою чутливістю добре відомі, однак у гіроскопах існують деякі особливі моменти, пов'язані з реєстрацією фази. Перший пов'язаний з тим фактом, що найчастіше гіроскоп працює з номінальною майже нульовою різницею ходу, і для малих змін у відносному значенні фази має місце зневажливо мала зміна інтенсивності на виході.

Рис. 1.4. Фаза Саньяка в кутову швидкість обертання для різних значень параметра LR.

Робота при зміщенні фази в 90° максимізує чутливість, однак це вносить деяку невзаємність для двох напрямів поширення променів у гіроскопі, т. к. фаза променя, що поширюється за годинниковою стрілкою, відрізняється від фази променя, що поширюється проти годинникової стрілки, відсутня.

Властивість взаємності – це другий важливий момент у ВОГ. Фазова невзаємність у ВОГ визначається диференціальною різницею фаз зустрічних променів, що біжать. Будь-яка фазова невзаємність (різниця фаз) для двох напрямків дає зміни у показаннях гіроскопа. Якщо невзаємність є функцією часу, має місце деякий тимчасової дрейф у показаннях гіроскопа. Волокно довжиною 500 м дає фазову затримку близько 1010 рад. Таким чином, для того щоб зареєструвати швидкість обертання 0,05 град/год, потрібно, щоб шляхи поширення променів, що протилежно біжать, узгоджувалися з відносною точністю до 10-17 рад.

Слід, крім того, відзначити, що сам принцип дії волоконного оптичного гіроскопа заснований на невзаємній властивості поширення зустрічних хвиль у системі відліку, що обертається (поява різниці фазових набігів двох променів при обертанні). Тому безперечна важливість аналізу невзаємних ефектів і пристроїв у ВОГ (щонайменше хоча б для визначення точності приладу).

Принцип взаємності добре ілюструється відомою теоремою Лоренца для взаємних систем. Якщо характеризувати дві електроди магнітні хвилі векторами, і де - вектор напруженості електричного поля, а - вектор напруженості магнітного поля, то принцип взаємності виконується для систем, у яких

де - антисиметричні тензори магнітної та діелектричної

проникності матеріального середовища відповідно.

Умовою невзаємності є нерівність нулю наведеного вище співвідношення. До середовищ, що виявляють невзаємність, належать магнітно-гіротропні матеріали (феромагнетики): електрично гіротропні середовища (діамагнетики), що знаходяться під дією магнітного поля; прозорі діелектрики; середовища, що здійснюють поступальний рух щодо будь-якої системи координат, у якій задано електромагнітне поле; середовища, що обертаються; каналізуючі системи типу хвилеводів та світловодів. Останні випадки становлять особливий інтерес, оскільки при обертанні ВОГ з'являється фазова невзаємність, що дає фазову різницю Саньяка.

При обертальному русі середовища умова невзаємності має вигляд

Виняток випадкових флуктуацій може вимагати тривалого накопичення (інтегрування) вихідного сигналу ВОГ, щоб виділити корисну складову (як показано в деяких експериментальних установках високочутливих ВОГ час інтегрування доходить до хвилин і навіть до десятків хвилин).

Щодо ВОГ аналіз принципу взаємності зручно проводити для ланцюга з чотирма входами та виходами. Для оптичного хвилеводу чотири входи відповідають вводам випромінювання вздовж двох взаємно перпендикулярних напрямів поляризації кожному кінці волокна. Відповідні входи та виходи визначаються вздовж ідентичних поляризаційних осей.

Звідси випливає, що у разі введення випромінювання з вихідним напрямом поляризації Х світло, що виходить з ортогональним напрямом поляризації У, матиме різні набіги фази в кожному напрямку поширення, а світло, що виходить з вихідним напрямом поляризації X, матиме однакові набіги фази для кожного напрямку поширення.

У цьому вся частина вимог, накладених інтерпретацією теореми взаємності Лоренца, яка постулює, що у разі лінійної системи оптичні шляхи точно взаємні, якщо дана вхідна просторова мода виявляється такий самий виході.

Одним із параметрів просторової моди є поляризація; другий параметр також повинен бути визначений, наприклад, просторовий розподіл (розташування) моди. Отже, на кінці контуру ВОГ мають бути як поляризаційний фільтр (селектуючий вихідну поляризацію), так і просторовий фільтр, що задовольнятиме принцип взаємності Лоренца.

Ці досить прості пристрої у конструкції ВОГ (за умови, що вони можуть бути реалізовані з достатньою точністю) гарантуватимуть умови взаємності в системі, але тільки в тому випадку, якщо виконується умова лінійності. Якщо ж нелінійності значні, то ВОГ матиме взаємність у тому випадку, якщо є точна симетрія щодо середньої точки волоконного контуру. Ця умова має на увазі, що енергія, що вводиться в кожен кінець контуру, однакова і що властивості волокна рівномірно розподілені (або принаймні симетричні).

Потужність оптичного випромінювання, що вводиться у волокно, настільки мала (завжди менше ніж 1.2 мВт), що, здавалося б, нелінійності можна знехтувати. Однак чутливість ВОГ до невзаємностей надзвичайно висока і нелінійні ефекти (зокрема ефект Керра) призводять до помітних не взаємностей, еквівалентних швидкості обертання вище 1 град/год. В оптичному волокні має місце обертання площини поляризації лінійно-поляризованого світла під дією зовнішнього магнітного поля (ефект Фарадея).

Обертання Фарадея - це інший невзаємний ефект. У разі лінійно-поляризованого світла повне обертання залежить від лінійного інтеграла струму, взятого оптичним шляхом. Що стосується ВОГ цей інтеграл дорівнює нулю у магнітному полі Землі. Однак, більш ретельне вивчення взаємодії світла у волокні та магнітного поля вздовж волокна вказує на те, що справжнім джерелом обертання є індуковане кругове подвійне променезаломлення і що згаданий вище простий підхід виявляється корисним тільки в тому випадку, якщо обидва кругові компоненти поляризації (права та ліва) мають однакові амплітуди. Це справедливо лише для випадку лінійно-поляризованого світла.

При поширенні світла у волокні мають місце всі можливі стани поляризації і відсоток перебування світла у кожному власному круговому поляризаційному стані Фарадіївського ротатора змінюється вздовж оптичного шляху випадковим чином. Це призводить до певної різниці фаз для двох напрямів поширення лінійно-поляризованої моди на виході.

Таким чином, ВОГ дуже чутливий до магнітного поля Землі, і при конструюванні ВОГ для вимірювання швидкості обертання потрібне магнітне екранування (або забезпечення лінійної поляризації світла по всьому шляху в волокні). Припускаючи, що магнітне поле Землі дорівнює 27 і вважаючи, що компенсація поля відсутня на 5% довжини волокна, можна отримати значення відхилення фази, яке еквівалентне швидкості обертання Землі.

Викладені моменти включали невзаємні ефекти, індуковані в волокні; проте, навіть перші етапи при конструюванні ВОГ з погляду збереження взаємності у системі реєстрації повинні полягати у тому, щоб забезпечити однакову довжину оптичних шляхів у ВОГ.

На рис. 1.3. видно, що ця конфігурація не має властивості взаємності, так як пучок світла, що розповсюджується за годинниковою стрілкою, проходить через дільник світла двічі, а пучок світла, що поширюється проти годинникової стрілки, відбивається від світлоділювача двічі. Але в той же час взаємний оптичний вихідний шлях від чутливого контуру йде у напрямку назад до джерела (від світлодільника до діода), тобто вздовж вхідного оптичного шляху.

Отже, домогтися взаємності у системі реєстрації можна, якщо помістити другий розщеплювач пучка вздовж вхідного оптичного шляху (рис. 1.5.).

Діапазон швидкостей обертання, що вимірюються високочутливим гіроскопом інерційних систем управління, тягнеться від 0,1 град/год до 400 град/год. При LR = 100 м цим значенням швидкості відповідає діапазон зміни фази від 10 до 10 рад (рис.1.4).

Рис. 1.5. Схема ВОГ із постійним усуненням різниці фаз.

До теперішнього часу вже витрачені значні зусилля на збільшення чутливості приладу до низьких швидкостей, і в той же час дуже мало уваги приділяється проблемам, пов'язаним із збільшенням динамічного діапазону.

Як уже зазначалося, у разі необхідності виміру великих змін інтенсивності для даної змінифази потрібно внести фазовий зсув /2, т. е. інтерферометр повинен працювати як квадратури. У цьому режимі зв'язок між змінами інтенсивності та змінами фази є лінійним (до 1%) тільки до максимальних відхилень фази 0,1 рад. Компенсація нелінійності може бути здійснена у самій системі реєстрації, проте лише до максимального відхилення фази порядку 1 рад.

Існує ряд способів реєстрації фази, які можуть бути використані при конструюванні ВОГ.

Найбільш поширені схеми, де використовується статична різниця фаз 90° між двома променями і схеми зі змінною різницею фаз 90°.

Статична невзаємна різниця фаз між променями, що розповсюджуються за годинниковою та проти годинникової стрілки, може створюватися, наприклад, за допомогою елемента Фарадея, що розміщується на одному кінці волоконного контуру (рис. 1.5). Зміни реєстрованої інтенсивності на взаємному виході відповідають змінам у значенні відносної фази для двох променів, що обігають контур.

Грунтуючись на принципах усунення фази можна запропонувати інший принцип реєстрації, що володіє вищою чутливістю.

Відносна фаза для променів, що розповсюджуються за двома напрямками, модулюється по фазі (-/2, /2) на частоті 1/2Т (Т - час проходження променя через контур). Таким чином, світло, що інжектується в момент часу, в напрямку за годинниковою стрілкою відчуває затримку на 90°, світло, що розповсюджується в напрямку проти годинникової стрілки, не затримується (це визначається положенням фазового модулятора, як показано на рис. 1.4.).

Однак, до того моменту часу, коли промінь, що рухається проти годинникової стрілки досягне положення фазового модулятора, зміщення фази не буде. Світло, що інжектується за годинниковою стрілкою в момент, часу, інтерферує з хвилею, що поширюється проти годинникової стрілки зі зсувом фаз - 90°, і т.д.

Отже, результуюча хвиля на виході, яка включає як ефект періодичного фазового зміщення (що дає в принципі постійний рівень інтенсивності на виході), так і фазовий зсув через ефект Саньяка, модулюється так, як це показано на рис. 1.5. Таким чином, вихідний сигнал фотодетектора

При модуляції:

Глибина модуляції залежить від фази, індукованої обертанням.

При створенні ВОГ для модуляції зазвичай використовується п'єзоелектричний циліндричний датчик, навколо якого намотане волокно. Більш зручно використовувати синусоїдальну модуляцію відносної фази двох протилежно променів, що біжать. Якщо різниця фаз, індукована обертанням, дорівнює, то легко показати, що змінна складова інтенсивності сумарної хвилі на виході інтерферометра, з урахуванням періодичної фазової модуляції на частоті та з девіацією дорівнюватиме

Використовуючи стандартне розкладання за Безселевими функціями, отримуємо:

Таким чином, реєстрація на частоті модуляції дає сигнал, амплітуда якого пропорційна; ця величина може бути зроблена максимальною, якщо вибрати значення, що максимізує (тобто 1.8 рад).

Величина девіації є максимальною індукованою ефективною різницею фаз між променями, що рухаються за годинниковою стрілкою та проти годинникової стрілки за час циклу модуляції. Оцінюючи цього значення треба знати як глибину модуляції самого датчика, необхідно враховувати також прогоновий час оптичного шляху у волокні.

1.3 Модель шумів та нестабільностей у ВОГ

Волоконний оптичний гіроскоп є досить складною оптико-електронною системою. При конструюванні реального приладу оптичні елементи та електронні пристрої повинні вибиратися та компонуватися так, щоб мінімізувати вплив зовнішніх збурень (температурних градієнтів, механічних та акустичних вібрацій, магнітних полів та ін.). У самому приладі, крім того, має місце низка внутрішніх джерел шумів та нестабільностей. Умовно ці шуми та нестабільності можна розділити на швидкі та повільні обурення. Швидкі обурення надають випадковий короткочасний усереднений вплив (секунди) на чутливість ВОГ; вони виразно проявляються при нульовій швидкості обертання (короткочасний шум). Повільні обурення викликають повільний дрейф сигналу, що призводить до тривалих доглядів у зчитуванні показань ВОГ (довготривалий дрейф).

Узагальнена модель джерел шумів та нестабільностей у ВОГ показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Узагальнена модель шумів та нестабільностей у ВОГ.

Якщо виключити вплив всіх джерел шумів і нестабільностей у ВОГ, що, звісно можливо лише у принципі, завжди залишаються принципово непереборні шуми - звані квантові чи фотонні шуми; їх називають також дробовими шумами. Ці шуми з'являються лише у присутності корисного оптичного сигналу на вході фотодетектора та обумовлені випадковим розподілом швидкості приходу фотонів на фотодетектор, що призводить до випадкових флуктуацій струму фотодетектора. В цьому випадку чутливість (точність) ВОГ обмежується лише дробовими (фотонними) шумами. Чутливість (точність) ВОГ, що визначається дробовими (фотонними) шумами, як і будь-яких інших оптичних інформаційно-вимірювальних систем, є фундаментальною межею чутливості (точності) приладу. Фотонні шуми є наслідком квантової природи світлового випромінювання. Стосовно оптичних систем передачі інформації гранична завадостійкість цих систем, обумовлена ​​фотонними шумами, була обчислена в .

Дотримуючись робіт, проведемо оцінку фундаментальної межі чутливості (точності) ВОГ.

Рівень фотонних шумів залежить від інтенсивності оптичного випромінювання, що падає на фотодетектор, та визначається флуктуаціями інтенсивності оптичного випромінювання.

Отримана формула для інтенсивності випромінювання на фотодетекторі дозволяє записати вираз для потужності випромінювання, що падає на фотодетектор у вигляді:

де Р - потужність вхідного у ВОГ випромінювання.

З цього виразу випливає, що дробові (фотонні) шуми, зумовлені процесом детектування потужності випромінювання, пов'язані з появою "фазових" шумів і призводять до помилки вимірювання кутової швидкості обертання. Якщо фотодетектор приймає потік фотонів, то число фотонів, що виявляються, в одиницю часу є випадковою величиною, розподіленою за законом Пуассона (у разі використання лазерного випромінювача). :

де h - Постійна Планка; f – частота випромінювання.

Середньоквадратичне значення числа фотонів пуассонівського розподілу дорівнює квадратному кореню із середнього значення, тобто.

Знайдемо середньоквадратичне значення "фазового" шуму:

Тоді з урахуванням виразу (1.35) отримаємо:

де - смуга пропускання системи виявлення та обробки сигналу.

Для типових значень мкВт та Гц

Звідси випливає, що за ширині смуги 1 Гц межа чутливості по вимірюваній фазі становить рад.

Для визначення середньоквадратичної помилки вимірювання кутової швидкості обертання, обумовленої фотонним шумом, скористаємося виразом для фази Саньяка:

Прийнявши, що типовий ВОГ має L = 1 км, D = 10 см, (1/2) P0 = 100 мкВт, f = Гц, маємо:

Звідки випливає, що для ширини смуги 1 Гц і контуру з LR = 50 поріг реєстрації швидкості обертання становить 0.01 град/ч. Виражаючи смугу пропускання через одиниці, обернені годинником, отримуємо вираз для мінімального випадкового дрейфу ВОГ.

Оцінку граничної чутливості ВОГ можна знайти щодо сигнал-шум на виході пристрою обробки. Пристрій обробки вихідного сигналу ВОГ складається з фотодетектора з квантовою ефективністю, підсилювача з коефіцієнтом посилення (множення) G, опору навантаження Rн і низькочастотного фільтра зі смугою пропускання f.

Вихідний струм фотодетектора:

де q - заряд електрона.

Враховуючи коефіцієнт посилення G, сигнальну складову струму запишемо у вигляді

Потужність сигнальної складової дорівнює

Потужність дробових шумів згідно зі стандартною методикою обчислення відношення сигнал-шум обчислюється за формулою Шотки і дорівнює:

При обчисленні потужності шуму враховуються лише принципово непереборні дробові шуми корисного сигналу.

Відношення сигнал-шум набуде вигляду

Вважаючи (с/ш) = 1, замінюючи функцію синуса його аргументом, підставляючи замість її значення через кутову швидкість обертання, отримуємо мінімально виявлену кутову швидкість обертання:

Подібні документи

Оптичні кабелі та роз'єми, їх конструкції та параметри. Основні різновиди волоконно-оптичних кабелів. Класифікація приймачів оптичного випромінювання. Основні параметри та характеристики напівпровідникових джерел оптичного випромінювання.

курс лекцій, доданий 13.12.2009


Принцип дії узагальненого волоконно-оптичного датчика. Оптична схема модуляції світла. Класифікація фазових (інтерферометричних) датчиків. Зовнішній виглядінтерферометра світловолоконного автоматизованого ІСА-1, Технічні характеристики.

доповідь, доданий 19.07.2015


Конструкція оптичного волокна та розрахунок кількості каналів по магістралі. Вибір топологій волоконно-оптичних ліній зв'язку, типу та конструкції оптичного кабелю, джерела оптичного випромінювання. Розрахунок втрат у лінійному тракті та резервної потужності.

курсова робота , доданий 09.02.2011


Принцип побудови волоконно-оптичної лінії. Оцінка фізичних параметрів, дисперсії та втрат в оптичному волокні. Вибір кабелю, системи передачі. Розрахунок довжини ділянки регенерації, розробка схеми. Аналіз перешкодозахищеності системи передачі.

курсова робота , доданий 01.10.2012


Схема траси волоконно-оптичного кабелю. Вибір оптичного кабелю, його характеристики для підвішування та прокладання в ґрунт. Розрахунок параметрів світловоду. Вибір обладнання та оцінка швидкодії кабелю, його паспортизація. Пошук та аналіз пошкоджень.

курсова робота , доданий 07.11.2012


Математична модельзошити чутливих елементів приладу БІУС-ВО. Принцип дії чутливого елемента приладу БІУС-ВО – волоконно-оптичного гіроскопа. Розробка методики оцінки шумових складових каналу вимірювання кутової швидкості.

дипломна робота , доданий 24.09.2012


Принцип роботи оптичного волокна, що ґрунтується на ефекті повного внутрішнього відображення. Переваги волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ), сфери їх застосування. Оптичні волокна, що використовуються для побудови ВОЛЗ, технологія їхнього виготовлення.

реферат, доданий 26.03.2019


Визначення згасання (послаблення), дисперсії, смуги пропускання, максимальної швидкості передачі двійкових імпульсів у волоконно-оптичній системі. Побудова залежності вихідної потужності джерела оптичного випромінювання від величини електричного струму.

контрольна робота , доданий 21.06.2010


Цифрові волоконно-оптичні системи зв'язку, концепція, структура. Основні принципи цифрової системипередачі даних. Процеси, які у оптичному волокні, та його впливом геть швидкість і дальність передачі. Контроль PMD.

курсова робота , доданий 28.08.2007


Загальний опис та призначення, функціональні особливості та структура пасивних компонентів волоконно-оптичних ліній зв'язку: з'єднувачі та розгалужувачі. Мультиплексори та демультиплексори. Дільники оптичної потужності, принцип їхньої дії та значення.