Giroscop cu fibră optică

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 23 septembrie 2021; verificările necesită 11 modificări .

Un giroscop cu fibră optică (FOG) este un dispozitiv optic-electronic care măsoară viteza unghiulară absolută (față de spațiul inerțial ) [1] . Ca și în cazul tuturor giroscoapelor optice, principiul de funcționare se bazează pe efectul Sagnac .

Fasciculul de lumină dintr-un giroscop cu fibră optică trece printr-o bobină de fibră , de unde și numele. Pentru a crește sensibilitatea giroscopului, se folosește un ghidaj luminos de lungime mare (aproximativ 1000 de metri), așezat pe rând. Spre deosebire de un giroscop cu laser inel , giroscoapele cu fibră optică utilizează de obicei lumină cu o lungime de coerență foarte mică , care este necesară pentru a crește precizia giroscopului la un nivel satisfăcător. Nici măcar un dispozitiv laser nu poate fi folosit ca sursă de lumină , ci, de exemplu, un LED .

Cum funcționează

În experimentul lui Sagnac însuși, un fascicul de lumină colimat și polarizat a fost introdus într-un interferometru, în care a fost împărțit în două fascicule care au ocolit interferometrul în direcții opuse. După bypass, fasciculele au fost aliniate și modelul de interferență a fost înregistrat pe o placă fotografică. Experimentele au arătat că modelul de interferență s-a schimbat pe măsură ce configurația s-a rotit, iar schimbarea s-a dovedit a fi proporțională cu viteza de rotație.

Utilizarea fibrei optice face posibilă scăparea de oglinzi și creșterea lungimii căii optice, care, la rândul său, determină diferența de fază detectată:

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

unde este diferența de fază rezultată, este raza conturului, este lungimea fibrei optice, este lungimea de undă a radiației optice, este viteza luminii în vid, este viteza unghiulară. $\Delta \phi _{S}$ $R$ $L$ $\lambda$ $c$ $\Omega$

În absența vitezei unghiulare, diferența de fază este zero, iar elementul fotosensibil va înregistra intensitatea maximă. Când apare o viteză unghiulară, va avea loc o schimbare multiplă a diferenței de fază dintre radiații. Modificarea intensității la fotodetector este descrisă de următoarea ecuație: $\Delta \phi _{S}$

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

Știind că faza poate varia de la până la , putem detecta cu încredere intervalul corespunzător de viteze unghiulare: $-\pi$ $+\pi$

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

Dacă o buclă de 10 km lungime este înfășurată cu o rază de 30 cm, atunci cu o sursă de radiație optică la o lungime de undă de 1550 nm, intervalul de viteze unghiulare detectate va fi de 4,4 grade pe secundă [2] . Folosind convertoare analog-digitale de înaltă calitate, este posibilă detectarea schimbărilor de fază până la microradiani, ceea ce înseamnă că sensibilitatea unui astfel de sistem va fi de aproximativ 0,005 grade pe oră .

Schema de bază a unui astfel de giroscop are un set de limitări:

Simetria funcției de interferență nu permite determinarea direcției de rotație.
Neliniaritatea caracteristicii de transfer provoacă o sensibilitate neuniformă a giroscopului.
Gama de viteze unghiulare detectate este insuficientă pentru utilizarea FOG în navigație.
Depășirea intervalului detectat (mai mare decât ) poate fi interpretată incorect. $\pi$

În schema giroscoapelor moderne cu fibră optică, sunt utilizate tehnici bazate pe modulatoare de frecvență și fază .

Modulatoarele de frecvență traduc faza Sagnac în modificări variabile ale diferenței de frecvență a fasciculelor care călătoresc opus, prin urmare, atunci când faza Sagnac este compensată, diferența de frecvență este proporțională cu viteza unghiulară de rotație Ω. Modulatoarele de frecvență se bazează pe efectul acusto-optic, ceea ce înseamnă că atunci când vibrațiile ultrasonice trec printr-un mediu, în acesta apar zone cu solicitări mecanice (zone de compresie și rarefacție), ceea ce duce la o modificare a indicelui de refracție al mediului. Modificările indicelui de refracție al mediului cauzate de unda ultrasonică formează centre de difracție pentru lumina incidentă. Schimbarea de frecvență a luminii este determinată de frecvența vibrațiilor ultrasonice. Avantajul modulatorilor de frecvență atunci când sunt utilizați în FOG este reprezentarea semnalului de ieșire în formă digitală.

Modulatoarele de fază transformă faza Sagnac într-o modificare a amplitudinii semnalului alternativ, care elimină zgomotul de joasă frecvență și facilitează măsurarea parametrului informației.

Configurația optimă FOG include [2] :

Sursă de radiație optică în bandă largă ( diodă superluminiscentă sau sursă de radiație optică din fibră de erbiu);
Splitter de fibră optică sau circulator;
Circuit optic integrat multifuncțional (MIOS), realizat dintr-un cristal de niobat de litiu și care îndeplinește simultan funcțiile unui polarizator , un splitter și un modulator electro-optic;
Circuitul Sagnac cu fibră optică, care este un element sensibil al FOG;
Fotodetector pentru detectarea radiațiilor optice;
Convertor analog-digital pentru conversia semnalului analog provenit de la fotodetector în digital;
Convertor digital-analogic pentru controlul modulației MIOS;
Un procesor digital care procesează semnalul primit, obținând informații despre viteza unghiulară la ieșire și care controlează funcționarea FOG.

Proprietăți dispozitiv

Apariția unui astfel de dispozitiv ca giroscop cu fibră optică a fost facilitată de dezvoltarea fibrei optice, și anume dezvoltarea unui ghid de lumină dielectrică monomod cu caracteristici speciale ( polarizare stabilă a razelor opuse, liniaritate optică ridicată, atenuare suficient de scăzută) . Acești ghiduri de lumină determină proprietățile unice ale dispozitivului:

precizie potențial mare;
dimensiuni mici și greutatea structurii;
gamă largă de viteze unghiulare măsurate;
fiabilitate ridicată datorită absenței părților rotative ale dispozitivului.

Aplicație

Utilizat pe scară largă în sistemele de navigație inerțiale de clasă de precizie medie. SINS bazate pe FOG sunt folosite în navigație pentru transportul terestru, nave, submarine și sateliți [3] .

În Rusia

În Rusia, o serie de centre sunt angajate în producția și cercetarea giroscoapelor moderne cu fibră optică și a dispozitivelor bazate pe acestea:

Compania de cercetare și producție „Optolink” [4]
Concern Institutul Central de Cercetare „Elektropribor”
PJSC „Compania de fabricare a instrumentelor de cercetare și producție Perm” (PNPPK)
CJSC „Physoptika” [5]

În plus, grupuri de oameni de știință de la PNRPU , ITMO [6] , LETI și SSU [7] desfășoară activități de cercetare și educație pentru îmbunătățirea caracteristicilor giroscoapelor cu fibră optică și a dispozitivelor bazate pe acestea.

Note

↑ Vali, V.; Shorthill, RW (1976). interferometru cu inel de fibre. Optica aplicata . 15 (5): 1099-100. Bibcode : 1976ApOpt..15.1099V . DOI : 10.1364/AO.15.001099 . PMID20165128 . _
↑ 1 2 Hervé C. Lefèvre. Giroscopul cu fibră optică . - A doua editie. - Boston, 2014. - 1 resursă online p. - ISBN 978-1-60807-696-3 , 1-60807-696-2, 978-1-5231-1764-2, 1-5231-1764-8.
↑ Yu. N. Korkishko, V. A. Fedorov, V. E. Prilutsky, V. G. Ponomarev, I. V. Morev, S. F. Skripnikov, M. I. Khmelevskaya, A. S. Buravlev, S .M.Kostritsky, A.I.Zuev, V.K. Sisteme de navigație inerțiale Strapdown bazate pe giroscoape cu fibră optică (rusă) // Giroscopie și navigație: jurnal. - 2014. - V. 1 , Nr. 84 . - S. 14-25 . — ISSN 0869-7035 .
↑ SRL Compania științifică și de producție „Optolink” | Compania de cercetare și producție „Optolink” . www.optolink.ru _ Preluat la 27 aprilie 2022. Arhivat din original la 15 iunie 2021. (nedefinit)
↑ Fizoptică . www.fizoptika.ru _ Consultat la 27 aprilie 2022. Arhivat din original pe 2 aprilie 2022. (nedefinit)
↑ Giroscop cu fibră optică . sf.itmo.ru _ Data accesului: 27 aprilie 2022. (Rusă)
↑ Giroscoape cu fibră optică și laser | SSU - Universitatea de Stat din Saratov . www.sgu.ru _ Data accesului: 27 aprilie 2022. (nedefinit)

Literatură

Sheremetiev A.G. Giroscop cu fibră optică. -M.: Radio și comunicare, 1987.
IN ABSENTA. Andronova, G.B. Malykin. Probleme fizice ale giroscopiei cu fibre bazate pe efectul Sagnac // UFN . - 2002. - T. 172 , nr 8 . — S. 849–873 . - doi : 10.3367/UFNr.0172.200208a.0849 .
Filatov Yu. V. Giroscoape optice. Centrul Științific de Stat al Federației Ruse Institutul Central de Cercetare „Elektropribor”, 2005.
Lefèvre, Hervé C. Fundamentele giroscopului interferometric cu fibră optică. Casa Artech, 2014.