Πώς έτρωγαν οι αρχαίοι άνθρωποι; Άγρια δίαιτα
Σε αντίθεση με το CLG, στα γυροσκόπια οπτικών ινών (FOG), το κλειστό κύκλωμα σχηματίζεται από ένα πηνίο οπτικής ίνας πολλαπλών στροφών. Σε αυτή την περίπτωση, εάν υπάρχει περιστροφή της βάσης της συσκευής με γωνιακή ταχύτητα Ω αλλαγή φάσης φ Οι ακτίνες που διαδίδονται κατά μήκος ενός περιγράμματος σε δύο αμοιβαία αντίθετες κατευθύνσεις (φάση Sagnac) θα προσδιοριστούν από την ακόλουθη έκφραση:
(2.152)
Οπου Ν– αριθμός στροφών πηνίου, μικρό– μέση επιφάνεια πηνίου, λ
– μήκος κύματος της δέσμης φωτός, Με- ταχύτητα του φωτός. Η τελευταία έκφραση υποδηλώνει το κύριο πλεονέκτημα του FOG έναντι του CLG: την τιμή του συντελεστή κλίμακας λόγω μεγάλος αριθμόςΥπάρχουν σημαντικά περισσότερες στροφές της οπτικής ίνας. Η διαφορά φάσης που καταγράφει η συσκευή μπορεί να είναι 10 -5 ÷ 10 -7 ακτίνια, που αντιστοιχεί στη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του κυκλώματος ίση με 1 ÷ 10 -3 μοίρες/ώρα. Εκτός :
· στην ΟΜΙΧΛΗ δεν υπάρχει συγχρονισμός των αντίθετα κινούμενων ακτίνων κοντά στη μηδενική τιμή της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής, γεγονός που καθιστά δυνατή τη μέτρηση πολύ χαμηλών γωνιακών ταχυτήτων, χωρίς την ανάγκη κατασκευής σύνθετων συσκευών μετατόπισης μηδενικού σημείου.
· Ο σχεδιασμός FOG είναι εξ ολοκλήρου κατασκευασμένος με τη μορφή ενός συμπαγούς σώματος (στο μέλλον αποκλειστικά σε ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα), που διευκολύνει τη λειτουργία και αυξάνει την αξιοπιστία σε σύγκριση με το CLG.
· Το FOG μετρά την ταχύτητα περιστροφής, ενώ το KLG καταγράφει την αύξηση της ταχύτητας.
· Η διαμόρφωση FOG καθιστά δυνατή την «αίσθηση» της αντιστροφής της φοράς περιστροφής.
· Λόγω της δυνατότητας δημιουργίας ομίχλης εξ ολοκλήρου σε ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα, έχουν μικρές διαστάσεις και βάρος, καθώς και αμελητέα κατανάλωση ενέργειας, η οποία δεν έχει μικρή σημασία όταν χρησιμοποιούνται ομίχλες επί του σκάφους.
· Το FOG έχει μεγάλο δυναμικό εύρος μετρούμενων γωνιακών ταχυτήτων (ιδίως, για παράδειγμα, μια συσκευή μπορεί να μετρήσει την ταχύτητα περιστροφής από 1 deg/ώρα έως 300 deg/s).
· Λόγω του γεγονότος ότι δεν δαπανάται χρόνος για την περιστροφή ενός ανύπαρκτου ρότορα, το FOG είναι σχεδόν αμέσως έτοιμο για λειτουργία.
· Τα υπό εξέταση γυροσκόπια έχουν χαμηλή ευαισθησία σε μεγάλες γραμμικές επιταχύνσεις και, ως εκ τούτου, λειτουργούν υπό συνθήκες υψηλών μηχανικών υπερφορτώσεων.
· Λόγω της διηλεκτρικής φύσης της ίνας, το FOG έχει υψηλή ανοσία στον θόρυβο, αναισθησία σε ισχυρές εξωτερικές ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις και σε διεισδυτική ακτινοβολία γάμμα-νετρονίων, ειδικά στην περιοχή των 1,3 microns.
Τα γυροσκόπια οπτικών ινών, που λειτουργούν ως αισθητήρες γωνιακής ταχύτητας, μπορούν να συνδεθούν απευθείας, χωρίς πρόσθετο αντίζυγο, στο σώμα του αντικειμένου του οποίου οι παράμετροι κίνησης μετρώνται. Αυτό απλοποιεί σημαντικά τον σχεδιασμό και το κόστος των συστημάτων ελέγχου ή σταθεροποίησης, τη βάση των οποίων αποτελούν.
| Εικ.2.10 |
Η γυροσκόπηση ινών που βασίζεται στο φαινόμενο Sagnac έχει αναπτυχθεί σε δύο κατευθύνσεις, που διακρίνονται από τη χρήση σχημάτων παρεμβολών συντονισμού και μη συντονισμού. Τα κυκλώματα χωρίς συντονισμό βασίζονται σε ένα συμβολόμετρο δακτυλίου ινών Sagnac (FRI), το οποίο μετρά διαφορά φάσηςεπερχόμενα κύματα. Τα κυκλώματα συντονισμού χρησιμοποιούν έναν παθητικό συντονιστή δακτυλίου ινών πολλαπλών διελεύσεων στον οποίο το μετατόπιση συχνότητας συντονισμούαντικύματα ή τους διαφορά φάσης στην περιοχή συντονισμού.Για διάφορους λόγους, η συντονισμένη ΟΜΙΧΛΗ είναι πολύ λιγότερο μελετημένη και πρακτικά δεν παράγεται. Ως εκ τούτου, θα εστιάσουμε περαιτέρω την προσοχή μας στην εξέταση της παρεμβολής FOG.
| Ρύζι. 2.42 |
Τα γενικά πλεονεκτήματα των οπτικών ινών περιλαμβάνουν:
· ευρυζωνικότητα (αναμένεται να είναι έως και αρκετές δεκάδες terahertz).
· χαμηλές απώλειες (ελάχιστο 0,154 dB/km).
· μικρή (περίπου 125 μικρά) διάμετρος.
· χαμηλό (περίπου 30 g/km) βάρος.
· ελαστικότητα (ελάχιστη ακτίνα κάμψης 2 mm).
· μηχανική αντοχή (αντέχει σε εφελκυσμό περίπου 7 kg).
· απουσία αμοιβαίας παρέμβασης.
· μη επαγωγή (σχεδόν καμία επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής).
· ασφάλεια από έκρηξη (εγγυημένη από την απόλυτη αδυναμία της ίνας να προκαλέσει σπινθήρα).
· υψηλή ηλεκτρική μονωτική αντοχή (για παράδειγμα, μια ίνα μήκους 20 cm μπορεί να αντέξει τάσεις έως 10.000 V).
· 
υψηλή αντοχή στη διάβρωση, ειδικά σε χημικούς διαλύτες, λάδια, νερό.
Το απλούστερο σχηματικό διάγραμμα μιας FOG φαίνεται στο Σχ. 2.43. Μια δίοδος λέιζερ είναι μια πηγή φωτός που εισέρχεται σε ένα ημιδιαφανές κάτοπτρο (διαχωριστής δέσμης), ο οποίος τον χωρίζει σε δύο ίδιες δέσμες που περιστρέφονται κατά μήκος του κυκλώματος ινών σε αντίθετες κατευθύνσεις. Στην έξοδο από το κύκλωμα ινών, οι ακτίνες εισέρχονται ξανά στον καθρέφτη και στη συνέχεια στον φωτοανιχνευτή και την ηλεκτρονική συσκευή για την επεξεργασία του λαμβανόμενου σήματος. Ο φωτοανιχνευτής παράγει μια τάση ανάλογη με τη σχετική μετατόπιση φάσης των ακτίνων, η οποία, με τη σειρά της, είναι ανάλογη με την ταχύτητα περιστροφής του κυκλώματος γύρω από τον άξονά του. Μια ηλεκτρονική συσκευή για την επεξεργασία του λαμβανόμενου σήματος παράγει τις τιμές της μετρούμενης ταχύτητας και, ενσωματώνοντάς την, τη γωνία περιστροφής του περιγράμματος.
Δύο δέσμες που περιστρέφονται γύρω από το κύκλωμα σε αντίθετες κατευθύνσεις, αναμειγνύονται στον φωτοανιχνευτή, σχηματίζουν μια προκύπτουσα ταλάντωση, ο νόμος της αλλαγής τάσης της οποίας μπορεί να γραφτεί ως:
Οπου 
- πλάτη κραδασμών. - Συχνότητα ακτινοβολίας. 
; 
; - αρχική φάση ταλάντωσης. 
- Φάση Sagnac.
Ενταση Εγώ Η ακτινοβολία στον φωτοανιχνευτή (ή το μέγεθος του φωτορεύματος στην έξοδο του) θα καθοριστεί από την ακόλουθη ισότητα:
Καθορίζοντας την ένταση της ακτινοβολίας στην έξοδο της διόδου λέιζερ, και επίσης υποθέτοντας ότι δεν υπάρχουν απώλειες στο κύκλωμα των ινών, και υποθέτοντας ότι ο διαχωριστής δέσμης διαιρεί την ενέργεια ακριβώς εξίσου, βρίσκουμε:
(2.155)
Τότε η έκφραση (2.154) παίρνει τη μορφή:
(2.156)
| I/I 0 |
| 1 |
| Δj cC |
| t |
| Ρύζι. 2.44 |
| Δj με m |
| I/I 0μ |
φαίνεται στο Σχ. 2. 44. Όπως προκύπτει από το γράφημα, η εξεταζόμενη επιλογή για την κατασκευή ενός γυροσκόπιου δεν είναι απολύτως επιτυχής λόγω του γεγονότος ότι η συνάρτηση 
είναι άρτιο και δεν φέρει πληροφορίες για το ζώδιο της φάσης Sagnac. Επιπλέον, κατά τη μέτρηση μικρών γωνιακών ταχυτήτων, αυτή η συσκευή έχει χαμηλή ευαισθησία (αναλογία I/I 0Προς την Δj s), καθώς και υψηλή μη γραμμικότητα του σήματος εξόδου. Εάν η μετρούμενη γωνιακή ταχύτητα είναι μια περιοδική συνάρτηση του χρόνου, το σήμα εξόδου θα είναι ένα σύνολο ζυγών αρμονικών της συχνότητας του σήματος εισόδου, η πρώτη από τις οποίες θα έχει διπλάσια συχνότητα μεταβολής σε σχέση με τη συχνότητα του σήματος εισόδου. Για να εξαλείψετε αυτές τις ελλείψεις, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την εισαγωγή αρχική μετατόπιση φάσηςμία από τις ακτίνες κατά ποσότητα κοντά στο p/2, ή μέθοδος μέτρησης αντιστάθμισης με διαμόρφωση διπλής φάσηςσε υψηλές και χαμηλές συχνότητες
Θαλάσσια γυροσκοπική πυξίδα
Το πρόβλημα της δημιουργίας ενός κύριου σώματος που πρακτικά δεν επηρεάζεται από την κίνηση του πλοίου, απαιτούσε τη χρήση γυροσκόπιου με τρεις βαθμούς ελευθερίας ως ευαίσθητο στοιχείο. Προφανώς, μόνο ένα τέτοιο γυροσκόπιο, που έχει ένα τέλειο σύστημα ανάρτησης ρότορα, μπορεί να απομονώσει τον τελευταίο από την επίδραση της γωνιακής κίνησης της βάσης στην οποία είναι εγκατεστημένο. Ωστόσο, αυτή η συσκευή, χωρίς διορθωτικές επιρροές, δεν είναι σε θέση να ευθυγραμμίσει αυτόματα τον κύριο άξονά της με το επίπεδο του μεσημβρινού και, επομένως, δεν μπορεί να είναι γυροσκοπική πυξίδα.
Προφανώς, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα σύστημα διόρθωσης γυροσκόπιου που θα εξανάγκαζε τον κύριο άξονά του να εγκατασταθεί στον μεσημβρινό αλλά, εάν είναι δυνατόν, δεν θα δημιουργούσε εξάρτηση της κίνησής του από τις παραμέτρους κύλισης του πλοίου. Αυτό το πρόβλημα επιλύεται με τον απλούστερο τρόπο μετατοπίζοντας το κέντρο μάζας του ευαίσθητου στοιχείου της συσκευής κατά μήκος του εξωτερικού άξονα της ανάρτησής της. Ας εξετάσουμε τον νόμο της κίνησης του κύριου άξονα του γυροσκόπιου παρουσία της υποδεικνυόμενης μετατόπισης.
Θα υποθέσουμε ότι ένα γυροσκόπιο με τρεις βαθμούς ελευθερίας στον γυροσκοπικό θάλαμο VC(Εικ. 1.3) στο οποίο προσαρτάται ένα φορτίο για να μετατοπίσει το κέντρο μάζας του Q, εγκατεστημένο σε η επιφάνεια της γηςσε οποιοδήποτε σημείο ΕΝΑ.Θα υποθέσουμε επίσης ότι στην αρχική χρονική στιγμή ο κύριος άξονάς του ΟΑσυμπίπτει με το επίπεδο του ορίζοντα και κατευθύνεται από τα δυτικά προς τα ανατολικά. Υπό αυτές τις συνθήκες, δύναμη σολβάρος του γυροσκόπιου, παρά την ύπαρξη απόστασης μεγάλομεταξύ του κέντρου βάρους του και του σημείου ανάρτησης ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ, δεν θα δημιουργήσει σε σχέση με το τελευταίο 
καμία στιγμή. Διάνυσμα κατεύθυνση σολσε αυτή την περίπτωση θα συμπίπτει με τον κατακόρυφο άξονα OSεξωτερικό δαχτυλίδι κάρδαν ΝΚκαι επομένως περάστε από το σημείο ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕανάρτηση γυροσκοπίου.
Ο αρχικός προσανατολισμός του γυροσκόπιου σε σχέση με την επιφάνεια της γης δεν θα παραμείνει αμετάβλητος. Με την πάροδο του χρόνου, λόγω της καθημερινής περιστροφής της Γης, η θέση του γυροσκόπιου θα μετακινηθεί στο διάστημα. Αν παρατηρήσετε την περιστροφή της Γης από έξω Βόρειος πόλος, θα φανεί ότι αυτή η κίνηση γίνεται αριστερόστροφα. Έτσι, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το σημείο εγκατάστασης του γυροσκόπιου, έχοντας περιστραφεί μαζί με τη Γη γύρω από τον άξονά του, θα κινηθεί στο διάστημα κατά μια ορισμένη γωνία και θα πάρει μια νέα θέση, που υποδεικνύεται με μια κουκκίδα στο διάγραμμα σι.
Κατά τη διάρκεια της περιγραφόμενης κίνησης, το γυροσκόπιο, προσπαθώντας να διατηρήσει την κατεύθυνση του κύριου άξονά του αμετάβλητη στο χώρο, θα αρχίσει να αποκτά μια διαρκώς αυξανόμενη κλίση προς τον ορίζοντα. Στην περίπτωση αυτή, το ανατολικό άκρο του κύριου άξονα ΟΑθα ανεβαίνει συνεχώς πάνω από τον ορίζοντα, και ο δυτικός θα πέφτει. Μαζί με γυροσκόπιο γύρω από τον άξονα 0Vθα περιστραφεί και το φορτίο Q. Αν υπάρχει γωνία β
διάνυσμα μεταξύ του κύριου άξονα και του επιπέδου του ορίζοντα σολδεν θα περάσει πλέον από το σημείο ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕανάρτηση του γυροσκοπίου, προκαλώντας έτσι την εμφάνιση της στιγμής M V,που ενεργεί στο γυροσκόπιο σε σχέση με τον εσωτερικό άξονα ανάρτησής του OV.Είναι εύκολο να δει κανείς ότι το μέγεθος της στιγμής M Vκαθορίζεται από το προϊόν 
,
που λόγω της μικρότητας της γωνίας β
μπορεί να ληφθεί ίσο Glβκαι επομένως να θεωρούνται ανάλογες της γωνίας β.
Κατεύθυνση διάνυσμα ροπής M Vσυμπίπτει με τη θετική φορά του άξονα 0V,εκείνοι. θα είναι κάθετο στο επίπεδο σχεδίασης και θα δείχνει προς τον αναγνώστη.
Μόλις τη στιγμή M Vθα αρχίσει να δρα στο γυροσκόπιο, η μεταπτωτική κίνηση θα συμβεί γύρω από τον εξωτερικό άξονα OS.Ως αποτέλεσμα, ο κύριος άξονας ΟΑγυροσκόπιο, γυρίζοντας γύρω από έναν άξονα OSμε γωνιακή ταχύτητα, θα αρχίσει να πλησιάζει το επίπεδο του γεωγραφικού μεσημβρινού. Στην περίπτωση αυτή, το διάνυσμα της γωνιακής ορμής ΝΤο γυροσκόπιο θα κινηθεί προς την κατεύθυνση του βόρειου γεωγραφικού πόλου, όπως φαίνεται στο διάγραμμα στη θέση V. Όπως μπορούμε να δούμε, το περιγραφόμενο γυροσκόπιο αποκτά την ικανότητα να εγκατασταθεί στον μεσημβρινό και, ως εκ τούτου, μετατρέπεται σε πυξίδα με διόρθωση εκκρεμούς. Συχνά ονομάζεται γυροσκοπική πυξίδα με άμεση διόρθωση.
Δεδομένου ότι, τείνοντας προς τον μεσημβρινό, το γυροσκόπιο κινείται ταυτόχρονα σε δύο γωνίες α Και β , έχει ενδιαφέρον να μάθουμε την τροχιά κίνησης του κύριου άξονά του. Για να γίνει αυτό, ας στραφούμε στις εξισώσεις (2.20) που περιγράφουν τη συμπεριφορά ενός γυροσκόπιου με τρεις βαθμούς ελευθερίας, η βάση του οποίου περιστρέφεται στο χώρο με γωνιακές ταχύτητες ω xo,ω ουοΚαι ωζω. Λαμβάνοντας υπόψη ότι στην υπό εξέταση περίπτωση
, (1.1)
Οπου 
, τότε αυτές οι εξισώσεις μπορούν να ξαναγραφτούν με την ακόλουθη μορφή:
(1.2)
Δεδομένου ότι επιλέξαμε ένα οριζόντιο σύστημα με γεωγραφικό προσανατολισμό των αξόνων ως σύστημα συντεταγμένων βάσης (Εικ. 2.20), οι υποδεικνυόμενες γωνιακές ταχύτητες θα καθοριστούν από ισότητες (2.38), στις οποίες οι σχετικές ταχύτητες 
:
Αντικατάσταση των ισοτήτων (1.3) σε εξισώσεις (1.2) και λαμβάνοντας υπόψη ότι στην πράξη 
<< , найдем:
(1.4)
Όπως δείχθηκε προηγουμένως (ενότητα 2.7), οι όροι των εξισώσεων (1.4), οι οποίοι εξαρτώνται από γωνιακές επιταχύνσεις, καθορίζουν ταλαντώσεις που είναι ασήμαντες σε πλάτος και έχουν αρκετά υψηλή συχνότητα, οι οποίες, κατά κανόνα, δεν καταγράφονται από συστήματα μέτρησης . Ως εκ τούτου, κατά την ανάλυση αυτών των εξισώσεων, θα περιοριστούμε στο πλαίσιο της θεωρίας μετάπτωσης, η οποία δεν λαμβάνει υπόψη την κίνηση διακοπής του γυροσκόπιου και παρέχει λόγους για τον αποκλεισμό των πρώτων όρων αυτών των εξισώσεων από την εξέταση. Ως αποτέλεσμα, θα λάβουν τη μορφή:
(1.5)
Έχοντας εξαιρέσει επίσης τη μεταβλητή από τις εξισώσεις που προέκυψαν β , θα έχω:
, (1.6)
(1.7)
Η λύση της εξίσωσης (1.6) μπορεί να γραφτεί ως:
Οπου Γ 1Και Γ 2είναι αυθαίρετες σταθερές ανάλογα με τις αρχικές συνθήκες.
Έχοντας διαφοροποιήσει την ισότητα (1.8) και αντικαταστήσει την τιμή στην πρώτη εξίσωση του συστήματος (1.5), βρίσκουμε μια έκφραση για τη γωνία:
Οι εξαρτήσεις (1.8) και (1.9) χαρακτηρίζουν τη χρονική μεταβολή των γωνιών απόκλισης του κύριου άξονα του γυροσκόπιου σε σχέση με το επίπεδο του μεσημβρινού και του ορίζοντα.
Θα υποθέσουμε ότι την αρχική χρονική στιγμή ο κύριος άξονας του γυροσκόπιου βρισκόταν στο επίπεδο του ορίζοντα [ β(0)= 0] και αποκλίνει από τον μεσημβρινό κατά γωνία a n [a(0)=a n]. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη, δεν είναι δύσκολο να βρούμε τις τιμές των αυθαίρετων σταθερών Γ 1Και Γ 2:
(1.10)
Αντικαθιστώντας τις τιμές των υποδεικνυόμενων σταθερών στις παραστάσεις (1.8) και (1.9), θα έχουμε:
(1.11)
Ας απλοποιήσουμε την έκφραση που προκύπτει. Για να γίνει αυτό, εισάγουμε τον ακόλουθο συμβολισμό:
(1.13)
Αντικαθιστώντας τις ισότητες (1.12) σε (1.11), βρίσκουμε: (1.14)
Οι εξαρτήσεις που προέκυψαν δείχνουν ότι το GC, η βάση του οποίου είναι εγκατεστημένη ακίνητη στην επιφάνεια της γης, εκτελεί μη απόσβεση αρμονικές ταλαντώσεις σε σχέση με το επίπεδο του μεσημβρινού με πλάτος (Εικ. 1.4) και ένα επίπεδο κεκλιμένο προς το επίπεδο του ορίζοντα υπό γωνία
(1.15)
Το πλάτος του τελευταίου, όπως προκύπτει από την ισότητα (1.14), καθορίζεται από την ακόλουθη έκφραση:
(1.16)
Μέγεθος β 0
χαρακτηρίζει την απαραίτητη γωνία κλίσης του κύριου άξονα του γυροσκοπίου, η οποία εξασφαλίζει συνεχή κίνηση αυτού του άξονα στον παγκόσμιο χώρο ακολουθώντας το επίπεδο του μεσημβρινού της γης. Πράγματι, η Γη περιστρέφεται γύρω από την τοπική κατακόρυφο OSμε γωνιακή ταχύτητα ίση με 
Για να προκληθεί η ίδια περιστροφή του άξονα του γυροσκοπίου στο χώρο, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια σταθερή λειτουργία σε σχέση με τον εσωτερικό άξονα OBανάρτηση του ρότορα του τη ροπή εξωτερικής δύναμης, η οποία θα πρέπει να είναι ίση με το γινόμενο 
Αυτή η στιγμή εμφανίζεται όταν ο άξονας του γυροσκοπίου αποκλίνει από την κατακόρυφο. Η αξία του είναι ίση 
. Έτσι, για να παρακολουθεί το GC την περιστροφή στο χώρο του μεσημβρινού επιπέδου, πρέπει να γίνει η ισότητα:
, (1.17)
από την οποία προκύπτει η ισότητα (1.12).
Ελλειπτική φύση της τροχιάς του κύριου άξονα του γυροσκόπιου στο επίπεδο της εικόνας Qοφείλεται στην παρουσία μιας μετατόπισης φάσης των ταλαντώσεων που συμβαίνει σε σχέση με τους άξονες της ανάρτησής του κατά γωνία 90 0 παρόμοια με αυτή που φαίνεται στο Σχ. 2.21.
Περίοδος Τ 0Οι μη αποσβεσμένες ταλαντώσεις του γυροσκόπιου κοντά στη θέση ισορροπίας σύμφωνα με τις ισότητες (1.11) και (1.7) καθορίζονται από την ακόλουθη έκφραση:
(1.18)
Από την έκφραση που προκύπτει προκύπτει ότι η τιμή Τκατά τη διάρκεια της ναυσιπλοΐας δεν παραμένει σταθερή, αλλά εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος του σκάφους. Λόγω του ότι το μέγεθος της κινητικής ροπής Ν, κατά κανόνα, είναι αρκετά μεγάλο· στην πράξη, η περίοδος που εξετάζεται είναι αρκετές δεκάδες λεπτά, η οποία υπερβαίνει σημαντικά την περίοδο λικνίσματος του πλοίου. Αυτό αυξάνει σημαντικά τη σταθερότητα του κύριου άξονα του γυροσκόπιου όταν λειτουργεί υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Ωστόσο, οι υπό εξέταση ταλαντώσεις μετάπτωσης προκαλούν ένα περιοδικό σφάλμα στις ενδείξεις BG, για να εξαλειφθεί το οποίο πρέπει να κατασταλεί. Για το σκοπό αυτό, η πυξίδα πρέπει να είναι εξοπλισμένη με μια ή την άλλη συσκευή απόσβεσης. Η φύση της κίνησης του κύριου άξονα του γυροσκόπιου και η θέση της σταθερής ισορροπίας του σε αυτή την περίπτωση εξαρτάται από τον τύπο της συσκευής απόσβεσης που χρησιμοποιείται. Αυτό το θέμα θα συζητηθεί λεπτομερέστερα παρακάτω.
Για να συνοψίσουμε όσα έχουν ειπωθεί, σημειώνουμε ότι για την οικοδόμηση ενός θαλάσσιου αστικού κώδικα θα πρέπει:
§ 
| Σπουδαίος! |
§ να το εξοπλίσει με μια συσκευή που δημιουργεί μια ροπή σε σχέση με τον εσωτερικό άξονα της ανάρτησης του ρότορα, ανάλογη με τη γωνία απόκλισης του κύριου άξονα του γυροσκόπιου από το επίπεδο του ορίζοντα.
§ Εξοπλίστε τη συσκευή με μια συσκευή που μειώνει τους μεταπτωτικούς κραδασμούς του γυροσκόπιου που συμβαίνουν κατά την τοποθέτησή του στον μεσημβρινό.
Στείλτε την καλή δουλειά σας στη βάση γνώσεων είναι απλή. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα
Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.
Εισαγωγή
1. Αρχές γυροσκόπησης οπτικών ινών
1.1 Κύρια χαρακτηριστικά της ΟΜΙΧΛΗΣ
1.2 Η αρχή της αμοιβαιότητας και η καταχώρηση φάσης στην ΟΜΙΧΛΗ
1.3 Μοντέλο θορύβου και αστάθειας στην ΟΜΙΧΛΗ
2. Επίδραση των στοιχείων FOG στα χαρακτηριστικά ακρίβειας του συστήματος
2.1 Χαρακτηριστικά των πηγών ακτινοβολίας
2.2 Χαρακτηριστικά θορύβου του κυκλώματος οπτικών ινών
2.3 Χαρακτηριστικά θορύβου φωτοανιχνευτών
2.4 Ανάλυση άμεσων δυναμικών επιδράσεων (κλίσεις θερμοκρασίας και μηχανικές τάσεις)
2.5 Επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στα χαρακτηριστικά ακρίβειας του FOG
3. Μέθοδοι αντιστάθμισης σφαλμάτων
3.2 Αντιστάθμιση για υπερβολικό θόρυβο σε γυροσκόπιο οπτικών ινών με ζεύκτη 3x3
3.3 Αντιστάθμιση backscatter
3.4 Αντιστάθμιση για την επίδραση της επίδρασης Kerr στην ακρίβεια του FOG
4. Υπολογισμός εκτιμήσεων κόστους για ερευνητικές εργασίες
4.1 Υποθέσεις
4.2 Προσδιορισμός της έντασης της εργασίας και των ημερολογιακών περιόδων εργασίας
4.3 Υπολογισμός δαπανών κατά στοιχεία κόστους και σύνταξη εκτιμήσεων κόστους
4.4 Συμπεράσματα υπολογισμού
5. Ασφάλεια ζωής και προστασία της εργασίας
5.1 Οργάνωση χώρων εργασίας
5.2 Θερμοκρασία, υγρασία, πίεση
5.3 Απαιτήσεις φωτισμού
5.4 Απαιτήσεις για επίπεδα θορύβου και κραδασμών
5.5 Απαιτήσεις για προστασία από στατικό ηλεκτρισμό και ακτινοβολία
5.6 Απαιτήσεις για τερματική συσκευή βίντεο
5.7 Ηλεκτρική ασφάλεια
5.7 Πυρασφάλεια
5.9 Προβλεπόμενες μέθοδοι προστασίας
6. Οικολογία και προστασία του περιβάλλοντος
Η διατριβή είναι αφιερωμένη στην ανάλυση των σφαλμάτων ενός γυροσκόπιου οπτικών ινών και είναι μια προσπάθεια συνεπούς εξέτασης των αρχών κατασκευής ενός FOG με βάση την ελαχιστοποίηση της επίδρασης στοιχείων στα χαρακτηριστικά ακρίβειάς του. Η εργασία εξετάζει τις βασικές αρχές της γυροσκόπησης οπτικών ινών, χαρακτηρίζει τα κύρια στοιχεία διαφόρων τύπων FOG και προτείνει μεθόδους για την αντιστάθμιση ορισμένων σφαλμάτων που προκαλούνται από διάφορους παράγοντες.
Η δυνατότητα δημιουργίας μιας πραγματικής εξαιρετικά ευαίσθητης ομίχλης εμφανίστηκε μόνο με τη βιομηχανική ανάπτυξη ενός διηλεκτρικού οδηγού φωτός μονής λειτουργίας με χαμηλή εξασθένηση. Ο σχεδιασμός του FOG σε τέτοιες ίνες καθορίζει τις μοναδικές ιδιότητες της συσκευής:
δυνητικά υψηλή ευαισθησία (0,01 deg/sec ή λιγότερο).
μικρές διαστάσεις και βάρος της δομής, χάρη στη δυνατότητα δημιουργίας FOG σε ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα.
χαμηλό κόστος παραγωγής και σχετική απλότητα τεχνολογίας σε σύγκριση με τα περιστροφικά γυροσκόπια.
χαμηλή κατανάλωση ενέργειας?
μεγάλο δυναμικό εύρος μετρούμενων γωνιακών ταχυτήτων.
απουσία περιστρεφόμενων μηχανικών στοιχείων (ρότορες) και ρουλεμάν, γεγονός που αυξάνει την αξιοπιστία.
σχεδόν άμεση ετοιμότητα για εργασία (δεν δαπανάται χρόνος για την περιστροφή του ρότορα).
χαμηλή ευαισθησία στη γραμμική επιτάχυνση.
υψηλή ανοσία θορύβου?
Η αρχή λειτουργίας του FOG βασίζεται στο φαινόμενο δίνης Sagnac, που ανακαλύφθηκε το 1913. Εάν δύο ακτίνες φωτός διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις σε ένα κλειστό οπτικό κύκλωμα, τότε με ένα σταθερό κύκλωμα οι μετατοπίσεις φάσης και των δύο ακτίνων που έχουν περάσει από ολόκληρο το κύκλωμα θα είναι οι ίδιες. Όταν το περίγραμμα περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα κάθετο προς το επίπεδο του περιγράμματος, οι μετατοπίσεις φάσης των ακτίνων είναι άνισες και η διαφορά φάσης των ακτίνων είναι ανάλογη με τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του περιγράμματος. Για να εξηγηθεί το φαινόμενο της δίνης Sagnac, έχουν αναπτυχθεί τρεις θεωρίες: κινηματική, Doppler και σχετικιστική. Η διατριβή εξετάζει τα δύο πρώτα.
Στο πλαίσιο της κινηματικής θεωρίας, εξετάζεται ένα επίπεδο κλειστό οπτικό κύκλωμα αυθαίρετου σχήματος, στο οποίο δύο κύματα φωτός διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το επίπεδο του περιγράμματος είναι κάθετο στον άξονα περιστροφής. Θεωρώντας το τμήμα διαδρομής μιας ακτίνας φωτός ως απειροελάχιστο και εκφράζοντας τη γραμμική ταχύτητα ενός σημείου μέσω του διανύσματος ακτίνας του, λαμβάνουμε μια έκφραση για το χρόνο που χρειάζονται δύο αντίθετες ακτίνες για να διασχίσουν ένα τμήμα του περιγράμματος.
Όταν το περίγραμμα περιστρέφεται με μια ορισμένη γωνιακή ταχύτητα, το φαινομενικό μήκος του τμήματος για τα δύο κύματα αποδεικνύεται διαφορετικό. Θεωρώντας την ταχύτητα του φωτός ως αμετάβλητο μέγεθος, συσχετίζουμε την επιμήκυνση και τη συντόμευση των μονοπατιών με την επιμήκυνση και τη συντόμευση των χρονικών διαστημάτων και λαμβάνουμε μια έκφραση για τη σχετική καθυστέρηση, η οποία μπορεί να εκφραστεί μέσω της διαφοράς φάσης των αντίθετα πολλαπλασιαζόμενων κυμάτων. Η άθροιση σε όλο το μήκος του κυκλώματος καθορίζει τη διαφορά τελικής φάσης.
Η θεώρηση ενός ιδανικού οπτικού κυκλώματος δακτυλίου με ένα σύστημα δύο κατόπτρων επιτρέπει σε κάποιον να αποκτήσει το ίδιο αποτέλεσμα για τη διαφορά στους χρόνους διάδοσης των αντίθετα πολλαπλασιαζόμενων ακτίνων.
Το φαινόμενο των αλλαγών στη συχνότητα των ταλαντώσεων που εκπέμπονται από τον πομπό και λαμβάνονται από τον δέκτη, που παρατηρείται με την αμοιβαία σχετική κίνηση του πομπού και του δέκτη, μας επιτρέπει να εξετάσουμε το φαινόμενο Sagnac στο πλαίσιο της θεωρίας Doppler.
Η σχετική μετατόπιση φάσης σε αυτή την περίπτωση καθορίζεται από τη διαφορά στις συχνότητες των κυμάτων που έχουν υποστεί μετατόπιση Doppler και εκφράζεται επίσης μέσω της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του κυκλώματος.
Με βάση το εξεταζόμενο αποτέλεσμα, είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένα σχηματικό διάγραμμα του απλούστερου FOG. Η ακτινοβολία από την πηγή εισέρχεται στον διαχωριστή δέσμης, όπου χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη, τα οποία, αφού περάσουν από ένα κλειστό κύκλωμα που αποτελείται από ένα πηνίο πολλαπλών στροφών, οι ίνες εισέρχονται στον φωτοανιχνευτή. Η εξαγόμενη φάση Sagnac μετατρέπεται από τη συσκευή επεξεργασίας σε γωνιακή ταχύτητα και, εάν είναι απαραίτητο, ενσωματώνεται για τον προσδιορισμό της γωνίας περιστροφής του συστήματος.
Η ένταση της ακτινοβολίας στον φωτοανιχνευτή είναι ανάλογη με το συνημίτονο της διαφοράς φάσης των κυμάτων που διαδίδονται αντίθετα, γεγονός που καθορίζει τη χαμηλή ευαισθησία της συσκευής σε χαμηλές γωνιακές ταχύτητες.
Για να μεγιστοποιηθεί η ευαισθησία σε μικρές αλλαγές στην πληροφοριακή παράμετρο, είναι απαραίτητο να τοποθετηθεί ένας απλός διαμορφωτής φάσης στο κύκλωμα ινών, δίνοντας μια μη αμοιβαία μετατόπιση φάσης /2 μεταξύ δύο αντίθετα κινούμενων ακτίνων. Τότε η ένταση στον φωτοανιχνευτή σε χαμηλές γωνιακές ταχύτητες αλλάζει σχεδόν γραμμικά.
Δεδομένου ότι οι ενδείξεις του οργάνου καθορίζονται πλήρως από τη διαφορά φάσης των αντίθετα πολλαπλασιαζόμενων κυμάτων, όλα τα σφάλματα FOG σχετίζονται με τη μη αμοιβαιότητα των συνθηκών διάδοσής τους.
Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τις συνθήκες διάδοσης των αντίθετα διαδιδόμενων κυμάτων είναι:
διακυμάνσεις στην ένταση και τη συχνότητα της πηγής ακτινοβολίας.
αλλαγή των χαρακτηριστικών του διαχωριστή δέσμης.
οπισθοσκέδαση από ακτίνες που κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις.
ηλεκτρο-οπτικά εφέ σε ίνες.
μαγνητο-οπτικά εφέ σε ίνες.
θερμικές κλίσεις?
επιδράσεις πόλωσης?
θερμικός θόρυβος των στοιχείων φορτίου της διαδρομής εξόδου.
θόρυβος βολής φωτοανιχνευτή.
Η εργασία αξιολόγησε το όριο ευαισθησίας (ακρίβειας) του FOG, που προσδιορίζεται από το επίπεδο θορύβου φωτονίων και ανάλογα με την ένταση της οπτικής ακτινοβολίας που προσπίπτει στον φωτοανιχνευτή. Οι θεωρητικές εκφράσεις που ελήφθησαν για το σφάλμα που προκαλείται από τον θόρυβο βολής μας επιτρέπουν να συμπεράνουμε ότι είναι απαραίτητο να αυξηθεί το μήκος του κυκλώματος και να μειωθεί το εύρος ζώνης του χαμηλοπερατού φίλτρου της βαθμίδας εξόδου. (πρόγραμμα)
Η χρήση πηγών λέιζερ υψηλής συνοχής μειώνει τον θόρυβο της βολής, αλλά η συνεκτική συνιστώσα οπισθοσκέδασης Rayleigh στην ίνα εισάγει ένα σφάλμα στη διαφορά φάσης μεταξύ των δύο ακτίνων. Με βάση αυτό, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται μια πηγή με μήκος συνοχής πολύ μικρότερο από το μήκος του κυκλώματος ινών. Σε αυτή την περίπτωση, ο θόρυβος που σχετίζεται με την ανάκλαση στο άκρο της ίνας προστίθεται ασυνάρτητα στο επιθυμητό σήμα.
Η χρήση πρόσθετης διαμόρφωσης σήματος επιτρέπει επίσης στον θόρυβο της οπισθοσκέδασης να «αποσυνδεθεί».
Το δεύτερο κεφάλαιο συζητά την επίδραση των στοιχείων FOG στα χαρακτηριστικά ακρίβειας του συστήματος.
Η ανάλυση των χαρακτηριστικών των πηγών ακτινοβολίας μας επιτρέπει να συμπεράνουμε ότι είναι προτιμότερο να χρησιμοποιούνται διόδους υπερφωταύγειας, οι οποίες έχουν χαμηλή συνοχή και καθιστούν δυνατή την αντιστάθμιση της επίδρασης του φαινομένου Kerr και της οπισθοσκέδασης. Έχουν επίσης λιγότερη εξάρτηση από τη θερμοκρασία, είναι πιο απλά στο σχεδιασμό και είναι πολύ αξιόπιστα.
Δίνεται μεγάλη προσοχή στα χαρακτηριστικά του κυκλώματος ινών, καθώς είναι το κύκλωμα που είναι η κύρια πηγή σφαλμάτων στην ΟΜΙΧΛΗ. Η εξέταση των ποσοτικών τιμών των απωλειών στην ίνα είναι ανεπαρκής για την ανάλυση της ακρίβειας του FOG. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η αξιολόγηση των στατιστικών χαρακτηριστικών των παραμέτρων του κυκλώματος. Η εργασία εξετάζει τις ιδιότητες διασποράς ινών με διαφορετικά προφίλ δείκτη διάθλασης και παρέχει μια ποιοτική αξιολόγηση της εξάρτησης της διασποράς προφίλ από τις ιδιότητες συσχέτισης για διάφορους τύπους ανομοιογενειών στην ίνα. (γραφικές παραστάσεις)
Οι προκύπτουσες σχέσεις καθιστούν δυνατό τον έμμεσο προσδιορισμό τόσο των απωλειών εισαγωγής όσο και της φύσης της μη αμοιβαιότητας για διαφορετικά τμήματα της ίνας χρησιμοποιώντας τις γνωστές παραμέτρους ανομοιογένειας.
Η μεγαλύτερη επιρροή στα χαρακτηριστικά της FOG μπορεί να προκληθεί από αλλαγές στην ακτίνα του πυρήνα και τις τυχαίες κάμψεις της ίνας, που οδηγούν σε αύξηση της διασποράς του προφίλ και της διεύρυνσης του παλμού.
Μια σημαντική πηγή θορύβου στην ΟΜΙΧΛΗ είναι επίσης ο φωτοανιχνευτής. Ο φωτισμός φόντου, ο θόρυβος σκοτεινού ρεύματος, ο εσωτερικός φωτοηλεκτρικός κβαντικός θόρυβος, ο υπερβολικός εσωτερικός θόρυβος κέρδους, ο θερμικός θόρυβος του ενισχυτή και ο θόρυβος διαμόρφωσης μετατροπέα έχουν άμεσο αντίκτυπο στην ακρίβεια του FOG.
Μια ποιοτική αξιολόγηση της ισοδύναμης ισχύος θορύβου του φωτοανιχνευτή για διάφορες τιμές του εύρους ζώνης του συστήματος μας επιτρέπει να συμπεράνουμε ότι είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας που έχουν ελάχιστο επίπεδο θορύβου και μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την αναλογία σήματος προς θόρυβο σε χαμηλά επίπεδα σήματος.
Η ανάλυση των άμεσων δυναμικών επιδράσεων κατέστησε δυνατή την ποιοτική αξιολόγηση της θερμικά επαγόμενης μη αμοιβαιότητας της φάσης Sagnac για διάφορες τιμές του μήκους του κυκλώματος και το συμπέρασμα ότι είναι απαραίτητη η υψηλή θερμική σταθεροποίηση της συσκευής.
Η ανάγκη για σταθερότητα πόλωσης οφείλεται στην επίδραση του μαγνητικού πεδίου στη διαφορά φάσης των ταλαντώσεων. (πρόγραμμα)
Η χρήση ινών με σταθερή πόλωση θα μειώσει τις απαιτήσεις για συσκευές πόλωσης και θα εξασφαλίσει υψηλή ακρίβεια της συσκευής.
Για την αντιστάθμιση των σφαλμάτων, προτείνονται δύο μέθοδοι κυκλώματος και εξετάζονται επιλογές για τη χρήση ορισμένων στοιχείων FOG. Πραγματοποιήθηκε μια ποιοτική αξιολόγηση του κέρδους στην ευαισθησία της συσκευής.
Ένας τρόπος για να βελτιωθεί η ακρίβεια των FOG μπορεί να είναι η χρήση πηγών υπερφθορισμού ακτινοβολίας σε αυτές. Τέτοιες πηγές είναι παρόμοιες σε ιδιότητες με τις θερμικές, αλλά χαρακτηρίζονται από υψηλό επίπεδο υπερβολικού θορύβου. Η ισορροπημένη ανίχνευση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καταστολή του υπερβολικού θορύβου. Ως σήμα αναφοράς, χρησιμοποιήστε την ακτινοβολία της πηγής, με καθυστέρηση από τη στιγμή που το φως διέρχεται από την οπτική διαδρομή του FOG.
Για να εξασφαλιστεί η συνεκτική αλληλεπίδραση μεταξύ του πληροφοριακού σήματος και του σήματος αναφοράς, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας κατευθυντικός ζεύκτης 3x3 ως ζεύκτη. Η ακτινοβολία από την πηγή παρέχεται μέσω ενός κατευθυντικού συζεύκτη στις εισόδους του ευαίσθητου κυκλώματος και στη συνέχεια σε φωτοανιχνευτές, οι έξοδοι των οποίων συνδέονται με έναν διαφορικό ενισχυτή. Κάθε ένα από τα αντίθετα κύματα είναι ταυτόχρονα πληροφοριακό (σήμα) και ταυτόχρονα κύμα αναφοράς για το άλλο κύμα. Στην έξοδο του διαφορικού ενισχυτή, ο υπερβολικός θόρυβος που προκαλείται από τον φωτισμό του φόντου αντισταθμίζεται.
Ο κύριος μηχανισμός απώλειας στην ίνα είναι η οπισθοσκέδαση Rayleigh. Κάθε πρωτεύον κύμα, που διαδίδεται αντίθετα στο κύκλωμα των ινών, διεγείρει ανομοιογένειες μικρής κλίμακας στην ίνα, οι οποίες με τη σειρά τους λειτουργούν ως επαγόμενοι εκπομποί διπόλων. Ο οδηγός φωτός συλλαμβάνει μέρος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας και τη διοχετεύει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Οι συνεισφορές από κάθε στοιχειώδη σκεδαστή αθροίζονται διανυσματικά με την τυχαία φάση και σχηματίζουν το συνολικό σκεδαζόμενο πεδίο σε κάθε κατεύθυνση. Στην έξοδο του κυκλώματος, εμφανίζεται ένα στοιχείο μετατόπισης φάσης που είναι διαφορετικό από τη φάση Sagnac, το οποίο οδηγεί σε σφάλμα στη μέτρηση της ταχύτητας.
Μέθοδοι για την ελαχιστοποίηση του σφάλματος FOG που προκαλείται από την αντίστροφη σκέδαση Rayleigh μπορούν να συσχετιστούν με μείωση της αμοιβαίας συνοχής μεταξύ των πρωτογενών και δευτερευόντων (σκεδαζόμενων) κυμάτων. Η διαμόρφωση συχνότητας του πρωτεύοντος σήματος, ενώ μειώνει τη συνοχή, δεν εισάγει πρόσθετη μη αμοιβαιότητα στο κύκλωμα. Οι αλλαγές στη συχνότητα του λέιζερ μπορεί επίσης να είναι πηγή τυχαιοποίησης φάσεων. Η μείωση της συνοχής μπορεί επίσης να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας πρόσθετη διαμόρφωση φάσης του πρωτεύοντος κύματος.
Το σφάλμα μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας τη μέθοδο υπολογισμού του μέσου όρου κατά τη διάρκεια της συνεχούς ολοκλήρωσης του συστήματος επεξεργασίας.
Το οπτικό μη γραμμικό φαινόμενο Kerr εκδηλώνεται με τη μορφή διαταραχής του δείκτη διάθλασης του μέσου όταν αλλάζει η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου που δρα στο μέσο. Εάν οι δυνάμεις των οπτικών ακτίνων που διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις δεν είναι ίδιες, και επομένως οι σταθερές διάδοσης δεν είναι ίδιες, τότε αυτό οδηγεί σε μη αμοιβαιότητα φάσης του κυκλώματος και, ως αποτέλεσμα, σε σφάλμα στη μέτρηση της γωνιακής ταχύτητας .
Η αντιστάθμιση αυτού του φαινομένου μπορεί να επιτευχθεί με ορθογώνια διαμόρφωση της πηγής ακτινοβολίας ή με επιλογή πηγής με κατάλληλα φασματικά χαρακτηριστικά.
Εισαγωγή
Το γυροσκόπιο οπτικών ινών (FOG) είναι μια οπτικο-ηλεκτρονική συσκευή, η δημιουργία της οποίας κατέστη δυνατή μόνο με την ανάπτυξη και τη βελτίωση της στοιχειακής βάσης της κβαντικής ηλεκτρονικής. Η συσκευή μετρά τη γωνιακή ταχύτητα και τις γωνίες περιστροφής του αντικειμένου στο οποίο είναι εγκατεστημένη. Η αρχή λειτουργίας του FOG βασίζεται στο φαινόμενο vortex (περιστροφικού) Sagnac.
Το ενδιαφέρον ξένων και εγχώριων εταιρειών για το οπτικό γυροσκόπιο βασίζεται στην πιθανή εφαρμογή του ως ευαίσθητου στοιχείου περιστροφής σε συστήματα αδρανειακής πλοήγησης, ελέγχου και σταθεροποίησης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτή η συσκευή μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως πολύπλοκα και ακριβά ηλεκτρομηχανικά (ρότορα) γυροσκόπια και πλατφόρμες με γυροσκοπική σταθεροποίηση τριών αξόνων. Σύμφωνα με στοιχεία του ξένου Τύπου, στο μέλλον στις Ηνωμένες Πολιτείες, περίπου το 50% όλων των γυροσκόπιων που χρησιμοποιούνται σε συστήματα πλοήγησης, ελέγχου και σταθεροποίησης για αντικείμενα για διάφορους σκοπούς αναμένεται να αντικατασταθούν με γυροσκόπια οπτικών ινών.
Η δυνατότητα δημιουργίας μιας πραγματικής εξαιρετικά ευαίσθητης ομίχλης εμφανίστηκε μόνο με τη βιομηχανική ανάπτυξη ενός διηλεκτρικού οδηγού φωτός μονής λειτουργίας με χαμηλή εξασθένηση. Είναι ο σχεδιασμός του FOG σε τέτοιες ίνες που καθορίζει τις μοναδικές ιδιότητες της συσκευής. Αυτές οι ιδιότητες περιλαμβάνουν:
δυνητικά υψηλή ευαισθησία (ακρίβεια) της συσκευής, η οποία είναι ήδη 0,1 μοίρες/ώρα ή λιγότερο σε πειραματικά πρωτότυπα·
μικρές διαστάσεις και βάρος. Σχέδια, χάρη στη δυνατότητα δημιουργίας FOG εξ ολοκλήρου σε ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα.
χαμηλό κόστος παραγωγής και σχεδιασμός για μαζική παραγωγή και σχετική απλότητα τεχνολογίας.
αμελητέα κατανάλωση ενέργειας, η οποία δεν έχει μικρή σημασία κατά τη χρήση FOG επί του σκάφους.
ένα μεγάλο δυναμικό εύρος μετρούμενων γωνιακών ταχυτήτων (ιδίως, για παράδειγμα, μια συσκευή μπορεί να μετρήσει την ταχύτητα περιστροφής από 1 deg/h έως 300 deg/s).
η απουσία περιστρεφόμενων μηχανικών στοιχείων (ρότορες) και ρουλεμάν, γεγονός που αυξάνει την αξιοπιστία και μειώνει το κόστος παραγωγής τους.
σχεδόν άμεση ετοιμότητα για εργασία, καθώς δεν ξοδεύεται χρόνος για την περιστροφή του ρότορα.
αναισθησία σε μεγάλες γραμμικές επιταχύνσεις και, ως εκ τούτου, απόδοση υπό συνθήκες υψηλών μηχανικών υπερφορτώσεων.
υψηλή ατρωσία θορύβου, χαμηλή ευαισθησία σε ισχυρές εξωτερικές ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις λόγω της διηλεκτρικής φύσης της ίνας.
χαμηλή ευαισθησία στη διεισδυτική ακτινοβολία νετρονίων γάμμα, ειδικά στην περιοχή 1,3 micron.
Ένα γυροσκόπιο οπτικών ινών μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ευαίσθητο στην περιστροφή στοιχείο (αισθητήρας) σταθερά στερεωμένο στο σώμα του φορέα σε συστήματα αδρανειακού ελέγχου και σταθεροποίησης. Τα μηχανικά γυροσκόπια έχουν τα λεγόμενα γυρομηχανικά σφάλματα, τα οποία είναι ιδιαίτερα έντονα κατά τους ελιγμούς του μεταφορέα (αεροπλάνο, πύραυλος, διαστημόπλοιο). Αυτά τα σφάλματα είναι ακόμη πιο σημαντικά εάν το σύστημα αδρανειακού ελέγχου έχει σχεδιαστεί με αισθητήρες στερεωμένα ή "κρεμασμένους" απευθείας στο σώμα του χρήστη. Η προοπτική χρήσης ενός χαμηλού κόστους αισθητήρα οπτικής περιστροφής που μπορεί να λειτουργήσει χωρίς γυρομηχανικά σφάλματα στο σύστημα αδρανειακής ελέγχου είναι ένας άλλος λόγος για το ιδιαίτερο ενδιαφέρον για το οπτικό γυροσκόπιο.
Η εμφάνιση της ιδέας και τα πρώτα σχέδια ενός γυροσκόπιου οπτικών ινών σχετίζεται στενά με την ανάπτυξη ενός γυροσκόπιου δακτυλίου λέιζερ (RLG). Σε ένα CLG, το ευαίσθητο κύκλωμα είναι ένας αυτοδιεγερτικός αντηχείο δακτυλίου με ενεργό αέριο μέσο και ανακλαστικά κάτοπτρα, ενώ σε ένα FOG, ένα παθητικό κύκλωμα οδηγού διηλεκτρικού φωτός πολλαπλών στροφών διεγείρεται από μια «εξωτερική» πηγή ακτινοβολίας φωτός. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθορίζουν τουλάχιστον πέντε πλεονεκτήματα του FOG σε σύγκριση με το CLG:
Στην ΟΜΙΧΛΗ, δεν υπάρχει συγχρονισμός αντίθετα κινούμενων τύπων ταλαντώσεων κοντά στη μηδενική τιμή της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής, γεγονός που καθιστά δυνατή τη μέτρηση πολύ χαμηλών γωνιακών ταχυτήτων, χωρίς την ανάγκη κατασκευής σύνθετων συσκευών μετατόπισης μηδενικού σημείου.
2. Το φαινόμενο Sagnac, στο οποίο βασίζεται η αρχή λειτουργίας της συσκευής, εκδηλώνεται αρκετές τάξεις μεγέθους ισχυρότερο λόγω των χαμηλών απωλειών στην οπτική ίνα και στο μεγάλο μήκος της ίνας.
3. Ο σχεδιασμός του FOG είναι εξ ολοκλήρου κατασκευασμένος με τη μορφή ενός συμπαγούς σώματος (στο μέλλον, εξ ολοκλήρου σε ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα), που διευκολύνει τη λειτουργία και αυξάνει την αξιοπιστία σε σύγκριση με την KLG.
4. Το FOG μετρά την ταχύτητα περιστροφής, ενώ το KLG καταγράφει την αύξηση της ταχύτητας.
5. Η διαμόρφωση FOG σας επιτρέπει να «αισθανθείτε» την αντιστροφή της φοράς περιστροφής.
Αυτές οι ιδιότητες του FOG, που καθιστούν δυνατή τη δημιουργία απλών δομών υψηλής ακρίβειας εξ ολοκλήρου σε φθηνά στερεά ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα σε μαζική παραγωγή, προσελκύουν την προσοχή των προγραμματιστών συστημάτων ελέγχου. Σύμφωνα με μια σειρά ξένων εταιρειών, χάρη στις μοναδικές τεχνικές δυνατότητες, τα FOG θα αναπτυχθούν εντατικά.
Ξένοι συγγραφείς δηλώνουν ότι η ανάπτυξη ενός σχεδίου FOG και η μεταφορά του σε δείγματα παραγωγής δεν είναι εύκολη υπόθεση. Κατά την ανάπτυξη της FOG, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν μια σειρά από δυσκολίες. Το πρώτο σχετίζεται με την τεχνολογία παραγωγής στοιχείων FOG. Προς το παρόν, υπάρχουν ακόμα λίγες καλές ίνες μονής λειτουργίας που διατηρούν την κατεύθυνση πόλωσης. Η παραγωγή διαχωριστών δέσμης, πολωτών, διαμορφωτών φάσης και συχνότητας, χωρικών φίλτρων και ολοκληρωμένων οπτικών κυκλωμάτων βρίσκεται στο αρχικό στάδιο ανάπτυξης. Ο αριθμός των εκπομπών και των φωτοανιχνευτών που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για FOG είναι περιορισμένος.
Οι εταιρείες και οι προγραμματιστές FOG επιλύουν και τα δύο αυτά προβλήματα. Η τεχνολογία παραγωγής στοιχείων στο FOG βελτιώνεται, η φυσική φύση των διαταραχών και των αστάθειας μελετάται θεωρητικά και πειραματικά, δημιουργούνται και δοκιμάζονται διάφορες εκδόσεις κυκλώματος του FOG με αντιστάθμιση αυτών των διαταραχών και θεμελιώδη ζητήματα χρήσης ολοκληρωμένων οπτικών αναπτηγμένος. Η ακρίβεια του FOG είναι ήδη κοντά σε αυτή που απαιτείται στα αδρανειακά συστήματα ελέγχου.
Πολλά επιστημονικά άρθρα έχουν ήδη δημοσιευθεί στην εξειδικευμένη επιστημονική και περιοδική βιβλιογραφία για το πρόβλημα της ΟΜΙΧΛΗΣ. Η ανάλυση αυτών των άρθρων υποδεικνύει την ανάγκη για περαιτέρω μελέτη αυτού του προβλήματος και την ανάπτυξη νέων τρόπων για τη βελτίωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών του FOG.
Η συστηματοποίηση και η γενίκευση βασικών θεμάτων στη θεωρία και την πράξη δημιουργίας ΟΜΙΧ είναι επίσης ένα σημαντικό στάδιο.
Στόχος της διατριβής είναι η ανάλυση της λειτουργίας του FOG, ενός γενικευμένου μοντέλου θορύβου και αστάθειας, και η αξιολόγηση της μέγιστης (δυνητικής) ευαισθησίας της συσκευής. Με βάση την ιδιότητα αμοιβαιότητας, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η ελάχιστη διαμόρφωση του FOG. Στη συνέχεια, αξιολογήστε την τρέχουσα κατάσταση της βάσης στοιχείων. Ταυτόχρονα, δώστε ιδιαίτερη προσοχή στις ιδιότητες των οπτικών ινών και αναλύστε πιθανές ανομοιογένειες και απώλειες για διάφορους τύπους ινών. Εξετάστε τα κύρια στοιχεία του FOG: κύκλωμα ινών, εκπομπούς και φωτοανιχνευτές και προτείνετε επίσης τρόπους αντιστάθμισης του θορύβου και των αστάθειών του FOG (όπως αντίστροφη σκέδαση Rayleigh, οπτικό μη γραμμικό φαινόμενο, διαβαθμίσεις θερμοκρασίας, μαγνητικό πεδίο κ.λπ.).
Ο κύριος στόχος της διατριβής είναι να εξετάσει τις βασικές πτυχές της θεωρίας FOG με βάση την ανάλυση των σφαλμάτων των στοιχείων της και την ποιοτική αξιολόγηση των χαρακτηριστικών ακρίβειας της συσκευής, λαμβάνοντας υπόψη τη χρήση διαφόρων προσεγγίσεων για την επίλυση του προβλήματος αύξηση της ευαισθησίας του.
Είναι επίσης απαραίτητο να εξεταστούν διάφορες μέθοδοι μηχανικής κυκλωμάτων για τη μείωση του επιπέδου θορύβου και της αστάθειας των ομίχλης.
Αντικατοπτρίστε χωριστά τις τεχνικές και οικονομικές πτυχές της εργασίας, τα ζητήματα ασφάλειας ζωής κατά τη διάρκεια της έρευνας, καθώς και θέματα περιβαλλοντικής ασφάλειας κατά τη χρήση της συσκευής.
1. Αρχές γυροσκόπησης οπτικών ινών
1.1 Κύρια χαρακτηριστικά της ΟΜΙΧΛΗΣ
Ένα οπτικό γυροσκόπιο ανήκει σε μια κατηγορία συσκευών στις οποίες οι αντίθετα διαδιδόμενες ακτίνες φωτός διαδίδονται σε ένα κλειστό οπτικό κύκλωμα. Η αρχή λειτουργίας ενός οπτικού γυροσκόπιου βασίζεται στο φαινόμενο «δίνης» του Sagnac, που ανακαλύφθηκε από αυτόν τον επιστήμονα το 1913. Η ουσία του φαινομένου vortex είναι η εξής. Εάν δύο ακτίνες φωτός διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις σε ένα κλειστό οπτικό κύκλωμα, τότε με ένα σταθερό κύκλωμα οι μετατοπίσεις φάσης και των δύο ακτίνων που έχουν περάσει από ολόκληρο το κύκλωμα θα είναι οι ίδιες. Όταν το περίγραμμα περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα κάθετο προς το επίπεδο του περιγράμματος, οι μετατοπίσεις φάσης των ακτίνων είναι άνισες και η διαφορά φάσης των ακτίνων είναι ανάλογη με τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του περιγράμματος. Για να εξηγηθεί το φαινόμενο της δίνης Sagnac, έχουν αναπτυχθεί τρεις θεωρίες: κινηματική, Doppler και σχετικιστική. Το πιο απλό από αυτά είναι κινηματικό, το πιο αυστηρό είναι σχετικιστικό, με βάση τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Ας εξετάσουμε το φαινόμενο της δίνης Sagnac στο πλαίσιο της κινηματικής θεωρίας.
Εικόνα 1.1. Κινηματικό διάγραμμα του φαινομένου δίνης Sagnac.
Στο Σχ. Το σχήμα 1.1 δείχνει ένα επίπεδο κλειστό οπτικό κύκλωμα αυθαίρετου σχήματος, στο οποίο δύο κύματα φωτός 1 και 2 διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις (Εικ. 1.1). Το επίπεδο του περιγράμματος είναι κάθετο στον άξονα περιστροφής που διέρχεται από ένα αυθαίρετο σημείο Ο. Σημειώνουμε τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του περιγράμματος. Ας πάρουμε το τμήμα διαδρομής της ακτίνας φωτός AB ως απειροελάχιστο και ας το μήκος του συμβολίζεται με l. Ας συμβολίσουμε το διάνυσμα ακτίνας ενός αυθαίρετου σημείου στο περίγραμμα Α ως r. Συμβολίζουμε το τμήμα του τόξου ΑΒ ". Όταν το περίγραμμα περιστρέφεται γύρω από το σημείο Ο με γωνιακή ταχύτητα, η γραμμική ταχύτητα του σημείου Α είναι ίση. Θεωρώντας ότι το τρίγωνο ΑΒ" Β είναι μικρό:
όπου είναι η γωνία μεταξύ του διανύσματος γραμμικής ταχύτητας του σημείου Α και της εφαπτομένης ΑΜ στο περίγραμμα στο σημείο Α.
Προβολή της γραμμικής ταχύτητας των σημείων περιγράμματος στην κατεύθυνση του διανύσματος ταχύτητας φωτός σε αυτά τα σημεία
Εάν το κύκλωμα είναι ακίνητο, τότε ο χρόνος που χρειάζεται για να διασχίσει το τμήμα του κυκλώματος AB=l κατά δύο αντίθετες ακτίνες είναι ο ίδιος. ας το συμβολίσουμε dt.
dt = l / c =. (1.3)
Όταν το περίγραμμα περιστρέφεται με γωνιακή ταχύτητα, η φαινομενική απόσταση μεταξύ των σημείων Α και Β για τις αντίθετες ακτίνες αλλάζει. Για ένα κύμα που ταξιδεύει από το σημείο Α στο σημείο Β, δηλ. στην κατεύθυνση που συμπίπτει με την φορά περιστροφής του περιγράμματος, η απόσταση επιμηκύνεται, αφού κατά τη διάρκεια του χρόνου dt το σημείο Β θα κινηθεί κατά γωνία, κινούμενο προς το σημείο C.
Αυτή η επιμήκυνση της διαδρομής για τη δέσμη φωτός θα είναι ίση με dt, αφού σε κάθε στιγμή η δέσμη κατευθύνεται κατά μήκος μιας εφαπτομένης στο περίγραμμα και η προβολή της γραμμικής ταχύτητας κατευθύνεται κατά μήκος της ίδιας εφαπτομένης. Έτσι, το τμήμα διαδρομής που διανύει η ακτίνα είναι ίσο με l + dt. Συλλογισμός παρομοίως, για μια αντίθετη ακτίνα φωτός θα υπάρξει μια εμφανής βράχυνση του τμήματος διαδρομής l - dt
Θεωρώντας την ταχύτητα του φωτός ως αμετάβλητο μέγεθος, η φαινομενική επιμήκυνση και βράχυνση των διαδρομών για τις επερχόμενες ακτίνες μπορεί να θεωρηθεί ισοδύναμα ως επιμήκυνση και μείωση των χρονικών διαστημάτων, δηλ.
Αντικαθιστώντας τις εκφράσεις (1.2)-(1.3) για και dt, λαμβάνουμε
Από το Σχ. 1.1. πρέπει
όπου s είναι η περιοχή του τομέα.
Μέχρι απειροελάχιστα δεύτερης τάξης, η περιοχή του AOB μπορεί να αντικατασταθεί από s. Επειτα
Συνολικός χρόνος διάδοσης των ακτίνων που διαδίδονται σε ολόκληρο το περίγραμμα
όπου η άθροιση πραγματοποιείται στον αριθμό των στοιχειωδών τομέων στους οποίους διαιρείται ολόκληρο το κύκλωμα.
Έτσι, ο συνολικός χρόνος που δαπανάται από μια ακτίνα που τρέχει δεξιόστροφα ενώ διασχίζει ολόκληρο το περιστρεφόμενο κύκλωμα είναι μεγαλύτερος από τον συνολικό χρόνο που δαπανάται από μια ακτίνα που τρέχει αριστερόστροφα.
Χρονική διαφορά και/ή σχετική καθυστέρηση των αντίθετα πολλαπλασιαζόμενων κυμάτων
όπου S είναι το εμβαδόν ολόκληρου του περιγράμματος.
Εάν η σχετική καθυστέρηση των αντίθετα πολλαπλασιαζόμενων κυμάτων (1.8) που προκύπτουν κατά τη διάρκεια της περιστροφής εκφράζεται μέσω της διαφοράς φάσης των αντίθετα πολλαπλασιαζόμενων κυμάτων, τότε θα είναι
Η διαφορά φάσης είναι η φάση Sagnac. Όπως φαίνεται, η φάση Sagnac είναι ανάλογη της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του κυκλώματος.
Η κινηματική θεωρία του φαινομένου δίνης Sagnac εξηγείται ακόμη πιο εύκολα λαμβάνοντας υπόψη ένα ιδανικό δακτυλιοειδές οπτικό περίγραμμα ακτίνας (Εικ. 1.2.).
Εικόνα 1.2. Εφέ Sagnac σε οπτικό κύκλωμα δακτυλίου.
Μια ακτίνα φωτός φτάνει στο σημείο Α και, με τη βοήθεια κατόπτρων, χωρίζεται σε δύο ακτίνες, η μία από τις οποίες διαδίδεται δεξιόστροφα στο κύκλωμα και η άλλη αριστερόστροφα. Με τη βοήθεια των ίδιων κατόπτρων, μετά τη διάδοση στο κύκλωμα, οι ακτίνες συνδυάζονται και κατευθύνονται κατά μήκος μιας διαδρομής. Με ακίνητο περίγραμμα, οι διαδρομές των ακτίνων είναι πανομοιότυπες και ίσες
όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός, είναι ο χρόνος που χρειάζεται η δέσμη για να διανύσει την περίμετρο του περιγράμματος.
Και οι δύο ακτίνες φτάνουν στο σημείο Α εκτός φάσης. Εάν το κύκλωμα περιστρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα, τότε η ακτίνα που διαδίδεται δεξιόστροφα θα διανύσει την απόσταση
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κατά τη διέλευση της δέσμης κατά μήκος ενός κλειστού περιγράμματος, ο διαχωριστής, που ήταν προηγουμένως στο σημείο Α, θα πάει στο σημείο Β. Για μια δέσμη που διαδίδεται αριστερόστροφα, η διαδρομή
Όπως μπορούμε να δούμε, οι διαδρομές διάδοσης των αντίθετα κινούμενων ακτίνων είναι διαφορετικές. Δεδομένου ότι η ταχύτητα του φωτός c είναι μια σταθερή τιμή, αυτή είναι ισοδύναμη με διαφορετικούς χρόνους διέλευσης ακτίνων που διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις ενός κλειστού περιστρεφόμενου κυκλώματος και.
Διαφορά χρόνου διάδοσης
Στην προσέγγιση πρώτης σειράς, μπορούμε να γράψουμε
Η οποία συμπίπτει με την έκφραση (1.8) που λήφθηκε παραπάνω, αν λάβουμε υπόψη - την περιοχή του περιγράμματος.
Το φαινόμενο Sagnac μπορεί να εξηγηθεί με βάση την έννοια της μετατόπισης συχνότητας Doppler. Το φαινόμενο Doppler είναι το φαινόμενο των αλλαγών στη συχνότητα των ταλαντώσεων που εκπέμπονται από τον πομπό και λαμβάνονται από τον δέκτη, που παρατηρούνται κατά την αμοιβαία σχετική κίνηση του πομπού και του δέκτη. Σε αυτή την περίπτωση, η συχνότητα της λαμβανόμενης ταλάντωσης
όπου f είναι η συχνότητα της εκπεμπόμενης δόνησης, V είναι η ταχύτητα κίνησης του πομπού και τα σημάδια «+» ή «-» αντιστοιχούν στην εγγύτητα ή την απόσταση του πομπού σε σχέση με τον παρατηρητή.
Μετατόπιση συχνότητας Doppler
ανάλογη με την ταχύτητα κίνησης του πομπού.
Ας εξετάσουμε ένα οπτικό κύκλωμα δακτυλίου ακτίνας που περιστρέφεται με γωνιακή ταχύτητα (Εικ. 1.3.). Ένα ανάλογο ενός κινούμενου πομπού σε ένα κύκλωμα είναι ένας ανακλαστικός καθρέφτης που κινείται με γραμμική ταχύτητα. Όταν το κύκλωμα περιστρέφεται, οι ακτίνες αντίθετης διάδοσης έχουν διαφορετικά μήκη κύματος λόγω της μετατόπισης Doppler που συσσωρεύεται όταν το κύμα ανακλάται από έναν καθρέφτη που κινείται με ταχύτητα.
Κατά τον υπολογισμό της φάσης που συσσωρεύεται και στους δύο βραχίονες του οπτικού κυκλώματος, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη το περιστρεφόμενο σύστημα ως σύνολο. Και οι δύο οπτικές διαδρομές είναι τότε ίσες, αλλά τα μήκη κύματος διαφέρουν από τη μετατόπιση Doppler. Στη συνέχεια η σχετική μετατόπιση φάσης
Ας προσδιορίσουμε την τιμή. Μήκος κύματος ακτινοβολίας που έχει υποστεί μετατόπιση Doppler:
Αντικαθιστώντας την προκύπτουσα έκφραση στον τύπο για τη σχετική μετατόπιση φάσης, λαμβάνουμε
Φάση Sagnac
που συμπίπτει πλήρως με την έκφραση (1.9), που προκύπτει με τον υπολογισμό της διαφοράς στο χρόνο που η δοκός διασχίζει ένα περιστρεφόμενο περίγραμμα.
Έτσι, εξετάσαμε δύο ισοδύναμες προσεγγίσεις για να εξηγήσουμε το φαινόμενο Sagnac. Στην πρώτη ερμηνεία, το φαινόμενο εκδηλώνεται ως διαφορά στους χρόνους διάδοσης των αντίθετη διάδοση ακτίνων σε ένα περιστρεφόμενο κύκλωμα. στο δεύτερο - ως η διαφορά στα μήκη κύματος των ακτίνων σε δύο σκέλη ενός κυκλώματος του ίδιου οπτικού μήκους.
Μετρώντας τη διαφορά φάσης με μια ηλεκτρονική συσκευή, μπορείτε να λάβετε πληροφορίες από τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της βάσης (αντικειμένου) στην οποία είναι συνδεδεμένο το κύκλωμα. Με την ενσωμάτωση του μετρούμενου σήματος, προκύπτει η γωνία περιστροφής της βάσης (αντικειμένου). Αυτές οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τον έλεγχο και τη σταθεροποίηση αντικειμένων.
Ανάλογα με τη σχεδίαση του κλειστού οπτικού κυκλώματος, διακρίνονται δύο τύποι οπτικών γυροσκοπίων. Ο πρώτος τύπος είναι το λεγόμενο γυροσκόπιο δακτυλίου λέιζερ (RLG), στο οποίο το κύκλωμα σχηματίζεται από ένα ενεργό μέσο (μίγμα αερίων ηλίου και νέον) και αντίστοιχους καθρέφτες που σχηματίζουν μια κλειστή διαδρομή (ring laser). Ο δεύτερος τύπος είναι ένα γυροσκόπιο οπτικών ινών (FOG), στο οποίο ένα κλειστό κύκλωμα σχηματίζεται από ένα πηνίο οπτικής ίνας πολλαπλών στροφών. Το σχηματικό διάγραμμα του FOG φαίνεται στο Σχ. 1.3.
Εικόνα 1.3. Σχηματικό διάγραμμα γυροσκόπιου οπτικών ινών.
Εάν το περίγραμμα FOG σχηματίζεται από ένα νήμα οπτικής ίνας μήκους L τυλιγμένο σε έναν κύλινδρο ακτίνας R, τότε η φάση Sagnac
όπου R είναι η ακτίνα της στροφής του περιγράμματος. N - αριθμός στροφών. S είναι το εμβαδόν της στροφής του κυκλώματος.
Σύμφωνα με το Σχ. 1.3., η πηγή ακτινοβολίας τροφοδοτείται σε ένα διαχωριστή δέσμης και χωρίζεται σε δύο δέσμες. Δύο δέσμες που περιστρέφονται γύρω από το κύκλωμα σε αντίθετες κατευθύνσεις ανασυνδυάζονται στον διαχωριστή δέσμης και αναμειγνύονται στον φωτοανιχνευτή. Η προκύπτουσα ταλάντωση μπορεί να γραφτεί με τη μορφή
πού είναι τα πλάτη των κραδασμών; - Συχνότητα ακτινοβολίας. ; ; - αρχική φάση ταλάντωσης. - Φάση Sagnac.
Ένταση ακτινοβολίας στον φωτοανιχνευτή
Προσδιορίζοντας την ένταση της ακτινοβολίας στην έξοδο της διόδου λέιζερ, υποθέτοντας ότι δεν υπάρχουν απώλειες στο κύκλωμα των ινών, και υποθέτοντας ότι ο διαχωριστής δέσμης διαιρεί την ενέργεια ακριβώς εξίσου, έχουμε:
Τότε η έκφραση (1.21) παίρνει τη μορφή:
Η ανάλυση της έκφρασης μας επιτρέπει να βγάλουμε ένα συμπέρασμα σχετικά με τη χαμηλή ευαισθησία της συσκευής σε αυτή τη διαμόρφωση σε χαμηλές γωνιακές ταχύτητες:
Για να μεγιστοποιηθεί η ευαισθησία σε μικρές αλλαγές στην πληροφοριακή παράμετρο (φάση Sagnac), είναι απαραίτητο να τοποθετηθεί ένας απλός διαμορφωτής φάσης στο κύκλωμα ινών, δίνοντας μια «μη αμοιβαία» μετατόπιση φάσης /2 μεταξύ δύο αντίθετα κινούμενων ακτίνων. Τότε η ένταση στον φωτοανιχνευτή σε χαμηλές γωνιακές ταχύτητες αλλάζει σχεδόν γραμμικά:
και η ευαισθησία ΟΜΙΧΛΗΣ θα είναι στη μέγιστη τιμή 0,5.
Διάφοροι τρόποι εισαγωγής μιας «μη αμοιβαίας» μετατόπισης φάσης θα συζητηθούν παρακάτω.
Στη διαμόρφωση που φαίνεται στο Σχ. 1.3, το ρεύμα εξόδου του φωτοανιχνευτή επαναλαμβάνει τις αλλαγές στην ένταση (ισχύς) της ακτινοβολίας εισόδου, δηλαδή:
πού είναι η κβαντική απόδοση του φωτοανιχνευτή; q - φορτίο ηλεκτρονίων. h - σταθερά Planck. f είναι η συχνότητα της οπτικής ακτινοβολίας.
Αν παραμελήσουμε τη σταθερή συνιστώσα του ρεύματος εξόδου, τότε στην έξοδο του φωτοανιχνευτή λαμβάνουμε το σήμα
Κατά την εισαγωγή μιας μη αμοιβαίας μετατόπισης φάσης /2 και για μικρές τιμές, το ρεύμα εξόδου είναι:
Έτσι, οι τιμές του ρεύματος εξόδου είναι ανάλογες με τη φάση Sagnac, η οποία με τη σειρά της είναι ανάλογη με τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του κυκλώματος.
1.2 Η αρχή της αμοιβαιότητας και η καταχώρηση φάσης στην ΟΜΙΧΛΗ
Τα τυπικά πειραματικά σχέδια γυροσκοπίων χρησιμοποιούν πηνίο με R = 100 mm με μήκος ίνας L = 500 m. Η ανίχνευση ταχύτητας περιστροφής 1 deg/h απαιτεί ανίχνευση φάσης με ανάλυση της τάξης των 10-5 rad. Αυτό φαίνεται στο Σχ. 1.4., το οποίο δείχνει τις τιμές της μετατόπισης φάσης ως συνάρτηση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του κυκλώματος και της τιμής του LR στα = 0,63 μm.
Τα συστήματα ανίχνευσης φάσης οπτικής παρεμβολής με αυτή την ευαισθησία είναι γνωστά, αλλά υπάρχουν ορισμένα ειδικά προβλήματα με την ανίχνευση φάσης στα γυροσκόπια. Το πρώτο οφείλεται στο γεγονός ότι συχνά το γυροσκόπιο λειτουργεί με μια ονομαστική σχεδόν μηδενική διαφορά διαδρομής και για μικρές αλλαγές στη σχετική τιμή φάσης υπάρχει μια αμελητέα αλλαγή στην ένταση εξόδου.
Εικόνα 1.4. Φάση Sagnac στη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής για διάφορες τιμές της παραμέτρου LR.
Η λειτουργία σε μετατόπιση φάσης 90° μεγιστοποιεί την ευαισθησία, αλλά αυτό εισάγει κάποια μη αμοιβαιότητα μεταξύ των δύο κατευθύνσεων δέσμης στο γυροσκόπιο, επειδή η φάση μιας δεξιόστροφης δέσμης είναι διαφορετική από εκείνη μιας αριστερόστροφης δέσμης απουσία περιστροφής.
Η ιδιότητα της αμοιβαιότητας είναι το δεύτερο σημαντικό σημείο στο FOG. Η μη αμοιβαιότητα φάσης στην FOG καθορίζεται από τη διαφορά φάσης διαφορικής φάσης των αντίθετα πολλαπλασιαζόμενων ακτίνων. Οποιαδήποτε μη αμοιβαιότητα φάσης (διαφορά φάσης) για δύο κατευθύνσεις δίνει αλλαγές στις ενδείξεις του γυροσκοπίου. Εάν η μη αμοιβαιότητα είναι συνάρτηση του χρόνου, τότε υπάρχει κάποια χρονική μετατόπιση στις μετρήσεις του γυροσκοπίου. Μια ίνα μήκους 500 m δίνει καθυστέρηση φάσης της τάξης των 1010 rad. Έτσι, για να καταγραφεί ταχύτητα περιστροφής 0,05 μοίρες/ώρα, είναι απαραίτητο οι διαδρομές διάδοσης των αντίθετα κινούμενων ακτίνων να είναι συνεπείς με μια σχετική ακρίβεια έως και 10-17 rad.
Θα πρέπει, επιπλέον, να σημειωθεί ότι η ίδια η αρχή λειτουργίας ενός γυροσκόπιου οπτικών ινών βασίζεται στη μη αμοιβαία ιδιότητα της διάδοσης των αντιδιαδοθέντων κυμάτων σε ένα περιστρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς (εμφάνιση διαφοράς στις μετατοπίσεις φάσης δύο δεσμών κατά την περιστροφή). Ως εκ τούτου, η σημασία της ανάλυσης των μη αμοιβαίων επιπτώσεων και συσκευών στο FOG είναι αναμφισβήτητη (τουλάχιστον για τον προσδιορισμό της ακρίβειας της συσκευής).
Η αρχή της αμοιβαιότητας επεξηγείται καλά από το περίφημο θεώρημα Lorentz για τα αμοιβαία συστήματα. Εάν χαρακτηρίσουμε δύο μαγνητικά κύματα ηλεκτροδίων με διανύσματα, και πού είναι το διάνυσμα της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και είναι το διάνυσμα της έντασης του μαγνητικού πεδίου, τότε η αρχή της αμοιβαιότητας ικανοποιείται για συστήματα στα οποία
όπου βρίσκονται οι αντισυμμετρικοί μαγνητικός και διηλεκτρικός τανυστής
διαπερατότητα του υλικού περιβάλλοντος, αντίστοιχα.
Η προϋπόθεση για τη μη αμοιβαιότητα είναι η παραπάνω σχέση να μην είναι ίση με το μηδέν. Μέσα που εμφανίζουν μη αμοιβαιότητα περιλαμβάνουν μαγνητικά-γυροτροπικά υλικά (σιδηρομαγνήτες): ηλεκτρικά γυροτροπικά μέσα (διαμαγνήτες) υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. διαφανή διηλεκτρικά? μέσα που εκτελούν μεταφορική κίνηση σε σχέση με οποιοδήποτε σύστημα συντεταγμένων στο οποίο προσδιορίζεται το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο· περιστρεφόμενα μέσα. συστήματα διοχέτευσης όπως κυματοδηγοί και οπτικές ίνες. Οι τελευταίες περιπτώσεις παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, αφού όταν περιστρέφεται η ΟΜΙΧΛΗ, εμφανίζεται η μη αμοιβαιότητα φάσης, δίνοντας τη διαφορά φάσης Sagnac.
Όταν το μέσο περιστρέφεται, η συνθήκη nonreciprocity έχει τη μορφή
Η εξάλειψη των τυχαίων διακυμάνσεων μπορεί να απαιτεί μακροπρόθεσμη συσσώρευση (ολοκλήρωση) του σήματος εξόδου FOG προκειμένου να απομονωθεί το χρήσιμο στοιχείο (όπως φαίνεται σε ορισμένες πειραματικές εγκαταστάσεις πολύ ευαίσθητων FOG, ο χρόνος ολοκλήρωσης φτάνει τα λεπτά και ακόμη και τα δεκάδες λεπτά).
Σε σχέση με το FOG, είναι βολικό να αναλυθεί η αρχή της αμοιβαιότητας για ένα κύκλωμα με τέσσερις εισόδους και εξόδους. Για έναν οπτικό κυματοδηγό, οι τέσσερις είσοδοι αντιστοιχούν σε εισόδους ακτινοβολίας κατά μήκος δύο αμοιβαία κάθετων κατευθύνσεων πόλωσης σε κάθε άκρο της ίνας. Οι αντίστοιχες είσοδοι και έξοδοι ορίζονται κατά μήκος πανομοιότυπων αξόνων πόλωσης.
Συνεπάγεται ότι στην περίπτωση εισόδου ακτινοβολίας με την αρχική διεύθυνση πόλωσης X, το φως που εξέρχεται με την ορθογώνια κατεύθυνση πόλωσης Υ θα έχει διαφορετικές εισβολές φάσης σε κάθε κατεύθυνση διάδοσης και το φως που εξέρχεται με την αρχική κατεύθυνση πόλωσης Χ θα έχει την ίδια φάση εισβολές για κάθε κατανομή κατεύθυνσης.
Αυτό είναι μέρος της απαίτησης που επιβάλλεται από την ερμηνεία του θεωρήματος της αμοιβαιότητας του Lorentz, το οποίο υποστηρίζει ότι, στην περίπτωση ενός γραμμικού συστήματος, οι οπτικές διαδρομές είναι ακριβώς αμοιβαίες εάν ένας δεδομένος χωρικός τρόπος εισόδου είναι ο ίδιος στην έξοδο.
Μία από τις παραμέτρους της χωρικής λειτουργίας είναι η πόλωση. πρέπει επίσης να οριστεί μια δεύτερη παράμετρος, για παράδειγμα η χωρική κατανομή (θέση) του τρόπου λειτουργίας. Κατά συνέπεια, στο τέλος του βρόχου FOG πρέπει να υπάρχει και ένα φίλτρο πόλωσης (επιλέγοντας την αρχική πόλωση) και ένα χωρικό φίλτρο, το οποίο θα ικανοποιεί την αρχή της αμοιβαιότητας Lorentz.
Αυτές οι σχετικά απλές συσκευές στο σχεδιασμό FOG (υπό την προϋπόθεση ότι μπορούν να εφαρμοστούν με επαρκή ακρίβεια) θα εγγυηθούν συνθήκες αμοιβαιότητας στο σύστημα, αλλά μόνο εάν ικανοποιείται η συνθήκη γραμμικότητας. Εάν οι μη γραμμικότητες είναι σημαντικές, τότε το FOG θα έχει αμοιβαιότητα εάν υπάρχει ακριβής συμμετρία ως προς το μέσο του κυκλώματος των ινών. Αυτή η συνθήκη υποδηλώνει ότι η ενέργεια που εισάγεται σε κάθε άκρο του βρόχου είναι η ίδια και ότι οι ιδιότητες της ίνας είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες (ή τουλάχιστον συμμετρικές).
Η ισχύς της οπτικής ακτινοβολίας που εισάγεται στην ίνα είναι τόσο χαμηλή (πάντα μικρότερη από 1,2 mW) που φαίνεται ότι οι μη γραμμικότητες μπορούν να αγνοηθούν. Ωστόσο, η ευαισθησία του FOG στη μη αμοιβαιότητα είναι εξαιρετικά υψηλή και τα μη γραμμικά φαινόμενα (ιδίως το φαινόμενο Kerr) οδηγούν σε αξιοσημείωτη μη αμοιβαιότητα ισοδύναμη με ταχύτητες περιστροφής πάνω από 1 deg/h. Σε μια οπτική ίνα, το επίπεδο πόλωσης του γραμμικά πολωμένου φωτός περιστρέφεται υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (φαινόμενο Faraday).
Η περιστροφή Faraday είναι ένα άλλο μη αμοιβαίο αποτέλεσμα. Στην περίπτωση του γραμμικά πολωμένου φωτός, η συνολική περιστροφή εξαρτάται από το ολοκλήρωμα γραμμής του ρεύματος που λαμβάνεται κατά μήκος της οπτικής διαδρομής. Στην περίπτωση της ΟΜΙΧΛΗΣ, αυτό το ολοκλήρωμα είναι ίσο με μηδέν στο μαγνητικό πεδίο της Γης. Ωστόσο, μια πιο προσεκτική ματιά στην αλληλεπίδραση του φωτός σε μια ίνα και στο μαγνητικό πεδίο κατά μήκος της ίνας δείχνει ότι η πραγματική πηγή περιστροφής είναι η επαγόμενη κυκλική διπλή διάθλαση και ότι η απλή προσέγγιση που αναφέρεται παραπάνω είναι χρήσιμη μόνο εάν και τα δύο στοιχεία κυκλικής πόλωσης (δεξιά και αριστερόχειρες) έχουν τα ίδια πλάτη. Αυτό ισχύει μόνο για την περίπτωση του γραμμικά πολωμένου φωτός.
Καθώς το φως διαδίδεται μέσω της ίνας, εμφανίζονται όλες οι πιθανές καταστάσεις πόλωσης και το ποσοστό του φωτός που παραμένει σε κάθε εγγενή κατάσταση κυκλικής πόλωσης του στροφέα Faraday ποικίλλει τυχαία κατά μήκος της οπτικής διαδρομής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια ορισμένη διαφορά φάσης για τις δύο κατευθύνσεις διάδοσης του γραμμικά πολωμένου τρόπου στην έξοδο.
Έτσι, το FOG είναι πολύ ευαίσθητο στο μαγνητικό πεδίο της Γης και όταν σχεδιάζεται το FOG για τη μέτρηση της ταχύτητας περιστροφής, απαιτείται μαγνητική θωράκιση (ή διασφάλιση γραμμικής πόλωσης του φωτός σε ολόκληρη τη διαδρομή στην ίνα). Υποθέτοντας ότι το μαγνητικό πεδίο της Γης είναι 27 και υποθέτοντας ότι δεν υπάρχει αντιστάθμιση πεδίου για το 5% του μήκους της ίνας, μπορούμε να λάβουμε μια τιμή απόκλισης φάσης που είναι ισοδύναμη με τον ρυθμό περιστροφής της Γης.
Τα παραπάνω σημεία περιελάμβαναν μη αμοιβαία αποτελέσματα που προκαλούνται στην ίνα. Ωστόσο, ακόμη και τα πρώτα στάδια στο σχεδιασμό του FOG από την άποψη της διατήρησης της αμοιβαιότητας στο σύστημα καταχώρισης θα πρέπει να είναι η εξασφάλιση του ίδιου μήκους οπτικών διαδρομών στο FOG.
Στο Σχ. 1.3. Μπορεί να φανεί ότι αυτή η διαμόρφωση δεν έχει την ιδιότητα της αμοιβαιότητας, αφού μια δέσμη φωτός που διαδίδεται δεξιόστροφα διέρχεται από τον διαχωριστή φωτός δύο φορές και μια δέσμη φωτός που διαδίδεται αριστερόστροφα ανακλάται από τον διαχωριστή δέσμης δύο φορές. Αλλά ταυτόχρονα, η αμοιβαία οπτική διαδρομή εξόδου από το κύκλωμα ανίχνευσης πηγαίνει προς την κατεύθυνση πίσω στην πηγή (από τον διαχωριστή δέσμης στη δίοδο), δηλαδή κατά μήκος της οπτικής διαδρομής εισόδου.
Κατά συνέπεια, η αμοιβαιότητα μπορεί να επιτευχθεί στο σύστημα καταχώρησης με την τοποθέτηση ενός δεύτερου διαχωριστή δέσμης κατά μήκος της οπτικής διαδρομής εισόδου (Εικ. 1.5.).
Το εύρος των ταχυτήτων περιστροφής, οι οποίες μετρώνται από ένα εξαιρετικά ευαίσθητο γυροσκόπιο συστημάτων αδρανειακού ελέγχου, εκτείνεται από 0,1 deg/h έως 400 deg/h. Σε LR = 100 m, αυτές οι τιμές ταχύτητας αντιστοιχούν σε ένα εύρος μεταβολών φάσης από 10 έως 10 rad (Εικ. 1.4.).
Εικόνα 1.5. Κύκλωμα FOG με σταθερή μετατόπιση διαφοράς φάσης.
Μέχρι σήμερα, έχει δαπανηθεί σημαντική προσπάθεια για την αύξηση της ευαισθησίας της συσκευής σε χαμηλές ταχύτητες και, ταυτόχρονα, έχει δοθεί πολύ λίγη προσοχή στα προβλήματα που σχετίζονται με την αύξηση του απαιτούμενου δυναμικού εύρους.
Όπως έχει ήδη σημειωθεί, εάν είναι απαραίτητο να μετρηθούν μεγάλες αλλαγές στην ένταση για μια δεδομένη αλλαγή φάσης, είναι απαραίτητο να εισαχθεί μια μετατόπιση φάσης /2, δηλαδή, το συμβολόμετρο πρέπει να λειτουργεί σε λειτουργία τετραγωνισμού. Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας, η σχέση μεταξύ των αλλαγών έντασης και των αλλαγών φάσης είναι γραμμική (έως 1%) μόνο μέχρι τις μέγιστες αποκλίσεις φάσης 0,1 rad. Η αντιστάθμιση της μη γραμμικότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί στο ίδιο το σύστημα εγγραφής, αλλά μόνο μέχρι μια μέγιστη απόκλιση φάσης της τάξης του 1 rad.
Υπάρχει ένας αριθμός μεθόδων ανίχνευσης φάσης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο σχεδιασμό του FOG.
Τα πιο κοινά σχήματα χρησιμοποιούν στατική διαφορά φάσης 90° μεταξύ των δύο δοκών και σχήματα με μεταβλητή διαφορά φάσης 90°.
Μπορεί να δημιουργηθεί μια στατική μη αμοιβαία διαφορά φάσης μεταξύ δοκών που διαδίδονται δεξιόστροφα και αριστερόστροφα, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ένα στοιχείο Faraday τοποθετημένο στο ένα άκρο του κυκλώματος ινών (Εικ. 1.5.). Οι αλλαγές στην καταγεγραμμένη ένταση στην αμοιβαία έξοδο αντιστοιχούν σε αλλαγές στην τιμή της σχετικής φάσης για τις δύο ακτίνες που τρέχουν γύρω από το περίγραμμα.
Με βάση τις αρχές της μετατόπισης φάσης, μπορεί να προταθεί μια άλλη αρχή εγγραφής με υψηλότερη ευαισθησία.
Η σχετική φάση για τις ακτίνες που διαδίδονται σε δύο κατευθύνσεις είναι διαμορφωμένη φάση (- /2, /2) σε συχνότητα 1/2T (T είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να περάσει η ακτίνα μέσα από το κύκλωμα). Έτσι, το φως που εγχέεται κάθε φορά προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού παρουσιάζει καθυστέρηση 90°, το φως που διαδίδεται σε αριστερόστροφη κατεύθυνση δεν παρουσιάζει καθυστέρηση (αυτό καθορίζεται από τη θέση του διαμορφωτή φάσης, όπως φαίνεται στο Σχ. 1.4.).
Ωστόσο, μέχρι τη στιγμή που η αριστερόστροφη κινούμενη δέσμη φτάσει στη θέση του διαμορφωτή φάσης, δεν θα υπάρχει μετατόπιση φάσης. Το φως που εγχέεται δεξιόστροφα σε μια στιγμή παρεμποδίζει ένα κύμα που διαδίδεται αριστερόστροφα με μετατόπιση φάσης 90° κ.λπ.
Κατά συνέπεια, το προκύπτον κύμα εξόδου, το οποίο περιλαμβάνει τόσο την επίδραση της περιοδικής μετατόπισης φάσης (που δίνει κατ' αρχήν ένα σταθερό επίπεδο έντασης εξόδου) όσο και τη μετατόπιση φάσης λόγω του φαινομένου Sagnac, διαμορφώνεται όπως φαίνεται στο Σχήμα. 1.5. Έτσι, το σήμα εξόδου του φωτοανιχνευτή
Κατά τη διαμόρφωση:
Το βάθος της διαμόρφωσης εξαρτάται από τη φάση που προκαλείται από την περιστροφή.
Κατά τη δημιουργία FOG για διαμόρφωση, χρησιμοποιείται συνήθως ένας κυλινδρικός πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας, γύρω από τον οποίο τυλίγεται μια ίνα. Είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείται ημιτονοειδής διαμόρφωση της σχετικής φάσης δύο αντίθετα κινούμενων ακτίνων. Εάν η διαφορά φάσης που προκαλείται από την περιστροφή είναι ίση, τότε είναι εύκολο να δείξουμε ότι η μεταβλητή συνιστώσα της έντασης του συνολικού κύματος στην έξοδο του συμβολόμετρου, λαμβάνοντας υπόψη την περιοδική διαμόρφωση φάσης στη συχνότητα και με απόκλιση, θα είναι ίση με
Χρησιμοποιώντας την τυπική επέκταση στις συναρτήσεις Bessel, λαμβάνουμε:
Έτσι, η εγγραφή στη συχνότητα διαμόρφωσης παράγει ένα σήμα του οποίου το πλάτος είναι ανάλογο. Αυτή η τιμή μπορεί να γίνει μέγιστη επιλέγοντας μια τιμή που μεγιστοποιεί (δηλαδή 1,8 rad).
Το ποσό της απόκλισης είναι η μέγιστη επαγόμενη αποτελεσματική διαφορά φάσης μεταξύ των δεσμών που κινούνται δεξιόστροφα και αριστερόστροφα κατά τη διάρκεια του κύκλου διαμόρφωσης. Κατά την εκτίμηση αυτής της τιμής, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε όχι μόνο το βάθος διαμόρφωσης του ίδιου του αισθητήρα, αλλά είναι επίσης απαραίτητο να λαμβάνεται υπόψη ο χρόνος πτήσης για την οπτική διαδρομή στην ίνα.
1.3 Μοντέλοβ θόρυβος και αστάθειες στην ΟΜΙΧΛΗ
Ένα γυροσκόπιο οπτικών ινών είναι ένα μάλλον πολύπλοκο οπτικο-ηλεκτρονικό σύστημα. Κατά το σχεδιασμό μιας πραγματικής συσκευής, τα οπτικά στοιχεία και οι ηλεκτρονικές συσκευές πρέπει να επιλέγονται και να διατάσσονται κατά τρόπο ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση εξωτερικών διαταραχών (κλίσεις θερμοκρασίας, μηχανικοί και ακουστικοί κραδασμοί, μαγνητικά πεδία κ.λπ.). Επιπλέον, η ίδια η συσκευή περιέχει μια σειρά από εσωτερικές πηγές θορύβου και αστάθειας. Συμβατικά, αυτοί οι θόρυβοι και οι αστάθειες μπορούν να χωριστούν σε γρήγορες και αργές διαταραχές. Οι γρήγορες διαταραχές έχουν μια τυχαία βραχυπρόθεσμη μέση επίδραση (δευτερόλεπτα) στην ευαισθησία της ΟΜΙΧΛΗΣ. είναι καθαρά ορατά με μηδενική ταχύτητα περιστροφής (βραχυπρόθεσμος θόρυβος). Οι αργές διαταραχές προκαλούν αργή μετατόπιση του σήματος, που οδηγεί σε μακροπρόθεσμες αποκλίσεις στην ένδειξη FOG (μακροπρόθεσμη μετατόπιση).
Ένα γενικευμένο μοντέλο πηγών θορύβου και αστάθειας στο FOG φαίνεται στο Σχήμα. 1.6.
Εικόνα 1.6. Γενικευμένο μοντέλο θορύβου και αστάθειας στην ΟΜΙΧΛΗ.
Εάν εξαιρέσουμε την επιρροή όλων των πηγών θορύβου και αστάθειας στην ΟΜΙΧΛΗ, η οποία, φυσικά, είναι δυνατή μόνο κατ' αρχήν, τότε ο θεμελιωδώς μη αφαιρούμενος θόρυβος παραμένει πάντα - ο λεγόμενος κβαντικός ή φωτονιακός θόρυβος. Ονομάζονται επίσης θόρυβος πυροβολισμών. Αυτοί οι θόρυβοι εμφανίζονται μόνο με την παρουσία ενός χρήσιμου οπτικού σήματος στην είσοδο του φωτοανιχνευτή και προκαλούνται από μια τυχαία κατανομή της ταχύτητας άφιξης των φωτονίων στον φωτοανιχνευτή, η οποία οδηγεί σε τυχαίες διακυμάνσεις του ρεύματος του φωτοανιχνευτή. Σε αυτήν την περίπτωση, η ευαισθησία (ακρίβεια) του FOG περιορίζεται μόνο από τον θόρυβο βολής (φωτόνιο). Η ευαισθησία (ακρίβεια) του FOG, που καθορίζεται από το θόρυβο βολής (φωτόνιο), όπως κάθε άλλο οπτικό σύστημα μέτρησης πληροφοριών, είναι το θεμελιώδες όριο της ευαισθησίας (ακρίβειας) της συσκευής. Ο θόρυβος των φωτονίων είναι συνέπεια της κβαντικής φύσης της φωτεινής ακτινοβολίας. Όπως εφαρμόζεται στα συστήματα οπτικής μετάδοσης πληροφοριών, η μέγιστη ατρωσία θορύβου αυτών των συστημάτων λόγω θορύβου φωτονίων υπολογίστηκε σε .
Μετά τις εργασίες, θα αξιολογήσουμε το θεμελιώδες όριο ευαισθησίας (ακρίβειας) του FOG.
Το επίπεδο θορύβου φωτονίων εξαρτάται από την ένταση της οπτικής ακτινοβολίας που προσπίπτει στον φωτοανιχνευτή και καθορίζεται από τις διακυμάνσεις στην ένταση της οπτικής ακτινοβολίας.
Ο τύπος που λήφθηκε παραπάνω για την ένταση της ακτινοβολίας στον φωτοανιχνευτή μας επιτρέπει να γράψουμε την έκφραση για την ισχύ της ακτινοβολίας που προσπίπτει στον φωτοανιχνευτή με τη μορφή:
όπου P είναι η ισχύς της ακτινοβολίας που εισέρχεται στο FOG.
Από αυτή την έκφραση προκύπτει ότι ο θόρυβος βολής (φωτόνιο) που προκαλείται από τη διαδικασία ανίχνευσης ισχύος ακτινοβολίας σχετίζεται με την εμφάνιση θορύβου «φάσης» και, κατά συνέπεια, οδηγεί σε σφάλμα στη μέτρηση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής. Εάν ο φωτοανιχνευτής λάβει ένα ρεύμα φωτονίων, τότε ο αριθμός των ανιχνευόμενων φωτονίων ανά μονάδα χρόνου είναι μια τυχαία μεταβλητή που κατανέμεται σύμφωνα με το νόμο του Poisson (στην περίπτωση χρήσης εκπομπού λέιζερ). Η μαθηματική προσδοκία του αριθμού των φωτονίων που προσπίπτουν στον φωτοανιχνευτή κατά τη διάρκεια του χρόνου ολοκλήρωσης Τ ισούται με τη μέση ενέργεια διαιρούμενη με την ενέργεια ενός φωτονίου:
όπου h είναι η σταθερά του Planck. f είναι η συχνότητα ακτινοβολίας.
Η μέση τετραγωνική τιμή ρίζας του αριθμού των φωτονίων της κατανομής Poisson είναι ίση με την τετραγωνική ρίζα της μέσης τιμής, δηλ.
Ας βρούμε τη μέση τετραγωνική τιμή ρίζας του θορύβου "φάσης":
Στη συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψη την έκφραση (1.35), λαμβάνουμε:
όπου είναι το εύρος ζώνης του συστήματος ανίχνευσης και επεξεργασίας σήματος.
Για τυπικές τιμές μW και Hz
Επομένως, με εύρος ζώνης 1 Hz, το όριο ευαισθησίας για τη μετρούμενη φάση είναι rad.
Για να προσδιορίσουμε το σφάλμα ρίζας μέσου τετραγώνου στη μέτρηση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής λόγω του θορύβου φωτονίων, χρησιμοποιούμε την έκφραση για τη φάση Sagnac:
Υποθέτοντας ότι μια τυπική ΟΜΙΧΛΗ έχει L = 1 km, D = 10 cm, (1 / 2)P0 = 100 μW, f = Hz, έχουμε:
Συνεπάγεται ότι για ένα εύρος ζώνης 1 Hz και για ένα κύκλωμα με LR = 50, το όριο για την καταγραφή της ταχύτητας περιστροφής είναι 0,01 deg/h. Εκφράζοντας το εύρος ζώνης σε μονάδες αντίστροφες προς το ρολόι, λαμβάνουμε μια έκφραση για την ελάχιστη τυχαία μετατόπιση του FOG
Μια εκτίμηση της μέγιστης ευαισθησίας του FOG μπορεί να βρεθεί από την αναλογία σήματος προς θόρυβο στην έξοδο της συσκευής επεξεργασίας. Η συσκευή επεξεργασίας σήματος εξόδου FOG αποτελείται από έναν φωτοανιχνευτή με κβαντική απόδοση, έναν ενισχυτή με συντελεστή απολαβής (πολλαπλασιασμού) G, μια αντίσταση φορτίου Rn και ένα φίλτρο χαμηλής συχνότητας με ζώνη διέλευσης f.
Ρεύμα εξόδου φωτοανιχνευτή:
όπου q είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου.
Λαμβάνοντας υπόψη το κέρδος G, γράφουμε τη συνιστώσα του σήματος του ρεύματος στη μορφή
Η ισχύς του στοιχείου σήματος είναι ίση με
Η ισχύς του θορύβου βολής σύμφωνα με την τυπική μέθοδο για τον υπολογισμό του λόγου σήματος προς θόρυβο υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο Schottky και ισούται με:
Κατά τον υπολογισμό της ισχύος θορύβου, λαμβάνεται υπόψη μόνο ο ουσιαστικά μη αφαιρούμενος θόρυβος βολής του χρήσιμου σήματος.
Η αναλογία σήματος προς θόρυβο παίρνει τη μορφή
Υποθέτοντας (s / w) = 1, αντικαθιστώντας τη συνάρτηση ημιτόνου με το όρισμά της, αντικαθιστώντας αντί της τιμής της μέσω της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής, λαμβάνουμε την ελάχιστη ανιχνεύσιμη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής:
Παρόμοια έγγραφα
Οπτικά καλώδια και σύνδεσμοι, τα σχέδια και οι παράμετροί τους. Κύριοι τύποι καλωδίων οπτικών ινών. Ταξινόμηση δεκτών οπτικής ακτινοβολίας. Βασικές παράμετροι και χαρακτηριστικά ημιαγωγικών πηγών οπτικής ακτινοβολίας.
μάθημα διαλέξεων, προστέθηκε 13/12/2009
Αρχή λειτουργίας ενός γενικευμένου αισθητήρα οπτικών ινών. Σχέδιο διαμόρφωσης οπτικού φωτός. Ταξινόμηση αισθητήρων φάσης (συμβολομετρικοί). Εμφάνιση του αυτοματοποιημένου συμβολόμετρου οπτικών ινών ISA-1, τεχνικά χαρακτηριστικά.
έκθεση, προστέθηκε 19/07/2015
Σχεδιασμός οπτικής ίνας και υπολογισμός του αριθμού των καναλιών κατά μήκος της ραχοκοκαλιάς. Επιλογή τοπολογιών γραμμών επικοινωνίας οπτικών ινών, τύπος και σχεδιασμός οπτικού καλωδίου, πηγή οπτικής ακτινοβολίας. Υπολογισμός απωλειών στη γραμμική διαδρομή και εφεδρική ισχύς.
εργασία μαθήματος, προστέθηκε 02/09/2011
Η αρχή της κατασκευής γραμμής οπτικών ινών. Εκτίμηση φυσικών παραμέτρων, διασποράς και απωλειών σε οπτική ίνα. Επιλογή καλωδίου, σύστημα μετάδοσης. Υπολογισμός μήκους τμήματος αναγέννησης, ανάπτυξη σχήματος. Ανάλυση θορύβου συστήματος μετάδοσης.
εργασία μαθήματος, προστέθηκε 10/01/2012
Διάγραμμα διαδρομής καλωδίου οπτικών ινών. Επιλογή οπτικού καλωδίου, τα χαρακτηριστικά του για κρέμασμα και τοποθέτηση στο έδαφος. Υπολογισμός παραμέτρων οδηγού φωτός. Επιλογή εξοπλισμού και αξιολόγηση απόδοσης καλωδίου, πιστοποίηση του. Αναζήτηση και ανάλυση ζημιών.
εργασία μαθήματος, προστέθηκε 11/07/2012
Μαθηματικό μοντέλο τετράδας ευαίσθητων στοιχείων της συσκευής BIUS-VO. Η αρχή λειτουργίας του ευαίσθητου στοιχείου της συσκευής BIUS-VO - ένα γυροσκόπιο οπτικών ινών. Ανάπτυξη τεχνικής εκτίμησης των συνιστωσών θορύβου του καναλιού μέτρησης γωνιακής ταχύτητας.
διατριβή, προστέθηκε 24/09/2012
Η αρχή λειτουργίας της οπτικής ίνας βασίζεται στην επίδραση της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης. Πλεονεκτήματα των γραμμών επικοινωνίας οπτικών ινών (FOCL), τομείς εφαρμογής τους. Οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή συνδέσμων οπτικών ινών, η τεχνολογία κατασκευής τους.
περίληψη, προστέθηκε 26/03/2019
Προσδιορισμός εξασθένησης (εξασθένησης), διασποράς, εύρους ζώνης, μέγιστου ρυθμού μετάδοσης δυαδικών παλμών σε σύστημα οπτικών ινών. Σχεδίαση της εξάρτησης της ισχύος εξόδου της πηγής οπτικής ακτινοβολίας από το μέγεθος του ηλεκτρικού ρεύματος.
δοκιμή, προστέθηκε στις 21/06/2010
Ψηφιακά συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών, έννοια, δομή. Βασικές αρχές ενός ψηφιακού συστήματος μετάδοσης δεδομένων. Διεργασίες που συμβαίνουν στις οπτικές ίνες και ο αντίκτυπός τους στην ταχύτητα και το εύρος μετάδοσης πληροφοριών. Έλεγχος PMD.
εργασία μαθήματος, προστέθηκε 28/08/2007
Γενική περιγραφή και σκοπός, λειτουργικά χαρακτηριστικά και δομή παθητικών εξαρτημάτων γραμμών επικοινωνίας οπτικών ινών: σύνδεσμοι και διαχωριστές. Πολυπλέκτης και αποπολυπλέκτης. Οπτικοί διαιρέτες ισχύος, αρχή λειτουργίας και σημασία τους.
