Внимание! grand-referat.ru не продает дипломы, аттестаты об образовании и иные документы об образовании. Все услуги на сайте предоставляются исключительно в рамках законодательства РФ.
Казань. Содержание. Стр. Введение…………………………………………………………3 Глава I . Понятие и виды некоммерческих организаций. §1. Понятие некоммерческих организаций……………………5 §2. Виды некоммерческих организаций………………
Нарадзіўся Максiм Багдановіч у 1891 г. у сям’і педагогаў у Мінску. Пад час з’яўлення Максіма на свет ужо сталі добра прыкметнымі рысы нацыянальнага адраджэння беларускакга народа. Нягледзячы на цяжкі
Историческая заслуга Н.С. Хрущева заключалась, прежде всего, в разоблачении культа личности Сталина, в активных попытках демократизировать общество и реформировать народнохозяйственный механизм, в бол
Внимание – это внутренний, автоматизированный контроль, который некогда был внешним. Процесс поэтапного формирования умственных действий начинается с этапа внешних, развернутых и осознанных действий.
Сформулированные Конституционным Судом РФ правовые позиции касаются различных сторон налогообложения. Во-первых, Конституционный Суд РФ рассматривает проблемы соответствия налогообложения основам конс
Готовность и желание человека выполнять свою работу является одним из ключевых факторов успеха функционирования организации. Кадры решают все! Как показала история, добиться от человека эффективности
Рассматриваются зависимости времени от координат, скоростей, ускорений, то есть обратные задачи кинематики, которые редко встречаются в учебниках механики. * В большинстве учебников по механике раздел
Сонатная форма притягивала композитора многими, только ей присущими качествами: показ (экспонирование) разных по характеру и содержанию музыкальных образов представлял неограниченные возможности, «про
Принцип действия оптического гироскопа Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 1, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины.
Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига.
Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью W , между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.
Рис.1. Принцип возникновения эффекта Саньяка |
Рис.2. Эффект Саньяка при оптическом пути произвольной формы |
Формула (5) вытекает из формулы (3) при допущении, что n=1 и оптический путь имеет круговую форму, но возможно доказать, что формула (5) является основной для эффекта Саньяка. Она не зависит от формы оптического пути, положения центра вращения и коэффициента преломления.
Рис.3. Структурные схемы гироскопов на эффекте Саньяка w r и w l - частота генерации света с правым и левым вращением; t - время, необходимое для однократного прохождения светом кольцевого оптического пути; w FSR - полный спектральный диапазон |
Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 3, а) отличается высокой частотой световой волны — до нескольких сотен терагерц.
Волоконно-оптический гироскоп на рис. 3, б имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.
Кольцевой лазерный гироскоп.
Кольцевой лазерный гироскоп изготовляется подобно газовому лазеру: в кварцевом блоке путем расплавления создается полость (канал) в форме треугольника и заполняется смесью гелия и неона. Длина волны генерируемого лазером излучения 632,8 нм.
Обычно частота генерации изменяется в зависимости от длины лазерного резонатора. И в данном случае частоты двух генерируемых световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях по треугольному оптическому пути (рис. 3, а), неодинаковы из-за разности оптической длины D L [см. формулу (4) ] . Поэтому можно использовать для измерений частоту биений обеих генерируемых световых волн, а именно (6) Здесь L — общая длина оптического пути в кольцевом резонаторе; l — длина волны генерации в состоянии покоя. Иначе говоря, измерив D f, можно определить угловую скорость относительно инерциального пространства.
Поскольку частота света составляет несколько сотен терагерц, даже ее незначительные изменения позволяют измерить разность частот. Если выходным сигналом служит частота, пропорциональная угловой скорости, то подсчетом выходных волн можно определить приращение угла поворота в цифровой форме, что обеспечивает высокую точность информации, подаваемой в навигационное вычислительное устройство.
Измерение частоты возможно в широком динамическом диапазоне, а следовательно, и динамический диапазон кольцевого лазерного гироскопа вполне можно расширить и сделать достаточным для инерциальной навигационной системы. В этом большое преимущество данных гироскопов.
Исследование кольцевых лазерных гироскопов началось в 60-х годах. К настоящему времени достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки примерно 0,001 ° /ч. В последнее время кольцевые лазерные гироскопы применяются в инерциальной системе отсчета не только в самолетах «Боинг» 757/767, но и в аэробусах А310. В Японии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01 ° /ч. Таким образом, кольцевой лазерный гироскоп достиг уже стадии практического применения, но, тем не менее, остается ряд нерешенных проблем: 1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости (влияние синхронизма). 2. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере. 3. Изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций. Из этих проблем самой важной является первая. При малых угловых скоростях уменьшается разность частот генерируемых световых волн, а это приводит к синхронизму ( D f=0) и невозможности обнаружения вращения. (Типичный порог обнаружения при этом 10 ° /ч.) Зона нечувствительности, обусловленная синхронизмом, показана на рис. 3, a штриховыми линиями.
Указанная выше разрешающая способность обнаружения 0,001 ° /ч обеспечивается при подавлении явления синхронизма путем приведения всей системы к микроколебаниям (метод Дейза). Но нелинейность при незначительном повороте все же остается, кроме того, это означает, что не используется такое преимущество оптического гироскопа, как его неподвижность. В кольцевом лазерном гироскопе возникает явление синхронизма, так как это активная конструкция и сама оптическая катушка для обнаружения вращения входит в состав лазерного генератора.
Напротив, в интерферометре Саньяка, представленном на рис. 1, вышеупомянутое явление не возникает, поскольку это пассивная конструкция, при которой световой источник находится вне чувствительной петли.
Основное внимание здесь уделяется оптическому волокну, снижению потерь в нем.
Рис.4. Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопа |
Следует обратить внимание на то, что в основные формулы не входит коэффициент преломления света в волокне.
Благодаря совершенствованию технологии производства выпускается волокно с очень низкими потерями. Чтобы не повредить волокно, намотка производится на катушку радиусом несколько сантиметров. При этом не наблюдается сколько-нибудь заметного увеличения потерь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высокочувствительный интерферометр Саньяка с катушкой небольшого радиуса (2...5 см), намотав на нее волокно большой длины.
Сформировав оптимальную оптическую систему, можно измерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной навигации — порядка 10 -6 ` рад), а затем из формулы (7) определять круговую скорость. Все это и составляет принцип работы волоконно-оптического гироскопа.
Поскольку данный волоконно-оптический гироскоп — пассивного типа, в нем отсутствуют такие проблемы, как явление синхронизма.
Пределы обнаружения угловой скорости. В основной оптической системе на рис. 4 в состоянии оптические пути для света в обоих направлениях обхода будут одинаковы по длине, а поскольку сигнал на выходе светоприемника изменяется пропорционально то гироскоп нечувствителен к очень малым поворотам.
Считается, что в системе с оптимальной чувствительностью теоретические пределы обнаружения угловой скорости связаны с дробовым шумом светоприемника.
Анализ показывает, что для оптического волокна с потерями a существует определенная длина, позволяющая оптимизировать пределы обнаружения при дробовом шуме: (8)
Рис.5, а.
Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при оптимальной длине волокна |
Рис.5, б.
Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при разной длине световой волны |
Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа Повысить чувствительность гироскопа на эффекте Саньяка можно с помощью кольцевого оптического резонатора, используя для этого полупрозрачное зеркало с высоким коэффициентом отражения (см. рис. 3, в). Резонатор представляет собой интерферометр Фабри — Перо в форме кольца. При этом выходной сигнал светоприемника резко реагирует на изменение фазы w t при однократном прохождении световой волной кольцевого оптического пути.
Следовательно, можно создать высокочувствительный датчик, например, измеряющий смещение резонансного пика, обусловленное поворотом.
Другими словами, можно уменьшить длину волокна чувствительного кольца, а если гироскоп среднего класса, то вполне можно использовать даже одновитковое волоконное кольцо, соединенное с оптической интегральной схемой. В подобной структуре гироскопа для получения острой резонансной характеристики требуется световой источник с высокой когерентностью излучения, в то время как в волоконно-оптическом гироскопе для улучшения характеристик требуется световой источник с низкой когерентностью.
Рис.6. Оптическая схема волоконного гироскопа со световым гетеродинированием |
Рассмотрим только последний метод.
Структура оптической системы гироскопа со световым гетеродинированием представлена на рис. 6. Световой луч разделяется с помощью дифракционной решетки на два луча с очень маленьким углом расхождения (около 10 мрад). Эти лучи, пройдя оптическое волокно в противоположных направлениях, подаются на АОМ. Угол дифракции АОМ такой же, как и у дифракционной решетки, вследствие чего АОМ здесь используется не только как частотный сдвигатель, но и как направленный ответвитель, а светоприемное устройство выдает сигнал разностной частоты. В данной оптической системе возможно разделение световых лучей, двигающихся в противоположных направлениях, но вследствие чрезвычайно малого угла дифракции эти лучи взаимодействуют и дрейф, обусловленный колебаниями среды, ослабляется. Кроме того, обычно при разности длины оптических путей возникает дрейф выходного сигнала вследствие частотного отклонения излучения источника, но в данной структуре эта разность очень мала. На рис. 7 приведена электронная схема измерителя фазы выходного сигнала в структуре на рис.6 по нулевому методу.
Точная временная задержка T d обеспечивается прибором на зарядовых связях (ПЗС). Для этой схемы справедливо (9)
Рис. 7. Схема измерителя фазы выходного сигнала для волоконно-оптического гироскопа со световым гетеродинированием |
Шумовые факторы, методы их устранения Методы повышения чувствительности еще не обеспечивают высокой стабильности, необходимо учитывать шумовые факторы и принимать меры по их устранению.
Основные оптические системы с повышенной стабильностью Для достижения высокой стабильности необходимо, чтобы внешние возмущения, воспринимаемые световыми лучами, движущимися в противоположных направлениях, были совершенно одинаковыми. В основной оптической системе, показанной на рис. 4, при использовании светоприемника 1 свет дважды отражается расщепителем луча и, кроме того, дважды проходит сквозь него. При этом условие одинаковой длины оптического пути выполняется не совсем точно и вследствие температурных колебаний характеристик расщепителя луча на выходе возникает дрейф. При использовании светоприемника 2 происходит то же самое. Чтобы световые лучи, введенные в оптическое волокно и излучаемые волокном, проходили одинаковый оптический путь, объединялись и разъединялись в одной и той же точке расщепителя луча, а также имели бы одинаковую моду, необходимо между расщепителями луча установить пространственный фильтр. В этом фильтре желательно использовать одномодовое оптическое волокно — то же, что и для чувствительной катушки.
Обычно в одномодовом оптическом волокне возможно распространение двух независимых мод с ортогональной поляризацией. Но поскольку оптические волокна обладают не совсем строгой осевой симметрией, фазовые постоянные этих двух мод различны.
Однако между модами двух поляризаций происходит обмен энергией, характеристики которого изменяются под внешним воздействием, поэтому излученный волокном свет обычно приобретает круговую поляризацию с неустойчивыми параметрами. Все это приводит к дрейфу выходного сигнала. Если же на оптическом пути поместить, как это показано в обведенной штриховой линией части на рис. 4, поляризационную пластину, т. е. пустить на оптический путь интерферометра световую волну с единственной поляризацией и в излучаемом свете выделить только составляющую с такой же поляризацией, то передаточная функция кольцевого оптического пути (оптического волокна) для лучей с противоположным направлением движения будет одинакова и, тем самым, проблема решена. Но и в этом случае остаются колебания мощности света, достигшего светоприемника, поэтому необходимо принять еще меры по стабилизации масштабного коэффициента. Одна из таких мер — введение деполяризатора, который компенсирует колебания поляризации в оптическом волокне и делает состояние поляризации произвольным, или введение оптического волокна, сохраняющего поляризацию. В гироскопах со световым гетеродинированием эффективное решение проблемы — нулевой метод. Для устранения дрейфа, обусловленного колебаниями поляризации в оптическом волокне, требуется поляризатор с очень большим затуханием (около 90 дБ), но это требование смягчается при использовании оптического волокна с сохранением поляризации и источника света с низкой когерентностью. В оптическом волокне с сохранением поляризации из-за разности фазовых постоянных для мод с ортогональной поляризацией возникает разность длины оптического пути для этих мод, поэтому использование источника с низкой когерентностью излучения делает невозможным интерференцию между модами.
Аналогичного эффекта можно добиться и при использовании деполяризатора.
Таблица 1. Шумовые факторы в волоконно-оптических гироскопах
Шумовой фактор | Рекомендуемые меры по снижению шума |
Колебания поляризации в оптическом волокне, например, преобразование линейной поляризации в круговую в одномодовом волокне | Включение на выходе волокна анализатора, для того чтобы выделить составляющую поляризации одного направления |
Разность длины оптических путей для световых волн, идущих в противоположных направлениях, при динамической нестабильности спектра источника света | Стабилизация спектра источника света |
Разность частот волн, идущих по волокну в противоположных направлениях, при колебаниях температуры | Использование двух акустооптических модуляторов или модуляция прямоугольными импульсами |
Неравномерность распределения температуры вдоль волокна | Намотка оптического волокна, при которой распределение температуры симметрично относительно середины катушки |
Изменение фазы выходного сигнала из-за эффекта Фарадея в волокне под воздействием колебаний магнитного поля Земли | Магнитное экранирование и использование волокна с сохранением поляризации |
Колебания (в расщепителе луча) отношения интенсивности прямого и обратного луча вследствие оптического эффекта Керра | Модуляция излучаемого света прямоугольными импульсами со скважностью 50%; использование широкополосного источника света |
Интерференция прямого луча и луча обратного рассеяния Рэлея | Фазовая модуляция световой волны; импульсная частотная модуляция лазерного излучения; использование слабоинтеферирующего источника света |
Рис. 8. Основные шумовые факторы в чувствительном кольце из оптического волокна |
Рис. 9. Уменьшение шумов рэлеевского рассеяния посредством расширения спектра светового источника |
Характеристики и методы их улучшения В настоящее время разработаны экспериментальные системы, в которых приняты меры по повышению чувствительности и по снижению шумов. В этих системах, работающих по методу фазовой модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования, достигнута разрешающая способность, позволяющая измерять скорости, равные или меньшие скорости собственного вращения Земли (15 ° /ч=7,3 10 -5 рад/с). Особенно велики достижения в системах с фазовой модуляцией, у которых разрешающая способность и дрейф примерно 0,02 ° /ч, что приемлемо для инерциальной навигации.
Исследуется возможность реализации гироскопов с использованием технологии микрооптики, функциональных волоконных и волноводных элементов. Уже выпускаются волоконно-оптические гироскопы с разрешающей способностью 1 ° /ч. Кроме того, углубляется изучение систем, пригодных для инерциальной навигации.
Система с фазовой модуляцией
Рис. 10. Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией, выполненный на волоконных функциональных элементах |
Уменьшению этих шумов способствует и то, что система выполнена по принципу фазовой модуляции. В гироскопе, показанном на рис. 10, достигается разрешающая способность 0,022 ° /ч (рис. 11, а). При этом время интегрирования составляет 1 с. Путем специальной намотки оптического волокна ослабляется влияние температурных колебаний, а с применением магнитного экрана и многомодового полупроводникового лазера снижается дрейф, обусловленный эффектом Керра, и уменьшаются колебания нулевой точки (рис. 11, б, 0,02 ° /ч, при времени интегрирования 30 с).
Рис. 11. Разрешающая способность (а) и характеристика стабилизации нулевой точки (б) волоконно-оптического гироскопа (рис.10) |
Пробуют также вводить в систему оптическое волокно с сохранением поляризации, выполнять фазовый модулятор с направленными ответвителями, а остальные элементы — в виде волноводных устройств.
Эксперименты с такими гироскопами дают разрешающую способность от 0,02 до нескольких градусов в час (время интегрирования 1 с). Для повышения разрешающей способности и уменьшения дрейфа нуля эффективно также использование суперлюминесцентного диода, обладающего низкой когерентностью (ширина волнового спектра когерентности 20 мкм).
Рис.12. Гироскоп со световым квазигетеродинированием |
Имеются и другие попытки реализации квазигетеродинного светового метода на основе фазовой модуляции.
Например, система комбинируется со схемой обработки фазы (см. рис. 7), что позволяет расширить динамический диапазон и стабилизировать масштабный коэффициент, т. е. компенсировать недостатки метода фазовой модуляции. В этой системе требуется точная установка параметров формы модулирующего сигнала и трудно добиться технических характеристик, удовлетворяющих инерциальную навигацию. Путем манипуляций с формой модулирующего сигнала практически реализуется нулевой метод, но при этом возникает проблема со стабилизацией нулевой точки. В любом случае система с фазовой модуляцией превосходит другие системы по разрешающей способности и стабильности нулевой точки и к тому же относительно проста.
Поэтому расширяются работы по миниатюризации этой системы путем создания волоконных и волноводных функциональных оптических элементов, приборов интегральной оптики. В частности, западногерманская фирма SEL уже выпускает гироскопы с разрешающей способностью около 15 ° /ч и линейностью в пределах 1 % , где для фазового модулятора используются волноводные оптические элементы. Длина волокна 100 м, радиус чувствительности катушки из оптического волокна около 3,5 см, габариты 80 80 25 мм, масса 200 г.
Системы с изменением частоты
Рис.13, а.
Структурная схема волоконно-оптического гироскопа с изменением частоты |
Рис.13, б. |
Угловое смещение на каждый отсчет частоты выходного сигнала составляет 2,95 с. Метод изменения частоты структурно базируется на методе фазовой модуляции.
Считается, что он позволяет повысить разрешающую способность и стабильность нулевой точки. При этом основные сложности связаны с частотным сдвигателем. Если в качестве его используется АОМ, то возникают две проблемы — увеличение габаритов оптической системы при росте мощности возбуждения и отраженного света, а также повышение частоты возбуждения.
Наряду с АОМ исследуются частотные сдвигатели в виде волоконно-оптических фукциональных элементов и световых волноводов. Кроме того, интегрируются два AOM и объектив на подложке из LiNbО 3 . Проектируются также системы с частотным сдвигом, полученным на основе фазового метода. На рис. 14 представлена общая структура фазовой системы, выполненной на базе интегральной схемы.
Фазовый модулятор волноводного типа имеет хорошие частотные характеристики, поэтому возможно возбуждение пилообразным напряжением и реализация фазовой системы. При этом, если амплитуда пилообразного напряжения возбуждения строго соответствует 2 p , то высшие гармоники не возникают, и получается идеальный частотный сдвигатель. Для инерциальной навигационной системы это условие должно выполняться очень строго.
Французская фирма «Томсон ЦСФ» разработала автоматическую регулировку амплитуды с помощью цифроаналогового преобразователя, который обеспечивает требуемую пилообразную форму напряжения с фронтом из микроступеней.
Частота его определяется как D f из формулы (11), и при синхронной с цифроаналоговым преобразователем обратной связи здесь обеспечивается нулевой метод, а изменение тактовой частоты информирует об угловой скорости гироскопа. В этой системе не требуется большого сдвига частоты и можно обойтись лишь одним частотным сдвигателем.
Разработан подобный гироскоп с дрейфом нуля 0,3 ° /ч и динамическим диапазоном в 7 порядков.
Рис.14. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты и сдвигатели фазового типа на интегральной схеме |
Расширение спектра позволяет повысить разрешающую способность примерно в 20 раз.
Поскольку из-за обратного света спектр полупроводникового лазера нестабилен, в систему вводится изолятор.
Рис.15, а.
Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гетеродинированием (рис.6, 7) |
Рис.15, б.
Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гетеродинированием — характеристика передачи (рис.6, 7) |
Верхняя граница обнаружения вращения, определяемая электронной схемой, составляет 100 ° /c, динамический диапазон экспериментальной системы 5 порядков. Из-за тепловых колебаний скорости звука в АОМ системы возникает заметный дрейф нуля, в связи с чем продолжаются исследования способов отслеживания звуковой скорости в АОМ. Данную систему, используя двухмерные световые волноводы и дифракционные решетки, можно реализовать в виде интегральной схемы.
Заключение Рассмотрен принцип действия некоторых оптических гироскопов, в том числе волоконно-оптических.
Благодаря методу фазовой модуляции достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки в соответствии с требованиями инерциальной навигации. С помощью метода изменения частоты и светового гетеродинирования реализован широкий динамический диапазон (от пяти до девяти порядков) и стабильный масштабный коэффициент.
Волоконно-оптические гироскопы находят широкое применение.
Быстрыми темпами ведется разработка различных приборов на микрооптической технологии, волоконно-оптических функциональных элементах, оптических волноводных элементах. К настоящему времени такие гироскопы среднего класса уже имеются в продаже.
оценка лицензии в ТвериНАШИ КОНТАКТЫ