Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа




Сторінка1/9
Дата конвертації15.04.2016
Розмір1.17 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9








   
      


Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа


Содержание.
Введение....................................................................................
..
1. Принципы волоконно-оптической
гироскопии...................
1.1. Основные характеристики
ВОГ..................................
1.2. Принцип взаимности и регистрация фазы в
ВОГ.....
1.3. Модель шумов и нестабильностей в
ВОГ.................
2. Влияние элементов ВОГ на точностные
характеристики
системы..............................................................................
...
2.1. Характеристики источников
излучения......................
2.2. Шумовые характеристики волоконно-оптического
контура..........................................................................
...
2.3. Шумовые характеристики
фотодетекторов...............
2.4. Анализ прямых динамических эффектов
(температурных градиентов и механических
напряжений)..................................................................
............
2.5. Влияние внешнего магнитного поля на
точностные характеристики
ВОГ........................................................
3. Методы компенсации
погрешностей.................................
3.1. Компенсация паразитной модуляции в волоконно-
оптическом
гироскопе.....................................................
3.2. Компенсация избыточного шума в волоконно-
оптическом гироскопе с ответвителем типа
3x3..........
3.3. Компенсация обратного рэлеевского
рассеяния......
3.4. Компенсация влияния эффекта Керра на точность
ВОГ................................................................................
...
4. Расчет сметной калькуляции
НИР.....................................
4.1. Исходные
положения..................................................
4.2. Определение трудоемкости и календарных сроков
работы...........................................................................
..
4.3. Расчет расходов по статьям затрат и составление
сметной
калькуляции......................................................
4.4. Выводы по
расчету......................................................
5. Безопасность жизнедеятельности и охрана труда.........
5.1. Организация рабочих
мест.........................................
5.2. Температура, влажность,
давление..........................
5.3. Требования к
освещению...........................................
5.4. Требования к уровням шума и
вибрации...................
5.5. Требования к защите от статического
электричества и
излучений.............................................................
5.6. Требования к видеотерминальному устройст-
ву.......
5.7. Электробезопасность................................................
..
5.8. Пожарная
безопасность..............................................
5.9. Предполагаемые методы защи-
ты.............................
6. Экология и охрана окружающей сре-
ды.............................
Заключение................................................................................
..
Введение
Волоконный оптический гироскоп (ВОГ) - оптико-электронный при-
бор, создание которого стало возможным лишь с развитием и совершенст-
вованием элементной базы квантовой электроники. Прибор измеряет угло-
вую скорость и углы поворота объекта, на котором он установлен. Принцип
действия ВОГ основан на вихревом (вращательном) эффекте Саньяка.
Интерес зарубежных и отечественных фирм к оптическому гироскопу
базируется на его потенциальных возможностях применения в качестве
чувствительного элемента вращения в инерциальных системах навигации,
управления и стабилизации. Этот прибор в ряде случаев может полностью
заменить сложные и дорогостоящие электромеханические (роторные) ги-
роскопы и трехосные гиростабилизированные платформы. По данным за-
рубежной печати в будущем в США около 50% всех гироскопов, исполь-
зуемых в системах навигации, управления и стабилизации объектов раз-
личного назначения, предполагается заменить волоконными оптическими
гироскопами.
Возможность создания реального высокочувствительного ВОГ поя-
вилась лишь с промышленной разработкой одномодового диэлектрического
световода с малым затуханием. Именно конструирование ВОГ на таких
световодах определяет уникальные свойства прибора. К этим свойствам
относят:
? потенциально высокую чувствительность (точность) прибора, которая
уже сейчас на экспериментальных макетах 0,1 град/ч и менее;
? малые габариты и массу .конструкции, благодаря возможности соз-
дания ВОГ полностью на интегральных оптических схемах;
? невысокую стоимость производства и конструирования при массовом
изготовлении и относительную простоту технологии;
? ничтожное потребление энергии, что имеет немаловажное значение
при использовании ВОГ на борту;
? большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей (в
частности, например, одним прибором можно измерять скорость по-
ворота от 1 град/ч до 300 град/с);
? отсутствие вращающихся механических элементов (роторов) и под-
шипников, что повышает надежность и удешевляет их производство;
? практически мгновенную готовность к работе, поскольку не затрачи-
вается время на раскрутку ротора;
? нечувствительность к большим линейным ускорениям и следова-
тельно, работоспособность в условиях высоких механических пере-
грузок;
? высокую помехоустойчивость, низкую чувствительность к мощным
внешним электромагнитным воздействиям благодаря диэлектриче-
ской природе волокна;
? слабую подверженность проникающей гамма-нейтронной радиации,
особенно в диапазоне 1,3 мкм.
Волоконный оптический гироскоп может быть применен в качестве
жестко закрепленного на корпусе носителя чувствительного элемента
(датчика) вращения в инерциальных системах управления и стабилизации.
Механические гироскопы имеют так называемые гиромеханические ошибки,
которые особенно сильно проявляются при маневрировании носителя
(самолета, ракеты, космического аппарата). Эти ошибки еще более значи-
тельны если инерциальная система управления конструируется с жестко
закрепленными или «подвешенными» датчиками непосредственно к телу
носителя. Перспектива использования дешевого оптического датчика вра-
щения, который способен работать без гиромеханических ошибок в инер-
циальной системе управления, есть еще одна причина особого интереса к
оптическому гироскопу.
Появление идеи и первых конструкций волоконного оптического ги-
роскопа тесно связан с разработкой кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ).
В КЛГ чувствительным контуром является кольцевой самовозбуждающийся
резонатор с активной газовой средой и отражающими зеркалами, в то вре-
мя как в ВОГ пассивный многовитковый диэлектрический световодный кон-
тур возбуждается «внешним» источником светового излучения. Эти осо-
бенности определяют по крайней мере пять преимуществ ВОГ по сравне-
нию с КЛГ:
1. В ВОГ отсутствует синхронизация противоположно бегущих типов
колебаний вблизи нулевого значения угловой скорости вращения,
что позволяет измерять очень малые угловые скорости, без необ-
ходимости конструировать сложные в настройке устройства сме-
щения нулевой точки;
2. Эффект Саньяка, на котором основан принцип работы прибора,
проявляется на несколько порядков сильнее из-за малых потерь в
оптическом волокне и большой длины волокна.
3. Конструкция ВОГ целиком выполняется в виде твердого тела (в
перспективе полностью на интегральных оптических схемах), что
облегчает эксплуатацию и повышает надежность по сравнению с
КЛГ.
4. ВОГ измеряет скорость вращения, в то время как КЛГ фиксирует
приращение скорости.
5. Конфигурация ВОГ позволяет «чувствовать» реверс направления
вращения.
Эти свойства ВОГ, позволяющие создать простые высокоточные
конструкции полностью на дешевых твердых интегральных оптических
схемах при массовом производстве привлекают пристальное внимание
разработчиков систем управления. По мнению ряда зарубежных фирм,
благодаря уникальным техническим возможностям ВОГ будут интенсивно
развиваться.
Зарубежные авторы констатируют, что разработка конструкции ВОГ
и доведение его до серийных образцов не простая задача. При разработке
ВОГ ученые и инженеры сталкиваются с рядом трудностей. Первая связана
с технологией производства элементов ВОГ. В настоящее время еще мало
хорошего одномодового волокна, сохраняющего направление поляризации;
производство светоделителей, поляризаторов, фазовых и частотных
модуляторов, пространственных фильтров, интегральных оптических схем
находится на начальной стадии развития. Число разработанных специаль-
но для ВОГ излучателей и фотодетекторов ограничено.
Вторую трудность связывают с тем, что при кажущейся простоте
прибора и высокой чувствительности его к угловой скорости вращения он в
то же время чрезвычайно чувствителен к очень малым внешним и внутрен-
ним возмущениям и нестабильностям, что приводит к паразитный дрейфам,
т. е. к ухудшению точности прибора. К упомянутым возмущениям относятся
температурные градиенты, акустические шумы и вибрации, флуктуации
электрических и магнитных полей, оптические нелинейные эффекты
флуктуации интенсивности и поляризации излучения, дробовые шумы в
фотодетекторе, тепловые шумы в электронных цепях и др.
Фирмами и разработчиками ВОГ обе эти задачи решаются. Совер-
шенствуется технология производства элементов в ВОГ, теоретически и
экспериментально исследуются физическая природа возмущений и неста-
бильностей, создаются и испытываются различные схемные варианты ВОГ
с компенсацией этих возмущений, разрабатываются фундаментальные во-
просы использования интегральной оптики. Точность ВОГ уже сейчас близ-
ка к требуемой в инерциальных системах управления.
В специальной научной и периодической литературе проблеме ВОГ
уже опубликовано множество научных статей. Анализ этих статей свиде-
тельствует о необходимости дальнейшего изучения этой проблемы и раз-
работки новых способов улучшения качественных характеристик ВОГ.
Систематизация и обобщение узловых вопросов теории и практики
создания ВОГ также является важным этапом.
Задачей дипломной работы является анализ работы ВОГ, обобщен-
ной модели шумов и нестабильностей и оценка предельной
(потенциальной) чувствительности прибора. На основе свойства взаимно-
сти необходимо рассмотреть минимальную конфигурацию ВОГ. Затем оце-
нить современное состояние элементной базы. При этом значительное
внимание уделить свойствам волоконных световодов и провести анализ
возможных неоднородностей и потерь для различных типов волокон. Рас-
смотреть основные элементы ВОГ: волоконный контур, излучатели и фото-
детекторы, а также предложить способы компенсации шумов и нестабиль-
ностей ВОГ (таких, как обратное рэлеевское рассеяние, оптический нели-
нейный эффект, температурные градиенты, магнитное поле и др.).
Основной задачей дипломной работы является рассмотрение клю-
чевых аспектов теории ВОГ на основе анализа погрешностей его элементов
и качественной оценки точностных характеристик устройства с учетом
использования различных подходов к решению проблемы повышения его
чувствительности.
Необходимо также рассмотреть различные схемотехнические мето-
ды снижения уровня шумов и нестабильностей ВОГ.
Отдельно отразить технико-экономические аспекты работы, вопросы
безопасности жизнедеятельности при проведении исследований, а также
проблемы экологической безопасности при использовании прибора.
1. Принципы волоконно-оптической гироскопии
1.1. Основные характеристики ВОГ
Оптический гироскоп относится к классу приборов, в которых в замк-
нутом оптическом контуре распространяются встречно бегущие световые
лучи. Принцип действия оптического гироскопа основан на «вихревом»
эффекте Саньяка, открытым этим ученым в 1913 г. [1]. Сущность вихревого
эффекта заключается в следующем. Если в замкнутом оптическом контуре
в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то
при неподвижном контуре фазовые набеги обоих лучей, прошедших весь
контур, будут одинаковыми. При вращении контура вокруг оси, нормальной
к плоскости контура, фазовые набеги лучей неодинаковы, а разность фаз
лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура. Для объясне-
ния вихревого эффекта Саньяка разработаны три теории: кинематическая,
доплеровская и релятивистская . Наиболее простая из них - кинематиче-
ская, наиболее строгая - релятивистская, основанная на общей теории от-
носительности. Рассмотрим вихревой эффект Саньяка в рамках кинемати-
ческой теории.
Рис 1.1. Кинематическая схема вихревого эффекта Саньяка.
На рис. 1.1 изображен плоский замкнутый оптический контур произ-
вольной формы, в котором распространяются в противоположных направ-
лениях две световые волны 1 и 2 (рис. 1.1). Плоскость контура перпендику-
лярна оси вращения, проходящей через произвольную точку О. Угловую
скорость вращения контура обозначим ?. Участок пути светового луча АВ
примем бесконечно малым, его длину обозначим ?l. Радиус-вектор произ-
вольной точки контура А обозначим r. Отрезок дуги АВ' обозначим . При
вращении контура вокруг точки О с угловой скоростью линейная скорость
точки А равна . Учитывая, что треугольник AB'B мал:
, (1.1)
где ? - угол между вектором линейной скорости точки А и
касательной AM к контуру в точке А.
Проекция линейной скорости точек контура на направление вектора
скорости света в этих точках
. (1.2)
Если контур неподвижен, то время обхода участка контура АВ=?l
двумя противоположными лучами одинаково; обозначим его dt.
Тогда
dt = ?l / c = . (1.3)
При вращении контура с угловой скоростью кажущееся
расстояние между точками А и В для встречно бегущих лучей изменяется.
Для волны бегущей из точки А в точку В, т.е. в направлении, совпадающем
с направлением вращения контура, расстояние удлиняется, так как за
время dt точка В переместится на угол , перейдя в точку С.
Это удлинение пути для светового луча будет равно dt,
поскольку в каждое мгновение луч направлен по касательной к контуру, по
этой же касательной направлена проекция линейной скорости
. Таким образом, отрезок пути, проходимый
лучом, равен ?l + dt. Рассуждая аналогично, для встречно бегущего луча
света будет иметь место кажущееся сокращение отрезка пути ?l - dt
Считая скорость света инвариантной величиной, кажущиеся удлине-
ния и сокращения путей для встречных лучей можно эквивалентно считать
удлинениями и сокращениями отрезков времени, т.е.
(1.4)
Подставляя выражения (1.2)-(1.3) для и dt, получаем
(1.5)
Из рис 1.1. следует
,
где ?s - площадь сектора .
С точностью до бесконечно малых второго порядка площадь АОВ можно
заменить на ?s. Тогда
(1.6)
Полное время распространения встречных лучей вдоль всего конту-
ра
, (1.7)
где суммирование ведётся по числу элементарных секторов, на ко-
торые разбит весь контур.
Таким образом, полное время, затрачиваемое лучом, бегущим по
часовой стрелке при обходе всего вращающегося контура, больше чем
полное время, затрачиваемое лучом, бегущим против часовой стрелки.
Разность времен и или относительное запаздывание встреч-
ных волн
, (1.8)
где S - площадь всего контура.
Если относительное запаздывание встречных волн (1.8) возникаю-
щее при вращении, выразить через разность фаз встречных волн, то она
составит
, (1.9)
где , .
Разность фаз является фазой Саньяка. Как видно, фаза Сань-
яка пропорциональна угловой скорости вращения контура.
Кинематическую теорию вихревого эффекта Саньяка ещё проще
объяснить, рассматривая идеальный кольцевой оптический контур радиуса
(рис 1.2.).
Рис 1.2. Эффект Саньяка в кольцевом оптическом контуре.
Луч света приходит в точку А и с помощью зеркал и расщеп-
ляется на два луча, один из которых распространяется по часовой стрелке
в контуре, а другой - против часовой стрелки. С помощью этих же зеркал,
после распространения в контуре лучи объединяются и направляются по
одному, пути. При неподвижном контуре пути прохождения лучей одинако-
вы и равны
, (1.10)
, где с - скорость света, ? - время прохождения периметра кон-
тура лучом.
Оба луча приходят в точку А на расщепитель в фазе. Если контур
вращается с постоянной угловой скоростью ? , то луч, распространяю-
щийся по часовой стрелке, прежде чем попадет на перемещающийся рас-
щепитель, пройдет путь
(1.11)
Это вызвано тем, что за время прохождения луча по замкнутому
контуру расщепитель, находившийся ранее в точке А, уйдет в точку В. Для
луча, распространяющегося против часовой стрелки, путь
(1.12)
Как видим, пути распространения противоположно бегущих лучей
разные. Поскольку скорость света с величина постоянная, это эквивалентно
разным временам прохождения лучей, распространяющихся в противо-
положных направлениях замкнутого вращающегося контура, и .
Разность времен распространения
(1.13)
В приближении первого порядка по можно записать
(1.14)
Что совпадает с выражением (1.8), полученным выше, если считать
- площадь контура.
Эффект Саньяка может быть объяснен на основе понятия допле-
ровского сдвига частоты. Эффектом Доплера называется явление измене-
ния частоты колебаний, излученных передатчиком и принимаемых прием-
ником, наблюдающееся при взаимном относительном перемещении излу-
чателя и приемника. При этом частота принятого колебания
, (1.15)
где f - частота излученного колебания, V - скорость перемещения
передатчика, а знаки «+» или «-» соответствуют сближению или удалению
передатчика относительно наблюдателя.
Доплеровский частотный сдвиг
пропорционален скорости перемещения излучателя.
Рассмотрим кольцевой оптический контур радиуса вращающий-
ся с угловой скоростью ? (рис. 1.3.). Аналогом перемещающегося излуча-
теля в контуре является движущееся с линейной скоростью отра-
жающее зеркало. При вращении контура встречно бегущие лучи имеют
различные длины волн вследствие доплеровского сдвига , накапли-
ваемого при отражении волны от зеркала, смещающегося со скоростью
.
При вычислении фазы, накопленной в обоих плечах оптического
контура, необходимо рассматривать вращающуюся систему в целом. Оба
оптических пути тогда равны , но длины волн отличаются на доп-
леровский сдвиг . Тогда относительный фазовый сдвиг
(1.16)
Определим величину . Длина волны излучения, претерпевшего
доплеровский сдвиг:
Откуда
Подставляя полученное выражение в формулу для относительного
фазового сдвига, получаем
(1.17)
Фаза Саньяка
(1.18)
что полностью совпадает с выражением (1.9), полученным при вы-
числении разности времен обхода лучом вращающегося контура.
Таким образом, мы рассмотрели два эквивалентных подхода к объ-
яснению эффекта Саньяка. В первой интерпретации эффект проявляется
как разность времен распространения встречно бегущих лучей во вра-
щающемся контуре; во второй - как разность длин волн лучей в двух плечах
контура одинаковой оптической длины.
Измеряя электронным устройством разность фаз, можно получить
информацию от угловой скорости вращения основания (объекта), на кото-
ром закреплен контур. Интегрируя измеренный сигнал, получают угол по-
ворота основания (объекта). Эта информация затем используется для
управления и стабилизации объектов.
В зависимости от конструкции замкнутого оптического контура раз-
личают два типа оптических гироскопов. Первый тип, так называемый
кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), в котором контур образован активной
средой (смесью газов гелия и неона) и соответствующими зеркалами, об-
разующими замкнутый путь (кольцевой лазер) . Второй тип—волоконный
оптический гироскоп (ВОГ), в котором замкнутый контур образован много-
витковой катушкой оптического волокна. Принципиальная схема ВОГ пока-
зана на рис. 1.3.
Рис 1.3. Принципиальная схема волоконно-оптического гироскопа.
Если контур ВОГ образовать нитью оптического волокна длиной L,
намотанного на цилиндр радиуса R, то фаза Саньяка
(1.19)
где R - радиус витка контура; N - число витков; S -площадь витка
контура.
В соответствии с рис. 1.3., излучение источника подается на свето-
делитель и разделяется на два луча. Два луча, обошедшие контур в проти-
воположных направлениях, рекомбинируют на светоделителе и смешива-
ются в фотодетекторе. Результирующее колебание можно записать в виде
(1.20)
где - амплитуды колебаний; - частота излучения;
; ; - начальная фаза колебания;
- фаза Саньяка.
Интенсивность излучения на фотодетекторе
(1.21)
Обозначив интенсивность излучения на выходе лазерного диода
считая, что в волоконном контуре отсутствуют потери, и полагая, что све-
тоделитель разделяет энергию точно поровну, имеем:
(1.22)
Тогда выражение (1.21) принимает вид:
(1.23)
Анализ выражения позволяет сделать вывод о низкой чувствитель-
ности прибора в данной конфигурации к малым угловым скоростям:
(1.24)
Для максимизации чувствительности к малым изменениям инфор-
мативного параметра (фазы Саньяка) в волоконный контур необходимо
поместить простой фазовый модулятор, дающий «невзаимный» фазовый
сдвиг ?/2 между двумя противоположно бегущими лучами. Тогда интенсив-
ность на фотодетекторе при малых угловых скоростях изменяется почти
линейно:
(1.25)
а чувствительность ВОГ будет находиться на максимальном значе-
нии 0.5.
Различные способы введения «невзаимного» фазового сдвига будут
рассмотрены ниже.
В конфигурации, приведенной на рис 1.3., выходной ток фотодетек-
тора повторяет изменения интенсивности (мощности) входного излучения,
т.е.:
(1.26)
где ? - квантовая эффективность фотодетектора; q - заряд электро-
на; h - постоянная Планка; f - частота оптического излучения.
Если пренебречь постоянной составляющей выходного тока, то на
выходе фотодетектора получим сигнал
(1.27)
При введении невзаимного фазового сдвига ?/2 и для малых значе-
ний выходной ток:
(1.28)
Таким образом, значения выходного тока пропорциональны фазе
Саньяка, которая в свою очередь пропорциональна угловой скорости вра-
щения контура ?.
1.2. Принцип взаимности и регистрация фазы в ВОГ
В типичных экспериментальных конструкциях гироскопов использу-
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка