Оптические гироскопы

Современное развитие датчиков для систем управления опирается еще на одно физическое явление – эффект Саньяка, поясняемый Рис. 8.7.

Рис. 8.7 Эффект Саньяка

Два лазерных луча распространяются в разных направлениях, CW и CCW, вдоль оптического (коэффициент преломления n) кольцевого тракта радиуса R. Время распространения лучей ∆ t =2 πR/nc, где с – скорость света. Предположим теперь, что кольцо вращается со скоростью Ω по часовой стрелке. Очевидно, что лучи проходят разные пути за одно и то же иремя: CW-луч – путь длиной l cw =2 πR + Ω R ∆ t, а CCW-луч – длиной l ccw =2 πR – Ω R ∆ t. Соответственно, разность путей составит ∆ l = (4 πΩR 2)/ nc, и скорость вращения может быть найдена из соотношения

. (8.6)

Таким образом, для точного измерения угловой скорости Ω (функция гироскопа) остается найти метод измерения ∆l.

Из известных способов приведем тот, что широко используется в оптических гироскопах – применение оптических резонаторов. Измерение разности длин путей здесь базируется на особых свойствах специальных лазерных ячеек – оптических резонаторов. А именно, на способности таких ячеек генерировать когерентный свет. Чтобы в замкнутой полости стал возможен лазерный эффект (усиление света за счет вынужденного когерентного переизлучения), вдоль кольца-резонатора должно укладываться целое число длин волн (при невыполнении данного условия происходит взаимная интерференция лучей и ячейка остается темной…).

Если допустить, что условие резонанса сохраняется независимо от состояния лазерного кольца (неподвижно оно или находится в движении), придется принять как неизбежное: для компенсации изменения длины пути за счет вращения длина волны λ, а значит и частота света ν, должны пропорционально измениться (образно говоря, поменять цвет). Таким образом, для вращающегося оптического резонатора выполнятся условие

− d v/v = dλ/λ = dl/l. (8.7)

Уравнение представляет для лазерного гироскопа фундаментальную взаимосвязь между частотой и изменением периметра кольца: Если кольцо гироскопа вращается со скоростью Ω, световая волна растягивается при распространении луча в одну сторону и сжимается – при распространении в другую; повторим: вследствие того, что число длин волн вдоль пути следования для каждого из направлений должно сохраниться.

Изменение длины волны лучей означает появление определенной разностной частоты, которую можно выделить специальным детектором после смешивании этих лучей:

,(8.8)

где S - площадь, охватываемая оптическим резонатором.

Практическая конструкция лазерного гироскопа может использовать простой резонатор – отрезок световода (оптоволоконного кабеля), свернутый в одиночное кольцо.

В более совершенной конструкции резонатор представляет собой бобину (катушку) из оптоволоконного кабеля, в которой содержится большое число колец (Рис. 8.8).

…когда приходящий от лазера луч имеет частоту, равную резонансной частоте оптического кольца, свет фактически перехватывается полостью резонатора, и на выходном конце прибора интенсивность света резко падает.

Рис. 8.8. Принцип оптоволоконного резонатора; гироскоп с оптоволоконной катушкой

В многовитковом оптическом гироскопе также есть основные элементы: источник света (лазер) и светодетектор, принимающий для обработки два световых луча, прошедшие через оптическую катушку в разных направлениях. Отбор луча из световодного тракта осуществляет элемент оптической связи – оптоволоконный ответвитель (fiber coupler).

Второй ответвитель в схеме отводит свой луч для прохождения через ка-тушку в обратном направлении – луч CCW. Чтобы различать лучи, в конст-рукции предусмотрен поляризатор. Помимо этого, луч CW получает дополнительный фазовый сдвиг в фазовом модуляторе.

Принятые конструктивные меры гарантируют, что оба распространяющихся в противо-положных направлениях луча проходят одинаковый путь l (см. (8.8)).

После смешивания лучей детектор отслеживает изменяющуюся по косинусоидальному закону интенсивность результирующего светового пучка. Пульсации являются следствием появляющихся в результате вращения бобины фазовых изменений обоих лучей.

Лазерный оптический гироскоп подобного типа является типичным примером современного малогабаритного датчика, предназначенного для измерения угловых скоростей в большом динамическом диапазоне (до 10000) и имеющего относительно невысокую стоимость. Находит применение в качестве гирокомпаса, производит измерения в каналах рыскания и тангажа систем управления ЛА, служит элементом стабилизации пространственного положения этих аппаратов.

Приложение к лекции 8.

Таблица 1. Технические характеристики акселерометра (стр. 2)

Таблица 2. Технические характеристики гироскопа Рис. 8.6

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: