Реферат: Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа
Дипломнаяработа посвящена анализу погрешностей волоконно-оптического гироскопа иявляется попыткой последовательного рассмотрения принципов построения ВОГисходя из минимизации влияния элементов на его точностные характеристики. Вработе рассмотрены основные принципы волоконно-оптической гироскопии, данахарактеристика основных элементов ВОГ различных типов и предложены методыкомпенсации некоторых погрешностей, обусловленных различными факторами.
Возможностьсоздания реального высокочувствительного ВОГ появилась лишь с промышленнойразработкой одномодового диэлектрического световода с малым затуханием.Конструирование ВОГ на таких световодах определяет уникальные свойства прибора:
n<span Times New Roman"">
/сек и менее);n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
Принципдействия ВОГ основан на вихревом эффекте Саньяка, открытым в 1913 году. Если взамкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяютсядва 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 разностьфаз лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура. Для объяснениявихревого эффекта Саньяка разработаны три теории: кинематическая, доплеровскаяи релятивистская. В дипломной работе рассмотрены первые две.
Врамках кинематической теории рассмотрен плоский замкнутый оптический контурпроизвольной формы, в котором распространяются в противоположных направленияхдве световые волны. Плоскость контура перпендикулярна оси вращения. Принявучасток пути светового луча бесконечно малым и выразив линейную скорость точкичерез ее радиус-вектор получим выражение для времени обхода участка контурадвумя противоположными лучами.
Привращении контура с некоторой угловой скоростью кажущаяся длина участка для двухволн оказывается различной. Считая скорость света инвариантной величинойсвязываем удлинение и сокращение путей с удлинением и сокращением отрезковвремени и получаем выражение для относительного запаздывания, которое можно выразитьчерез разность фаз встречных волн. Суммирование по всей длине контураопределяет итоговую разность фаз.
Рассмотрениеидеального кольцевого оптического контура с системой из двух зеркал позволяетполучить тот же результат для разности времен распространения встречных лучей.
Явлениеизменения частоты колебания, излученного передатчиком и принимаемого приемником, наблюдающееся при взаимном относительномперемещении излучателя и приемника позволяет рассмотреть эффект Саньяка врамках доплеровской теории.
Относительныйфазовый сдвиг в данном случае определяется разностью частот волн, претерпевшихдоплеровский сдвиг и также выражается через угловую скорость вращения контура.
На основерассмотренного эффекта можно построить принципиальную схему простейшего ВОГ.Излучение от источника попадает на светоделитель, где разделяется на две равныечасти, которые пройдя замкнутый контур, состоящий из многовитковой катушки волокнапопадают на фотодетектор. Выделенная фаза Саньяка преобразуется устройствомобработки в угловую скорость вращения и при необходимости интегрируется с цельюопределения угла поворота системы.
Интенсивностьизлучения на фотодетекторе пропорциональна косинусу разности фаз встречныхволн, что определяет низкую чувствительность прибора к малым угловым скоростям.
Длямаксимизации чувствительности к малым изменениям информативного параметра вволоконный контур необходимо поместить простой фазовый модулятор, дающийневзаимный фазовый сдвиг p/2 между двумя противоположнобегущими лучами. Тогда интенсивность на фотодетекторе при малых угловыхскоростях изменяется почти линейно.
Так какпоказания прибора полностью определяются разностью фаз встречно бегущих волн всеошибки ВОГ связаны с невзаимностью условий их распространения.
Основнымифакторами, влияющими на условия распространения встречно бегущих волн являются:
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
n<span Times New Roman"">
В работепроведена оценка предела чувствительности (точности) ВОГ, определяемая уровнемфотонных шумов и зависящая от интенсивности оптического излучения падающего нафотодетектор. Полученные теоретические выражения для ошибки обусловленной дробовымишумами позволяют сделать вывод о необходимости увеличения длины контура иуменьшения полосы пропускания НЧ-фильтра выходного каскада. (график)
Использованиевысококогерентных лазерных источников позволяет снизить уровень дробовых шумов,однако когерентная составляющая обратного (рэлеевского) рассеяния в волокнеприводит к возникновению ошибки в разности фаз между двумя лучами. Исходя изэтого предпочтительно использование источника с длиной когерентности многоменьшей, чем длина волоконного контура. В этом случае шум связанный сотражением на конце волокна, суммируется некогерентно с полезным сигналом.
Использованиедополнительной модуляции сигналов также позволяет «декогерировать» шумобратного рассеяния.
Во второйглаве рассмотрены вопросы влияния элементов ВОГ на точностные характеристикисистемы.
Анализхарактеристик источников излучения позволяет сделать вывод о предпочтительностииспользования суперлюминесцентных диодов, являющихся низко когерентными ипозволяющими компенсировать влияние эффекта Керра и обратного рассеяния. Такжеони обладают меньшей температурной зависимостью, проще в конструктивномисполнении и являются очень надежными.
Большоевнимание уделено характеристикам волоконного контура, так как именно контур являетсяосновным источником погрешностей в ВОГ. Рассмотрение количественных значенийпотерь в волокне является недостаточным для анализа точности ВОГ. Интереспредставляет оценка статистических характеристик параметров контура. В работерассмотрены дисперсионные свойства волокон с различными профилями показателяпреломления, проведена качественная оценка зависимостей дисперсии профиля откорреляционных свойств для различных типов неоднородностей в волокне. (графики)
Полученныесоотношения позволяют по известным параметрам неоднородностей косвенноопределить как вносимые потери так и характер невзаимностей для различныхучастков волокна.
Наибольшеевлияние на характеристики ВОГ могут оказывать изменение радиуса сердцевиныи случайные изгибы волокна приводящие кувеличению дисперсии профилей и уширению импульсов.
Важнымисточником шумов в ВОГ является также фотоприемник. Фоновая засветка, дробовыйшум темнового тока, квантовый шум внутреннего фотоэффекта, избыточный шумвнутреннего усиления, тепловой шум усилителя и модуляционный шум преобразователяоказывают непосредственное влияние на точность ВОГ.
Качественнаяоценка эквивалентной мощности шума фотоприемника для различных значений полосыпропускания системы позволяет сделать вывод о необходимости использованиялавинных фотодиодов обладающих минимальным уровнем шума и позволяющих значительноувеличить отношение сигнал/шумпри низких уровнях сигнала.
Анализ прямыхдинамических эффектов позволил качественно оценить термически индуцированнуюневзаимность фазы Саньяка для различных значений длины контура и сделать выводо необходимости высокой термостабилизации прибора.
Необходимостьполяризационной стабильности обусловлена влиянием магнитного поля на разностьфаз колебаний. (график)
Использованиеволокна с устойчивой поляризацией снизит требования к поляризационнымустройствам и обеспечит высокую точность прибора.
В качестве компенсации погрешностейпредложены два схемотехнических метода и рассмотрены варианты использования некоторыхэлементов ВОГ. Проведена качественная оценка выигрыша в чувствительностиприбора.
Паразитнаяполяризационная модуляция, сопровождающая работу волоконных фазовыхмодуляторов, является серьезным фактором, ограничивающим точностныехарактеристики ВОГ. Одним из путей уменьшения паразитной поляризационноймодуляции может быть изготовление фазового модулятора в виде двух номинальноидентичных половин, между которыми устанавливается модовый конвертор, преобразующийполяризационные моды друг в друга. При этом дифференциальная фазовая модуляция поляризационныхмод, возникшая в первой половине фазового модулятора, компенсируется дифференциальнойфазовой модуляцией противоположного знака, имеющей место во второй половинемодулятора. Поскольку трудно добиться полной идентичности половин фазового модуляторанеобходимо спроектировать фазовый модулятор, таким образом, чтобы послеконверсии поляризационных мод излучение снова проходило в прямом или обратномнаправлении по тому же оптическому пути что и до нее. Этого можно достичьиспользуя фазовый модулятор отражательного типа.
Одним из путейповышения точности ВОГ может быть использование в них суперфлуоресцентныхисточников излучения. Такие источники близки по свойствам к тепловым, нохарактеризуются высоким уровнем избыточного шума. Для подавления избыточного шумаможно использовать балансное детектирование. В качестве опорного сигналаиспользовать излучение источника, задержанное на время прохождения света пооптическому тракту ВОГ.
Дляобеспечения когерентного взаимодействия информативного и опорного сигнала можноиспользовать в качестве ответвителя направленный ответвитель 3x3. Излучение от источника поступаетчерез направленный ответвитель на входы чувствительного контура, а затем нафотодетекторы, выходы которых подключены к дифференциальному усилителю. Каждаяиз встречных волн является и информативной (сигнальной) и одновременно — опорной для другой волны. Навыходе дифференциального усилителя избыточный шум, обусловленный фоновойзасветкой оказывается скомпенсированным.
Основныммеханизмом потерь в волокне является обратное рэлеевское рассеяние. Каждаяпервичная волна, противоположно распространяющаяся в волоконном контуре,возбуждает маломасштабные неоднородности в волокне, которые в свою очередь действуюткак индуцированные дипольные излучатели. Световод захватывает часть рассеянногоизлучения и канализирует его в обратном направлении. Вклады от каждогоэлементарного рассеивателя суммируются векторно со случайной фазой и образуютполное рассеянное поле в каждом направлении. На выходе контура появляется составляющаяфазового сдвига отличная от фазы Саньяка, что приводит к ошибке в измерениискорости.
Способыминимизации ошибки ВОГ, обусловленной обратным рэлеевским рассеянием могут бытьсвязаны с уменьшением взаимной когерентности между первичной и вторичной(рассеянной) волной. Частотная модуляция первичного сигнала, уменьшая когерентностьне вносит дополнительной невзаимности в контур. Изменения частоты лазерногоизлучения также могут быть источником рандомизации фазы. Уменьшениекогерентности можно также реализовать с помощью дополнительной фазовоймодуляции первичной волны.
Уменьшитьошибку можно используя способ усреднения в течении постоянной интегрированиясистемы обработки.
Оптическийнелинейный эффект Керра проявляется в виде возмущения коэффициента преломлениясреды при изменении интенсивности воздействующего на среду электрического поля.Если мощности оптических лучей, распространяющихся в противоположныхнаправлениях неодинаковы, а следовательно неодинаковы и постоянные распространения,то это приводит к фазовой невзаимности контура и в результате к ошибкеизмерения угловой скорости.
Компенсацииэтого эффекта можно достичь прямоугольной модуляцией источника излучения иливыбором источника с соответствующими спектральными характеристиками.