لقد ولت منذ زمن طويل الأيام التي كان فيها قباطنة السفن ينطلقون في رحلات طويلة مسلحين فقط ببوصلة وخريطة. اليوم، لا يمكن تصور سفينة أو طائرة واحدة بدون نظام ملاحي حديث، مما يجعل من الممكن تحديد الموقع الدقيق للسفينة في الفضاء في أي وقت. تستخدم أنظمة الملاحة الحديثة عددًا من أجهزة الاستشعار المختلفة لتحديد موضع الجسم المتحرك: الملاحة عبر الأقمار الصناعية (GPS، GLONASS)، والجيروسكوبات، ومقاييس التسارع، ومقاييس المسافات، وما إلى ذلك. ومع ذلك، يعرف الخبراء أنه لا يمكن إنشاء نظام ملاحة مستقل إلا بالاعتماد على أجهزة استشعار بالقصور الذاتي، مثل الجيروسكوبات ومقاييس التسارع.

أدى التطوير النشط والتحسين المستمر للقاعدة الأولية للألياف والبصريات المتكاملة في العقود الأخيرة إلى ظهور نوع جديد من أجهزة استشعار الإزاحة الزاوي بالقصور الذاتي - جيروسكوبات الألياف الضوئية (FOG). الاختلافات والمزايا الرئيسية للضباب مقارنة بالجيروسكوبات الميكانيكية هي: عدم وجود أجزاء متحركة، ومقاومة التسارع والاهتزاز؛ وقت بدء تشغيل قصير؛ حساسية عالية على مدى واسع من سرعات الدوران؛ عرض النطاق الترددي الواسع الخطية العالية لخاصية النقل ؛ انخفاض استهلاك الطاقة. موثوقية عالية عمر خدمة طويل (عشرات السنين) ؛ أبعاد ووزن صغير. تُستخدم الضباب حاليًا كعنصر حساس رئيسي لأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي وأنظمة التوجيه وتثبيت موضع الأجسام في الفضاء.

يعتمد مبدأ تشغيل الضباب على تأثير سانياك. يوضح الشكل أدناه رسمًا تخطيطيًا لمثل هذا الجهاز. يصل الإشعاع البصري من المصدر، الذي يمر عبر قارنة التوصيل X، إلى مدخلات الدائرة الضوئية المتكاملة، وينقسم إلى شعاعين ينتشران على طول دائرة الألياف الضوئية في اتجاهين متعاكسين. إذا كانت الدائرة في حالة سكون، فلا يوجد فرق طور بين الحزم (Δφ s = 0). عندما يدور الكفاف بالنسبة للنظام المرجعي بالقصور الذاتي، ينشأ فرق طور Δφ s، يتناسب مع سرعة دوران الضباب. يؤدي التغير في فرق الطور إلى تغير في قوة الإشعاع المكتشفة عند الكاشف الضوئي.

منذ عام 2005 في مركز أبحاث الضوئيات الدليلية الضوئية (SRC Light Guide Photonics)، بالتعاون مع معهد الأبحاث المركزي "Electropribor"، يجري العمل بهدف إنشاء جيروسكوب من الألياف الضوئية من فئة دقة الملاحة. وكجزء من هذا العمل، قام الموظفون وطلاب القسم في 2007-2008 قاموا بتطوير وتنفيذ نماذج أولية من FOG، بما في ذلك الدائرة الضوئية ونظام التعديل والإلكترونيات والبرمجيات لحل كل من المشاكل المذكورة، تم إجراء قدر كبير من العمل البحثي وعشرات المقالات تمت كتابتها وتم الحصول على العديد من براءات الاختراع. ومن الجدير بالذكر أن العديد من براءات الاختراع مخصصة لمسألة بناء الكتب والدراسات.

في 2013-2016 بدعم مالي من وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي (المشروع رقم 02.G25.31.0044)، تم تنفيذ العمل بهدف التحضير للإنتاج المتسلسل لـ FOG بفئة دقة تبلغ 0.01 و0.001 س/ساعة، حيث تم اختيار جامعة ITMO، ممثلة بمركز أبحاث الضوئيات الدليلية الضوئية، لتكون المنفذ الرئيسي للأعمال العلمية.

تتطلب مجالات تطبيق FOG المتوسعة تحديثًا وتحسينًا مستمرًا للجهاز (تقليل خصائص الوزن والحجم، وتوسيع النطاق الديناميكي، ودرجات حرارة التشغيل، والحد الأقصى لأحمال الصدمات المسموح بها، وما إلى ذلك) وبالتالي فإن العمل في مشروع FOG مستمر باستمرار.

تم تصميم الجيروسكوب لقياس سرعة الدوران أو زاوية دوران الأجسام، مثل الروبوتات والسيارات الكهربائية والسيارات والسفن والطائرات والصواريخ وما إلى ذلك. يحتوي الجيروسكوب على باعث فائق الإضاءة مع نهاية ألياف الإخراج، ومزيل استقطاب الألياف من نوع Lyot ومقسم شعاع الألياف ودائرة ألياف متباينة الخواص متصلة على التوالي. يتكون مزيل الاستقطاب من قطعتين من الألياف متباينة الخواص. يتكون مقسم الشعاع من ألياف متباينة الخواص ومتصل بصريًا بكاشف ضوئي يتم أخذ إشارة الخرج منه. يتم استخدام نهاية الألياف للباعث كقسم أول من مزيل الاستقطاب، ويتم استخدام نهاية دخل مقسم الشعاع كقسم ثانٍ له. يتم توصيل نهايات خرج مقسم الحزمة بنهايات دائرة الألياف بطريقة تتطابق محاور تباينها. الجيروسكوب عبارة عن تصميم مدمج من فئة الدقة المتوسطة، وهو بسيط ومتقدم تقنيًا في التصنيع. 2 الراتب و-لي، 1 مريض.

وهي مقسمة إلى جيروسكوبات الألياف الضوئية والليزر. ويستند مبدأ التشغيل على تأثير سانياك: ظهور تحول طوري للموجات الكهرومغناطيسية (الخفيفة) ذات الانتشار المضاد في مقياس تداخل حلقي دوار. ويتناسب التأثير طرديًا مع السرعة الزاوية لدوران مقياس التداخل، والمساحة التي يغطيها انتشار الموجات الضوئية في مقياس التداخل، وتردد الإشعاع.

مبدأ التشغيليتم شرح الجيروسكوبات الضوئية نظريًا باستخدام النظرية النسبية الخاصة. وفقًا لـ SRT، تكون سرعة الضوء ثابتة في أي إطار مرجعي بالقصور الذاتي، بينما في الإطار غير بالقصور الذاتي يمكن أن تختلف عن قيمة ثابتة معينة. عند إرسال شعاع ضوئي في اتجاه دوران الجهاز وعكس اتجاه الدوران فإن اختلاف زمن وصول الأشعة الذي يحدده مقياس التداخل يجعل من الممكن معرفة الفرق في المسارات الضوئية للأشعة في النظام المرجعي بالقصور الذاتي، وبالتالي مقدار الدوران الزاوي للجهاز أثناء مرور الحزمة.

جيروسكوب الليزر

جيروسكوب الليزر- جهاز بصري لقياس السرعة الزاوية، يعتمد مبدأ تشغيله على تأثير سانياك.

يجد طلبفي أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (تحديد الإحداثيات ومعلمات الحركة للأشياء المختلفة والتحكم في حركتها، بناءً على خصائص القصور الذاتي للأجسام وكونها مستقلة، أي لا تتطلب وجود معالم خارجية أو إشارات قادمة من الخارج).

الجهاز ومبدأ التشغيل.

جيروسكوب الليزر عادة ما يكون عبارة عن مرنان حلقي به ثلاث أو أربع مرايا تقع في زوايا تجويف على شكل مثلث أو مربع. يتم توليد شعاعي ليزر من خلال التفريغ بين الأنودات والكاثود ويتم تضخيمهما في تجاويف الجيروسكوب، ويدوران بشكل مستمر عبر الرنان في اتجاهين متعاكسين. يتشكل نمط تداخل من الخطوط الفاتحة والداكنة في المستشعر. لا يتغير موضع الأطراف إذا لم يدور الجيروسكوب (في مستوى كفاف الحلقة) بالنسبة للنظام المرجعي بالقصور الذاتي، وعندما يتم تدوير الرنان (جسم الجيروسكوب)، تقوم أجهزة الكشف الضوئية بقياس زاوية الدوران عن طريق العد هامش التداخل الذي يجري على طولهم.

وبالتالي، يتم إنشاء موجة واقفة والحفاظ عليها في جيروسكوب الليزر، وترتبط عقدها وعقدها المضادة بشكل مثالي بإطار مرجعي بالقصور الذاتي. تتأثر دقة هذه الجيروسكوبات سلبًا بالتشتت الخلفي، أي. تشتت شعاع الليزر على أسطح المرآة وجزيئات الغاز.

الشكل 5. دائرة جيروسكوب الليزر

جيروسكوب الألياف الضوئية

جيروسكوب الألياف الضوئيةهو جهاز إلكتروني بصري يقيس السرعة الزاوية، ويعتمد مبدأ تشغيله على تأثير سانياك.

خصائص الجهاز:

دقة عالية؛

أبعاد صغيرة ووزن الهيكل.

مجموعة كبيرة من السرعات الزاوية المقاسة؛

مناعة عالية للضوضاء بسبب الطبيعة العازلة للألياف؛

موثوقية عالية بسبب عدم وجود العناصر الميكانيكية.

الجهاز ومبدأ التشغيل.تنتقل أشعة الليزر على طول مسار مغلق باستخدام دليل موجي بصري (دليل ضوئي). يتم استخدام ألياف بصرية أحادية الوضع لتوجيه شعاع الليزر على طول مسار مغلق، ويتم توفير إشعاع الليزر من مصدر خارجي. لزيادة حساسية الجيروسكوب وزيادة طول المسار البصري، يتم استخدام الألياف الطويلة الطول (حتى 1000 متر) الموضوعة بالتناوب.

يتم تحديد دوران الجيروسكوب بواسطة كاشف ضوئي يسجل نمط التداخل للبقع الناتجة عن الأشعة.

تتأثر دقة جيروسكوبات الألياف الضوئية، مثل دقة جيروسكوبات الليزر، سلبًا بالتشتت الخلفي.

الشكل 6. دائرة جيروسكوب الألياف الضوئية

مبدأ التشغيل

تُستخدم مُعدِّلات التردد والطور على نطاق واسع في الجيروسكوبات الضوئية.

النوع الأول من المعدِّلات يحول طور سانياك إلى تغيرات متغيرة في فرق التردد للأشعة التي تسير بشكل معاكس؛ عند التعويض عن مرحلة سانياك، يتناسب تردد الفرق مع السرعة الزاوية للدوران Ω. تتمثل ميزة أدوات تعديل التردد عند استخدامها في الضباب في عرض إشارة الخرج في شكل رقمي.

النوع الثاني من المغير يترجم مرحلة سانياك إلى تغيير في سعة الإشارة المتناوبة، مما يزيل ضوضاء التردد المنخفض ويسهل قياس معلمة المعلومات.

تعتمد معدّلات التردد على التأثير الصوتي البصري، والذي يتكون من حقيقة أنه عندما تمر الاهتزازات فوق الصوتية عبر وسط ما، تظهر فيه مناطق ذات ضغط ميكانيكي (مناطق الضغط والخلخلة)، مما يؤدي إلى تغيير في معامل الانكسار المتوسط. التغيرات في معامل انكسار الوسط الناتج عن الموجات فوق الصوتية تشكل مراكز حيود للضوء الساقط. يتم تحديد تحول تردد الضوء من خلال تردد الاهتزازات فوق الصوتية.

خصائص الجهاز

تم تسهيل ظهور جهاز مثل جيروسكوب الألياف الضوئية من خلال تطوير الألياف الضوئية، أي تطوير دليل ضوء عازل أحادي الوضع ذو خصائص خاصة (الاستقطاب المستقر لحزم الانتشار المضاد، الخطية البصرية العالية، التوهين المنخفض إلى حد ما) . هذه الأدلة الضوئية هي التي تحدد الخصائص الفريدة للجهاز:

• دقة عالية محتملة؛
• أبعاد صغيرة ووزن الهيكل.
• مجموعة كبيرة من السرعات الزاوية المقاسة؛
• موثوقية عالية بسبب عدم وجود أجزاء دوارة من الجهاز.

تتمتع الجيروسكوبات الليزرية بعدد من المزايا مقارنة بالجيروسكوبات الكهروميكانيكية. تفتح هذه المزايا آفاقًا واسعة للاستخدام العملي للجيروسكوبات المعتمدة على الليزر. وبالتالي، بالنسبة لمصممي أنظمة التحكم، من المهم جدًا دائمًا كيفية وبأي شكل يتم أخذ بيانات الإخراج من الجيروسكوبات.

يتيح جيروسكوب الليزر الحصول على إشارات مريحة للغاية عند مخرجاته، على سبيل المثال، في شكل سلسلة من النبضات الكهربائية، والتي يتم تحديد قطبيتها من خلال اتجاه دوران الجيروسكوب. ويتناسب عدد النبضات المفردة مع الزيادات الصغيرة الثابتة لزاوية الدوران (على سبيل المثال، ثانية قوسية واحدة). تم العثور على الزاوية الكاملة لدوران الجيروسكوب من خلال العدد الإجمالي للنبضات. والأهم من ذلك بالنسبة للمصممين هو دقة الجهاز. دقة جيروسكوبات الليزر عالية للغاية. نظرًا لأنه، وفقًا للغرض منها، يجب عليهم تسجيل سرعة دوران أقل من 0.1 درجة / ساعة، وهذا يؤدي إلى الحاجة إلى قياس الفرق في المسارات البصرية بدقة 10 -5 نانومتر وتغيرات التردد بحوالي 0.1 هرتز (عند تردد التشغيل 10 14 -10 15 هرتز).

إن أبسط تصميم لمثل هذا الجهاز هو جهاز تقليدي به ثلاث مرايا عاكسة موضوعة في زوايا الدائرة بحيث يتم تشكيل مسار مغلق (حلقة) لشعاع الضوء. يتم إنشاء شعاع الليزر (انظر الشكل) بواسطة مولدين كميين (QOs)، أحدهما يرسل الإشعاع في اتجاه عقارب الساعة والآخر عكس اتجاه عقارب الساعة. تم ذكر اثنين من OKHs لتبسيط المناقشة. ومن الناحية العملية، يمكن تركيب مولد كمي بصري واحد في جيروسكوب الليزر، الذي يحتوي على عنصرين نشطين أو أكثر يشكلان أشعة تتحرك في اتجاهين متعاكسين.

ينعكس إشعاع الضوء من خلال المرايا، ويمر من مرآة إلى أخرى، وأخيرا من خلال مرآة ومنشور شفافين. للحفاظ على موجات الضوء في النظام عند المستوى اللازم للتشغيل العادي، من الضروري أن يكون كسب أشعة الضوء على طول المسار بأكمله 1 على الأقل. ومن الضروري أيضًا ملء طول مسار أشعة الليزر بـ عدد صحيح من الأطوال الموجية الناتجة عن الليزر، ر ه. يجب أن يكون تحول الطور لتذبذبات الضوء في تجويف المرنان مساوياً للصفر. لتحقيق الشرط الأخير، يجب أن يكون تردد تذبذب الليزر بحيث يوفر الوسط الثابت كسبًا كافيًا للتعويض عن الخسائر في العناصر العاكسة وغيرها من عناصر الدائرة الضوئية بالليزر. يتم ضبط هذا التردد تلقائيًا أثناء تشغيل الليزر.

عندما يتم تدوير مرنان الحلقة في الفضاء بالقصور الذاتي، فإن المسارات البصرية التي تعبرها الأشعة التي تتحرك في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة تكون مختلفة. يؤدي الاختلاف بين المسارات الضوئية في هذه الحالة إلى ظهور اختلاف في ترددات التذبذبات المتولدة (تأثير سانياك)، وهو ما يحدد سرعة دوران الرنان.