Dávno pryč jsou doby, kdy kapitáni lodí vyráželi na dlouhé plavby vyzbrojeni pouze kompasem a mapou. Bez moderního navigačního systému, který umožňuje kdykoliv přesně určit polohu lodi v prostoru, si dnes není myslitelná ani jedna loď či letadlo. Moderní navigační systémy využívají k určení polohy pohybujícího se objektu řadu různých senzorů: satelitní navigace (GPS, GLONASS), gyroskopy, akcelerometry, počítadla kilometrů atd. Odborníci však vědí, že nezávislý navigační systém lze vytvořit pouze na základě inerciálních senzorů, jako jsou gyroskopy a akcelerometry.

Aktivní vývoj a neustálé zdokonalování elementární základny vláknové a integrované optiky v posledních desetiletích vedly ke vzniku nového typu inerciálních senzorů úhlového posuvu – gyroskopů s optickými vlákny (FOG). Hlavní rozdíly a výhody FOG oproti mechanickým gyroskopům jsou: absence pohyblivých částí, odolnost proti zrychlení a vibracím; krátká doba spuštění; vysoká citlivost v širokém rozsahu rychlostí otáčení; široká šířka pásma; vysoká linearita přenosové charakteristiky; malá spotřeba energie; vysoká spolehlivost; dlouhá životnost (desítky let); malé rozměry a hmotnost. V současné době se FOG používají jako hlavní citlivý prvek inerciálních navigačních systémů, orientačních systémů a stabilizace polohy objektů v prostoru.

Princip fungování FOG je založen na Sagnacově efektu. Níže uvedený obrázek ukazuje schematický diagram takového zařízení. Optické záření ze zdroje, procházející X-členem, se dostane na vstup integrovaného optického obvodu, je rozděleno do dvou paprsků, které se šíří po optickém obvodu v opačných směrech. Pokud je obvod v klidu, není mezi paprsky žádný fázový rozdíl (Δφ s = 0). Když se obrys otáčí vzhledem k inerciálnímu referenčnímu systému, vzniká fázový rozdíl Δφs, úměrný rychlosti otáčení FOG. Změna fázového rozdílu vede ke změně výkonu záření detekovaného na fotodetektoru.

Od roku 2005 Ve Výzkumném centru světlovodné fotoniky (SRC Light Guide Photonics) společně s Ústředním výzkumným ústavem „Koncern „Electropribor“ probíhají práce zaměřené na vytvoření vláknového optického gyroskopu třídy přesnosti navigace.V rámci této práce zaměstnanci a studenti katedry v letech 2007-2008 vyvinuli a realizovali prototypy FOG včetně optického obvodu, modulačního systému, elektroniky a softwaru Pro vyřešení každého z uvedených problémů bylo provedeno obrovské množství výzkumných prací, desítky článků byly napsány a bylo získáno několik patentů. Za zmínku stojí, že problematice budování FOG se věnuje několik patentů.

V letech 2013-2016 za finanční podpory Ministerstva školství a vědy Ruské federace (projekt č. 02.G25.31.0044) byly provedeny práce zaměřené na přípravu sériové výroby FOG s třídou přesnosti 0,01 a 0,001 o/h, ve kterém byla jako hlavní spolurealizátor vědeckých prací vybrána Univerzita ITMO, zastoupená Výzkumným centrem fotoniky světlovodů.

Rozšiřující se oblasti použití FOG vyžadují neustálou modernizaci a zdokonalování zařízení (snížení hmotnostních a rozměrových charakteristik, rozšíření dynamického rozsahu, provozních teplot, přípustné maximální rázové zatížení atd.), proto práce na projektu FOG neustále pokračují.

Gyroskop je určen k měření rychlosti rotace nebo úhlu rotace objektů, jako jsou roboti, elektromobily, auta, lodě, letadla, rakety atd. Gyroskop obsahuje superluminiscenční zářič s výstupní koncovkou vlákna, depolarizátor vlákna typu Lyot , rozbočovač svazku vláken a anizotropní obvod vlákna zapojené do série . Depolarizátor se skládá ze dvou kusů anizotropního vlákna. Dělič paprsku je vyroben z anizotropního vlákna a je opticky spojen s fotodetektorem, ze kterého je odebírán výstupní signál. Konec vlákna emitoru je použit jako první sekce depolarizátoru a vstupní konec rozdělovače paprsku je použit jako jeho druhá sekce. Výstupní konce rozdělovače paprsků jsou připojeny ke koncům vláknového obvodu tak, že jejich anizotropní osy se shodují. Gyroskop je kompaktní konstrukce střední třídy přesnosti, jednoduchý a technologicky vyspělý na výrobu. 2 plat f-ly, 1 nemocný.

Dělí se na vláknové optické a laserové gyroskopy. Princip fungování je založen na Sagnacův efekt: výskyt fázového posunu proti se šířících elektromagnetických (světelných) vln v rotujícím prstencovém interferometru. Účinek je přímo úměrný úhlové rychlosti otáčení interferometru, ploše pokryté šířením světelných vln v interferometru a frekvenci záření.

Princip fungování optické gyroskopy jsou teoreticky vysvětleny pomocí speciální teorie relativity. Podle STR je rychlost světla konstantní v jakékoli inerciální vztažné soustavě, zatímco v neinerciální soustavě se může lišit od dané konstantní hodnoty. Při vyslání paprsku světla ve směru otáčení zařízení a proti směru otáčení umožňuje rozdíl v době příchodu paprsků, určený interferometrem, najít rozdíl v optických drahách paprsků. v inerciálním referenčním systému a v důsledku toho velikost úhlové rotace zařízení během průchodu paprsku.

Laserový gyroskop

Laserový gyroskop- optické zařízení pro měření úhlové rychlosti, jehož princip činnosti je založen na Sagnacově jevu.

Nálezy aplikace v inerciálních navigačních systémech (určování souřadnic a parametrů pohybu různých objektů a řízení jejich pohybu, založené na vlastnostech setrvačnosti těles a jsou autonomní, tj. nevyžadující přítomnost vnějších orientačních bodů nebo signálů přicházejících zvenčí).

Zařízení a princip činnosti.

Laserový gyroskop je obvykle prstencový rezonátor se třemi nebo čtyřmi zrcadly umístěnými v rozích dutiny ve tvaru trojúhelníku nebo čtverce. Dva laserové paprsky, generované výbojem mezi anodami a katodou a zesílené v dutinách gyroskopu, nepřetržitě cirkulují přes rezonátor v opačných směrech. V senzoru se vytváří interferenční obrazec světlých a tmavých pruhů. Poloha proužků se nemění, pokud se gyroskop neotáčí (v rovině obrysu prstence) vzhledem k inerciálnímu referenčnímu systému a při otáčení rezonátoru (těla gyroskopu) fotodetektory měří úhel natočení počítáním. rušivé proužky podél nich.

V laserovém gyroskopu se tak vytváří a udržuje stojatá vlna a její uzly a antinody jsou ideálně spojeny s inerciální vztažnou soustavou. Přesnost takových gyroskopů je negativně ovlivněna zpětným rozptylem, tzn. rozptyl laserového paprsku na zrcadlových plochách a molekulách plynu.

Obr.5. Obvod laserového gyroskopu

Gyroskop z optických vláken

Gyroskop z optických vláken je opticko-elektronické zařízení měřící úhlovou rychlost, jehož princip činnosti je založen na Sagnacově jevu.

Vlastnosti zařízení:

vysoká přesnost;

malé rozměry a hmotnost konstrukce;

velký rozsah měřených úhlových rychlostí;

vysoká odolnost proti šumu díky dielektrické povaze vlákna;

vysoká spolehlivost díky absenci mechanických prvků.

Zařízení a princip činnosti. Laserové paprsky se pohybují po uzavřené dráze pomocí optického vlnovodu (světlovodu). Pro směrování laserového paprsku po uzavřené dráze se používá jednovidové optické vlákno a laserové záření je přiváděno z externího zdroje. Pro zvýšení citlivosti gyroskopu a zvětšení délky optické dráhy se používá střídavě kladené vlákno dlouhé délky (až 1000 m).

Rotaci gyroskopu určuje fotodetektor, který zaznamenává interferenční obrazec skvrn vytvořených paprsky.

Přesnost gyroskopů s optickými vlákny, stejně jako přesnost laserových gyroskopů, je negativně ovlivněna zpětným rozptylem.

Obr.6. Optický obvod gyroskopu

Princip činnosti

Frekvenční a fázové modulátory jsou široce používány v optických gyroskopech.

První typ modulátorů převádí Sagnacovu fázi na proměnné změny ve frekvenčním rozdílu opačně se pohybujících paprsků; při kompenzaci Sagnacovy fáze je rozdílová frekvence úměrná úhlové rychlosti otáčení Ω. Výhodou frekvenčních modulátorů při použití v FOG je prezentace výstupního signálu v digitální podobě.

Druhý typ modulátoru převádí Sagnacovu fázi na změnu amplitudy střídavého signálu, což eliminuje nízkofrekvenční šum a usnadňuje měření informačního parametru.

Frekvenční modulátory jsou založeny na akusticko-optickém efektu, který spočívá v tom, že při průchodu ultrazvukových vibrací prostředím se v něm objevují oblasti s mechanickým namáháním (oblasti komprese a ředění), což vede ke změně indexu lomu médium. Změny indexu lomu prostředí způsobené ultrazvukovou vlnou tvoří difrakční centra pro dopadající světlo. Frekvenční posun světla je určen frekvencí ultrazvukových vibrací.

Vlastnosti zařízení

Vznik takového zařízení, jako je gyroskop s optickými vlákny, byl usnadněn rozvojem vláknové optiky, konkrétně vývojem jednovidového dielektrického světlovodu se speciálními vlastnostmi (stabilní polarizace protisměrných paprsků, vysoká optická linearita, poměrně nízký útlum) . Právě tyto světlovody určují jedinečné vlastnosti zařízení:

• potenciálně vysoká přesnost;
• malé rozměry a hmotnost konstrukce;
• velký rozsah měřených úhlových rychlostí;
• vysoká spolehlivost díky absenci rotujících částí zařízení.

Laserové gyroskopy mají oproti elektromechanickým řadu výhod. Tyto výhody otevírají široké vyhlídky pro praktické využití laserových gyroskopů. Pro konstruktéry řídicích systémů je tedy vždy velmi důležité, jakým způsobem a v jaké podobě jsou výstupní data z gyroskopů sbírána.

Laserový gyroskop umožňuje na svém výstupu získat velmi pohodlné signály, např. ve formě sledu elektrických impulsů, jejichž polarita je dána směrem otáčení gyroskopu. Počet jednotlivých pulzů je úměrný malým pevným přírůstkům úhlu natočení (například jedna oblouková sekunda). Úplný úhel natočení gyroskopu se zjistí celkovým počtem pulzů. Ještě důležitější je pro konstruktéry přesnost zařízení. Přesnost laserových gyroskopů je extrémně vysoká. Vzhledem k tomu, že podle svého účelu musí registrovat rychlost otáčení menší než 0,1 stupně/h, vede to k nutnosti měřit rozdíl v optických trajektoriích s přesností 10 -5 nm a změnami frekvence asi 0,1 Hz (při pracovní frekvence 10 14 -10 15 Hz).

Nejjednodušším provedením takového zařízení je konvenční zařízení se třemi reflexními zrcadly umístěnými v rozích obvodu tak, aby se pro světelný paprsek vytvořila uzavřená trajektorie (prstenec). Laserový paprsek (viz obrázek) je vytvářen dvěma kvantovými generátory (QO), z nichž jeden vysílá záření ve směru hodinových ručiček a druhý proti směru hodinových ručiček. Pro zjednodušení diskuse je uvedena zmínka o dvou OKH. V praxi lze jeden optický kvantový generátor nainstalovat do laserového gyroskopu, který má dva nebo více aktivních prvků tvořících paprsky pohybující se v opačných směrech.

Odrazem od zrcadel, přechodem od zrcadla k zrcadlu a nakonec průsvitným zrcadlem a hranolem světelné záření slábne. Pro udržení světelných vln v systému na úrovni nutné pro normální provoz je nutné, aby zisk světelných paprsků podél celé dráhy byl alespoň 1. Je také nutné, aby délka dráhy laserových paprsků byla vyplněna celočíselný počet vlnových délek generovaných lasery, tj. fázový posun světelných oscilací v dutině rezonátoru by měl být roven nule. Aby byla splněna poslední podmínka, frekvence oscilace laseru musí být taková, aby statické médium poskytovalo zisk dostatečný pro kompenzaci ztrát v reflexních a jiných prvcích laserového optického obvodu. Tato frekvence se nastavuje automaticky během provozu laseru.

Když se prstencový rezonátor otáčí v inerciálním prostoru, optické dráhy, kterými procházejí paprsky pohybující se ve směru a proti směru hodinových ručiček, se ukáží jako odlišné. Rozdíl mezi optickými dráhami vede v tomto případě ke vzniku rozdílu ve frekvencích generovaných kmitů (Sagnacův efekt), který určuje rychlost otáčení rezonátoru.