Эффект Саньяка

Лекция 24

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ

В основе работы волоконно-оптических гироскопов лежит эффект Санъяка. Различают схемы трех оптических гироскопов: кольцевого лазерного, волоконно-оптического и гироскопа пассивного типа с кольцевым резонатором.

Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инерциальной навигационной системы, обрабатывающей информацию о местонахождении самолета или судна сцелью выведения его на курс. В состав этой системы обычно входит три гироскопа для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей, три акселерометра для определения скорости и расстояния в направлении трех осей и компьютер для обработки выходных сигналов этих приборов. К самолетным гироскопам предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля 0,01 ⁰/час, динамический диапазон 6 порядков, высокая стабильность (10^-5) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал. Оптические гироскопы, например волоконно-оптические, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа. Они обладают рядом достоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к ускорению; простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность.

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 24.1, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако когда оптическая система вращается с угловой скоростью Ω, между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.

Пусть коэффициент преломления на оптическом пути п =1. При радиусе оптического пути а время достижения расщепителя светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как

, (24.1)

в противоположном направлении

, (24.2)

где с - скорость света.

Из формул (24.1) и (24.2) разность времени распространения двух световых волн с учетом с >> аΩ

. (24.3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей:

,

или, иначе говоря, разность фаз

. (24.4)

Здесь S - площадь, окаймленная оптическим путем; k - волновое число.

Формула (24.4) вытекает из формулы (24.3) при допущении, что п =1 и оптический путь имеет круговую форму.

Для произвольной формы оптического пути (рис. 24.2) и произвольного коэффициента преломления разность во времени распространения по оптическому пути, обусловленная эффектом Саньяка, выражается следующей формулой:

,

где v - вектор скорости вращения; dr - вектор элементарного перемещения по оптическому пути; а_d - так называемый коэффициент увлечения.

24.2. Структуры оптических гироскопов

Эффект Саньяка был открыт в 1913 г., но на практике степень проявления его оказалась весьма низкой и необходим был ряд идей для реализации эффекта в гироскопе. Например, когда в 1925 г. Майкельсон и Гале измеряли скорость вращения Земли (15°/час) на основе этого эффекта, повысить точность измерений удалось за счет изменения интенсивности интерференционного света. Для этого была увеличена оптическая петля (до размеров 613x339 м), что соответствует увеличению S в формуле (24.4).

На рис. 24.3 приведены общие схемы систем, разработанных для решения этой проблемы. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 24.3, а) отличается высокой частотой световой волны - до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на рис. 24.3, б имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 24.3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.

Дата добавления: 2014-01-15