Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа

Содержание.

Введение......................................................................................

    1. Принципы волоконно-оптической гироскопии...................

1.1. Основные характеристики ВОГ..................................

1.2. Принцип взаимности и регистрация фазы в ВОГ.....

1.3. Модель шумов и нестабильностей в ВОГ.................

2. Влияние элементов ВОГ на точностные характеристики                   системы.................................................................................

2.1. Характеристики источников излучения......................

2.2. Шумовые характеристики волоконно-оптического контура.............................................................................

2.3. Шумовые характеристики фотодетекторов...............

2.4. Анализ прямых динамических эффектов (температурных градиентов и механических напряжений)..............................................................................

2.5. Влияние внешнего магнитного поля на точностные характеристики ВОГ........................................................

3. Методы компенсации погрешностей.................................

3.1. Компенсация паразитной модуляции в волоконно-оптическом гироскопе.....................................................

3.2. Компенсация избыточного шума в волоконно-оптическом гироскопе с ответвителем типа 3x3..........

3.3. Компенсация обратного рэлеевского рассеяния......

3.4. Компенсация влияния эффекта Керра на точность ВОГ...................................................................................

4. Расчет сметной калькуляции НИР.....................................

4.1. Исходные положения..................................................

4.2. Определение трудоемкости и календарных сроков работы.............................................................................

4.3. Расчет расходов по статьям затрат и составление сметной калькуляции......................................................

4.4. Выводы по расчету......................................................

5. Безопасность жизнедеятельности и охрана труда.........

5.1. Организация рабочих мест.........................................

5.2. Температура, влажность, давление..........................

5.3. Требования к освещению...........................................

5.4. Требования к уровням шума и вибрации...................

5.5. Требования к защите от статического электричества и излучений.............................................................

5.6. Требования к видеотерминальному устройству.......

5.7. Электробезопасность..................................................

5.8. Пожарная безопасность..............................................

5.9. Предполагаемые методы защиты.............................

6. Экология и охрана окружающей среды.............................

Заключение..................................................................................

Введение

Волоконный оптический гироскоп (ВОГ) - оптико-электронный прибор, создание которого стало возможным лишь с развитием и совершенствованием элементной базы квантовой электроники. Прибор измеряет угловую скорость и углы поворота объекта, на котором он установлен. Принцип действия ВОГ основан на вихревом (вращательном) эффекте Саньяка.

Интерес зарубежных и отечественных фирм к оптическому гироскопу базируется на его потенциальных возможностях применения в качестве чувствительного элемента вращения в инерциальных системах навигации, управления и стабилизации. Этот прибор в ряде случаев может полностью заменить сложные и дорогостоящие электромеханические (роторные) гироскопы и трехосные гиростабилизированные платформы. По данным зарубежной печати в будущем в США  около 50% всех гироскопов, используемых в системах навигации, управления и стабилизации объектов различного назначения, предполагается заменить волоконными оптическими гироскопами.

Возможность создания реального высокочувствительного ВОГ появилась лишь с промышленной разработкой одномодового диэлектрического световода с малым затуханием. Именно конструирование ВОГ на таких световодах определяет уникальные свойства прибора. К этим свойствам относят:

n    потенциально высокую  чувствительность (точность) прибора, которая уже сейчас на экспериментальных макетах 0,1 град/ч и менее;

n    малые габариты и массу .конструкции, благодаря возможности создания ВОГ полностью на интегральных оптических схемах;

n    невысокую стоимость производства и конструирования при массовом изготовлении и относительную простоту технологии;

n    ничтожное потребление энергии, что имеет немаловажное значение при использовании ВОГ на борту;

n    большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей (в частности, например, одним прибором можно измерять скорость поворота от 1 град/ч до 300 град/с);

n    отсутствие вращающихся механических элементов (роторов) и подшипников, что повышает надежность и уде­шевляет их производство;

n    практически мгновенную готовность к работе, посколь­ку не затрачивается время на раскрутку ротора;

n    нечувствительность к большим линейным ускорениям и следовательно, работоспособность в условиях высоких механических перегрузок;

n    высокую помехоустойчивость, низкую чувствительность к мощным внешним электромагнитным воздействиям благодаря диэлектрической природе волокна;

n    слабую подверженность проникающей гамма-нейтронной радиации, особенно в диапазоне 1,3 мкм.

Волоконный оптический гироскоп может быть применен в качестве жестко закрепленного на корпусе носителя чувствительного элемента (датчика) вращения в инерциальных системах управления и стабилизации. Механические гироскопы имеют так называемые гиромеханические ошибки, которые особенно сильно проявляются при маневрировании носителя (самолета, ракеты, космического аппарата). Эти ошибки еще более значительны если инерциальная система управления конструируется с жестко закрепленными или «подвешенными» датчиками непосредственно к телу носителя. Перспектива использования дешевого оптического датчика вращения, который способен работать без гиромеханических ошибок в инерциальной системе управления, есть еще одна причина особого интереса к оптическому гироскопу.

Появление идеи и первых конструкций волоконного оптического гироскопа тесно связан с разработкой кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ). В КЛГ чувствительным контуром является кольцевой самовозбуждающийся резонатор с активной газовой средой и отражающими зеркалами, в то время как в ВОГ пассивный многовитковый диэлектрический световодный контур возбуждается «внешним» источником светового излучения. Эти особенности определяют по крайней мере пять преимуществ ВОГ по сравнению с КЛГ:

1.  В ВОГ отсутствует синхронизация противоположно бегущих типов колебаний вблизи нулевого значения угловой скорости вращения, что позволяет измерять очень малые угловые скорости, без необходимости конструировать сложные в настройке устройства смещения нулевой точки;

2. Эффект Саньяка, на котором основан принцип работы прибора, проявляется на несколько порядков сильнее из-за малых потерь в оптическом волокне и большой длины волокна.

3. Конструкция ВОГ целиком выполняется в виде твердого тела (в перспективе полностью на интегральных оптических схемах), что облегчает эксплуатацию и повышает надежность по сравнению с КЛГ.

4. ВОГ измеряет скорость вращения, в то время как КЛГ фиксирует приращение скорости.

5. Конфигурация ВОГ позволяет «чувствовать» реверс направления вращения.

Эти свойства ВОГ, позволяющие создать простые высокоточные конструкции полностью на дешевых твердых интегральных оптических схемах при массовом производстве привлекают пристальное внимание разработчиков систем управления. По мнению ряда зарубежных фирм, благодаря уникальным техническим возможностям ВОГ будут интенсивно развиваться.

Зарубежные авторы констатируют, что разработка конструкции ВОГ и доведение его до серийных образцов не простая задача. При разработке ВОГ ученые и инженеры сталкиваются с рядом трудностей. Первая связана с технологией производства элементов ВОГ. В настоящее время еще мало хорошего одномодового волокна, сохраняющего направление поляризации; производство светоделителей, поляризаторов, фазовых и частотных модуляторов, пространственных фильтров, интегральных оптических схем находится на начальной стадии развития. Число разработанных специально для ВОГ излучателей и фотодетекторов ограничено.

Вторую трудность связывают с тем, что при кажущейся простоте прибора и высокой чувствительности его к угловой скорости вращения он в то же время чрезвычайно чувствителен к очень малым внешним и внутренним возмущениям и нестабильностям, что приводит к паразитный дрейфам, т. е. к ухудшению точности прибора. К упомянутым возмущениям относятся температурные градиенты, акустические шумы и вибрации, флуктуации электрических и магнитных полей, оптические нелинейные эффекты флуктуации интенсивности и поляризации излучения, дробовые шумы в фотодетекторе, тепловые шумы в электронных цепях и др.

Фирмами и разработчиками ВОГ обе эти задачи решаются. Совершенствуется технология производства элементов в ВОГ, теоретически и экспериментально исследуются физическая природа возмущений и нестабильностей, создаются и испытываются различные схемные варианты ВОГ с компенсацией этих возмущений, разрабатываются фундаментальные вопросы использования интегральной оптики. Точность ВОГ уже сейчас близка к требуемой в инерциальных системах управления.

В специальной научной и периодической литературе проблеме ВОГ уже опубликовано множество научных статей. Анализ этих статей свидетельствует о необходимости дальнейшего изучения этой проблемы и разработки новых способов улучшения качественных характеристик ВОГ.

Систематизация и обобщение узловых вопросов теории и практики создания ВОГ также является важным этапом.

Задачей дипломной работы является анализ работы ВОГ, обобщенной  модели шумов и нестабильностей  и оценка предельной (потенциальной) чувствительности прибора. На основе свойства взаимности необходимо рассмотреть минимальную конфигурацию ВОГ. Затем оценить современное состояние элементной базы. При этом значительное внимание уделить свойствам волоконных световодов и провести анализ возможных неоднородностей и потерь для различных типов волокон. Рассмотреть основные элементы ВОГ: волоконный контур, излучатели и фотодетекторы, а также предложить способы компенсации шумов и нестабильностей ВОГ (таких, как обратное рэлеевское рассеяние, оптический нелинейный эффект, температурные градиенты, магнитное поле и др.).

Основной задачей дипломной работы является рассмотрение ключевых аспектов теории ВОГ на основе анализа погрешностей его элементов и качественной оценки точностных характеристик устройства с учетом использования различных подходов к решению проблемы повышения его чувствительности.

Необходимо также рассмотреть различные схемотехнические методы снижения уровня шумов и нестабильностей ВОГ.

Отдельно отразить технико-экономические аспекты работы, вопросы безопасности жизнедеятельности при проведении исследований, а также проблемы экологической безопасности при использовании прибора.

1. Принципы волоконно-оптической гироскопии

1.1. Основные характеристики ВОГ

            Оптический гироскоп относится к классу приборов, в которых в замкнутом оптическом контуре распространяются встречно бегущие световые лучи. Принцип действия оптического гироскопа основан на «вихревом» эффекте Саньяка, открытым этим ученым в 1913 г. [1]. Сущность вихревого эффекта заключается в следующем. Если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два 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 разность фаз лучей про­порциональна угловой скорости вращения контура. Для объяснения вихревого эффекта Саньяка разработаны три теории: кинематиче­ская, доплеровская и релятивистская . Наиболее простая из них - кинематическая, наиболее строгая - релятивистская, основанная на общей теории относительности. Рассмотрим вихревой эффект Сань­яка в рамках кинематической теории.

 Рис 1.1.  Кинематическая схема вихревого эффекта Саньяка.

На рис. 1.1 изображен плоский замкнутый оптический контур произвольной формы, в котором распространяются в противополож­ных направлениях две световые волны 1 и 2 (рис. 1.1). Плоскость контура перпендикулярна оси вращения, проходящей через произ­вольную точку О. Угловую скорость вращения контура обозначим W. Участок пути светового луча АВ примем бесконечно малым, его длину обозначим Dl. Радиус-вектор произвольной точки контура А обозначим r. Отрезок дуги АВ' обозначим . При вращении контура вокруг точки О с угловой скоростью линейная скорость точки А равна . Учитывая, что треугольник AB'B  мал:

  ,                         (1.1)

 где a - угол между вектором линейной скорости точки А  и касатель­ной AM к контуру в точке А.

Проекция линейной скорости точек контура на направление вектора скорости света в этих точках 

.               (1.2)      

Если контур неподвижен, то время обхода участка контура АВ=Dl двумя противоположными лучами одинаково; обозначим его dt.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11