3.5. Компенсация влияния эффекта Керра
на точность ВОГ .
Оптический нелинейный эффект Керра проявляется в виде возмущения коэффициента преломления среды при изменении интенсивности воздействующего на среду электрического поля. Для одномодового волокна это означает, что фазовая постоянная распространения среды становится функцией мощности распространяющейся волны. Если мощности оптических лучей, противоположно распространяющихся по контуру ВОГ, неодинаковы, а следовательно, неодинаковы постоянные распространения, то это приводит к фазовой невзаимности контура, и в результате к ошибке измерения угловой скорости. Характерно, что разность мощностей порядка 10^ Вт в таком материале, как плавленый кварц, дает ошибку, выходящую из пределов допусков для систем инерциальной навигации. Случайные вариации разности мощностей, зависящие от изменений окружающих условий, дают случайный дрейф ВОГ. В типовых условиях для измерения выходного сигнала при малой угловой скорости вращения требуемая полная мощность на входе фотодетектора составляет величину около 100 мкВт (с тем чтобы превысить уровень электронных или фотонных шумов). Поэтому разность мощностей должна контролироваться или быть известной с точностью до 10 от полной мощности. Сохранение такого жесткого допуска является трудной задачей. Однако это требование можно ослабить до практических значений специальной модуляцией источника излучения ВОГ или выбором источника с подходящими спектральными и статистическими характеристиками.
Возможный метод существенного уменьшения невзаимности контура, обусловленной влиянием оптического эффекта Керра (неравенства фазовых задержек для противоположно бегущих лучей в нелинейной среде) состоит в соответствующей прямоугольной модуляции источника излучения ВОГ, что согласует нелинейное взаимодействие между противоположно бегущими лучами и обеспечивает приблизительно одинаковые взвешенные средние значения фазовых задержек обоих лучей.
Изменения постоянной распространения волокна в зависимости от интенсивности волны является функцией также состояний поляризации двух противоположно бегущих волн. Для ВОГ необходимо, чтобы эти состояния поляризации были идентичны. С целью упрощения последующего анализа предположим, что состояния поляризации идентичны и линейны. Тогда возмущения постоянных распространения будут равны:
(3.20)
где - импеданс среды; - коэффициент Керра среды; d - коэффициент, зависящий от поперечного распределения моды (порядка единицы); - пиковые интенсивности волн, которые в общем случае зависят от положения на волоконном контуре Z и времени t (рис. 3.5).
Важной особенностью этих уравнений является то, что интенсивность второй волны оказывает удвоенное воздействие на постоянную распространения по сравнению с воздействием первой волной. Подобным образом, удвоенный эффект на постоянную распространения оказывает первая волна, по сравнению со второй. Это так называемые «кросс-эффект» и «само-эффект». Если интенсивности двух волн не одинаковы, то появляются различные возмущения постоянных распространения и , что приводит к появлению фазовой невзаимности в контуре. Если возмущения зависят просто от суммы двух интенсивностей, то невзаимный эффект отсутствует (даже при неравенстве интенсивностей).
Модуляция волн служит для уменьшения относительного влияния «кросс-эффекта» (по времени). На рис. 3.6. показано распространение в контуре двух волн, интенсивности которых не равны друг другу.
Рис 3.5. Волоконный контур с направленным ответвителем.
| |||
Рис 3.6. Встречно бегущие прямоугольные волны неравной
интенсивности.
Как видно из рисунка, кросс-эффект имеет место, когда интенсивности двух волн совпадают, при несовпадении кросс-эффект отсутствует.
Каждая дискретная часть каждой волны «проявляет» само-эффект в течение всего времени при движении по длине контура L, а половину этого временного интервала проявляется кросс-эффект (за счет временной модуляции типа «меандр»). Поэтому множители 2 в квадратных скобках уравнений сводятся к единице (время совпадения двух волн уменьшилось вдвое) и невзаимность контура за счет эффекта Керра компенсируется. Другими словами, невзаимный фазовый сдвиг, накопленный в одну половину цикла модуляции, компенсируется невзаимным фазовым сдвигом противоположного знака, накопленным в течение другой половины цикла. Фаза, накопленная каждой из волн в течение одного полного цикла, будет определяться равным вкладом двух интенсивностей. Выразим интенсивность противоположно распространяющихся волн через интенсивность источника излучения на входе волоконного контура в момент t, I ( t ), и коэффициент расщепления К направленного ответвителя:
, (3.21)
где L - длина волоконного контура; u - групповая скорость волны.
Накопленные фазовые сдвиги за счет влияния эффекта Керра для волн на выходе контура в момент t равны:
(3.22)
где в каждом случае имеет место синхронизация подынтегрального выражения с распространением волны.
Используя уравнения для фазовых постоянных и интенсивностей, получим
,
где - групповое время распространения луча в волоконном контуре.
Переходя к новым переменным интегрирования
(3.23)
в первом уравнении и
(3.24)
во втором, получаем:
(3.25)
Эти соотношения справедливы для любого закона временной модуляции интенсивности источника излучения. Первый член в квадратных скобках каждого соотношения описывает «само-эффект», который пропорционален интенсивности света на выходе волоконного контура в момент t. Второй член описывает «кросс-эффект». Он не зависит от времени, если удвоенное групповое время распространения луча в контуре, 2t , равно целому числу периодов модуляции интенсивности (в дальнейшем предполагается, что это условие выполняется). Невзаимная разность фаз двух лучей, обусловленная действием нелинейного эффекта Керра:
,
где угловые скобки указывают на среднее по времени.
Для определения ошибки измерения угловой скорости вращения, индуцированной эффектом Керра, допускается, что устройство детектирования формирует сигнал, пропорциональный средневзвешенному по интенсивности значению невзаимного фазового сдвига. Такое устройство детектирования основано на использовании фазовой модуляции для смещения и последующего синхронного метода выделения сигнала; при этом разность между основной частотой и гармоническими составляющими модуляции интенсивности и фазовой модуляции должна быть много больше частотной полосы детектирования полезного сигнала. Тогда ошибка в измерении угловой скорости вращения, обязанная влиянию эффекта Керра,
, (3.26)
где R - радиус витка контура; с - скорость света в вакууме.
Следовательно:
(3.27)
Это выражение связывает модулированную интенсивность I(t) и коэффициент расщепления по мощности К с ошибкой измерения угловой скорости за счет эффекта Керра. Ошибка становится равной нулю, если направленный ответвитель делит мощность поровну, т. е. если К = 0,5. Допуски на точность и стабильность коэффициента деления К очень малы для навигационного применения ВОГ. Для увеличения допуска на коэффициент деления К. можно ослабить интенсивность света уменьшением мощности излучателя либо увеличением поперечных размеров распространяющейся моды.
Первое, однако, ведет к возрастанию фотонного предела чувствительности ВОГ [см. главу 2], а второе вызывает другие проблемы, такие, например, как переход в многомодовый режим работы.
Оценка допуска .на коэффициент К применительно к использованию ВОГ в инерциальной навигации дает результаты представленные ниже (при этом использованы следующие значения входящих в формулу коэффициентов):
град/ч 1 / c ,
1/c,
мкВт/(мкм)2,
(мкм) 2/мкВт.
Результат подстановки:
(3.28)
При постоянной интенсивности сигнала (непрерывный режим работы) значение в квадратных скобках выражения равно -1. Следовательно, коэффициент деления необходимо настроить и сохранять настройку с точностью K=0.5±10-4 . Для практических реализуемых допусков необходимо снова рассмотреть модуляцию но интенсивности. При «квадратной» модуляции левая часть формулы обращается в нуль, как и ожидалось. Можно ожидать подобного результата для sin2-модуляции.
Однако эта форма модуляции сводит значение левой части уравнения к половинному значению для случая с постоянной интенсивностью. По-видимому, выбор формы импульса, в общем случае, должен быть согласован с рабочим циклом импульсной последовательности в целях обеспечения полной компенсации.
Таким образом, упрощенный анализ показывает, что модуляция источника излучения может существенно уменьшить ошибку в измерении угловой скорости вращения ВОГ, обусловленную влиянием эффекта Керра.
Выбор источника излучения ВОГ с соответствующими статистическими и спектральными характеристиками. Из выражения для следуют, что ошибка в измерении угловой скорости вращения за счет влияния эффекта Керра определяется:
~ <I2(t)>-2< I(t)> 2, (3.29)
где I(t) - интенсивность излучения источника.
Тогда может быть сведена к нулю, если правая часть соотношения обращается в нуль.
Широкий класс источников излучения обладает статистикой, обладающей этим свойством. В частности, излучение суперлюминесцентного диода обладает статистикой, близкой к статистике поляризованного теплового источника. Излучение лазера, генерирующего в режиме большого числа аксиальных мод, с увеличением числа мод переходит в тепловую радиацию (что, впрочем, легко объяснить физически - с увеличением числа статистически независимых осцилляторов примерно одинаковой интенсивности суммарное излучение приближается к тепловому излучению).
4. Расчёт сметной калькуляции НИР.
4.1. Исходные положения.
По согласованию с консультантом технико-экономического обоснование будет выполнено в виде условного расчёта сметной стоимости разработки.
При проведении расчёта предполагается, что работа выполняется в научно-исследовательском институте или конструкторском бюро с привлечением специалистов своего и смежных подразделений, а дипломник выступает в качестве руководителя темы.
В ходе расчёта необходимо выполнить следующие этапы:
n определение трудоёмкости и календарных сроков работы;
n расчёт расходов по отдельным статьям затрат и составление сметной калькуляции темы;
n заключение
... большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь ...
... за счет использования двигателя стабилизации меньших габаритов, имеющего меньший момент сухого трения вокруг оси вращения и меньший коэффициент демпфирования. Габаритные размеры гиростабилизатора телекамеры с наружным кардановым подвесом оказываются меньше, чем с внутренним, т.к. в последнем случае для получения достаточных рабочих углов поворота платформы необходимо выполнение подвеса по ...
... , подобных квантовым точкам, обещает большую точность и снижение стоимости путем использования методов производства, разработанных для полупроводниковой промышленности [2]. Приложения современных нанотехнологии в медицине Сегодня мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. ...
0 комментариев