RU82860U1 - DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION AND SPEED OF MOVEMENT OF THE EARTH AROUND THE CENTER OF THE GALAXY - Google Patents
DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION AND SPEED OF MOVEMENT OF THE EARTH AROUND THE CENTER OF THE GALAXY Download PDFInfo
- Publication number
- RU82860U1 RU82860U1 RU2007142217/22U RU2007142217U RU82860U1 RU 82860 U1 RU82860 U1 RU 82860U1 RU 2007142217/22 U RU2007142217/22 U RU 2007142217/22U RU 2007142217 U RU2007142217 U RU 2007142217U RU 82860 U1 RU82860 U1 RU 82860U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- platform
- rotation
- optical
- feedback signal
- interferometer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
1. Устройство для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики, содержащее платформу в виде диска, размещенные на платформе устройства: (а) лазер, (б) двухплечный интерферометр, в котором первое и второе плечи, каждое, выполнены в виде световодов длиной L, многократно сложенных в прямые секции длиной l (l<<L) вдоль противоположно направленных радиусов диска, при этом в одном из плеч установлен электрооптический фазовый модулятор, (в) фотоприемник, (г) усилитель фототока, (д) электронное устройство обработки фототока и (е) первое приемно-передающее устройство, электропривод для вращения платформы, датчик углового вращения платформы; устройство управляемой ориентации оси вращения платформы по азимуту и углу места; сельсин-датчики для регистрации ориентации оси вращения платформы; второе приемно-передающее устройство; управляющее и вычислительное устройство. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрооптический фазовый модулятор, фотоприемник, усилитель фототока и электронное устройство обработки фототока образуют контур обратной связи для генерации сигнала обратной связи, подаваемого на электрооптический фазовый модулятор и обеспечивающего постоянный уровень оптического сигнала на выходе интерферометра. ! 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первое и второе приемно-передающие устройства создают беспроводный канал связи для телеметрической передачи данных о параметрах сигнала обратной связи к управляющему и вычислительному устройству. ! 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что управляющее и вычислительное устройство включает синхронный демодулятор для выделения, и1. A device for determining the direction and speed of the Earth's movement around the center of the Galaxy, containing a disk-shaped platform placed on the device’s platform: (a) a laser, (b) a two-arm interferometer in which the first and second shoulders, each, are made in the form of optical fibers with a length L, repeatedly folded into straight sections of length l (l << L) along oppositely directed radii of the disk, with an electro-optical phase modulator installed in one of the arms, (c) a photodetector, (d) a photocurrent amplifier, (e) an electronic photocurrent processing device and (e) a first receiving and transmitting device, an electric drive for rotating the platform, an angular rotation sensor of the platform; a device for controlled orientation of the axis of rotation of the platform in azimuth and elevation; selsyn sensors for registering the orientation of the axis of rotation of the platform; a second receiving and transmitting device; control and computing device. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the electro-optical phase modulator, photodetector, photo-current amplifier and electronic photo-current processing device form a feedback loop for generating a feedback signal supplied to the electro-optical phase modulator and providing a constant level of the optical signal at the output of the interferometer. ! 3. The device according to claim 2, characterized in that the first and second receiving and transmitting devices create a wireless communication channel for telemetric transmission of data on the parameters of the feedback signal to the control and computing device. ! 4. The device according to claim 3, characterized in that the control and computing device includes a synchronous demodulator for selection, and
Description
Данная полезная модель относится по назначению к средствам определения направления и скорости, по технической реализации - к оптоволоконной технике, по принципу работы - к спецрелятивистским устройствам.This utility model is intended by its means of determining the direction and speed, by technical implementation - by fiber-optic technology, by the principle of work - by special relativistic devices.
Как известно, лазерный и волоконно-оптический гироскопы применяются для измерения угловой скорости и направления вращения. В обоих устройствах используется эффект Саньяка, имеющий спецрелятивистскую природу и заключающийся в разном времени пробега двух волн по кольцевому оптическому тракту по и против часовой стрелки. В первом устройстве выходным сигналом является частота биений двух волн, а во втором - фазовая задержка волн. Оба устройства используются в системах навигации в качестве чувствительных элементов, в том числе в гирокомпасах для определения направления оси вращения Земли и географической широты.As you know, laser and fiber-optic gyroscopes are used to measure angular velocity and direction of rotation. Both devices use the Sagnac effect, which has a special relativistic nature and consists in different travel times of two waves along the circular optical path clockwise and counterclockwise. In the first device, the output signal is the beat frequency of two waves, and in the second, the phase delay of the waves. Both devices are used in navigation systems as sensitive elements, including gyrocompasses to determine the direction of the Earth's rotation axis and latitude.
Лазерный и волоконно-оптический гироскопы, в их вариантах с максимально высокой чувствительностью, не могут использоваться для измерения характеристик движения Земли вокруг центра нашей Галактики, угловая скорость вращения которой Ω≈0,005" в год, а линейная скорость движения около 250 км/сек. Между тем возможность подобных измерений имела бы большое научное и практическое значение.Laser and fiber-optic gyroscopes, in their variants with the highest possible sensitivity, cannot be used to measure the characteristics of the Earth’s motion around the center of our Galaxy, the angular velocity of rotation of which is Ω≈0.005 "per year, and the linear velocity of about 250 km / s. Between the possibility of such measurements would be of great scientific and practical importance.
Научное значение - как новое средство для исследований в современной астрофизике и как дальнейшее развитие техники оптических приборов. Не меньшее значение имела бы прикладная сторона, связанная с возможностью измерения направления движения Земли.Scientific value - as a new tool for research in modern astrophysics and as a further development of the technology of optical instruments. No less important would be the applied side associated with the ability to measure the direction of motion of the Earth.
На первый взгляд возможность измерения направления движения Земли вокруг центра Галактики звучит как абстрактная или чисто научная задача. Однако аналогичная задача повседневно решается в мореходной, воздушной и космической навигации, когда путем визуального наблюдения и пеленгации небесных светил определяют ориентацию корабля, самолета или космического корабля относительно какого-либо направления. В зависимости от конкретных условий выбирают направление на звезду, Солнце, край или центр планеты.At first glance, the possibility of measuring the direction of the Earth's motion around the center of the Galaxy sounds like an abstract or purely scientific task. However, a similar problem is daily solved in seaworthy, air and space navigation, when, by visual observation and direction finding of the celestial bodies, the orientation of the ship, aircraft or spacecraft relative to any direction is determined. Depending on the specific conditions, choose the direction of the star, the sun, the edge or center of the planet.
Таким образом, с точки зрения утилитарной полезности предлагаемое устройство могло бы стать альтернативой и дополнением к существующим астрономическим оптическим навигационным приборам, полезным особенно в условиях отсутствия или плохой видимости небесных светил.Thus, from the point of view of utilitarian utility, the proposed device could become an alternative and addition to the existing astronomical optical navigation devices, useful especially in the absence or poor visibility of celestial bodies.
В данной заявке была поставлена задача создания устройства, основанного также как лазерный и волоконно-оптический гироскопы на спецрелятивистском эффекте и предназначенного для определения направления и величины линейной скорости движения Земли по круговой орбите вокруг центра Галактики.In this application, the task was to create a device based also as a laser and fiber-optic gyroscopes on a special relativistic effect and designed to determine the direction and magnitude of the linear velocity of the Earth in circular orbit around the center of the Galaxy.
Поставленная задача была решена разработкой устройства для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики, включающего:The problem was solved by the development of a device for determining the direction and velocity of the Earth around the center of the Galaxy, including:
платформу в виде диска;platform in the form of a disk;
размещенные на платформе устройства: (а) лазер, (б) двухплечный интерферометр, в котором первое и второе плечи, каждое, выполнены в виде световодов длиной L, многократно сложенных в прямые секции длиной l (l≪L) вдоль противоположно направленных радиусов диска и при этом в одном из плеч установлен электрооптический фазовый модулятор, (в) фотоприемник, (г) усилитель фототока, (д) электронное устройство обработки фототока и (е) первое приемно-передающее устройство;devices located on the platform: (a) a laser, (b) a two-arm interferometer, in which the first and second arms, each, are made in the form of optical fibers of length L, repeatedly stacked in straight sections of length l (l≪L) along oppositely directed radii of the disk and at the same time, an electro-optical phase modulator is installed in one of the arms, (c) a photodetector, (d) a photocurrent amplifier, (e) an electronic photocurrent processing device, and (e) a first receiving and transmitting device;
электропривод для вращения платформы;electric drive for rotating the platform;
датчик углового вращения платформы;platform rotation angle sensor;
устройство управляемой ориентации оси вращения платформы по азимуту и углу места;a device for controlled orientation of the axis of rotation of the platform in azimuth and elevation;
сельсин-датчики для регистрации ориентации оси вращения платформы;selsyn sensors for registering the orientation of the axis of rotation of the platform;
второе приемно-передающее устройство;a second receiving and transmitting device;
управляющее и вычислительное устройство.control and computing device.
При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы электрооптический фазовый модулятор, фотоприемник, усилитель фототока и электронное устройство обработки фототока образовывали контур обратной связи для генерации сигнала обратной связи, подаваемого на электрооптический фазовый модулятор и обеспечивающего постоянный уровень оптического сигнала на выходе интерферометра.Moreover, according to the invention, it is advisable that the electro-optical phase modulator, photodetector, photocurrent amplifier and electronic photocurrent processing device form a feedback loop for generating a feedback signal supplied to the electro-optical phase modulator and providing a constant level of the optical signal at the output of the interferometer.
При этом согласно изобретению целесообразно также, чтобы первое и второе приемно-передающие устройства создавали беспроводный канал связи для телеметрической передачи данных о параметрах сигнала обратной связи к управляющему и вычислительному устройству.Moreover, according to the invention, it is also advisable that the first and second receiving and transmitting devices create a wireless communication channel for telemetry transmission of data on the parameters of the feedback signal to the control and computing device.
При этом согласно изобретению целесообразно также, чтобы управляющее и вычислительное устройство включало синхронный демодулятор для выделения, используя сигналы датчика углового вращения платформы, составляющей сигнала обратной связи на частоте вращения платформы.Moreover, according to the invention, it is also advisable that the control and computing device include a synchronous demodulator for selecting, using the signals of the platform angular rotation sensor, a component of the feedback signal at the platform rotation frequency.
При этом согласно изобретению целесообразно также, чтобы управляющее и вычислительное устройство включало цифровой процессор для определения по составляющей сигнала обратной связи на частоте вращения платформы, а также сигналам датчика углового вращения платформы и сигналам сельсин-датчиков направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики.Moreover, according to the invention, it is also advisable that the control and computing device include a digital processor for determining the feedback signal component at the platform rotation frequency, as well as the signals of the platform angular rotation sensor and the signals of the selsyn sensors of the direction and speed of the Earth around the center of the Galaxy.
В дальнейшем описание полезной модели поясняется описанием принципа работы релятивистского интерферометра, описанием примера его осуществления и чертежами.In the following, the description of the utility model is illustrated by a description of the principle of operation of the relativistic interferometer, a description of an example of its implementation, and drawings.
На чертежах представлены:The drawings show:
Фиг.1 - схематичное изображение движущегося по круговой орбите объекта и световодов, а также систем координат, используемых для расчетов;Figure 1 - schematic representation of a moving in a circular orbit of an object and optical fibers, as well as coordinate systems used for calculations;
Фиг.2 - блок-схема устройства для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики согласно настоящему изобретению;Figure 2 - block diagram of a device for determining the direction and speed of the Earth around the center of the Galaxy according to the present invention;
Фиг.3 - замкнутый контур обратной связи для генерирования сигнала обратной связи, обеспечивающего постоянный уровень оптического сигнала на выходе интерферометра;Figure 3 - closed loop feedback to generate a feedback signal that provides a constant level of the optical signal at the output of the interferometer;
Фиг.4 - блок-схема управляющего и вычислительного устройства, входящего в состав устройства по Фиг.2;Figure 4 is a block diagram of a control and computing device included in the device of Figure 2;
Фиг.5 - эпюры сигналов, используемых в работе синхронного демодулятора, входящего в состав управляющего и вычислительного устройства по Фиг.4.Figure 5 - plot signals used in the synchronous demodulator, which is part of the control and computing device of Figure 4.
Принцип работы релятивистского интерферометра. На Фиг.1 схематично изображен равномерно движущийся по большой окружности объект 1 в виде некого диска и используемые для расчета системы отсчета. Полагаем, что объект 1 движется по круговой орбите с угловой и линейной скоростью, соответственно, Ω и V Ω. На объекте расположены два световода, 2 и 3, каждый длиной 2l и сложенный вдвое, соответственно, вдоль первой и второй направляющих 4 и 5, расположенных на одной линии и направленных в противоположные стороны. Световоды касаются концами друг друга и вращаются (с помощью какого-либо привода - на Фиг. не показан) против часовой стрелки с угловой скоростью ω (ω≫ Ω). Ось вращения световодов проходит между направляющими 4 и 5 и ориентирована параллельно оси, вокруг которой объект движется со скоростью V Ω Другими словами, плоскость вращения световодов совпадает с плоскостью траектории движения объекта 1.The principle of the relativistic interferometer. Figure 1 schematically depicts an object 1 uniformly moving along a large circle in the form of a certain disk and used for calculating the reference system. We believe that object 1 moves in a circular orbit with angular and linear speeds, respectively, Ω and V Ω . Two fibers, 2 and 3, each 2l long and doubled, respectively, along the first and second guides 4 and 5, located on the same line and directed in opposite directions, are located on the object. The fibers touch each other and rotate (using any drive — not shown in FIG.) Counterclockwise with an angular velocity ω (ω≫ Ω). The axis of rotation of the optical fibers passes between the guides 4 and 5 and is oriented parallel to the axis around which the object moves at a speed of V Ω In other words, the plane of rotation of the optical fibers coincides with the plane of the trajectory of the object 1.
Пусть в световодах начинают распространяться две волны, - волна E1 в световоде 2 и волна E2 в световоде 3, - и при этом каждая волна от одной из точек касания световодов, точки О, пробегает с начала до конца по одному из световодов. Затем волны переходят из одного световода в другой и пробегают в результате по двум световодам. Для исключения возможности возникновения саньяковского сигнала сложенные световоды находятся в одной плоскости с осью вращения, т.е. при вертикальном направлении оси вращения ω, как на Фиг.1, одна часть каждого световода располагается над другой частью.Let two waves begin to propagate in the fibers — wave E 1 in fiber 2 and wave E 2 in fiber 3 — and each wave from one of the points of contact of the fibers, point O, travels from one beginning to the other along one of the fibers. Then the waves pass from one fiber to another and, as a result, run through two optical fibers. To exclude the possibility of a Sagnac signal, the folded fibers are in the same plane as the axis of rotation, i.e. in the vertical direction of the rotation axis ω, as in FIG. 1, one part of each fiber is located above the other part.
Используем четыре системы отсчета - инерциальную систему К*, вокруг центра которой объект 1 движется по круговой орбите, собственную систему отсчета вращающихся световодов К, а также две сопровождающие системы отсчета К' и К".We use four reference systems - the inertial system K *, around the center of which the object 1 moves in a circular orbit, its own reference system of rotating optical fibers K, as well as two accompanying reference systems K 'and K ".
Оси координат систем отсчета выберем так, чтобы плоскости z*=0, z=0, z'=0 и z"=0 совпадали с плоскостью траектории объекта 1. Начало координат собственной системе отсчета К совмещено с точкой между направляющими 2 и 3, через которую проходит ось вращения световодов, ось х ориентирована вдоль направляющей 5.The coordinate axes of the reference systems are chosen so that the planes z * = 0, z = 0, z '= 0 and z "= 0 coincide with the plane of the trajectory of object 1. The origin of coordinates of the reference frame K is aligned with the point between the guides 2 and 3, through which passes the axis of rotation of the optical fibers, the x axis is oriented along the guide 5.
Сопровождающая система К' движется вместе с объектом 1, ее ось у' в каждый момент времени совпадает с направлением скорости V Ω. Сопровождающая система К" в каждый момент времени неподвижная относительно инерциальной системы К*, начало ее координат совпадает с центом орбиты, оси х" и у" системы К" в каждый момент времени параллельны осям х' и у' системы К'.The accompanying system K 'moves with object 1, its axis y' at each moment of time coincides with the direction of speed V Ω . The accompanying system K "at each moment of time is stationary relative to the inertial system K *, the origin of its coordinates coincides with the center of the orbit, the x-axis and the" system K "at each moment of time are parallel to the x and y 'axes of the system K'.
Времена в четырех системах отсчета К*, К, К' и К" будем обозначать через t*, t, t' и t". Полагаем, что размеры объекта малы по сравнению с расстоянием между объектом и началом координат инерциальной системы К*. Тогда в инерциальной системе К* движение объекта будет отождествляться с движением начала координат сопровождающей системы отсчета К'. Полагаем также, что «событию» ввода волн в световоды соответствует произвольное время t в системе К и нулевые значения времен t'=t"=t*=0 и координаты х=у'=у"=у*=0.The times in the four reference systems K *, K, K 'and K "will be denoted by t *, t, t' and t". We believe that the size of the object is small compared with the distance between the object and the origin of the inertial system K *. Then in the inertial system K * the movement of the object will be identified with the movement of the origin of the accompanying reference frame K '. We also assume that the “event” of the introduction of waves into the fibers corresponds to an arbitrary time t in the system K and zero values of the times t '= t "= t * = 0 and the coordinates x = y' = y" = y * = 0.
Подчеркнем, что сопровождающие системы отсчета К' и К" в любой отдельный момент времени рассматриваются как инерциальные системы отсчета. Поэтому можно считать, что используются множества инерциальных систем отсчета и , которые сопровождают объект в различные моменты времени. При расчетах разность временных интервалов между соседними системами , и , устремляется к нулю и осуществляется непрерывный переход от одной системы к другой; суммирование малых времен и координат, полученных с использованием каждой системы, будет заменяться на интегрирование соответствующих величин.We emphasize that the accompanying reference frames K 'and K "at any given time are considered as inertial reference systems. Therefore, we can assume that many inertial reference systems are used and that accompany the object at different points in time. When calculating the difference in time intervals between neighboring systems , and , rushes to zero and there is a continuous transition from one system to another; the summation of small times and coordinates obtained using each system will be replaced by the integration of the corresponding quantities.
Начиная расчет, систему отсчета вращающихся световодов К на ограниченных промежутках времени dt будем считать также инерциальной. Тогда справедливо полагать, что каждая из волн на этих промежутках времени пробегает по световодам в противоположных направлениях одинаковые расстояния dl=(c/n)dt, где с - скорость света в пустоте, n - показатель преломления материала световодов.Starting the calculation, the reference frame of rotating optical fibers K at limited time intervals dt will also be considered inertial. Then it is fair to assume that each of the waves at these time intervals travels along the optical fibers in opposite directions equal distances dl = (c / n) dt, where c is the speed of light in the void, n is the refractive index of the material of the optical fibers.
Система К' отличается от системы отсчета К лишь поворотом осей в общей плоскости, поэтому в этих системах времена для двух волн dt и dt'1,2, соответствующие пробегам расстояний dl, равны:The system K 'differs from the reference frame K only in the rotation of the axes in the common plane, therefore, in these systems the times for two waves dt and dt' 1,2 , corresponding to the distance paths dl, are equal to:
а координаты преобразуются как при обычном повороте осей:and the coordinates are converted as in the usual rotation of the axes:
где t - время, φ - угол между первой направляющей 16 и осью у' в момент времени ввода волн t, знак «+» относится к волне E1 и знак «-» относится к волне Е2.where t is the time, φ is the angle between the first guide 16 and the y axis at the time moment t of the wave input, the “+” sign refers to the wave E 1 and the “-” sign refers to the wave E 2 .
Преобразования Лоренца для времени и координат из системы К' в систему К", - две системы движутся относительно друг друга вдоль общего направления осей у" и у' со скоростью V Ω, - имеют вид [1]:The Lorentz transformations for time and coordinates from the system K 'to the system K ", two systems move relative to each other along the general direction of the axes y" and y' with a speed V Ω , have the form [1]:
и and
Перепишем выражения (3), полагая, что V Ω≪c и отбрасывая члены порядка (V Ω/с)2 и меньшие:We rewrite expressions (3), assuming that V Ω ≪c and discarding terms of the order (V Ω / s) 2 or less:
Выражения (4) и (5) справедливы на ограниченных интервалах времени и координат. Для суммирования времен и координат их нужно пересчитать в одну инерциальную систему: или в инерциальную систему К*, вокруг центра которой объект движется по окружности, или в любую систему отсчета из множества . Ради определенности выберем из этого множества систему отсчета, соответствующую окончанию пробега волны E1 по длине трассы 4l; обозначим эту систему как К**.Expressions (4) and (5) are valid at limited time and coordinate intervals. To summarize the times and coordinates, they need to be converted to one inertial system: either to the inertial system K *, around the center of which the object moves in a circle, or to any reference frame from the set . For the sake of definiteness, we choose from this set a reference frame corresponding to the end of the path of the wave E 1 along the path 4l; we denote this system as K **.
Так как все системы отсчета неподвижны друг относительно друга, а траектория движения на конечных интервалах времени представляет практически прямую линию, то при преобразованиях Лоренца времена (4) и координаты (5) переносятся «один к одному» в выбранную систему отсчета К**:Since all reference systems are motionless relative to each other, and the trajectory of movement at finite time intervals represents an almost straight line, then during Lorentz transformations times (4) and coordinates (5) are transferred “one to one” to the selected frame of reference K **:
и and
Расчет начнем с определения времен пробега каждой из двух волн E1 и Е2 расстояний l от места начала пробега волн до поворота в точках А и В. Интегрирую (4) и полагая, что угол φ за время пробега света по этим двум дистанциям изменяется незначительно, а поэтому можно заменить cos(ωt+φ) на cos(φ+Δφl/2) и вынести последний из-под знака интеграла (Δφl=ωln/с). В результате получим:We begin the calculation by determining the travel times of each of the two waves E 1 and E 2 of the distances l from the start of the travel of the waves to the rotation at points A and B. I integrate (4) and assuming that the angle φ varies slightly over these two distances and therefore it is possible to replace cos (ωt + φ) with cos (φ + Δφ l / 2) and take the latter out from under the integral sign (Δφ l = ωln / s). As a result, we get:
Сделав поворот в точках А и В, волны пробегают по световодам в обратном направлении при несколько других углах между осями х и х', нежели бывших до поворота волн. Поэтому времена пробега каждой из двух волн по полной длине световодов 2l, как можно проверить, будут:Having made a turn at points A and B, the waves run through the optical fibers in the opposite direction at slightly different angles between the x and x 'axes than the waves that were before the turn. Therefore, the travel times of each of the two waves along the full length of the optical fibers 2l, as you can check, will be:
Выражение (8) состоит из двух слагаемых, при этом первое слагаемое есть нерелятивистское время пробега света по длине световодов t**=2ln/c, второе слагаемое значительно меньше по абсолютной величине и имеет противоположные знаки для двух волн (или двух событий). Поэтому в инерциальной системе К** время для одного события немного меньше, а для другого события, напротив, немного больше времени t*.Expression (8) consists of two terms, the first term being the nonrelativistic travel time of the light along the length of the optical fibers t ** = 2ln / c, the second term is much smaller in absolute value and has opposite signs for two waves (or two events). Therefore, in the inertial system K **, the time for one event is slightly less, and for another event, on the contrary, is slightly longer than t *.
Принципиально другая ситуация с пространственными координатами. При орбитальном движении в каждый момент времени координата движущегося объекта по оси у" в сопровождающей системе К" (или, что одно и то же, в любой из систем ) равна нулю: y'Object(V Ω)=0. Другими словами, при круговом движении в этой системе отсчета не работает механизм суммирования координат.A fundamentally different situation with spatial coordinates. With orbital motion at each moment of time, the coordinate of the moving object along the y axis "in the accompanying system K" (or, which is the same thing, in any of the systems ) is equal to zero: y ' Object (V Ω ) = 0. In other words, during circular motion in this reference frame the mechanism of summing coordinates does not work.
Правомерно посчитать, что отсутствие механизма суммирования координат при движении объекта по круговой орбите равным образом относится также к событиям, связанным с пробегом волн по вращающимся световодам.It is legitimate to consider that the absence of a mechanism for summing the coordinates when an object moves in a circular orbit equally applies to events related to the path of waves along rotating optical fibers.
В этом случае картину формирования пространственных координат событий, связанных с движением объекта и пробегом волн по вращающимся световодам, в выбранной системе отсчета К** можно представить как два одновременных процесса. Первый процесс - возникновение все новых координат dy**1,2, отличающихся от состоявшихся ранее, и второй процесс - наложение координат dy**1,2 в области около у"=0 на ранее состоявшиеся, но без их суммирования. В результате, координаты двух событий, соответствующих окончанию пробега двух волн, будут тождественно равны нулю:In this case, the picture of the formation of the spatial coordinates of the events associated with the movement of the object and the path of the waves along the rotating optical fibers in the selected reference frame K ** can be represented as two simultaneous processes. The first process is the appearance of all new coordinates dy ** 1,2 , which differ from those previously held, and the second process is the superposition of coordinates dy ** 1,2 in the region near y "= 0 on previously held, but without summing them. As a result, the coordinates of two events corresponding to the end of the run of two waves will be identically equal to zero:
В инерциальной системе к** следующая из (8) разность времен Δt**(2l,V Ω)=t**1(2l,V Ω)-t**2(2l,V Ω):In the inertial system k **, the time difference Δt ** (2l, V Ω ) = t ** 1 (2l, V Ω ) -t ** 2 (2l, V Ω ) following from (8):
а следующая из (9) разность координат Δy**(t,2l,V Ω)=y**1(t,2l,V Ω)-y**2(t,2l,V Ω) равна нулю, т.е.and the coordinate difference Δy ** (t, 2l, V Ω ) = y ** 1 (t, 2l, V Ω ) -y ** 2 (t, 2l, V Ω ) following from (9) is equal to zero, i.e. e.
Выражения (10, 11) для времен и координат в инерциальной системе отсчета К** позволяют определить задержку волн в собственной системе отсчета К. Сначала с помощью преобразований Лоренца следует перейти в обратном направлении в сопровождающую систему К' и определить задержку в этой системе. При этом принять во внимание, что искомая разность времен заведомо малая и в соответствующих формулах преобразований Лоренца скорость V Ω следует заменить на - V Ω (ибо система К' движется относительно системы К* со скоростью - V Ω).Expressions (10, 11) for times and coordinates in the inertial reference frame K ** allow us to determine the delay of waves in our own reference frame K. First, using Lorentz transformations, we must go in the opposite direction to the accompanying system K 'and determine the delay in this system. At the same time, take into account that the desired time difference is obviously small and in the corresponding formulas of the Lorentz transforms the speed V Ω should be replaced by - V Ω (because the system K 'moves relative to the system K * with the speed - V Ω ).
Затем из сопровождающей системы К' перейти в собственную систему К (в этом переходе разность времен сохраняется) и таким образом получим:Then from the accompanying system K 'go to the own system K (in this transition, the time difference is preserved) and thus we obtain:
Отметим, что если бы объект двигался прямолинейно и равномерно со скоростью V11, то для разности координат в системе К** вместо (11) получили бы другое выражение, в котором правая часть не была бы равна нулю, а имела конечную величину - причем такую, что после перехода в собственную систему К временная задержка оказалась бы равной нулю. Такой результат соответствовал бы известному постулату специальной теории относительности, что никакими физическими опытами, проведенными внутри инерциальных систем, невозможно установить, покоятся ли они или движутся прямолинейно и равномерно.Note that if the object moved rectilinearly and uniformly with a speed of V 11 , then for the coordinate difference in the K ** system, instead of (11), we would get another expression in which the right-hand side would not be zero, but would have a finite value - and such that after the transition to K's own system, the time delay would be equal to zero. Such a result would correspond to the well-known postulate of the special theory of relativity, that it is impossible to establish by any physical experiments carried out inside inertial systems whether they are at rest or move in a straight and uniform manner.
Увеличим длину каждого из двух световодов в N раз до длины L=2Nl, многократно сложим каждый вдоль направляющих таким образом, чтобы длина прямых участков, числом 2N, была бы по-прежнему равна l. В таком виде каждый световод в описываемом Let us increase the length of each of the two optical fibers N times to the length L = 2Nl, fold each one along the guides so that the length of the straight sections, with the number 2N, is still equal to l. In this form, each fiber in the described
ниже интерферометре (Фиг.2) будет одним из его плеч. Пусть световоды снова касаются друг друга своими концами, а все устройство вращается с угловой скоростью ω.below the interferometer (Figure 2) will be one of his shoulders. Let the optical fibers again touch each other with their ends, and let the entire device rotate with an angular velocity ω.
Повторяя использованную выше процедуру расчета, для времен пробега двух волн по световодам большой длины L=2Nl получим:Repeating the calculation procedure used above, for the travel times of two waves along optical fibers of large length L = 2Nl, we obtain:
Соответственно, временная задержка волн по часам, вращающимся вместе со световодами, также станет существенно больше.Accordingly, the time delay of waves the clock rotating with the optical fibers will also become significantly larger.
Для дальнейших расчетов важна разность фаз двух волн. Рассматривая как задержку времени распространения точек фиксированных фаз двух волн, соответствующая разность фаз может быть представлена какFor further calculations, the phase difference of the two waves is important. Considering as the propagation time delay of the points of fixed phases of two waves, the corresponding phase difference can be represented as
где λ - длина волны света.where λ is the wavelength of light.
После несложных преобразований разность фаз (14) запишется в виде:After simple transformations, the phase difference (14) is written in the form:
Выполним в последнем выражении подстановку φ=φ0+ωt, где φ0 есть угол между направляющей, вдоль которой сложены световоды, и осью у' в начальный момент времени t=0. Имея ввиду, что разность фаз становится функцией времени, перепишем (15):In the last expression, we perform the substitution φ = φ 0 + ωt, where φ 0 is the angle between the guide along which the optical fibers are folded and the y 'axis at the initial time t = 0. Bearing in mind that the phase difference becomes a function of time, we rewrite (15):
где в аргументе синуса в правой части опущена малая по величине фаза Δφl.where the small phase Δφ l is omitted in the sine argument on the right side.
Из (16) следует, что разность фаз двух волн при вращении световодов можно представить в виде гармонической функции:From (16) it follows that the phase difference of the two waves during the rotation of the optical fibers can be represented as a harmonic function:
где амплитуда Ψ есть:where the amplitude Ψ is:
До сих пор мы рассматривали случай ориентации оси вращения световодов перпендикулярно направлению скорости объекта V Ω. Нетрудно показать, что при произвольной ориентации плоскости вращения световодов относительно направления скорости V Ω разность фаз двух волн в результате пробега по световодам длиной L=2Nl будет:So far, we have considered the case of orientation of the axis of rotation of the optical fibers perpendicular to the direction of the object velocity V Ω . It is easy to show that for an arbitrary orientation of the plane of rotation of the optical fibers relative to the direction of speed V Ω, the phase difference of the two waves as a result of the path along the optical fibers of length L = 2Nl will be:
где у - угол между осью круговой орбиты, по которой Земля движется со скоростью V Ω, и осью вращения платформы (см. выноску на Фиг.2), а χ - некая фаза, зависящая от положения световодов в начальный момент времени t=0.where y is the angle between the axis of the circular orbit along which the Earth moves with speed V Ω and the axis of rotation of the platform (see the leader in Figure 2), and χ is a certain phase depending on the position of the optical fibers at the initial time t = 0.
Из выражения (19) следует, что если плоскость вращения параллельна направлению скорости V Ω, то разность фаз на каждом периоде вращения достигает максимального значения Ψ и в этом случае выражения (19) и (17) совпадают, а фазы χ и φ0 становятся равными, т.е. χ=φ0. Если же плоскость вращения перпендикулярна направлению скорости движения V Ω, то разность фаз двух волн тождественно равна нулю.From expression (19) it follows that if the plane of rotation is parallel to the direction of speed V Ω , then the phase difference at each rotation period reaches the maximum value Ψ and in this case expressions (19) and (17) coincide, and the phases χ and φ 0 become equal , i.e. χ = φ 0 . If the plane of rotation is perpendicular to the direction of the velocity of motion V Ω , then the phase difference of the two waves is identically equal to zero.
Рассмотренный процесс образования разности фаз во вращающихся световодах переносится на интерферометр, два плеча которого выполнены в виде световодов длиной The considered process of phase difference formation in rotating optical fibers is transferred to an interferometer, two arms of which are made in the form of optical fibers with a length
L, сложенных в прямые секции длиной l вдоль двух направляющих, обе расположенные на одной линии, перпендикулярной оси вращения, и направленные в противоположные стороны.L, folded into straight sections of length l along two guides, both located on the same line perpendicular to the axis of rotation, and directed in opposite directions.
При этом интерферометр должен достаточно быстро вращаться, должна иметься возможность переориентации плоскости вращения интерферометра, необходимо измерять разность фаз на выходе интерферометра и должны иметься средства (датчики) для регистрации положения в пространстве и времени плоскости вращения интерферометра и одной из направляющих, вдоль которой сложено соответствующее плечо интерферометра.In this case, the interferometer should rotate quickly enough, it should be possible to reorient the plane of rotation of the interferometer, it is necessary to measure the phase difference at the output of the interferometer, and there should be means (sensors) for recording the position in space and time of the plane of rotation of the interferometer and one of the guides along which the corresponding arm is folded interferometer.
Перед тем как перейти к описанию одного из возможных вариантов полезной модели сделаем оценку величины ожидаемого сигнала. По результатам измерения доплеровского сдвига эмиссионных линий водорода, содержащегося в космосе, скорость движения Земли вместе с солнечной системой составляет 220÷250 км/с. При длине плеч интерферометра L=20 м, длине прямых секций l=10 см и угловой скорости вращения интерферометра ω≈150 рад/с (~25 об\с) ожидаемая амплитуда (18) должна быть Ψ≈0,01 рад. Это достаточно большая величина, превышающая на 3÷4 порядка сигналы, которые измеряются в современной технике волоконных датчиков (конкретно, в технике волоконно-оптических гироскопов).Before proceeding to the description of one of the possible variants of the utility model, we will evaluate the magnitude of the expected signal. According to the results of measuring the Doppler shift of the emission lines of hydrogen contained in space, the speed of the Earth along with the solar system is 220 ÷ 250 km / s. With the arm length of the interferometer L = 20 m, the length of the straight sections l = 10 cm and the angular velocity of rotation of the interferometer ω≈150 rad / s (~ 25 r / s), the expected amplitude (18) should be Ψ≈0.01 rad. This is a fairly large value, exceeding by 3 ÷ 4 orders of magnitude the signals that are measured in the modern technology of fiber sensors (specifically, in the technology of fiber-optic gyroscopes).
Однако в нашем случае возникает проблема «невзаимности» интерферометра, связанная с тем, что каждая из двух волн, пробегая по плечам интерферометра, на выходе интерферометра будет иметь отличающиеся фазовые флуктуации (t) из-за неизбежных тепловых, механических и др. наводок и нестабильностей. Поэтому при интерференции волн флуктуации (t) не скомпенсируют друг друга, что имеет место, например, в случае волоконно-оптического гироскопа, и следовательно измерить разность фаз (17) и (19), выделив ее из тока фотоприемника, казалось бы не представляется возможным.However, in our case, the problem of “non-reciprocity” of the interferometer arises, due to the fact that each of the two waves, running along the shoulders of the interferometer, will have different phase fluctuations at the output of the interferometer (t) due to inevitable thermal, mechanical, and other interference and instabilities. Therefore, upon interference of fluctuation waves (t) they do not cancel each other, which is the case, for example, in the case of a fiber-optic gyroscope, and therefore it would not seem possible to measure the phase difference (17) and (19) by isolating it from the photodetector current.
Однако существует подход, предлагаемый в данной заявке, позволяющий решить проблему «невзаимности» интерферометра. Он заключается в использовании техники измерения сигнала с замкнутым контуром обратной связи. Контур обратной связи можно построить на основе широкополосного электрооптического фазового модулятора и соответствующего цифрового устройства, вырабатывающего сигнал обратной связи. При этом полезный сигнал, содержащий необходимую информацию, будет выделяться из сигнала обратной связи, подаваемого на электрооптический фазовый модулятор.However, there is an approach proposed in this application, which allows to solve the problem of "non-reciprocity" of the interferometer. It consists in using a closed loop feedback signal measurement technique. The feedback loop can be built on the basis of a broadband electro-optical phase modulator and a corresponding digital device that generates a feedback signal. In this case, a useful signal containing the necessary information will be extracted from the feedback signal supplied to the electro-optical phase modulator.
Осуществление полезной модели. На Фиг.2 приведена блок-схема устройства 20 для определения направления и скорости движения Галактики по круговой орбите. В состав устройства 20 входят платформа 21 в виде диска и электропривод 22 для вращения платформы вокруг оси 23, перпендикулярной поверхности диска и проходящей через его центр. Корпус электропривода 22 закреплен в подвижной части устройства управляемой ориентации оси вращения платформы 24 в пространстве (ориентации по азимуту и углу места, подобно антенне радиолокационного устройства).Implementation of a utility model. Figure 2 shows a block diagram of a device 20 for determining the direction and velocity of the Galaxy in a circular orbit. The device 20 includes a platform 21 in the form of a disk and an electric drive 22 for rotating the platform around an axis 23, perpendicular to the surface of the disk and passing through its center. The housing of the electric drive 22 is fixed in the movable part of the device with a controlled orientation of the axis of rotation of the platform 24 in space (orientation in azimuth and elevation, like an antenna of a radar device).
На поверхности платформы 21 размещены следующие функциональные устройства: лазер 25, двухплечный волоконно-оптический интерферометр 26, состоящий из (а) первого оптического разветвителя 27-1, (б и в) первого и второго плеча интерферометра 28 и 29 в виде световодов, сложенных, соответственно, вдоль противоположно направленных первой 30 и второй 31 направляющих, (г) широкополосного фазового модулятора 32 и (д) второго оптического разветвителя 27-2; на платформе 21 также фотоприемник (ФД) 33, усилитель фототока 34, электронное устройство обработки фототока 35 и первое приемно-передающее устройства 36.The following functional devices are located on the surface of the platform 21: a laser 25, a two-arm fiber-optic interferometer 26, consisting of (a) a first optical splitter 27-1, (b and c) the first and second arms of the interferometer 28 and 29 in the form of optical fibers folded, respectively, along the oppositely directed first 30 and second 31 guides, (g) the broadband phase modulator 32 and (e) the second optical splitter 27-2; on the platform 21 there is also a photodetector (PD) 33, a photocurrent amplifier 34, an electronic photocurrent processing device 35, and a first transceiver 36.
Кроме того, устройство 20 включает второе приемно-передающее устройство 37, управляющее и вычислительное устройство 38, а также датчик угловой скорости вращения платформы, состоящий из статора 39, вынесенного на консоли 40 от корпуса электропривода 22, и ротора 41 на платформе 21. Два приемно-передающих устройства, In addition, the device 20 includes a second receiving and transmitting device 37, a control and computing device 38, as well as an angular rotational speed sensor of the platform, consisting of a stator 39, mounted on the console 40 from the drive housing 22, and a rotor 41 on the platform 21. Two receivers transmitting devices
36 и 37, образуют канал связи 42 между стационарным управляющим и вычислительным устройством 38 и функциональными устройствами на вращающейся платформе.36 and 37 form a communication channel 42 between a stationary control and computing device 38 and functional devices on a rotating platform.
Платформа-диск 21 имеет диаметр 20 см. В качестве электропривода 22 используется электродвигатель с системой питания; скорость вращения платформы 20÷30 об/с.The disk platform 21 has a diameter of 20 cm. An electric motor with a power system is used as the electric drive 22; platform rotation speed 20 ÷ 30 r / s.
Устройство управляемой ориентации оси вращения платформы 24 обеспечивает задаваемую в пространстве ориентацию вращающейся платформы. Ось вращения платформы 23 может изменять положение по азимуту δ в диапазоне 0÷180° и углу места ε в диапазоне 0÷90°. Повороты выполняются с помощью двух электроприводов (на Фиг.2 не показаны) по командам от управляющего и вычислительного устройства 38. Поворотное устройство 24 включает также два сельсин-датчика для фиксации ориентации оси вращения платформы (также не показаны), сигналы которых используются для регистрации положения в пространстве вращающейся платформы.The device is controlled orientation of the axis of rotation of the platform 24 provides a spatially defined orientation of the rotating platform. The axis of rotation of the platform 23 can change the position in azimuth δ in the range 0 ÷ 180 ° and elevation angle ε in the range 0 ÷ 90 °. Turns are performed using two electric drives (not shown in FIG. 2) according to commands from the control and computing device 38. The rotary device 24 also includes two selsyn sensors for fixing the orientation of the axis of rotation of the platform (also not shown), whose signals are used to register the position in the space of a rotating platform.
Источником излучения 25 является одночастотный лазерный диод (ЛД). Длина волны излучения λ≈830 нм, ЛД снабжен изолятором для исключения обратного отражения.A radiation source 25 is a single frequency laser diode (LD). The radiation wavelength is λ≈830 nm; the LD is equipped with an insulator to exclude back reflection.
Первый оптический разветвитель 27-1 представляет собой волоконный разветвитель конфигурации «2х2» на световодах с сохранением поляризации. Разветвитель 27-1 делит излучение от источника излучения 25 на две волны, примерно равные по интенсивности, и направляет каждую в одно из плеч интерферометра.The first optical splitter 27-1 is a fiber splitter configuration "2x2" on the fibers with the preservation of polarization. The splitter 27-1 divides the radiation from the radiation source 25 into two waves, approximately equal in intensity, and directs each to one of the arms of the interferometer.
Плечи интерферометра, первое 28 и второе 29, выполнены также из одномодовых световодов с сохранением поляризации, длина каждого L=25 м, световоды сложены в прямые секции длиной 10 см вдоль направляющих, соответственно, первой 30 и второй 31, расположенных на одной линии по разные стороны от оси вращения 23.The arms of the interferometer, the first 28 and second 29, are also made of single-mode fibers with preservation of polarization, the length of each L = 25 m, the fibers are folded into straight sections 10 cm long along the guides, respectively, of the first 30 and second 31, located on the same line on different side of the axis of rotation 23.
После пробега по плечам интерферометра 28 и 29 одна из двух волн поступает на широкополосный электрооптический фазовый модулятор 32. Модулятор представляет собой электрооптический кристалл ниобата лития с канальным волноводом на поверхности и электродами обе стороны волновода. Подобные устройства хорошо известны в волоконно-оптической технике (см., например, [2]).After a run along the shoulders of the interferometer 28 and 29, one of the two waves arrives at the broadband electro-optical phase modulator 32. The modulator is an electro-optical lithium niobate crystal with a channel waveguide on the surface and electrodes on both sides of the waveguide. Such devices are well known in fiber optic technology (see, for example, [2]).
На электроды фазового модулятора 32 поступает электрический сигнал обратной связи - напряжение Uf(f) (индекс «f» от слова feedback). В результате в пробегающую волну вносится дополнительная фаза φf (t):The electrodes of the phase modulator 32 receives an electrical feedback signal - voltage U f (f) (index "f" from the word feedback). As a result, an additional phase φ f (t) is introduced into the traveling wave:
где α - параметр электрооптического фазового модулятора, связывающий фазу волны и подаваемое напряжение.where α is the parameter of the electro-optical phase modulator, connecting the phase of the wave and the applied voltage.
Далее две волны объединяются с помощью второго оптического разветвителя 27-2, идентичного разветвителю 27-1, смешиваются и интерферируют. Интенсивность поля на выходе интерферометра 26 будет:Next, the two waves are combined using the second optical splitter 27-2, identical to the splitter 27-1, mixed and interfere. The field intensity at the output of the interferometer 26 will be:
где I0 - интенсивность каждой из двух волн и .where I 0 is the intensity of each of the two waves and .
Обозначим через Ф(t) сумму трех фаз, т.е. и перепишем выражение (21):Denote by Φ (t) the sum of the three phases, i.e. and rewrite expression (21):
Интенсивность (22) преобразуется фотодиодом 33 в фототок. С помощью усилителя 34 фототок усиливается до уровня, необходимого для дальнейшей обработки фототока. На выходе усилителя ток может быть представлен какThe intensity (22) is converted by the photodiode 33 into a photocurrent. Using the amplifier 34, the photocurrent is amplified to the level necessary for further processing of the photocurrent. At the output of the amplifier, the current can be represented as
где η - квантовая эффективность ФД 33 и μ - коэффициент усиления буферного усилителя 34.where η is the quantum efficiency of PD 33 and μ is the gain of the buffer amplifier 34.
Электронное устройство обработки фототока 35 используется для формирования сигнала обратной связи Uf(t), несущего информацию о направлении и скорости движения Земли вокруг центра Галактики . В состав устройства 35 входят АЦП-1 43, контроллер 44 и ЦАП 45. Выход устройства 35 соединен с электродами фазового модулятора 32 и первым приемно-передающим устройством 36.An electronic photocurrent processing device 35 is used to generate a feedback signal U f (t) carrying information about the direction and speed of the Earth around the center of the Galaxy . The device 35 includes an ADC-1 43, a controller 44, and a DAC 45. The output of the device 35 is connected to the electrodes of the phase modulator 32 and the first transceiver 36.
Как можно видеть на Фиг.3., электронное устройство обработки фототока 35, фотоприемник 33, усилитель 34 и широкополосный фазовый модулятор 32, связанные оптическими и электрическими трактами, образуют контур обратной связи. Поясним функционирование контура обратной связи.As can be seen in Figure 3., the electronic device for processing the photocurrent 35, the photodetector 33, the amplifier 34 and the broadband phase modulator 32, connected by optical and electrical paths, form a feedback loop. Let us explain the operation of the feedback loop.
АЦП-1 43 преобразует ток от буферного усилителя в цифровой формат и подает сигнал на входа контроллера 44. Контроллер 44 - устройство, непосредственно вырабатывающее напряжение (сигнал) обратной связи Uf(t).The ADC-1 43 converts the current from the buffer amplifier into a digital format and supplies a signal to the inputs of the controller 44. Controller 44 is a device that directly generates feedback voltage (signal) U f (t).
Сигнал обратной связи Uf(t) формируется в результате стабилизации уровня тока i(t), а следовательно и оптического сигнала на выходе интерферометра - оптической интенсивности (22). Стабилизация оптического сигнала означает, что фаза Ф(t) в процессе работы также удерживается на фиксированном уровне. Положим, что оптическая интенсивность и ток остаются на «среднем» уровне:The feedback signal U f (t) is formed as a result of stabilization of the current level i (t), and therefore of the optical signal at the output of the interferometer, of optical intensity (22). The stabilization of the optical signal means that the phase Ф (t) during operation is also kept at a fixed level. We assume that the optical intensity and current remain at the “average” level:
и and
Это означает, что фаза Ф(t) в процессе измерений постоянна и равна:This means that the phase Ф (t) during the measurement process is constant and equal to:
где m - любое целое число.where m is any integer.
Инструментом стабилизации уровня тока является фаза φf(t), которая в режиме стабилизации должна определяться выражением: . Соответственно, сигнал обратной связи, т.е. напряжение Uf(t), будет определяться выражениемThe instrument for stabilizing the current level is the phase φ f (t), which in the stabilization mode should be determined by the expression: . Accordingly, the feedback signal, i.e. voltage U f (t) will be determined by the expression
Из (26) следует, что в режиме стабилизации сигнал обратной связи Uf(t) содержит интересующую нас разность фаз , которая может быть выделена и измерена.From (26) it follows that in the stabilization mode the feedback signal U f (t) contains the phase difference of interest to us which can be highlighted and measured.
Для стабилизации уровня тока контроллер 44, - цифровое устройство, - должен быть запрограммирован соответствующим образом. Один из возможных алгоритмов работы контроллера 44 заключается в сравнении текущего значения тока i(t) и уровня ist. Если текущая амплитуда i(t) меньше, чем уровень ist, то напряжение Uf(t) возрастает, если же, напротив, амплитуда i(t) больше, чем уровень ist, то напряжение Uf(t) убывает; в результате ток i(t) будет удерживаться в области около значения i0. Таким образом будет генерироваться напряжение, или сигнал обратной связи Uf(t), стабилизирующее ток (23) и позволяющее в конечном итоге измерять величину и знак сигналов (17, 19).To stabilize the current level, the controller 44, a digital device, must be programmed accordingly. One of the possible algorithms for the controller 44 is to compare the current value of current i (t) and level i st . If the current amplitude i (t) is less than the level i st , then the voltage U f (t) increases, if, on the contrary, the amplitude i (t) is greater than the level i st , then the voltage U f (t) decreases; as a result, the current i (t) will be held in the region near the value of i 0 . In this way, a voltage or feedback signal U f (t) will be generated, stabilizing the current (23) and ultimately measuring the magnitude and sign of the signals (17, 19).
ЦАП 45 служит для преобразования сигнал обратной связи Uf(t) из цифрового формата в аналоговый формат.DAC 45 is used to convert the feedback signal U f (t) from a digital format to an analog format.
Датчик угловой скорости вращения платформы - индукционного типа, состоящий из статора 39 (на консоли 40) и ротора 41. Статор 39 представляет катушку с обмоткой и сердечник, ротор 41 - зубчатый выступ на краю платформы 21, связанный с The sensor of the angular velocity of rotation of the platform is an induction type, consisting of a stator 39 (on the console 40) and a rotor 41. The stator 39 represents a coil with a winding and a core, the rotor 41 is a gear protrusion on the edge of the platform 21, connected with
направляющей 30. При приближении ротора 41 к статору 39 в обмотке последнего возникает импульсный сигнал, соответствующий фиксированному положению плеч интерферометра относительно статора 39.guide 30. As the rotor 41 approaches the stator 39, a pulse signal occurs in the winding of the latter, corresponding to a fixed position of the arms of the interferometer relative to the stator 39.
Датчик угловой скорости вращения платформы позволяет контролировать угловую скорость вращения платформы, а также, что очень важно, формировать опорное напряжение, необходимое для обработки сигнала обратной связи, выполняемой устройством 38 и, наконец, определять положение плеч интерферометра в плоскости вращения на каждом периоде вращения.The sensor of the angular velocity of rotation of the platform allows you to control the angular velocity of rotation of the platform, and also, very importantly, to form the reference voltage necessary for processing the feedback signal performed by the device 38 and, finally, to determine the position of the arms of the interferometer in the plane of rotation at each rotation period.
Радиоканал связи 42, - беспроводный канал связи, или bluetooth, - образован двумя приемно-передающими устройствами 36 и 37. По каналу связи 42 в одном направлении передается телеметрические данные о работе функциональных устройств, размещенных на вращающейся платформе, в том числе, передается параметры сигнала обратной связи Uf(t).The communication channel 42, a wireless communication channel, or bluetooth, is formed by two receiving and transmitting devices 36 and 37. Telecommunication data on the operation of functional devices located on a rotating platform is transmitted in one direction through a communication channel 42, including signal parameters feedback U f (t).
Назначением управляющего и вычислительного устройства 38 является управление работой всего устройства 20, определение направления и скорости движения и вывод данных в вышестоящую систему навигации. Блок-схема устройства 38 приведена на Фиг.4, в ее состав входят коммутатор сигналов 45, АЦП-2 46, цифровой процессор 47, синхронный демодулятор 48, АЦП-3 49 и устройство вывода 50.The purpose of the control and computing device 38 is to control the operation of the entire device 20, determining the direction and speed of movement and outputting data to a superior navigation system. The block diagram of the device 38 is shown in Figure 4, it includes a signal switch 45, ADC-2 46, a digital processor 47, a synchronous demodulator 48, ADC-3 49 and an output device 50.
Коммутатор сигналов 45 позволяет разделить сигналы, получаемые от приемно-передающего устройства 37 и направить их по соответствующему адресу: сигналы датчика скорости и сельсин-датчиков - через АЦП-2 к процессору 47, сигнал обратной связи Uf(t) - к синхронному демодулятору 48.The signal switch 45 allows you to separate the signals received from the transmitting and receiving device 37 and send them to the appropriate address: the signals of the speed sensor and selsyn sensors through ADC-2 to the processor 47, the feedback signal U f (t) to the synchronous demodulator 48 .
В процессоре 47 заложен алгоритм управления работой всех систем устройства 20. Синхронный демодулятор 48 используется для выделения из сигнала обратной связи Uf(t) сигнала на частоте вращения платформы с интерферометром.The processor 47 has an algorithm for controlling the operation of all systems of the device 20. A synchronous demodulator 48 is used to extract a signal from the feedback signal U f (t) at the rotational speed of the platform with an interferometer.
Как известно, синхронное демодулирование позволяет реализовать узкополосную фильтрацию сигнала известной частоты ω [3]. Процедура синхродемодулирования состоит в умножении сигнала обратной связи Uf(t) на опорный сигнал синусоидальной или прямоугольной формы и в последующем усреднении произведения двух сигналов на интервале времени Т. Пусть используется опорный сигнал прямоугольной формы, обозначим его как rect(ωt+θ); напряжение S на выходе синхронного демодулятора в этом случае будет:As is known, synchronous demodulation allows for narrow-band filtering of a signal of known frequency ω [3]. The synchro-demodulation procedure consists in multiplying the feedback signal U f (t) by a reference signal of a sinusoidal or rectangular shape and in the subsequent averaging of the product of two signals over a time interval T. Let a reference signal of a rectangular shape be used, denote it as rect (ωt + θ); the voltage S at the output of the synchronous demodulator in this case will be:
На Фиг.5 приведены эпюры двух сигналов rect(ωt+θ), соответствующих разным фазам - θ=0 и θ≠0. Можно видеть, что эти сигналы принимают лишь два значения «-1» и «+1» и имеют частоту ω. Спектральное разложение обоих сигналов представляет сумму нечетных гармоник, синусоидальных функций, начиная с первой гармоники на частоте ω. Именно первая гармоника позволяет выделить из сигнала обратной связи Uf(t) разность фаз , представляющую собой также синусоиду на частоте ω, тогда как вклады от всех других гармоник дадут при усреднении на интервале времени Т нуль.Figure 5 shows the diagrams of two rect signals (ωt + θ) corresponding to different phases - θ = 0 and θ ≠ 0. You can see that these signals take only two values "-1" and "+1" and have a frequency of ω. The spectral decomposition of both signals represents the sum of the odd harmonics, sinusoidal functions, starting with the first harmonic at a frequency ω. It is the first harmonic that makes it possible to isolate the phase difference from the feedback signal U f (t) , which is also a sinusoid at the frequency ω, while the contributions from all other harmonics will be given by averaging over the time interval T zero.
Опорные сигналы формируются процессором 47 с помощью импульсных сигналов датчика угловой скорости вращения. На Фиг.5 показано как импульсы этого датчика, возникающие в моменты tk, являются «запускающим» для опорного сигнала, фаза θ при этом задается процессором 47.The reference signals are generated by the processor 47 using the pulse signals of the angular rotation sensor. Figure 5 shows how the pulses of this sensor, arising at moments t k , are "triggering" for the reference signal, the phase θ is then set by the processor 47.
В соответствии с (27) вклады от постоянной фазы Фst и флуктуаций окажутся пренебрежительно малыми и поэтому результирующий сигнал можно представить какIn accordance with (27), the contributions from the constant phase Ф st and fluctuations turn out to be negligibly small and therefore the resulting signal can be represented as
причем положительное максимальное значение (28) будет иметь место при равенстве фаз θ и χ, т.е. при условии θ=χ.moreover, a positive maximum value (28) will take place when the phases θ and χ are equal, i.e. under the condition θ = χ.
Так как направление скорости движения V Ω априори не известно, то измерения будут начинаться при случайном положении плоскости вращения платформы относительно искомого направления скорости V Ω. В этом положении, варьируя фазу θ, - это просто делается, как только что отметили, с помощью процессора 47, - следует определить максимальное положительное значение сигнала на выходе синхронного демодулятора 48 и соответствующую фазу χ. Так как любое положение плоскости вращения в пространстве характеризуется азимутом δ и углом места ε, то полученное положительное максимальное значение (28) можно обозначить как S(δ,ε,χ); в соответствии с (19) и (28) этот сигнал будет функцией амплитуды Ψ и фазы χ:Since the direction of the speed of movement V Ω is not known a priori, the measurements will begin at a random position of the platform's plane of rotation relative to the desired direction of speed V Ω . In this position, by varying the phase θ — this is simply done, as just noted, by the processor 47 — the maximum positive value of the signal at the output of the synchronous demodulator 48 and the corresponding phase χ should be determined. Since any position of the rotation plane in space is characterized by the azimuth δ and elevation angle ε, the obtained positive maximum value (28) can be denoted as S (δ, ε, χ); in accordance with (19) and (28), this signal will be a function of the amplitude Ψ and phase χ:
причем отдельно амплитуда Ψ и угол χ пока останутся неизвестными.moreover, the amplitude Ψ and the angle χ will remain unknown for now.
Далее производится поиск положения плоскости (оси) вращения платформы, при котором сигнал S(δ,ε,χ) принимает максимальное значение. Очевидно, это положение будет соответствовать углу γ=0.Next, a search is made for the position of the plane (axis) of rotation of the platform at which the signal S (δ, ε, χ) takes the maximum value. Obviously, this position will correspond to the angle γ = 0.
Поиск может производиться различным образом. Например, путем методической перестройки положения плоскости вращения платформы по принципу строчной развертки, когда отдельной «строкой» будет перестройка по азимуту на малые углы Δδ при постоянном угле места ε, а следующая «строка» будет отличаться по углу места ε на величину Δε. В результате может быть покрыт весь диапазон, соответствующий изменению азимута [0°, 180°] и угла места [0°, 90°].Search can be made in various ways. For example, by methodically rearranging the position of the platform’s plane of rotation of the platform according to the horizontal scanning principle, when the separate “line” is the azimuthal adjustment of small angles Δδ at a constant elevation angle ε, and the next “line” will differ in elevation angle ε by Δε. As a result, the entire range corresponding to a change in azimuth [0 °, 180 °] and elevation [0 °, 90 °] can be covered.
Таким образом находят положение, соответствующее углу γ=0. Так как в найденном положении фаза χ равна фазе φ0 то полученный максимальный сигнал может быть записан как Smax(δ,ε,φ0).Thus, the position corresponding to the angle γ = 0 is found. Since in the found position the phase χ is equal to the phase φ 0, the resulting maximum signal can be written as S max (δ, ε, φ 0 ).
После этого нетрудно уже определить направление скорости движения V Ω. Здесь существенно то, что в течение всего времени измерения по сигналам сельсин-датчиков отслеживается положение плоскости (оси) вращения платформы с интерферометром, а по сигналам датчика скорости - позиция первой направляющей 30. Это позволяет однозначно определить искомое направление скорости V Ω - оно будет в найденной плоскости вращения интерферометра, т.е. в той плоскости, в которой сигнал S(δ,ε,χ) имеет максимальное значение Smax(δ,ε,φ0), и указываться вектором, повернутым относительно положения первой направляющей 30 на угол φ0 против направления вращения в моменты времени {tk}, соответствующие импульсам датчика скорости.After that, it is easy to determine the direction of the velocity V Ω . It is important here that during the entire measurement time, the position of the plane (axis) of rotation of the platform with the interferometer is monitored by the signals of the selsyn sensors, and the position of the first guide 30 is detected by the signals of the speed sensor. This allows you to uniquely determine the desired direction of speed V Ω - it will be in the found plane of rotation of the interferometer, i.e. in the plane in which the signal S (δ, ε, χ) has a maximum value of S max (δ, ε, φ 0 ), and is indicated by a vector rotated relative to the position of the first guide 30 by an angle φ 0 against the direction of rotation at times { t k } corresponding to the pulses of the speed sensor.
Для определения абсолютной величины скорости движения V Ω нужно вычислить амплитуду Ψmax:To determine the absolute value of the speed of movement V Ω you need to calculate the amplitude Ψ max :
которая, в свою очередь, позволит определить скорость:which, in turn, will determine the speed:
Описанный алгоритм определения направления и скорости движения V Ω, вероятно, не оптимальный, так как, по-видимому, в подавляющем числе возможных применений The described algorithm for determining the direction and speed of movement V Ω is probably not optimal, since, apparently, in the vast majority of possible applications
данного устройства будет необходимо измерять только направление скорости, тогда как величина скорости движения V Ω будет известной - это постоянная скорость движения Земли вокруг центра Галактики. Соответственно, в этом случае еще до начала измерений будет известна амплитуда Ψ.of this device, it will be necessary to measure only the direction of speed, while the magnitude of the velocity of motion V Ω will be known - this is the constant velocity of the Earth around the center of the Galaxy. Accordingly, in this case, the amplitude Ψ will be known even before the start of measurements.
Следовательно, в первом же, исходном, положении плоскости вращения измерение сигнала S(δ,ε,χ) позволит с помощью (29) определить угол γ. Дальнейшие измерения можно выполнить значительно быстрее, перемещая ось вращения платформы по боковой поверхности конуса под углом 90°-γ относительно начального положения оси вращения. Максимальное значение сигнала синхронного демодулятора снова укажет искомое положение, соответствующее углу γ=0.Therefore, in the first, initial, position of the plane of rotation, the measurement of the signal S (δ, ε, χ) will allow using (29) to determine the angle γ. Further measurements can be performed much faster by moving the axis of rotation of the platform along the lateral surface of the cone at an angle of 90 ° -γ relative to the initial position of the axis of rotation. The maximum value of the synchronous demodulator signal will again indicate the desired position corresponding to the angle γ = 0.
Устройство вывода 50 предназначено для выдачи полученных данных о направлении и скорости V Ω в систему навигации корабля, самолета или космического корабля, на борту которых может использоваться рассматриваемое устройство.The output device 50 is designed to provide the received data on the direction and speed V Ω to the navigation system of the ship, aircraft or spacecraft, on board which the device in question can be used.
Отметим, что собственная скорость движения транспортного средства, а также движение Земли вокруг Солнца могут внести ошибку в рассмотренные выше измерения, но величина ошибки не будет большой, так как соответствующие скорости на два порядка, минимум, меньше скорости движения Земли вокруг центра Галактики V Ω≈250 км/с.Note that the vehicle’s own speed of movement, as well as the movement of the Earth around the Sun, can introduce an error into the measurements discussed above, but the error value will not be large, since the corresponding speeds are two orders of magnitude lower than the speed of the Earth around the center of the Galaxy V Ω ≈ 250 km / s
Заключая, следует сказать, что на основе предлагаемого устройства могут быть созданы новые навигационные и геодезические системы, которые позволят определять местоположение, ориентацию опорных осей транспортного средства или других объектов относительно принятой системы координат, величину и направление скорости движения, направление и расстояние до цели и т.д. Предлагаемое устройство будет дополнением существующих астрономических оптических устройств, имеющих недостаток, что для их работы необходима хорошая видимость небесных светил. Данное устройство может найти применение в мореходной, авиационной и космической навигации, а также стать новым инструментом исследований в астрофизике.In conclusion, it should be said that, based on the proposed device, new navigation and geodetic systems can be created that will determine the location, orientation of the support axes of the vehicle or other objects relative to the adopted coordinate system, magnitude and direction of speed, direction and distance to the target, and t .d. The proposed device will complement existing astronomical optical devices having the disadvantage that their work requires good visibility of the celestial bodies. This device can find application in navigational, aviation and space navigation, as well as become a new research tool in astrophysics.
Рассмотренный вариант реализации устройства для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики поясняет принцип работы данного устройства (полезной модели) и возможные применения. Специалистам должно быть очевидно, что в рамках настоящего изобретения возможны альтернативные варианты и модификации.The considered embodiment of the device for determining the direction and speed of the Earth around the center of the Galaxy explains the principle of operation of this device (utility model) and possible applications. It will be apparent to those skilled in the art that alternatives and modifications are possible within the scope of the present invention.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007142217/22U RU82860U1 (en) | 2007-11-15 | 2007-11-15 | DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION AND SPEED OF MOVEMENT OF THE EARTH AROUND THE CENTER OF THE GALAXY |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007142217/22U RU82860U1 (en) | 2007-11-15 | 2007-11-15 | DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION AND SPEED OF MOVEMENT OF THE EARTH AROUND THE CENTER OF THE GALAXY |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU82860U1 true RU82860U1 (en) | 2009-05-10 |
Family
ID=41020597
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007142217/22U RU82860U1 (en) | 2007-11-15 | 2007-11-15 | DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION AND SPEED OF MOVEMENT OF THE EARTH AROUND THE CENTER OF THE GALAXY |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU82860U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111427005A (en) * | 2020-04-22 | 2020-07-17 | 中国人民解放军空军研究院战略预警研究所 | Rotary direction finding device, system and information reconnaissance equipment |
-
2007
- 2007-11-15 RU RU2007142217/22U patent/RU82860U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111427005A (en) * | 2020-04-22 | 2020-07-17 | 中国人民解放军空军研究院战略预警研究所 | Rotary direction finding device, system and information reconnaissance equipment |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Stockton et al. | Absolute geodetic rotation measurement using atom interferometry | |
| JP6162893B2 (en) | Dynamic monitoring and derivation of interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) instantaneous zero rotational speed voltage under uniform influence of rotational speed | |
| US9952154B2 (en) | Separated parallel beam generation for atom interferometry | |
| EP0566757A1 (en) | Optical interface configuration for rate sensor apparatus | |
| EP0830570B1 (en) | Proper frequency tracker for fiber optic sensing coil | |
| EP0990118A1 (en) | Vibration error reduction servo for a fiber optic gyroscope | |
| Jaroszewicz et al. | AFORS autonomous fibre-optic rotational seismograph: Design and application | |
| CN111316511A (en) | Lidar and laser measurement techniques | |
| Merlo et al. | Fiber gyroscope principles | |
| EP3086091B1 (en) | Rotationally biased fiber optic gyroscope | |
| RU82860U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION AND SPEED OF MOVEMENT OF THE EARTH AROUND THE CENTER OF THE GALAXY | |
| Maraner | The effect of rotations on Michelson interferometers | |
| JP2001066142A (en) | Resonance-type optical gyro | |
| Ayswarya et al. | A survey on ring laser gyroscope technology | |
| JP3415461B2 (en) | Resonant optical fiber gyro | |
| KR20100004318A (en) | Depolarized fiber-optic gyroscope | |
| Pavlath | Challenges in the development of the IFOG | |
| Sa-Ngiamsak et al. | Micro-optical gyroscope using a PANDA ring resonator | |
| Hotate | Passive and active resonator fiber optic gyros | |
| Wang et al. | Lock‐In Amplifier Technology in Laser Gyroscope North Finder of Constant Rate Biasing | |
| US11187530B2 (en) | Optical gimbal | |
| Nayak et al. | Advanced optical gyroscopes | |
| RU2815704C1 (en) | Fibre optical angular velocity sensor without modulator | |
| Savage | Simplified Description Of Optical Gyros–A Rigorous Analytical Development Without Vector Calculus | |
| Kumagai et al. | Development of an optical gyrocompass using a high-sensitivity fiber optic gyroscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20090329 |