姿态检测是飞机和航天器导航中的关键因素。飞机的运动包括平移部件(其质量中心相对于地球的运动)和旋转部件(飞机围绕其质量中心的旋转)。姿态检测是对飞机运动的旋转分量的测量,并且根据任务,这种测量可能需要极其准确。计算机仿真技术的进步使得建立高保真数值模拟的惯性导航和态度控制系统的高保真数值模拟,通常被发现的飞机和航天器。

图1.沿圆形的圆形和逆时针传播的光,圆形也旋转。

也许没有设备演示了需要准确地捕获模拟域的非惯性运动以及谦逊的锯齿干涉仪。SAGNAC干涉仪的基本操作原理,SAGNAC效应,也在环形激光陀螺(RLG)和光纤陀螺(雾),已成为飞机和空间行程中标准工具的装置的操作。RLG既高度准确,因为它不依赖于机械陀螺仪的移动部件,相对便宜且易于维护。

在最简单的形式中,Sagnac干涉仪具有以下组件:

  • 光源;

  • 分束器将光源分成两个不同的路径,并以后重新组合它们;

  • 一组镜子,通常总共有两三个。

分束器和镜子包括三角形或矩形路径,其在两个方向上遵循灯。同时,整个装置(加上飞机或航天器它是船上的)也以某种角速度旋转。通过观察沿着每个不同的路径行驶的光线如何干扰另一条路径,您可以将旋转系统的角速度推向极高的精度。测量这些微小的旋转是姿态检测和控制中的重要任务。

旋转几何形状建模光传播

如何预测镜子,棱镜和束分离器的旋转组件中光的路径?首先,让我们假设旋转比光速慢得多(所以我们不需要深入了解相对论的理论),但仍然足够快,我们需要考虑动议。(为了了解所涉及的数量级,注意,在某些航空航天应用中,每小时少于一个度数的角速度可能非常显着。)至少想到两种选择:

  1. 在非惯性参考框架中重构用于光传播的方程,或

  2. 随着光线传播,实时将几何形状旋转。

差异基本上是在连接到干涉仪(1)或空间固定的“实验室”框架(2)的非惯性或身体固定参考框架中的模拟之一。在这两种可能性中,选择(2)更容易实现,因此这是我们将采用Sagnac干涉仪的光学模拟的方法。

图2. Sagnac干涉仪几何图的图。

COMSOL Multiphysics.®软件是一种特别有效的工具,用于建模几何形状移动或变形,如SAGNAC干涉仪和RLG,因为将变换几何形状的集成到模型中是完全无缝的。由于需要这种类型的分析,例如热应力,流体 - 结构相互作用,电沉积,多相流,压电装置,因此始终将变形和移动几何形状的处理始终保持为极高的标准一些。因此,在移动几何形状中的精确跟踪光线可以像输入角速度的值一样简单,然后计算光线路径。

SAGNAC效应:基本理论

可视化SAGNAC效果的最简单方法是想象,例如,光被约束以在圆形的圆周周围的任一方向上移动,例如由光纤电缆连接。在图1中,光在任一方向从点P0释放。顺时针路径显示为虚线,而逆时针路径被示为厚实线。这些是反向光的光线,因为它们在相反方向上环绕圆圈。

环激光陀螺仪(照片:Safran电子和国防)

如果环没有移动,则两个光路将在相对侧交叉一次,然后在初始点P0处第二次。但假设环绕其中心逆时针旋转,而具有一些角速度。如果我们在光传播时遵循点P0的运动,我们会发现它在顺时针光束返回它时达到了新的位置P1。通过逆时针束返回它,P0达到另一个不同的位置P2。P2比P0更远,因为圆周本身逆时针旋转。

正式地,SAGNAC效应比上述示例更广泛。逆后光线遵循的路径可以是任何形状,并且两条光线之间的时间延迟与环包围的区域成比例。此外,旋转可以是关于任何点,而不仅仅是中心,并且将看到相同的效果。

射线光学仿真示例

在该示例中,代替圆形,光线现在横向横销三角形的周边,其中顶点是两个镜子和分束器(图2)。

两个反向磁束开始作为穿过分束器的光线。这产生了两种相等强度的光线。在它们离开分束器的瞬间,两个光线都具有相同的位置,两者都处于相位。但是因为镜子旋转,当光线返回到分束器时,存在一些光路差,因此它们之间的相位差。从相位差来看,我们可以推导出节拍频率,比直接比较光路长度更容易测量。

易于自动化光线跟踪分析,以便通过进行A通过进行一些所选模型参数来运行大量值参数扫。参数扫描在角速度的不同值,从相当慢到极快,如图3所示。相应的节拍频率显示出与理论值的良好协议。通过改变镜子之间的间隔,可以示出该线的斜率与由反向传播光线包围的三角形区域的面积成比例。

图3.参数扫描结果

期待

SAGNAC效应是在其核心的相对论效应中,但是当涉及的旋转与光速相比,当旋转几何形状中的光线跟踪模拟可以精确地预测它。这使得射线光学仿真是一种可行的工具,用于分析像Sagnac干涉仪的惯性导航系统。

在航空航天系统中使用的类型的现实惯性导航系统比前示例中所示的两个镜子的分束器的基本布置更复杂。显然需要外部结构来维持光学部件的相对位置。INS不单独操作,而是在非常有限的空间内与其他敏感设备一起安装。INS还可以在恶劣的环境中操作,其中可能受到外部结构,热或​​电磁现象的影响。由于这些不同的物理现象,Sagnac干涉仪或环激光陀螺仪的解耦射线追踪分析仅仅是分析的一步;应始终以高保真的目标进行耦合的多体型模拟。

本文是由Christopher Boucher,Technice产品经理,Com-Sol(Burlington,MA)编写的。有关更多信息,请联系Boucher先生此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在2018年11月的问题光子和成像技术杂志。

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