Развитие инерциальных сенсоров на базе кольцевых резонаторов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-19-00460

НазваниеРазвитие инерциальных сенсоров на базе кольцевых резонаторов

Руководитель Венедиктов Владимир Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" , г Санкт-Петербург

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-606 - Навигация, наведение и управление подвижными объектами

Ключевые слова Микрооптический гироскоп, пассивный кольцевой резонатор, конфокальный кольцевой резонатор, микромеханический акселерометр, поверхностные акустические волны, лазерное излучение, PT-симметрия, вибростойкость, навигационная система, компьютерное моделирование

Код ГРНТИ59.31.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект посвящен проблеме разработки нового поколения инерциальных систем навигации и управления движением: компактных, не содержащих никаких подвижных частей и ударо- и виброустойчивых. Все чаще возникает необходимость в ориентации и навигации малогабаритных подвижных объектов. При этом непрерывно снижается размер управляемых объектов, что в свою очередь требует все более и более компактных инерциальных систем навигации и ориентации. Также наблюдается тенденция в развитии современных транспортно-логистических систем, заключающаяся в уменьшении складских площадей, увеличении скорости и динамики товаропотоков, уменьшении размеров и автоматизации средств доставки товара конечному потребителю. Кроме того, есть ряд задач, связанных с управлением маневренными объектами, для которых характерно движение с высокими и сверх высокими ускорениями и вибрациями. Также важно обеспечить в условиях высоких ускорений и вибраций (в предаварийных режимах работы) устойчивое управление объектами, которые в штатных условиях имеют низкую динамику движения, но крушение которых недопустимо. Таким образом, современная экономика требует развития мини- и микро-сенсорики для управления высоко динамичными техническими системами, в том числе беспилотными летательными аппаратами, мобильными роботами и т.д. Все это обуславливает актуальность научной проблемы предлагаемого проекта в рамках двух направлений из Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: во-первых «Н6 Связанность территории Российской Федерации за счет создания интеллектуальных транспортных и телекоммуникационных систем, а также занятия и удержания лидерских позиций в создании международных транспортно-логистических систем, освоении и использовании космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики», во вторых «Н1 Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта». Компактная и притом ударо- и виброустойчивая инерциальная система требует применения инерциальных микросенсоров (микрогироскопов и микроакселерометров), способных функционировать и оценивать параметры движения высокодинамичного объекта в экстремальных условиях, а именно: при значительных ударных и вибрационных воздействиях, при перегрузках выше сотен g (иногда вплоть до десятков тысяч g) и угловых скоростях выше нескольких тысяч град/сек. Сейчас компактные навигационные системы создаются с использованием микромеханических датчиков. Но наличие у чувствительных элементов таких микросенсоров инерционных масс и элементов их подвеса делает принципиально уязвимыми микросенсоры к ударам и вибрациям. В описанных выше условиях современные микромеханические гироскопы не выдерживают свои характеристики, оказываются неработоспособными или даже ломаются. Построение действительно ударо- и виброустойчивой инерциальной системы требует использования в ее составе монолитных инерциальных чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров), у которых бы отсутствовали подвижные части (инерционная масса и элементы ее подвеса). К таким сенсорам можно отнести пассивные микрооптические гироскопы и микроакселерометры на поверхностных акустических волнах. При этом чувствительным элементом пассивных микрооптических гироскопов является оптический кольцевой резонатор. Также проведенные ранее исследования показали, что при измерении высоких и сверх высоких вибрационных и ударных воздействий в качестве чувствительного элемента микроакселерометров на поверхностных акустических волнах оптимально использовать акустический кольцевой резонатор. В связи с этим значительным вкладом в решение обозначенной выше проблемы видится развитие монолитных инерциальных микросенсоров на базе кольцевых резонаторов. Новизна предлагаемых исследований обусловлена новизной запланированных в проекте результатов. В частности, в рамках проекта планируется исследовать микрооптические резонаторные гироскопы, работающие на основе способов измерения угловой скорости, открытых ранее коллективом проекта. В рамках проекта будет разработан, создан и исследован первый в мире прототип микрооптического гироскопа на основе кольцевого конфокального резонатора. Новизна с точки зрения развития акустических акселерометров обусловлена исследованием анизотропии подложки на свойства микроакселеромеров на поверхностных акустических волнах, учетом этого влияния при оптимизации топологии чувствительного элемента, методикой расчета микроакселерометра на поверхностных акустических волнах и разработкой и исследованием макетного образца микроакселерометра с акустическим кольцевым резонатором. Также новизна обусловлена тем, что в рамках проекта будет проведен анализ путей применения свойств PT-симметрии и ее нарушения в инерциальных сенсорах на базе кольцевых резонаторов. При этом планируется проанализировать возможные преимущества и недостатки, которые может дать применение PT-симметрии при измерении угловой скорости с помощью оптических кольцевых резонаторов. Также планируется рассмотреть потенциал применения свойств PT-симметрии и ее нарушения в акселерометрах на поверхностных акустических волнах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ахмадиев Т.М., Филатов Ю.В., Кукаев А.С., Шалымов Е.В., Венедиктов В.Ю. Simulation and investigation of the resonator gyro Proc. SPIE, 11554,115540N (2020) (год публикации - 2020)
10.1117/12.2573938

2. Филатов В.Ю., Кукаев А.С., Венедиктов Ю.В., Шалымов Е.В. Microoptical Gyros Based on Passive Ring Cavities 2020 DGON INERTIAL SENSORS AND SYSTEMS (ISS), P03 (год публикации - 2020)
10.1109/ISS50053.2020.9244887

3. Шевченко С.Ю., Михайленко Д.А., Лукьянов Д.П. Выбор материала чувствительных элементов акселерометров на основе ПАВ Известия вузов России. Радиоэлектроника (год публикации - 2020)

4. Кукаев А.С., Лукьянов Д.П., Михайленко Д.А., Сафронов Д.В., Шевченко С.Ю., Венедиктов В.Ю., Власов А. Formation of a complex topologies of SAW-based inertial sensors by local laser thin film evaporation Micromachines (год публикации - 2020)

Публикации

1. Ахмадиев Т.М.,Филатов Ю.В., Шалымов Е.В., Венедиктов В.Ю., Венредиктова А.В. Methods for measuring angular velocity based on the use of optical parity-time-symmetry systems Proceedings of SPIE, Proc. SPIE 11901, Advanced Sensor Systems and Applications XI, 1190109 (9 October 2021) (год публикации - 2021)
10.1117/12.2601386

2. Ахмадиев Т.М., Филатов Ю.В., Шалымов Е.В., Венедиктов В.Ю. Investigation of the influence of resonator losses and coupling coefficient on the characteristics of an optical resonator gyroscope with a Mach-Zehnder modulator PIERS PROCEEDINGS Progress In Electromagnetics Research Symposium, Proceedings of PIERS 2021 in Hangzhou, on 22 November 2021, published on IEEE Xplore. (год публикации - 2021)

3. Шевченко С.Ю., Михайленко Д.А. Topological Optimization of Circular SAW Resonators: Over3 coming the Discreteness Effects Sensors MDPI (год публикации - 2022)

4. Гаврильева К.Н., Севрюгин А.А., Шалымов Е.В., Соколов А.Л., Венедиктов В.Ю. Vector vortices production with the use of roof prisms with phase-shifting coating PIERS PROCEEDINGS Progress In Electromagnetics Research Symposium, Proceedings of PIERS 2021 in Hangzhou, on 22 November 2021, published on IEEE Xplore. (год публикации - 2021)

Публикации

1. Филатов Ю.В., Кукаев А.С., Шалымов Е.В., Венедиктов В.Ю.. Investigation of a ring confocal resonator sample designed to work as an optical resonator gyroscope sensitive element Proceedings of SPIE, vol.12274, 122740X-1 - 122740X-7 (год публикации - 2022)
10.1117/12.2635922

2. Филатов Ю.В.. Кукаев А.С., Шалымов Е.В.. Венедиктов В.Ю. Analysis of the characteristics of an optical monoblock ring confocal resonator Proceedings of SPIE, Vol.12321 (год публикации - 2022)

3. Филатов Ю.В., Кукаев А.С., Шалымов Е.В., Венедиктов В.Ю. Evaluation of Parasitic Effects in a Ring Confocal Resonator when Operating as A Gyroscope Sensing Element Proceedings of 2022 International Conference Laser Optics (ICLO), IEEExplore 978-1-6654-6664-6/22 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840123

4. Гаврильева К.Н., Севрюгин А.А., Соколов А.Л., Шалымов Е.В., Венедиктов В.Ю. Scalar vortex generation using retrorefectors Proceedings of 2020. 2022 International Conference Laser Optics (ICLO), 2022 International Conference Laser Optics (ICLO) | 978-1-6654-6664-6/22/$31.00 ©2022 IEEE | DOI: 10.1109/ICLO54117.2022.9840334 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840334

5. Ахмадиев Т.М., Шалымов Е.В. Перспективны применения PT-симметрии и ее нарушения в оптических гироскопах Труды 23 конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Ст.-Петербург, 2021 г., стр.202-204 (год публикации - 2021)

6. Филатов Ю.В., Хорошева Е.А., Шалымов Е.В., Венедиктова А.В., Венедиктов В.Ю. Influence on the parameters of the optical resonator gyroscope of the characteristics of the system with the properties of parity-time-symmetry, which is used in it Proceedings of SPIE, Vol. 12274 122740W-1 - 122740W-6 (год публикации - 2022)
10.1117/12.2635919

7. Шевченко С.Ю., Михайленко Д.А. Оптимальный габаритный параметр кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах Известия вузов России. Радиоэлектроника. (год публикации - 2022)

8. Филатов Ю.В., Гончарова П.С., Гилев Д.Г., Криштоп В.В., Кукаев А.С., Овчинников К.А., Севрюгин А.А., Шалымов Е.В.. Венедиктов В.Ю. Prototype of an optical resonator gyroscope with a Mach-Zehnder modulator and its sensitive elements Photonics MDPI (год публикации - 2023)