Açık-döngü fiber optik dönüölçer sistemi geliştirilmesi ve göreceli yoğunluk gürültüsü analizi
Development of an open-loop fiber optic gyroscope system and relative intensity noise analysis
Yazar: ABDULKADİR YENTÜR
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM TUNA ÖZDÜR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Fiber optik dönüölçer sistemleri özellikle yüksek hassasiyet ve doğruluk gerektiren uygulamalarda, örneğin askeri platformlarda, havacılık ve navigasyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, açık döngü bir fiber optik dönüölçer sisteminin geliştirilmesi ve bu sistemlerdeki göreceli yoğunluk gürültüsü analizine odaklanılmıştır. Navigasyon seviyedeki bir fiber optik dönüölçer sistemi deneysel ve simülasyon ortamında kurulmuş ve elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Kurulan fiber optik dönüölçer sisteminde yaklaşık olarak 1 km uzunluğunda fiber sarım bulunmakta ve benzetim çalışmalarının deneysel sisteme uygun olarak optimize edilmiştir. Simülasyon çalışmaları, VPI Photonics yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. VPI Photonics, optik ve fotonik sistemlerin tasarımı ve analizi için güçlü bir simülasyon platformu sunmaktadır. Bu çalışmada, fiber optik dönüölçerlerde yaygın olarak kullanılan yükseltilmiş kendiliğinden emisyonlu ışık kaynağı tasarımları oluşturulmuş ve farklı konfigürasyonlar ile elde edilen simülasyon ve deneysel sonuçlar incelenmiştir. Farklı ışık kaynağı tasarımlarının göreceli yoğunluk gürültüsü üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Bu gürültü analizlerinde, sistemde kullanılan ışık kaynağının optik spektral bant genişliğinin gürültü seviyesine etkisi incelenmiş ve elde edilen sonuçlar teorik hesaplamalarla desteklenmiştir. Daha sonra açık döngü bir fiber optik dönüölçer tasarımı yapılarak simülasyon ve deneysel sistem modelleri hazırlanmıştır. Dünya dönü hızlarının algılanması için sensör biriminin farklı açısal konumlandırılması göre 0 derece/saat ile 15 derece/saat hız aralığında ölçümler yapılmış ve elde edilen sonuçlar analiz edilmiştir. Laboratuvar ortamında optik masa üzerinde yapılan deneysel dünya dönüsü testleri ile simülasyon modeli sonuçlarının büyük oranda uyuştuğu gözlemlenmiştir. Daha sonra fiber optik dönüölçer performansını belirleyen bir değer olan açısal rastgele yürüyüş katsayısını iyileştirilmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bu değeri etkileyen en önemli faktörlerden biri de sistemdeki ışık kaynağının göreceli yoğunluk gürültüsüdür. Fiber optik dönüölçer sistemlerinin performansını etkileyen göreceli yoğunluk gürültüsünü düşürmek için yarı iletken optik amplifikatörler kullanılarak yenilikçi bir ışık kaynağı tasarımı yapılmış ve sistem performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Gürültü düşürme yapılmamış ışık kaynağı ve gürültü seviyesi düşürülmüş ışık kaynağının testleri laboratuvar ortamında uzun süreli veri toplayarak gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar analiz edilerek fiber optik dönüölçer sisteminin performansında önemli iyileştirmeler yapılmıştır.

Abstract:
Fiber optic gyroscope systems are widely used in applications requiring high precision and accuracy, such as military platforms, aviation, and navigation systems. This thesis focuses on the development of an open-loop fiber optic gyroscope system and the analysis of relative intensity noise in these systems. A navigation-grade fiber optic gyroscope system was established in an experimental and simulation environment and the obtained results were examined. The established fiber optic gyroscope system has approximately 1 km of fiber coil and the simulation studies were optimized by the experimental system. Simulation studies were performed using VPI Photonics software. VPI Photonics offers a powerful simulation platform for the design and analysis of optical and photonic systems. In this study, amplified spontaneous emission light source designs, widely used in fiber optic gyroscopes, were established, and simulation and experimental results with different configurations were examined. The effects of varying light source designs on relative intensity noise were also investigated. In these analyses, the impact of the optical spectral bandwidth of the light source on the noise level was investigated and the obtained results were supported by theoretical calculations. Then, an open-loop fiber optic gyroscope design was built, and simulation and experimental system models were prepared. In order to detect the Earth's rotation speeds, measurements were made between 0 degrees/hour and 15 degrees/hour according to different angular positioning of the sensor unit, and the obtained results were analyzed. It was observed that the experimental Earth rotation tests performed on the optical table in the laboratory environment and the simulation model results were largely similar. Later, studies were carried out to improve the angular random walk coefficient, which is a value that determines the performance of the fiber optic gyroscope. One of the most important factors affecting this value is the relative intensity noise of the light source in the system. An innovative light source design was made using semiconductor optical amplifiers to reduce the relative intensity noise affecting the performance of fiber optic gyroscope systems and its effects on the system performance were investigated. The tests of the light source without noise reduction and the light source with reduced noise level were carried out by collecting long-term data in the laboratory environment and the obtained results were analyzed and significant improvements were made in the performance of the fiber optic gyroscope system.