книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

тура; с – скорость света. В результате величина сдвига интерференционных полос ∆z определяется выражением

где λ0 – длина волны света в вакууме. Регистрация малых угловых скоростей вращения требует большой площади контура, поэтому практическое использование эффекта Саньяка стало осуществимым лишь с появлением волоконных световодов.

Сдвиг интерференционных полос пропорционален числу витков световода в катушке, не зависит от положения оси вращения относительно центра катушки, от формы площади катушки S, от показателя преломления света (без учета дисперсии) и записывается в виде

где Lс – длина оптического волокна; R – радиус катушки. Многовитковая катушка с волоконным световодом, обес-

печивающая стабильность поляризации и разности фаз интерферирующих волн, является чувствительным элементом ВОГ. Ее контур образован нитью оптического волокна длиной Lс, намотанного на цилиндр радиусом R. В соответствии с рис. 11.21 излучение лазерного диода подается на светоделитель и разделяется на два луча. Эти лучи, обошедшие контур в противоположных направлениях, рекомбинируют на светоделителе и смешиваются в фотодетекторе, преобразующем оптический сигнал в электрический – выходной ток фотодетектора повторяет изменения интенсивности (мощности) входного излучения. Таким образом, значения выходного тока пропорциональны в конечном счете угловой скорости вращения контура Ω. Электронное устройство обработки информации может вычислять угол поворота контура θ , скорость угла поворота и другие характеристики объекта, на котором установлен ВОГ.

301

гации, управления и стабилизации, ВОГ обладает следующими преимуществами:

–малые габариты и масса конструкции благодаря возможности создания ВОГ полностью на интегральных оптических схемах;

–невысокая стоимость производства и конструирования при массовом изготовлении иотносительнаяпростотатехнологии;

–предельно малое потребление энергии, что имеет немаловажное значение при использовании ВОГ на борту;

–отсутствие вращающихся механических элементов (роторов) и подшипников, что повышает надежность и удешевляет производство;

–практически мгновенная готовность к работе, поскольку не затрачивается время на раскрутку ротора;

–высокая чувствительность (точность) прибора, составляющая около 10–4 град/ч;

–большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей (от 1 град/ч до 300 град/с);

–нечувствительность к большим линейным ускорениям и, следовательно, работоспособность в условиях высоких механических перегрузок;

–высокую помехоустойчивость, нечувствительность к мощным внешним электромагнитным воздействиям из-за диэлектрической природыволокна;

–слабую подверженность проникающей гамма-нейтронной радиации, особенно в диапазоне 1,3 мкм.

Вопросы для самоконтроля

1.Почему на практике применяется волоконный световод, состоящий из сердцевины и оболочки?

2.Что такое «профиль показателя преломления волоконного световода»?

3.Какой волоконный световод (оптическое волокно) называется ступенчатым и какой градиентным?

303

4.Для чего на оптическое волокно наносят полимерное покрытие?

5.Каковы причины возникновения световых потерь в волоконном световоде и в каких единицах они измеряются?

6.Какой режим работы волоконного световода называется одномодовым и какой – многомодовым?

7.Чем определяется число направляемых мод в волоконных световодах?

8.Как определить границы одномодового режима?

9.В каких пределах находятся величины фазовых и групповых скоростей направляемых мод и чем объясняется их зависимость от длины волны излучения?

10.Как проявляется в оптическом волокне хроматическая

имежмодовая дисперсия?

11.В чем состоит технология спектрального уплотнения в волоконно оптических линиях связи?

12.Как определяется числовая апертура ступенчатого и градиентного волоконного световода? Что характеризует эффективная числовая апертура?

13.Какие материалы используют для изготовления волоконных световодов? Факторы, влияющие на механическую прочность оптического волокна.

14.Какими методами изготавливают заготовки для оптических волокон?

15.Как осуществляется вытяжка оптических волокон и наноситсязащитноеполимерное покрытие?

16.Эффект Саньяка и принцип работы волоконного оптического гироскопа.

17.Каковы преимущества волоконного оптического гироскопа по сравнению с электромеханическим гироскопом?

304

ЧАСТЬ 4. ОСНОВЫ ОПТОИНФОРМАТИКИ

ИВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

12.ОСНОВЫ ОПТОИНФОРМАТИКИ

12.1. Предмет и задачи информатики

Информатика – это техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.

Из этого определения видно, что информатика очень близка к технологии, поэтому ее предмет нередко называют информаци-

онной технологией.

Предмет информатики составляют следующие понятия:

–аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;

–программноеобеспечениесредстввычислительнойтехники;

–средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

–средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

Как видно из этого списка, в информатике особое внимание уделяется вопросам взаимодействия. Для этого даже есть специальное понятие – интерфейс. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами называют

пользовательским интерфейсом. Соответственно существуют аппаратные интерфейсы, программные интерфейсы и аппарат- но-программные интерфейсы.

Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит

305

в выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в методическом обеспечении новых технологических исследований.

Информатика – практическая наука. Ее достижения должны проходить подтверждение практикой и приниматься в тех случаях, когда они соответствуют критерию повышения эффективности. Всоставе основной задачи информатики сегодня можно выделить следующие направления дляпрактических приложений:

–архитектура вычислительных систем (приемы и методы построения систем, предназначенных для автоматической обработки данных);

–интерфейсы вычислительных систем (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением);

–программирование (приемы, методы и средства разработки компьютерных программ);

–преобразование данных (приемы и методы преобразования структур данных);

–защита информации (обобщение приемов, разработка методов и средств защиты данных);

–автоматизация (функционирование программно-аппарат- ных средств без участия человека);

–стандартизация (обеспечение совместимости между аппаратными и программными средствами, а также между форматами представления данных, относящихся к различным типам вычислительных систем).

На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для информатики ключевым понятием является эффективность. Для аппаратных средств под эффективностью понимают отношение производительности оборудования к его стоимости (с учетом стоимости эксплуатации и обслуживания). Для программного обеспечения под эффективностью понимают производительность лиц, работающих с ними (пользователей). В программировании под эффективностью понимают

306

объем программного кода, создаваемого программистами в единицу времени.

В информатике все жестко ориентировано на эффектив-

ность. Вопрос, как выполнить ту или иную операцию, для инфор-

матики является важным, но не основным. Основным же является вопрос, как сделать данную операцию эффективной.

Слово информатика происходит от французского слова Informatique, образованного в результате объединения терминов

Information (информация) и Automatique (автоматика), что вы-

ражает ее суть как науки об автоматической обработке информации. Кроме Франции, термин информатика используется в ряде стран Восточной Европы. В то же время в большинстве стран Западной Европы и США используется другой термин –

Computer Science (наука о средствах вычислительной техники).

Одним из источников информатики является кибернетика (от греч.: kyberneticos – искусный в управлении). Основы близкой к информатике технической науки кибернетики были заложены трудами по математической логике американского математика Норберта Винера, опубликованными в 1948 году.

Впервые термин кибернетика ввел французский физик Андре Мари Ампер в первой половине XIX века. Он занимался разработкой единой системы классификации всех наук и обозначил этим термином гипотетическую науку об управлении, которой в то время не существовало, но которая, по его мнению, должна была существовать. Сегодня предметом кибернетики являются принципы построения и функционирования систем автоматического управления, а основными задачами – методы моделирования процесса принятия решений техническими средствами, связь между психологией человека и математической логикой, связь между информационным процессом отдельного индивидуума и информационными процессами в обществе, разработка принципов и методов искусственного интеллекта. На практике кибернетика во многих случаях опирается на те же программные и аппаратные средства вычислительной техники,

307

что и информатика, а информатика, в свою очередь, заимствует у кибернетики математическую и логическую базу для развития этих средств.

12.2. История информационных технологий

Изначально носителем информации была речь. Развитие речи, языка – объективный процесс в развитии общества и явля-

ется первой информационной революцией на заре формирования человека разумного (40 тыс. лет до н.э.). Развитие речи помогало общению, передаче накопленного опыта и знаний. В дальнейшем возникла потребность в передаче информации знаковым образом – появилось первобытное искусство – целые галереи наскальных рисунков с изображением животных и охоты сохранились в пещерах. К ранним знаковым информационным системам можно отнести приметы, гадания, изобразительное искусство, музыку, графику, танец и т.д. Постепенно развивался процесс обособления и подъема духовной сферы – изобразительного и музыкального искусства, архитектуры.

Изобретение и освоение письменности стало второй информационной революцией (около 5 тыс. лет до н.э.). К каменному веку относятся первые примеры информационной символики – пиктографическое письмо (рисунки) на камне. В бронзовом веке появились изображения повторяющихся систем понятий – идеограмм, которые к концу IV в. до н. э. превратились в рисуночное иероглифическое письмо. В этот же период благодаря развитию производства и торговли совершенствуется числовая символика, которая сначала возникла в виде счета из двух чисел – 1 и 2. Дальнейшее развитие счета произошло благодаря физиологическим особенностям человека – наличию пальцев на руках (счет с 5 до 10). ВIII тыс. до н. э. в Вавилоне возникла клинописная запись счета. Позднее появились другие способы записи счета, например вавилонская, критская, латинская, арабская.

Добумажные информационные технологии (ИТ) характеризуются постоянным совершенствованием носителя информации.

308

Запись на камне впервые позволила добиться эффекта обезличения процесса передачи информации. Запись на глиняных табличках идеревянных дощечках дала возможность перейти к информационным коммуникациям, изобретение папируса (III тыс. до н. э.) означало значительное повышение емкости носителя информации, а применение пергамента завершило добумажную фазу: появился оптимальный носитель информации – книга (IV в. до н.э.). Александрийская библиотека была основана в 3 веке до н.э. и хранилища одного из крупнейших собраний книг той эпохи насчитывали по разным сведениям от 40 до 500 тыс. свитков. Весь объем информации, заключавшийся в свитках Александрийской библиотеки, можно оценитьв106–10 8 слов (0,1…1 Гбайт).

В те же времена начали развиваться и ИТ передачи информации. Качественно новый, более динамичный и открытый

н.э.) возникла хорошо налаженная почтовая связь.

Первая ИТ-система обработки информации появилась в то время, когда с увеличением объёма вычислений от счета на предметах человек естественно перешел на счет на абаке. Древнегреческий абак (доска, или «саламинская доска» – по имени острова Саламин в Эгейском море) представлял собой посыпанную морским песком дощечку (рис. 12.1). На песке проводились бо-

309

доизмененном виде, сначала как «дощатый счет» и как русские счеты, – до наших дней. Абак удобно использовать для выполнения операций сложения и вычитания, умножение и деление выполнять при помощи абака гораздо сложнее. Революцию

вобласти механизации умножения и деления и соответственно

вобласти ИТ-обработки информации совершил шотландский математик Джон Непер (John Neper). Изобретение логарифмов

в1614 году – крупнейшее достижение Джона Непера. При помощи логарифмических таблиц легко было выполнять умножение и деление больших чисел. Джон Непер также создал прибор для умножения с использованием логарифмов, названный счетными палочками (рис. 12.2). Особенно интересно изобретение Непером счетной доски для умножения, деления, возведения

вквадрат, извлечения квадратного корня в двоичной системе счисления. В 1622 году, используя принцип действия этого устройства, Вильям Оугтред (William Oughtred) разработал логарифмическую линейку, которая в XIX–XX веках стала основным инструментом инженеров.

Рис. 12.2. Джон Непер (1550–1617) создал деревянную машину для выполнения простейших вычислений – счетные палочки

В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452–1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском первой вычислительной

310