Волоконно-оптичні гіроскопи

Московський ордена Леніна, ордена Жовтневої
Революції і ордена Трудового Червоного Прапора
ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ
імені М. Е. Баумана.

________________________________________________

Факультет РЛ

Кафедра РЛ2

"Волоконно-оптичні гіроскопи"

студентки

Матвєєвої Ляни Олександрівни

Зміст

Зміст ................................................. .................................................. ....................

Введення ................................................. .................................................. ........................

Принцип дії оптичного гіроскопа .............................................. ....................

Структурні схеми оптичних гіроскопів .............................................. ..................

Кільцевій лазерний гіроскоп ............................................... .......................................

Волоконно-оптичні гіроскопи .............................................. ..................................

Оптичний гіроскоп з кільцевих резонатором пасивного типу .........................

Методи підвищення чутливості ............................................... ........................

Шумові фактори, методи їх усунення ............................................ .....................

Основні оптичні системи з підвищеною стабільністю ..............................

Фактори, що обмежують роздільну здатність ...........................................

Характеристики та методи їх поліпшення ............................................. .......................

Система з фазовою модуляцією .............................................. .....................................

Системи зі зміною частоти .............................................. ....................................

Система зі світловим гетеродінірованіем .............................................. .................

Висновок ................................................. .................................................. .................

Список літератури ................................................ .................................................. .....

Введення

Гіроскоп виконує функції детектора кутовий швидкості в инерциальном просторі і по праву може називатися абсолютним тахометром, будучи структурним елементом інерціальної навігаційної системи, що обробляє інформацію про місцезнаходження літака або судна з метою виведення його на курс. До складу цієї системи зазвичай входить три гіроскопа - для вимірювання швидкості обертання навколо трьох ортогональних осей, три акселерометра - для визначення швидкості і відстані і напрямку трьох осей і комп'ютер - для обробки вихідних сигналів цих приладів. До літаковим гіроскопа пред'являються дуже високі вимоги: роздільна здатність і дрейф нуля 0,01 ° / ч, динамічний діапазон 6 порядків, висока стабільність (10-5) масштабного коефіцієнта перетворення кута повороту у вихідний сигнал. До цих пір застосовувалися в основному механічні гіроскопи, що працюють на основі ефекту утримання осі обертання тіла в одному напрямку инерциального простору (закон збереження моменту кількості руху). Це дорогі прилади, оскільки потрібна висока точність форми тіла обертання і мінімальне можливе тертя підшипників. На відміну від механічних оптичні гіроскопи, наприклад, волоконно-оптичні, створені на основі ефекту Саньяка, мають структуру статичного типу, що володіє рядом переваг, основні з яких: відсутність рухомих деталей і, отже, стійкість до прискорення; простота конструкції; короткий час запуску; висока чутливість; висока лінійність характеристик; низька споживана потужність; висока надійність.

Крім того, можливе зниження вартості волоконно-оптичних гіроскопів за рахунок впровадження оптичних інтегральних схем. Поряд з використанням в літаках і на судах можна очікувати у міру прогресу в техніці гіроскопів застосування їх в автомобілях, роботах і т. д.

Принцип дії оптичного гіроскопа

Принцип дії оптичного гіроскопа заснований на ефекті Саньяка. За круговому оптичному шляху, як показано на рис. 1, завдяки расщепителя променя світло поширюється у двох протилежних напрямках. Якщо при цьому система перебуває в спокої відносно инерциального простору, обидва світлових променя поширюються зустрічно по оптичному шляху однакової довжини. Тому при додаванні променів у расщепителе по завершенні шляху немає фазового зсуву. Проте, коли оптична система обертається в инерциальном просторі з кутовою швидкістю W, між світловими хвилями виникає різниця фаз. Це явище і називається ефектом Саньяка.

Рис.1. Принцип виникнення ефекту Саньяка

Нехай коефіцієнт заломлення на оптичному шляху n = 1. При радіусі оптичного шляху a час досягнення расщепителя променів світлом, що рухаються за годинниковою стрілкою, виражається як

(1)

Рис.2. Ефект Саньяка при оптичному шляху довільної форми

в протилежному напрямі -

(2)

де с - швидкість світла.

З формул (1) і (2) різницю часу поширення двох світлових хвиль з урахуванням c>> aW

(3)

Це означає, що з'являється різницю довжини оптичних шляхів

(4)

або, інакше кажучи, різниця фаз

(5)

Тут S - площа, облямована оптичним шляхом; k - хвильове число.

Формула (5) випливає з формули (3) при допущенні, що n = 1 і оптичний шлях має кругову форму, але можливо довести, що формула (5) є основною для ефекту Саньяка. Вона не залежить від форми оптичного шляху, положення центру обертання і коефіцієнта заломлення.

Рис.3. Структурні схеми гіроскопів на ефекті Саньяка wr і wl - частота генерації світла з правим і лівим обертанням; t - час, необхідний для одноразового проходження світлом кільцевого оптичного шляху; wFSR - повний спектральний діапазон

Структурні схеми оптичних гіроскопів

На рис. 3 наведені загальні схеми систем, розроблених для підвищення точності вимірювань. Кільцевій лазерний гіроскоп (рис. 3, а) відрізняється високою частотою світлової хвилі - до декількох сотень терагерц. Волоконно-оптичний гіроскоп на рис. 3, б має високу чутливість, завдяки використанню довгого одномодового оптичного волокна з низькими втратами. В оптичному гіроскопі пасивного типу з кільцевим резонатором (рис. 3, в) використовується гостра резонансна характеристика резонатора.

Кільцевій лазерний гіроскоп.

Кільцевій лазерний гіроскоп виготовляється подібно газового лазеру: в кварцовому блоці шляхом розплавлювання створюється порожнину (канал) у формі трикутника і заповнюється сумішшю гелію і неону. Довжина хвилі генерується лазером випромінювання 632,8 нм. Як правило, частота генерації змінюється в залежності від довжини лазерного резонатора. І в даному випадку частоти двох генеруються світлових хвиль, що розповсюджуються в протилежних напрямках за трикутним оптичному шляху (мал. 3, а), неоднакові через різницю оптичної довжини DL [см. формулу (4)]. Тому можна використовувати для вимірювань частоту биття обох генеруються світлових хвиль, а саме

(6)

Тут L - загальна довжина оптичного шляху в кільцевому резонаторі; l - довжина хвилі генерації в стані спокою.

Інакше кажучи, вимірявши Df, можна визначити кутову швидкість щодо инерциального простору. Оскільки частота світла становить кілька сотень терагерц, навіть її незначні зміни дозволяють виміряти різницю частот. Якщо вихідним сигналом служить частота, пропорційна кутовий швидкості, то підрахунком вихідних хвиль можна визначити приріст кута повороту в цифровій формі, що забезпечує високу точність інформації, що подається у навігаційне обчислювальний пристрій. Вимірювання частоти можливо в широкому динамічному діапазоні, а отже, і динамічний діапазон кільцевого лазерного гіроскопа цілком можна розширити і зробити достатнім для інерціальної навігаційної системи. У цьому велика перевага даних гіроскопів.

Дослідження кільцевих лазерних гіроскопів почалося в 60-х роках. До теперішнього часу досягнута роздільна здатність і стабільність нульової точки приблизно 0,001 ° / ч. Останнім часом кільцеві лазерні гіроскопи застосовуються в інерціальній системі відліку не тільки в літаках «Боїнг» 757/767, але і в аеробусах А310. У Японії опубліковані повідомлення про вимірювання ними кутовий швидкості 0,01 ° / ч.

Таким чином, кільцевої лазерний гіроскоп досяг вже стадії практичного застосування, але, тим не менше, залишається ряд невирішених проблем:

1. Нелінійність вихідного сигналу при малій кутовий швидкості (вплив синхронізму).

2. Дрейф вихідного сигналу з-за газових потоків в лазері.

3. Зміна довжини оптичного шляху під впливом теплового розширення, тиску і механічних деформацій.

З цих проблем найважливішою є перша. При малих кутових швидкостях зменшується різниця частот генеруються світлових хвиль, а це призводить до синхронізму (Df = 0) і неможливості виявлення обертання. (Типовий поріг виявлення при цьому 10 ° / год) Зона нечутливості, обумовлена ​​синхронізму, показана на рис. 3, a штриховими лініями. Зазначена вище роздільна здатність виявлення 0,001 ° / год забезпечується при придушенні явища синхронізму шляхом приведення всієї системи до мікроколивань (метод Дейзі). Але нелінійність при незначному повороті все ж залишається, крім того, це означає, що не використовується така перевага оптичного гіроскопа, як його нерухомість.

У кільцевому лазерному гіроскопі виникає явище синхронізму, так як це активна конструкція і сама оптична котушка для виявлення обертання входить до складу лазерного генератора. Навпаки, в інтерферометрі Саньяка, представленому на рис. 1, вищезгадане явище не виникає, оскільки це пасивна конструкція, при якій світловий джерело знаходиться поза чутливої ​​петлі. Основна увага тут приділяється оптичного волокна, зниження втрат у ньому.

Рис.4. Принципова оптична схема волоконно-оптичного гіроскопа

Волоконно-оптичні гіроскопи.

На рис. 4 наведена оптична схема волоконно-оптичного гіроскопа. По суті це інтерферометр Саньяка (див. рис. 1), в якому кругової оптичний контур замінений на котушку з довгого одномодового оптичного волокна. Частина схеми, обведена штриховою лінією, необхідна для підвищення стабільності нульової точки. Таким чином, різниця фаз між двома світловими хвилями, обумовлена ​​ефектом Саньяка, з урахуванням формули (5) виражається як

(7)

де N - кількість витків у котушці з волокна; L - довжина волокна, а - радіус котушки.

Слід звернути увагу на те, що в основні формули не входить коефіцієнт заломлення світла в волокні.

Завдяки вдосконаленню технології виробництва випускається волокно з дуже низькими втратами. Щоб не пошкодити волокно, намотування здійснюється на котушку радіусом кілька сантиметрів. При цьому не спостерігається скільки-небудь помітного збільшення втрат. Можна створити порівняно малогабаритний і високочутливий інтерферометр Саньяка з котушкою невеликого радіусу (2 ... 5 см), намотавши на неї волокно великої довжини. Сформувавши оптимальну оптичну систему, можна вимірювати з високою точністю зміни фази (в інерціальній навігації - порядку 10-6 `рад), а потім з формули (7) визначати кругову швидкість. Все це і складає принцип роботи волоконно-оптичного гіроскопа.

Оскільки даний волоконно-оптичний гіроскоп - пасивного типу, в ньому відсутні такі проблеми, як явище синхронізму.

Межі виявлення кутовий швидкості. В основній оптичній системі на рис. 4 в стані оптичні шляхи для світла в обох напрямках обходу будуть однакові за довжиною, а оскільки сигнал на виході светоприемника змінюється пропорційно, то гіроскоп нечутливий до дуже малим поворотів. Вважається, що в системі з оптимальною чутливістю теоретичні межі виявлення кутовий швидкості пов'язані з дробовим шумом светоприемника. Аналіз показує, що для оптичного волокна з втратами a існує певна довжина, що дозволяє оптимізувати межі виявлення при дробовому шумі:

(8)

Рис.5, а. Чутливість волоконно-оптичного гіроскопа при дробовому шумі светоприемника при оптимальній довжині волокна

Рис.5, б. Чутливість волоконно-оптичного гіроскопа при дробовому шумі светоприемника при різній довжині світлової хвилі

Результати розрахунку при типових значеннях параметрів наведено на рис. 5, а. Для оптичного волокна з втратами 2 дБ / км межі виявлення приблизно 10-8 рад / с (0,001 ° / год). Це якраз значення, застосовувані в інерціальній навігації. На рис. 5, б показано, що завдяки збільшенню радіуса котушки з оптичним волокном, а також використанню світла з довжиною хвилі 1,55 мкм, на якій втрати в оптичному волокні дуже низькі, можливе створення вимірювача оборотів в инерциальном просторі з надзвичайно малою дрейфом. Це дозволяє застосовувати вимірювач не тільки в навігації, але і в геофізиці.

У реальних волоконно-оптичних гіроскопах можливості обмежені шумовими чинниками.

Оптичний гіроскоп з кільцевих резонатором пасивного типу

Підвищити чутливість гіроскопа на ефекті Саньяка можна за допомогою кільцевого оптичного резонатора, використовуючи для цього напівпрозоре дзеркало з високим коефіцієнтом відбиття (див. рис. 3, в). Резонатор є інтерферометр Фабрі - Перо у формі кільця. При цьому вихідний сигнал светоприемника різко реагує на зміну фази wt при одноразовому проходженні пучком кільцевого оптичного шляху. Отже, можна створити високочутливий датчик, наприклад, вимірює зсув резонансного піка, обумовлене поворотом. Іншими словами, можна зменшити довжину волокна чутливого кільця, а якщо гіроскоп середнього класу, то цілком можна використовувати навіть одновитковим волоконне кільце, поєднане з оптичною інтегральної схемою.

У подібній структурі гіроскопа для отримання гострої резонансної характеристики потрібно світлове джерело з високою когерентністю випромінювання, в той час як у волоконно-оптичному гіроскопі для поліпшення характеристик потрібно світлове джерело з низькою когерентністю.

Рис.6. Оптична схема волоконного гіроскопа зі світловим гетеродінірованіем

Методи підвищення чутливості

Принципова оптична схема волоконно-оптичного гіроскопа наведена на рис. 4, але ця схема не виявляє малих поворотів гіроскопа. Для вирішення цієї проблеми пропонуються різні методи: зміщення різниці фаз, фазової модуляції, зміни частоти і світлового гетеродінірованія.

Розглянемо лише останній метод. Структура оптичної системи гіроскопа зі світловим гетеродінірованіем представлена ​​на рис. 6. Світловий промінь розділяється за допомогою дифракційної решітки на два промені з дуже маленьким кутом розбіжності (близько 10 мрад). Ці промені, пройшовши оптичне волокно в протилежних напрямках, подаються на АОМ. Кут дифракції АОМ такий же, як і у дифракційної решітки, внаслідок чого АОМ тут використовується не тільки як частотний сдвігатель, але і як спрямований відгалужувач, а світлоприйомним пристрій видає сигнал різницевої частоти. У даній оптичній системі можливе розділення світлових променів, що рухаються в протилежних напрямках, але внаслідок надзвичайно малого кута дифракції ці промені взаємодіють і дрейф, обумовлений коливаннями середовища, послаблюється. Крім того, зазвичай при різниці довжини оптичних шляхів виникає дрейф вихідного сигналу внаслідок частотного відхилення випромінювання джерела, але в даній структурі ця різниця дуже мала. На рис. 7 приведена електронна схема вимірювача фази вихідного сигналу в структурі на рис.6 за нульовим методом. Точна тимчасова затримка Td забезпечується приладом на зарядових зв'язках (ПЗЗ). Для цієї схеми справедливо

(9)

Рис. 7. Схема вимірювача фази вихідного сигналу для волоконно-оптичного гіроскопа зі світловим гетеродінірованіем

(N - ціле число), тобто тут виходить частотне зміна Df2 електричного сигналу, пропорційне кутовий швидкості W, що дуже зручно для практичної реалізації пристрою.

Шумові фактори, методи їх усунення

Методи підвищення чутливості ще не забезпечують високої стабільності, необхідно враховувати шумові фактори і вживати заходів щодо їх усунення.

Основні оптичні системи з підвищеною стабільністю

Для досягнення високої стабільності необхідно, щоб зовнішні збурення, що сприймаються світловими променями, що рухаються в протилежних напрямках, були абсолютно однаковими.

В основній оптичній системі, показаної на рис. 4, при використанні светоприемника 1 світло двічі відбивається расщепителе променя і, крім того, двічі проходить крізь нього. При цьому умова однакової довжини оптичного шляху виконується не зовсім точно і внаслідок температурних коливань характеристик расщепителя променя на виході виникає дрейф. При використанні светоприемника 2 відбувається те ж саме. Щоб світлові промені, введені в оптичне волокно і випромінювані волокном, проходили однаковий оптичний шлях, об'єднувалися і роз'єднувалися в одній і тій же точці расщепителя променя, а також мали б однакову моду, необхідно між расщепителя променя встановити просторовий фільтр. У цьому фільтрі бажано використовувати одномодове оптичне волокно - те ж, що і для чутливої ​​котушки.

Зазвичай в одномодовом оптичному волокні можливе поширення двох незалежних мод з ортогональною поляризацією. Але оскільки оптичні волокна мають не зовсім суворої осьовою симетрією, фазові постійні цих двох мод різні. Однак між модами двох поляризацій відбувається обмін енергією, характеристики якого змінюються під зовнішнім впливом, тому випромінений волокном світло зазвичай набуває кругову поляризацію з нестійкими параметрами. Все це призводить до дрейфу вихідного сигналу.

Якщо ж на оптичному шляху помістити, як це показано в обведеної штриховою лінією частини на рис. 4, поляризаційну пластину, тобто пустити на оптичний шлях інтерферометра світлову хвилю з єдиною поляризацією і у випромінюваному світлі виділити тільки складову з такою ж поляризацією, то передатна функція кільцевого оптичного шляху (оптичного волокна) для променів з протилежним напрямком руху буде однакова і , тим самим, проблема вирішена. Але і в цьому випадку залишаються коливання потужності світла, що досяг светоприемника, тому необхідно прийняти ще заходи щодо стабілізації масштабного коефіцієнта. Одна з таких заходів - введення деполяризатора, який компенсує коливання поляризації в оптичному волокні і робить стан поляризації довільним, або введення оптичного волокна, що зберігає поляризацію. У гіроскопах зі світловим гетеродінірованіем ефективне рішення проблеми - нульовий метод.

Для усунення дрейфу, обумовленого коливаннями поляризації в оптичному волокні, потрібно поляризатор з дуже великим загасанням (близько 90 дБ), але ця вимога пом'якшується при використанні оптичного волокна із збереженням поляризації і джерела світла з низькою когерентністю. В оптичному волокні зі збереженням поляризації через різницю фазових постійних для мод з ортогональною поляризацією виникає різниця довжини оптичного шляху для цих мод, тому використання джерела з низькою когерентністю випромінювання робить неможливим інтерференцію між модами. Аналогічного ефекту можна добитися і при використанні деполяризатора.

Таблиця 1. Шумові фактори в волоконно-оптичних гіроскопах

Фактори, що обмежують роздільну здатність

Рис. 8. Основні шумові фактори в чутливому кільці з оптичного волокна

Серед факторів, що обмежують короткочасну роздільну здатність, найбільш сильний вплив робить зворотне розсіювання по оптичного шляху. Світло відображення Френеля від поверхонь елементів оптичної системи або світло зворотного розсіювання Релея, наприклад, в самому оптичному волокні інтерферує зі світлом сигналу, що призводить до виникнення багатьох шумів. Для боротьби з ними пропонуються модуляція фази світлової хвилі, імпульсні методи, а також метод, при якому використовується джерело світла з широким спектром і низькою когерентністю, погіршує інтерференцію через велику різниці довжини оптичного шляху для світла зворотного розсіювання Релея і світла сигналу. (Таким джерелом може служити багатомодовий напівпровідниковий лазер або суперлюмінесцентний діод.)

Шуми вихідного сигналу гіроскопа можна виразити наступною формулою:

Рис. 9. Зменшення шумів релєєвського розсіювання за допомогою розширення спектру світлового джерела

(10)

де a0 - втрати розсіювання Релея в оптичному волокні; bR - частка світлового розсіювання Релея, що розповсюджується в зворотному напрямку; Dfs - ширина спектру джерела світла.

На рис. 9 представлені результати експерименту, що показують, як у міру розширення спектру випромінювання підвищується роздільна здатність волоконно-оптичного гіроскопа. Таким чином, у волоконно-оптичних гіроскопах зменшення когерентності джерела світла ефективно для зниження не тільки шумів відстані Релея, але і шумів ефекту Керра.

Характеристики та методи їх поліпшення

В даний час розроблені експериментальні системи, в яких вжито заходів з підвищення чутливості і по зниженню шумів. У цих системах, що працюють за методом фазової модуляції, зміни частоти і світлового гетеродінірованія, досягнута роздільна здатність, що дозволяє вимірювати швидкості, рівні або менші швидкості власного обертання Землі (15 ° / ч = 7,3 × 10-5 рад / с). Особливо великі досягнення в системах з фазовою модуляцією, у яких роздільна здатність і дрейф приблизно 0,02 ° / год, що прийнятно для інерціальної навігації.

Досліджується можливість реалізації гіроскопів з використанням технології мікрооптікі, функціональних волоконних і хвилеводних елементів. Вже випускаються волоконно-оптичні гіроскопи з роздільною здатністю 1 ° / ч. Крім того, поглиблюється вивчення систем, придатних для інерціальної навігації.

Система з фазовою модуляцією

Рис. 10. Волоконно-оптичний гіроскоп з фазовою модуляцією, виконаний на волоконних функціональних елементах

На рис. 10 представлена ​​оптична система гіроскопа, розроблена в Стаффордском університеті, на одномодовом оптичному волокні, підданому в деяких місцях спеціальній обробці, а саме: регулятор поляризаційного типу, спрямований відгалужувач, поляризатор, фазовий модулятор та інші - функціональні елементи на оптичному волокні, отримані шляхом його обробки . Paдіyc кільця з оптичного волокна 7 см, довжина волокна 580 м. Таким чином, в гіроскопі усунуто відображення від поверхонь різних елементів оптичної системи. До того ж використання багатомодового напівпровідникового лазера в якості джерела світла знижує когерентність системи і тим самим зменшує шуми, обумовлені розсіянням Релея. Зменшенню цих шумів сприяє і те, що система виконана за принципом фазової модуляції. У гіроскопі, показаному на рис. 10, досягається роздільна здатність 0,022 ° / год (мал. 11, а). При цьому час інтегрування становить 1 с. Шляхом спеціальної намотування оптичного волокна послаблюється вплив температурних коливань, а із застосуванням магнітного екрана і багатомодового напівпровідникового лазера знижується дрейф, обумовлений ефектом Керра, і зменшуються коливання нульової точки (рис. 11, б, 0,02 ° / год, при часу інтеграції 30 з ).

Рис. 11. Роздільна здатність (а) і характеристика стабілізації нульової точки (б) волоконно-оптичного гіроскопа (рис.10)

Для зменшення коливань поляризації запропонована фазова модуляція вихідного сигналу з використанням основної хвилі і другої гармоніки, а також метод, при якому вимірюються гармоніки вихідного сигналу светоприемника і складова постійного струму, а потім виділяється розрахунковим шляхом флюктуационная складова масштабного коефіцієнта. Пробують також вводити в систему оптичне волокно із збереженням поляризації, виконувати фазовий модулятор з направлені відгалужувачі, а інші елементи - у вигляді хвилеводних пристроїв. Експерименти з такими гіроскопами дають роздільну здатність від 0,02 до декількох градусів на годину (час інтегрування 1 с). Для підвищення роздільної здатності і зменшення дрейфу нуля ефективно також використання суперлюмінесцентного діода, що володіє низькою когерентністю (ширина хвильового спектру когерентності 20 мкм).

Рис.12. Гіроскоп зі світловим квазігетеродінірованіем

На рис. 12, а представлена ​​система, в якій: сигнал порушення фазового модулятора формується шляхом інтегрування пилкоподібної напруги і на виході подучается сигнал квазігетеродінірованія. На рис. 12, б показана зміна фази електричного сигналу змінного струму при обертанні гіроскопа. Є й інші спроби реалізації квазігетеродінного світлового методу на основі фазової модуляції. Наприклад, система комбінується зі схемою обробки фази (див. рис. 7), що дозволяє розширити динамічний діапазон і стабілізувати масштабний коефіцієнт, тобто компенсувати недоліки методу фазової модуляції. У цій системі потрібно точна установка параметрів форми модулюючого сигналу і важко домогтися технічних характеристик, що задовольняють інерційну навігацію. Шляхом маніпуляцій з формою модулюючого сигналу практично реалізується нульової метод, але при цьому виникає проблема зі стабілізацією нульової точки.

У будь-якому випадку система з фазовою модуляцією перевершує інші системи по роздільної здатності та стабільності нульової точки і до того ж відносно проста. Тому поширюються роботи з мініатюризації цієї системи шляхом створення волоконних і хвилеводних функціональних оптичних елементів, приладів інтегральної оптики. Зокрема, західнонімецька фірма SEL вже випускає гіроскопи з роздільною здатністю близько 15 ° / год і лінійністю в межах 1%, де для фазового модулятора використовуються хвилеводні оптичні елементи. Довжина волокна 100 м, радіус чутливості котушки з оптичного волокна близько 3,5 см, габарити 80'80'25 мм, маса 200 р.

Системи зі зміною частоти

Рис.13, а. Структурна схема волоконно-оптичного гіроскопа з зміною частоти

Рис.13, б.

На рис. 13, а представлена ​​структура волоконно-оптичного гіроскопа з зміною частоти, розробленого західнонімецької фірмою SEL, в ньому два опорних генератора з частотою fL і fн, за допомогою яких встановлюється різниця фаз p, яка комутується з частотою f с. Все це дозволяє збільшити чутливість. Зокрема, у стаціонарному режимі частота f порушення AOM1 дорівнює (fL + fн) / 2, тобто при комутації між fн і fL вихідний сигнал інтерферометра не змінюється. У режимі c. сталою частотою f складова fc на виході інтерферометра відсутній, що може бути основою для зворотного зв'язку для генератора, керованого напругою. При обертанні гіроскопа частота f відхиляється від значення (fL + fн) / 2 і, відповідно до встановленої різницею можна визначити за формулою швидкість цього обертання:

(11)

У даній системі ефективно знижуються шуми, оскільки частота fс визначається як величина, зворотна періоду поширення світлової хвилі по котушці з оптичним волокном, а частота світла сигналу і світла зворотного розсіювання Релея зазвичай розрізняється тільки як fн - fL. Динамічний діапазон, як видно на рис. 13, б, простягається на шість порядків, що є особливістю методу зміни частоти.

Якщо відстань від модуляторів АОМ1 і АОМ2 до расщепителя променя неоднаково, виникає дрейф нуля. Через це стабільність нульової точки погіршується до стабільності в системі з фазовою модуляцією. Тим не менше, ці вироби вже випускаються (з дрейфом близько 3 ° / год). У них довжина оптичного волокна 1 км, радіус котушки 5 см. Відносна зсув на кожен відлік частоти вихідного сигналу становить 2,95 с.

Метод зміни частоти структурно базується на методі фазової модуляції. Вважається, що він дозволяє підвищити роздільну здатність і стабільність нульової точки. При цьому основні труднощі пов'язані з частотним сдвігателем. Якщо в якості його використовується АОМ, то виникають дві проблеми - збільшення габаритів оптичної системи при зростанні потужності збудження і відбитого світла, а також підвищення частоти збудження. Поряд з АОМ досліджуються частотні сдвігателі у вигляді волоконно-оптичних функціональним елементів і світлових хвилеводів. Крім того, інтегруються два AOM і об'єктив на підкладці з LiNbО3. Проектуються також системи з частотним зрушенням, отриманим на основі фазового методу.

На рис. 14 представлена ​​загальна структура фазової системи, виконаної на базі інтегральної схеми. Фазовий модулятор хвилеводного типу має хороші частотні характеристики, тому можливе порушення пилкоподібним напругою і реалізація фазової системи. При цьому, якщо амплітуда пилкоподібної напруги збудження строго відповідає 2p, то вищі гармоніки не виникають, і виходить ідеальний частотний сдвігатель. Для інерціальної навігаційної системи це умова повинна виконуватися дуже суворо. Французька фірма «Томсон ЦСФ» розробила автоматичне регулювання амплітуди за допомогою цифроаналогового перетворювача, який забезпечує необхідну пилкоподібну форму напруги з фронтом з мікроступеней. Частота його визначається як Df з формули (11), і при синхронній з цифроаналоговим перетворювачем зворотного зв'язку тут забезпечується нульової метод, а зміна тактової частоти інформує про кутовий швидкості гіроскопа. У цій системі не потрібно великого зсуву частоти і можна обійтися лише одним частотним сдвігателем. Розроблено подібний гіроскоп з дрейфом нуля 0,3 ° / год і динамічним діапазоном в 7 порядків.

Рис.14. Волоконно-оптичний гіроскоп зі зміною частоти і сдвігателі фазового типу на інтегральній схемі

Система зі світловим гетеродінірованіем

Система на рис. 6 включає в себе котушку радіусом 15 см з оптичного одномодового волокна довжиною 2000 м, окремі оптичні прилади і одномодовий напівпровідниковий лазер. У ній використовується пряма частотна модуляція випромінювання напівпровідникового лазера, що призводить до додаткових шумів. Для зниження когерентності збільшується ширина спектру випромінювання. На рис. 15 наведені характеристики шумів. Розширення спектру дозволяє підвищити роздільну здатність приблизно в 20 разів. Оскільки через зворотного світла спектр напівпровідникового лазера нестабільний, в систему вводиться ізолятор.

Рис.15, а. Виявлення обертання волоконним гіроскопом зі світловим гетеродінірованіем (рис.6, 7)

Рис.15, б. Виявлення обертання волоконним гіроскопом зі світловим гетеродінірованіем - характеристика передачі (рис.6, 7)

На рис. 15, а пояснюється робота даної системи. За вертикальної осі відкладається зміна частоти, яка пропорційна кутовий швидкості, причому один відлік соответствуег кутовому зсуву 4 "(при 10-кратному посиленні 0,4" на 1 відлік). Швидкість обертання земної кулі 0,0042 ° / с, короткочасна роздільна здатність 5 ° / ч. На рис. 15, б приведена характеристика передачі (вхід-вихід). Швидкість 11 ° / год відповідає фазової різниці 180 °. Лінійність характеристики поліпшена завдяки застосуванню нульового методу. Верхня межа виявлення обертання, що визначається електронною схемою, складає 100 ° / c, динамічний діапазон експериментальної системи 5 порядків.

Через теплових коливань швидкості звуку в АОМ системи виникає помітний дрейф нуля, у зв'язку з чим тривають дослідження способів відстеження звуковий швидкості в АОМ. Дану систему, використовуючи двомірні світлові хвилеводи і дифракційні решітки, можна реалізувати у вигляді інтегральної схеми.

Висновок

Розглянуто принцип дії деяких оптичних гіроскопів, в тому числі волоконно-оптичних. Завдяки методу фазової модуляції досягнута роздільна здатність і стабільність нульової точки відповідно до вимог інерціальної навігації. За допомогою методу зміни частоти і світлового гетеродінірованія реалізований широкий динамічний діапазон (від п'яти до дев'яти порядків) і стабільний масштабний коефіцієнт. Волоконно-оптичні гіроскопи знаходять широке застосування. Швидкими темпами ведеться розробка різних приладів на мікрооптіческой технології, волоконно-оптичних функціональних елементах, оптичних хвилеводних елементах. До теперішнього часу такі гіроскопи середнього класу вже є у продажу.

Волоконно-оптичні гіроскопи відрізняються від колишніх відсутністю механічних систем, що робить їх придатними не тільки в навігації, але і в інших областях, наприклад, для контролю руху бура при бурінні нафтових свердловин. Крім того, якщо збільшити діаметр кільця з оптичного волокна, подовжити інтервал інтегрування вихідного сигналу, то можна підвищити чутливість, що дозволить використовувати гіроскоп для прогнозу погоди, вимірювання флуктуацій власного обертання Землі та ін

Список літератури

1. Хвилеводи оптичного зв'язку, Теумін І.І.

2. Волоконно-оптичні датчики, під ред. Т. Окосі, переклад з япон.

3. Оптичні хвилеводи, Marcuse D., переклад з англ.

4. Основи волоконно-оптичного зв'язку, під ред. Є. М. Діанова, переклад з англ.