Реферат: Волоконно-оптические гироскопы

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской
 Революции и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.Э.Баумана.

________________________________________________

Факультет РЛ

Кафедра РЛ2

Реферат по теме

 «Волоконно-оптическиегироскопы»

студентки

 Матвеевой Ляны Александровны

Оглавление

Оглавление… 2

Введение… 3

Принципдействия оптического гироскопа… 3

Структурныесхемы оптических гироскопов… 5

Кольцевойлазерный гироскоп… 6

Волоконно-оптическиегироскопы… 8

Оптическийгироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа… 10

Методыповышения чувствительности… 11

Шумовыефакторы, методы их устранения… 12

Основныеоптические системы с повышенной стабильностью… 13

Факторы,ограничивающие разрешающую способность… 15

Характеристикии методы их улучшения… 16

Системас фазовой модуляцией… 17

Системыс изменением частоты… 20

Системасо световым гетеродинированием… 22

Заключение… 24

Списоклитературы… 24

Введение

Гироскоп выполняет функциидетектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву можетназываться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инерциальнойнавигационной системы, обрабатывающей информацию о местонахождении самолета илисудна с целью выведения его на курс. В состав этой системы обычно входит тригироскопа — для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей, триакселерометра — для определения скорости и расстояния и направлении трех осей икомпьютер — для обработки выходных сигналов этих приборов. К самолетнымгироскопам предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность идрейф нуля 0,01°/ч, динамический диапазон 6порядков, высокая стабильность (10-5) масштабного коэффи­циентапреобразования угла поворота в выходной сигнал. До сих пор применялись восновном механические гироскопы, рабо­тающие на основе эффекта удержания осивращения тела в одном направлении инерциального пространства (закон сохранениямомента количества движения). Это дорогостоящие приборы, поскольку требуетсявысокая точность формы тела вращения и минимальное возможное трениеподшипников. В отличие от механических оптические гироскопы, например,волоконно-оптические, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структурустатического типа, обладающую рядом до­стоинств, основные из  которых:отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к ускорению;простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокаялинейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность.

Кроме того, возможно снижениестоимости волоконно-оптических гироскопов за счет внедрения оптическихинтегральных схем. Наряду с использованием в самолетах и на судах можно ожидатьпо мере прогресса в технике гироскопов применения их в автомобилях, роботах ит. д.

Принцип действия оптического гироскопа

Принцип действия оптическогогироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, какпоказано на рис. 1, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двухпротивоположных направлениях. Если при этом система находится в покоеотносительно инерциального пространства, оба световых луча распространяютсявстречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей врасщепителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическаясистема вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью W,между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называетсяэффектом Саньяка.

/>

Рис.1. Принцип возникновения эффекта Саньяка

Пусть коэффициент преломления наоптическом пути n=1. При радиусе оптического пути a время достижениярасщепителя лучей светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как

                                      />                                             (1)

/>

Рис.2. Эффект Саньяка при оптическом пути произвольной формы

в противоположном направлении —

                                     />                                             (2)

где с — скорость света.

Из формул (1) и (2) разностьвремени распространения двух световых волн с учетом c>>aW

                          />                                         (3)

Это означает, что появляетсяразность длины оптических путей

                                      />                                                              (4)

или, иначе говоря, разность фаз

                                      />                                                          (5)

Здесь S — площадь, окаймленнаяоптическим путем; k — волновое число.

Формула (5) вытекает из формулы(3) при допущении, что n=1 и оптический путь имеет круговую форму, но возможнодоказать, что формула (5) является основной для эффекта Саньяка. Она не зависитот формы оптического пути, положения центра вращения и коэффициентапреломления.

/>

 Рис.3. Структурные схемы гироскопов на эффекте Саньяка

wr и wl — частота генерации света с правым и левым вращением; t — время, необходимое для однократного прохождения светом кольцевого оптического пути; wFSR — полный спектральный диапазон

Структурные схемы оптических гироскопов

На рис. 3 приведены общие схемысистем, разработанных для повышения точности измерений. Кольцевой лазерныйгироскоп (рис. 3, а) отличается высокой частотой световой волны — до несколькихсотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на рис. 3, б имеет высокуючувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптическоговолокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевымрезонатором (рис. 3, в) используется острая резонансная характеристикарезонатора.

 Кольцевой лазерный гироскоп.

 Кольцевой лазерный гироскопизготовляется подобно газовому лазеру:  в кварцевом блоке путем расплавлениясоздается полость (канал) в форме треугольника и заполняется смесью гелия инеона. Длина волны  генерируемого лазером излучения 632,8 нм. Обычно частотагенерации изменяется в зависимости от длины лазерного резонатора. И в данномслучае частоты двух генерируемых световых волн, распространяющихся впротивоположных направлениях по треугольному оптическому пути (рис. 3, а),неодинаковы из-за разности оптической длины DL [см.формулу (4)]. Поэтому можно использовать дляизмерений частоту  биений обеих генерируемых световых волн, а именно

                                      />                                                             (6)

 Здесь L — общая длинаоптического пути в кольцевом резонаторе; l — длина волны генерации в состояниипокоя.

Иначе говоря, измерив Df,можно определить угловую скорость относительно инерциального пространства.Поскольку частота света составляет несколько сотен терагерц, даже еенезначительные изменения позволяют измерить разность частот.  Если выходнымсигналом служит частота, пропорциональная угловой скорости, то подсчетомвыходных волн можно определить приращение угла поворота в цифровой форме, чтообеспечивает высокую точность  информации, подаваемой в навигационноевычислительное устройство. Измерение частоты возможно в широком динамическомдиапазоне, а следовательно, и динамический диапазон кольцевого лазерногогироскопа вполне можно расширить и сделать достаточным для инерциальнойнавигационной системы. В этом большое преимущество данных гироскопов.

Исследование кольцевых лазерныхгироскопов началось в 60-х годах. К настоящему времени достигнута разрешающаяспособность и стабильность нулевой точки примерно 0,001°/ч.В последнее время кольцевые лазерные гироскопы применяются в инерциальнойсистеме отсчета не только в самолетах «Боинг» 757/767, но и в аэробусах А310. ВЯпонии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01°/ч.

Таким образом, кольцевой лазерныйгироскоп достиг уже стадии практического применения, но, тем не менее, остаетсяряд нерешенных проблем:

1. Нелинейность выходного сигналапри малой угловой скорости (влияние синхронизма).

2. Дрейф выходного сигнала из-загазовых потоков в лазере.

3. Изменение длины оптическогопути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.

 Из этих проблем самой важнойявляется первая. При малых угловых скоростях уменьшается разность частотгенерируемых световых волн, а это приводит к синхронизму (Df=0)и невозможности обнаружения вращения. (Типичный порог обнаружения при этом 10°/ч.)Зона нечувствительности, обусловленная синхронизмом, показана на рис. 3, aштриховыми линиями. Указанная выше разрешающая способность обнаружения 0,001°/чобеспечивается при подавлении явления синхронизма путем приведения всей системык микроколебаниям (метод Дейза). Но нелинейность при незначительном поворотевсе же остается, кроме того, это означает, что не используется такоепреимущество оптического гироскопа, как его неподвижность.

 В кольцевом лазерном гироскопевозникает явление синхронизма, так как это активная конструкция и самаоптическая катушка для обнаружения вращения входит в состав лазерногогенератора. Напротив, в интерферометре Саньяка, представленном на рис. 1,вышеупомянутое явление не возникает, поскольку это пассивная конструкция, прикоторой световой источник находится вне чувствительной петли. Основное вниманиездесь уделяется оптическому волокну, снижению потерь в нем.

/>

Рис.4. Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопа

 Волоконно-оптические гироскопы.

На рис. 4 приведена оптическаясхема волоконно-оптического гироскопа. По сути это интерферометр Саньяка (см.рис. 1), в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинногоодномодового оптического волокна. Часть схемы, обведенная штриховой линией,необходима для повышения стабильности нулевой точки. Таким образом, разностьфаз между двумя световыми волнами, обусловленная эффектом Саньяка, с учетомформулы (5) выражается как

                          />                                    (7)

где N — число витков в катушке изволокна; L — длина волокна; а — радиус катушки.

Следует обратить внимание на то,что в основные формулы не входит коэффициент преломления света в волокне.

Благодаря совершенствованиютехнологии производства выпускается волокно с очень низкими потерями. Чтобы неповредить волокно, намотка производится на катушку радиусом несколькосантиметров. При этом не  наблюдается сколько-нибудь заметного увеличенияпотерь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высокочувствительныйинтерферометр Саньяка с катушкой небольшого радиуса (2...5 см), намотав на нееволокно большой длины. Сформировав оптимальную оптическую систему, можноизмерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной навигации — порядка10-6`рад), а затем из формулы (7)определять  круговую скорость. Все это и составляет принцип работыволоконно-оптического гироскопа.

Поскольку данныйволоконно-оптический гироскоп — пассивного типа, в нем отсутствуют такиепроблемы, как явление синхронизма.

Пределы обнаружения угловойскорости. Восновной оптической системе на рис. 4 в состоянии оптические пути для света вобоих направлениях обхода будут одинаковы по  длине, а поскольку сигнал  навыходе светоприемника изменяется пропорционально   />, то гироскоп нечувствителен к очень  малым поворотам. Считается, что в системе соптимальной чувствительностью теоретические пределы обнаружения угловойскорости связаны с дробовым шумом светоприемника. Анализ показывает, что для оптическоговолокна с потерями a  существует определенная длина,позволяющая оптимизировать пределы обнаружения при дробовом  шуме:

                                      />                                                         (8)

/>

Рис.5, а. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при оптимальной длине волокна

/>

Рис.5, б. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при разной длине световой волны                            

Результаты расчета при типичныхзначениях параметров приведены на рис. 5, а. Для оптического волокна спотерями  2  дБ/км пределы обнаружения примерно 10-8  рад/с  (0,001°/ч).Это как раз значения, применяемые в инерциальной навигации. На рис. 5, б показано,что благодаря увеличению радиуса катушки с оптическим волокном, а такжеиспользованию света с длиной волны 1,55 мкм, на которой потери в оптическомволокне очень низки, возможно создание измерителя оборотов в инерциальномпространстве с чрезвычайно малым дрейфом. Это позволяет применять измеритель нетолько в навигации, но и в геофизике.

В реальных волоконно-оптическихгироскопах возможности ограничены шумовыми факторами.

 Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пассивноготипа

 Повысить чувствительностьгироскопа на эффекте Саньяка можно с помощью кольцевого оптического резонатора,используя для этого полупрозрачное зеркало с высоким коэффициентом отражения(см. рис. 3, в). Резонатор представляет собой интерферометр Фабри — Перо  вформе кольца.  При этом выходной сигнал светоприемника резко реагируетна                                                                            изменение фазы wt при однократном прохождении световой волной кольцевого оптического пути. Следовательно,можно создать высокочувствительный датчик, например, измеряющий смещение резонансного пика, обусловленное поворотом. Другими словами, можно уменьшитьдлину волокна чувствительного  кольца, а если гироскоп среднего класса, товполне можно использовать даже одновитковое волоконное кольцо, соединенное соптической интегральной схемой.

В подобной структуре  гироскопадля получения острой резонансной характеристики требуется световой источник свысокой когерентностью излучения, в то время как в волоконно-оптическомгироскопе для улучшения характеристик требуется световой  источник с низкойкогерентностью.

/>

Рис.6. Оптическая схема волоконного гироскопа со световым гетеродинированием

Методы повышения чувствительности

Принципиальная оптическая схемаволоконно-оптического гироскопа приведена на рис. 4, но эта схема необнаруживает малых поворотов гироскопа. Для решения этой проблемы предлагаютсяразличные  методы: смещения разности фаз, фазовой модуляции, изменения частотыи светового гетеродинирования.

Рассмотрим только последнийметод. Структура оптической системы гироскопа со световым гетеродинированиемпредставлена на рис. 6. Световой луч разделяется с помощью дифракционнойрешетки на два луча с очень маленьким углом расхождения (около 10 мрад). Этилучи, пройдя оптическое волокно в противоположных направ­лениях, подаются наАОМ. Угол дифракции АОМ такой же, как и у дифракционной решетки, вследствиечего АОМ здесь используется не только как частотный сдвигатель, но и какнаправленный ответвитель, а светоприемное устройство выдает сигнал разностнойчастоты. В данной оптической системе возможно разделение световых лучей,двигающихся в противопо­ложных направлениях, но вследствие чрезвычайно малогоугла дифракции эти лучи взаимодействуют и дрейф, обусловленный колебаниямисреды, ослабляется. Кроме того, обычно при раз­ности длины оптических путейвозникает дрейф выходного сиг­нала вследствие частотного отклонения излученияисточника, но в данной структуре эта разность очень мала. На рис. 7 приведенаэлектронная схема измерителя фазы выходного сигнала в структуре на рис.6 понулевому методу. Точная временная задержка     Td  обеспечиваетсяприбором на зарядовых связях  (ПЗС). Для этой схемы справедливо

                          />                                  (9)

/>

Рис. 7. Схема измерителя фазы выходного сигнала для волоконно-оптического гироскопа со световым гетеродинированием

(N — целое число), т. е. здесьполучается частотное изменение Df2 электрическогосигнала, пропорциональное угловой скорости W, что оченьудобно для практической реализации устройства.

Шумовые факторы, методы их устранения

Методы повышения чувствительностиеще не обеспечивают высокой стабильности,  необходимо учитывать шумовые фак­торыи принимать меры по их устранению.

Основные оптические системы с повышеннойстабильностью

Для достижения высокойстабильности необходимо, чтобы внешние возмущения, воспринимаемые световымилучами, движущимися в противоположных направлениях, были совершенноодинаковыми.

В основной оптической системе,показанной на рис. 4, при использовании светоприемника 1 свет дважды отражаетсярас­щепителем луча и, кроме того, дважды проходит сквозь него. При этом условиеодинаковой длины оптического пути выпол­няется не совсем точно и вследствиетемпературных колебаний характеристик расщепителя луча на выходе возникаетдрейф. При использовании светоприемника 2 происходит то же самое.  Чтобысветовые лучи, введенные в оптическое волокно и излучаемые волокном, проходилиодинаковый оптический путь, объединялись и разъединялись в одной и той же точкерасщепителя луча, а также имели бы одинаковую моду, необходимо междурасщепителями луча установить пространственный фильтр. В этом фильтрежелательно использовать одномодовое оптическое волокно — то же, что и длячувствительной катушки.

Обычно в одномодовом оптическомволокне возможно распространение двух независимых мод с ортогональной поляризацией.Но поскольку оптические волокна обладают не совсем строгой осевой симметрией,фазовые постоянные этих двух мод различны. Однако между модами двух поляризацийпроисходит обмен энергией, характеристики которого изменяются под внеш­нимвоздействием, поэтому излученный волокном свет обычно приобретает круговуюполяризацию с неустойчивыми парамет­рами. Все это приводит к дрейфу выходногосигнала.

Если же на оптическом путипоместить, как это показано в обведенной штриховой линией части на рис. 4,поляризаци­онную пластину, т. е. пустить на оптический путь интерферо­метрасветовую волну с единственной поляризацией и в излу­чаемом свете выделитьтолько составляющую с такой же поля­ризацией, то передаточная функциякольцевого оптического пути (оптического волокна) для лучей с противоположнымна­правлением движения будет одинакова и, тем самым, проблема решена. Но и вэтом случае остаются колебания мощности света, достигшего светоприемника,поэтому необходимо принять еще меры по стабилизации масштабного коэффици­ента.Одна из таких мер — введение деполяризатора, который компенсирует колебанияполяризации в опти­ческом волокне и делает состояние поляризации произвольным,или введение оптического волокна, сохраняющего поляризацию. В гироскопах  сосветовым гетеродинированием эффективное решение проблемы  — нулевой метод.

Для устранения дрейфа,обусловленного колебаниями поля­ризации в оптическом волокне, требуетсяполяризатор с очень большим затуханием (около 90 дБ), но это требование смягча­етсяпри использовании оптического волокна с сохранением поляризации и источникасвета с низкой когерентностью. В оп­тическом волокне с сохранением поляризациииз-за разности фазовых постоянных для мод с ортогональной поляризациейвозникает разность длины оптического пути для этих мод, поэтому использованиеисточника с низкой когерентностью излучения делает невозможным интерференциюмежду модами. Аналогичного эффекта можно добиться и при использованиидеполяризатора.

Таблица 1. Шумовыефакторы в волоконно-оптических гироскопах

Шумовой фактор

Рекомендуемые меры по снижению шума

Колебания поляризации в оптическом волокне, например, преобразование линейной поляризации в круговую в одномодовом волокне Включение на выходе волокна анали­затора, для того чтобы выделить со­ставляющую поляризации одного направления Разность длины оптических путей для световых волн, идущих в противопо­ложных направлениях, при динами­ческой нестабильности спектра ис­точника света Стабилизация спектра источника света Разность частот волн, идущих по во­локну в противоположных направле­ниях, при колебаниях температуры Использование двух акустооптических модуляторов или модуляция прямо­угольными импульсами Неравномерность распределения тем­пературы вдоль волокна Намотка оптического волокна, при ко­торой распределение температуры симметрично относительно середины катушки Изменение фазы выходного сигнала из-за эффекта Фарадея в волокне под воздействием колебаний магнит­ного поля Земли Магнитное экранирование и использо­вание волокна с сохранением поля­ризации Колебания (в расщепителе луча) отно­шения интенсивности прямого и об­ратного луча вследствие оптического эффекта Керра Модуляция излучаемого света прямо­угольными импульсами со скважностью 50%; использование широкополосного источника света Интерференция прямого луча и луча обратного рассеяния Рэлея Фазовая модуляция световой волны; импульсная частотная модуляция лазерного излучения; использование слабоинтеферирующего источника света

Факторы, ограничивающие разрешающуюспособность

/>

Рис. 8. Основные шумовые факторы в чувствительном кольце из оптического волокна

 Среди факторов, ограничивающихкратковременную разрешающую способность, наиболее сильное влияние оказываетобратное рассеяние по оптическому пути. Свет отражения Френеля от поверхностейэлементов оптической системы или свет обратного рассеяния Рэлея, например, всамом оптическом волокне интерферирует со светом сигнала, что приводит квозникновению множества шумов. Для борьбы с ними предлагаются модуляция фазысветовой волны, импульсные методы, а также метод, при котором используетсяисточник света с широким спектром и низкой когерентностью, ухудшающий интерференциюиз-за большой разности длины оптического пути для света обратного рассеянияРэлея и света сигнала. (Таким источником может служить многомодовыйполупроводниковый лазер или суперлюми­несцентный диод.)

Шумы выходного сигнала гироскопаможно выразить следующей формулой:

/>

Рис. 9. Уменьшение шумов рэлеевского рассеяния посредством расширения спектра светового источника

                          />                                                         (10)

где a0— потери рассеяния Рэлея воптическом волокне; bR — доля светового рассеянияРэлея, распространяющаяся в обрат­ном направлении; Dfs— ширина спектра источника света.

На рис. 9 представлены результатыэксперимента, пока­зывающие, как по мере расширения спектра излучения повы­шаетсяразрешающая способность волоконно-оптического гироскопа. Таким образом, в волоконно-оптическихгироскопах уменьшение когерентности источника света эффективно для снижения нетолько шумов расстояния Рэлея, но и шумов эффекта Керра.

Характеристики и методы их улучшения

В настоящее время разработаныэкспериментальные системы, в которых приняты меры по повышению чувствитель­ностии по снижению шумов. В этих системах, работающих по методу фазовой модуляции,изменения частоты и светового ге­теродинирования, достигнута разрешающаяспособность, позво­ляющая измерять скорости, равные или меньшие скорости соб­ственноговращения Земли (15°/ч=7,3×10-5рад/с). Особенно велики достижения в системах с фазовой модуляцией, у кото­рыхразрешающая способность и дрейф примерно 0,02°/ч, чтоприемлемо для инерциальной навигации.

Исследуется возможностьреализации гироскопов с использованием технологии микрооптики, функциональныхволоконных и волноводных элементов. Уже выпускаются волоконно-оптическиегироскопы с разрешающей способностью 1°/ч. Кроме того, углубляетсяизучение систем, пригодных для инерциальной навигации.

 Система с фазовой модуляцией

/>

Рис. 10.  Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией, выполненный на волоконных функциональных элементах

 На рис. 10 представ­лена оптическаясистема гироскопа, разработанная в Стаффордском университете, на одномодовомоптическом волокне, подвергнутом в некоторых местах специальной  обработке, аименно: регулятор поляризационного типа, направленный ответвитель, поляризатор,фазовый модулятор и другие — функциональные элементы на оптическом волокне,полученные путем его обработки. Paдиyc кольца из оптического волокна 7 см,длина волокна 580 м.  Таким образом, в гироскопе устранено отражение отповерхностей различных элементов оптической системы. К тому же использованиемногомодового полупроводникового лазера в ка­честве источника света снижаеткогерентность системы и тем самым уменьшает шумы, обусловленные рассеяниемРэлея. Уменьшению этих шумов способствует и то, что система выпол­нена попринципу фазовой модуляции. В гироскопе, показанном на рис. 10, достигается разрешающаяспособность 0,022°/ч (рис. 11, а). При этом времяинтегрирования состав­ляет 1 с. Путем специальной намотки оптического волокнаос­лабляется влияние температурных колебаний, а с применением магнитного экранаи многомодового полупроводникового лазера снижается дрейф, обусловленный эффектомКерра, и уменьшаются колебания нулевой точки (рис. 11, б, 0,02°/ч,при времени интегрирования 30 с).

/>

Рис. 11. Разрешающая способность (а) и характеристика стабилизации нулевой точки (б) волоконно-оптического гироскопа (рис.10)

Для уменьшения колебанийполяризации предложена фазовая модуляция выходного сигнала с использованием основнойволны и второй гармоники, а также метод, при котором измеряются гармоники выходногосигнала светоприемника и состав­ляющая постоянного тока, затем выделяется расчетнымпутем флюктуационная составляющая масштабного коэффициента. Пробуют такжевводить в систему оптическое волокно с сохранением поляризации, выполнятьфазовый модулятор с направленными ответвителями, а остальные элементы  — в видеволноводных устройств. Эксперименты с такими гироскопами дают разрешающую способностьот 0,02 до нескольких граду­сов в час (время интегрирования 1 с). Для повышенияразре­шающей способности и уменьшения дрейфа нуля эффективно такжеиспользование суперлюминесцентного диода, обладаю­щего низкой когерентностью(ширина волнового спектра коге­рентности 20 мкм).

/>

Рис.12.  Гироскоп со световым квазигетеродинированием

На рис. 12, а представленасистема, в которой: сигнал воз­буждения фазового модулятора формируется путеминтегриро­вания пилообразного напряжения и на выходе подучается сигналквазигетеродинирования. На рис. 12, б показано изменение фазы электрическогосигнала переменного тока при вращении гироскопа. Имеются и другие попыткиреализации квазигетеродинного светового метода на основе фазовой модуляции.Например, система комбинируется со схемой обработки фазы (см. рис. 7), чтопозволяет расширить динамический диапазон и стабилизировать масштабныйкоэффициент, т. е. компенсировать недостатки метода  фазовой модуляции. В этойсистеме требуется точная установка параметров формы модулирующего сигнала итрудно добиться технических характеристик, удовлетворяющих инерциальную навигацию.Путем манипуляций с формой модулирую­щего сигнала практически реализуетсянулевой метод, но при этом возникает проблема со стабилизацией нулевой точки.

 В любом случае система с фазовоймодуляцией превосходит  другие системы по разрешающей способности истабильности нулевой точки и к тому же относительно проста. Поэтому рас­ширяютсяработы по миниатюризации этой системы путем соз­дания волоконных и волноводныхфункциональных оптических элементов, приборов интегральной оптики. В частности,западногерманская фирма SEL уже выпускает гироскопы с разрешающей способностьюоколо 15°/ч и линейностью в пределах 1%,где для фазового модулятора используются волноводные оптические элементы. Длинаволокна 100 м, радиус чувствительности катушки из оптического волокна около 3,5см, габариты 80´80´25мм, масса 200 г.

 Системы с изменением частоты

/>

Рис.13, а. Структурная схема волоконно-оптического гироскопа с изменением частоты

/>

Рис.13, б.

 На рис. 13, а представленаструктура волоконно-оптического гироскопа с измене­нием частоты, разработанногозападногерманской фирмой SEL, в нем два опорных генератора с частотой fLи fН, с помощью которых устанавливается разность фаз p,которая коммутируется с частотой fс. Все это позволяет увеличитьчувствительность. В частности, в стационарном режиме частота f возбуждения AOM1равна (fL +fН)/2, т. е. при коммутации между fНи fL выходной сигнал интерферометра не изменяется. В режиме c.установившейся частотой f составляющая fc на выходе интер­ферометраотсутствует, что может быть основой для обратной связи для генератора,управляемого напряжением. При враще­нии гироскопа частота f отклоняется отзначения (fL +fН)/2 и в соответствии с установившейсяразностью можно определить по формуле  скорость этого вращения: 

                                      />                                                              (11)

В  данной системе эффективноснижаются шумы, поскольку частота fс определяется как величина,обратная периоду рас­пространения световой волны по катушке с оптическим волок­ном,а частота света сигнала и света обратного рассеяния Рэ­лея обычно различаетсятолько как fН — fL. Динамический диа­пазон, как видно нарис. 13, б, простирается на шесть поряд­ков, что является особенностью методаизменения частоты.

Если расстояние от модуляторовАОМ1 и АОМ2 до расщепителя луча неодинаково, возникает дрейф нуля. Из-за этогостабильность нулевой точки ухудшается до стабильности в системе с фазовоймодуляцией. Тем не менее, эти изделия уже выпускаются (с дрейфом около 3°/ч).В них длина оптического волокна 1 км, радиус катушки 5 см. Угловое смещение накаждый отсчет частоты выходного сиг­нала составляет 2,95 с.

Метод изменения частотыструктурно базируется на методе фазовой модуляции. Считается, что он позволяетповысить раз­решающую способность и стабильность нулевой точки. При этомосновные сложности связаны с частотным сдвигателем. Если в качестве егоиспользуется АОМ, то возникают две проблемы — увеличение габаритов оптическойсистемы при росте мощности возбуждения и отраженного света, а также повышениечастоты возбуждения. Наряду с АОМ исследуются частотные сдвигатели в виде волоконно-оптическихфукциональных элементов и световых волноводов. Кроме того, интегрируются дваAOM и объектив на подложке из LiNbО3. Проектируются также системы счастотным сдвигом, полученным на основе фазового метода.

 На рис. 14 представлена общаяструктура фазовой си­стемы, выполненной на базе интегральной схемы. Фазовыймодулятор волноводного типа имеет хорошие частотные харак­теристики, поэтомувозможно возбуждение пилообразным напря­жением и реализация фазовой системы.При этом, если ампли­туда пилообразного напряжения возбуждения строго соответ­ствует2p,то высшие гармоники не возникают, и получается идеальный частотный сдвигатель.Для инерциальной навигаци­онной системы это условие должно выполняться оченьстрого. Французская фирма «Томсон ЦСФ» разработала автоматиче­скую регулировкуамплитуды с помощью цифроаналогового преобразователя, который обеспечиваеттребуемую пилообразную форму напряжения с фронтом из микроступеней. Частота егоопределяется как Df из формулы (11), и присинхронной с цифроаналоговым преобразователем обратной связи здесь обеспечиваетсянулевой метод, а изменение тактовой частоты информирует об угловой скоростигироскопа. В этой системе не требуется большого сдвига частоты и можно обойтисьлишь одним частотным сдвигателем. Разработан подобный гироскоп с дрейфом нуля0,3°/ч и динамическим диапазоном в 7 порядков.

/>

Рис.14. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты и сдвигатели фазового типа на интегральной схеме

Система со световым гетеродинированием

Система на рис. 6 включает в себякатушку радиусом 15 см из оптического одномодового волокна длиной 2000 м,отдельные оптические приборы и одно­модовый полупроводниковый лазер. В нейиспользуется прямая частотная модуляция излучения полупроводникового лазера,что приводит к дополнительным шумам. Для снижения когерентности увеличиваетсяширина спектра излучения. На рис. 15 приведены характеристики шумов. Расширениеспектра позво­ляет повысить разрешающую способность примерно в 20 раз.Поскольку из-за обратного света спектр полупроводникового лазера нестабилен, всистему вводится изолятор.

/>

Рис.15, а.  Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гетеродинированием (рис.6, 7)

/>

Рис.15, б. Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гетеродинированием — характеристика передачи (рис.6, 7)

На рис. 15, а поясняется работаданной системы. По вер­тикальной оси откладывается изменение частоты, котороепропорционально угловой скорости, причем один отсчет соответствуег угловомусдвигу 4" (при 10-кратном усилении 0,4" на 1 отсчет). Скоростьвращения земного шара 0,0042°/с, кратковременная разрешающаяспособность 5°/ч. На рис. 15, б приведенахарактеристика передачи (вход—выход). Скорость 11°/чсоответствует фазовой разности 180°. Линейность характеристикиулучшена благодаря применению нулевого метода. Верхняя граница обнаружениявращения, определяемая электронной схемой, составляет 100°/c,динамический диапазон экспери­ментальной системы 5 порядков.

Из-за тепловых колебаний скоростизвука в АОМ системы возникает заметный дрейф нуля, в связи с чем продолжаютсяисследования способов отслеживания звуковой скорости в АОМ. Данную систему, используядвухмерные световые волноводы и дифракционные решетки, можно реализовать в видеинтегральной схемы.

Заключение

Рассмотрен принцип действиянекоторых оптических гироскопов, в том числе волоконно-оптических. Благодаряметоду фа­зовой модуляции достигнута разрешающая способность и ста­бильностьнулевой точки в соответствии с требованиями инерциальной навигации. С помощьюметода изменения частоты и светового гетеродинирования реализован широкийдинамиче­ский диапазон (от пяти до девяти порядков) и стабильный масштабныйкоэффициент. Волоконно-оптические гироскопы на­ходят широкое применение.Быстрыми темпами ведется разработка различных приборов на микрооптическойтехнологии, волоконно-оптических функциональных элементах, оптическихволноводных элементах. К настоящему времени такие гироскопы среднего класса ужеимеются в продаже.

Волоконно-оптические гироскопыотличаются от прежних отсутствием механических систем, что делает их пригоднымине только в навигации, но и в других областях, например, для контроля движениябура при бурении нефтяных скважин. Кроме того, если увеличить диаметр кольца изоптического волокна, удлинить интервал интегрирования выходного сигнала, томожно повысить чувствительность, что позволит использовать гироскоп дляпрогноза погоды, измерения флюктуаций собственного вращения Земли и др.

Список литературы

  Волноводыоптической связи, Теумин И.И.

  Волоконно-оптическиедатчики, подред. Т.Окоси, перевод с япон.

  Оптическиеволноводы,Marcuse D., перевод с англ.

  Основыволоконно-оптической связи,под ред. Е.М.Дианова, перевод с англ.