Реферат: Волоконно-оптические гироскопы

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

________________________________________________

Факультет РЛ

Кафедра РЛ2

Реферат по теме


 «Волоконно-оптические гироскопы»

студентки

 Матвеевой Ляны Александровны

 группа РЛ3-101.

Преподаватель

Немтинов Владимир Борисович

<span Times New Roman";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

Оглавление

 TOC o «1-3» «PLM загол2;1;PLM загол 3;2» … GOTOBUTTON _Toc358894098   PAGEREF _Toc358894098 2

Введение… GOTOBUTTON _Toc358894099   PAGEREF _Toc358894099 3

Принцип действия оптического гироскопа… GOTOBUTTON _Toc358894100   PAGEREF _Toc358894100 3

Структурные схемы оптических гироскопов… GOTOBUTTON _Toc358894101   PAGEREF _Toc358894101 5

Кольцевой лазерный гироскоп.… GOTOBUTTON _Toc358894102   PAGEREF _Toc358894102 6

Волоконно-оптические гироскопы.… GOTOBUTTON _Toc358894103   PAGEREF _Toc358894103 8

Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа… GOTOBUTTON _Toc358894104   PAGEREF _Toc358894104 10

Методы повышения чувствительности… GOTOBUTTON _Toc358894105   PAGEREF _Toc358894105 11

Шумовые факторы, методы их устранения… GOTOBUTTON _Toc358894106   PAGEREF _Toc358894106 12

Основные оптические системы с повышенной стабильностью… GOTOBUTTON _Toc358894107   PAGEREF _Toc358894107 13

Факторы, ограничивающие разрешающую способность… GOTOBUTTON _Toc358894108   PAGEREF _Toc358894108 15

Характеристики и методы их улучшения… GOTOBUTTON _Toc358894109   PAGEREF _Toc358894109 16

Система с фазовой модуляцией… GOTOBUTTON _Toc358894110   PAGEREF _Toc358894110 17

Системы с изменением частоты… GOTOBUTTON _Toc358894111   PAGEREF _Toc358894111 20

Система со световым гетеродинированием… GOTOBUTTON _Toc358894112   PAGEREF _Toc358894112 22

Заключение… GOTOBUTTON _Toc358894113   PAGEREF _Toc358894113 24

Список литературы… GOTOBUTTON _Toc358894114   PAGEREF _Toc358894114 24

<span Times New Roman";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

Введение

Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальномпространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясьструктурным элементом инерциальной навигационной системы, обрабатывающейинформацию о местонахождении самолета или судна с целью выведения его на курс.В состав этой системы обычно входит три гироскопа — для измерения скоростивращения вокруг трех ортогональных осей, три акселерометра — для определенияскорости и расстояния и направлении трех осей и компьютер — для обработкивыходных сигналов этих приборов. К самолетным гироскопам предъявляются оченьвысокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля 0,01°/ч,динамический диапазон 6 порядков, высокая стабильность (10-5)масштабного коэффи­циента преобразования угла поворота в выходной сигнал. Досих пор применялись в основном механические гироскопы, рабо­тающие на основеэффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциальногопространства (закон сохранения момента количества движения). Это дорогостоящиеприборы, поскольку требуется высокая точность формы тела вращения и минимальноевозможное трение подшипников. 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 времязапуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкаяпотребляемая мощность; высокая надежность.

Кроме того, возможно снижение стоимости волоконно-оптических гироскоповза счет внедрения оптических интегральных схем. Наряду с использованием всамолетах и на судах можно ожидать по мере прогресса в технике гироскоповприменения их в автомобилях, роботах и т. д.

Принцип действия оптического гироскопа

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка.По круговому оптическому пути, как показано на рис. 1, благодаря расщепителюлуча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этомсистема находится в покое относительно инерциального пространства, оба световыхлуча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтомупри сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига.Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве сугловой скоростью W,между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называетсяэффектом Саньяка.

<img src="/cache/referats/2228/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">

Рис.1. Принцип возникновения эффекта Саньяка

Пусть коэффициент преломления на оптическом пути n=1. При радиусеоптического пути a время достижения расщепителя лучей светом, движущимся почасовой стрелке, выражается как

                                               <img src="/cache/referats/2228/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">                                             (1)

<img src="/cache/referats/2228/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

Рис.2. Эффект Саньяка при оптическом пути произвольной формы

в противоположном направлении —

                                               <img src="/cache/referats/2228/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">                                             (2)

где с — скорость света.

Из формул (1) и (2) разность времени распространения двухсветовых волн с учетом c>>aW

                                   <img src="/cache/referats/2228/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029">                                         (3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей

                                               <img src="/cache/referats/2228/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030">                                                              (4)

или, иначе говоря, разность фаз

                                               <img src="/cache/referats/2228/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">                                                          (5)

Здесь S — площадь, окаймленная оптическим путем; k — волновое число.

Формула (5) вытекает из формулы (3) при допущении, что n=1 и оптическийпуть имеет круговую форму, но возможно доказать, что формула (5) являетсяосновной для эффекта Саньяка. Она не зависит от формы оптического пути,положения центра вращения и коэффициента преломления.

<img src="/cache/referats/2228/image016.jpg" v:shapes="_x0000_i1032">

 Рис.3. Структурные схемы гироскопов на эффекте Саньяка

wrи 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 схемы систем, разработанных для повышенияточности измерений. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 3, а) отличается высокойчастотой световой волны — до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптическийгироскоп на рис. 3, б имеет высокую чувствительность, благодаря использованиюдлинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическомгироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 3, в) используетсяострая резонансная характеристика резонатора.

 Кольцевойлазерный гироскоп.

 Кольцевой лазерныйгироскоп изготовляется подобно газовому лазеру: в кварцевом блоке путем расплавления создается полость (канал) в форметреугольника и заполняется смесью гелия и неона. Длина волны  генерируемого лазером излучения 632,8 нм.Обычно частота генерации изменяется в зависимости от длины лазерногорезонатора. И в данном случае частоты двух генерируемых световых волн,распространяющихся в противоположных направлениях по треугольному оптическомупути (рис. 3, а), неодинаковы из-за разности оптической длины DL[см. формулу (4)]. Поэтомуможно использовать для измерений частоту биений обеих генерируемых световых волн, а именно

                                               <img src="/cache/referats/2228/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033">                                                             (6)

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

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 выходным сигналом служит частота,пропорциональная угловой скорости, то подсчетом выходных волн можно определитьприращение угла поворота в цифровой форме, что обеспечивает высокуюточность  информации, подаваемой внавигационное вычислительное устройство. Измерение частоты возможно в широкомдинамическом диапазоне, а следовательно, и динамический диапазон кольцевоголазерного гироскопа вполне можно расширить и сделать достаточным дляинерциальной навигационной системы. В этом большое преимущество данныхгироскопов.

Исследование кольцевых лазерных гироскопов началось в 60-х годах.К настоящему времени достигнута разрешающая способность и стабильность нулевойточки примерно 0,001°/ч. Впоследнее время кольцевые лазерные гироскопы применяются в инерциальной системеотсчета не только в самолетах «Боинг» 757/767, но и в аэробусах А310. В Японииопубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01°/ч.

Таким образом, кольцевой лазерный гироскоп достиг уже стадии практическогоприменения, но, тем не менее, остается ряд нерешенных проблем:

1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости(влияние синхронизма).

2. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере.

3. Изменение длины оптического пути под воздействием тепловогорасширения, давления и механических деформаций.

 Из этих проблем самойважной является 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 лазерномгироскопе возникает явление синхронизма, так как это активная конструкция исама оптическая 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.

<img src="/cache/referats/2228/image020.jpg" v:shapes="_x0000_i1034">

Рис.4. Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопа

 Волоконно-оптическиегироскопы.

На рис. 4 приведена оптическая схема волоконно-оптического гироскопа.По сути это интерферометр Саньяка (см. рис. 1), в котором круговой оптическийконтур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна. Частьсхемы, обведенная штриховой линией, необходима для повышения стабильностинулевой точки. Таким образом, разность фаз между двумя световыми волнами,обусловленная эффектом Саньяка, с учетом формулы (5) выражается как

                                   <img src="/cache/referats/2228/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035">                                    (7)

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

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

Благодаря совершенствованию технологии производства выпускаетсяволокно с очень низкими потерями. Чтобы не повредить волокно, намоткапроизводится на катушку радиусом несколько сантиметров. При этом не  наблюдается сколько-нибудь заметногоувеличения потерь. Можно создать сравнительно малогабаритный ивысокочувствительный интерферометр Саньяка с катушкой небольшого радиуса (2...5см), намотав на нее волокно большой длины. Сформировав оптимальную оптическуюсистему, можно измерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальнойнавигации — порядка 10-6`рад),а затем из формулы (7) определять круговую скорость. Все это и составляет принцип работыволоконно-оптического гироскопа.

Поскольку данный волоконно-оптический гироскоп — пассивного типа,в нем отсутствуют такие проблемы, как явление синхронизма.

Пределы обнаружения угловойскорости. В основной оптической системе на рис. 4 в состоянии оптическиепути для света в обоих направлениях обхода будут одинаковы по  длине, а поскольку сигнал  на выходе светоприемника изменяетсяпропорционально   <img src="/cache/referats/2228/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036">  то гироскопнечувствителен к очень  малым поворотам.Считается, что в системе с оптимальной чувствительностью теоретические пределыобнаружения угловой скорости связаны с дробовым шумом светоприемника. Анализпоказывает, что для оптического волокна с потерями a существует определенная длина, позволяющая оптимизировать пределыобнаружения при дробовом  шуме:

                                               <img src="/cache/referats/2228/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1037">                                                         (8)

<img src="/cache/referats/2228/image028.jpg" v:shapes="_x0000_i1038">

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

<img src="/cache/referats/2228/image030.jpg" v:shapes="_x0000_i1039">

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

Результаты расчета при типичных значениях параметров приведены нарис. 5, а. Для оптического волокна с потерями 2  дБ/км пределы обнаруженияпримерно 10-8  рад/с  (0,001°/ч). Это как раз значения, применяемые в инерциальнойнавигации. На рис. 5, б показано, что благодаря увеличению радиуса катушки соптическим волокном, а также использованию света с длиной волны 1,55 мкм, накоторой потери в оптическом волокне очень низки, возможно создание измерителяоборотов в инерциальном пространстве с чрезвычайно малым дрейфом. Это позволяетприменять измеритель не только в навигации, но и в геофизике.

В реальных волоконно-оптических гироскопах возможности ограниченышумовыми факторами.

 Оптическийгироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа

 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  в форме кольца.  При этом выходной сигнал светоприемника резкореагирует на                                                                            изменение фазы wt  при однократном прохождении световой волнойкольцевого оптического пути. Следовательно, можно создать высокочувствительныйдатчик, например, измеряющий смещение резонансного пика, обусловленное поворотом. Другими словами, можноуменьшить длину волокна чувствительного кольца, а если гироскоп среднего класса, то вполне можно использоватьдаже одновитковое волоконное кольцо, соединенное с оптической интегральнойсхемой.

В подобной структуре гироскопа для получения острой резонансной характеристики требуется световойисточник с высокой когерентностью излучения, в то время как вволоконно-оптическом гироскопе для улучшения характеристик требуетсясветовой  источник с низкойкогерентностью.

<img src="/cache/referats/2228/image032.jpg" v:shapes="_x0000_i1040">

Рис.6. Оптическая схема волоконного гироскопа со световым гетеродинированием

Методы повышения чувствительности

Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопаприведена на рис. 4, но эта схема не обнаруживает малых поворотов гироскопа.Для решения этой проблемы предлагаются различные  методы: смещения разности фаз, фазовоймодуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования.

Рассмотрим только последний метод. Структура оптической системыгироскопа со световым гетеродинированием представлена на рис. 6. Световой лучразделяется с помощью дифракционной решетки на два луча с очень маленьким угломрасхождения (около 10 мрад). Эти лучи, пройдя оптическое волокно впротивоположных направ­лениях, подаются на АОМ. Угол дифракции АОМ такой же,как и у дифракционной решетки, вследствие чего АОМ здесь используется не толькокак частотный сдвигатель, но и как направленный ответвитель, а светоприемноеустройство выдает сигнал разностной частоты. В данной оптической системевозможно разделение световых лучей, двигающихся в противопо­ложныхнаправлениях, но вследствие чрезвычайно малого угла дифракции эти лучивзаимодействуют и дрейф, обусловленный колебаниями среды, ослабляется. Крометого, обычно при раз­ности длины оптических путей возникает дрейф выходного сиг­налавследствие частотного отклонения излучения источника, но в данной структуре этаразность очень мала. На рис. 7 приведена электронная схема измерителя фазывыходного сигнала в структуре на рис.6 по нулевому методу. Точная временнаязадержка     Td  обеспечивается прибором на зарядовыхсвязях  (ПЗС). Для этой схемы справедливо

                                   <img src="/cache/referats/2228/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1041">                                  (9)

<img src="/cache/referats/2228/image036.jpg" v:shapes="_x0000_i1042">

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

(N — целое число), т. е. здесь получается частотное изменение Df2электрического сигнала, пропорциональное угловой скорости W, чтоочень удобно для практической реализации устройства.

Шумовые факторы, методы их устранения

Методы повышения чувствительности еще не обеспечивают высокойстабильности,  необходимо учитыватьшумовые фак­торы и принимать меры по их устранению.

Основные оптические системы с повышеннойстабильностью

Для достижения высокой стабильности необходимо, чтобы внешниевозмущения, воспринимаемые световыми лучами, движущимися в противоположныхнаправлениях, были совершенно одинаковыми.

В основной оптической системе, показанной на рис. 4, при использованиисветоприемника 1 свет дважды отражается рас­щепителем луча и, кроме того,дважды проходит сквозь него. При этом условие одинаковой длины оптического путивыпол­няется не совсем точно и вследствие температурных колебаний характеристикрасщепителя луча на выходе возникает дрейф. При использовании светоприемника 2происходит то же самое.  Чтобы световыелучи, введенные в оптическое волокно и излучаемые волокном, проходили одинаковыйоптический 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 оптическом волокне возможно распространениедвух независимых мод с ортогональной поляризацией. Но поскольку оптическиеволокна обладают не совсем строгой осевой симметрией, фазовые постоянные этихдвух мод различны. Однако между модами двух поляризаций происходит обменэнергией, характеристики которого изменяются под внеш­ним воздействием, поэтомуизлученный волокном свет обычно приобретает круговую поляризацию снеустойчивыми парамет­рами. Все это приводит к дрейфу выходного сигнала.

Если же на оптическом пути поместить, как это показано вобведенной штриховой линией части на рис. 4, поляризаци­онную пластину, т. е.пустить на оптический путь интерферо­метра световую волну с единственной поляризациейи в излу­чаемом свете выделить только составляющую с такой же поля­ризацией, топередаточная функция кольцевого оптического пути (оптического волокна) длялучей с противоположным на­правлением движения будет одинакова и, тем самым,проблема решена. Но и в этом случае остаются колебания мощности света,достигшего светоприемника, поэтому необходимо принять еще меры по стабилизациимасштабного коэффици­ента. Одна из таких мер — введение деполяризатора, которыйкомпенсирует колебания поляризации в опти­ческом волокне и делает состояниеполяризации произвольным, или введение оптического волокна, сохраняющегополяризацию. В гироскопах  со световым гетеродинированиемэффективное решение проблемы  — нулевойметод.

Для устранения дрейфа, обусловленного колебаниями поля­ризации воптическом волокне, требуется поляризатор с очень большим затуханием (около 90дБ), но это требование смягча­ется при использовании оптического волокна ссохранением поляризации и источника света с низкой когерентностью. В оп­тическомволокне с сохранением поляризации из-за разности фазовых постоянных для мод сортогональной поляризацией возникает разность длины оптического пути для этихмод, поэтому использование источника с низкой когерентностью излучения делаетневозможным интерференцию между модами. Аналогичного эффекта можно добиться ипри использовании деполяризатора.

Таблица 1.  Шумовые факторы в волоконно-оптическихгироскопах

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

<img src="/cache/referats/2228/image038.jpg" v:shapes="_x0000_i1043">

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, в самомоптическом волокне интерферирует со светом сигнала, что приводит к возникновениюмножества шумов. Для борьбы с ними предлагаются модуляция фазы световой волны,импульсные методы, а также метод, при котором используется источник света сшироким спектром и низкой когерентностью, ухудшающий интерференцию из-забольшой разности длины оптического пути для света обратного рассеяния Рэлея исвета сигнала. (Таким источником может служить многомодовый полупроводниковыйлазер или суперлюми­несцентный диод.)

Шумы выходного сигнала гироскопа можно выразить следующей формулой:

<img src="/cache/referats/2228/image040.jpg" v:shapes="_x0000_i1044">

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

                                   <img src="/cache/referats/2228/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1045">                                                         (10)

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

На рис. 9 представлены результаты эксперимента, пока­зывающие,как по мере расширения спектра излучения повы­шается разрешающая способностьволоконно-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 разработаны экспериментальные системы, в которыхприняты меры по повышению чувствитель­ности и по снижению шумов. В этихсистемах, работающих по методу фазовой модуляции, изменения частоты и световогоге­теродинирования, достигнута разрешающая способность, позво­ляющая измерятьскорости, равные или меньшие скорости соб­ственного вращения 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, что приемлемо для инерциальной навигации.

Исследуется возможность реализации гироскопов с использованиемтехнологии микрооптики, функциональных волоконных и волноводных элементов. Ужевыпускаются волоконно-оптические гироскопы с разрешающей способностью 1°/ч.Кроме того, углубляется изучение систем, пригодных для инерциальной навигации.

 Системас фазовой модуляцией

<img src="/cache/referats/2228/image044.jpg" v:shapes="_x0000_i1046">

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

 На рис. 10 представ­ленаоптическая система гироскопа, разработанная в Стаффордском университете, наодномодовом оптическом волокне, подвергнутом в некоторых местах специальной  обработке, а именно: регуляторполяризационного типа, направленный ответвитель, поляризатор, фазовый модулятори другие — функциональные элементы на оптическом волокне, полученные путем егообработки. Paдиyc кольца из оптического волокна 7 см, длина волокна 580 м.  Таким образом, в гироскопе устраненоотражение от поверхностей различных элементов оптической системы. К тому жеиспользование многомодового полупроводникового лазера в ка­честве источникасвета снижает когерентность системы и тем самым уменьшает шумы, обусловленныерассеянием Рэлея. Уменьшению этих шумов способствует и то, что система выпол­ненапо принципу фазовой модуляции. В гироскопе, показанном на рис. 10, достигаетсяразрешающая способность 0,022°/ч(рис. 11, а). При этом время интегрирования состав­ляет 1 с. Путем специальнойнамотки оптического волокна ос­лабляется влияние температурных колебаний, а сприменением магнитного экрана и многомодового полупроводникового лазераснижается дрейф, обусловленный эффектом Керра, и уменьшаются колебания нулевойточки (рис. 11, б, 0,02°/ч,при времени интегрирования 30 с).

<img src="/cache/referats/2228/image046.jpg" v:shapes="_x0000_i1047">

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

Для уменьшения колебаний поляризации предложена фазовая модуляциявыходного сигнала с использованием основной волны и второй гармоники, а такжеметод, при котором измеряются гармоники выходного сигнала светоприемника исостав­ляющая постоянного тока, затем выделяется расчетным путем флюктуационнаясоставляющая масштабного коэффициента. Пробуют также вводить в системуоптическое волокно с сохранением поляризации, выполнять фазовый модулятор с направленнымиответвителями, а остальные элементы  — ввиде волноводных устройств. Эксперименты с такими гироскопами дают разрешающуюспособность от 0,02 до нескольких граду­сов в час (время интегрирования 1 с).Для повышения разре­шающей способности и уменьшения дрейфа нуля эффективнотакже использование суперлюминесцентного диода, обладаю­щего низкойкогерентностью (ширина волнового спектра коге­рентности 20 мкм).

<img src="/cache/referats/2228/image048.jpg" v:shapes="_x0000_i1048">

Рис.12.  Гироскоп со световым квазигетеродинированием

На рис. 12, а представлена система, в которой: сигнал воз­бужденияфазового модулятора формируется путем интегриро­вания пилообразного напряженияи на выходе подучается сигнал квазигетеродинирования. На рис. 12, б показаноизменение фазы электрического сигнала переменного тока при вращении гироскопа.Имеются и другие попытки реализации квазигетеродинного светового метода на основефазовой модуляции. Например, система комбинируется со схемой обработки фазы(см. рис. 7), что позволяет расширить динамический диапазон и стабилизироватьмасштабный коэффициент, т. е. компенсировать недостатки метода  фазовой модуляции. В этой системе требуетсяточная установка параметров формы модулирующего сигнала и трудно добитьсятехнических характеристик, удовлетворяющих инерциальную навигацию. Путем манипуляцийс формой модулирую­щего сигнала практически реализуется нулевой метод, но приэтом возникает проблема со стабилизацией нулевой точки.

 В любом случае система сфазовой модуляцией превосходит  другиесистемы по разрешающей способности и стабильности нулевой точки и к тому жеотносительно проста. Поэтому рас­ширяются работы по миниатюризации этой системыпутем соз­дания волоконных и волноводных функциональных оптических элементов,приборов интегральной оптики. В частности, западногерманская фирма SEL ужевыпускает гироскопы с разрешающей способностью около 15°/ч и линейностью в пределах 1%, гдедля 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.

 Системыс изменением частоты

<img src="/cache/referats/2228/image050.jpg" v:shapes="_x0000_i1049">

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

<img src="/cache/referats/2228/image052.jpg" v:shapes="_x0000_i1050">

Рис.13, б.

 На рис. 13, а представленаструктура волоконно-оптического гироскопа с измене­нием частоты, разработанногозападногер

еще рефераты
Еще работы по технологии