Волоконно-оптические гироскопы

колебания мощности света, достигшего светоприемника, поэтому необходимо

принять еще меры по стабилизации масштабного коэффициента. Одна из таких

мер — введение деполяризатора, который компенсирует колебания поляризации в

оптическом волокне и делает состояние поляризации произвольным, или

введение оптического волокна, сохраняющего поляризацию. В гироскопах со

световым гетеродинированием эффективное решение проблемы — нулевой метод.

Для устранения дрейфа, обусловленного колебаниями поляризации в

оптическом волокне, требуется поляризатор с очень большим затуханием (около

90 дБ), но это требование смягчается при использовании оптического волокна

с сохранением поляризации и источника света с низкой когерентностью. В

оптическом волокне с сохранением поляризации из-за разности фазовых

постоянных для мод с ортогональной поляризацией возникает разность длины

оптического пути для этих мод, поэтому использование источника с низкой

когерентностью излучения делает невозможным интерференцию между модами.

Аналогичного эффекта можно добиться и при использовании деполяризатора.

Таблица 1. Шумовые факторы в волоконно-оптических гироскопах

|Шумовой фактор |Рекомендуемые меры по снижению |

| |шума |

|Колебания поляризации в оптическом|Включение на выходе волокна |

|волокне, например, преобразование |анализатора, для того чтобы |

|линейной поляризации в круговую в |выделить составляющую поляризации |

|одномодовом волокне |одного направления |

|Разность длины оптических путей |Стабилизация спектра источника |

|для световых волн, идущих в |света |

|противоположных направлениях, при | |

|динамической нестабильности | |

|спектра источника света | |

|Разность частот волн, идущих по |Использование двух |

|волокну в противоположных |акустооптических модуляторов или |

|направлениях, при колебаниях |модуляция прямоугольными |

|температуры |импульсами |

|Неравномерность распределения |Намотка оптического волокна, при |

|температуры вдоль волокна |которой распределение температуры |

| |симметрично относительно середины |

| |катушки |

|Изменение фазы выходного сигнала |Магнитное экранирование и |

|из-за эффекта Фарадея в волокне |использование волокна с |

|под воздействием колебаний |сохранением поляризации |

|магнитного поля Земли | |

|Колебания (в расщепителе луча) |Модуляция излучаемого света |

|отношения интенсивности прямого и |прямоугольными импульсами со |

|обратного луча вследствие |скважностью 50%; использование |

|оптического эффекта Керра |широкополосного источника света |

|Интерференция прямого луча и луча |Фазовая модуляция световой волны; |

|обратного рассеяния Рэлея |импульсная частотная модуляция |

| |лазерного излучения; использование|

| |слабоинтеферирующего источника |

| |света |

Факторы, ограничивающие разрешающую способность

[pic]

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

волокна

Среди факторов, ограничивающих кратковременную разрешающую

способность, наиболее сильное влияние оказывает обратное рассеяние по

оптическому пути. Свет отражения Френеля от поверхностей элементов

оптической системы или свет обратного рассеяния Рэлея, например, в самом

оптическом волокне интерферирует со светом сигнала, что приводит к

возникновению множества шумов. Для борьбы с ними предлагаются модуляция

фазы световой волны, импульсные методы, а также метод, при котором

используется источник света с широким спектром и низкой когерентностью,

ухудшающий интерференцию из-за большой разности длины оптического пути для

света обратного рассеяния Рэлея и света сигнала. (Таким источником может

служить многомодовый полупроводниковый лазер или суперлюминесцентный диод.)

Шумы выходного сигнала гироскопа можно выразить следующей формулой:

[pic]

Рис. 9. Уменьшение шумов рэлеевского рассеяния посредством расширения

спектра светового источника

[pic] (10)

где (0 — потери рассеяния Рэлея в оптическом волокне; (R — доля

светового рассеяния Рэлея, распространяющаяся в обратном направлении; (fs —

ширина спектра источника света.

На рис. 9 представлены результаты эксперимента, показывающие, как по

мере расширения спектра излучения повышается разрешающая способность

волоконно-оптического гироскопа. Таким образом, в волоконно-оптических

гироскопах уменьшение когерентности источника света эффективно для снижения

не только шумов расстояния Рэлея, но и шумов эффекта Керра.

Характеристики и методы их улучшения

В настоящее время разработаны экспериментальные системы, в которых

приняты меры по повышению чувствительности и по снижению шумов. В этих

системах, работающих по методу фазовой модуляции, изменения частоты и

светового гетеродинирования, достигнута разрешающая способность,

позволяющая измерять скорости, равные или меньшие скорости собственного

вращения Земли (15(/ч=7,3(10-5 рад/с). Особенно велики достижения в

системах с фазовой модуляцией, у которых разрешающая способность и дрейф

примерно 0,02(/ч, что приемлемо для инерциальной навигации.

Исследуется возможность реализации гироскопов с использованием

технологии микрооптики, функциональных волоконных и волноводных элементов.

Уже выпускаются волоконно-оптические гироскопы с разрешающей способностью

1(/ч. Кроме того, углубляется изучение систем, пригодных для инерциальной

навигации.

Система с фазовой модуляцией

[pic]

Рис. 10. Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией, выполненный

на волоконных функциональных элементах

На рис. 10 представлена оптическая система гироскопа, разработанная в

Стаффордском университете, на одномодовом оптическом волокне, подвергнутом

в некоторых местах специальной обработке, а именно: 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 от

поверхностей различных элементов оптической системы. К тому же

использование многомодового полупроводникового лазера в качестве источника

света снижает когерентность системы и тем самым уменьшает шумы,

обусловленные рассеянием Рэлея. Уменьшению этих шумов способствует и то,

что система выполнена по принципу фазовой модуляции. В гироскопе,

показанном на рис. 10, достигается разрешающая способность 0,022(/ч (рис.

11, а). При этом время интегрирования составляет 1 с. Путем специальной

намотки оптического волокна ослабляется влияние температурных колебаний, а

с применением магнитного экрана и многомодового полупроводникового лазера

снижается дрейф, обусловленный эффектом Керра, и уменьшаются колебания

нулевой точки (рис. 11, б, 0,02(/ч, при времени интегрирования 30 с).

[pic]

Рис. 11. Разрешающая способность (а) и характеристика стабилизации нулевой

точки (б) волоконно-оптического гироскопа (рис.10)

Для уменьшения колебаний поляризации предложена фазовая модуляция

выходного сигнала с использованием основной волны и второй гармоники, а

также метод, при котором измеряются гармоники выходного сигнала

светоприемника и составляющая постоянного тока, затем выделяется расчетным

путем флюктуационная составляющая масштабного коэффициента. Пробуют также

вводить в систему оптическое волокно с сохранением поляризации, выполнять

фазовый модулятор с направленными ответвителями, а остальные элементы — в

виде волноводных устройств. Эксперименты с такими гироскопами дают

разрешающую способность от 0,02 до нескольких градусов в час (время

интегрирования 1 с). Для повышения разрешающей способности и уменьшения

дрейфа нуля эффективно также использование суперлюминесцентного диода,

обладающего низкой когерентностью (ширина волнового спектра когерентности

20 мкм).

[pic]

Рис.12. Гироскоп со световым квазигетеродинированием

На рис. 12, а представлена система, в которой: сигнал возбуждения

фазового модулятора формируется путем интегрирования пилообразного

напряжения и на выходе подучается сигнал квазигетеродинирования. На рис.

12, б показано изменение фазы электрического сигнала переменного тока при

вращении гироскопа. Имеются и другие попытки реализации квазигетеродинного

светового метода на основе фазовой модуляции. Например, система

комбинируется со схемой обработки фазы (см. рис. 7), что позволяет

расширить динамический диапазон и стабилизировать масштабный коэффициент,

т. е. компенсировать недостатки метода фазовой модуляции. В этой системе

требуется точная установка параметров формы модулирующего сигнала и трудно

добиться технических характеристик, удовлетворяющих инерциальную навигацию.

Путем манипуляций с формой модулирующего сигнала практически реализуется

нулевой метод, но при этом возникает проблема со стабилизацией нулевой

точки.

В любом случае система с фазовой модуляцией превосходит другие

системы по разрешающей способности и стабильности нулевой точки и к тому же

относительно проста. Поэтому расширяются работы по миниатюризации этой

системы путем создания волоконных и волноводных функциональных оптических

элементов, приборов интегральной оптики. В частности, западногерманская

фирма SEL уже выпускает гироскопы с разрешающей способностью около 15(/ч и

линейностью в пределах 1(, где для фазового модулятора используются

волноводные оптические элементы. Длина волокна 100 м, радиус

чувствительности катушки из оптического волокна около 3,5 см, габариты

80(80(25 мм, масса 200 г.

Системы с изменением частоты

[pic]

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

частоты

[pic]

Рис.13, б.

На рис. 13, а представлена структура волоконно-оптического гироскопа

с изменением частоты, разработанного западногерманской фирмой SEL, в нем

два опорных генератора с частотой fL и fН, с помощью которых

устанавливается разность фаз (, которая коммутируется с частотой fс. Все

это позволяет увеличить чувствительность. В частности, в стационарном

режиме частота f возбуждения AOM1 равна (fL +fН)/2, т. е. при коммутации

между fН и fL выходной сигнал интерферометра не изменяется. В режиме c.

установившейся частотой f составляющая fc на выходе интерферометра

отсутствует, что может быть основой для обратной связи для генератора,

управляемого напряжением. При вращении гироскопа частота f отклоняется от

значения (fL +fН)/2 и в соответствии с установившейся разностью можно

определить по формуле скорость этого вращения:

[pic] (11)

В данной системе эффективно снижаются 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 различается только как fН - fL. Динамический

диапазон, как видно на рис. 13, б, простирается на шесть порядков, что

является особенностью метода изменения частоты.

Если расстояние от модуляторов АОМ1 и АОМ2 до расщепителя луча

неодинаково, возникает дрейф нуля. Из-за этого стабильность нулевой точки

ухудшается до стабильности в системе с фазовой модуляцией. 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 на каждый отсчет

частоты выходного сигнала составляет 2,95 с.

Метод изменения частоты структурно базируется на методе фазовой

модуляции. Считается, что он позволяет повысить разрешающую способность и

стабильность нулевой точки. При этом основные сложности связаны с частотным

сдвигателем. Если в качестве его используется АОМ, то возникают две

проблемы — увеличение габаритов оптической системы при росте мощности

возбуждения и отраженного света, а также повышение частоты возбуждения.

Наряду с АОМ исследуются частотные сдвигатели в виде волоконно-оптических

фукциональных элементов и световых волноводов. Кроме того, интегрируются

два AOM и объектив на подложке из LiNbО3. Проектируются также системы с

частотным сдвигом, полученным на основе фазового метода.

На рис. 14 представлена общая структура фазовой системы, выполненной на

базе интегральной схемы. Фазовый модулятор волноводного типа имеет хорошие

частотные характеристики, поэтому возможно возбуждение пилообразным

напряжением и реализация фазовой системы. При этом, если амплитуда

пилообразного напряжения возбуждения строго соответствует 2(, то высшие

гармоники не возникают, и получается идеальный частотный сдвигатель. Для

инерциальной навигационной системы это условие должно выполняться очень

строго. Французская фирма «Томсон ЦСФ» разработала автоматическую

регулировку амплитуды с помощью цифроаналогового преобразователя, который

обеспечивает требуемую пилообразную форму напряжения с фронтом из

микроступеней. Частота его определяется как (f из формулы (11), и при

синхронной с цифроаналоговым преобразователем обратной связи здесь

обеспечивается нулевой метод, а изменение тактовой частоты информирует об

угловой скорости гироскопа. В этой системе не требуется большого сдвига

частоты и можно обойтись лишь одним частотным сдвигателем. Разработан

подобный гироскоп с дрейфом нуля 0,3(/ч и динамическим диапазоном в 7

порядков.

[pic]

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 себя катушку радиусом 15 см из

оптического одномодового волокна длиной 2000 м, отдельные оптические

приборы и одномодовый полупроводниковый лазер. В ней используется прямая

частотная модуляция излучения полупроводникового лазера, что приводит к

дополнительным шумам. Для снижения когерентности увеличивается ширина

спектра излучения. На рис. 15 приведены характеристики шумов. Расширение

спектра позволяет повысить разрешающую способность примерно в 20 раз.

Поскольку из-за обратного света спектр полупроводникового лазера

нестабилен, в систему вводится изолятор.

[pic]

Рис.15, а. Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым

гетеродинированием (рис.6, 7)

[pic]

Рис.15, б. Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым

гетеродинированием — характеристика передачи (рис.6, 7)

На рис. 15, а поясняется работа данной системы. По вертикальной оси

откладывается изменение частоты, которое пропорционально угловой скорости,

причем один отсчет соответствуег угловому сдвигу 4" (при 10-кратном

усилении 0,4" на 1 отсчет). Скорость вращения земного шара 0,0042(/с,

кратковременная разрешающая способность 5(/ч. На рис. 15, б приведена

характеристика передачи (вход—выход). Скорость 11(/ч соответствует фазовой

разности 180(. Линейность характеристики улучшена благодаря применению

нулевого метода. Верхняя граница обнаружения вращения, определяемая

электронной схемой, составляет 100(/c, динамический диапазон

экспериментальной системы 5 порядков.

Из-за тепловых колебаний скорости звука в АОМ системы возникает

заметный дрейф нуля, в связи с чем продолжаются исследования способов

отслеживания звуковой скорости в АОМ. Данную систему, используя двухмерные

световые волноводы и дифракционные решетки, можно реализовать в виде

интегральной схемы.

Заключение

Рассмотрен принцип действия некоторых оптических гироскопов, в том

числе волоконно-оптических. Благодаря методу фазовой модуляции достигнута

разрешающая способность и стабильность нулевой точки в соответствии с

требованиями инерциальной навигации. С помощью метода изменения частоты и

светового гетеродинирования реализован широкий динамический диапазон (от

пяти до девяти порядков) и стабильный масштабный коэффициент. Волоконно-

оптические гироскопы находят широкое применение. Быстрыми темпами ведется

разработка различных приборов на микрооптической технологии, волоконно-

оптических функциональных элементах, оптических волноводных элементах. К

настоящему времени такие гироскопы среднего класса уже имеются в продаже.

Волоконно-оптические гироскопы отличаются от прежних отсутствием

механических систем, что делает их пригодными не только в навигации, но и в

других областях, например, для контроля движения бура при бурении нефтяных

скважин. Кроме того, если увеличить диаметр кольца из оптического волокна,

удлинить интервал интегрирования выходного сигнала, то можно повысить

чувствительность, что позволит использовать гироскоп для прогноза погоды,

измерения флюктуаций собственного вращения Земли и др.

Список литературы

1. Волноводы оптической связи, Теумин И.И.

2. Волоконно-оптические датчики, под ред. Т.Окоси, перевод с япон.

3. Оптические волноводы, Marcuse D., перевод с англ.

4. Основы волоконно-оптической связи, под ред. Е.М.Дианова, перевод с англ.

[pic]

Страницы: 1, 2