Реферат: Волоконно-оптические гироскопы

где a₀ — потери рассеяния Рэлея в оптическом волокне; b_R — доля светового рассеяния Рэлея, распространяющаяся в обрат­ном направлении; Df_s — 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

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).

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).

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

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

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 f_L и f_Н , с помощью которых устанавливается разность фаз p, которая коммутируется с частотой f_с . Все это позволяет увеличить чувствительность. В частности, в стационарном режиме частота f возбуждения AOM1 равна (f_L +f_Н )/2, т. е. при коммутации между f_Н и f_L выходной сигнал интерферометра не изменяется. В режиме c. установившейся частотой f составляющая f_c на выходе интер­ферометра отсутствует, что может быть основой для обратной связи для генератора, управляемого напряжением. При враще­нии гироскопа частота f отклоняется от значения (f_L +f_Н )/2 и в соответствии с установившейся разностью можно определить по формуле скорость этого вращения:

(11)

В данной системе эффективно снижаются шумы, поскольку частота f_с 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 f_Н - f_L . 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 2p, 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 Df 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.

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