Оптические гироскопы. Принципы построения волоконно-оптических гироскопов как раскрутить это тело вокруг одной из его осей и в дальнейшем поддерживать высокое значение угловой скорости

2 Гироскоп - устройство, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. До недавнего времени в системах навигации в основном применялись механические гироскопы, работа- ющие на основе эффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального про- странства. Механические гироскопы - дорогостоящие приборы, поскольку для их корректной работы требуется высокая точность формы тела вращения и минимально-возможное трение подшипников.

3 В настоящее время, одним из наиболее перспективных классов гиро-приборов считается класс оптических гироскопов. Принцип действия большинства оптических гироскопов основан на эффекте Саньяка. Основные достоинства таких гироскопов: отсутствие подвижных частей; простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность.

Эффект Саньяка 4 Эффект Саньяка – появление фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Δφ – фазовый сдвиг; k – волновое число; S – площадь, окаймленная оптическим путем; с – скорость волны; Ω – угловая скорость вращения системы. В рамках кинематической теории может быть получена формула (коэффициент преломления на оптическом пути принят равным единице):

5 Эффект Саньяка прямо пропорционален угловой скорости вращения интерферометра, площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре и частоте излучения. Эффект Саньяка обусловлен невзаимностью распространения встречных волн во вращающейся системе отсчета, связанной с различными длинами оптических путей.

Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ) 7 Частоты двух генерируемых световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях по треугольному оптическому пути, неодинаковы из - за разности оптической длины L. Биения По сути, это обычный интерферометр Саньяка.

Недостатки КЛГ: 9 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 теплового расширения, давления и механических деформаций.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) 10 В отличие от КЛГ волоконно - оптические гироскопы позволяют измерять собственно угловую скорость, а не её приращение. Главными элементами ВОГ являются излучатель, рас - щепитель луча, многовитковый замкнутый контур из одно - модового диэлектрического световода с малым затуханием и фотоприемник. Волоконно - оптический гироскоп представляет собой интерферометр Саньяка, в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна.

Преимущества перед КЛГ: 12 Эффект Саньяка, на котором основан принцип работы прибора, проявляется на несколько порядков сильнее из - за малых потерь в оптическом волокне и большой длины волокна. Конструкция ВОГ целиком выполняется в виде твердого тела, что облегчает эксплуатацию и повышает надежность по сравнению с КЛГ. ВОГ измеряет скорость вращения, в то время как КЛГ фиксирует приращение скорости. Конфигурация ВОГ позволяет " чувствовать " реверс направления вращения. Возможность измерения малых угловых скоростей.

13 потенциально высокая чувствительность (точность) прибора; малые габариты и масса конструкции; невысокая стоимость производства и конструирования при массовом изготовлении, относительная простота технологии; ничтожное потребление энергии; большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей; отсутствие вращающихся механических элементов (роторов) и подшипников; практически мгновенная готовность к работе; нечувствительность к большим линейным ускорениям. Свойства ВОГ:

14 ВОГ с кольцевым резонатором пассивного типа Выходной сигнал светоприемника резко реагирует на изменение фазы при однократном прохождении световой волной кольцевого оптического пути. Можно создать высокочувствительный датчик, измеряющий смещение резонансного пика, обусловленное поворотом. Модифицировав таким образом схему, можно уменьшить длину волокна чувствительного кольца (если гироскоп среднего класса, то вполне можно использовать даже одновитковое волоконное кольцо). Повысить чувствительность ВОГ можно с помощью кольцевого оптического резонатора, используя для этого полупрозрачные зеркала с высокими коэффициентами отражения, закрепленные на концах кольца из оптического волокна. Такой резонатор, усиливает моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и ослабляет другие.

15 Основные элементы ВОГ При конструировании волоконных оптических гироскопов, как правило, в качестве излучателей используют полупроводниковые лазеры (лазерные диоды), светодиоды и суперлюминесцентные диоды. Специфика конструкции ВОГ предъявляет дополнительные требования к источникам излучения. К ним относят: соответствие длины волны излучения номинальной длине волны световода, где потери минимальны; обеспечение достаточно высокой эффективности ввода излучения в световод; возможность работы источника излучения в непрерывном режиме без охлаждения; достаточно высокий уровень выходной мощности излучателя; долговечность, воспроизводимость характеристик, жесткость конструкции, а также минимальные габариты, масса, потребляемая мощность и стоимость. В ряде экспериментальных установок ВОГ применяют газовые лазеры.

16 В ВОГ для намотки чувствительного контура используют три вида волокна: многомодовое, одномодовое и одномодовое с устойчивой поляризацией. Длина периметра контура определяется исходя из двух предпосылок: увеличение длины контура повышает точность системы в целом, так как величина невзаимного фазового сдвига пропорциональна длине волокна для более длинного контура в большей степени на работу системы оказывают влияние параметры затухания и нерегулярности волокна. Обычно используются волокна длиной от 200 до 1500 м. Диаметр катушки выбирается по критерию минимизации потерь в волокне на изгибах и с учетом габаритных размеров устройства. Типовое значение диаметра составляет от 6 до 40 см.

17 При выборе фотодетектора для ВОГ необходимо в требуемом спектральном диапазоне обеспечивать максимальную интегральную чувствительность, минимальную эквивалентную мощность шумов и минимальный темновой ток. В качестве фотодетекторов в большинстве ВОГ используются полупроводниковые фотодиоды, р -i-n – фотодиоды и лавинные фотодиоды.

19 Добиться взаимности в системе регистрации можно, если поместить второй расщепитель пучка вдоль входного оптического пути. Общая оптическая схема ВОГ, изображенная выше, не обладает свойством взаимности, так как пучок света, распространяющийся по часовой стрелке, проходит через делитель света и отражается от него, а пучок света, распространяющийся против часовой стрелки, отражается от светоделителя дважды. Теоремы взаимности Лоренца постулирует: в случае линейной системы оптические пути в точности взаимны, если данная входная пространственная мода оказывается такой же на выходе. Если нелинейности значительны, то ВОГ будет обладать взаимностью лишь в том случае, если имеется точная симметрия свойств волокна относительно средней точки волоконного контура.

Введение

Принцип действия оптического гироскопа

Структурные схемы оптических гироскопов

Кольцевой лазерный гироскоп.

Волоконно-оптические гироскопы.

Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа

Методы повышения чувствительности

Шумовые факторы, методы их устранения

Основные оптические системы с повышенной стабильностью

Факторы, ограничивающие разрешающую способность

Характеристики и методы их улучшения

Система с фазовой модуляцией

Системы с изменением частоты

Система со световым гетеродинированием

Заключение

Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инерциальной навигационной системы, обрабатывающей информацию о местонахождении самолета или судна с целью выведения его на курс. В состав этой системы обычно входит три гироскопа - для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей, три акселерометра - для определения скорости и расстояния и направлении трех осей и компьютер - для обработки выходных сигналов этих приборов. К самолетным гироскопам предъявляются очень высокие 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. До сих пор применялись в основном механические гироскопы, работающие на основе эффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального пространства (закон сохранения момента количества движения). Это дорогостоящие приборы, поскольку требуется высокая точность формы тела вращения и минимальное возможное трение подшипников. В отличие от механических оптические гироскопы, например, волоконно-оптические, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую рядом достоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к ускорению; простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность.

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

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

Пусть коэффициент преломления на оптическом пути n=1. При радиусе оптического пути a время достижения расщепителя лучей светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как

в противоположном направлении -

где с - скорость света.

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

(3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей

или, иначе говоря, разность фаз

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

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

На рис. 3 приведены общие схемы систем, разработанных для повышения точности измерений. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 3, а) отличается высокой частотой световой волны - до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на рис. 3, б имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.

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

Здесь L - общая длина оптического 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 ее незначительные изменения позволяют измерить разность частот. Если выходным сигналом служит частота, пропорциональная угловой скорости, то подсчетом выходных волн можно определить приращение угла поворота в цифровой форме, что обеспечивает высокую точность информации, подаваемой в навигационное вычислительное устройство. Измерение частоты возможно в широком динамическом диапазоне, а следовательно, и динамический диапазон кольцевого лазерного гироскопа вполне можно расширить и сделать достаточным для инерциальной навигационной системы. В этом большое преимущество данных гироскопов.

Исследование кольцевых лазерных гироскопов началось в 60-х годах. К настоящему времени достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки примерно 0,001°/ч. В последнее время кольцевые лазерные гироскопы применяются в инерциальной системе отсчета не только в самолетах “Боинг” 757/767, но и в аэробусах А310. В Японии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01°/ч.

Таким образом, кольцевой лазерный гироскоп достиг уже стадии практического применения, 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 теплового расширения, давления и механических деформаций.

Из этих проблем самой важной является первая. При малых угловых скоростях уменьшается разность частот генерируемых 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, a штриховыми линиями. Указанная выше разрешающая способность обнаружения 0,001°/ч обеспечивается при подавлении явления синхронизма путем приведения всей системы к микроколебаниям (метод Дейза). Но нелинейность при незначительном повороте все же остается, кроме того, это означает, что не используется такое преимущество оптического гироскопа, как его неподвижность.

В кольцевом лазерном гироскопе возникает явление синхронизма, так как это активная конструкция и сама оптическая катушка для обнаружения вращения входит в состав лазерного генератора. Напротив, в интерферометре Саньяка, представленном на рис. 1, вышеупомянутое явление не возникает, поскольку это пассивная конструкция, при которой световой источник находится вне чувствительной петли. Основное внимание здесь уделяется оптическому волокну, снижению потерь в нем.

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

(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 входит коэффициент преломления света в волокне.

Благодаря совершенствованию технологии производства выпускается волокно с очень низкими потерями. Чтобы не повредить волокно, намотка производится на катушку радиусом несколько сантиметров. При этом не наблюдается сколько-нибудь заметного увеличения потерь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высокочувствительный интерферометр Саньяка с катушкой небольшого радиуса (2...5 см), намотав на нее волокно большой длины. Сформировав оптимальную оптическую систему, можно измерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной навигации - порядка 10 -6` рад), а затем из формулы (7) определять круговую скорость. Все это и составляет принцип работы волоконно-оптического гироскопа.

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

Пределы обнаружения угловой скорости. В основной оптической системе на рис. 4 в состоянии оптические пути для света в обоих направлениях обхода будут одинаковы по длине, а поскольку сигнал на выходе светоприемника изменяется пропорционально , то гироскоп нечувствителен к очень малым поворотам. Считается, что в системе с оптимальной чувствительностью теоретические пределы обнаружения угловой скорости связаны с дробовым шумом светоприемника. Анализ показывает, что для оптического волокна с потерями a существует определенная длина, позволяющая оптимизировать пределы обнаружения при дробовом шуме:

(8)

Результаты расчета при типичных значениях параметров приведены на рис. 5, а. Для оптического волокна с потерями 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 также использованию света с длиной волны 1,55 мкм, на которой потери в оптическом волокне очень низки, возможно создание измерителя оборотов в инерциальном пространстве с чрезвычайно малым дрейфом. Это позволяет применять измеритель не только в навигации, но и в геофизике.

В реальных волоконно-оптических гироскопах возможности ограничены шумовыми факторами.

Повысить чувствительность гироскопа 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 резко реагирует на 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 уменьшить длину волокна чувствительного кольца, а если гироскоп среднего класса, то вполне можно использовать даже одновитковое волоконное кольцо, соединенное с оптической интегральной схемой.

В подобной структуре гироскопа для получения острой резонансной характеристики требуется световой источник с высокой когерентностью излучения, в то время как в волоконно-оптическом гироскопе для улучшения характеристик требуется световой источник с низкой когерентностью.

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

Рассмотрим только последний метод. Структура оптической системы гироскопа со световым гетеродинированием представлена на рис. 6. Световой луч разделяется с помощью дифракционной решетки на два луча с очень маленьким углом расхождения (около 10 мрад). Эти лучи, пройдя оптическое волокно в противоположных направлениях, подаются на АОМ. Угол дифракции АОМ такой же, как и у дифракционной решетки, вследствие чего АОМ здесь используется не только как частотный сдвигатель, но и как направленный ответвитель, а светоприемное устройство выдает сигнал разностной частоты. В данной оптической системе возможно разделение световых лучей, двигающихся в противоположных направлениях, но вследствие чрезвычайно малого угла дифракции эти лучи взаимодействуют и дрейф, обусловленный колебаниями среды, ослабляется. Кроме того, обычно при разности длины оптических путей возникает дрейф выходного сигнала вследствие частотного отклонения излучения источника, но в данной структуре эта разность очень мала. На рис. 7 приведена электронная схема измерителя фазы выходного сигнала в структуре на рис.6 по нулевому методу. Точная временная задержка T d обеспечивается прибором на зарядовых связях (ПЗС). Для этой схемы справедливо

(9)

(N - целое число), т. е. здесь получается частотное изменение Df 2 электрического сигнала, пропорциональное угловой скорости W, что очень удобно для практической реализации устройства.

Методы повышения чувствительности еще не обеспечивают высокой стабильности, необходимо учитывать шумовые факторы и принимать меры по их устранению.

Для достижения высокой стабильности необходимо, чтобы внешние возмущения, воспринимаемые световыми лучами, движущимися в противоположных направлениях, были совершенно одинаковыми.

В основной оптической системе, показанной на рис. 4, при использовании светоприемника 1 свет дважды отражается расщепителем луча и, кроме того, дважды проходит сквозь него. При этом условие одинаковой длины оптического пути выполняется не совсем точно и вследствие температурных колебаний характеристик расщепителя луча на выходе возникает дрейф. При использовании светоприемника 2 происходит то же самое. Чтобы световые лучи, введенные в оптическое волокно и излучаемые волокном, проходили одинаковый оптический путь, объединялись и разъединялись в одной и той же точке расщепителя луча, а также имели бы одинаковую моду, необходимо между расщепителями луча установить пространственный фильтр. В этом фильтре желательно использовать одномодовое оптическое волокно - то же, что и для чувствительной катушки.

Обычно в одномодовом оптическом волокне 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 поляризаций происходит обмен энергией, характеристики которого изменяются под внешним воздействием, поэтому излученный волокном свет обычно приобретает круговую поляризацию с неустойчивыми параметрами. Все это приводит к дрейфу выходного сигнала.

Если же на оптическом пути поместить, как это показано в обведенной штриховой линией части на рис. 4, поляризационную пластину, т. е. пустить на оптический путь интерферометра световую волну с единственной поляризацией и в излучаемом свете выделить только составляющую с такой же поляризацией, то передаточная функция кольцевого оптического пути (оптического волокна) для лучей 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 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
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

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:

(10)

где a 0 - 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.

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.

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).

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).

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.

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:

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 LiNbО 3 . 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.

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.

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.

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.

Волноводы оптической связи, Теумин И.И.
Волоконно-оптические датчики, под ред. Т.Окоси, перевод с япон.
Оптические волноводы, Marcuse D., перевод с англ.
Основы волоконно-оптической связи, под ред. Е.М.Дианова, перевод с англ.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) - это оптико-электронный прибор, измеряющий абсолютную (относительно инерциального пространства) угловую скорость. Как и у всех оптических гироскопов, принцип работы основан на эффекте Саньяка . Луч света в волоконно-оптическом гироскопе проходит через катушку оптоволокна , отсюда и название. Для повышения чувствительности гироскопа используют световод большой длины (порядка 1000 метров) уложенный витками.

В оптическом гироскопе широкое применение находят частотные и фазовые модуляторы .

Первого типа модуляторы переводят фазу Саньяка в переменные изменения разности частот противоположно бегущих лучей; при компенсации фазы Саньяка разностная частота пропорциональна угловой скорости вращения Ω. Достоинством частотных модуляторов при использовании в ВОГ является представление выходного сигнала в цифровом виде.

Второго типа модуляторы переводят фазу Саньяка в изменение амплитуды переменного сигнала, что исключает низкочастотные шумы и облегчает измерение информационного параметра.

Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями(области сжатия и разряжения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний.

Свойства прибора

Появлению такого прибора как волоконно-оптический гироскоп, способствовало развитие волоконной оптики, а именно разработка одномодового диэлектрического световода со специальными характеристиками (устойчивая поляризация встречных лучей, высокая оптическая линейность, достаточно малое затухание). Именно такие световоды определяют уникальные свойства прибора:

потенциально высокая точность;
малые габариты и масса конструкции;
большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
высокая надежность, благодаря отсутствию вращающихся частей прибора.

Применение

Широко применяется в инерциальных навигационных системах среднего класса точности.

Примечания

Литература

Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп. -М.:Радио и связь, 1987.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Волоконно-оптический гироскоп" в других словарях:

волоконно-оптический гироскоп - Гироскоп на основе волоконно оптического интерферометра, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 118. Гироскопия. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.]… … Справочник технического переводчика

Иллюстрация к основному свойству 3 степенного гироскопа (идеализированное функционирование). Гироскоп (от др. греч … Википедия

Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером (а точнее квантовым усилителем). Замкнутый контур имеет ответвление через полупрозрачное зеркало (или, например, через щель) в датчик на базе … Википедия

Прибор для обнаружения вращения тела и определения его угл. скорости, основанный на свойствах эл нов, ат. ядер и фотонов, поведение к рых описывается законами квант. механики. Существует неск. типов К. г. Лазерный (оптический) гироскоп. Датчиком… … Физическая энциклопедия

Метод измерения ускорения судна или летательного аппарата и определения его скорости, положения и расстояния, пройденного им от исходной точки, при помощи автономной системы. Системы инерциальной навигации (наведения) вырабатывают навигационную… … Энциклопедия Кольера

ВОГ - Всероссийское общество гемофилии http://www.hemophilia.ru/ организация, РФ ВОГ Всероссийское общество глухих организация, РФ Словарь: С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. С. Пб.: Политехника, 1997. 527 с … Словарь сокращений и аббревиатур

Появление фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Эффект проявляется и … Википедия

- (фр. vogue мода): Vogue журнал о моде для женщин, издаваемый с 1892 года издательским домом «Condé Nast Publications». Vogue (сингл KMFDM) сингл группы KMFDM Vogue песня Мадонны Аббревиатуры ВОГ Общероссийская общественная… … Википедия

ВОГ многозначная аббревиатура: ВОГ Общероссийская общественная организация инвалидов «Всероссийское общество глухих»; Волоконно оптический гироскоп. Выстрел осколочный гранатомётный Вог, (вок) глубокая сковорода с крышкой конической… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Лазер (значения). Лазер (лаборатория NASA) … Википедия

Большинство конструкций ВОГ реализуют схему кольцевого оптического гироскопа нерезонансного типа с источником излучения, находящимся вне кольцевого многовиткового оптического контура, в котором проявляется вихревой эффект Саньяка. Это обстоятельство, а также технологические достижения последних лет в области разработки высококачественного оптоволокна, твердотельных полупроводниковых источников света, элементов интегральной оптики и др. предопределяют ряд достоинств ВОГ по сравнению с ЛГ. К ним следует отнести простоту конструкции с твердотельным выполнением (в перспективе полностью на гибридных интегральных микроэлементах), меньшую массу, габариты и стоимость. Современные конструкции ВОГ уже практически сопоставимы по точности с ЛГ. Все это определяет большие перспективы применения ВОГ в БИНС, в частности, для БПЛА.

На рис. 5.14 представлена принципиальная схема ВОГ.

Излучение источника света разделяется в расщепителе на две волны и , которые поступают в противоположные концы катушки оптического волокна, распространяются по ней в противоположных направлениях, рекомбинируют на расщепителе и смешиваются в фотоприемнике, где интерферируют. На выходе фотоприемника – фототок , линейно связанный с интенсивностью света на его входе. При отсутствии вращения оптического контура обе волны, распространяясь по нему, проходят одинаковый путь, и разность фаз волн и на фотоприемнике отсутствует. При вращении оптического контура с угловой скоростью эти волны проходят разные оптические пути, причем разность путей 2ΔL на длине одного витка катушки оптического волокна определяется соотношением (5.36). Разность путей порождает разность времен прихода волн на фотоприемник и, следовательно, соответствующую разность фаз электромагнитных колебаний Δφ c , пропорциональную угловой скорости (см. 5.41)

где индекс " " означает, что разность фаз Δφ c возникает за счет эффекта Саньяка; - число витков катушки оптического волокна; - площадь, охватываемая витком катушки; R – радиус витка; L- длина волокна.

Из (5.54) следует выражение для масштабного коэффициента К ВОГ

В известных конструкциях ВОГ величина К может составлять (1…40)

Теперь, на основе (5.51), имея в виду, что разность частот колебаний , угол расхождения лучей , получим для интенсивности света в фотоприемнике:

а для тока на выходе фотоприемника:

где - квантовая эффективность фотоприемника; - заряд электрона; - постоянная Планка; - частота излучения; - амплитуда фототока.

Согласно (5.54), (5.56), приращение фототока определяет угловую скорость вращения основания . Практическая реализация этого принципа измерения требует прежде всего таких схемно-конструктивных решений ВОГ, в которых обеспечивается свойство взаимности, при наличии которого встречные волны при проходят одинаковые оптические пути, сохраняя определенное состояние поляризации и форму волнового фронта. С этой целью в конструкциях катушки ВОГ часто используют одномодовое, сохраняющее поляризацию волокно, а излучение в катушку вводят и выводят из нее через одномодовый, фильтр, включающий, в частности, волоконный одномодовый пространственный фильтр и поляризатор (рис. 5.15) .

Следует отметить, что наличие в этой схеме ВОГ двух расщепителей дополнительно выравнивает фазы волн , которые дважды проходят через расщепители и дважды от них отражаются, в то время как в невзаимной схеме ВОГ на рис. 5.14 волна проходит через расщепитель дважды, а дважды от него отражается с соответствующим скачком фазы. Характерные параметры катушки одномодного оптического волокна ВОГ составляют: диаметр сердцевины волокна – 7 мкм, полный диаметр волокна с защитным покрытием – 250 мкм, длина волокна – 1000 м и более, потери в волокне – 0,2 дБ/км при длине волны 1,55 мкм. В качестве источников излучения используются лазерные диоды, светодиоды и суперлюминисцентные диоды; в качестве фотоприемников – полупроводниковые и лавинные фотодиоды .

Схема на рис. 5.15 – схема минимальной взаимной конфигурации. В соответствии с (5.54), (5.55) зависимость интенсивности от саньяковской разности фаз Δφ c носит косинусоидальный характер (рис. 5.16), причем собственно Δφ c весьма мала.

Так, например, применительно к ВОГ, в котором используется катушка с радиусом 0,1 м и длиной волокна 1000 м при скорости вращения разность фаз Δφ c =10 -5 рад . Очевидно в этом случае, когда рабочая область на характеристике I(Δφ c) находится вблизи точки Δφ c = 0, крутизна преобразования Δφ c , а следовательно и , в информационный сигнал очень мала. Кроме того, при вариациях , как видно из (5.55), имеет место аддитивная погрешность (дрейф нулевого сигнала).

Для повышения чувствительности ВОГ между встречными волнами искусственно вводят разность фаз Δφ c =π ⁄2; в этой точке крутизна характеристики I(Δφ c) - максимальна. На практике с учетом минимизации отношения сигнал/шум величину смещения Δφ c часто выбирают в диапазоне π⁄2< Δφ c < 3π⁄4 . Введение разности фаз обычно осуществляют путем размещения на одном из входов в катушку фазового модулятора. Наибольшее распространение получила схема с использованием взаимного фазового модулятора (рис. 5.17).

Собственно фазовый модулятор, например, представляет собой несколько витков оптоволокна, намотанного на пьезокерамическую трубку. Модулирующее напряжение, поступающее от задающего генератора и деформирующее трубку периодически изменяет длину оптоволокна и его показатель преломления, в результате чего периодически изменяется оптический путь волны, проходящей через модулятор, и возникает искусственное приращение ее фазы. Это приращение выбирается равным . В соответствии с рис. 5.17 модуляция фазы волны , распространяющейся в катушке по часовой стрелке, происходит с временным опережением по отношению к модуляции фазы волны , где - время обхода катушки. Выбирая в качестве полупериода модуляции, обеспечивают периодическое изменение разности фаз Δφ М с амплитудой .

Рис. 5.18 иллюстрирует процесс фазовой модуляции встречных волн в ВОГ по прямоугольному закону и соответственно процесс модуляции интенсивности света в фотоприемнике. При модуляция интенсивности света отсутствует.

При она имеет место, причем для интенсивностей на рис. 5.18 справедливо:

Глубина модуляции ∆I :

Выходной сигнал, пропорциональный (5.57), формируется в демодуляторе (рис. 5.17). Существенно то, что, помимо обеспечения максимальной крутизны преобразования Δφ c в информационный сигнал, в этой схеме ВОГ исключается аддитивная погрешность, порождаемая вариациями , коэффициентами усиления в электронной цепи обработки сигнала и амплитуды модуляции, но сохраняется мультипликативная погрешность – вариации масштабного коэффициента и его нелинейность.

Следует отметить, что во взаимном фазовом модуляторе часто используется косинусоидальная модуляция. В этом случае Δφ M =Δφ MO cosω M t где - соответственно амплитуда и частота модуляции . Тогда на основе (5.56) получим:

Разложение правой части (5.58) в ряд по бесселевым функциям первого рода дает:

где - бесселевы функции нулевого, первого, второго и третьего порядка соответственно.

Для , в частности, имеем:

причем своего максимума достигает своего максимума, равного 0,53, при .

Осуществляя демодуляцию на частоте , получим согласно (5.59) выходной сигнал, пропорциональный 2I 0 J 1 (φ мо)sin∆φ с ; при этом собственно частота модуляции составляет .

С целью уменьшения уровня мультипликативных погрешностей, обеспечения линейности его выходной характеристики в широком диапазоне измеряемых угловых скоростей ВОГ выстраивают по компенсационной схеме (схема с ²обнулением² саньяковской разности фаз Δφ c ). Для этого в оптическом контуре распространения встречных волн необходимо обеспечивать дополнительную искусственную разность фаз Δφ М (²сигнал² обратной связи) таким образом, чтобы выполнилось условие:

Δφ c + Δφ М =0. (5.60)

Наиболее распространенный способ формирования переменной Δφ М заключается в использовании, например, пьезокерамического фазового модулятора, как и ранее расположенного на входе в катушку оптического волокна, на который, в рассматриваемом случае, поступает пилообразное напряжение, скорость изменения которого пропорциональна Δφ c . На рис. 5.19 представлены характерные законы модуляции этим напряжением фаз встречных волн соответственно, причем модуляция осуществляется с запаздыванием по отношению к модуляции на время распространения волны по катушке оптического волокна.

При достижении максимального значения модулятором осуществляется скачок фазы на величину . Как видно на рис. 5.19, необходимая разность фаз Δφ М накапливается на интервалах и составляет , где - крутизна пилообразного изменения . Из (5.60) с учетом (5.54) получим:

где - оптическая длина одного витка катушки.

Тогда крутизна такова:

Фактически формирование эквивалентно сдвигу круговой частоты волн; сдвиг же циклической частоты совпадает по модулю с разностью частот , определяемой согласно (5.48) как разность частот встречных волн в резонаторе ЛГ.

Как видно (рис. 5.19), в процессе формирования компенсирующей разности фаз Δφ M =φ′ M τ O за счет "сброса" фазы на интервалах возникают стробы, порождающие погрешности ВОГ в течение времени после каждого сброса, если высота этих строб отличается от . Известны подходы к уменьшению влияния этого возмущающего фактора .

Следует отметить также, что подсчет числа "сбросов" (с учетом их знака) обеспечивает измерение приращения угла Δα поворота ВОГ на интервале измерения. Действительно, на основе (5.61) для ВОГ с катушкой диаметром из волокна с показателем преломления имеем:

(5.62)

Интегрированием (5.62) на периоде пилообразной фазовой модуляции, на котором достигается приращение фазы, равное , для соответствующего этому приращению угла поворота Δα мин получим:

(5.63)

Соотношение (5.63) определяет минимальное приращение угла поворота, регистрируемое при каждом скачке фазы на . Так, при длине волны , диаметре катушки , показателе преломления волокна приращение Δα мин составляет . Схема компенсационного ВОГ с пилообразной фазовой модуляцией представлена на рис. 5.20.

Современные конфигурации ВОГ характеризуются использованием цифровой обработки информации в его замкнутом контуре и широким применением интегральных оптических компонент (светоделителей, поляризаторов, фазовых модуляторов и др.), выполняемых по гибридной технологии, в частности на электрооптической подложке из ниобата лития. Схема высокоточного ВОГ с сохраняющим поляризацию волокном, в котором используются эти подходы, представлена на рис. 5.21.

Одним из перспективных направлений построения высокоточных ВОГ является применение в катушке сравнительно недорогого одномодового оптического волокна с деполяризацией поступающего в него оптического излучения . Перспективными являются трехосные архитектуры ВОГ с использованием ряда элементов для одновременного обслуживания всех трех измерительных каналов .

Рассмотрим теперь кратко основные источники погрешностей ВОГ. Фундаментальный порог чувствительности ВОГ регламентируется дробовым (фотонным) шумом фотоприемника, уровень которого, в свою очередь, зависит от мощности оптического излучения, поступающего в фотоприемник. При этом среднеквадратичное значение соответствующего фазового шума фотоприемника σ ∆φп определяется соотношением :

(5.64)

где - мощность входного излучения в ВОГ; ∆f - полоса пропускания системы обработки сигнала.

Из (5.64) с учетом (5.54) для среднеквадратичного значения порога чувствительности ВОГ как измерителя угловой скорости получим

(5.65)

Для ВОГ, имеющего , , , , порог чувствительности (5.65) составляет .

Одним из основных источников погрешностей ВОГ, а также основным механизмом потерь в волокне, является обратное рэлеевское рассеяние. Оно представляет собой рассеяние волн на микронеоднородностях волокна, а также за счет их отражения от дискретных оптических элементов в направлениях, противоположных основным встречным волнам. При этом когерентная составляющая обратного рассеяния интерферирует с основными волнами, что порождает флуктуации разности фаз встречных волн. Соответствующая максимальная погрешность измерения угловой скорости вращения определяется соотношением :

где - угол ввода излучения в сердцевину волокна; - коэффициент рассеяния света в волокне.

Одним из эффективных способов уменьшения этой погрешности является уменьшение степени когерентности между основными и рассеянными волнами. Это может быть достигнуто, в частности, за счет использования широкополосного источника света с малой длиной когерентности. При этом, вследствие большой разницы оптических путей основных и рассеянных волн, интерференционная картина, порождаемая их взаимодействием, размывается. В качестве широкополосных источников используют, в частности, суперлюминисцентные источники света. Отметим, что уменьшению влияния обратного рэлеевского рассеяния способствует и использование периодической фазовой модуляции.

Обозначает осреднение по времени.

Как следует из (5.67), при погрешность, порождаемая эффектом Керра, отсутствует. Она отсутствует также при выполнении условия , что достигается использованием, например, суперлюминесцентных источников.

Другим невзаимным эффектом, который приводит к появлению погрешности ВОГ, является магнитооптический эффект Фарадея. Во внешнем магнитном поле при повороте плоскости поляризации излучения изменяется показатель преломления волокна, и появляется дополнительная разность фаз встречных волн. Этот эффект не столь выражено проявляется в ВОГ с волокном, сохраняющим поляризацию. Наиболее эффективный способ уменьшения этих погрешностей – магнитное экранирование ВОГ.

Существенный вклад в погрешности ВОГ вносят также зависящие от времени температурные градиенты вдоль оптического волокна . Они порождают нестационарные изменения показателя преломления и длин участков волокна. Эти изменения приводят к невзаимности, поскольку встречные волны проходят эти участки за различное время. В предположении, что температура оптического волокна катушки изменяется линейно от его внутреннего слоя намотки к наружному, соответствующую погрешность измерения угловой скорости можно представить так:

где - температура в точке оптического волокна; ∆Т - изменение разности температур по сечению катушки; - линейный коэффициент теплового расширения волокна; δ∆Т/ δt - температурный градиент во времени.

Оценки показывают, что погрешность является одной из определяющих в ВОГ. Уменьшение может быть достигнуто за счет симметричной, относительно середины оптического контура, намотки катушки. При этом части волокна, которые отстоят одинаково от средней точки оптического контура, находятся рядом друг с другом. Это приводит к симметричному распределению температуры относительно средней точки и теоретически к исключению погрешности . Одновременно используется температурное циклирование катушки после ее намотки для стабилизации размеров и относительного положения витков, а также алгоритмическая компенсация остаточного температурного дрейфа в процессе эксплуатации ВОГ.

Помимо указанных возмущающих факторов следует отметить также вибрационные возмущения, которые порождают погрешности ВОГ через возмущение параметров оптического волокна. Возникающая при этом погрешность пропорциональна скорости изменения вибрационного ускорения с коэффициентом порядка, где - ускорение силы тяжести (НТК ²физоптика²). Существенно может быть также влияние акустических шумов через пьезооптический эффект в частотной полосе до нескольких .

В целом погрешности ВОГ характеризуются уровнем нестабильности масштабного коэффициента (главным образом температурной) и его нелинейностью, систематической составляющей дрейфа (смещение нуля) гироскопа, стабильностью дрейфа в запуске и от запуска к запуску, шумовой составляющей выходного сигнала. Существенный вклад в эти параметры вносят, естественно, не только оптические, но и электронные компоненты ВОГ.

В таблице 5.3 представлены основные характеристики ряда ВОГ отечественных компаний.

Волоконно-оптические гироскопы

В последние годы для измерения угловых скоростей стали интенсивно развивать технику волоконно-оптических гироскопов, которые по принципу действия близки кольцевым лазерным гироскопам. Те и другие не являются гироскопами в общепринятом смысле слова, поскольку не имеют вращающихся частей с большим моментом инерции, их включение происходит мгновенно.

В 1913 г. физик Саньяк осуществил эксперимент, подтвердивший эффект, названный его именем. Суть его состоит в том, что две электромагнитные волны, распространяющиеся навстречу друг другу по замкнутому оптическому пути (в волоконно-оптической петле), пройдут его за разное время, если эта петля при этом вращается относительно инерциального пространства.

Рис. 38. Принцип действия волоконно-оптического гироскопа

Рис. 39. Структурная схема волоконно-онтического гироскопа 1 - лазер; 2 - световод; 3 - поляризатор; 4 - направленный ответвитель; 5 - катушка волокна; 6 -7 - фазовый модулятор; 8 - генератор; 9 - детектор и усилитель.

Разность этих времен выражается в смещении интерферирующих волн друг относительно друга.

Рассмотрим принцип работы волоконно-оптического гироскопа по схеме, представленной на рис. 38.

Свет может распространяться по замкнутому кольцевому каналу из положения 1 в двух направлениях, показанных стрелками. Когда система находится в покое, лучи света, вышедшие из положения 1 в обоих направлениях, возвращаются в нее одновременно. Если же кольцевой канал поворачивается со скоростью (по часовой стрелке или против), то значения скорости движения света и кольцевого канала будут складываться или вычитаться. За время движения света по каналу положение 1 перейдет в положение 2 и в момент, когда один луч, посланный из положения 1 против часовой стрелки, придет в положение 2, другой луч (посланный по часовой стрелке) достигнет уровня, отстоящего от уровня 2 на расстояние 2 .

Регистрация сдвига фазы происходит с помощью волоконно-оптического гироскопа (рис. 39).

Одномодовое оптическое волокно свернуто в виде кольца и образует схему интерферометра Саньяка, в котором лазерный луч распространяется во встречных направлениях. Вращение гироскопа вокруг оси, перпендикулярной плоскости волокна, приводит к появлению невзаимного фазового сдвига:

где А - площадь одного витка в катушке гироскопа; N - число витков; Ω- угловая скорость вращения; λ- длина волны; с - скорость света.

Для достижения предельных значений чувствительности целесообразно максимально удлинить рабочий отрезок волокна, однако потери и обратное рассеяние, приводящие к дополнительным шумам, ограничивают наращивание рабочих длин.

В зарубежных источниках подчеркивается, что основные факторы шума подробно изучены, и создание волоконно-оптических гироскопов - дело ближайшего будущего. Гироскопические устройства на волоконно оптических элементах отличаются компактностью, малой массой и в перспективе будут обладать очень высокой чувствительностью. Достижению этой перспективы пока мешают шумы различной природы, поэтому для современных устройств чувствительность составляет 0,2 град/ч. Волоконно-оптические гироскопы изготавливают из дешевых компонентов, широко применяемых в ВОСП. Они обладают высокой надежностью. В настоящее время это направление активно развивается, но для того, чтобы волоконно-оптические гироскопы могли успешно конкурировать с лучшими современными гироскопами других типов, еще потребуются дополнительные проработки и исследования.