Волоконно-оптические системы

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.

3.1 Принцип действия оптического гироскопа

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 , между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.

Рис. 3.1 - Принцип возникновения эффекта Саньяка

Рис 3.2 - Эффект Саньяка при оптическом пути произвольной формы

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

(3.1)

в противоположном направлении —

(3.2)

где с — скорость света.

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

(3.3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей

(3.4)

или, иначе говоря, разность фаз

(3.5)

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

Формула (3.5) вытекает из формулы (3.3) при допущении, что n=1 и оптический путь имеет круговую форму, но возможно доказать, что формула (3.5) является основной для эффекта Саньяка. Она не зависит от формы оптического пути, положения центра вращения и коэффициента преломления.

3.2 Структурные схемы оптических гироскопов

На рис. 3.3 приведены общие схемы систем, разработанных для повышения точности измерений. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 3.3, а) отличается высокой частотой световой волны — до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на (рис. 3.3, б) имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 3.3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.

Рис. 3.3 - Структурные схемы гироскопов на эффекте Саньяка

r и l - частота генерации света с правым и левым вращением;  - время, необходимое для однократного прохождения светом кольцевого оптического пути; FSR - полный спектральный диапазон

3.3 Волоконно-оптические гироскопы

На рис. 3.3 приведена оптическая схема волоконно-оптического гироскопа. По сути это интерферометр Саньяка (см. рис. 3.1), в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна. Часть схемы, обведенная штриховой линией, необходима для повышения стабильности нулевой точки.

Рис. 3.4 - Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопа

Таким образом, разность фаз между двумя световыми волнами, обусловленная эффектом Саньяка

(3.6)

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 (3.6) 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. 3.3) 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  существует определенная длина, позволяющая оптимизировать пределы обнаружения при дробовом шуме:

(3.7)

Рис.3.5, а. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при оптимальной длине волокна

Рис.3.5, б. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при разной длине световой волны

Результаты расчета при типичных значениях параметров приведены на рис. 3.5, 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. 3.5, 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.

3.4 Шумовые факторы, методы их устранения

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

3.4.1 Основные оптические системы с повышенной стабильностью

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 рас¬щепителем луча и, кроме того, дважды проходит сквозь него. При этом условие одинаковой длины оптического пути выпол¬няется 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 внеш¬ним воздействием, поэтому излученный волокном свет обычно приобретает круговую поляризацию с неустойчивыми парамет¬рами. Все это приводит к дрейфу выходного сигнала.

Если же на оптическом пути поместить, как это показано в обведенной штриховой линией части на рис. 4, поляризаци¬онную пластину, т. е. пустить на оптический путь интерферо¬метра световую волну с единственной поляризацией и в излу¬чаемом свете выделить только составляющую с такой же поля¬ризацией, то передаточная функция кольцевого оптического пути (оптического волокна) для лучей с противоположным на¬правлением 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 коэффици¬ента. Одна из таких мер — введение деполяризатора, который компенсирует колебания поляризации в опти¬ческом 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 поля¬ризации в оптическом волокне, требуется поляризатор с очень большим затуханием (около 90 дБ), но это требование смягча¬ется при использовании оптического волокна с сохранением поляризации и источника света с низкой когерентностью. В оп¬тическом