Гироскоп предназначен для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, например роботов, электрокар, автомобилей, кораблей, самолетов, ракет и т. д. Гироскоп содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель с выходным волоконным концом, волоконный деполяризатор типа Лио, волоконный светоделитель и волоконный анизотропный контур. Деполяризатор состоит из двух отрезков анизотропного волокна. Светоделитель выполнен из анизотропного волокна и оптически связан с фотоприемником, с которого снимается выходной сигнал. В качестве первого отрезка деполяризатора использован волоконный конец излучателя, а в качестве его второго отрезка - входной конец светоделителя. Выходные концы светоделителя соединены с концами волоконного контура таким образом, что их оси анизотропии совпадают. Гироскоп представляет собой компактную конструкцию среднего класса точности, простую и технологичную в изготовлении. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) можно разделить на два класса :
фазовые, в которых измеряется сдвиг фазы обусловленный вращением;
резонаторные (или двухчастотные), в которых измеряется расщепление резонансных частот пассивного кольцевого волоконного резонатора, пропорциональное угловой скорости.
Первый тип ВОГ представляет собой многовитковый волоконный аналог классического интерферометра Саньяка (рис. 3.31). Конструкция ВОГ на основе катушки волокна позволяет существенно повысить чувствительность прибора без увеличения его габаритных размеров. В этом случае площадь, охватываемая контуром,
где - число витков в катушке; а - площадь, охватываемая одним витком. Выражение (3.96) для принимает вид
Для цилиндрической катушки радиуса
Важным является существенное отличие фазовых ВОГ от других датчиков интерферометрического типа. Как показано в п. 3.4, в многомодовых интерферометрах набег фазы световой волны под действием измеряемых физических полей существенно зависит от номера моды. Саньяковский сдвиг фазы оказывается в первом приближении одинаковым для всех мод в многомодовом волоконном интерферометре. Это теоретически ясно из выражений (3.96) и (3.101), в которые не входит показатель преломления среды. Точный расчет подтверждает эти соображения . Таким образом в фазовых ВОГ могут использоваться многомодовые волоконные световоды, однако при этом необходимо, чтобы световые потоки, распространяющиеся во встречных направлениях, имели одинаковый модовый состав и условия их ваода в световод, были строго одинаковы .
В рассматриваемой нами (рис. 3.31) простейшей схеме ВОГ с двумя делительными зеркалами интенсивность света на входе фотодетекторов (без учета потерь в элементах ВОГ)
где - интенсивность света на выходе источника излучения.
Несложные операции с электрическими сигналами на выходах фотодетекторов позволяют получить выходной сигнал
где - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами фотодетекторов и электронных схем. Простота обработки исключает зависимость выходного сигнала от флуктуаций мощности источника излучения.
Основной недостаток этой схемы, исследовавшейся на первых этапах создания ВОГ, - низкая чувствительность при малых скоростях вращения. Из определения чувствительности ВОГ
очевидно, что при малых скоростях вращения числовое значение мало.
Максимум чувствительности достигается в схемах, использующих дополнительный фазовый сдвиг между встречными волнами . В этом случае
Таким образом, чувствительность гироскопа становится максимальной при При малых скоростях вращения выходной сигнал прямо пропорционален угловой скорости:
Часто используется понятие «масштабный коэффициент гироскопа». Под ним подразумевают коэффициент, характеризующий соотношение между угловой скоростью и измеряемой величиной. В случае фазового ВОГ с «подставкой» угловая скорость и выходной сигнал (ток, напряжение) связаны соотношением
Повышение чувствительности фазовых ВОГ за счет заданной фазовой «подставки» однако, не решает проблемы. Необходимо создать прибор, работающий в широком диапазоне с минимальными случайными и систематическими погрешностями и низким порогом чувствительности. С этой целью в реальных конструкциях принимаются специальные меры для устранения основных причин погрешностей и расширения динамического диапазона
Теоретически, как и во всех волоконно-оптических датчиках, основные ограничения на порог чувствительности и точность ВОГ налагает наличие дробовых шумов фотодетектора, однако в действительности более существенную роль играет ряд других физических процессов. В первую очередь - явления, приводящие, как и эффект Саньяка, к невзаимному сдвигу фаз встречных световых волн.
Сдвиг фаз во внешнем магнитном поле, обусловленный хорошо известным эффектом Фарадея, пропорционален величине где - элементарный участок оптического контура; Н - напряженность магнитного поля, действующего на этот участок; V - постоянная Верде. Если Н - величина, постоянная для всего контура, то фарадеевский сдвиг фаз равен нулю, так как Наличие градиента магнитного поля или различие в
поляризациях встречных волн делают этот сдвиг отличным от нуля. Магнитная экранировка и использование волокон, сохраняющих поляризацию, ослабляют влияние эффекта Фарадея.
Двулучепреломление в волоконном световоде является одним из основных источников ошибок и шумов в ВОГ. Эллиптичность волокна, механические напряжения и другие подобные причины снимают вырождение по поляризации в одномодовом волокне В результате ортогональные линейно-поляризованные моды распространяются с разными скоростями. Само по себе это явление не должно приводить к невзаимному сдвигу фаз. Однако в реальных волокнах случайное расположение участков с двойным лучепреломлением и эллиптичностью сердцевины, а также связь между ортогонально-поляризованными модами приводят к тому, что эффективные оптические пути встречных волн интерферометра становятся различными. Наведенное двулучепреломление и связь между ортогонально-поляризованными модами сильно зависят от внешних акустических и тепловых флуктуаций. Сдвиг нуля ВОГ, обусловленный двулучепреломлением, и поляризационный шум значительно уменьшаются при использовании световодов, сохраняющих поляризацию . Необходим также контроль состояния поляризации в ответвителях на входе и выходе интерферометра .
К невзаимному сдвигу фаз в ВОГ приводит и высокочастотный эффект Керра , известный из нелинейной оптики. Суть его состоит в том, что показатель преломления среды зависит от интенсивности распространяющегося в ней света. Если интенсивности встречных световых волн не равны, постоянные их распространения становятся различными. Этот эффект проявляется очень слабо, однако его необходимо учитывать при создании высокоточных ВОГ. Один из путей минимизации влияния эффекта Керра состоит в использовании электронной системы автоматического выравнивания интенсивностей встречных волн , что, однако, значительно усложняет прибор. Другое решение проблемы заключается в использовании источников излучения с достаточно широким спектром (суперлюминесцентных диодов). При этом усредненный по спектру сдвиг фаз равен нулю .
К числу причин, влияющих на невзаимный сдвиг фаз, необходимо отнести и нестабильность заданной фазовой «подставки». В реальных устройствах ее величина зависит от изменений внешних условий и поляризации вводимого в интерферометр излучения .
Особое место среди факторов, ухудшающих характеристики ВОГ, занимают релеевское рассеяние в световоде и отражение от элементов гироскопа . Эти процессы не влияют на когерентность излучения, но фазы рассеянного и отраженного света могут существенно меняться при изменении внешних условий, а также при акустических и тепловых флуктуациях в пространстве, окружающем световод. Рассеянные и отраженные волны
интерфирируют со встречными волнами и сдвиг фаз, вызванный вращением, становится неразличимым на фоне этой интерференции. Эффективный способ снижения уровня шума, обусловленного рассматриваемыми факторами, состоит в уменьшении длины когерентности излучения источника. Разность хода встречных лучей, определяемая эффектом Саньяка, достаточно мала. Если выбрать источник с широким спектром, так что длина когерентности будет лишь ненамного больше влияние значительной части отраженного и рассеянного света устраняется. Лишь та его часть, которая попадает на фотодетектор с задержкой, не превышающей участвует в формировании шумового сигнала.
Рис. 3.32 Волоконно-оптический гироскоп: 1 - волоконная катушка; 2 - матрица из четырех направленных ответвителей
Безусловно, необходимо и уменьшение числа отражающих поверхностей в ВОГ, т. е. числа элементов в объемном исполнении.
Динамический диапазон фазовых ВОГ ограничивает прежде всего то обстоятельство, что выходной сигнал есть тригонометрическая (т. е. отнюдь не линейная) функция сдвига фаз Линейный участок функций или мал. Кроме того, понятные трудности связаны с периодичностью этих функций. В результате для создания ВОГ с приемлемым динамическим диапазоном необходима специальная обработка его выходного сигнала.
В настоящее время известен ряд перспективных схемных решений фазовых ВОГ , из которых мы выделим те, которые в комплексе решают проблемы уменьшения уровня шумов, погрешностей, повышения чувствительности и расширения динамического диапазона.
В схеме гироскопа, приведенной на рис. 3.32, используется квадратурное детектирование с помощью матрицы из четырех пассивных направленных ответвителей, модуляция масштабного коэффициента и электронная обработка сигнала . Такая схема позволяет в значительной мере исключить ошибки, вызванные невзаимными сдвигами фаз различной природы, линеаризовать выходную характеристику ВОГ (расширить динамический диапазон). Кроме того, регистрация сигнала по переменному току с использованием фильтров или резонансных усилителей приводит к существенному уменьшению влияния шумов источника излучения и регистрирующих схем (эти шумы зависят от частоты как
Направленные ответвители, изготовленные путем сплавления волокон, исключающим их скручивание (см. гл. 4), работают,
как трехдецибельные мосты, обеспечивая при делении сдвиг фаз между световыми волнами. Как видно из рис. 3.32, использование матрицы ответвителей позволяет получить на выходах четырех фотодетекторов нормализованные сигналы вида
Сдвиг фазы в направленном ответвителе всегда отличается от на некоторую величину а которая в силу слабой зависимости параметров ответвителя от внешних условий может зависеть от времени. Кроме того, по причинам, изложенным выше, в ВОГ может иметь место дополнительный сдвиг фаз встречных волн приводящий к систематическим и случайным ошибкам в измерениях. С учетом существования величин выражения (3.105) принимают вид:
Как уже отмечалось, в рассматриваемой схеме осуществляется модуляция масштабного коэффициента ВОГ. С этой целью можно модулировать одну из двух величин, входящих в основное уравнение ВОГ -радиус катушки или длину волны К:
При этом величина становится функцией времени. Заметим, что модуляция или К практически не приводит к модуляции Модуляция легко осуществляется, если волоконная катушка намотана на пьезоэлектрический цилиндр, модуляция длины волны источника излучения К - при использовании полупроводникового -лазера (см. гл. 4).
В качестве примера рассмотрим случай, когда меняется по закону
причем Тогда
Ограничиваясь первым порядком величины получаем
где - саньяковский сдвиг фазы,
Электронная система обработки сигналов осуществляет следующие операции:
Подставив значения из уравнений (3.106), получаем, что
Величина представляющая собой отклонение заданной фазовой «подставки» от значения обычно медленно меняется во времени (в соответствии с изменениями температуры) , поэтому и третье слагаемое в выражении (3.109) пренебрежимо малы. Дифференцируя выражение (3.108), получаем, что
В реальных условиях при современной технологии , поэтому на выходе фильтра, настроенного на частоту модуляции получаем выходной сигнал
Таким образом, амплитуда сигнала на частоте модуляции прямо пропорциональна и соответственно угловой скорости вращения, при этом в значительной мере исключаются ошибки, вызванные невзаимными сдвигами фаз различной природы, и низкочастотные шумы. Чем выше частота модуляции тем ближе к действительности проведенный расчет.
Важно, что рассмотренная схема не содержит сложных замкнутых систем автоматического управления, обработка сигнала может производиться достаточно простыми электронными средствами.
ВОГ такого типа может быть полностью волоконным (не содержать элементов в объемном и планарном исполнении), что снижает число отражающих поверхностей и потери излучения при согласовании.
Этими же достоинствами обладает и другая схема ВОГ, имеющая линейную выходную характеристику, а значит и широкий динамический диапазон (рис. 3.33, а). Фазовый модулятор, представляющий собой пьезоэлектрический цилиндр с несколькими витками волокна (см. гл. 4), расположен несимметрично относительно входа - выхода интерферометра, поэтому происходит модуляция сдвига фазы между встречными волнами.
Рис. 3.33. ВОГ с линеаризацией масштабного коэффициента а - функциональная схема; б - временная диаграмма; 1 - источник излучения, 2 - волоконная катушка: 3 - фазовый модулятор» 4 - генератор модулирующей частоты f, 5 - фотодетектор. 6 - полосовой усилитель, 7 - переключатель каналов, 8, 9 - полосовые фильтры, 10 - измеритель сдвига фаз
Если на модулятор подается напряжение с угловой частотой то ток на выходе фотодетектора меняется по закону
где - коэффициент пропорциональности; - амплитуда фазовой модуляции.
Осуществляя переключение между каналами 1 и 2 в моменты времени, соответствующие максимумам и минимумам модулирующего напряжения, как это показано на временных диаграммах (рис. 3.33, б), и выделяя фильтрами сигналы на частоте получаем на выходе первого канала
и на выходе второго канала
где А - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами фотодетектора, электронных схем и глубиной модуляции. Измеряя сдвиг фаз между сигналами первого и второго каналов аналоговым измерителем сдвига фаз или цифровым счетчиком временных интервалов, мы получаем значение удвоенного саньяковского сдвига, прямо пропорционального угловой скорости вращения.
Таким образом, в рассмотренной схеме регистрация сигнала по переменному току существенно снижает уровень шумов, непосредственное измерение фазового сдвига линеаризует масштабный коэффициент прибора. Однако ошибки, связанные с эффектами Фарадея, Керра, двулучепреломлением, остаются, для их устранения необходимо принимать меры, рассмотренные выше.
В другой схеме ВОГ (рис. 3.34), описанной в работах , так же как и в лазерном гироскопе, измеряется расщепление резонансных частот кольцевого резонатора, вызванное вращением с помощью внешнего лазерного источника излучения. В этом случае устраняются недостатки лазерных гироскопов, связанные с наличием нелинейного элемента - активной среды в резонаторе.
Рис. 3.34. Резонаториып ВОГ: 1 - гелий-неоновый лазер; 2, 4 - акустические ячейки Брэгга, 3 - генератор частоты ; 5 - генератор частоты 6 - направленный ответвитель 7 - резонатор, 8,9 - фотодетекторы, 10 - схема автоиодстройки частоты ; 11 - схема автоподстройки периметра резонатора, 12 - смеситель
Свет с частотой от источника излучения поступает на две брэгговские акустооптические ячейки, сдвигающие световую частоту на величины и соответственно. Излучение с частотой через направленный ответвитель вводится в кольцевой волоконный резонатор и распространяется в нем по часовой стрелке. Излучение с частотой также вводится в резонатор и распространяется против часовой стрелки. Система автоподстройки длины периметра подстраивает ее так, чтобы резонансная частота резонатора для волны, бегущей по часовой стрелке, совпала с частотой . Система автоподстройки частоты генератора подстраивает величину так, чтобы совпадала с резонансной частотой для волны, бегущей против часовой стрелки. В результате величины есть резонансные частоты волоконного резонатора для встречных направлений, а их разность пропорциональна произведению числа витков катушки на ее радиус тогда как расщепление частот пропорционально просто радиусу
В выражении для чувствительности резонаторного ВОГ, в отличие от фазового, появляется эффективный показатель преломления моды световода пэфф. Во-первых, это означает, что в резонаторных ВОГ можно использовать только одномодовые световоды, так как значение пэфф зависит от номера моды. Во-вторых, в резонаторных ВОГ наряду с общими для обоих типов ВОГ погрешностями и шумами (вызванными обратным рассеянием и отражением, двулучепреломлением, эффектами Фарадея и Керра) появляется погрешность, обусловленная зависимостью от внешних воздействий, изменений давления, температуры и т. п. (см. п. 3.3). Надо отметить, что при одновременном измерении и частотного интервала между соседними продольными модами волоконного резонатора лэфф становится измеряемой величиной и
Методика измерения расщепления резонансшях частот для встречных направлений с помощью внешнего источника излучения, используемая в резонаторных ВОГ, накладывает жесткие ограничения на ширину спектральной линии излучения. Лучшие результаты получены с использованием гелий-иеонового одночастотного лазера, тогда как в фазовых ВОГ используются слабокогерентные источники (полупроводниковые лазеры и светодиоды). Кроме того, даже если предположить, что излучение монохроматично, порог чувствительности резонаторного ВОГ будет
зависеть от ширины резонансной кривой оптического резонатора, минимальная измеряемая угловая скорость 60 будет определяться выражением
где Г - ширина резонансной кривой оптического резонатора; - среднее в единицу времени число фотонов, попадающих на фотодетектор; - квантовая эффективность фотодетектора; - время осреднения в ВОГ. В целях повышения добротности резонатора (уменьшения Г) имеет смысл увеличивать его длину (например, за счет использования многовитковой конструкции) до тех пор, пока потери в световоде не станут сравнимыми с потерями за счет других факторов
Наряду с перечисленными недостатками необходимо отметить два несомненных преимущества резонаторных ВОГ перед фазовыми. Первое из них заключается в том, что измеряемая величина - расщепление частот - прямо пропорциональна угловой скорости 0. Это означает, что динамический диапазон резонаторного ВОГ не ограничен сверху.
Второе приемущество резонаторных ВОГ состоит в том, что по своей сути они являются цифровыми приборами, легко стыкующимися с вычислительными устройствами. В них, как и в лазерных гироскопах , измерение разности частот за определенный интервал времени есть не что иное, как счет числа импульсов.
Число импульсов соответствует углу поворота системы за время
Фазовые ВОГ измеряют аналоговый сигнал, и лишь в специальных схемах, подобных описанной выше, измерение фазы приводится к измерению интервалов времени.
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.
Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка : появление фазового сдвига встречных электромагнитных (световых) волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Эффект прямо пропорционален угловой скорости вращения интерферометра, площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре и частоте излучения.
Принцип действия оптических гироскопов теоретически объясняется с помощью специальной теории относительности. Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта, в то время как в неинерциальной системе она может отличаться от данного постоянного значения. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения определяемая интерферометром разница во времени прихода лучей позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.
Лазерный гироскоп
Лазерный гироскоп - оптический прибор для измерения угловой скорости, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка.
Находит применение в системах инерциальной навигации (определение координат и параметров движения различных объектов и управление их движением, основанное на свойствах инерции тел и являющееся автономным, т.е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов).
Устройство и принцип работы.
Лазерный гироскоп обычно представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые разрядом между анодами и катодом и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. В датчике формируется интерференционная картина из светлых и тёмных полос. Положение полос не меняется, если гироскоп не вращается (в плоскости кольцевого контура) относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте резонатора (корпуса гироскопа), фотоприёмники измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы.
Таким образом, в лазерном гироскопе создаётся и поддерживается стоячая волна, а её узлы и пучности в идеальном случае связаны с инерциальной системой отсчёта. На точность подобных гироскопов негативно обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и молекулах газа.
Рис.5. Схема лазерного гироскопа
Волоконно-оптический гироскоп
Волоконно-оптический гироскоп - это оптико-электронный прибор, измеряющий угловую скорость, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка.
Свойства прибора:
высокая точность;
малые габариты и масса конструкции;
большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
высокая помехоустойчивость, благодаря диэлектрической природе волокна;
высокая надежность, благодаря отсутствию механических элементов.
Устройство и принцип работы. Лазерные лучи распространяются по замкнутому пути с помощью оптического волновода (световода). Для направления лазерного луча по замкнутому пути используется одномодовое оптоволокно, а лазерное излучение подаётся из внешнего источника. Для повышения чувствительности гироскопа и увеличения длины оптического пути используют световод большой длины (до 1000 м), уложенный витками.
Поворот гироскопа определяется посредством фотоприёмника, регистрирующего интерференционную картину пятен, создаваемую лучами.
На точность волоконо-оптических гироскопов, как и на точность лазерных гироскопов, негативное влияние оказывает обратное рассеяние.
Рис.6. Схема волоконно-оптического гироскопа
Лекция 14.
1. Принцип работы лазерного гироскопа;
2. Волоконно-оптические гироскопы.
§5.14.1. Принцип работы лазерного гироскопа.
Подробнее принцип работы поясним на примере простейшей схемы лазерного ДУС, оптический контур которого - треугольный. На рис. 6 показаны КОКГ, содержащий трубку 1 с активным веществом газовой рабочей смесью, которая возбуждается от генератора накачки 2 высокочастотным (частотой несколько десятков мегагерц) или постоянным (напряжением тысячи вольт) током, и собственно кольцевой резонатор, включающий два непрозрачных зеркала 3 и одно полупрозрачное зеркало 4. Активная смесь порождает в резонаторе индуцированное излучение вследствие перехода атомов неона (Ne) с высоких (возбужденных генератором накачки) на низкие энергетические уровни. Это становится возможным, если коэффициент усиления в активной среде превышает коэффициент потерь, а длина волны когерентного излучения целое число раз укладывается по периметру резонатора. Возникающие при этом электромагнитные колебания (обычно с длиной волны, примерно равной 0,63 мкм) выходят из торцев трубки 1 и распространяются в противоположных направлениях к непрозрачным зеркалам 3. Отраженные лучи с помощью полупрозрачного зеркала 4 выводятся за пределы контура, и с помощью дополнительного непрозрачного зеркала 5 направления их распространения совмещаются. Лучи попадают на фотокатод фотоэлектронного умножителя 6, где интерферируют друг с другом, создавая интерференционные полосы.
Вращение корпуса лазерного гироскопа с угловой скоростью , вектор которой перпендикулярен к плоскости контура, приводит к тому, что интерференционные полосы начинают перемещаться относительно фотокатода со скоростью вращения корпуса. Это обстоятельство связано с тем, что при вращении вследствие появления разности времен хода лучей, распространяющихся по оптическому замкнутому контуру в противоположных направлениях, появляется и разность их хода, т.е. как бы разность длин периметра резонатора, по которому они распространяются. При генерации в КОКГ длины волн должны уложиться в теперь уже разных периметрах одинаковое целое число раз, поэтому эти длины, а следовательно, и частоты электромагнитных колебаний при наличии становятся разными; появляется разность частот (частота биений), что приводит к смещению интерференционных полос. Перемещение на один шаг между интерференционными полосами соответствует изменению фазы биений на радиан. На выходе фотоэлектронного умножителя 6 появляется электрический сигнал с разностной частотой . После усиления этот сигнал поступает на частотомер 7 и регистрируется устройством 8.
Возможна иная физическая интерпретация принципа работы лазерного ДУС. В КОКГ при наложении бегущих волн, направленных встречно, образуются стоячие волны. Местоположение их узлов и пучностей относительно резонатора является неопределенным и не зависит от его углового положения. При вращении резонатора относительно инерциального пространства стоячие волны остаются неподвижными, что следует из постулата постоянства скорости света и принципа относительности. Смещение интерференционных полос по фотокатоду с частотой можно интерпретировать как результат поворота резонатора относительно неподвижной картины стоячих волн.
Аналитическая зависимость между измеряемой угловой скоростью и разностью частот излучений, распространяющихся встречно по контуру, для заданных конструктивных параметров устройства (частоты излучений при , периметра контура и ограниченной им площади ) может быть получена из анализа принципа работы идеализированного лазерного ДУС с круговым контуром. Поскольку по длине периметра резонатора должно укладываться целое число длин волн, то общее число стоячих волн образующихся в контуре, . Таким образом, повороту контура на угол радиан соответствует число стоячих волн . Тогда повороту контура на элементарный угол будет соответствовать число стоячих волн
Заметим, что величина
(5.10)
представляет собой, по существу, частоту следования стоячих волн относительно некоторой фиксированной точки замкнутого контура и связана с разностью частот встречных лучей соотношением
Используя зависимости (5.10) и (5.11) и учитывая, что для кругового контура , после преобразований получим
Формула (5.12) справедлива не только для кругового контура, но и для плоского замкнутого контура любой конфигурации.
Если вектор угловой скорости направлен под некоторым углом к перпендикуляру, опущенному на плоскость контура, то формула (5.12) принимает вид
(5.13)
Следовательно, измерительной осью прибора является ось, нормальная к плоскости контура. Комбинация трех плоских лазерных ДУС в один блок с ортогональной ориентацией измерительных осей позволяет получить трехкомпонентный измеритель угловой скорости. Целесообразно отметить, что ЛГ можно использовать и в интегрирующем режиме, т.е. в режиме измерителя углов поворота основания. Перепишем формулу (5.12) в виде
,
где - фаза биений; - угол поворота прибора вокруг измерительной оси.
Очевидно, что
Таким образом, о приращении угла поворота можно судить по числу периодов (полупериодов) биений (периодов колебаний электрического сигнала с разностной частотой ).
Лазерные гироскопы обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными. Это, прежде всего: отсутствие каких-либо механических вращающихся элементов, а, следовательно, они свободны от погрешностей, обусловленных моментами сил трения, неуравновешенности; высокая надежность и способность устойчиво работать в условиях значительных перегрузок; относительно малая потребляемая мощность (единицы ватт); их практически мгновенная (доли секунды) готовность к работе. Весьма важным преимуществом ЛГ является дискретность выходного сигнала измерительной информации, что позволяет использовать этот сигнал без дополнительных преобразований в ЭВМ. Кроме того, ЛГ могут работать в широком динамическом диапазоне, что делает возможным их применение в бесплатформенных навигационных системах.
Наряду с преимуществами ЛГ необходимо указать ряд их недостатков и специфических проблем, с которыми пришлось столкнуться при разработке. Одна из наиболее сложных проблем связана с так называемым эффектом "захвата" или синхронизации частот колебаний, распространяющихся в рабочем контуре в противоположных направлениях. "Захват" частот при малой их расстройке обусловлен взаимным рассеиванием каждой волны в направлении распространения встречной при отражении от зеркал и других оптических элементов. В результате этого явления при малых измеряемых скоростях вращения частоты обоих лучей оказываются одинаковыми, и разностная частота равна нулю, что предопределяет наличие порога чувствительности прибора.
В основе другой проблемы - нестабильность масштабного коэффициента ЛГ, допустимое значение которого составляет . Причиной нестабильности масштабного коэффициента является изменение периметра резонатора, например из-за температурных колебаний, но главным образом эта нестабильность порождается нестабильностью коэффициента преломления оптической среды. Активная среда уменьшает расстройку частот по сравнению с той, которая была бы в "пустом" резонаторе (эффект затягивания частот). Учет влияния аномальной дисперсии активной среды показывает, что ее относительное влияние наиболее существенно при малой частоте биений . Решение указанных проблем обеспечивается различными путями. Так, например уменьшения зоны "захвата" добиваются доведением до минимума рассеяния на зеркалах, глубоким вакуумированием тракта, по которому распространяются лучи. Кроме того, зона "захвата" уменьшается при увеличении периметра, охватываемого лучами, а также при уменьшении длины волны используемого излучения. Сужение зоны "захвата" путем увеличения периметра резонатора ограничивается конструктивными требованиями массогабаритных характеристик. Выбор длины рабочей волны ограничивается значениями, при которых возможна генерация.
Постоянство оптического пути резонатора обеспечивается использованием монолитной конструкции из материалов с малым температурным коэффициентом линейного расширения, таких как ситал и др. Принципиальным решением проблемы "захвата", одновременно способствующим уменьшению влияния эффекта затягивания частот, является смещение рабочей точки ЛГ из зоны захвата, например введением дополнительного вращения (равномерного или реверсивного) резонатора вокруг измерительной оси, либо другими методами, в которых реализуется невзаимность показателя преломления для противоположно направленных лучей (на основе магнитооптических эффектов Фарадея, Керра и др.).
Повышение стабильности масштабного коэффициента достигается главным образом регулированием длины оптического пути (периметра резонатора) обычно на основе схем экстремального регулирования таким образом, чтобы обеспечивалось получение максимальной мощности излучения.
Лазерный гироскоп, как уже отмечалось, обладает относительно широким диапазоном измерения. Теоретическое значение верхнего предела этого диапазона определяется шириной полосы пропускания кольцевого резонатора, а нижнего - нестабильностью частоты генерируемых колебаний. Смещение и дрейф нулевого сигнала обусловлены различием коэффициентов преломления среды для встречных лучей вследствие движения среды внутри резонатора (эффект Френеля - Физо), движения атомов в активной среде (эффект Лэнгмюра), эффекта Фарадея и др. Кроме того, смещение нуля может быть вызвано анизотропным рассеянием, невзаимными эффектами насыщения в активной среде, рассеянием на неоднородностях резонатора и др. Случайный дрейф ЛГ составляет 
. В настоящее время работы по совершенствованию ЛГ продолжаются.
§5.14.2. Волоконно-оптические гироскопы
В 1975 г. в США были начаты исследования в области волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), которые по оценке специалистов будут в 5 - 10 раз дешевле и в несколько раз меньше по объёму в массе, чем существующие механические и лазерные гироскопы сравнимой точности. Уже в 1982 т. в лабораторных условиях получена приемлемая для ряда приложений чувствительность ВОГ к угловой скорости – 0.1 - 1 град/ч.
Принцип действия оптического гироскопа основан на "вихревом” эффекте Саньяка, который он экспериментально продемонстрировал в 1913 г. Сущность "вихревого" эффекта заключается в следующем. Если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при вращении контура вокруг оси, перпендикулярной к плоскости контура, с угловой
скоростью разность фаз двух встречных световых лучей, прошедших весь контур, пропорциональна угловой скорости контура:
где - площадь замкнутого контура; - длина волны светового луча; - скорость света.
В ВОГ замкнутый контур образован многовитковой катушкой оптического волокна. При этом
(5.15)
|
|
где - число витков; - площадь витка контура.
Принципиальная схема ВОГ:
1 - лазерный диод;
2 - светоделитель;
3 - волоконный контур;
4 - фотодетектор;
5 - электронное устройство обработки
Принципиальная схема ВОГ показана на рис.7. В качестве источника излучения применен лазерный диод. Излучение подаётся на светоделитель и разделяется на два луча. Эти лучи, обойдя замкнутый контур из оптического волокна, объединяются на светоделителе и подаются на фотодетектор и далее на электронное устройство обработки, с которого можно получить электрический сигнал, пропорциональный угловой скорости со , а если этот сигнал проинтегрировать, то и сигнал, пропорциональный углу поворота замкнутого контура,
В типичных экспериментальных конструкциях ВОГ используется катушка оптического волокна радиусом 10 см при длине волокна 500 м. Вращение такого контура со скоростью 1 град/ч приводит к появлению, разности фаз порядка рад.