Датчик распределения параллельного типа

На рис. 23.10 показана одна из структур со множеством датчиков, размещенных вдоль оптического волокна. Здесь каждый чувствительный элемент представляет собой интерферометр Маха - Цандера с определенной разностью оптических путей (l₁, l₂ и т. д.) между двумя ответвителями. Если интервал когерентности источника света достаточно мал, даже по сравнению с минимальным из значениий l, то в таких интерферометрах интерференция не наблюдается. Однако при установке на выходе линии передачи еще по одному интерферометру с такими же разностями оптических путей в соответствующих приемниках возникает сигнал интерференции.

В результате выходные сигналы каждого чувствительного элемента можно различить и измерить с помощью светоприемника, включенного на выходе соответствующих добавочных интерферометров. Однако в этом случае флюктуации фазы источника света (они зависят от ширины спектра) в силу разности оптических путей приводят к появлению на выходе амплитудных шумов, что ухудшает отношение сигнал/шум измерительной системы.

На рис. 23.11 представлены схемы волоконно-оптических датчиков параллельного (многоточечного) типа с модуляцией интенсивности лазерного луча в чувствительных элементах и опросом датчиков с разделением во времени.

Контрольные вопросы

1.

Лекция 24

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ

В основе работы волоконно-оптических гироскопов лежит эффект Санъяка. Различают схемы трех оптических гироскопов: кольцевого лазерного, волоконно-оптического и гироскопа пассивного типа с кольцевым резонатором.

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 сцелью 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 в 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 ⁰/час, динамический диапазон 6 порядков, высокая стабильность (10^-5) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал. Оптические гироскопы, например волоконно-оптические, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа. Они обладают 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.

Эффект Саньяка

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 24.1, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое, 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 с угловой скоростью Ω, между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.

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

, (24.1)

в противоположном направлении

, (24.2)

где с - скорость света.

Из формул (24.1) и (24.2) разность времени распространения двух световых волн с учетом с >> аΩ

. (24.3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей:

,

или, иначе говоря, разность фаз

. (24.4)

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

Формула (24.4) вытекает из формулы (24.3) при допущении, что п=1 и оптический путь имеет круговую форму.

Для произвольной формы оптического пути (рис. 24.2) и произвольного коэффициента преломления разность во времени распространения по оптическому пути, обусловленная эффектом Саньяка, выражается следующей формулой:

,

где v - вектор скорости вращения; dr - вектор элементарного перемещения по оптическому пути; а_d - так называемый коэффициент увлечения.

24.2. Структуры оптических гироскопов

Эффект Саньяка был открыт в 1913 г., но на практике степень проявления его оказалась весьма низкой и необходим был ряд идей для реализации эффекта в гироскопе. Например, когда в 1925 г. Майкельсон и Гале измеряли скорость вращения Земли (15°/час) на основе этого эффекта, повысить точность измерений удалось за счет изменения интенсивности интерференционного света. Для этого была увеличена оптическая петля (до размеров 613x339 м), что соответствует увеличению S в формуле (24.4).

На рис. 24.3 приведены общие схемы систем, разработанных для решения этой проблемы. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 24.3, а) отличается высокой частотой световой волны - до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на рис. 24.3, б имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 24.3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.

Кольцевой лазерный гироскоп

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, неодинаковы из-за разности оптической длины ΔL. Поэтому можно использовать для измерений частоту биений обеих генерируемых световых волн, а именно

.

Здесь L - общая длина оптического пути в кольцевом резонаторе; λ - длина волны генерации в состоянии покоя.

Иначе говоря, измерив Δf, можно определить угловую скорость. Поскольку, как уже отмечалось, частота света составляет несколько сотен терагерц, даже ее незначительные изменения позволяют, измерять 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 можно расширить и сделать достаточным для инерциальной навигационной системы. В этом большое преимущество данных гироскопов.