Волоконно-оптические гироскопы

На рис. 24.4 приведена оптическая схема волоконно-оптического гироскопа. Он представляет собой интерферометр Саньяка, в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна. Часть схемы, обведенная пунктирной линией, необходима для повышения стабильности нулевой точки. Таким образом, разность фаз между двумя световыми волнами, обусловленная эффектом Саньяка, с учетом формулы (24.4) выражается как

, (24.5)

где N - число витков в катушке из волокна; L - длина волокна; а - радиус катушки.

С помощью такой оптической системы можно измерять с высокой точностью изменения фазы (~10^-6рад), а затем из формулы (24.5) определять угловую скорость. Все это и составляет принцип работы волоконно-оптического гироскопа.

Методы повышения чувствительности оптических гироскопов

Схема волоконно-оптического гироскопа, изображенная на рис. 24.4, как уже отмечалось, не обнаруживает малых поворотов. Для решения этой проблемы, т. е. для повышения чувствительности гироскопа, предлагаются различные методы: смещения разности фаз, фазовой модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования.

Смещение разности фаз.

Если между двумя световыми волнами, идущими по кольцу навстречу друг другу, установить смещение разности фаз в π/2 рад, то изменение выходного интерференционного сигнала относительно разности фаз Δφ световых волн в соответствии с эффектом Саньяка будет пропорционально sinΔφ, что означает повышение чувствительности. Однако для высокоточных гироскопов требуется обнаружение очень малых (~10^-6 рад) изменений фазы и поскольку смещение π/2 рад уже велико, то возникает проблема стабилизации этого смещения.

Фазовая модуляция.

Общая схема оптической системы гироскопа с фазовой модуляцией приведена на рис. 24.5. Фазовый модулятор присоединен к концу волокна, используемого в качестве чувствительного элемента (в центре основной оптической системы рис. 24.4). Это - важная особенность данного метода. Модуляция световых волн, идущих по часовой стрелке и против нее, зависит от их взаимной синхронизации.

Составляющая U₀ основной гармоники в выходном сигнале, полученном в результате интерференции двух световых волн, выражается следующей формулой:

(24.6)

где K - постоянная; J₁ - функция Бесселя;

(24.7)

В формуле (24.7) f₀ и M соответственно модулирующая частота и глубина модуляции, а Т - время распространения световой волны в оптическом волокне, иначе говоря, эта формула выражает временное различие в фазовой модуляции световых волн, идущих в противоположных направлениях. При η = 1,8 функция J₁ (η) имеет максимальное значение. В гироскопе на рис. 24.5, благодаря детектированию основной гармоники световой волны, выходной сигнал пропорционален sinΔφ, т. е. чувствительность повышенная. Используемый в модовом фильтре поляризатор необходим для обеспечения нормальной работы гироскопа. В этой системе, как следует из формул (24.6) и (24.7), масштабный коэффициент будет изменяться в зависимости от глубины модуляции M. При использовании поляризатора колебания состояния поляризованной волны в оптическом волокне вызывают колебания и выходного сигнала оптического приемника, а это, в свою очередь, приводит к изменениям масштабного коэффициента. Если, кроме того, состояние поляризации волны в оптическом волокне колеблется из-за фазового модулятора и по-прежнему используется поляризатор, то интенсивность выходного сигнала модулируется с частотой f₀ и возникает дрейф нуля. Для решения этой проблемы желательно, чтобы

,

где п - эквивалентный коэффициент преломления; L - длина волокна.

Данная система характеризуется повышенной разрешающей способностью и стабильностью нулевой точки.

Изменение частоты.

При методе фазовой модуляции труднодостижим широкий динамический диапазон и стабильность масштабного коэффициента. Одно из технических решений этой проблемы - включение в оптическую систему фазового сдвигателя световой волны с большим динамическим диапазоном и хорошими линейными характеристиками и применение нулевого метода (гомодинирования). Все это сводится к изменению частоты.

На рис. 24.6 приведена структура гироскопа, который спроектирован на базе метода изменения частоты. В данной системе между световыми лучами с левым и правым вращением плоскости поляризации благодаря частотному сдвигателю (акусто-оптическому модулятору - АОМ) возникает частотная разность Δω=2π(f₁–f₂). При этом в приемнике возникает разность фаз Δφ, пропорциональная частотной разности:

, (24.8)

что позволяет реализовать здесь нулевой метод, т. е. компенсировать разность фаз, обусловленную эффектом Саньяка. Для этого регулируется частота f₁. С учетом формул (24.5) и (24.8) получается

, (24.9)

т. е. изменение частоты возбуждения АОМ должно быть пропорционально угловой скорости Ω.

Подсчетом Δf можно определить угловое положение. При этом достигается широкий динамический диапазон. Кроме того, в отличие от метода фазовой модуляции в выражение масштабного коэффициента не входит глубина модуляции и мощность источника света, а, следовательно, сравнительно легко добиться стабильности работы такого датчика.

Когда гироскоп находится в состоянии покоя, то между световыми волнами, распространяющимися в волокне в противоположных направлениях, имеется смещение частотной разности Δω_в и при колебаниях центральной частоты источника света и длины оптического волокна возникает дрейф сигнала. Кроме того, иногда частота возбуждения АОМ достигает примерно 100 МГц, т. е. становится больше того значения Δf, которое компенсирует так называемое входное вращение и определяется из формулы (24.9). Поэтому, как показано на рис. 24.6, используя два АОМ, добиваются Δω_в = 0. А для ликвидации фазового изменения, обусловленного эффектом Саньяка, оставляется только минимальная необходимая частотная разность Δf.

Поскольку в этом случае на участке между двумя АОМ световые лучи с левым и правым вращением плоскости поляризации сохраняют большую частотную разность (около 200 МГц), то дрейф, возникающий вследствие изменения длины оптического пути (изменение длины, в свою очередь, вызвано температурными отклонениями и механическими колебаниями этой части гироскопа), не оказывает влияния на характеристики метода фазовой модуляции.

Чувствительность гироскопа со схемой на рис. 24.6 повышается с помощью электронно-оптического фазового модулятора (ЭОМ), и в целом данную систему можно считать улучшенным вариантом системы с фазовой модуляцией. Практически, если исключить АОМ, гироскопы на рис. 24.5 и 24.6 структурно одинаковы.

Световое гетеродинирование.

При методах, описанных выше, частота световых волн с левым и правым вращением плоскости поляризации при входе светового детектора всегда одинакова, т. е. это методы гомодинного детектирования. Рассмотрим структуры интерферометров для гироскопов с гетеродинным детектированием. При этом разность фаз между двумя световыми волнами проявляется как фаза электрического сигнала разностной частоты и легко измеряется электрическим фазометром, что также допускает применение нулевого метода.

Существует много вариантов применения светового гетеродинирования в волоконно-оптическом гироскопе.

Структура оптической системы гироскопа со световым гетеродинированием представлена на рис. 24.7. 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 приемное 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. К тому же между лучами частотная разность отсутствует, а значит, проблем с частотным смещением здесь тоже нет.