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.

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской
Революции и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.Э.Баумана.

________________________________________________

Факультет РЛ

Кафедра РЛ2

Реферат по теме

"Волоконно-оптические гироскопы"

студентки

Матвеевой Ляны Александровны

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....................................................................................................................

Список литературы.......................................................................................................

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.

в противоположном направлении -

где с - скорость света.

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

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.

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.

Провели эксперименты по определению скорости света на вращающейся платформе. В опытной установке Саньяка (рис. 1) на платформе находились как источник, так и приёмник света (фотопластина).

Рис. 1.

Свет от источника разделялся стеклом на два луча, которые обходили контур в противоположных направлениях и направлялись на фотопластинку. Эффект Саньяка проявлялся в смещении фаз встречных излучений в зависимости от скорости вращения платформы.

В установке Гарреса, в отличие от схемы Саньяка, источник света был подвешен над центром вращающейся платформы, а на краю платформы был установлен отражатель луча света. Далее этот отражённый луч разделялся на два луча, которые обходили контур в противоположных направлениях.

В обоих этих экспериментах было показано, что скорость света остаётся постоянной только относительно поверхности массивного гравитирующего тела Земли, вне зависимости от состояния покоя или вращения самой платформы. В литературе этот эффект получил наименование эффекта Саньяка.

Эффект Саньяка используется в лазерных и волоконно-оптических гироскопах. Эти гироскопы уже начинают применяться на практике для определения угловой скорости вращения в пространстве летательных аппаратов и других движущихся объектов, но широкое их внедрение в эксплуатацию сдерживается недостаточной чувствительностью этих приборов при малых угловых скоростях.

Рассмотрим простейшую принципиальную схему волоконно-оптического гироскопа (рис. 2).

Рис. 2.

На рис. 2а изображён одновитковый контур радиусом а с использованием оптического одномодового волокна (оптоволокна). На рис. 2б изображён тот же контур, свёрнутый в катушку. Лучи света противоположных направлений пропускают по одному и тому же волокну, что позволяет более эффективно использовать волокно.

В одновитковом контуре, изображённом на рис. 2а, лучи света противоположных направлений проходят весь контур, после чего измеряется смещение фаз. Контур вращается вместе с объектом с угловой скоростью Ω. Окружная скорость вращения оптического волокна равна v . Тогда скорость распространения света в волокне в направлении вращения будет равна: c – v ; скорость света в противоположном направлении составит: c + v . Где c – скорость света в вакууме. Следовательно, свет попутного направления придёт в точку встречи (к измерителю фазы) с опозданием. Это запаздывание света по времени ∆t определится из выражения:

Поскольку окружная скорость оптического волокна гироскопа v на много порядков меньше скорости света c , выражение (2) можно упростить и записать в виде:

где λ – длина волны света.

Подставляя в (4) выражения окружной скорости и длины оптического волокна: v = Ω·a ; L = 2π·a , и учитывая, что произведение π·a 2 – представляет собой площадь S , очерченную оптоволокном, можно записать:

Эта формула считается основной. Она применима и для одновиткового контура, и для многовитковой катушки, в последнем случае площадь S представляет собой сумму площадей всех витков.

Анализ этой формулы показывает, что круговая форма навивки оптоволокна предпочтительна, поскольку окружность заметает максимальную площадь при фиксированной длине волокна. Но всё же формула эта не очень информативна, поскольку она ничего не говорит о том, как быть с габаритами (с радиусом навивки) волокна? Сейчас наблюдается тенденция к миниатюризации гироскопов, а это вряд ли правильно, и вот почему.

Учитывая, что v = Ω·a , и подставляя это выражение в (4) получим:

Как видно из формулы (6), смещение фаз встречных излучений пропорционально длине оптического волокна гироскопа и радиусу навивки волокна. Эти параметры примечательны тем, что оказывают наибольшее влияние на чувствительность гироскопа и тем, что они выбираются при конструировании прибора. И выбирать надо, очевидно, наибольшие возможные значения этих параметров. Из формулы (6) видно, что при максимально возможной и фиксированной величине L чувствительность гироскопа прямо зависит от радиуса навивки волокна.

Если, например, гироскоп проектируется для использования на авиалайнере как датчик угловой скорости крена, то, очевидно, что максимально возможный радиус укладки оптоволокна будет равен радиусу фюзеляжа самолёта. Другими словами, в этом случае оптоволокно можно уложить по внутренней поверхности фюзеляжа в плоскости перпендикулярной строительной оси самолёта (рис. 3а).

Рис. 3. Варианты укладки оптоволокна при использования гироскопа на авиалайнере: а) датчик угловой скорости крена; б) датчик угловой скорости тангажа; в) датчик угла поворота

Если же гироскоп проектируется к использованию как датчик угловой скорости тангажа, оптоволокно можно уложить на боковой внутренней поверхности фюзеляжа (рис. 3б). При этом для эффективного использования оптического волокна, проекция укладки на вертикальную плоскость, проходящую через строительную ось фюзеляжа, должна быть по возможности ближе к окружности.

Если гироскоп будет использоваться как датчик угла поворота – оптоволокно можно уложить на нижней (или верхней) внутренней поверхности фюзеляжа (рис. 3в). Проекция укладки на горизонтальную плоскость также должна быть по возможности ближе к окружности. Все остальные устройства гироскопа: источник света, приёмник, измеритель смещения фаз, поляризатор, фильтры и т.д., – можно собрать в корпусе прибора.

Поскольку средний радиус фюзеляжа самолёта на два порядка больше радиуса навивки волокна выпускаемых на сегодняшний день гироскопов, то этот приём позволит увеличить разрешающую способность гироскопа на два порядка.

Выводы

1. При фиксированной длине оптического волокна измеряемый эффект оптических гироскопов зависит не только от угловой скорости вращения, но и от радиуса навивки оптического волокна. Следовательно, в итоге, измеряемый эффект зависит от окружной скорости оптоволокна.
2. Для увеличения измеряемого эффекта при малых угловых скоростях и фиксированной длине оптоволокна необходимо увеличивать окружную скорость оптоволокна за счёт увеличения радиуса укладки волокна.
3. Геометрические размеры авиалайнеров позволяют увеличить радиус укладки оптоволокна до нескольких метров и тем самым позволяют в десятки раз увеличить разрешающую способность волоконно-оптических гироскопов.
4. Увеличение разрешающей способности волоконно-оптических гироскопов приведёт к их широкому внедрению в эксплуатацию.

Литература:

1. Sagnac G. L’éther lumineux démontre par l’effet du vent relatif d"éther dans un interférométrie en rotation uniforme. Comptes Rendus, 157 (1913), S. 708...710.
2. Harress F. Die Geschwindigkeit des Lichtes in bewegten Körpern? Dissertation, Jena, 1912. Пер. с нем. в кн. У.И. Франкфурт, А.М. Френк, «Оптика движущихся тел». М.: Наука, 1972, стр. 69.
3. Гужеля Ю.А. Неиспользованные возможности эффекта Саньяка при измерении скорости объекта. IX международная конференция «Инновации в науке и образовании – 2011». Труды, Часть 1. Калининград 2011, стр. 173. УДК 535.225(06).

Отзыв на статью:

Амал-Топарх Юрьев Г.А. Отзыв на работу Ю.А. Гужеля «Эффект Саньяка и неиспользованные возможности волоконно-оптических гироскопов при измерении малых угловых скоростей» . , 2015.

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.