28490-1 (707631), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

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.

Характеристики и методы их улучшения

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=7,310^-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.

Система с фазовой модуляцией

Рис. 10. Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией, выполненный на волоконных функциональных элементах

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).

Рис. 11. Разрешающая способность (а) и характеристика стабилизации нулевой точки (б) волоконно-оптического гироскопа (рис.10)

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).

Рис.12. Гироскоп со световым квазигетеродинированием

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 808025 мм, масса 200 г.

Системы с изменением частоты

Рис.13, а. Структурная схема волоконно-оптического гироскопа с изменением частоты

Рис.13, б.

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 , 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:

(11)

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 LiNbО₃. 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 2, 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 f 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.

Рис.14. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты и сдвигатели фазового типа на интегральной схеме

Система со световым гетеродинированием

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.

Рис.15, а. Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гетеродинированием (рис.6, 7)

Рис.15, б. Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гетеродинированием — характеристика передачи (рис.6, 7)

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.

Заключение

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.

Список литературы

1. Волноводы оптической связи, Теумин И.И.

2. Волоконно-оптические датчики, под ред. Т.Окоси, перевод с япон.

3. Оптические волноводы, Marcuse D., перевод с англ.

4. Основы волоконно-оптической связи, под ред. Е.М.Дианова, перевод с англ.

Характеристики

Список файлов реферата