Волоконно-оптические гироскопы

18 Московский ордена Ленина , ордена Октябрьской Революции и ордена Тр удового Красного Знамени ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э.Баумана. ________________________________________________ Факультет РЛ Кафедра РЛ 2 Реферат по теме "Волоконно-оптические гироскопы " студентки Матвеевой Л яны Александровны Оглавление Оглавление 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 Введение 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 скорос т и 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 : разре ш ающая способность и дрейф нуля 0,01 /ч , динамический диапазон 6 порядков , высокая стабильность (10 -5 ) масштабного коэффи циента преобразования угла поворота в выходной сигнал . До сих пор применялись в основном механические гир оскопы , рабо тающие 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 минималь н ое возможное трение подшипников . В отличие от механических оптические гироскопы , например , волоконно-оптические , созданные на основе эффекта Саньяка , имеют структуру статического типа , обладающую рядом до стоинств , основные из которых : отсутствие подвижн ы х 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 волок онно-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 оптиче ского гироскопа 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 систе ма 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 систе м а вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью , между световыми волнами возникает разность фаз . Это явление и называется эффектом Саньяка. Рис .1. Принцип возникновения эффекта 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 (1) Рис .2. Эффект Саньяка при оптическом пути произвольной формы в противоположном направлении — (2) где с — скорость света. Из формул (1) и (2) разность времени распространения двух световых волн с учетом c>>a (3) Это означает , что появляется разность длины оптических путей (4) или , иначе говоря , разность фаз (5) Зде сь 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. Рис .3. Структурные схемы гироскопов на эффекте Саньяка r и l - частота генерации света с правым и левым вращением ; - время , необходимое для однократного прохождения светом кольцевого оптического пути ; FSR - полный спектральный диапаз он Структурные схемы оптических гироскопов 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 ) исп о льзуется острая резонансная характеристика резонатора. Кольцевой лазерный гироскоп. Кольцевой лазерный гироскоп изготовляется подобно газовому лазеру : в кварцевом блоке путем расплавления создается полость (канал ) в форме треуг ольника 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 , распространяющих с я в противоположных направлениях по треугольному оптическому пути (рис . 3, а ), неодинаковы из-за разности оптической длины L [см . формулу (4) . Поэтому можно использовать для измерений частоту бие ний обеих генерируемых световых волн , а именно (6) Здесь L — общая длина оптического пути в кольцевом резонаторе ; — длина волн ы генерации в состоянии покоя. Иначе говоря , измерив f, можно определить угловую скорость относительно инерциального пространства . Поскольку частота света составляет несколько сотен терагерц , даже ее незначительные изменения п озволяют 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 сист е мы . 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 пос леднее время кольцевые лазерные гироскопы применяются в инерциальной системе отсчета не только в самолетах «Боинг» 757/767, но и в аэробусах А 310. В Японии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01 /ч. Таки м 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 газов ых 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 ( f=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 незначите льном 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 чув с твительной петли . Основное внимание здесь уделяется оптическому волокну , снижению потерь в нем. Рис .4. Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопа Волоконно-оптические гироскопы. На рис . 4 приведена оптическая схема волоконно-оптического гироскопа . По сути это интерфе рометр 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 м е жду 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 , н амотка 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 оп тической 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 дл я оптического волокна с потерями существует определенная длина , позволяющая оптимизировать пределы обнаружения при дробовом шуме : (8) Рис .5, а . Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при оптимальной длине волокна Рис .5, б . Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при разной длине световой волны 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 волокн ом , 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 нави г ации , но и в геофизике. В реальных волоконно-оптических гироскопах возможности ограничены шумовыми факторами. Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа Повысить чувствительность гироскопа на эффекте Саньяка мож но 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 при однократном прохождении световой волной кольцевого оптического пути . Следовате льно , 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 использова т ь 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. Рис .6. Оптическая схема волоконного гироскопа со световым гетеродинированием Методы повышения чувствительности 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 : сме щения 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 дифр акционной решетки на два луча с очень маленьким углом расхождения (около 10 мрад ). Эти лучи , пройдя оптическое волокно в противоположных направ лениях , подаются на АОМ . Угол дифракции АОМ такой же , как и у дифракционной решетки , вследствие чего АОМ здесь и спользуется 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 противопо ложных направлениях , но вследствие чрезвычайно малого угла дифракции эти лучи взаимодействуют и дрейф , обусловленный колебаниями среды , ослабляется . Кроме того , обычно при раз ности длины оптических путей возникает дрейф выходного сиг нала вследствие частотного отклонения излуче н ия 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 (ПЗ С ). Для этой схемы справедливо (9) Рис . 7. Схема измерителя фазы выходного сигнала для волоконно-оптического гироскопа со световым гетеродинированием (N — целое число ), т . е . здесь получается частотное изменение f 2 электриче ского сигнала , пропорциональное угловой скорости , что очень удобно для практической реализации устройства. Шумовые факторы , методы их устранения Методы повышения чувствительности еще не обеспечивают высокой стабильности , необходимо учитывать шумовые фак торы и принимать меры по их устранению. Основные оптические системы с повышенной стабильностью Для достижения высокой стабильности необходимо , чтобы внешние возмущения , воспр инимаемые световыми лучами , движущимися в противоположных направлениях , были совершенно одинаковыми. В основной оптической системе , показанной на рис . 4, при использовании светоприемника 1 свет дважды отражается рас щепителем луча и , кроме того , дважды про ходит сквозь него . При этом условие одинаковой длины оптического пути выпол няется не совсем точно и вследствие температурных колебаний характеристик расщепителя луча на выходе возникает дрейф . При использовании светоприемника 2 происходит то же самое . Ч т обы 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 уста н овить 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 поляризац ией . 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 внеш ним воздействием , поэ т ому излученный волокном свет обычно приобретает круговую поляризацию с неустойчивыми парамет рами . Все это приводит к дрейфу выходного сигнала. Если же на оптическом пути поместить , как это показано в обведенной штриховой линией части на рис . 4, поляризаци онную пластину , т . е . пустить на оптический путь интерферо метра световую волну с единственной поляризацией и в излу чаемом свете выделить только составляющую с такой же поля ризацией , то передаточная функция кольцевого оптического пути (оптического воло к на ) для лучей с противоположным на правлением 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 коэффици ента . Одна из таких мер — введение деполяризатора , который компенсирует колебания поляризации в опти ческом волокне и делает состояние поляризации произвольным , или введение оптического волокна , сохраняющего поляризацию . В гироскопах со световым гетероди н ированием эффективное решение проблемы — нулевой метод. Для устранения дрейфа , обусловленного колебаниями поля ризации в оптическом волокне , требуется поляризатор с очень большим затуханием (около 90 дБ ), но это требование смягча ется при использовании оп тического волокна с сохранением поляризации и источника света с низкой когерентностью . В оп тическом волокне с сохранением поляризации из-за разности фазовых постоянных для мод с ортогональной поляризацией возникает разность длины оптического пути для эти х 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 Шум овой фактор Рекомендуемые меры по снижению шума Колебания поляризации в оптическом волокне , например , преобразование линейной поляризации в круговую в одномодовом волокне Включение на выходе волокна анали затора , для того чтобы выделить со ставляющую поля ризации одного направления Разность длины оптических путей для световых волн , идущих в противопо ложных направлениях , при динами ческой нестабильности спектра ис точника света Стабилизация спектра источника света Разность частот волн , идущих по во локну в противоположных направле ниях , при колебаниях температуры Использование двух акустооптических модуляторов или модуляция прямо угольными импульсами Неравномерность распределения тем пературы вдоль волокна Намотка оптического волокна , при ко торой распре деление температуры симметрично относительно середины катушки Изменение фазы выходного сигнала из-за эффекта Фарадея в волокне под воздействием колебаний магнит ного поля Земли Магнитное экранирование и использо вание волокна с сохранением поля ризации К олебания (в расщепителе луча ) отно шения интенсивности прямого и об ратного луча вследствие оптического эффекта Керра Модуляция излучаемого света прямо угольными импульсами со скважностью 50%; использование широкополосного источника света Интерференция пр ямого луча и луча обратного рассеяния Рэлея Фазовая модуляция световой волны ; импульсная частотная модуляция лазерного излучения ; использование слабоинтеферирующего источника света Факторы , ограничивающие разрешающую способность Рис . 8. Основные шумовые факторы в чувствительном кольце из оптического волокна 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 ш у мов . 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 суперлюми несцентный диод .) Шумы выходного сигнала гироскопа можно выразить следующей формулой : Рис . 9. Уменьшение шумов рэлеевского рассеяния посредством расширения спектра светового источника (10) где 0 — потери рассеяния Рэлея в оптическом волокне ; R — доля светового рассеяния Рэлея , распространяющаяся в обрат ном направлении ; f s — ширина спектра источника света. На рис . 9 представ лены результаты эксперимента , пока зывающие , как по мере расширения спектра излучения повы шается 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 чувствитель ности и по сни жению шумов . В этих системах , работающих по методу фазовой модуляции , изменения частоты и светового ге теродинирования , достигнута разрешающая способность , позво ляющая измерять скорости , равные или меньшие скорости соб ственного вращения Земли (15 /ч =7,3 10 -5 рад /с ). Особенно велики достижения в системах с фазовой модуляцией , у кото рых разрешающая способность и дрейф примерно 0,02 /ч , что приемлемо для инерциальной н авигации. 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 представ лена оптическая система гироскопа , разработанная в Стаффордском университете , на одном одовом 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 пут е м его обработки . Paди yc 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 ка ч е стве источника света снижает когерентность системы и тем самым уменьшает шумы , обусловленные рассеянием Рэлея . Уменьшению этих шумов способствует и то , что система выпол нена по принципу фазовой модуляции . В гироскопе , показанном на рис . 10, достигается р а зрешающая способность 0,022 /ч (рис . 11, а ). При этом время интегрирования состав ляет 1 с . Путем специальной намотки оптического волокна ос лабляется влияние температурных колебаний , а с применением магнитного экрана и многом одового 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 во лны и второй гармоники , а также метод , при котором измеряются гармоники выходного сигнала светоприемника и состав ляющая постоянного тока , затем выделяется расчетным путем флюктуационная составляющая масштабного коэффициента . Пробуют также вводить в систе м у 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 граду сов в час (время интегрирования 1 с ). Для повышения разре шающей способности и уменьшения дрейфа нуля эффективно также использование суперлюминесцентного диода , обладаю щего низкой когерентностью (ширина волнового спектра коге рентности 20 мкм ). Рис .12. Гироскоп со световым квазигетеродинированием На рис . 12, а представлена система , в которой : сигнал воз буждения фазового модулятора формируется путем интегриро вания 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 устан о вка параметров формы модулирующего сигнала и трудно добиться технических характеристик , удовлетворяющих инерциальную навигацию . Путем манипуляций с формой модулирую щего сигнала практически реализуется нулевой метод , но при этом возникает проблема со стаб и лизацией 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 рас ширяются работы по миниатюризации этой системы путем соз д ания 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. 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 измене нием 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 комму тации между f Н и f L выходной сигнал интерферометра не изменяется . В режиме c. установившейся частотой f составляющая f c на выходе интер ферометра отсутствует , что может быть основой для обратной связи для генератора , управляемого напряжением . При враще нии гироскопа частота f отклоняется от значения (f L +f Н )/2 и в соответствии с установившейся разностью можно определить по формуле скорость этого вращения : (1 1) В данной системе эффективно снижаются шумы , поскольку частота f с определяется как величина , обратная периоду рас пространения световой волны по катушке с оптическим волок ном , а частота света сигнала и света обратного рассеяния Рэ лея обычно различаетс я только как f Н - f L . Динамический диа пазон , как видно на рис . 13, б , простирается на шесть поряд ков , что является особенностью метода изменения частоты. Если расстояние от модуляторов АОМ 1 и АОМ 2 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 . Углов ое смещение на каждый отсчет частоты выходного сиг нала составляет 2,95 с. Метод изменения частоты структурно базируется на методе фазовой модуляции . Считается , что он позволяет повысить раз решающую способность и стабильность нулевой точки . При этом основ ные 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 АО М 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 си стемы , выполненной на базе интегральной схемы . Фазовый модулятор волноводного типа имеет хорошие частотные харак теристики , поэтому возможно возбуждение пилообразным напря жением и реализация фаз овой системы . При этом , если ампли туда пилообразного напряжения возбуждения строго соответ ствует 2 , то высшие гармоники не возникают , и получается идеальный частотный сдвигатель . Для инерциальной навигаци онной системы это условие должно выполняться очень строго . Французская фирма «Томсон ЦСФ» разработала автоматиче скую регулировку амплитуды с помощью цифроаналогового преобразователя , который обеспечивает требуемую пилообразную форму напряжения с фронтом из микроступеней . Ч астота 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 эт ой 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 одно модовый полупроводниковый лазер . В ней используется прямая частотная модуляция излучения полупроводникового лазера , что приводит к дополнительным шумам . Для сниж е ния когерентности увеличивается ширина спектра излучения . На рис . 15 приведены характеристики шумов . Расширение спектра позво ляет повысить разрешающую способность примерно в 20 раз . Поскольку из-за обратного света спектр полупроводникового лазера нестаби л ен , 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 вер тикальной оси откладывается изменение частоты , которое пропорциона льно 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 экспери ментальной 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 фа зовой модуляции достигнута разрешающая способность и ста бильность нулевой точки в соответствии с требованиями инерциальной нав игации . С помощью метода изменения частоты и светового гетеродинирования реализован широкий динамиче ский диапазон (от пяти до девяти порядков ) и стабильный масштабный коэффициент . Волоконно-оптические гироскопы на ходят широкое применение . Быстрыми темпа м и 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 гироск опы 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 в олокна , 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 В олноводы 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.