50 50 70 во Расстояние,/

Антистоксовский свет(х)

Стоксовскийсвет{-х1)

90 Щ о

50 100 150 Расстояние, м

Рис. 6.30. Характеристики температурного датчика распределения последовательного типа (система OTDR) на основе волокна с жидким сердечником

Рис. 6.31. Характеристики температурного датчика распределения последовательного типа (система OTDR) с использованием антнсток-совского света при обратном рамановском рассеянии в кварцевом волокне

блюдением за формой отраженного сигнала. В подобном случае измеряется рамановское рассеяние в оптическом волокне. При направлении в волокно света большой мощности с определенной частотой вследствие тепловых колебаний молекул ЗЮг структуры возникает так называемый стоксовский свет с частотой, на 13 ТГц меньшей, и антистоксовский (в противоположном направлении) свет с частотой, на 13 ТГц большей. Последний обладает сравнительно сильной температурной зависимостью даже в обычном оптическом волокне из ЗЮг- Поэтому, вычислив отношение мощности антистоксовского и стоксовского света, можно на этой основе создать измеритель температурного распределения. Заслуживает внимания то, что можно использовать обычное оптическое волокно.

Появились сообщения о предупредительном датчике температуры и датчике магнитного поля -- соответственно на основе механизма возникновения потерь от микроизгибов (с помощью элементов из сплава с запоминанием формы, размещенных вдоль оптического волокна) и на основе эффекта Фарадея.

6.5.2. Датчик распределения параллельного типа. Исследуются различные структуры со множеством датчиков, размещенных вдоль оптического волокна. На рис. 6.32 показана одна из подобных структур, построенная на основе интерферометров. Здесь каждый чувствительный элемент представляет собой интерферометр Маха - Цендера с определенной разностью оптических путей (/i, /г и т. д.) между двумя ответвителями. Если при этом интервал когерентности источника света достаточно мал даже по сравнению с минимальным из значений /, то в та-

Рис. 6.32. Структура датчика распределения параллельного типа на базе интерферометра с низкокогерентным источником света

ких интерферометрах сигналы интерференции не обнаруживаются. Однако при установке на выходе линии передачи еще по одному интерферометру с разностью оптических путей (Li = /i, Ц=12 и т. д.) в соответствующих све-топриемниках возникает сигнал интерференции. Например, сигнал в светоприемнике / соответствует чувствитель-

Выходной сигнал 1 Выходной сигнал 2

Расщепитель луча

Светоприемное устройство

Датчик отражающего типа

Ответвитель

Источник света

Импульсный генератор

Светоприемное устройство

Мультиплексор с разделением во времени

Датчик пропускающего типа У

Фильтр

Рис. 6.33. Датчик распределения параллельного (многоточечного) типа на основе модуляции интенсивности с разделением во времени: а -о. приемио-передающим волокном; б -с приемным и передающим волокнами

ному элементу с разностью оптических путей /j, которая компенсируется еще и разностью L,. В результате выходные сигналы каждого чувствительного элемента можно различить и измерить с помощью светоприемиика, включенного на выходе соответствующих добавочных интерферометров. Однако в этом случае флюктуации фазы источника света (они зависят от ширины спектра) в силу разности оптических путей приводят к появлению на выходе амплитудных шумов, что ухудшает отношение сигнал -шум измерительной системы. Это обстоятельство также является объектом исследования.

На рнс. 6.33 представлены схемы волоконно-оптических датчиков параллельного (многоточечного) типа с модуляцией интенсивности лазерного луча в чувствительных элементах и опросом датчиков с разделением во времени.

6.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выше рассмотрены структуры датчиков с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента. Весьма высокой чувствительностью отличаются датчики интерферометрического типа, которые исследуются наиболее активно. При создании этих датчиков необходимо предусматривать меры по стабилизации выходного сигнала. Это достигается преимущественно обработкой сигнала, но в то же время и усовершенствованием самих, волокон. Внедряются, в частности, оптические волокна с сохранением поляризации, волокна, нечувствительные к колебаниям температуры, давлению и т. д. Успешно разрабатываются специальные оптические волокна, например с жидким сердечником, с двойным сердечником и др. В дальнейшем можно ожидать появления новых оптических волокон, реализующих различные идеи.

Одна из особенностей интерферометрических датчиков - удачное использование характеристик полупроводникового лазера. К подобным датчикам относится и волоконно-оптический гироскоп, который исследуется весьма активно; среди прочих волоконно-оптических датчиков интерферометрического типа на него возлагаются особые надежды (более подробно описан в гл. 7).

Датчики распределения, разработанные на основе особенностей оптических волокон как линий передачи информации, также имеют большие перспективы.

Глава седьмая ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ

7.1. ВВЕДЕНИЕ

Волоконно-оптические гироскопы иа основе интерферометров с кольцом из оптического волокна привлекают внимание как системы, в которых отсутствуют какие-либо подвижные детали. Они активно исследуются во многих странах мира. В настоящей главе сначала рассматривается эффект Санъяка, лежащий в основе принципа работы этих гироскопов, затем сравниваются схемы трех оптических гироскопов: кольцевого лазерного, волоконно-оптического и гироскопа пассивного типа с кольцевым резонатором. Вслед за этим рассматриваются теоретические пределы возможностей волоконно-оптических гироскопов, шумовые факторы и меры их подавления, примеры достижения высоких характеристик. В частности, для разрешающей способности и устойчивости нулевой точки достигнуты значения 0,027ч, что сравнимо с характеристиками высококачественного гироскопа для самолета. В конце главы затрагиваются тенденции исследований системы пассивного типа с кольцевым резонатором.

Как уже сказано в гл. 6, волоконно-оптические датчики интерферометрического типа отличаются высокой чувствительностью и уже исследовано множество структур, предназначенных для измерения различных физических величин. Наибольшее внимание исследователей и разработчиков привлекают волоконно-оптические гироскопы.

Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инер-циальной 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 в направлении трех осей и компьютер - для обработки выходных сигналов этих приборов. К самолетным гироскопам предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля 0,017ч, динамический диапазон 6 порядков, высокая стабильность (10-) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал. До сих пор применялись в основном механические гироскопы, работающие иа 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 Саиьяка, 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.

7.2. ЭФФЕКТ САНЬЯКА

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саиьяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 7.1, 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 Q, между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саиьяка.

Рис. 7.1. Принцип возникновения эффекта Саиьяка

Рис. 7.2. Эффект Саиьяка при оптическом пути произвольной формы

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

t, = {2na + aQt,)/c, (7.1)

в противоположном направлении -

ti = {2na-aQti)/c,

(7.2)

где с - скорость света.

Из формул (7.1) и (7.2) разность времени распространения двух световых волн с учетом cS>aQ

At = t,~ti = Q = - Q. (7.3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей

Д1=-

или, иначе говоря, разность фаз

(7.4)

(7.5)

Здесь 5 - площадь, окаймленная оптическим путем; k - волновое число.

Формула (7.5) вытекает из формулы (7.3) при допущении, что tt=l и оптический путь имеет круговую форму. Обычно для произвольной формы оптического пути (рис. 7.2) и произвольного коэффициента преломления разность во времени распространения по оптическому пути, обусловленная эффектом Саиьяка, выражается следующей формулой:

A/ = -i-tt(l-a<,)vdr.

(7.6)

где V - вектор скорости вращения; dr - вектор элементарного перемещения по оптическому пути; ad -так называемый коэффициент увлечения (drag coefficient).

Рассмотрим среду с коэффициентом преломления п, движущуюся относительно некоторого инерциального пространства со скоростью Vm- Скорость света v\, распространяющегося в том же направлении, что и среда, при наблюдении из инерциального пространства, выражается следующим образом:

Vi = cln + aiVm- (7-7)

Здесь ad<\. Если инерциальное пространство заменить вакуумом (П=\), то Ui=C и fl!d = 0.