Рис. 7.6. Волоконно-оптический гироскоп гомодиииой системы с разделением

оптических путей

смещение разности фаз в я/2 рад, то изменение выходного интерференционного сигнала относительно разности фаз световых волн в соответствии с эффектом Саньяка будет пропорционально sinAifi, что означает повыщение чувствительности. Однако для высокоточных гироскопов инерциальной навигации требуется обнаружение очень малых (порядка 10"* рад) изменений фазы и поскольку смещение я/2 рад уже велико, то возникает проблема стабилизации этого смещения.

Для общего представления рассмотрим пример гироскопа со смещением фазовой разности. Экспериментальная система, работающая по гомодинному методу с разделением оптических путей (рис. 7.6, а), впервые была успешно применена в Японии для обнаружения вращения. Верхняя часть гироскопа представляет собой катущку диаметром 60 см, намотанную из оптического волокна длиной 300 мм, а нижняя часть - интерферометр. Все это размещено на вращающемся столе, удобном для экспериментов с гироскопом. На рис. 7.6, б приведены результаты измерений. Разрешающая способность гироскопа составляла 0,057с (1980 г.).

Метод смещения фазовой разцости исследовался в различных научных учреждениях. При этом в университете штата Юта и в Исследовательской лаборатории ВМС США применялся невзаимный фазовращатель; в Массачусетском технологическом институте использовались волны с ортогональной поляризацией; в Токийском университете применялся метод нулевых биений при разделении оптических путей; в фирме «Фудзицу» использовался ответвитель из анизотропного кристалла,

¥ ё

Q. *

.4 о

dAiHOx и1Ч1Анм1Л1е£

прежде чем приступить к рассмотрению методов фазовой модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования, необходимо перечислить основные этапы и направления исследований с применением названных методов. Об этом дает представление схема на рис. 7.7.

7.4.2. Фазовая модуляция. Общая схема оптической системы гироскопа с фазовой модуляцией приведена на /рис. 7.8. Фазовый модулятор присоединен к концу волокна, используемого в качестве чувствительного элемента (в центре основной оптической системы, рис. 7.4). Это - важная особенность данного метода. Модуляция световых волн, идущих по часовой стрелке и против нее, зависит от их взаимной синхронизации. Составляющая Uo основной гармоники в выходном сигнале, полученном в результате интерференции двух световых волн, выражается следующей формулой:

Uo = KJi (ц) sinAi3, где /С -постоянная; /i -функция Бесселя;

Т) = 2ф51Пя/оТ.

(7.15)

(7.16)

В последней формуле /о и ф соответственно модулирующая частота и глубина модуляции, а Т - время распространения световой волны в оптическом волокне, иначе говоря, эта формула выражает временное различие в фазовой модуляции све-

Волоконный фильтр пространственных мод

Линза

&

пО V

Расщепитель пуча

Поляризатор

Источник света

Синхронный усилитель

Светоприемное устройство

Выходной сигнал

Рис. 7.8. Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией

товых волн, идущих в противоположных направлениях. При Т1 = 1,8 функция Ji имеет максимальное значение. В гироскопе на рис. 7.8, благодаря детектированию основной гармоники световой волны, выходной сигнал пропорционален sin Дф, т. е. чувствительность повышенная. Используемый в модовом фильтре поляризатор необходим для обеспечения нормальной работы гироскопа, о чем более подробно будет сказано в § 7.5.

В этой системе, как следует из формул (7.15) и (7.16), масштабный коэффициент будет изменяться в зависимости от глубины модуляции ф. При использовании поляризатора колебания состояния поляризованной волны в оптическом волокне вызывают колебания и выходного сигнала оптического приемника, а это, в свою очередь, приводит к изменениям масштабного коэффициента. Если, кроме того, состояние поляризации волны в оптическом волокне колеблется из-за фазового модулятора и по-прежнему используется поляризатор, то интеисивность выходного сигнала модулируется с частотой /о и возникает дрейф нуля. Для решения этой проблемы желательно, чтобы

fo = -

(7.17)

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

Данная система характеризуется повышенной разрешающей гпособностью и стабильностью нулевой точки. В различных информационных источниках сообщается об экспериментальных системах с такими же характеристиками.

Метод фазовой модуляции исследовался в институте Макса Планка, в фирмах «АЕГ-Телефункен», «Симменс» (ФРГ), «Том-сон ЦСФ» (Франция) и в Стаффордском университете (США). Была получена разрешающая способность до 0,0227ч при интервале интегрирования 1 с. Дрейф нуля -до 0,027ч при интервале интегрирования 30 мин. При этом достижение стабильности масштабного коэффициента и широкого динамического диапазона было связано с определенными трудностями (см. § 7.5).

7.4.3. Изменение частоты. Как сказано выше, при методе фазовой модуляции трудиодостижим широкий динамический диапазон и стабильность масштабного коэффициента. Одно из технических решений этой проблемы - включение в оптическую систему фазового сдвигателя световой волны с большим динамическим диапазоном и хорошими линейными характеристиками и применение нулевого метода (гомодинирования). Все это сводится к изменению частоты. На рис. 7.9 приведена структура гироскопа, который спроектирован С. Эзекиелем и другими на базе метода изменения частоты. В данной системе между световыми лучами с левым и правым вращением плос-

Светоприемное устройство

рас*»

Поляризатор I

Измеритель фазы

Выходной сигнал

Рис. 7.9. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты

кости поляризации благодаря частотному сдвигателю (акусто-оптическому модулятору - АОМ) возникает частотная разность А(о = 2л (fi-fi). При этом в светоприемнике возникает разность фаз Аф, пропорциональная частотной разности:

(7.18)

что позволяет реализовать здесь нулевой метод, т. е. компенсировать разность фаз, обусловленную эффектом Саньяка.

Для этого регулируется частота /ь С учетом формул (7.13) и (7.18) получается

AfG, (7.,9)

Т. е. изменение частоты возбуждения АОМ должно быть пропорционально угловой скорости Q.

Формула (7.19) напоминает формулу (7.12) для кольцевых лазерных гироскопов. Значит, подсчетом Д/ можно определить угловое положение. При этом достигается широкий динамический диапазон. К тому же в отличие от метода фазовой модуляции в выражение масштабного коэффициента не входит глубина модуляции и мощность источника света, а следовательно, сравнительно легко добиться стабильности работы такого датчика.

Когда гироскоп находится в состоянии покоя, то между световыми волнами, распространяющимися в волокне в противоположных направлениях, имеется смещение частотной разности Д(Об и при колебаниях центральной частоты источника света и длины оптического волокна возникает дрейф сигнала (см. § 7.5). Кроме того, иногда частота возбуждения АОМ достигает примерно 100 МГц, т. е. становится больше того значения Д/, которое компенсирует так называемое входное вращение и определяется из формулы (7.19). Поэтому, как показано на рис. 7.9, используя два АОМ, добиваются Д(оь = 0. А для ликвидации фазового изменения, обусловленного эффектом Саньяка, оставляется только минимальная необходимая частотная разность Д.

Поскольку в этом случае на участке между двумя АОМ световые лучи с левым и правым вращением плоскости поляризации сохраняют большую частотную разность (около 200 МГц), то дрейф, возникающий вследствие изменеция длины оптического пути (изменение длины, в свою очередь, вызвано температурными отклонениями и механическими колебаниями этой части гироскопа), не оказывает влияния на характеристики метода фазовой модуляции. Поэтому проводится поиск оптимального размещения АОМ и улучшаются характеристики частотного сдвигателя (см. § 7.6).

Чувствительность гироскопа со схемой на рис. 7.9 повышается так же, как описано в п. 7.4.2, с помощью электронно-оптического фазового модулятора (ЭОМ), и в целом данную систему можно считать улучшенным вариантом системы с фазовой модуляцией. Практически, если исключить АОМ, гироскопы на рис. 7.8 и 7.9 структурно одинаковы.

Метод изменения частоты исследовался в Массачусетском технологическом институте и ряде других научных учреждений. Был достигнут динамический диапазон в шесть порядков. В качестве недостатка метода отмечалась зависимость масштабного коэффициента от коэффициента преломления волокна.

7,4.4. Световое гетеродинирование. При методах, описанных выше, частота световых волн с левым и правым вращением плоскости поляризации при входе светового детектора всегда одинакова, т. е. это методы гомодинного детектирования. Рассмотрим структуры интерферометров для гироскопов с гетеродинным детектированием. При этом, как показано в гл. 6, разность фаз между двумя световыми волнами проявляется как фаза электрического сигнала разностной частоты и легко измеряется электрическим фазометром, что также допускает применение нулевого метода.

Существует много вариантов применения светового гетеродииирования в волоконно-оптическом гироскопе. Здесь предлагается один из них, разработанный автором главы.