Источник света

Светоприемное ijr устройство

Рис. 7.10. Оптическая система волоконного гироскопа со световым гетеродинированием

Структура оптической системы гироскопа со световым гетеродинированием представлена на рис. 7.10. Световой луч разделяется с помощью дифракционной решетки на два луча с очень маленьким углом расхождения (около 10 мрад). Эти лучи, пройдя оптическое волокно в противоположных направлениях, подаются на АОМ. Угол дифракции АОМ такой же, как и у дифракционной решетки, вследствие чего АОМ здесь используется 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 противоположных направлениях, но вследствие чрезвычайно малого угла дифракции эти лучи взаимодействуют и дрейф, обусловленный колебаниями среды, ослабляется. Кроме того, обычно при разности длины оптических путей возникает дрейф выходного сигнала вследствие частотного отклонения излучения источника, но в данной структуре эта разность очень мала. К тому же между лучами частотная разность отсутствует, а значит, проблем с частотным смещением (см. п. 7.4.3) здесь тоже нет.

На рис. 7.11 приведена электронная схема измерителя фазы выходного сигнала в структуре на рис. 7.10 по нулевому методу.

Опорный входной сигнал О-

Двойной балансный смеситель

Входной сигнал

Фильтр

Генератор, управляемый напряжением

f, + f.

Рис. 7.11. Схема измерителя фазы выходного сигнала для волоковио-оптического гироскопа со световым гетеродинированием

Точная временная задержка Та обеспечивается прибором на зарядовых связях (ПЗС). Для этой схемы справедливо

1 .(2Nn-y "

2nTd

(7.20)

{N - целое число), т. е. здесь получается частотное изменение Af2 электрического сигнала, пропорциональное угловой скорости Q, как и в гироскопе типа RLG или волоконно-оптическом гироскопе с изменением частоты, что очень удобно для практической реализации устройства.

Что касается характеристик этой системы, а также сопутствующих проблем, то они будут рассмотрены в § 7.6.

Метод светового гетеродинирования исследовался в Токийском университете, фирмах «Рокуэлл Интернейшнл», «Мартин-Мариэтта» (США) и др. В частности, в Токийском университете были достигнуты разрешающая способность 57ч и динамический диапазон в 5 порядков.

7.5. ШУМОВЫЕ ФАКТОРЫ И МЕТОДЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

В предыдущем параграфе рассматривались методы повышения чувствительности волоконно-оптических гироскопов. Однако реализация этих методов еще не обеспечивает высокой стабильности и чувствительности, необходимо учитывать шумовые факторы и принимать меры по их устранению.

7.5.1. Основные оптические системы с повышенной стабильностью. Для достижения высокой стабильности необходимо,

чтобы внешние возмущения, воспринимаемые световыми лучами, движущимися в противоположных направлениях, были совершенно одинаковыми, т. е. не проявлялись бы на выходе. От гироскопов инерциальной навигации требуется стабильность 0,01 ... 0,00 Г/ч при высокой разрешающей способности (примерно 10"" рад). В идеале должно быть так: световые лучи, движущиеся в противоположных направленииях,-одномодовые, проходят одинаковый по длине оптический путь и сохраняют: поляризацию.

В основной оптической системе, показанной на рис. 7.4, при использовании светоприемника 1 свет дважды отражается расщепителем луча и, кроме того, дважды проходит сквозь него. При этом условие одинаковой длины оптического пути выполняется не совсем точно и вследствие температурных колебаний характеристик расщепителя луча на выходе возникает дрейф. При использовании светоприемника 2 происходит то же самое. Чтобы 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 установить пространственный фильтр. В этом фильтре желательно использовать одномодовое оптическое волокно -то же, что и для чувствительной катушки. В оптических системах гироскопа с фазовой модуляцией и гироскопа с изменещ1ем частоты (см. рис. 7.8, 7.9) подобных проблем нет.

Обычно в одномодовом оптическом волокне возможно распространение двух независимых мод с ортогональной поляризацией. 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 внешним воздействием, поэтому излученный волокном свет обычно приобретает круговую поляризацию с неустойчивыми параметрами. Все это приводит к дрейфу выходного сигнала.

Если же на оптическом пути поместить, как это показано в обведенной штриховой линией части на рис. 7.4, поляризационную пластину, т. е. пустить на оптический путь интерферометра световую волну с единственной поляризацией и в излучаемом свете выделить только составляющую с такой же поляризацией, то передаточная функция кольцевого оптического пути (оптического волокна) для лучей с противоположным направлением 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 коэффициента. (Особенно это важно при фазовой модуляции, где непри-

емлем нулевой метод.) Одна из таких мер-введение деполяризатора, который компенсирует колебания поляризации в оптическом волокне и делает состояние поляризации произвольным, или введение оптического волокна, сохраняющего поляризацию. В гироскопах с изменением частоты или со световым гетероди-нированием эффективное решение проблемы, как уже говорилось ранее,-нулевой метод.

Для устранения дрейфа, обусловленного колебаниями поляризации в оптическом волокне, требуется поляризатор с очень большим затуханием (около 90 дБ), но это требование смягчается при использовании оптического волокна с сохранением поляризации и источника света с низкой когерентностью. В оптическом волокне с сохранением поляризации из-за разности фазовых постоянных дл5. мод с ортогональной поляризацией возникает разность длины оптического пути для этих мод.

Таблица 7.1. Шумовые факторы в волоконно-оптических гироскопах

Шумовой фактор

Рекомендуемые меры по снижению шума

Колебания поляризации в оптическом волокне, например преобразование линейной поляризации в круговую в одномодовом волокне

Разность длины оптических путей для световых волн, идущих в противоположных направлениях, при динамической нестабильности спектра источника света

Разность частот волн, идущих по волокну в противоположных направлениях, при колебаниях температуры

Неравномерность распределения температуры вдоль волокна

Изменение фазы выходного сигнала из-за эффекта Фарадея в волокне под воздействием колебаний магнитного поля Земли

Колебания (в расщепителе луча) отношения интенсивности прямого и обратного луча вследствие оптического эффекта Керра

Интерференция прямого луча и луча обратного рассеяния Рэлея

Включение на выходе волокна анализатора, для того чтобы выделить составляющую поляризации одного направления

Стабилизация спектра источника света

Использование двух акустооптических модуляторов илн модуляция прямоугольными импульсами

Намотка оптического волокна, при которой распределени& температуры симметрично относительно середины катушки

Магнитное экранирование и использование волокна с сохранением поляризации

Модуляция излучаемого света прямоугольными импульсами со скважностью 50 %; использование широкополосного источника света

Фазовая модуляция световой волны; импульсная частотная модуляция лазерного излучения; использование слабоинтерферирующего источника света

Эффект Keppa°Z

Q "°°Рищ1 (источниксдета-

Обратное рассеяние Рзпея

Вход-до/ход источник еде сВетоприемник)

Pacuienumenb

Рнс. 7.12. Основные шумовые факторы в чувствительном кольце из оптического волокна

поэтому использование источника с низкой когерентностью излучения делает невозможным интерференцию между модами. Аналогичного эффекта можно добиться и при использовании деполяризатора.

7.5.2. Дрейф. В табл. 7.1 приведены причины дрейфа в волоконно-оптическом гироскопе, а рис. 7.12 поясняет это на конкретном примере. В системах, где возникает разность длины оптических путей для лучей, движущихся в противоположных направлениях, наблюдается дрейф выходного сигнала, пропорциональный температурным колебаниям частоты источника Света и самой длины оптических путей.

При разности частот Аыб между световыми волнами, температурных колебаниях длины L волокна и его группового коэффициента преломления N дрейф будет выражаться как AcotnL /1 dN \ dL \

с \ N dT L dT )

Если частотный сдвиг типичного АОМ около 100 МГц, то при оптическом волокне длиной I км только от колебаний температуры в пределах 0,01 °С возникает дрейф, соизмеримый со скоростью вращения земного шара. Следовательно, при методах изменения частоты и светового гетеродинирования необходимо, чтобы Д(оь = 0.

Поскольку время распространения световой волны в волокне конечно (примерно 5 мкс/км), дрейф выходного сигнала возникает и прн колебаниях средней температуры вдоль волокна (см. рис. 7.12). Экспериментальные данные приведены иа рис. 7.13. Чувствительный элемент гироскопа выполнен в виде катушки из оптического волокна. Внутри и снаружи катушки можно устанавливать произвольную разность температур. Дрейф про-

О 2W Ш по 960 1200 тО 1660 Время, с

Рис. 7.13. Дрейф в волоконно-оптическом гироскопе, обусловленный колебаниями температурного распределения в чувствительном кольце из оптического волокна

порционален производной по времени от разности температур. При распределении температур, симметричном относительно середины катушки, колебания температуры не сказываются на выходном сигнале, поэтому один из способов предупреждения дрейфа -оптимальная намотка оптического волокна.

Кроме того, отмечено, что под влиянием магнитного поля Земли оптическое волокно уподобляется элементу Фарадея, но

01235 Время, мин

Рис. 7.14. Дрейф в волоконно-оптическом гироскопе, обусловленный эффектом Фарадея

10" Ар,рад/м

Рнс. 7.15. Зависимость дрейфа, обусловленного эффектом Фарадея в магнитном поле Землн, от коэффициента двойного лучепреломления в скрученном волокне длиной 1000 м