вследствие некоторой осевой асимметрии оно работает как замедлитель, в результате чего возникает дрейф, соизмеримый со скоростью вращения Земли. На рис. 7.14 показан дрейф, вызванный эффектом Фарадея при воздействии на гироскоп магнитного поля, в 100 раз более сильного, чем магнитное поле Земли. Экспериментально проверено что для ликвидации этого дрейфа кроме магнитного экранирования катущки из оптического волокна эффективно также использование волокна с сохранением поляризации, которое затрудняет вращение плоскости поляризации, обусловленное эффектом Фарадея.

Результаты проведенного эксперимента представлены на рис. 7.15. В качестве исследуемого образца была взята конструкция со скрученным оптическим волокном. При намотке обычного одномодового волокна возникает двойное лучепреломление (коэффициент Лр), поэтому благодаря скручиванию эта конструкция работает как замедлитель. Используя волокно с достаточно большим коэффициентом Лр (около 5000 рад/м), можно уменьшить дрейф. Результаты аналогичного анализа показывают, что при спектре мощности W света в скрученном волокне дрейф выразится как

(7.22)

где 0 - угол Фарадея на единицу длины волокна; S -площадь, охватываемая витком катушки.

Из формулы видно, что устранением скручивания можно уменьшить дрейф, обусловленный эффектом Фарадея. Уменьшить этот дрейф можно и посредством так называемого поляризующего оптического волокна с большой разницей в коэффициентах затухания между ортогонально поляризованными модами или оптического волокна, пропускающего свет с единственной поляризацией.

Дрейф возникает также вследствие эффекта Керра, при котором коэффициент преломления изменяется пропорционально интенсивности распространяющегося в оптическом волокне света. Поскольку соотношение интенсивности лучей, движущихся в противоположных направлениях, 1:2, то при колебаниях коэффициента разделения расщепителя луча (работающего со светом обоих направлений) возникает дрейф выходного сигнала, соизмеримый со скоростью вращения Земли. Результаты эксперимента с этим эффектом приведены на рис. 7.16. Мерой противодействия служила модуляция интенсивности света импульсами со скважностью 50 %. При этом происходит взаимная компенсация влияния обеих световых волн. Кроме того, можно использовать источник света с широким спектром.

7.5.3. Факторы, ограничивающие разрешающую способность. Среди факторов, ограничивающих кратковременную раз-

Рис. 7.16. Дрейф, обусловленный оптическим эффектом Керра

решающую 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 шумов. Для борьбы с ними предлагаются модуляция фазы цветовой волны, импульсные методы, а также метод, при котором используется источник света с широким спектром и низкой когерентностью, ухудшающий интерференцию нз-за большой разности длины оптического пути для света обратного рассеяния Рэлея и света сигнала. (Таким источником может служить многомодовый полупроводниковый лазер или суперлюминесцентный диод.)

Шумы выходного сигнала гироскопа можно выразить следующей формулой:

О 25 50 75 100 Отношение интенсивности прямого и обратного луча, %

* V nJn Afs

(7.23)

где ао -потери рассеяния Рэлея в оптическом волокне; Рд - доля светового рассеяния Рэлея, распространяющаяся в обратном направлении; Afs -ширина спектра источника света.

На рис. 7.17 представлены результаты эксперимента, показывающие, как по мере расширения спектра излучения повышается разрешающая способность волоконно-оптического гиро-

ЗкспериментЫ ВремяизмЕрений 100с >• [• время измерений Юс

Ширина спектра источника света, МГц

Рис 7.17. Уменьшение шумов рзлеевского рассеяния посредством расширения спектра cbctobwo источника

скопа. Имеются также более тонкие исследования в отношении рассеяния Рэлея.

Таким образом, в волоконно-оптических гироскопах уменьшение когерентности источника света эффективно для снижения не только шумов рассеяния Рэлея, но и шумов эффекта Керра. Более того, подобные источники света, как отмечалось в п. 7.5.1, смягчают требования к коэффициенту подавления поляризатора.

7.6. 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 (157ч = 7,3• 10" рад/с). Особенно велики достижения в системах с фазовой модуляцией, у которых разрешающая способность и дрейф примерно 0,027ч, что приемлемо для инерциальной навигации.

Исследуется возможность реализации гироскопов с использованием технологии микрооптики, функциональных волоконных и волноводнкх элементов (см. рис. 7.7). Уже выпускаются волоконно-оптические гироскопы с разрешающей способностью Г/ч. Кроме того, углубляется изучение систем, пригодных для инерциальной навигации.

7.6.1. Система с фазовой модуляцией. На рис. 7.18 представлена оптическая система гироскопа, разработанная в Стаффордском университете, на одномодовом оптическом волокне.

Кольцо из одномододого оптического Волокна

Регулятор состояния поляризации

направленный отВетВитель

МногомодоВый полупроводниково/й лазер

Фазовй/й модулятор -Поляризатор

Сдетоприемное устройство

Рнс. 7.18. Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией, выполненный на волоконных функциональных элементах

Z J Время, ч

Рис. 7.19. Разрешающая способность (а) и характеристика стабилизации нулевой точки (б) волоконно-оптического гироскопа (нс. 7.18)

подвергнутом в некоторых местах специальной обработке, а именно: регулятор поляризационного типа (см. гл. 2), направленный ответвитель, поляризатор, фазовый модулятор и другие -функциональные элементы на оптическом волокне, полученные путем его обработки. Радиус кольца из оптического волокна 7 см, длина волокна 580 м. Эта система полностью удовлетворяет трем условиям, перечисленным в п. 7.5.1.

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. 7.18, достигается разрешающая способность 0,022°/ч (рис. 7.19,0). 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. 7.19,6, 0,027ч при времени интегрирования 30 с). Однако компенсация колебаний поляризации в оптическом волокне, похоже, недостаточна, во всяком случае экспериментальные данные о стабильности масштабного коэффициента не приведены.

Для уменьшения колебаний поляризации предложена фазовая модуляция выходного сигнала с использованием основной волны и второй гармоники, а также метод, при котором изме-

ПолосоШ Измеритель

Источник, тока

Выходной сигнал

/Генератор пилообразного напряжения

Интегратор

уфазобый модулятор

у Кольцо из оптического волокна

Рнс. 7.20. Гироскоп со световым квазнгетероднннрованнем

ряются 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 полноводных 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).

На рис. 7.20, а представлена система, в которой сигнал возбуждения фазового модулятора формируется путем интегрирования пилообразного напряжения и иа выходе получается сигнал квазигетеродинирования. На рис. 7.20,6 показано изменение фазы электрического сигнала переменного тока при вращении гироскопа. Имеются и другие попытки реализации квазигетеродинного светового метода на основе фазовой моду-

ляции. Например, система комбинируется со схемой обработки фазы (см. рис. 7.11), что позволяет расширить динамический диапазон и стабилизировать масштабный коэффициент, т. е. скомпенсировать недостатки метода фазовой модуляции. Однако в этой системе, как уже отмечалось в гл. 6, требуется точная установка параметров формы модулирующего сигнала и трудно добиться технических характеристик, удовлетворяющих инерци-альную 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 полноводных функциональных оптических элементов, приборов интегральной оптики. В частности, западногерманская фирма SEL уже выпускает гироскопы с разрешающей способностью около 157ч 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 80X80X25 мм, масса 200 г.

7.6.2. Системы с изменением частоты. На рис. 7.21, а представлена структура волоконно-оптического гироскопа с изменением частоты, разработанного западногерманской фирмой SEL. В нем два опорных генератора с частотой Jl и /н, с помощью которых устанавливается разность фаз п, которая коммутируется с частотой /с. Все это позволяет увеличить чувствительность. В частности, в стационарном режиме частота / возбуждения А0М1 равна {!ь+!н)/2, т. е. при коммутации между /н и fb выходной сигнал интерферометра не изменяется. В режиме с установившейся частотой f составляющая fc на выходе интерферометра отсутствует, что может быть основой для обратной связи для генератора, управляемого напряжением. При вращении гироскопа частота f отклоняется от значения {1ь+1н)12 и в соответствии с установившейся разностью можно определить по формуле (7.19) скорость этого вращения.

В данной системе эффективно снижаются шумы, поскольку частота /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 /н-/l. Динамический диапазон, как видно на рис. 7.21,6, простирается на шесть порядков, что является особенностью метода изменения частоты. Если расстояние от модуляторов А0М1 и А0М2 до расщепителя луча неодинаково, возникает дрейф нуля, как в гироскопе на рис. 7.9. Из-за этого стабильность нулевой точки ухудша-