Генератор, if-f-(f+fi)/2. иправляемый напряжением

Светоизлучающее устройстбо

Волоконный (рильтр простра, мод

Ю 10 10 10 1

10 ...Ус

Рис. 7.21. Волокоино-оптический гироскоп с изменением частоты и коммутацией частот

ется до стабильности в системе с фазовой модуляцией. Тем не менее эти изделия уже выпускаются (с дрейфом около 37ч). В них длина оптического волокна 1 км, радиус катушки 5 см. Угловое смещение на каждый отсчет частоты выходного сигнала составляет 2,95 с.

Метод изменения частоты структурно базируется на методе фазовой модуляции. Считается, что он позволяет повысить разрешающую способность и стабильность нулевой точки. При этом основные сложности связаны с частотным сдвигателем. Если

Светоприемное устройство

Частотный сдвигатель фазового типа

Источник света

LiNbO,

Фазовый модулятор

Поляризатор

Световой волновод

Кольцо из оптического волокна

Рис. 7.22. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты н сдвнга-тели фазового типа на интегральной схеме

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 АОМ исследуются частотные сдвигателя в виде волоконно-оптических функциональных элементов и световых волноводов. Кроме того, интегрируются два АОМ и объектив на подложке из LiNbOs. Проектируются также системы с частотным сдвигом, полученным на основе фазового метода, как это описано в гл. 4 и 6.

На рис. 7.22 представлена общая структура фазовой системы, выполненной на базе интегральной схемы. Фазовый модулятор волиоводного типа имеет хорошие частотные характеристики, поэтому возможно возбуждение пилообразным напряжением и реализация фазовой системы. При этом, если амплитуда пилообразного напряжения возбуждения строго соответствует 2п, то высшие гармоники не возникают и получается идеальный частотный сдвигатель. Для инерциальной навигационной системы это условие должно выполняться очень строго. Французская фирма «Томсон ЦСФ» разработала автоматическую регулировку амплитуды с помощью цифроаиалогового преобразователя, который обеспечивает требуемую пилообразную форму напряжения с фронтом из микроступеней. Частота его определяется как Af из формулы (7.19), и при синхронной с цифроаналоговым преобразователем обратной связи здесь обеспечивается нулевой метод, а изменение тактовой частоты информирует об угловой скорости гироскопа. В этой системе не требуется большого сдвига частоты и можно обойтись лишь одним частотным сдвигателем. Разработан подобный гироскоп с дрейфом нуля 0,37ч и динамическим диапазоном в 7 порядков.

7.6.3. Система со световым гетеродинированием. Здесь приводятся результаты экспериментов с волоконно-оптическими гироскопами, работающими по принципу светового гетеродини-

300 200 100

-100 -200 -300

0,07-

0,1i015

- Время

20 с

10 10 1 10 Входная углобая скорость ,...°/с

Рнс. 7.23. Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гете-роднннрованнем (рнс. 7.10, 7.11)

роваиия (см. рис. 7.10 и 7.11). Система иа рис. 7.10 включает в себя катушку радиусом 15 см из оптического одномодового волокна длиной 2000 м, отдельные оптические приборы и одномодовый полупроводниковый лазер. В ней используется прямая частотная модуляция излучения полупроводникового лазера, что приводит к дополнительным шумам. Для снижения когерентности увеличивается ширина спектра излучения. На рис. 7.17 приведены характеристики шумов. Расширение спектра позволяет повысить разрешающую способность примерно в 20 раз. Поскольку из-за обратного света спектр полупроводникового лазера нестабилен, в систему вводится изолятор.

На рис. 7.23, а поясняется работа данной системы. По вертикальной оси откладывается изменение частоты, которое пропорционально угловой скорости, причем один отсчет соответствует угловому сдвигу 4" (при 10-кратиом усилении 0,4" иа 1 от-

счет). Скорость вращения земного шара 0,00427с, кратковременная разрешающая способность 57ч. На рис. 7.23, б приведена характеристика передачи (вход-выход). Скорость 117ч соответствует фазовой разности 180°. Линейность характеристики улучшена благодаря применению нулевого метода. Верхняя граница обнаружения вращения, определяемая электронной схемой, составляет 100°/с, динамический диапазон экспериментальной 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 иитегральиой схемы.

7.7. ГИРОСКОПЫ ПАССИВНОГО ТИПА С КОЛЬЦЕВЫМ РЕЗОНАТОРОМ

7.7.1. Принцип обнаружения вращения. Гироскоп пассивного типа с кольцевым резонатором, благодаря высокому коэффициенту качества резонатора (f = (ofsr/A(o, где (of?r -полный спектральный диапазон) и острому пику резонансной характеристики, обладает резкой реакцией иа изменение резонансной частоты, обусловленное эффектом Саиьяка, а значит, и высокой чувствительностью, к тому же при сравнительно малой длине оптического пути. Высокий коэффициент качества резонатора предполагает высокий коэффициент отражения полупрозрачного зеркала (например, около 95 %), малые потери иа кольцевом оптическом пути, а также высокую когерентность источника света, и тем большую, чем уже резонансный спектр. Таким образом, если в волоконно-оптическом гироскопе, описанном в предыдущем параграфе, для повышения разрешающей способности требовалось снизить когерентность источника света, то здесь совсем наоборот.

Проводились эксперименты с резонаторами иа основе зеркал, а затем начались фундаментальные исследования резонаторов иа основе оптических волокон и световых волноводов.

На рис. 7.24, а представлена оптическая система гироскопа с кольцевым резонатором. Здесь вместо полупрозрачного зеркала (см. структуру иа рис. 7.3, в) используется волоконно-оптический ответвитель, а в качестве кольцевого резонатора - го же одномодовое оптическое волокно. Определяемая угловая скорость соответствует разности резонансных частот, измеряемых для световых воли, распространяющихся в противоположных направлениях. В дайной оптической системе использован нулевой метод, при котором изменение резонансной частоты, обусловленное эффектом Саньяка, сопровождается изменением

Открытый контур

Ответбитель /

СерОоусилитело

PSD1

Сервоусилитель

Рис. 7.24. Волоконно-оптический гироскоп пассивного типа с кольцевым резонатором

у?РЛ1 - модулятор; PSD-детектор разности фаз; S - расщепитель луча; VCO - генератор, управляемый напряжением; PD - фазовый детектор

частоты возбуждения АОМ. Здесь, так же как в волоконно-оптических гироскопах с изменением частоты, в гироскопе со световым гетеродинированием и в кольцевых лазерных гироскопах, на выходе получается электрический сигнал с частотой, пропорциональной угловой скорости гироскопа.

Шумы в гироскопе с данной структурой определяются в первую очередь шириной спектра световой волны, а также обратным рассеянием Рэлея в оптическом волокне, эффектом Керра, колебаниями поляризации иа оптическом пути и т. д. В системе на рис. 7.24, а с целью уменьшения шумов рассеяния Рэлея волоконно-оптический фазовый модулятор FPM2 выполнен так, что при фазовой модуляции подавляется частотная составляющая светового сигнала, идущая по часовой стрелке, а составляющая, обусловленная интерференцией между световым сигналом и светом обратного рассеяния Рэлея, оказывается за пределами частотной полосы сигнала. В результате, как видно

из рис. 7.24, б, достигается кратковременная разрешающая способность примерно 0,57ч (время интегрирования 1 с). Коэффициент качества резонатора 140. Однако для достижения высокой кратковременной разрешающей способности необходимо дальнейшее снижение дрейфа, а значит, более подробное исследование ранее упомянутых шумовых факторов.

7.7.2. Шумовые факторы и методы снжения дрейфа. Ширина спектра источника света. В дайной системе одним из важнейших факторов, влияющих иа ее технические характеристики, является когерентность источника света или ширина спектра его излучения. Резонансный пик волоконно-оптического резонатора такого, например, как на рис. 7.24, можно сузить (заострить) уменьшением коэффициента связи направленного ответ-вителя (для схемы иа рис. 7.3, в - повышением коэффициента отражения полупрозрачного зеркала) и резким снижением потерь ответвителя и оптического волокна. Коэффициент качества резонатора при этом достигает 500. Однако даже если с трудом удается сузить резонансный пик самого резонатора, то при большой ширине спектра источника света все равно остается проблема сужения резонансной характеристики всего гироскопа.

На рис. 7.25 приведены результаты расчета пределов обнаружения вращения, определяемых дробовым шумом светопри-

10"

€ loV

10-V

)М=5МГи,

ex,f= 0,1/0

---сс=1дБ

М=50кГц

0,1 1 10 10 10 ю Длина Волокна, м

Рис. 7.25. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа пассивного типа с кольцевым резонатором в зависимости от ширины спектра излучения

светового источника Д/ -ширина спектра; а-потери в направленном ответвнтеле; длина волны 0,8 мкм; потери передачи 4 дБ/км; коэффициент отражения направленного ответвнтеля 0,95; коэффициент квантового выхода светоприемиика 0,8; мощность источника света 1 мВт; частотная полоса сигнала 1 Гц; радиус резонатора 10 см