емника. В качестве параметра выбрана ширина спектра источника света по уровню половинной мощности. По мере увеличения длины волокна полный спектральный диапазон уменьшается. Кроме того, увеличивается изменение фазы, обусловленное эффектом Саньяка [см. формулу (7.13)], а это расширяет пределы обнаружения параметров вращения. Однако при чрезмерном увеличении длины волокна ширина резонансного пика всей системы ограничивается шириной спектра источника света, а из-за увеличения потерь в оптическом волноводе уменьшается мощность света, достигающего светоприемника, т. е. ухудшаются характеристики системы. Следовательно, как и в гироскопе, описанном в п. 7.3.2, здесь существует оптимальная длина оптического волокна. В соответствии с требованиями к системам инерциальной навигации должны измеряться скорости вращения порядка 10" рад/с, поэтому ширина спектра источника света на уровне половинной мощности должна быть приблизительно 50 кГц.

У обычных полупроводниковых лазеров ширина спектра около 10 МГц, поэтому для реализации высококачественного гироскопа необходимо ее уменьшить. Особенно это важно в области связи, н в лабораторных образцах уже получена ширина в несколько десятков килогерц. Можно ожидать, что будут созданы полупроводниковые лазеры для гироскопов этой системы. Оптимальная длина оптического волокна для гироскопа на рис. 7.24 при снижении потерь в кольцевом резонаторе уменьшается. По сравнению с волоконно-оптическими гироскопами других типов данная система обходится более коротким волокном и длину его можно еще уменьшить, снизив потери в кольцевом резонаторе.

Свет обратного рассеяния Рэлея. Рассеяние Рэлея в оптическом волноводе вносит значительную долю в шумы волоконно-оптического гироскопа. Аналогичная картина наблюдается и в данной системе. Однако в ней не применяются низкокогерентные источники света, поэтому методы ограничения шумов, пригодные для волоконно-оптических гироскопов, здесь просто не подходят.

Результаты исследований показали, что наряду с основным оптическим сигналом существует еще один оптический сигнал, обусловленный обратным рассеянием Рэлея, распространяющийся по кольцевому резонатору в обратную сторону и тоже достигающий светоприемника. Эти сигналы интерферируют. Было установлено, что для интерференционного сигнала и сигнала, обусловленного рэлеевским рассеянием, получается почти такая же резонансная характеристика, как и для основного сигнала. В системе, приведенной на рис. 7.24, в основном сказывается влияние первой из этих двух составляющих, хотя вторая тоже ухудшает характеристики гироскопа.

2(mf)7t 2пк 2(т+1)7Г Иодорот (разы на каждый виток резонатора

2(т-/)д: 2тж 2(т+1)п:

Поворот cpast)! на каждый виток резонатора

Рис. 7.26 Резонансные характеристики прн обратном рэлеевском рассеянии для неподвижной (а) и вращающейся (б) системы s " fi-нитенснвиость света сигнала н рассеяния

На рис. 7.26 представлена резонансная характеристика для второй составляющей, измеренная, когда система неподвижна и когда вращается. Из рнс. 7.26, б видно, что при вращении резонансный пнк раздваивается. Поскольку свет рассеяния распространяется в обратную сторону по отношению к свету сигнала, порождающему это рассеяние, то оба сигнала вследствие эффекта Саньяка приобретают фазовый сдвиг с противоположными знаками, что и приводит к раздвоению резонансного пика. Резонансный пик для основного сигнала сдвигается в результате эффекта Саньяка в то же положение, что и пик для света обратного рассеяния Рэлея. На рис. 7.26, б приведены также результаты теоретического анализа при параметрах реальной системы (штриховая кривая). Эти результаты хорошо согласуются с данными эксперимента.

Обычно в рассматриваемой системе выходным сигналом гироскопа служит сдвиг резонансного пика для светового сигнала. Например, в устройстве FPM1 (см. рис. 7.24) длина резонатора модулируется частотой fm, а чтобы в выходном сигнале светоприемника не было составляющей с частотой fm, устройства FPM1 и А0М2 охвачены обратной связью. При модуляции длины резонатора в центре резонансного пика на выходе отсутствуют гармоники 2fm, и т. д. Следовательно, если, как показано на рис. 7.26, при вращении свет обратного рассеяния Рэлея приводит к двугорбой характеристике, то не различить,

Рнс. 7.27. Ухудшение линейности характеристик гироскопа вследствие разделения резонансных пнков нз-за обратного рассеяния Рэлея

е - коэффициент линейности; де - угол вращения фазы,; расчет выполнен для оптической системы на рнс. 7.24 прн коэффициенте отражения ответвнтеля 0.95, ширине спектра источника света 5 кГц, длине волны 0.8 мкм, потерях рэлеевского рассеяния в волокне 3 дБ/км, радиусе резонатора 10 см, длине волокна 31 м

/ п12к 10 рад

какой резонансный пик принадлежит самому сигналу, а значит, ухудшается линейность характеристик гироскопа. Как видно из рис. 7.27, ухудшение составляет 1 %> а это уже проблема. Один из реальных методов ее решения - модуЯщия с разной частотой световых волн, движущихся в противоположных направлениях, затем выделение каждой составляющей на выходе светоприемиика. По крайней мере, уже имеются проекты подобных систем.

Эффект Керра. Теоретически доказано, что эффект Керра в оптическом волокне рассматриваемой системы приводит к значительному дрейфу нулевой точки. Поскольку здесь невозможно применять источник света с низкой когерентностью, как это делалось в волоконно-оптическом гироскопе, то прибегают к модуляции мощности источника света прямоугольными импульсами со скважностью 50 %. Однако частота этой модуляции должна быть кратной частоте циркуляции света в резонаторе, иначе ие будет полного совпадения множества распространяющихся в резонаторе световых лучей, т. е. резонанса, и в результате прямоугольная форма модуляции, наоборот, будет мешать уменьшению искажений и дрейфа выходного сигнала гироскопа.

Колебания состояния поляризации в оптических системах. Обычно ответвитель и кольцо выполняются из одномодового оптического волокна, а поскольку оно непременно имеет асимметричную относительно оси характеристику и, значит, работает как замедлитель, то для распространяющейся в нем световой волны условия поляризации изменяются. Как показывает анализ с рассмотрением одной точки резонатора, в каждом цикле распространения световой волны состояние поляризации

в этой точке повторяется для каждого луча. Таким образом, подобных состояний два. Они называются фиксированными состояниями поляризации кольцевого оптического резонатора.

Обычно эти два фиксированных состояния поляризации указывают на независимое, т. е. ортогональное, распространение света и определяют отдельные резонансные характеристики. Следовательно, когда кольцевой оптический резонатор возбуждается при произвольном состоянии поляризации, то, поскольку это состояние поляризации линейно связано с указанными ортогональными фиксированными состояниями, получаются резонансные пики с высотой, пропорциональной линейным коэффициентам. А поскольку при одном цикле распространения по волоконно-оптическому кольцу фазовые сдвиги обеих световых волн обычно различны, то, как показано на рис. 7.28, а, эти резонансные пики не совпадают. Здесь фиксированные состояния поляризации для света с противоположным направлением одинаковы, поэтому смещение резонансных пиков для них тоже одинаково. Однако исходные условия поляризации для света, распространяющегося в противоположных направлениях, различны, поэтому отношение pi: рг обычно для этих световых волн тоже разное.

В практически используемых гироскопах резонансный пик определяется в каком-либо одном из фиксированных состояний поляризации, а существование других резонансных двугорбых (из-за рассеяния Рэлея) характеристик снижает точность обнаружения пика. При этом необходимо с помощью регуляторов поляризации сделать одинаковыми фиксированное состояние поляризации резонатора и состояние поляризации входной волны (рис. 7.28,6). Обычно в волоконно-оптических гироскопах проблема, связанная с поляризацией, решается с помощью одного

Полный спектральный диапазон ,

Полный

спектральный

диапазон

Поборот тазы на каждый биток кольирооео резонатора

Кольцо и из оптического Волокна

ОтветВитель из оптического Волокна

Рис. 7.28. Двойной резонанс из-за двух фиксированных состояний поляризации (а) и оптическая система для получения единственного резонансного

пика (б)

LD - лазерный диод; D - светоприемное устройство; PC - регулятор состояния поляризации

поляризатора, в гироскопах же с кольцевым резонатором решение этой проблемы затруднено. Кроме того, в реальных высокоточных гироскопах с кольцевым резонатором, отслеживающих изменения фазы порядка 10" рад, требуемую точность регулировки состояния поляризации практически невозможно получить. Поэтому необходимо использование оптических волокон с сохранением поляризации и возбуждение моды только с единственной поляризацией.

Для создания таких условий возбуждения нужно, устанавливая волоконно-оптический поляризатор (см. гл. 2) в отводе ответвителя или используя ответвитель с определенной поляризационной характеристикой, сделать так, чтобы для моды с единственной поляризацией не формировался резонатор. А учитывая возбуждение паразитных мод (из-за связи между поляризованными модами ц оптическом волокне с сохранением поляризации), желательно создать для кольцевого резонатора поляризующее волокно или оптическое волокно, пропускающее свет с единственной поляризацией.

7.8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрен принцип действия оптических гироскопов, в том числе волоконно-оптических и гироскопов пассивного типа с кольцевым резонатором.

Описание волоконно-оптических гироскопов дано с учетом влияния различных шумовых факторов. Благодаря методу фазовой модуляции достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки в соответствии с требованиями ниер-циальцой навигации. С помощью метода изменения частоты и светового гетеродинирования реализован широкий динамический диапазон (от пяти до девяти порядков) и стабильный масштабный коэффициент. Волоконно-оптические гироскопы находят широкое применение. Быстрыми темпами ведется разработка различных приборов иа микрооптической технологии, волоконно-оптических функциональных элементах, оптических полноводных элементах. К настоящему времени такие гироскопы среднего класса уже имеются в продаже. Кроме того, предлагаются методы улучшения характеристик гироскопов с частотной модуляцией, работающих главным образом на основе гомодинирования, активизируется их практическое изучение.

В отличие от волоконно-оптических гироскопов, где для улучшения характеристик требуется источник света низкой когерентности, в оптических гироскопах пассивного типа с кольцевым резонатором необходим источник света с высокой когерентностью. Поэтому влияние шумовых факторов в этих системах различно и требуется тщательный учет шумов резонансной

системы. В будущем можно ожидать такого же интенсивного исследования этих гироскопов, как в свое время и волоконно-оптических. Уже реализованы резонаторы на оптическом волокне, обладающие очень высокой добротностью, быстро сужается спектр полупроводниковых лазеров. В сравнении с волоконно-оптическими гироскопами чувствительное кольцо из оптического волокна меньше по размеру, поэтому системы с кольцевым резонатором довольно перспективны.

Волоконно-оптические гироскопы отличаются от прежних отсутствием механических систем, что делает их пригодными не только в навигации, но и в других областях, например для контроля движения бура при бурении нефтяных скважин. Кроме того, если увеличить диаметр кольца из оптического волокна, удлинить интервал интегрирования выходного сигнала, то можно повысить чувствительность, что позволит использовать гироскоп для прогноза погоды, измерения флюктуации собственного вращения Земли и т. д.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие научного редактора перевода............ 3

Предисловие авторов ................... 4

Глава первая. ОБЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОН РАЗВИТИЯ..... 6

1.1. Введение.................. 8

1.2. Становление оптоэлектроннкн н появление оптических волокон -

1.3. Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их

применения................... 17

1.4. Краткая история нсследовннй н разработок....... 18

1.5. Заключение .................. 24

Глача вторая. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА ДЛЯ ДАТЧИКОВ .... 26

2.1. Введение . . ;............... -

2.2. Структура. Моды................. -

2.3. Классификация ................. 30

2.4. Характеристики. Физические свойства.......... 39

2.5. Элементы волоконной оптики............ 50

2.6. Заключение................... 57

Глава третья. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ И СВЕТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ.................. 57

3.1. Введение....................

3.2 Типы н принцип действия светоизлучающих приборов ... 58

3.3. Светодиоды................... 66

3.4. Газовые лазеры.................. 70

3.5. Полупроводниковые лазеры............. 73

3.6. Светоприемные приборы............... 97

3.7. Заключение................... 106

Глава четвертая. ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ . ... 108

4.1. Введение.................... -

4.2. Оптические элементы . :.............. -

4.3. Изоляторы ................... 113

4.4. Соединительные н разделительные фильтры........ 115

4.5. Модуляторы................... 117

4.6. Устройства для сдвига частоты света......... 122