Волоконно-оптические гироскопы. Принципы построения волоконно-оптических гироскопов Применение волоконно оптических гироскопов

Волоконно-оптический

Гироскоп

Эрве Лефевр

(Перевод Цаплина А.И.)

Дом технологий

Бостон · Лондон

Об этом доме технологий книги постоянно в печати.

Эта книга была издана в рамках программы дом технологий в программе постоянно в печати. Книги этой программы являются копиями ранее напечатанных домом технологий книг, теперь доступны исключительно как единичные копии при запросе читателей. Для получения информации о сотнях наименований, доступных в рамках этой программы, обращайтесь в дом технологий.

Artech House, Inc.	Artech House Books
685 Canton Street	Portland House, Stag Place
Norwood, MA 02062	Londоn SW1E5XA
USA	UK

Www.artech-house.com

ISBN: 0-89006-537-3

Artech House Publishers boston . london

Библиотека оптоэлектроники дома технологий

Брайан Гулшаф, Алан Роджерс и Генри Тейлор, редакторы серии

Обработка акустических и оптических сигналов: Основы и приложения , Панкадж Дас

Аморфные и микрокристаллические полупроводниковых устройства, оптико-электронные устройства , Ежи Kaниски и др.

Выполнение моделирования электро-оптических систем . Гэри Валдман и Джон Вуттон

Волоконно-оптические гироскопы , Эрве Лефевр

Теории поля акустических и оптических сигнал обработки устройств , Крейг Скотт

Высококогерентные полупроводниковые лазеры , Moтоичи Оцу

Введение в электро-оптические изображения и следящие системы , Халиле Сейрафи и С. Хованессиан

Введение в интегральную прозрачную оптику , С. Ирадж Найафи

Оптический контроль микроволновых устройств , Райнье Н.Саймонс Волоконно-оптические датчики, том 1: Принципы и компоненты , Джон Дакин и Брайан Кулшав.

Волоконно-оптические датчики, том II: Системы и приложения , Брайан Кулшав и Джон Дакин.

Теория оптических сетей , Ицхак Вайсман.

Принципы современных оптических систем, том I

Принципы современных оптических систем, том II , И. Андоновик и Д. Уттамхандани.

Надежность и деградация полимерных и полупроводниковых лазеров , Мицуо Фукуда.

Измерения одномодовыми оптическими волокнами: характеристика и чувствительность , Джованни Caнселиери.

Волоконно-оптические гироскопы / Эрве Лефевр.

ISBN 0-89006-537-3

1. Optical gyroscopes. I. Титул

TL589.2.06L44 1993

British Library Cataloguing in Publication Data

Fiber-optic Gyroscopes

ISBN 0-89006-537-3

Canton Street

Norwood, MA 02062

Все права защищены. Напечатано и переплетено в Великобритании Энтони Роуи Ltd. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена или использована в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись или какое-либо хранение информации в информационно-поисковой системе, без разрешения в письменном виде от издателя.

Международный стандартный номер книги: 0-89006-537-3

Номер карты в каталоге библиотеки конгресса: 92-28194

Софии, Шарлотте и Эллиот

"C"est un gyroscope, c"est la cle de l"Absolu"

Le Roi des Aulnes

Предисловие……………………………………………………………………….. 10 Предварительные замечания………………….…………………………………...11

Глава 1. Введение………...……………………………………………………13 Ссылки…………………………………………………………………..…………..15

Глава 2. Принципы волоконно оптического гироскопа………………….……...16

2.1. Эффект Саньяка……………………………………………….……..…...16

2.1.1.Интерферометр Саньяка…………………………………………..…16

2.1.2. Случай вещества……………………………………………….….....21

2.2. Активные и пассивные кольцевые резонаторы ………… …………..23

2.2.1. Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ)………………………….…..23

2.2.2.Резонирующий волоконно-оптический гироскоп (Р-ВОГ)……....26

2.3. Пассивный волоконный кольцевой интерферометр………………..….27

2.3.1. Принцип интерферометрического волоконно-

оптического гироскопа (И-ВОГ)…………………………………..27

2.3.2. Теоретическая чувствительность……………………………….…..30

2.3.3. Шум, дрейф и масштабный фактор……………………………..….34

2.3.4. Пропускная способность……………………………………………35

Глава 3. Обратимость в кольцевом волоконном интерферометре ………….…38

3.1. Принцип обратимости……………………………………………….….38

3.1.1. Обратимость распространения волны……………………….……..38

3.1.2. Обратимое поведение расщепленного луча……………….………39

3.2. Минимальная конфигурация кольцевого волоконного

интерферометра…………………………………………………….….…41

3.2.1. Взаимообратные конфигурации…………………………….………41

3.2.2. Обратимые смещения модуляции-демодуляции…………………..43

3.2.3. Характерная или основная частота………………………..……….47

3.3. Взаимность в многосветоводной схеме………………………………...55

3.3.1. Бесконечно малое поле ответвителя (или X-соединитель

или 4-портовый соединитель)…………………………………..….55

3.3.2. Y-соединение………………………………………………………..58

3.3.3. Многоволоконный подход…………………………………..…..…60

3.3.4. Гибридные архитектуры с интегральной оптикой:

оптимальные "Y-ответвление" или "Y-соединение"………….…63

3.4. Проблема взаимной поляризации……………………………….……68

3.4.1.Отказ от простого одномодового волокна……………………..….68

3.4.2. Использование волокон, сохраняющих поляризацию………..… 71

3.4.3. Использование деполяризаторов……………………………...……72

3.4.4.Использование источника деполяризации………………………....72

Глава 4. Отражение и обратное рассеяние………………..….………….…….….76

4.1. Проблема отражения…………………………………………………....76

4.1.1.Сокращение отражение с наклонным стыком…………………….76

4.1.2.Влияние когерентности источника………………………………...79

4.2. Проблема обратного рассеяния………………………………………....81

4.2.1. Когерентное обратное рассеяние………………………….………..81

4.2.2.Использование широкополосного источника………………….….81

4.2.3.Определение остаточной погрешности шума

обратного рассеяния……………………………………………..…..83

Глава 5. Анализ необратимости поляризации широкополосного

источника и достижение двулучепреломления волокон……………...86

5.1.Эффект деполяризации в двулучепреломленных

волокнах, сохраняющих поляризацию……………………………..….86

5.2.Анализ необратимости поляризации в волоконном

гироскопе, сохраняющим полную поляризацию

в конфигурации волновода……………………………………….…….89

5.2.1. Эффекты типов интенсивности……………………………………89

5.2.2. Комментарии о длине деполяризации L d

против длины корреляционной поляризации L pc …………..…..94

5.2.3. Типичные эффекты амплитуды …………………………………..98

5.3.Использование деполяризатора………………………………………...99

5.4. Оценка оптической длины когерентности поляриметрии (OCDP)

на основе сравнения путей белого света при интерферометрии..…101

Глава 6. Неустановившиеся соотношения для дрейфа и шума…….…….…...108

6.1. Эффект неустановившейся температуры………………………..…....108

6.2. Эффект акустического шума и вибрации …………………..……..…111

Глава 7. Точные эффекты необратимости…………………………………….....112

7.1. Магнитно-оптический эффект Фарадея…………………………..…...112

7.2. Нелинейный эффект Керра…………………………….……………….117

Глава 8.Оценка факторов точности…………………………………………...…123

8.1. Проблема оценки точности в интерферометрическом

волоконном гироскопе…………………………………………….…...123

8.2. Закрытая рабочая петля…………………………………………..….…124

8.2.1. Использование сдвига частоты……………………………….…...124

8.2.2. Аналоговый пилообразный фазовый сигнал или геродинная

модуляция………………………………………………....………..127

8.2.3. Цифровой пилообразный фазовый сигнал……………………….132

8.2.4. Метод цифровой обработки закрытого рабочего цикла……......139

8.3. Контроль длины волны………………………………………..………..145

8.3.1. Зависимость длины волны кольцевого

интерферометра с широкополосным источником…………….....145

8.3.2. Эффект модуляции фазы……………………………………..……148

8.3.3. Схемы контроля длины волны…………………………………....149

Глава 9. Технологии И-ВОГ……………………………………………………...153

9.1. Суммирование оптимальных условий эксплуатации………………..153

9.2. Источник…………………………………………………………….…..155

9.2.1. Суперлюминесцентный диод………………………………….…..155

9.2.2. Редкоземельное легирование волоконных источников…………156

9.3. Волоконная катушка……………………………………………….…..158

9.4. "Сердце" интерферометра………….. ………………………………....159

9.5. Детектор…………………………………………………………………160

Глава 10. Альтернативные подходы для И-ВОГ…………………………….….164

10.1. Альтернативные оптические конфигурации…………………….….164

10.2. Альтернативные схемы обработки сигналов……………………..….166

10.2.1.Схема открытой петли с использованием

многократных гармоник…………………… ……………………166

10.2.2. Вторичные гармоники обратной связи………………………....166

10.2.3. Фазовые импульсы модулирования обратной связи……………167

10.2.4. Гетеродинные и псевдогетеродинные схемы………………..….168

10.2.5. Детектирование биений с пилообразным сигналом

обратной связи………………………………………………….…170

10.2.6. Двойной пилообразный сигнал обратной связи ……………….171

10.3. Расширенный динамический диапазон с

мультипликативными источниками длин волн…………………….172

Глава 11. Резонирующий волоконно-оптический гироскоп (Р-ВОГ)………...175

11.1. Принцип работы многоволоконной кольцевой полости…………...175

11.2. Метод обработки сигнала……………………………………….…….179

11.3. Взаимодействия в кольцевом резонаторе волокна……………….…182

Глава 12. Приложения и тенденции………………………………………….….188

12.1. Настоящее состояние развития…………………………………..…...188

12.2. Тенденции на будущее и заключительные замечания…………..….190

Приложение 1. Основы оптики………………………………………………..…192

A 1.1. Оптические волны в вакууме……………………………………....192

A1.2. Поляризация оптических волн…………………………………….…196

A1.3. Распространение в диэлектрической среде………………….……...200

A1.4. Геометрическая оптика……………………………………………….209

A1.5. Граница диэлектриков: отражение, преломление и

перенос волны…………………………………………………………209

A1.6. Интерференция………………………………………………………..215

A1.7. Многоволновая интерференция…………………………………….. 220

A1.8. Дифракция и гауссовский пучок лучей………………………..…..223

A 1.9. Когеренция…………………………………………………………....227

A l.10. Двулучепреломление………..………………………………….….241

Библиография…………………………………………………………….…..246

Приложение 2. Основы одномодовой волоконной оптики……………………246

A2.1. Дискретное управление модой в многомодовом волокне………….246

A2.2. Одномодовые волокна……………………………………….……….251

A2.3. Применение стекла в одномодовых волокнах………………..…….256

A2.4. Стыковка одномодовых волокон………………………………….…258

A2.5. Двулучепреломление в одномодовом волокне……………………...266

A2.6. Поляризационно-сохраняющие волокна…………………...………..271

A2.7. Интерференция в одномодовых волокнах и

соответствующие компоненты………………………………….……280

Библиография……………………………………………………………..….285

Приложение 3. Основы интегральной оптики…………………………………..286

A3.1. Интегрированный оптический световод…………………………….286

A3.2.LiNbO 3 интегральная оптика………………………………………….290

A3.3. Протон-обменные волноводы………………………………………..295

Библиография…………………………………………………………….…..298

Приложение 4. Электромагнитная теория релятивистского эффекта

Саньяка…………………………………………………………..298

A4.1. Специальная теория относительности и электромагнетизм……….298

A4.2. Электромагнетизм во вращающейся системе отсчета…………..….308

A4.3. Случай вращения тороидального диэлектрического

волновода………………………………………………………….….311

Библиография…………………………………………………………….…..313

Символы…………………………………………………………………………...314

Предисловие

Как редактор серии, я выражаю особое удовольствие в том, что эта очень важная книга по волоконно-оптическому гироскопу завершена и опубликована. Волоконно оптический гироскоп имел особое очарование для моего друга более десяти лет. Мне повезло работать, хотя и недолго, с Эрве в Стэнфорде в начале 80-х – особенно захватывающем времени, когда была раскрыта физика гироскопа. Книга Эрве стимулировала интерес поклонников, что является уникальным для гироскопа. Ее особое очарование и проблема вытекает из необходимости понять сразу все проблемы физической оптики, волновой оптики, электроники, обработки сигнала и машиностроения.

В сообществе волоконно-оптических датчиков (или, по крайней мере, для фанатиков гироскопа) гироскоп считается вершиной достижения. Никто более квалифицированно, чем Эрве, не рассказал свою историю. Ниже приводится действительно история Эрве. Текст, содержащий достижения физики и прикладных наук, содержит текже отдельные идеи и решенияавтора. Даже инженеры с альтернативными подходами должны признать качество решений, описанных в настоящем документе. Я нахожу этот текст развивающим технику и интересным для чтения. Он отражает мужской подход и энтузиазм одного человека. Я уверен, что вы также будете разделять волнение по мере углубления в историю того, что обещает быть основой технологии навигационных систем XXI века.

Профессор Брайан Гулшав

Глазго, Шотландия

июнь 1992 года

Предварительные замечания

Пятнадцать лет исследований и разработок создали потенциал волоконно-оптического гироскопа, который сегодня считается привилегированной технологией для будущих приложений инерциальных систем управления. Его конфигурации "твердого тела" дает важнейшие преимущества по сравнению с прежними подходами, использующими вращение колеса или кольцо газовых лазеров.

Во многих компаниях в мире быстро растет интерес к волоконно-оптическому гироскопу. Разработка, производство и системы инжениринга показывают сложность проблемы, в которую вовлекаются и научно-технические сообщества, проводящие исследования. Таким образом, настало время, чтобы представить подробное описание проведенных исследований, которые были проведены для достижения практических устройств. Несмотря на относительную простоту окончательный схемы волоконно-оптического гироскопа – он остается сложным инструментом со многими источниками тонких погрешностей, которые необходимо понимать и контролировать. Предмет требует междисциплинарного подхода с участием физики, волновой оптики, оптико-электронной техники, теория обработки сигнала и электронного дизайна. Разнообразие тем является хорошим примером тщательного системного анализа, и изучение волокна гироскопа будет хорошей основой для программы теоретической и экспериментальной подготовки аспирантов в волоконной оптике и оптоэлектронике.

Чтобы помочь читателю, я включил подробные приложения, которые предоставляют информацию из оптики, одномодовый волоконной оптики и интегральной оптики, необходимую для понимания волоконного гироскопа и содержащие терминологию для общения с дизайнерами оптико-электронных компонент. Для новичка этот материал поможет избежать поиска конкретных основ, чтобы понять общий текст книги. Однако, исходя из моего собственного опыта, подготовке эти приложений оказывается полезным обзорам и для тех, кто уже участвует в предметной области. Я также попытался (за исключением добавления 4) избегать громоздких математических расчетов и формул, насколько это возможно. Многие рисунки упрощают объяснения и помогают читателю понять важные идеи, правила.

Эрве C. Лефевр Париж Франция март 1992 года

Глава 1. Введение

Законы механики показывают, что равномерное прямолинейное движение не может быть обнаружено прибором, помещенным внутри "черного ящика. С другой стороны этот прибор позволяет обнаружить линейные ускорения или вращение. Точные измерения могут быть выполнены с применением механического акселерометра и гироскопа. Это является основой инерциальной ориентации и навигации. Зная первоначальные ориентиры и положение транспортного средства, интегрирование (математическое) позволяет определить по ускорению скорость и траектории движения транспортного средства. Такие инерциальные методы полностью автономны и не нуждаются во внешних источниках: они не зависят от каких-либо эффектов или помех. За пятьдесят лет они были ключевой технологией в аэронавтике, военно-морских силах и космических системах для гражданских и военных применений.

В 1913 году Саньяк продемонстрировал, что вращение в инерциальном пространстве можно также обнаружить с применением оптической системы, которая не имеет движущихся частей. Он использовал кольцо интерферометра и показал, что вращение индуцирует разницу фаз между двумя противоположно распространяемыми лучами. Первоначальные установки, однако, были очень далеки от измерений практической ротации в связи с весьма ограниченной чувствительностью. В 1925 году Майкельсон и Гале имели возможность измерять вращения Земли с гигантским кольцевым интерферометром почти 2 км в периметре с увеличенной чувствительностью, но эффект Саньяка оставался незамеченным физиками в течение многих десятилетий, поскольку не удалось получить полезногой производительности в достаточно компактных устройствах.

Эта возможность получения гироскопа без подвижных частей для замены механических гироскопов с вращением колеса продолжает оставаться очень привлекательной, и в 1962 году Розенталь предложил повысить чувствительность с применением кольцевого лазера , в котором противоположно распространяющиеся волны многократно проходят внутри резонирующего контура вместо их однократного прохода в оригинальном интерферометре Саньяка. Сначала это было продемонстрировано Масеком и Дэвисом в 1963 году, и в настоящее время технология кольцевого лазерного гироскопа достигла своей полной зрелости и используется во многих приложениях инерциальной навигации .

Однако, в связи с огромные технологические усилия, посвященными разработке оптических влолокон с низким уровнем потерь и твердотельных полупроводниковых источников света, детекторов для телекоммуникационных приложений в течение 70-х, стало возможным использовать многоволоконные оптические катушки вместо кольцевого лазер для повышения эффекта Саньяка от нескольких рециркуляций. Предложенный Пирхером и Хепнером в начале 1967 и экспериментально продемонстрированный Вали и Шортхиллом в 1976 году волоконно-оптический гироскоп с тех пор вызвал большой научно-технический интерес, так как обеспечил уникальные преимущества благодаря своей твердотельный конфигурации.

Многочисленные публикации (770!) была посвящена теме , и наиболее значительный вклад были сведены в одном томе , что очень удобно при работе в этой области. Материалы трех конференций, специально посвященных этой теме , также дают хорошее представление о ходе реализации технологии за пятнадцать лет исследований и разработок. Важнейшим шагом стало промышленное производство продукции , предпринятое несколькими компаниями. На данном этапе представляется целесообразным представить тщательный анализ результатов этапа НИОКР, а также подчеркнуть концепции, которые возникли как предпочтительные решения.

Приложения содержат основы оптики, одномодовой волоконной оптики и интегральной оптики, облегчающие понимание волоконного гироскопа. Четвертое добавление более специализированно описывает подход электромагнетизма, объясняющий релятивистский эффект Саньяка.

[I] Sagnac, г., "L"ether lumineux demontre номинальная l"effet du жерл relatif d"ether dans ООН интерферометра en rolation uniformc," конт rendus де Г des академической науки. Vol. 95, 1913 г., стр. 708-710. Sagnac, г., "Sur la preuve de la realite де троса lumineux par I"experience де I"interferographe tournant," конт rendus де I"Acaddmie наук, том 95, 1913, pp. 1410 - 1413.

Михельсон, а. а. и н. г. Gale, журнал астрофизика, том 61, 1925, pp. 401.

Rosenlhal, а. н., "регенеративных обращения несколько интерферирующих лучей для изучения распространения света," J.O.S.A., том 52, 1962. pp. 1143-1148.

Štepánek, в. м. и D.T.M. Дэвис, "Зондирование вращения при движении волны пучка лазера по кольцу," Прикладная физика письма, Vol. 2, 1963, pp. 67-68.

Иезекииль, S. и г. е. Knausenberger, eds., "Лазерные инерциальные датчики вращения," SPIE труды, том 157, 1978.

Шоу В.В., Геа Буалочи, И.М., Редротли В.Е., Сандерс, В., Шлейш и М.О. Скалли, «Кольцевой лазерный гироскоп», обзор современной физики, том 57, 1985, стр. 61, Чоу.

Пиршер Ж. и. Ж. Хепнер, "Perfectionnemenls aux dispositifs du типа gyrometre interferomet-rique лазер," французский патентной 1.563.720, 1У67.

Вали В. Р.В. Шортхилф, "Волоконный кольцевой интерферометр," Прикладная оптика, том 15, 1976. pp. 1099-1100 (SPIE, MS8, стр. 135-136).

Смит. Р. В., "Волоконно-оптические гироскопы 1991: Библиография опубликованной литературы, "" SPIE труды, том 1585, 1991, pp. 464-503.

Смит, Р.Б., ed., "Избранные статьи по волоконно-оптически гироскопам," SPIE веха Series, Vol. MS8, 1989. Примечание: для ссылок, перечисленных в этой книге, в этот том веха, мы вставили (SPIE, MS8, pp. xx-yy).

Иезекииль, S. и х. ж. Arditty, eds., "Волоконно оптические датчики вращения и смежные технологии" отчет о первой международной конференции, короткая серия в оптические науки, Vol. 32, 1981.

Удд Е. ed., "Волоконно-оптические гироскопы: 10 юбилейной конференции," SPIE труды, том 719, 1986.

Иезекииль, S. и е. Udd, eds., «Волоконно-оптические гироскопы: XV Юбилейной конференции,» SPIE Pro ceedings, том 1585, 1991.

Глава 2. Принципы волоконно-оптического гироскопа

Эффект Саньяка

Интерферометр Саньяка

Волоконно оптический гироскоп основывается на эффекте Саньяка, который дает разность фаз ΔΦ R , пропорциональную скорости вращения Ω кольца интерферометра . Первоначальная установка Саньяка состояла из коллимированного источника с разделением луча на пластине для выделения на вводе двух световых волн, которые распространяют в противоположных направлениях вдоль замкнутого контура, определяемого зеркалами (рис. 2.1). Модель прямых полос интерференции была получена с неучетом одной ошибки, и сдвиг периферийной части интерференционных полос наблюдался как поворот всей системы. Этот сдвиг интерференционных полос соответствует разнице ΔΦ R , между двумя встречными волнами, в зависимости от площади, окружающей модель.

Это можно объяснить, рассматривая полигональный путь М 0 М 1 …M N -1 M 0 . В состоянии покоя оба противонаправленные пути равны, но при вращении вокруг центра часть пути в направлении вращения дает

увеличение на М 0 М′ 1 …M′ N -1 M N и противовращение дает снижение на М 0 М′′ 1 …M′′ N -1 M′′ N (рис. 2.2). Фактически для наблюдателя в рамках инерциального покоя точки M i двигаются по окружности радиусом R, и свет распространяется вдоль сторон многоугольника M′ i M′ i +1 или M′′ i M′′ i +1 , вместо того, чтобы вдоль M i M i +1 . В частности, в первой части сонаправленного вращения полигональный путь становится М 0 М′ 1 (рисунок 2.3). Обозначая 2θ угол M 0 OM 1 , δθ – угол M 1 OM′ 1 , L M – длину M 0 M 1 , и δL M длину приращения пути М 0 М′ 1 – М 0 М 1 , получим:

, (2.1)

Этот угол δθ первого порядка есть угол поворота во время распространения света между М 0 и М 1:

(2 2)

и так как , а площадь треугольника M 0 OM 1 есть , это дает:

. (2.3)

Явление наблюдается в состоянии покоя, где свет всегда распространяется со скоростью c; таким образом, путь приращения δL M соответствует увеличению δt + времени распространения:

(2.4)

Есть такой же рост для каждой из сторон многоугольника и противоположная вариация δt – =–δt + в противоположном направлении. Разница по времени распространения света между двумя противоположными закрытыми путями в вакууме:

(2.5)

где является суммой всех площадей треугольников (т.е. полной замкнутой площади A ). Эта разница во времени, измеренная интерферометром, дает разницу фаз:

(2.6)

где ω – угловая частота волны. Можно показать, что этот результат является общим и может быть распространен по любую ось вращения и на любой замкнутый контур, даже если они не содержатся в самолете, используя скалярное произведение А· Ω:

(2.7)

где Ω – вектор скорости вращения, и A – эквивалент вектора площади замкнутого контура, определяемый линейным интегрированием:

(2.8)

где r – радиальная координата вектора. Эффект Саньяка может быть представлен в виде потока вектора вращения Ω через замкнутую область.

Чтобы получить более глубокое понимание эффекта Саньяка, его можно считать простым случаем "идеального" круговой пути , который является пределом полигонального пути с бесконечным количеством сторон. Свет, входящий в систему, делится на две противонаправленные волны, которые возвращаются на этапе после обхода на том же пути в противоположных направлениях (Рисунок 2.4,a). Теперь, когда интерферометр вращается, наблюдатель в состоянии покоя в инерциальной системе отсчета видит свет, введенный в интерферометр на момент M (Рисунок 2.4,b) и распространяющийся со скоростью в вакууме c в противоположных направлениях; тем не менее, во время переноса t v через виток, луч перешел в точку M ", и наш наблюдатель видит, что волна в направлении вращения прошла более длительный путь, чем в противоположном направлении. Эта разница пути может быть измерена интерферометрическими средствами.

Это объяснение является простым, но мы не должны забывать основные понятия: это наблюдается в инерциальных рамках, но по-прежнему наблюдается во вращающейся системе, потому что оба в конечном счете (возвращающие противоположно направленные волны во вращающейся системе на разделитель луча) занимают место в той же точке, и может быть применен принцип причинности: если два события происходят в одной и той же точке пространства, их разность времени прохождения сохраняется (первое правило в v/c ) в любой системе отсчета. Фактически интересно сравнить эффект Саньяка с известными проблемами релятивистской кинематики, которая объясняет, что одновременность событий это не абсолютное понятие.

Давайте рассмотрим систему, состоящая из источника S размещенного на равном расстоянии от двух зеркал, М 1 и M 2 (Рисунок 2.5,a). Свет от источника раздается в противоположных направлениях, и после отражения обе волны возвращаются к источнику в то же время. Теперь, если система переместится горизонтально (Рисунок 2.5,b), наблюдатель в "лабораторной" системе будет наблюдать, во-первых, свет от зеркала М 1 , происходящий от вступающей

волны, а затем от другого зеркала, М 2 . Задержка между обоими мероприятиями в основном совпадает с задержкой Саньяка, если заменить круговой путь по расстоянию между источником и зеркалами и касательную скорость вследствие вращения на скорость переноса. Однако в связи с переносом оба мероприятия проводятся в двух разных точках, и принцип причинности не может быть применен. Наблюдателю в рамках движущейся системы приходится ждать возвращения света в источнике возникновения для наблюдателя, в то же время. Затем этот наблюдатель может только сделать вывод, что перемещение его или рамки, свет попадает в точку от обоих зеркал в одно и то же время. Обратите внимание, что источник также перемещается для наблюдателя в рамках "Лаборатория", и он видит, что свет возвращается из обоих направлений в одно и то же время. Это согласуется с ранее сказанным, потому что два события, происходящие в той же точке, наблюдаются одновременно в любой системе отсчета.

Примечание: Эффект Саньяка в качестве альтернативы можно интерпретировать как двойной эффект Доплера на разделителе луча. Вместо временного подхода, подробно изложенного выше, это может быть проанализировано пространственно, учитывая "замороженность" системы в данный момент (Рисунок 2.6). Наблюдатель в рамках лаборатории измеряет одну волну, передаваемую два раза с сохранением той же длины волны, а противонаправленная волна отражена дважды на движущемся разделителе,

В кольцевом лазерном гироскопе возникает явление синхронизма, так как это активная конструкция и сама оптическая катушка для обнаружения вращения входит в состав лазерного генератора. Напротив, в интерферометре Саньяка, представленном на рис. 1, вышеупомянутое явление не возникает, поскольку это пассивная конструкция, при которой световой источник находится вне чувствительной петли. Основное внимание здесь уделяется оптическому волокну, снижению потерь в нем.

На рис. 4 приведена оптическая схема волоконно-оптического гироскопа. По сути это интерферометр Саньяка (см. рис. 1), в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна. Часть схемы, обведенная штриховой линией, необходима для повышения стабильности нулевой точки. Таким образом, разность фаз между двумя световыми волнами, обусловленная эффектом Саньяка, с учетом формулы (5) выражается как

(7)

где N - число витков в катушке из волокна; L - длина волокна; а - радиус катушки.

Следует обратить внимание на то, что в основные формулы не входит коэффициент преломления света в волокне.

Благодаря совершенствованию технологии производства выпускается волокно с очень низкими потерями. Чтобы не повредить волокно, намотка производится на катушку радиусом несколько сантиметров. При этом не наблюдается сколько-нибудь заметного увеличения потерь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высокочувствительный интерферометр Саньяка с катушкой небольшого радиуса (2...5 см), намотав на нее волокно большой длины. Сформировав оптимальную оптическую систему, можно измерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной навигации - порядка 10 -6 `рад), а затем из формулы (7) определять круговую скорость. Все это и составляет принцип работы волоконно-оптического гироскопа.

Поскольку данный волоконно-оптический гироскоп - пассивного типа, в нем отсутствуют такие проблемы, как явление синхронизма.

Пределы обнаружения угловой скорости. В основной оптической системе на рис. 4 в состоянии оптические пути для света в обоих направлениях обхода будут одинаковы по длине, а поскольку сигнал на выходе светоприемника изменяется пропорционально

, то гироскоп нечувствителен к очень малым поворотам. Считается, что в системе с оптимальной чувствительностью теоретические пределы обнаружения угловой скорости связаны с дробовым шумом светоприемника. Анализ показывает, что для оптического волокна с потерями a существует определенная длина, позволяющая оптимизировать пределы обнаружения при дробовом шуме:

(8)

Результаты расчета при типичных значениях параметров приведены на рис. 5, а. Для оптического волокна с потерями 2 дБ/км пределы обнаружения примерно 10 -8 рад/с (0,001°/ч). Это как раз значения, применяемые в инерциальной навигации. На рис. 5, б показано, что благодаря увеличению радиуса катушки с оптическим волокном, а также использованию света с длиной волны 1,55 мкм, на которой потери в оптическом волокне очень низки, возможно создание измерителя оборотов в инерциальном пространстве с чрезвычайно малым дрейфом. Это позволяет применять измеритель не только в навигации, но и в геофизике.

В реальных волоконно-оптических гироскопах возможности ограничены шумовыми факторами.

Повысить чувствительность гироскопа на эффекте Саньяка можно с помощью кольцевого оптического резонатора, используя для этого полупрозрачное зеркало с высоким коэффициентом отражения (см. рис. 3, в). Резонатор представляет собой интерферометр Фабри - Перо в форме кольца. При этом выходной сигнал светоприемника резко реагирует на изменение фазы wt при однократном прохождении световой волной кольцевого оптического пути. Следовательно, можно создать высокочувствительный датчик, например, измеряющий смещение резонансного пика, обусловленное поворотом. Другими словами, можно уменьшить длину волокна чувствительного кольца, а если гироскоп среднего класса, то вполне можно использовать даже одновитковое волоконное кольцо, соединенное с оптической интегральной схемой.

В подобной структуре гироскопа для получения острой резонансной характеристики требуется световой источник с высокой когерентностью излучения, в то время как в волоконно-оптическом гироскопе для улучшения характеристик требуется световой источник с низкой когерентностью.

Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопа приведена на рис. 4, но эта схема не обнаруживает малых поворотов гироскопа. Для решения этой проблемы предлагаются различные методы: смещения разности фаз, фазовой модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования.

Рассмотрим только последний метод. Структура оптической системы гироскопа со световым гетеродинированием представлена на рис. 6. 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. На рис. 7 приведена электронная схема измерителя фазы выходного сигнала в структуре на рис.6 по нулевому методу. Точная временная задержка T d обеспечивается прибором на зарядовых связях (ПЗС). Для этой схемы справедливо

(9)

(N - целое число), т. е. здесь получается частотное изменение Df 2 электрического сигнала, пропорциональное угловой скорости W, что очень удобно для практической реализации устройства.

Методы повышения чувствительности еще не обеспечивают высокой стабильности, необходимо учитывать шумовые факторы и принимать меры по их устранению.

Для достижения высокой стабильности необходимо, чтобы внешние возмущения, воспринимаемые световыми лучами, движущимися в противоположных направлениях, были совершенно одинаковыми.

В основной оптической системе, показанной на рис. 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.

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.

Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) можно разделить на два класса :

фазовые, в которых измеряется сдвиг фазы обусловленный вращением;

резонаторные (или двухчастотные), в которых измеряется расщепление резонансных частот пассивного кольцевого волоконного резонатора, пропорциональное угловой скорости.

Первый тип ВОГ представляет собой многовитковый волоконный аналог классического интерферометра Саньяка (рис. 3.31). Конструкция ВОГ на основе катушки волокна позволяет существенно повысить чувствительность прибора без увеличения его габаритных размеров. В этом случае площадь, охватываемая контуром,

где - число витков в катушке; а - площадь, охватываемая одним витком. Выражение (3.96) для принимает вид

Для цилиндрической катушки радиуса

Важным является существенное отличие фазовых ВОГ от других датчиков интерферометрического типа. Как показано в п. 3.4, в многомодовых интерферометрах набег фазы световой волны под действием измеряемых физических полей существенно зависит от номера моды. Саньяковский сдвиг фазы оказывается в первом приближении одинаковым для всех мод в многомодовом волоконном интерферометре. Это теоретически ясно из выражений (3.96) и (3.101), в которые не входит показатель преломления среды. Точный расчет подтверждает эти соображения . Таким образом в фазовых ВОГ могут использоваться многомодовые волоконные световоды, однако при этом необходимо, чтобы световые потоки, распространяющиеся во встречных направлениях, имели одинаковый модовый состав и условия их ваода в световод, были строго одинаковы .

В рассматриваемой нами (рис. 3.31) простейшей схеме ВОГ с двумя делительными зеркалами интенсивность света на входе фотодетекторов (без учета потерь в элементах ВОГ)

где - интенсивность света на выходе источника излучения.

Несложные операции с электрическими сигналами на выходах фотодетекторов позволяют получить выходной сигнал

где - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами фотодетекторов и электронных схем. Простота обработки исключает зависимость выходного сигнала от флуктуаций мощности источника излучения.

Основной недостаток этой схемы, исследовавшейся на первых этапах создания ВОГ, - низкая чувствительность при малых скоростях вращения. Из определения чувствительности ВОГ

очевидно, что при малых скоростях вращения числовое значение мало.

Максимум чувствительности достигается в схемах, использующих дополнительный фазовый сдвиг между встречными волнами . В этом случае

Таким образом, чувствительность гироскопа становится максимальной при При малых скоростях вращения выходной сигнал прямо пропорционален угловой скорости:

Часто используется понятие «масштабный коэффициент гироскопа». Под ним подразумевают коэффициент, характеризующий соотношение между угловой скоростью и измеряемой величиной. В случае фазового ВОГ с «подставкой» угловая скорость и выходной сигнал (ток, напряжение) связаны соотношением

Повышение чувствительности фазовых ВОГ за счет заданной фазовой «подставки» однако, не решает проблемы. Необходимо создать прибор, работающий в широком диапазоне с минимальными случайными и систематическими погрешностями и низким порогом чувствительности. С этой целью в реальных конструкциях принимаются специальные меры для устранения основных причин погрешностей и расширения динамического диапазона

Теоретически, как и во всех волоконно-оптических датчиках, основные ограничения на порог чувствительности и точность ВОГ налагает наличие дробовых шумов фотодетектора, однако в действительности более существенную роль играет ряд других физических процессов. В первую очередь - явления, приводящие, как и эффект Саньяка, к невзаимному сдвигу фаз встречных световых волн.

Сдвиг фаз во внешнем магнитном поле, обусловленный хорошо известным эффектом Фарадея, пропорционален величине где - элементарный участок оптического контура; Н - напряженность магнитного поля, действующего на этот участок; V - постоянная Верде. Если Н - величина, постоянная для всего контура, то фарадеевский сдвиг фаз равен нулю, так как Наличие градиента магнитного поля или различие в

поляризациях встречных волн делают этот сдвиг отличным от нуля. Магнитная экранировка и использование волокон, сохраняющих поляризацию, ослабляют влияние эффекта Фарадея.

Двулучепреломление в волоконном световоде является одним из основных источников ошибок и шумов в ВОГ. Эллиптичность волокна, механические напряжения и другие подобные причины снимают вырождение по поляризации в одномодовом волокне В результате ортогональные линейно-поляризованные моды распространяются с разными скоростями. Само по себе это явление не должно приводить к невзаимному сдвигу фаз. Однако в реальных волокнах случайное расположение участков с двойным лучепреломлением и эллиптичностью сердцевины, а также связь между ортогонально-поляризованными модами приводят к тому, что эффективные оптические пути встречных волн интерферометра становятся различными. Наведенное двулучепреломление и связь между ортогонально-поляризованными модами сильно зависят от внешних акустических и тепловых флуктуаций. Сдвиг нуля ВОГ, обусловленный двулучепреломлением, и поляризационный шум значительно уменьшаются при использовании световодов, сохраняющих поляризацию . Необходим также контроль состояния поляризации в ответвителях на входе и выходе интерферометра .

К невзаимному сдвигу фаз в ВОГ приводит и высокочастотный эффект Керра , известный из нелинейной оптики. Суть его состоит в том, что показатель преломления среды зависит от интенсивности распространяющегося в ней света. Если интенсивности встречных световых волн не равны, постоянные их распространения становятся различными. Этот эффект проявляется очень слабо, однако его необходимо учитывать при создании высокоточных ВОГ. Один из путей минимизации влияния эффекта Керра состоит в использовании электронной системы автоматического выравнивания интенсивностей встречных волн , что, однако, значительно усложняет прибор. Другое решение проблемы заключается в использовании источников излучения с достаточно широким спектром (суперлюминесцентных диодов). При этом усредненный по спектру сдвиг фаз равен нулю .

К числу причин, влияющих на невзаимный сдвиг фаз, необходимо отнести и нестабильность заданной фазовой «подставки». В реальных устройствах ее величина зависит от изменений внешних условий и поляризации вводимого в интерферометр излучения .

Особое место среди факторов, ухудшающих характеристики ВОГ, занимают релеевское рассеяние в световоде и отражение от элементов гироскопа . Эти процессы не влияют на когерентность излучения, но фазы рассеянного и отраженного света могут существенно меняться при изменении внешних условий, а также при акустических и тепловых флуктуациях в пространстве, окружающем световод. Рассеянные и отраженные волны

интерфирируют со встречными волнами и сдвиг фаз, вызванный вращением, становится неразличимым на фоне этой интерференции. Эффективный способ снижения уровня шума, обусловленного рассматриваемыми факторами, состоит в уменьшении длины когерентности излучения источника. Разность хода встречных лучей, определяемая эффектом Саньяка, достаточно мала. Если выбрать источник с широким спектром, так что длина когерентности будет лишь ненамного больше влияние значительной части отраженного и рассеянного света устраняется. Лишь та его часть, которая попадает на фотодетектор с задержкой, не превышающей участвует в формировании шумового сигнала.

Рис. 3.32 Волоконно-оптический гироскоп: 1 - волоконная катушка; 2 - матрица из четырех направленных ответвителей

Безусловно, необходимо и уменьшение числа отражающих поверхностей в ВОГ, т. е. числа элементов в объемном исполнении.

Динамический диапазон фазовых ВОГ ограничивает прежде всего то обстоятельство, что выходной сигнал есть тригонометрическая (т. е. отнюдь не линейная) функция сдвига фаз Линейный участок функций или мал. Кроме того, понятные трудности связаны с периодичностью этих функций. В результате для создания ВОГ с приемлемым динамическим диапазоном необходима специальная обработка его выходного сигнала.

В настоящее время известен ряд перспективных схемных решений фазовых ВОГ , из которых мы выделим те, которые в комплексе решают проблемы уменьшения уровня шумов, погрешностей, повышения чувствительности и расширения динамического диапазона.

В схеме гироскопа, приведенной на рис. 3.32, используется квадратурное детектирование с помощью матрицы из четырех пассивных направленных ответвителей, модуляция масштабного коэффициента и электронная обработка сигнала . Такая схема позволяет в значительной мере исключить ошибки, вызванные невзаимными сдвигами фаз различной природы, линеаризовать выходную характеристику ВОГ (расширить динамический диапазон). Кроме того, регистрация сигнала по переменному току с использованием фильтров или резонансных усилителей приводит к существенному уменьшению влияния шумов источника излучения и регистрирующих схем (эти шумы зависят от частоты как

Направленные ответвители, изготовленные путем сплавления волокон, исключающим их скручивание (см. гл. 4), работают,

как трехдецибельные мосты, обеспечивая при делении сдвиг фаз между световыми волнами. Как видно из рис. 3.32, использование матрицы ответвителей позволяет получить на выходах четырех фотодетекторов нормализованные сигналы вида

Сдвиг фазы в направленном ответвителе всегда отличается от на некоторую величину а которая в силу слабой зависимости параметров ответвителя от внешних условий может зависеть от времени. Кроме того, по причинам, изложенным выше, в ВОГ может иметь место дополнительный сдвиг фаз встречных волн приводящий к систематическим и случайным ошибкам в измерениях. С учетом существования величин выражения (3.105) принимают вид:

Как уже отмечалось, в рассматриваемой схеме осуществляется модуляция масштабного коэффициента ВОГ. С этой целью можно модулировать одну из двух величин, входящих в основное уравнение ВОГ -радиус катушки или длину волны К:

При этом величина становится функцией времени. Заметим, что модуляция или К практически не приводит к модуляции Модуляция легко осуществляется, если волоконная катушка намотана на пьезоэлектрический цилиндр, модуляция длины волны источника излучения К - при использовании полупроводникового -лазера (см. гл. 4).

В качестве примера рассмотрим случай, когда меняется по закону

причем Тогда

Ограничиваясь первым порядком величины получаем

где - саньяковский сдвиг фазы,

Электронная система обработки сигналов осуществляет следующие операции:

Подставив значения из уравнений (3.106), получаем, что

Величина представляющая собой отклонение заданной фазовой «подставки» от значения обычно медленно меняется во времени (в соответствии с изменениями температуры) , поэтому и третье слагаемое в выражении (3.109) пренебрежимо малы. Дифференцируя выражение (3.108), получаем, что

В реальных условиях при современной технологии , поэтому на выходе фильтра, настроенного на частоту модуляции получаем выходной сигнал

Таким образом, амплитуда сигнала на частоте модуляции прямо пропорциональна и соответственно угловой скорости вращения, при этом в значительной мере исключаются ошибки, вызванные невзаимными сдвигами фаз различной природы, и низкочастотные шумы. Чем выше частота модуляции тем ближе к действительности проведенный расчет.

Важно, что рассмотренная схема не содержит сложных замкнутых систем автоматического управления, обработка сигнала может производиться достаточно простыми электронными средствами.

ВОГ такого типа может быть полностью волоконным (не содержать элементов в объемном и планарном исполнении), что снижает число отражающих поверхностей и потери излучения при согласовании.

Этими же достоинствами обладает и другая схема ВОГ, имеющая линейную выходную характеристику, а значит и широкий динамический диапазон (рис. 3.33, а). Фазовый модулятор, представляющий собой пьезоэлектрический цилиндр с несколькими витками волокна (см. гл. 4), расположен несимметрично относительно входа - выхода интерферометра, поэтому происходит модуляция сдвига фазы между встречными волнами.

Рис. 3.33. ВОГ с линеаризацией масштабного коэффициента а - функциональная схема; б - временная диаграмма; 1 - источник излучения, 2 - волоконная катушка: 3 - фазовый модулятор» 4 - генератор модулирующей частоты f, 5 - фотодетектор. 6 - полосовой усилитель, 7 - переключатель каналов, 8, 9 - полосовые фильтры, 10 - измеритель сдвига фаз

Если на модулятор подается напряжение с угловой частотой то ток на выходе фотодетектора меняется по закону

где - коэффициент пропорциональности; - амплитуда фазовой модуляции.

Осуществляя переключение между каналами 1 и 2 в моменты времени, соответствующие максимумам и минимумам модулирующего напряжения, как это показано на временных диаграммах (рис. 3.33, б), и выделяя фильтрами сигналы на частоте получаем на выходе первого канала

и на выходе второго канала

где А - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами фотодетектора, электронных схем и глубиной модуляции. Измеряя сдвиг фаз между сигналами первого и второго каналов аналоговым измерителем сдвига фаз или цифровым счетчиком временных интервалов, мы получаем значение удвоенного саньяковского сдвига, прямо пропорционального угловой скорости вращения.

Таким образом, в рассмотренной схеме регистрация сигнала по переменному току существенно снижает уровень шумов, непосредственное измерение фазового сдвига линеаризует масштабный коэффициент прибора. Однако ошибки, связанные с эффектами Фарадея, Керра, двулучепреломлением, остаются, для их устранения необходимо принимать меры, рассмотренные выше.

В другой схеме ВОГ (рис. 3.34), описанной в работах , так же как и в лазерном гироскопе, измеряется расщепление резонансных частот кольцевого резонатора, вызванное вращением с помощью внешнего лазерного источника излучения. В этом случае устраняются недостатки лазерных гироскопов, связанные с наличием нелинейного элемента - активной среды в резонаторе.

Рис. 3.34. Резонаториып ВОГ: 1 - гелий-неоновый лазер; 2, 4 - акустические ячейки Брэгга, 3 - генератор частоты ; 5 - генератор частоты 6 - направленный ответвитель 7 - резонатор, 8,9 - фотодетекторы, 10 - схема автоиодстройки частоты ; 11 - схема автоподстройки периметра резонатора, 12 - смеситель

Свет с частотой от источника излучения поступает на две брэгговские акустооптические ячейки, сдвигающие световую частоту на величины и соответственно. Излучение с частотой через направленный ответвитель вводится в кольцевой волоконный резонатор и распространяется в нем по часовой стрелке. Излучение с частотой также вводится в резонатор и распространяется против часовой стрелки. Система автоподстройки длины периметра подстраивает ее так, чтобы резонансная частота резонатора для волны, бегущей по часовой стрелке, совпала с частотой . Система автоподстройки частоты генератора подстраивает величину так, чтобы совпадала с резонансной частотой для волны, бегущей против часовой стрелки. В результате величины есть резонансные частоты волоконного резонатора для встречных направлений, а их разность пропорциональна произведению числа витков катушки на ее радиус тогда как расщепление частот пропорционально просто радиусу

В выражении для чувствительности резонаторного ВОГ, в отличие от фазового, появляется эффективный показатель преломления моды световода пэфф. Во-первых, это означает, что в резонаторных ВОГ можно использовать только одномодовые световоды, так как значение пэфф зависит от номера моды. Во-вторых, в резонаторных ВОГ наряду с общими для обоих типов ВОГ погрешностями и шумами (вызванными обратным рассеянием и отражением, двулучепреломлением, эффектами Фарадея и Керра) появляется погрешность, обусловленная зависимостью от внешних воздействий, изменений давления, температуры и т. п. (см. п. 3.3). Надо отметить, что при одновременном измерении и частотного интервала между соседними продольными модами волоконного резонатора лэфф становится измеряемой величиной и

Методика измерения расщепления резонансшях частот для встречных направлений с помощью внешнего источника излучения, используемая в резонаторных ВОГ, накладывает жесткие ограничения на ширину спектральной линии излучения. Лучшие результаты получены с использованием гелий-иеонового одночастотного лазера, тогда как в фазовых ВОГ используются слабокогерентные источники (полупроводниковые лазеры и светодиоды). Кроме того, даже если предположить, что излучение монохроматично, порог чувствительности резонаторного ВОГ будет

зависеть от ширины резонансной кривой оптического резонатора, минимальная измеряемая угловая скорость 60 будет определяться выражением

где Г - ширина резонансной кривой оптического резонатора; - среднее в единицу времени число фотонов, попадающих на фотодетектор; - квантовая эффективность фотодетектора; - время осреднения в ВОГ. В целях повышения добротности резонатора (уменьшения Г) имеет смысл увеличивать его длину (например, за счет использования многовитковой конструкции) до тех пор, пока потери в световоде не станут сравнимыми с потерями за счет других факторов

Наряду с перечисленными недостатками необходимо отметить два несомненных преимущества резонаторных ВОГ перед фазовыми. Первое из них заключается в том, что измеряемая величина - расщепление частот - прямо пропорциональна угловой скорости 0. Это означает, что динамический диапазон резонаторного ВОГ не ограничен сверху.

Второе приемущество резонаторных ВОГ состоит в том, что по своей сути они являются цифровыми приборами, легко стыкующимися с вычислительными устройствами. В них, как и в лазерных гироскопах , измерение разности частот за определенный интервал времени есть не что иное, как счет числа импульсов.

Число импульсов соответствует углу поворота системы за время

Фазовые ВОГ измеряют аналоговый сигнал, и лишь в специальных схемах, подобных описанной выше, измерение фазы приводится к измерению интервалов времени.

Введение

Принцип действия оптического гироскопа

Структурные схемы оптических гироскопов

Кольцевой лазерный гироскоп.

Волоконно-оптические гироскопы.

Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа

Методы повышения чувствительности

Шумовые факторы, методы их устранения

Основные оптические системы с повышенной стабильностью

Факторы, ограничивающие разрешающую способность

Характеристики и методы их улучшения

Система с фазовой модуляцией

Системы с изменением частоты

Система со световым гетеродинированием

Заключение

Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инерциальной навигационной системы, обрабатывающей информацию о местонахождении самолета или судна с целью выведения его на курс. В состав этой системы обычно входит три гироскопа - для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей, три акселерометра - для определения скорости и расстояния и направлении трех осей и компьютер - для обработки выходных сигналов этих приборов. К самолетным гироскопам предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля 0,01°/ч, динамический диапазон 6 порядков, высокая стабильность (10 -5) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал. До сих пор применялись в основном механические гироскопы, работающие на основе эффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального пространства (закон сохранения момента количества движения). Это дорогостоящие приборы, поскольку требуется высокая точность формы тела вращения и минимальное возможное трение подшипников. В отличие от механических оптические гироскопы, например, волоконно-оптические, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую рядом достоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к ускорению; простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность.

Кроме того, возможно снижение стоимости волоконно-оптических гироскопов за счет внедрения оптических интегральных схем. Наряду с использованием в самолетах и на судах можно ожидать по мере прогресса в технике гироскопов применения их в автомобилях, роботах и т. д.

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 1, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью W, между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.

Пусть коэффициент преломления на оптическом пути n=1. При радиусе оптического пути a время достижения расщепителя лучей светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как

в противоположном направлении -

где с - скорость света.

Из формул (1) и (2) разность времени распространения двух световых волн с учетом c>>aW

(3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей

или, иначе говоря, разность фаз

Здесь S - площадь, окаймленная оптическим путем; k - волновое число.

Формула (5) вытекает из формулы (3) при допущении, что n=1 и оптический путь имеет круговую форму, но возможно доказать, что формула (5) является основной для эффекта Саньяка. Она не зависит от формы оптического пути, положения центра вращения и коэффициента преломления.

На рис. 3 приведены общие схемы систем, разработанных для повышения точности измерений. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 3, а) отличается высокой частотой световой волны - до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на рис. 3, б имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.

Кольцевой лазерный гироскоп изготовляется подобно газовому лазеру: в кварцевом блоке путем расплавления создается полость (канал) в форме треугольника и заполняется смесью гелия и неона. Длина волны генерируемого лазером излучения 632,8 нм. Обычно частота генерации изменяется в зависимости от длины лазерного резонатора. И в данном случае частоты двух генерируемых световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях по треугольному оптическому пути (рис. 3, а), неодинаковы из-за разности оптической длины DL [см. формулу (4)]. Поэтому можно использовать для измерений частоту биений обеих генерируемых световых волн, а именно

Здесь L - общая длина оптического пути в кольцевом резонаторе; l - длина волны генерации в состоянии покоя.

Иначе говоря, измерив Df, можно определить угловую скорость относительно инерциального пространства. Поскольку частота света составляет несколько сотен терагерц, даже ее незначительные изменения позволяют измерить разность частот. Если выходным сигналом служит частота, пропорциональная угловой скорости, то подсчетом выходных волн можно определить приращение угла поворота в цифровой форме, что обеспечивает высокую точность информации, подаваемой в навигационное вычислительное устройство. Измерение частоты возможно в широком динамическом диапазоне, а следовательно, и динамический диапазон кольцевого лазерного гироскопа вполне можно расширить и сделать достаточным для инерциальной навигационной системы. В этом большое преимущество данных гироскопов.

Исследование кольцевых лазерных гироскопов началось в 60-х годах. К настоящему времени достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки примерно 0,001°/ч. В последнее время кольцевые лазерные гироскопы применяются в инерциальной системе отсчета не только в самолетах “Боинг” 757/767, но и в аэробусах А310. В Японии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01°/ч.

Таким образом, кольцевой лазерный гироскоп достиг уже стадии практического применения, но, тем не менее, остается ряд нерешенных проблем:

1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости (влияние синхронизма).

2. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере.

3. Изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.

Из этих проблем самой важной является первая. При малых угловых скоростях уменьшается разность частот генерируемых световых волн, а это приводит к синхронизму (Df=0) и невозможности обнаружения вращения. (Типичный порог обнаружения при этом 10°/ч.) Зона нечувствительности, обусловленная синхронизмом, показана на рис. 3, a штриховыми линиями. Указанная выше разрешающая способность обнаружения 0,001°/ч обеспечивается при подавлении явления синхронизма путем приведения всей системы к микроколебаниям (метод Дейза). Но нелинейность при незначительном повороте все же остается, кроме того, это означает, что не используется такое преимущество оптического гироскопа, как его неподвижность.

(7)

где N - число витков в катушке из волокна; L - длина волокна; а - радиус катушки.

Следует обратить внимание на то, что в основные формулы не входит коэффициент преломления света в волокне.

Благодаря совершенствованию технологии производства выпускается волокно с очень низкими потерями. Чтобы не повредить волокно, намотка производится на катушку радиусом несколько сантиметров. При этом не наблюдается сколько-нибудь заметного увеличения потерь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высокочувствительный интерферометр Саньяка с катушкой небольшого радиуса (2...5 см), намотав на нее волокно большой длины. Сформировав оптимальную оптическую систему, можно измерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной навигации - порядка 10 -6` рад), а затем из формулы (7) определять круговую скорость. Все это и составляет принцип работы волоконно-оптического гироскопа.

Пределы обнаружения угловой скорости. В основной оптической системе на рис. 4 в состоянии оптические пути для света в обоих направлениях обхода будут одинаковы по длине, а поскольку сигнал на выходе светоприемника изменяется пропорционально , то гироскоп нечувствителен к очень малым поворотам. Считается, что в системе с оптимальной чувствительностью теоретические пределы обнаружения угловой скорости связаны с дробовым шумом светоприемника. Анализ показывает, что для оптического волокна с потерями a существует определенная длина, позволяющая оптимизировать пределы обнаружения при дробовом шуме:

(8)

В реальных волоконно-оптических гироскопах возможности ограничены шумовыми факторами.

(9)

Если же на оптическом пути поместить, как это показано в обведенной штриховой линией части на рис. 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. 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 со световым гетеродинированием эффективное решение проблемы - 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 для мод с ортогональной поляризацией возникает разность длины оптического пути для этих мод, поэтому использование источника с низкой когерентностью излучения делает невозможным интерференцию между модами. Аналогичного эффекта можно добиться и при использовании деполяризатора.

Таблица 1. Шумовые факторы в волоконно-оптических гироскопах

Шумовой фактор
Колебания поляризации в оптическом волокне, например, преобразование линейной поляризации в круговую в одномодовом волокне	Включение на выходе волокна анализатора, для того чтобы выделить составляющую поляризации одного направления
Разность длины оптических путей для световых волн, идущих в противоположных направлениях, при динамической нестабильности спектра источника света	Стабилизация спектра источника света
Разность частот волн, идущих по волокну в противоположных направлениях, при колебаниях температуры	Использование двух акустооптических модуляторов или модуляция прямоугольными импульсами
Неравномерность распределения температуры вдоль волокна	Намотка оптического волокна, при которой распределение температуры симметрично относительно середины катушки
Изменение фазы выходного сигнала из-за эффекта Фарадея в волокне под воздействием колебаний магнитного поля Земли	Магнитное экранирование и использование волокна с сохранением поляризации
Колебания (в расщепителе луча) отношения интенсивности прямого и обратного луча вследствие оптического эффекта Керра	Модуляция излучаемого света прямоугольными импульсами со скважностью 50%; использование широкополосного источника света
Интерференция прямого луча и луча обратного рассеяния Рэлея	Фазовая модуляция световой волны; импульсная частотная модуляция лазерного излучения; использование слабоинтеферирующего источника света

Среди факторов, ограничивающих кратковременную разрешающую 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 световой волны, импульсные методы, а также метод, при котором используется источник света с широким спектром и низкой когерентностью, ухудшающий интерференцию из-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:

(10)

где a 0 - потери рассеяния Рэлея в оптическом волокне; b R - доля светового рассеяния Рэлея, распространяющаяся в обратном направлении; Df s - ширина спектра источника света.

На рис. 9 представлены результаты эксперимента, показывающие, как по мере расширения спектра излучения повышается разрешающая способность волоконно-оптического гироскопа. Таким образом, в волоконно-оптических гироскопах уменьшение когерентности источника света эффективно для снижения не только шумов расстояния Рэлея, но и шумов эффекта Керра.

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 (15°/ч=7,3×10 -5 рад/с). Особенно велики достижения в системах с фазовой модуляцией, у которых разрешающая способность и дрейф примерно 0,02°/ч, что приемлемо для инерциальной навигации.

Исследуется возможность реализации гироскопов с использованием технологии микрооптики, функциональных волоконных и волноводных элементов. Уже выпускаются волоконно-оптические гироскопы с разрешающей способностью 1°/ч. Кроме того, углубляется изучение систем, пригодных для инерциальной навигации.

На рис. 10 представлена оптическая система гироскопа, разработанная в Стаффордском университете, на одномодовом оптическом волокне, подвергнутом в некоторых местах специальной обработке, а именно: регулятор поляризационного типа, направленный ответвитель, поляризатор, фазовый модулятор и другие - функциональные элементы на оптическом волокне, полученные путем его обработки. Paдиyc кольца из оптического волокна 7 см, длина волокна 580 м. 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. 10, достигается разрешающая способность 0,022°/ч (рис. 11, а). 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. 11, б, 0,02°/ч, при времени интегрирования 30 с).

Для уменьшения колебаний поляризации предложена фазовая модуляция выходного сигнала с использованием основной волны и второй гармоники, а также метод, при котором измеряются 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 волноводных 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. 12, а представлена система, в которой: сигнал возбуждения фазового модулятора формируется путем интегрирования пилообразного напряжения и на выходе подучается сигнал квазигетеродинирования. На рис. 12, б показано изменение фазы электрического сигнала переменного тока при вращении гироскопа. Имеются и другие попытки реализации квазигетеродинного светового метода на основе фазовой модуляции. Например, система комбинируется со схемой обработки фазы (см. рис. 7), что позволяет расширить динамический диапазон и стабилизировать масштабный коэффициент, т. е. компенсировать недостатки метода фазовой модуляции. В этой системе требуется точная установка параметров формы модулирующего сигнала и трудно добиться технических характеристик, удовлетворяющих инерциальную 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 волноводных функциональных оптических элементов, приборов интегральной оптики. В частности, западногерманская фирма SEL уже выпускает гироскопы с разрешающей способностью около 15°/ч 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 80´80´25 мм, масса 200 г.

На рис. 13, а представлена структура волоконно-оптического гироскопа с изменением частоты, разработанного западногерманской фирмой SEL, в нем два опорных генератора с частотой f L и f Н, с помощью которых устанавливается разность фаз p, которая коммутируется с частотой f с. Все это позволяет увеличить чувствительность. В частности, в стационарном режиме частота f возбуждения AOM1 равна (f L +f Н)/2, т. е. при коммутации между f Н и f L выходной сигнал интерферометра не изменяется. В режиме c. установившейся частотой f составляющая f c на выходе интерферометра отсутствует, что может быть основой для обратной связи для генератора, управляемого напряжением. При вращении гироскопа частота f отклоняется от значения (f L +f Н)/2 и в соответствии с установившейся разностью можно определить по формуле скорость этого вращения:

В данной системе эффективно снижаются шумы, поскольку частота f 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 f Н - f L . Динамический диапазон, как видно на рис. 13, б, простирается на шесть порядков, что является особенностью метода изменения частоты.

Если расстояние от модуляторов АОМ1 и АОМ2 до расщепителя луча неодинаково, возникает дрейф нуля. Из-за этого стабильность нулевой точки ухудшается до стабильности в системе с фазовой модуляцией. Тем не менее, эти изделия уже выпускаются (с дрейфом около 3°/ч). 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 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 сдвигатели в виде волоконно-оптических фукциональных элементов и световых волноводов. Кроме того, интегрируются два AOM и объектив на подложке из LiNbО 3 . Проектируются также системы с частотным сдвигом, полученным на основе фазового метода.

На рис. 14 представлена общая структура фазовой системы, выполненной на базе интегральной схемы. Фазовый модулятор волноводного типа имеет хорошие частотные характеристики, поэтому возможно возбуждение пилообразным напряжением и реализация фазовой системы. При этом, если амплитуда пилообразного напряжения возбуждения строго соответствует 2p, 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 цифроаналогового преобразователя, который обеспечивает требуемую пилообразную форму напряжения с фронтом из микроступеней. Частота его определяется как Df из формулы (11), 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 0,3°/ч и динамическим диапазоном в 7 порядков.

Система на рис. 6 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. 15 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. 15, а поясняется работа данной системы. По вертикальной оси откладывается изменение частоты, которое пропорционально угловой скорости, причем один отсчет соответствуег угловому сдвигу 4" (при 10-кратном усилении 0,4" на 1 отсчет). Скорость вращения земного шара 0,0042°/с, кратковременная разрешающая способность 5°/ч. На рис. 15, б приведена характеристика передачи (вход-выход). Скорость 11°/ч соответствует фазовой разности 180°. Линейность характеристики улучшена благодаря применению нулевого метода. Верхняя граница обнаружения вращения, определяемая электронной схемой, составляет 100°/c, 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 интегральной схемы.

Рассмотрен принцип действия некоторых оптических гироскопов, в том числе волоконно-оптических. Благодаря методу фазовой модуляции достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки в соответствии с требованиями инерциальной 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 на микрооптической технологии, волоконно-оптических функциональных элементах, оптических волноводных элементах. К настоящему времени такие гироскопы среднего класса уже имеются в продаже.

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 флюктуаций собственного вращения Земли и др.

Волноводы оптической связи, Теумин И.И.
Волоконно-оптические датчики, под ред. Т.Окоси, перевод с япон.
Оптические волноводы, Marcuse D., перевод с англ.
Основы волоконно-оптической связи, под ред. Е.М.Дианова, перевод с англ.

Волоконный оптический гироскоп

Введение

Волоконный оптический гироскоп (ВОГ) - оптико-электронный прибор, создание которого стало возможным лишь с развитием и совершенствованием элементной базы квантовой электроники. Прибор измеряет угловую скорость и углы поворота объекта, на котором он установлен. Принцип действия ВОГ основан на вихревом (вращательном) эффекте Саньяка.

Интерес зарубежных и отечественных фирм к оптическому гироскопу базируется на его потенциальных возможностях применения в качестве чувствительного элемента вращения в инерциальных системах навигации, управления и стабилизации. Этот прибор в ряде случаев может полностью заменить сложные и дорогостоящие электромеханические (роторные) гироскопы и трехосные гиростабилизированные платформы. По данным зарубежной печати в будущем в США около 50% всех гироскопов, используемых в системах навигации, управления и стабилизации объектов различного назначения, предполагается заменить волоконными оптическими гироскопами.

Возможность создания реального высокочувствительного ВОГ появилась лишь с промышленной разработкой одномодового диэлектрического световода с малым затуханием. Именно конструирование ВОГ на таких световодах определяет уникальные свойства прибора. К этим свойствам относят:

потенциально высокую чувствительность (точность) прибора, которая уже сейчас на экспериментальных макетах 0,1 град/ч и менее;

малые габариты и массу.конструкции, благодаря возможности создания ВОГ полностью на интегральных оптических схемах;

невысокую стоимость производства и конструирования при массовом изготовлении и относительную простоту технологии;

ничтожное потребление энергии, что имеет немаловажное значение при использовании ВОГ на борту;

большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей (в частности, например, одним прибором можно измерять скорость поворота от 1 град/ч до 300 град/с);

отсутствие вращающихся механических элементов (роторов) и подшипников, что повышает надежность и удешевляет их производство;

практически мгновенную готовность к работе, поскольку не затрачивается время на раскрутку ротора;

нечувствительность к большим линейным ускорениям и следовательно, работоспособность в условиях высоких механических перегрузок;

высокую помехоустойчивость, низкую чувствительность к мощным внешним электромагнитным воздействиям благодаря диэлектрической природе волокна;

слабую подверженность проникающей гамма-нейтронной радиации, особенно в диапазоне 1,3 мкм.

Волоконный оптический гироскоп может быть применен в качестве жестко закрепленного на корпусе носителя чувствительного элемента (датчика) вращения в инерциальных системах управления и стабилизации. Механические гироскопы имеют так называемые гиромеханические ошибки, которые особенно сильно проявляются при маневрировании носителя (самолета, ракеты, космического аппарата). Эти ошибки еще более значительны если инерциальная система управления конструируется с жестко закрепленными или "подвешенными" датчиками непосредственно к телу носителя. Перспектива использования дешевого оптического датчика вращения, который способен работать без гиромеханических ошибок в инерциальной системе управления, есть еще одна причина особого интереса к оптическому гироскопу.

Появление идеи и первых конструкций волоконного оптического гироскопа тесно связан с разработкой кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ). В КЛГ чувствительным контуром является кольцевой самовозбуждающийся резонатор с активной газовой средой и отражающими зеркалами, в то время как в ВОГ пассивный многовитковый диэлектрический световодный контур возбуждается "внешним" источником светового излучения. Эти особенности определяют по крайней мере пять преимуществ ВОГ по сравнению с КЛГ:

В ВОГ отсутствует синхронизация противоположно бегущих типов колебаний вблизи нулевого значения угловой скорости вращения, что позволяет измерять очень малые угловые скорости, без необходимости конструировать сложные в настройке устройства смещения нулевой точки;

2. Эффект Саньяка, на котором основан принцип работы прибора, проявляется на несколько порядков сильнее из-за малых потерь в оптическом волокне и большой длины волокна.

3. Конструкция ВОГ целиком выполняется в виде твердого тела (в перспективе полностью на интегральных оптических схемах), что облегчает эксплуатацию и повышает надежность по сравнению с КЛГ.

4. ВОГ измеряет скорость вращения, в то время как КЛГ фиксирует приращение скорости.

5. Конфигурация ВОГ позволяет "чувствовать" реверс направления вращения.

Эти свойства ВОГ, позволяющие создать простые высокоточные конструкции полностью на дешевых твердых интегральных оптических схемах при массовом производстве привлекают пристальное внимание разработчиков систем управления. По мнению ряда зарубежных фирм, благодаря уникальным техническим возможностям ВОГ будут интенсивно развиваться.

Зарубежные авторы констатируют, что разработка конструкции ВОГ и доведение его до серийных образцов не простая задача. При разработке ВОГ ученые и инженеры сталкиваются с рядом трудностей. Первая связана с технологией производства элементов ВОГ. В настоящее время еще мало хорошего одномодового волокна, сохраняющего направление поляризации; производство светоделителей, поляризаторов, фазовых и частотных модуляторов, пространственных фильтров, интегральных оптических схем находится на начальной стадии развития. Число разработанных специально для ВОГ излучателей и фотодетекторов ограничено.

Фирмами и разработчиками ВОГ обе эти задачи решаются. Совершенствуется технология производства элементов в ВОГ, теоретически и экспериментально исследуются физическая природа возмущений и нестабильностей, создаются и испытываются различные схемные варианты ВОГ с компенсацией этих возмущений, разрабатываются фундаментальные вопросы использования интегральной оптики. Точность ВОГ уже сейчас близка к требуемой в инерциальных системах управления.

В специальной научной и периодической литературе проблеме ВОГ уже опубликовано множество научных статей. Анализ этих статей свидетельствует о необходимости дальнейшего изучения этой проблемы и разработки новых способов улучшения качественных характеристик ВОГ.

Систематизация и обобщение узловых вопросов теории и практики создания ВОГ также является важным этапом.

Задачей дипломной работы является анализ работы ВОГ, обобщенной модели шумов и нестабильностей и оценка предельной (потенциальной) чувствительности прибора. На основе свойства взаимности необходимо рассмотреть минимальную конфигурацию ВОГ. Затем оценить современное состояние элементной базы. При этом значительное внимание уделить свойствам волоконных световодов и провести анализ возможных неоднородностей и потерь для различных типов волокон. Рассмотреть основные элементы ВОГ: волоконный контур, излучатели и фотодетекторы, а также предложить способы компенсации шумов и нестабильностей ВОГ (таких, как обратное рэлеевское рассеяние, оптический нелинейный эффект, температурные градиенты, магнитное поле и др.).

Основной задачей дипломной работы является рассмотрение ключевых аспектов теории ВОГ на основе анализа погрешностей его элементов и качественной оценки точностных характеристик устройства с учетом использования различных подходов к решению проблемы повышения его чувствительности.

Необходимо также рассмотреть различные схемотехнические методы снижения уровня шумов и нестабильностей ВОГ.

Отдельно отразить технико-экономические аспекты работы, вопросы безопасности жизнедеятельности при проведении исследований, а также проблемы экологической безопасности при использовании прибора.

1. Принципы волоконно-оптической гироскопии

1.1. Основные характеристики ВОГ

Оптический гироскоп относится к классу приборов, в которых в замкнутом оптическом контуре распространяются встречно бегущие световые лучи. Принцип действия оптического гироскопа основан на "вихревом" эффекте Саньяка, открытым этим ученым в 1913 г. . Сущность вихревого эффекта заключается в следующем. Если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при неподвижном контуре фазовые набеги обоих лучей, прошедших весь контур, будут одинаковыми. При вращении контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые набеги лучей неодинаковы, а разность фаз лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура. Для объяснения вихревого эффекта Саньяка разработаны три теории: кинематическая, доплеровская и релятивистская. Наиболее простая из них - кинематическая, наиболее строгая - релятивистская, основанная на общей теории относительности. Рассмотрим вихревой эффект Саньяка в рамках кинематической теории.

В зависимости от конструкции замкнутого оптического контура различают два типа оптических гироскопов. Первый тип, так называемый кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), в котором контур образован активной средой (смесью газов гелия и неона) и соответствующими зеркалами, образующими замкнутый путь (кольцевой лазер) . Второй тип-волоконный оптический гироскоп (ВОГ), в котором замкнутый контур образован многовитковой катушкой оптического волокна. Принципиальная схема ВОГ показана на рис. 1.3.

1.2. Принцип взаимности и регистрация фазы в ВОГ

В типичных экспериментальных конструкциях гироскопов используется катушка с R = 100 мм при длине волокна L = 500 м. Обнаружение скорости вращения в 1 град/ч требует регистрации фазы с разрешением порядка 10 -5 рад. Это показано на рис. 1.4., где изображены значения фазового сдвига в функции угловой скорости вращения контура и величины LR при  = 0,63 мкм.

Оптические интерференционные системы фазовой регистрации с такой чувствительностью хорошо известны, однако в гироскопах существуют некоторые особые моменты, связанные с регистрацией фазы. Первый связан с тем фактом, что зачастую гироскоп работает с номинальной почти нулевой разностью хода, и для малых изменений в относительном значении фазы имеет место пренебрежимо малое изменение интенсивности на выходе.

Рис 1.4. Фаза Саньяка в угловой скорости вращения для различных значений параметра LR.

Работа при смещении фазы в 90° максимизирует чувствительность, однако это вносит некоторую невзаимность для двух направлений распространения лучей в гироскопе, т. к. фаза луча, распространяющегося по часовой стрелке, отличается от фазы луча, распространяющегося против часовой стрелки, в отсутствии вращения.

Свойство взаимности - это второй важный момент в ВОГ. Фазовая невзаимность в ВОГ определяется дифференциальной разностью фаз встречно бегущих лучей. Любая фазовая невзаимность (разность фаз) для двух направлений дает изменения в показаниях гироскопа. Если невзаимность является функцией времени, то имеет место некоторый временной дрейф в показаниях гироскопа. Волокно длиной 500 м дает фазовую задержку порядка 10 10 рад. Таким образом, для того чтобы зарегистрировать скорость вращения 0,05 град/ч, нужно, чтобы пути распространения противоположно бегущих лучей согласовывались с относительной точностью до 10 -17 рад.

Следует, кроме того, отметить, что сам принцип действия волоконного оптического гироскопа основан на невзаимном свойстве распространения встречных волн во вращающейся системе отсчета (появление разности фазовых набегов двух лучей при вращении). Поэтому несомненна важность анализа невзаимных эффектов и устройств в ВОГ (по меньшей мере, хотя бы для определения точности прибора).

Применительно к ВОГ анализ принципа взаимности удобно проводить для цепи с четырьмя входами и выходами. Для оптического волновода четыре входа соответствуют вводам излучения вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений поляризации на каждом конце волокна. Соответствующие входы и выходы определяются вдоль идентичных поляризационных осей.

Отсюда следует, что в случае ввода излучения с исходным направлением поляризации Х свет, выходящий с ортогональным направлением поляризации У, будет обладать различными набегами фазы в каждом направлении распространения, а свет, выходящий с исходным направлением поляризации X, будет обладать одинаковыми набегами фазы для каждого направления распространения.

В этом часть требований, налагаемых интерпретацией теоремы взаимности Лоренца, которая постулирует, что в случае линейной системы оптические пути в точности взаимны, если данная входная пространственная мода оказывается такой же на выходе.

Одним из параметров пространственной моды является поляризация; второй параметр также должен быть определен, например пространственное распределение (расположение) моды. Следовательно, на конце контура ВОГ должны быть как поляризационный фильтр (селектирующий исходную поляризацию), так и пространственный фильтр, что будет удовлетворять принципу взаимности Лоренца.

Эти довольно простые устройства в конструкции ВОГ (при условии, что они могут быть реализованы с достаточной точностью) будут гарантировать условия взаимности в системе, но только в том случае, если выполняется условие линейности. Если же нелинейности значительны, то ВОГ будет обладать взаимностью в том случае, если имеется точная симметрия относительно средней точки волоконного контура. Это условие подразумевает, что энергия, вводимая в каждый конец контура, одинакова и что свойства волокна равномерно распределены (или по крайней мере симметричны).

Мощность оптического излучения, вводимого в волокно, столь мала (всегда меньше чем 1...2 мВт), что, казалось бы, нелинейностями можно пренебречь. Однако чувствительность ВОГ к невзаимностям чрезвычайно высока и нелинейные эффекты (в частности, эффект Керра) приводят к заметным не взаимностям, эквивалентным скорости вращения выше 1 град/ч. В оптическом волокне имеет место вращение плоскости поляризации линейно-поляризованного света под действием внешнего магнитного поля (эффект Фарадея).

Вращение Фарадея - это другой невзаимный эффект. В случае линейно-поляризованного света полное вращение зависит от линейного интеграла тока, взятого по оптическому пути. В случае ВОГ этот интеграл равен нулю в магнитном поле Земли. Однако, более тщательное изучение взаимодействия света в волокне и магнитного поля вдоль волокна указывает на то, что истинным источником вращения является индуцированное круговое двойное лучепреломление и что упомянутый выше простой подход оказывается полезным только в том случае, если обе круговые компоненты поляризации (правая и левая) обладают одинаковыми амплитудами. Это справедливо только для случая линейно-поляризованного света.

При распространении света в волокне имеют место все возможные состояния поляризации и процент пребывания света в каждом собственном круговом поляризационном состоянии Фарадеевского ротатора изменяется вдоль оптического пути случайным образом. Это приводит в результате к определенной разности фаз для двух направлений распространения линейно-поляризованной моды на выходе.

Таким образом, ВОГ весьма чувствителен к магнитному полю Земли, и при конструировании ВОГ для измерения скорости вращения требуется магнитное экранирование (или обеспечение линейной поляризации света на всем пути в волокне). Предполагая, что магнитное поле Земли равно 27 A*m 2 и считая, что компенсация поля отсутствует на 5% длины волокна, можно получить значение отклонения фазы, которое эквивалентно скорости вращения Земли.

Вышеизложенные моменты включали невзаимные эффекты, индуцированные в волокне; однако, уже даже первые этапы при конструировании ВОГ с точки зрения сохранения взаимности в системе регистрации должны заключаться в том, чтобы обеспечить одинаковую длину оптических путей в ВОГ.

Из рис. 1.3. видно, что эта конфигурация не обладает свойством взаимности, так как пучок света, распространяющийся по часовой стрелке, проходит через делитель света дважды, а пучок света, распространяющийся против часовой стрелки, отражается от светоделителя дважды. Но в то же время взаимный оптический выходной путь от чувствительного контура идет в направлении обратно к источнику (от светоделителя к диоду), т. е. вдоль входного оптического пути.

Следовательно, добиться взаимности в системе регистрации можно, если поместить второй расщепитель пучка вдоль входногo оптического пути (рис. 1.5.).

Диапазон скоростей вращения, которые измеряются высокочувствительным гироскопом инерциальных систем управления, простирается от 0,1 град/ч до 400 град/ч. При LR = 100 м этим значениям скорости соответствует диапазон изменения фазы от 10 до 10 рад (рис.1.4.).

Рис 1.5. Схема ВОГ с постоянным смещением разности фаз.

К настоящему времени уже затрачены значительные усилия на увеличение чувствительности прибора к низким скоростям, и в то же время весьма мало внимания уделяется проблемам, связанным с увеличением требуемого динамического диапазона.

Как уже отмечалось, в случае необходимости измерения больших изменений интенсивности для данного изменения фазы нужно внести фазовый сдвиг /2, т. е. интерферометр должен работать в режиме квадратуры. В этом режиме связь между изменениями интенсивности и изменениями фазы является линейной (до 1%) только до максимальных отклонений фазы в 0,1 рад. Компенсация нелинейности может быть осуществлена в самой системе регистрации, однако лишь до максимального отклонения фазы порядка 1 рад.

Существует ряд способов регистрации фазы, которые могут быть использованы при конструировании ВОГ.

Наиболее распространены схемы, где используется статическая разность фаз в 90° между двумя лучами и схемы с переменной разностью фаз в 90°.

Статическая невзаимная разность фаз между лучами, распространяющимися по часовой и против часовой стрелки, может создаваться, например, с помощью элемента Фарадея, размещаемого на одном конце волоконного контура (рис. 1.5.). Изменения регистрируемой интенсивности на взаимном выходе соответствуют изменениям в значении относительной фазы для двух лучей, обегающих контур.

Основываясь на принципах смещения фазы можно предложить другой принцип регистрации обладающий более высокой чувствительностью.

1.3. Модель шумов и нестабильностей в ВОГ.

Волоконный оптический гироскоп представляет собой достаточно сложную оптико-электронную систему. При конструировании реального прибора оптические элементы и электронные устройства должны выбираться и компоноваться так, чтобы минимизировать влияние внешних возмущений (температурных градиентов, механических и акустических вибраций, магнитных полей и др.). В самом приборе, кроме того, имеет место ряд внутренних источников шумов и нестабильностей. Условно эти шумы и нестабильности можно разделить на быстрые и медленные возмущения. Быстрые возмущения оказывают случайное кратковременное усредненное влияние (секунды) на чувствительность ВОГ; они отчетливо проявляются при нулевой скорости вращения (кратковременный шум). Медленные возмущения вызывают медленный дрейф сигнала, приводящий к долговременным уходам в считывании показаний ВОГ (долговременный дрейф).

Обобщенная модель источников шумов и нестабильностей в ВОГ показана на рис. 1.6.

Рис 1.6. Обобщённая модель шумов и нестабильностей в ВОГ.

Если исключить влияние всех источников шумов и нестабильностей в ВОГ, что, конечно возможно лишь в принципе, то всегда остаются принципиально неустранимые шумы - так называемые квантовые или фотонные шумы; их называют также дробовыми шумами. Эти шумы появляются лишь в присутствии полезного оптического сигнала на входе фотодетектора и обусловлены случайным распределением скорости прихода фотонов на фотодетектор, что приводит к случайным флуктуациям тока фотодетектора. В этом случае чувствительность (точность) ВОГ ограничивается лишь дробовыми (фотонными) шумами. Чувствительность (точность) ВОГ, определяемая дробовыми (фотонными) шумами, как и всяких других оптических информационно-измерительных систем, является фундаментальным пределом чувствительности (точности) прибора. Фотонные шумы являются следствием квантовой природы светового излучения. Применительно к оптическим системам передачи информации предельная помехоустойчивость этих систем, обусловленная фотонными шумами, была вычислена в .

Следуя работам , проведем оценку фундаментального предела чувствительность (точности) ВОГ.

Уровень фотонных шумов зависит от интенсивности оптического излучения, падающего на фотодетектор, и определяется флуктуациями интенсивности оптического излучения.

Оценка предела чувствительности, обусловленной дробовым шумом, может измениться под влиянием действия ряда факторов.

Первым является квантовая эффективность фотодетектора, уменьшение которой приводит к уменьшению отношения сигнал-шум. Другой фактор заключается в том, что подходящим образом взвешенная средняя мощность, попадающая на фотодетектор, определяет уровень дробового (фотонного) шума, и она может быть меньше, чем максимальная мощность. Однако не всегда ясно, как проводить процедуру взвешивания. Между оценкой и достигаемым пределом дробового шума может быть разница примерно в 2 раза.

Существуют также другие более слабые расхождения, определяемые особенностями процесса детектирования. Кратковременная чувствительность ВОГ, приближающаяся к указанному квантовому пределу, была отмечена в работах . Подобная чувствительность может быть достигнута при тщательном уменьшении всех видов других шумов до очень низкого уровня. Например, тепловой шум усилителя можно уменьшить, если соответствующим образом выбрать сопротивление нагрузки фотодиода; кроме того, можно использовать усилитель с низким коэффициентом шума; сейчас уже достигнут коэффициент шума менее 1 дБ. Другого вида шумы и нестабильности в ВОГ можно уменьшить или компенсировать способами, рассмотренными в гл. 3.

Рассмотрим обобщенную модель шумов и нестабильностей ВОГ. Дадим краткую характеристику основных возмущений реального ВОГ.

Одним из главных источников шума в системе ВОГ является обратное рэлеевское рассеяние в волокне, а в некоторых системах еще и отражение от дискретных оптических элементов, используемых для ввода излучения в систему. Физически эти шумы появляются

из-за рассеяния светового излучения прямого луча на микрочастицах и неоднородностях среды распространения.

Шумы, связанные с обратным рассеянием и отражением, могут содержать две компоненты: когерентную и некогерентную. Некогерентная составляющая увеличивает общий уровень хаотической световой мощности на детекторе, это источник дополнительных дробовых шумов. Некогерентная составляющая не интерферирует с сигналом, связанным с измеряемой скоростью вращения.

Уровень дополнительного вклада в дробовой шум вычислялся, и во всех практических ситуациях величина его не более 1 дБ .

Когерентная составляющая обратного рассеяния и шумы отражения суммируются векторно с противоположно бегущими лучами; это приводит к возникновению ошибки в разности фаз между двумя лучами, зависящей от фазы шумового сигнала. Например, как отмечается в работе , френелевское отражение от граничной поверхности стекло-воздух составляет около 4% по интенсивности.

В наихудших условиях эта компонента может сложиться когерентно с основным лучом и дать изменение фазы более чем 10 -1 рад, что эквивалентно скорости вращения около 10 град/с. Ошибку за счет когерентного отражения можно исключить, если использовать в ВОГ источник излучения с длиной когерентности много меньше, чем длина волоконного контура. Тогда шум связанный с отражением на конце волокна, суммируется некогерентно с полезным сигналом.

Шум, связанный с когерентным обратным рэлеевским рассеянием, может быть уменьшен подобным же образом, т. е. посредством использования источника излучения с наиболее короткой длиной когерентности. Однако всегда имеется некий отрезок волокна, расположенный примерно в середине контура, длина которого равна длине когерентности источника, и именно этот участок волокна дает когерентную составляющую обратного рассеяния.

Оценка величины этого шума может быть сделана на основе простой модели, в которой предполагается, что потери в волокне имеют место благодаря равномерному рассеянию на крошечных неоднородностях в сердечнике волокна (рэлеевское рассеяние). Если волокно обладает потерями 10 дБ/км, то в одном метре рассеивается 0,1% падающей энергии; обратно рассеивается доля рассеянной энергии, равная квадрату числовой апертуры волокна. Таким образом, в данном одном метре волокна энергия порядка 10 -5 от падающей рассеивается назад к источнику света.

Если рассматривать середину контура и если полное затухание в контуре равно 10 дБ, то центральная часть контура (длиной в один метр) дает отклонение в одну миллионную часть по мощности (10 -6) по отношению к принимаемой мощности в устройстве сравнения фаз, что приводит к ошибке при оценке фазы, равной 10 -3 рад (если обратное рассеяние когерентно). Тогда эквивалентная ошибка при оценке скорости вращения составляет величину около 150 град/ч (см. рис. 1.5).

Эффективная ошибка, связанная с оценкой скорости вращения, пропорциональна квадратному корню из длины когерентности излучения источника. Учитывая это, в работе показано, что для обнаружения суточного вращения Земли эффективная максимальная длина когерентности равна 0,1 мм; для регистрации вращения со скоростью

0,1 град/ч длина когерентности составляет величину порядка нескольких микрометров.

Ряд исследователей используют модуляторы случайной фазы, размещаемые в середине контура для того, чтобы "декогерировать" (декоррелировать) шум обратного рассеяния.

Свойство взаимности ВОГ может нарушаться под влиянием изменений внешней температуры. Температурные градиенты, изменяющиеся во времени в волоконном контуре, приводят к появлению сигнала, эквивалентного не которому значению скорости вращения. Анализ для худшего случая указывает на необходимость жесткой температурной стабилизации контура, однако ограничения могут быть сняты в значительной степени, если сделать намотку катушки симметричной.

Отклонения от свойства взаимности имеют место лишь во время изменения температурного градиента и не имеют места, если температура всего контура изменяется однородно. Влияние температурного градиента, имеющего место между двумя стабильными распределениями температур, вызывает ошибку в считывании угловой скорости в течение температурных изменений.

Площадь витка является функцией температуры и материала катушки, на которую наматывается контур. Весьма вероятно, что для прибора высокой точности потребуются стабилизация температуры. Возможно потребуется вносить температурную коррекцию в процессе обработки сигнала. Следует также заметить, что температурные коэффициенты расширения волокна и катушки для намотки должны быть хорошо согласованы с тем, чтобы минимизировать вызванные изменениями температуры потери на микроизгибах в волокне. Они имеют место в том случае, когда волокно находится под механическим напряжением, и могут составлять величину более 10 дБ/км.

Источником шумов в ВОГ, ухудшающих чувствительность прибора, являются флуктуации излучения оптического источника (лазерного диода, светодиода или суперлюминесцентного диода). Этот шум проявляется в флуктуациях измеряемого выходного сигнала. Излучение источника ВОГ может изменяться как по интенсивности, так и по длине волны генерируемого светового потока.

Шум, связанный с изменением интенсивности излучения, увеличивает общий уровень дробовых шумов; он может быть вызван либо флуктуациями тока смещения, прилагаемого к источнику, либо внутренними флуктуациями в самом источнике. В случае полупроводниковых лазерных источников шум, связанный с изменениями интенсивности, добавляет один или два децибела в общий уровень дробовых шумов. При проектировании ВОГ спектр подобного шума необходимо, конечно, знать; известно, что в случае полупроводниковых лазеров этот спектр весьма сложен.

Следует, однако, заметить, что во многих схемах регистрации, используемых в ВОГ, оптическая фаза преобразуется в интенсивность посредством интерферометрического процесса. На выходе электронного устройства считывают значения оптической интенсивности, эквивалентные фазе. Нестабильность в интенсивности излучения оптического источника (даже, если длина волны излучения остается постоянной) приводит к нестабильностям в значениях фазы.

Гетеродинные системы, а также системы регистрации с обращением фазы в нуль устойчивы по отношению к нестабильностям такого типа. Известно, что у полупроводников источников со временем появляется нестабильность интенсивности излучения, вызванная старением, однако этот эффект может быть скомпенсирован, если измерять полную интенсивность, от задней грани источника и регулировать соответствующим образом ток смещения. Неясно, насколько эффективна эта процедура, так как изменения в токе смещения вызовут соответствующие изменения температуры лазера, а это приведет к соответствующим изменениям в длине волны излучения на выходе, тем самым воздействуя на, масштабный коэффициент.

Как уже отмечалось, стабильность длины волны излучения источника излучения ВОГ непосредственно влияет на масштабный коэффициент прибора. Лазеры с термической стабилизацией могут быть достаточно стабильны, хотя изменения в длине волны излучения в зависимости от старения тока накачки и температуры теплоотвода должны быть включены в спецификацию при их предназначении для ВОГ; это позволит выбрать диоды с подходящими характеристиками.

Следует, однако, заметить, что шумы, связанные с изменением длины волны излучения источника ВОГ, незначительны в большинстве систем регистрации фазы. Они фактически декоррелируют по частоте обратное рэлеевское рассеяние излучения. Например, известны системы ВОГ, где излучение гелий-неонового лазера специально модулируется по частоте с тем, чтобы декоррелировать обратно рассеянное излучение.

Рассмотрим теперь шумы, появляющиеся в ВОГ из-за нелинейного характера взаимодействия излучения со средой, в которой оно распространяется. Несмотря на очень низкие уровни излучения, распространяющегося в ВОГ нелинейные эффекты могут быть весьма значительными, если учесть, конечно, что ВОГ очень чувствителен к фазовым невзаимностям в контуре. Нелинейный электрооптический эффект носит название эффекта Керра и состоит в изменении фазового набега световой волны, распространяющейся в среде, под действием интенсивности излучения (т. е. фаза изменяется в зависимости от квадрата амплитуды излучения). При исследованиях ВОГ было

Фазовая постоянная распространения для волны, бегущей по часовой стрелке, пропорциональна сумме интенсивности прямой волны и удвоенной интенсивности обратной волны. То же справедливо для волны, бегущей против часовой стрелки в контуре. Следовательно вклады в нелинейность определяются как волной, распрестраняющейся по часовой стрелке, так и волной, распространяющейся против часовой стрелки. Если интенсивности встречно бегущих волн разные, а это может быть при температурных изменениях светоделителей пучков, ответвителей и т. д., то фазовые постоянные распространения для противоположно бегущих волн изменяются различным образом. Налицо фазовая невзаимность контура ВОГ, приводящая к соответствующему дрейфу прибора.

Самокомпенсацию влияния эффекта Керра можно также реализовать выбором источника излучения ВОГ с соответствующими спектральными и статистическими характеристиками. Как известно, гауссовский источник шумового поля, имея гауссово распределение амплитуды, обладает рэлеевским распределением огибающей или экспоненциальным распределением интенсивности.

При механическом несовершенстве конструкции ВОГ серьезным источником шумов могут быть акустические поля, механические вибрации и ускорения.

Для полноты статистической модели возмущений ВОГ следует хотя бы упомянуть о таких возмущениях, как шум типа (низкочастотный шум фотодетектора), спонтанные и стимулированные шумы лазерного источника излучения, мультипликативные, шумы ЛФД, рассеяние Бриллюэна (рассеяние на фононах - акустических образованиях в среде), рассеяние Ми (рассеяние на больших неоднородностях в среде). Однако, практически, уровень интенсивности этих шумов невысок.

Таким образом, мы рассмотрели обобщенную модель источников шумов и нестабильностей ВОГ. В зависимости от варианта конструкции ВОГ те или иные источники шумов и нестабильностей могут играть большую или меньшую роль. Основными источниками являются шумы обратного рэлеевского рассеяния, нелинейный электрооптический эффект, температурные градиенты, внешнее магнитное поле, а также нестабильность интенсивности и длины волны источника излучения. Принципиально неустранимым шумом является дробовый (фотонный) шум полезного сигнала, появляющийся в системе регистрации и определяющий фундаментальный предел чувствительности (точности) ВОГ.

Анализ свойства взаимности и обобщенной модели шумов и нестабильностей ВОГ позволяет рассмотреть схему так называемой минимальной конфигурации ВОГ. Такая конфигурация должна включать тот минимальный набор элементов, которые позволят создать работоспособный прибор достаточно высокой чувствительности.

Поскольку основные особенности работы ВОГ тесно связаны со свойством взаимности, а кроме того, даже небольшие отклонения взаимности могут привести к погрешностям в показаниях скорости вращения и к эффектам долговременного дрейфа - выбор минимальной конфигурации ВОГ должен быть основан на этом ключевом моменте - свойстве взаимности. Вариант минимальной конфигурации при веден на рис. 1.7.

Излучение источника с помощью устройства ввода излучения (возможна линзовая, иммерсионная, торцевая и другие системы) вводится в волоконный световод. Эффективность ввода излучения в одномодовое волокно зависит от степени пространственной когерентности излучения источника. Чем больше пространственная когерентность излучения, тем меньше потери при вводе излучения в волокно.

Расчет и эксперименты приведённые в показали, что для уменьшения влияния обратного рэлеевского рассеяния и эффекта Керра излучатель должен обладать малой длиной временной когерентности. На практике в качестве излучателей используют светодиоды (СД),лазерные диоды (ЛД) и суперлюминисцентные диоды (СЛД). Последние два типа излучателей имеют достаточно высокую степень пространственной когерентности; СД имеет наименьшую временную когерентность.

Модовый фильтр обычно состоит из отрезка одномодового волокна (пространственный фильтр) и поляризатора. По-видимому, целесообразно пространственный фильтр выполнить из одномодового волокна, сохраняющего поляризацию.

Рис 1.7. Минимальная конфигурация ВОГ.

Применение модового фильтра будет способствовать выполнению основных условий свойства взаимности Лоренца, тем самым уменьшая дрейф ВОГ. Стабильный модовый фильтр будет эффективен, если среда между входом и выходом волоконного контура будет сохраняться линейной и неизменной во времени.

Необходим точный контроль поляризации излучения на входе и выходе контура. Качество поляризатора зависит от степени режекции поляризатором лучей с ортогональной поляризацией. В худшем случае, когда на каждое направление поляризации приходится излучение равной интенсивности, нежелательный сигнал находится в квадратуре по фазе с полезным сигналом; именно в этом случае имеет место максимальная фазовая ошибка. Как сообщается в , для поляризатора с режекцией нежелательной поляризации в 70 дБ фазовое отклонение в системе регистрации составляет величину около 10 -4 рад,

что эквивалентно уходу гироскопа около 20 град/ч. Однако уход можно уменьшить на один-два порядка даже и с использованием упомянутого поляризатора, если поляризации излучений на входе и выходе будут совпадать с осью поляризатора с точностью до 1°. Таким образом, вопрос стабильности поляризации излучения в ВОГ имеет весьма серьезное значение.

Экспериментальная конструкция ВОГ, рассмотренная в , была выполнена целиком на одномодовом волокне с устойчивой поляризацией и продемонстрировала высокую чувствительность. Сохранить устойчивой поляризацию в контуре можно, по-видимому, и при использовании обычного одномодового волокна, но намотку последнего надо производить на катушку определенного радиуса и с определенным механическим напряжением, поскольку сам факт наматывания волокна на катушку приводит к селекции и сохранению поляризационных свойств в системе.

Для улучшения степени режекции нежелательной поляризации возможно также использование двух или большего числа поляризаторов. Следует, однако, упомянуть, что полная деполяризация излучения в ВОГ дает иногда весьма хорошие результаты.

Пространственный фильтр, располагаемый между ответвителями P 1 и P 2 , должен обладать пространственной характеристикой, перекрывающейся с модовой структурой на входе и выходе волоконного контура. Кроме того, он должен сохранять стабильное пространственное соотношение с торцами волокна; модовая структура в волок

не на входе и выходе контура должна быть идентичной.

Поскольку в ВОГ, как правило, используется одномодовое волокно, ослабление пространственным фильтром мод более высокого порядка не вызывает затруднений.

При применении в ВОГ обычного одномодового волокна (не сохраняющего поляризацию) внутрь контура помещают поляризационное устройство ПУ, которое дополнительно селектирует и контролирует поляризацию в контуре, тем самым стабилизируя оптическую мощность моды, выделяемой модовым фильтром.

На схеме минимальной конфигурации ВОГ (рис.1.7.) показаны модуляторы М, которые при необходимости могут быть включены в различные точки оптического гироскопа. Как правило - это частотные и фазовые модуляторы, назначение которых состоит в переносе фазы Саньяка на сигнал переменной частоты либо в частотной компенсации этой фазы - с тем, чтобы измерения угловой скорости проводить на переменном сигнале. Кроме того, модуляцией можно уменьшить шумы обратного рэлеевского рассеяния.

В качестве фотодетектора в практике конструирования ВОГ применяют фотодиоды (ФД), р - i - n -фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Мощность лазерного источника достаточна высока с тем, чтобы можно было использовать р - i - n -фотодиоды; однако при применении СЛД могут потребоваться лавинные фотодиоды с внутренним умножением. В последнем случае появляется дополнительный источник шумов - случайные флуктуации коэффициента лавинного умножения.

Влияние элементов ВОГ на точностные характеристики системы

2.1. Характеристики источников излучения для ВОГ.

При конструировании волоконных оптических гироскопов, как правило, в качестве излучателей используют полупроводниковые лазеры (лазерные диоды ЛД), светодиоды (СД) и суперлюминесцентные диоды (СЛД). В ряде экспериментальных установок ВОГ, однако, применяют также гелий-неоновые оптические квантовые генераторы. Их использование объясняется, по-видимому, традиционным мнением о том, что в оптике при измерении фазовых соотношений предпочтительны высококогерентные источники излучений. При использовании гелий-неоновых ОКГ его излучение можно "декогерировать" частотной модуляцией, что уменьшит влияние обратного когерентного рэлеевского рассеяния, вносящего ошибку при измерении угловой скорости вращения. Более того, для компенсации эффекта Керра, также вносящего ошибку, можно применять широкополосные источники, приближающиеся по своим спектральным свойствам к тепловым источникам.

Кроме того, специфика конструкции ВОГ предъявляет дополнительные требования к источникам излучения. К ним относят: соответствие длины волны излучения номинальной длине волны световода, где потери минимальны; обеспечение достаточно высокой эффективности ввода излучения в световод; возможность работы источника излучения в непрерывном режиме без охлаждения; достаточно высокий уровень выходной мощности излучателя; долговечность, воспроизводимость характеристик, жесткость конструкции, а также минимальные габариты, масса, потребляемая мощность и стоимость.

Наиболее полно этим условиям отвечают полупроводниковые излучатели - ЛД, СД и СЛД. Рассмотрим некоторые характеристики излучателей.

Возможность использования полупроводниковых инжекционных лазеров в качестве источника излучения в ВОГ привлекает исследователей и конструкторов прежде всего их малыми габаритами и массой, высоким КПД, прямой токовой накачкой, твердотельной конструкцией и низкой стоимостью. Кроме того, вводя различные примеси, можно перекрывать требуемый диапазон длин волн.

В настоящее время создано большое количество типов полупроводниковых инжекционных лазеров или лазерных диодов (ЛД) на различных материалах. Принцип генерации излучения ЛД имеет ряд существенных отличий от принципа генерации лазеров других типов, что прежде всего связано с особенностями их энергетической структуры.

Рассмотрим в общих чертах технические параметры ЛД, что позволит нам оценить возможность использования тех или иных структур в волоконно-оптических гироскопах с учётом требований налагаемых на них.

В беспримесном полупроводнике различают следующие энергетические зоны: валентную, запрещенную и зону проводимости. В реальном полупроводнике нужно учитывать наличие примесей. Примеси являются причиной возникновения дополнительных энергетических уровней. Донорные примеси создают уровни вблизи зоны проводимости, а сами частицы примеси, ионизируясь, добавляют в возбужденную зону (зону проводимости) избыточные электроны. Акцепторные примеси имеют уровни вблизи валентной зоны. Эти примеси захватывают электроны из валентной зоны, образуя в ней избыточное количество дырок. Число электронов в зоне проводимости существенно превышает число дырок в валентной зоне (это характерно для полупроводника n-типа, для полупроводника р-типа наоборот).

При соединении полупроводников разных типов проводимости на границе их раздела образуется р-n-переход.

Характер распределения электронов по возможным энергетическим состояниям в полупроводнике зависит от концентрации легирующей примеси и температуры. Для того чтобы создать в полупроводнике условия генерации индуцированного излучения, нужно нарушить равновесное распределение по энергетическим уровням, т. е. перераспределить их так, чтобы на более высоких уровнях оказалось больше электронов, чем на нижних. В полупроводниковых материалах возможны различные переходы, электронов, такие как "зона-зона", "зона-примесь", и переходы между уровнями примеси. Переход электрона на

более высокие энергетические уровни сопровождается поглощением энергии извне. При переходе на более низкие уровни энергия выделяется. При этом выделяющаяся энергия излучается в виде электромагнитных колебаний, либо расходуется на нагрев кристаллической решетки.

Для перехода "зона-зона" инверсия населенности энергетических уровней имеет место, если число электронов в зоне проводимости больше, чем в валентной зоне. Инверсию населенности в полупроводниковых материалах можно реализовать лишь путем создания неравновесной концентрации электронов и дырок.

Основным способом создания инверсной населенности в полупроводниках является способ инжекции через р - п- переход неравновесных носителей тока. Такая инжекция реализуется подачей электрического смещения на р-п-переход в положительном направлении. Тогда потенциал на границе раздела полупроводников снижается и через

переход начинает протекать ток основных носителей дырок из р-области и электронов из n-области. Зона с инверсной населенностью возникает вблизи р - n-перехода. При переходах электронов из зоны проводимости в валентную зону возникает индуцированное излучение, т. е. процесс индуцированного перехода сопровождается излучательной рекомбинацией электронов и дырок в р - n -переходе. При излучательной рекомбинации выделяется избыточная энергия в виде светового кванта.

Эффект лазерной генерации света в полупроводниковых структурах возможен лишь при наличии положительной обратной связи по световому излучению; при этом усиление должно компенсировать оптические потери. Положительную обратную связь осуществляет оптический резонатор Фабри - Перо, образованный отражающими плоскопараллельными гранями кристалла, перпендикулярными плоскости р - n -перехода. Отражающие поверхности создаются путем полировки двух противоположных граней кристалла или путем скалывания по кристаллографическим плоскостям. Коэффициент отражения этих поверхностей составляет приблизительно 0,3. Однако даже при небольшой длине активного вещества (десятые доли миллиметра) такой коэффициент отражения достаточен для лазерной генерации благодаря большому коэффициенту усиления активной среды.

В настоящее время эффект вынужденной генерации получен на многих полупроводниковых материалах; почти перекрыт диапазон генерации от 0,33 до 31 мкм.

Одна из ранних конструкций инжекционного полупроводникового лазера была создана на материале GaAs. В лазерном диоде нижняя пластина состоит из GaAs с примесью теллура и имеет проводимость n-типа. Верхняя пластина состоит из GaAs с примесью цинка и имеет проводимость р-типа. Каждая пластина имеет контакт для соединения с источником питания. Геометрические размеры р - n -перехода составляют сотые доли миллиметра, толщина области, в которой создается излучение, 0,15...0,2 мкм. Торцевые отполированные грани образуют резонатор. Излучатель такого типа работает в импульсном режиме при достаточно глубоком охлаждении (77 К).

Для GaAs-лазеров с простым р - n-переходом пороговые плотности тока при комнатной температуре составляют значения > 10 5 А/см 2 . В таком режиме полупроводниковый лазер нагревается настолько сильно, что без хорошего теплоотвода длительная эксплуатация его иевозможия. Поэтому без охлаждения такие GaAs-лазеры работают только в импульсном режиме. Длительная эксплуатация излучателя при комнатной температуре (что важно для ВОГ) возможна лишь при уменьшении пороговой плотности тока примерно до 10 3 А/см 2 .

Требованиям низких пороговых плотностей тока и возможности длительной работы при комнатной температуре отвечают полупроводниковые лазеры на двойных гетероструктурах AIGaAs/GaAs. Они обладают еще целым рядом преимуществ, особенно важных при конструировании ВОГ.

В лазерах на структурах с двойными гетеропереходами уменьшается толщина активной области рекомбинации, обеспечивается удержание носителей и излучения в узкой области вблизи р - n -перехода. Это позволяет повысить КПД и создавать лазеры с заданной диаграммой направленности излучения. В режиме индуцированной генерации в двойной гетероструктуре затухание основной волны весьма мало, поскольку структура образует диэлектрический волновод.

При конструировании ВОГ в качестве излучателя, соединяемого с волоконным световодом, применяют полупроводниковые лазеры с полосковой геометрией контакта на двойных гетероструктурах. В таких конструкциях лазерное излучение выходит из малой области, что обеспечивает хорошие условия ввода излучения в световоды с низкой числовой апертурой. Из-за небольших размеров активной области лазер обладает малыми пороговыми и рабочими токами при достаточной выходной мощности, что обеспечивает длительную работу в непрерывном режиме при комнатной температуре. При малом размере активной

области проще получить площадь, свободную от дефектов, что важно для повышения эффективности лазера.

Типичные параметры полупроводниковых лазеров с двойной гетероструктурой, генерирующих в области 0.8 - 0.9 мкм, следующие: ширина линии генерации 0.2 - 5 нм, размеры излучающей области 0.5...30 мкм 2 , средняя угловая расходимость излучения 5... 30° (в плоскости, параллельной р - n -переходу) и 30 ... 60° (в плоскости, перпендикулярной р - n -переходу), выходная мощность 1 ... 10 мВт, пороговый ток 20...200 мА, средняя долговечность 10 5 ч.

Современное состояние технологии изготовления кварцевых оптических световодов позволило создать световоды, имеющие минимум потерь и дисперсии в диапазоне длин волн 1,1 ... 1,7 мкм. Этот диапазон рекомендуется использовать также и разработчикам ВОГ. Эти потребности стимулировали разработку полупроводниковых лазеров на данный диапазон длин волн. Полупроводниковым материалом послужили тройные и четверные соединения. Были созданы полупроводниковые лазеры на гетероструктуре GalnAsP/lnP, излучающие на длинах воли 1,3 и 1,6 мкм. Появились сообщения о создании лазеров с гетероструктурами на основе соединений AIGaAsSb/GaAsSb, генерирующих на длинах волн 1,3 мкм и 1,5... 1,6 мкм.

При этом конструкции и параметры этих лазеров аналогичны конструкциям лазеров на AIGaAs.

Светодиоды (СД) генерируют некогерентное излучение, поскольку в них излучательная рекомбинация носит чисто спонтанный характер. Спектральное распределение линии излучения излучательной рекомбинации по крайней мере на порядок шире линии излучения лазерных диодов. Широкий спектр излучения СД весьма благоприятен для ВОГ, поскольку, за счет малой длины когерентности позволяет компенсировать влияние эффекта Керра и обратного рэлеевского рассеяния.

Коэффициент ввода излучения светодиодов в световоды с низкой числовой апертурой значительно меньше, чем для лазерных диодов. Однако СД проще в конструктивном выполнении и обладает меньшей температурной зависимостью мощности излучения. Так, в частности, выходная мощность СД с двойным гетеропереходом уменьшается лишь в два раза при увеличении температуры диода от комнатной до 100° С.

Возбуждение СД обеспечивается инжекцией носителей через р - n -переход. Как и обычный полупроводниковый лазер, простой СД содержит один р - n -переход в прямозонном полупроводнике, лишь часть инжектированных электронов рекомбинируют излучательно. Остальные теряются на безызлучательных рекомбинациях.

Уменьшить рекомбинационные и оптические потери СД можно, если выполнить прибор с гетеропереходами или даже на двойных гетероструктурах.

СД с двойным гетеропереходом, разработан специально для соединения с волоконным световодом. Область рекомбинации расположена вблизи хладопровода, а в подложке из GaAs протравлена ямка, в которую вставляется световод. Конструируются светодиоды как с выводом излучения через поверхность, ограничивающую переход сверху (плоскостные СД), так и с выводом энергии в направлении, параллельном плоскости р - n -перехода (торцевые СД). При этом выходная мощность составляет несколько милливатт при плотностях тока около 10 3 А/см. Так СД изготовленный на основе AlGaAs-структуры с полосковым контактом шириной 100 мкм при плотности тока накачки 2 10 3 , имеет мощность излучения 3 мВт на длине волны 0,8 мкм; СД с вытравленной ямкой и линзообразной поверхностью имеет мощность излучения 6 мВт при плотности тока 3400 А/см.

Светодиоды даже при высоких плотностях тока инжекции (свыше 10 А/см) оказываются очень надежными; их средняя долговечность достигает 10 5 ...10 6 ч.

Широкое применение получили суперлюминесцентные диоды. Как уже отмечалось, излучательная рекомбинация в обычных светодиодах приводит к спонтанному испусканию света. Это спонтанное излучение вызывает последующие излучательные переходы и усиливает само себя (поскольку концентрация электронов и дырок не является равновесной). Это усиление невелико, поскольку излучение проходит тонкую область рекомбинации в поперечном направлении. Для получения лазерного эффекта нужно это излучение направить вдоль активного слоя и обеспечить отражение от концевых плоскостей. Однако усиление спонтанного излучения в такой конфигурации наблюдается и ниже порога возбуждения и при неотражающих концевых плоскостях. Усиленное и направленное таким образом испускание называется суперлюминесценцией. На этом эффекте и основаны супсрлюминесцентиые диоды (СЛД). При этом активную среду формируют в виде оптического волновода, который замыкается на одном конце хорошо отражающим зеркалом, а на другом конце излучает свет без отражения в пространство либо в световод. Для сильной суперлюминесценции необходимо высокое усиление в активной среде, что в полупроводниках обеспечивается высокой плотностью мощности. Суперлюминесцентные диоды конструируются на основе двойной гетероструктуры с полосковой геометрией. Контактные полоски с одной стороны доходят до торцевой фронтальной поверхности, в то время как с другой стороны они не доходят до края полупроводника. Именно на этой стороне суперлюминесценция затухает, поскольку в эту область электроны не инжектируются. С фронтальной стороны генерируется суперлюминесценция, при этом раскрыв диаграммы излучения определяется шириной и длиной полоски.

При конструировании двойной гетероструктуры с полосковой геометрией для СЛД активная р-область GaAs делается толщиной 0,3 ... 0,5 мкм, контактная полоска - шириной 12... 15 мкм. При длине полоски до 1,5 мм и плотности тока 10 4 А/см мощность излучения в импульсном режиме достигает 50 мВт при ширине линии генерации 0,008 мкм.

Шумовые характеристики волоконно-оптического контура

В оптической гироскопии для намотки чувствительного контура используют три вида волокна: многомодовое, одномодовое и одномодовое с устойчивой поляризацией. Длина периметра контура определяется исходя из двух предпосылок. С одной стороны, увеличение длины контура повышает точность системы в целом, так как величина невзаимного фазового сдвига пропорциональна длине волокна, с другой стороны для более длинного контура в большей степени на работу системы оказывают влияние параметры затухания и нерегулярности волокна. Системы, где требуется высокая чувствительность к низким скоростям вращения подразумевают выбор оптимальной длины контура с учетом всех возможных факторов влияющих на точностные характеристики системы. Обычно используются волокна длиной от 200 до 1500 м.

Диаметр катушки выбирается по критерию минимизации потерь в волокне на изгибах и с учетом габаритных размеров устройства. Типовое значение от 6 до 40 см.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) могут использоваться одно- и многомодовые световоды.

Для характеристик световода важное значение имеет профиль показателя преломления в поперечном сечении. Используя возможности неоднородных световодов в широких пределах изменять свои характеристики в зависимости от закона изменения диэлектрической проницаемости по поперечному сечению, можно для каждого конкретного применения подобрать световод с наилучшим соответствием его характеристик решению задачи.

Важной характеристикой световода является числовая апертура NA, представляющая собой синус максимального угла падения лучей на торец световода, при котором в световоде луч на границу "сердцевина-оболочка" падает под критическим углом. От значения NA зависят эффективность ввода излучения светодиода в световод, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод.

В практике волоконно-оптической гироскопии важно иметь оценочные характеристики волокон различной структуры, не прибегая к сложным расчетам представлять общую модель ошибок, которые могут заметно снизить точностные характеристики системы. Получим приближенные соотношения для статистических характеристик потерь в волокнах с различными свойствами и структурой определяющей их. Так как многомодовые световоды имеют дисперсионные характеристики, сильно ограничивающие точность приборов остановимся на рассмотрении одномодовых волокон в составе общей теории распространения волн.

При выборе фотодетектора для ВОГ необходимо в требуемом спектральном диапазоне обеспечивать максимальную интегральную чувствительность, минимальную эквивалентную мощность шумов и минимальный темновой ток.

Частотная характеристика и быстродействие фотодетектора играют менее значительную роль, поскольку максимальная частота изменения угловой скорости, измеряемой ВОГ, всегда укладывается в полосу пропускания ФД, не зависимо от применения вспомогательной модуляции.

Полупроводниковые фотодиоды характеризуются хорошей спектральной и интегральной чувствительностью. Они обладают высокой квантовой эффективностью и малой инерционностью; их параметры стабильны во времени.

Принцип работы полупроводникового диода основан на фотовольтаическом эффекте, который состоит в том, что при облучении неоднородного полупроводника светом возникает фототок (или фото-ЭДС). Высокочувствительные фотодиоды и лавинные фотодиоды с внутренним усилением тока конструируются на основе р-n-переходов, р-i-n-структур или переходов металл-полупроводник.

Во всех структурах фотовозбужденные электроны н дырки, образующиеся внутри области перехода и в объеме полупроводника, диффундируют к переходу, образуя фототок. Для образования свободной электронно-дырочной пары с обеих сторон от p-n-перехода необходимо, чтобы энергия поглощенного фотона была больше ширины запрещенной зоны. Образование и диффузия пар электрон-дырка сопровождается появлением потенциала в сечении перехода. Под действием электрического поля перехода электрон движется в направлении n-области, а дырка - в направлении p-области.

Таким образом происходит расщепление пар. Избыток электронов в n-области и дырок в p-области приводит к тому, что n-область заряжается отрицательно, а p-область - положительно. На разомкнутых концах детектора появляется ЭДС; подсоединение к концам сопротивления приведет к появлению продетектированного тока.

Фотодиоды могут включаться как без источников тока, так и последовательно с источником постоянного тока напряжением от нескольких вольт до 100 В. Во втором случае чувствительность детектора значительно повышается. При анализе шумовых свойств фотодиодов (т.е. при необходимости найти отношение сигнал/шум или определить чувствительность ВОГ, ограниченную только фотоприемником) обычно требуется учитывать три вида шумовых токов:

1) шумовой ток, возникающий при детектировании светового потока (дробовой шум); 2) шумовой ток, обусловленный случайным тепловым движением электронов в нагрузочном сопротивлении и в последующих электронных цепях; 3) шумовой ток самого фотодиода, основная составляющая которого обусловлена темновым током.

Если уменьшить тепловой шум нагрузочного сопротивления изменением эффективной температуры сопротивления, а принципиально неустранимый дробовой шум считать малым, то пороговую чувствительность фотодиода будет определять темновой ток. С этой точки зрения для реализации максимальной пороговой чувствительности необходимо выбирать фотодиод с минимальными темновыми токами. Величина темнового тока зависит от свойств материала фотодиода, температуры, площади р- n - перехода, конструктивных особенностей и т. д.

В фотодиодах с р - i - n - переходом довольно широкая область собственной проводимости (i - область) расположена между двумя областями полупроводника противоположного знака проводимости; в i -области распределено сильное однородное электрическое поле, что способствует увеличению чувствительности фотодиода.

Чувствительность германиевых и кремниевых р - i - n - фотодиодов составляет 0.5... 0.6 А/Вт, темновой ток при глубоком охлаждении (77 К) может быть доведен до 10 -11 А.

В последнее время разработаны р- i-n - фотодиоды на основе InGaAs/InP, которые совместно с усилителем на полевом транзисторе (FЕТ) образуют интегральную схему; такой р -i-n- FEТ- приемник работает в диапазоне длин волн 1,3...1,5 мкм, имеет высокую квантовую эффективность 0.65 ... 0.7, малую емкость - 0.15 р F , что определяет высокое быстродействие. Фотодиод смонтирован в кварцевом блоке, в котором имеется небольшое отверстие для ввода волоконного светодиода с диаметром сердечника 50 мкм, при этом оптический сигнал с волокна полностью перехватывается фотодиодом. Кварцевый блок монтируется на толстопленочной гибридной схеме предварительного усилителя. Подвод световода к схеме герметизирован. Предварительный усилитель содержит транзистор (GaAs МЕSFЕТ), сопротивление смещения 10МОм, два кремниевых биполярных транзистора с граничной частотой около 7 ГГц и толстопленочные сопротивления, изготовленные на гибридной схеме. Чувствительность такого модульного р - i - n -F ЕТ-приемника составляет -53 дБм; интересно отметить, что при изменении окружающей температуры от 20 до 60" С чувствительность изменяется только на 1 дБ.

Лавинный фотодиод (ЛФД) является твердотельным аналогом фотоэлектронного умножителя. В нем используется механизм ударной ионизации в области сильного поля обратносмещенного перехода. Умножение тока происходит вследствие столкновения возникающих в результате фотоионизации электронно-дырочных пар с атомами кристаллической решетки полупроводника. Этот эффект под влиянием сильного поля смещения в условиях лавины порождает большое количество электронно-дырочных пар. В результате ток существенно увеличивается даже на сверхвысоких частотах. При лавинном усилении тока для средних уровней светового потока и высокого коэффициента лавинного умножения чувствительность приемного устройства определяется отношением сигнала к квантовому шуму. Для низких уровней светового потока и малого коэффициента лавинного умножения отношение сигнал-шум и порог чувствительности ограничиваются тепловым шумом.

Лавинные фотодиоды характеризуются большим темновым током, чем фотодиоды, а следовательно, и более низкой чувствительностью, даже если реализовано достаточно высокое усиление тока, позволяющее при низких уровнях сигнала превзойти тепловой шум. Кроме того процесс умножения вносит избыточный шум. Однако лавинный фотодиод имеет более высокую квантовую эффективность. Использование кремниевых или германиевых лавинных фотодиодов позволяет существенно повысить общую чувствительность широкополосных приемных устройств. При выборе лавинного фотодиода для приемной системы необходимо, помимо квантового выхода и широкополосности, учитывать специфические факторы, присущие только лавинному фотодиоду, такие, как усиление по току и связанные с ним ограничения, а также избыточные шумы. Технология изготовления лавинных фотодиодов сложна. Это обусловлено необходимостью обеспечения пространственной равномерности умножения носителей по всей светочувствительной площадке диода и минимизации утечки по краям перехода. Для уменьшения утечки используют защитные кольца. Обычно разброс в усилении из-за пространственной неравномерности умножения носителей составляет от 20 до 50% при среднем усилении 1000.

В лавинном фотодиоде усиление максимально в режиме, когда смещение на диоде приближается к пробивному напряжению. При напряжениях, больших пробивного, протекает самоподдерживающийся лавинный ток, который все менее и менее зависит от концентрации носителей, появляющихся под действием светового потока. В рабочем режиме максимальное усиление лавинных фотодиодов ограничивается либо эффектами насыщения, вызванными протекающим током, либо произведением коэффициента усиления на полосу пропускания. Эффект насыщения умножения носителей обусловлен тем, что носители, выходящие из области, в которой происходит умножение, уменьшают электрическое поле внутри перехода и создают падение напряжения на последовательном резисторе и на нагрузке диода. Ограничение же полосы пропускания объясняется перемещением вторичных электронов и дырок (образованных посредством ионизации) по области умножения в противоположных направлениях еще некоторое время после того, как первичные носители покинули переход. Избыточный шум в лавинных фотодиодах обусловлен флуктуациями процесса умножения носителей.

Простейшими лавинными фотодиодами являются кремниевые диоды с защитным кольцом и с диаметром светочувствительной площадки от 40 до 200мкм; рабочий диапазон волн - примерно от 0,4 до 0,8 мкм. Германиевые лавинные п + - р-диоды имеют рабочий диапазон волн от 0,5 до 1,5 мкм. Произведение коэффициента усиления по току на полосу пропускания для кремниевых и германиевых лавинных фотодиодов равно соответственно 100 и 60 ГГц. Следовательно, при усилении по току 100 и 60 использование в приемной системе кремниевого или германиевого лавинного фотодиода обеспечивает полосу про пускания в 1 ГГц.

В настоящее время ведутся интенсивные разработки лавинных фотодиодов на основе GaAs, InAs и InSb, обладающих высоким усилением и ничтожным избыточным шумом.

На основе соединения GaAlAsSb созданы ЛФД на диапазон длин волн 1... 1,4 мкм, превосходящие по параметрам германиевые ЛФД. Для длин волн 1... 1,7 мкм применяют соединения типа InGaAsP; значительного улучшения характеристик ЛФД ожидают при использовании гетероструктур на основе InGaAsP/InP. Кроме того, продолжаются работы по созданию интегральных схем, являющихся комбинацией ЛФД и входного усилителя на полевом транзисторе (так называемые FЕT-ЛФД), что позволяет улучшить качество фотоприемника.

2 .4. Анализ прямых динамических эффектов (температурных градиентов и механических напряжений)

Случайные временные изменения окружающей температуры и механических напряжений волокна приводят к изменениям оптических постоянных распространения и геометрических параметров волокна. Это приводит к тому, что в контуре ВОГ появляется фазовая невзаимность, следствием которой являются "фазоразностные шумы"
на фотодетекторе (свойство взаимности приложимо лишь к линейным системам, инвариантным во времени).

Для моделирования "фазоразностных" шумов будем считать, что локальный одиночный источник фазовых шумов размещен в произвольной точке волоконного контура (рис 2.5.)

Рис 2.5. Волоконный контур с локальным источником фазовых шумов.

Влияние внешнего магнитного поля на точностные характеристики ВОГ.

Существует много веществ, оптические параметры которых зависят от величины напряженности внешнего магнитного поля. Коэффициент преломления среды есть один из таких параметров. Изменение коэффициента преломления связано с вращением плоскости поляризации излучения, распространяющегося в среде. Вращение плоскости поляризации светового луча, распространяющегося в среде, под действием магнитного поля обусловлено эффектом Фарадея. Иногда эффектом Фарадея называют искусственную оптическую активность, возникающую в среде под действием магнитного поля.

Оптической активностью является способность вещества поворачивать вектор поляризации линейно-поляризованного светового луча. Если причиной возникновения вращательной способности является какое-либо внешнее воздействие (например, магнитное поле), то активность этого типа является искусственной. В оптически активном веществе оптическое излучение распадается на две волны, поляризованные циркулярно - по правому и левому кругам. Векторы поляризации этих волн вращаются в противоположных направлениях, а коэффициенты преломления для них различны.

Линейно-поляризованный световой луч можно представить суперпозицией двух волн, поляризованных по кругу, со взаимно противоположным вращением вектора поляризации и равными амплитудами колебаний. Рассмотрим распространение линейно-поляризованной волны в среде, проявляющей эффект Фарадея. Для анализа распространения волны в среде, помещенной в магнитное поле, представим волну в виде суммы двух волн, поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения и различными скоростями распространения:

Применение гироскопов
Реферат >> Физика
... оптического волновода. Для увеличения длины оптического пути и повышения чувствительности гироскопа оптическое волокно свернуто в спираль. В волоконно -оптическом гироскопе ... проблемой Рис. 4. ВОЛОКОННО -ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП . Лазерные лучи распространяются...
Двухосный индикаторный стабилизатор телекамер на ВО (2)
Реферат >>
Скорости (ДУС), роль которого выполняет волоконно -оптический гироскоп (ВОГ), сигнал на выходе которого... эксплуатации ВОГ, в отличие от механических гироскопов , является его высокая чувствительность к превышениям...
Лазерное излучение и его применение
Контрольная работа >> Промышленность, производство
Дальномеры и измерители скорости, квантовые гироскопы , голографические приборы. Честь изобретения и... . Это была принципиальная схема квантового гироскопа . В 1948 г. Д. Габор, ... лазерного луча стало использование волоконно -оптических линий. Основу таких линий...

Волоконно-оптические гироскопы. Принципы построения волоконно-оптических гироскопов Применение волоконно оптических гироскопов

Применение гироскопов

Двухосный индикаторный стабилизатор телекамер на ВО (2)

Лазерное излучение и его применение

Новые статьи

Популярные статьи