Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Принципы построения волоконно-оптических гироскопов.Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) можно разделить на два класса [113, 144, 145]: фазовые, в которых измеряется сдвиг фазы резонаторные (или двухчастотные), в которых измеряется расщепление 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
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 [24]. 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 [51]. Как и в большинстве опубликованных работ, посвященных фазовым ВОГ, ниже будут рассмотрены конструкции на одномодовых волокнах. Можно, однако, предположить, что в недалеком будущем будут реализованы ВОГ на многомодовых волокнах 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 Несложные операции с электрическими сигналами на выходах фотодетекторов позволяют получить выходной сигнал
где 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 Максимум чувствительности достигается в схемах, использующих дополнительный фазовый сдвиг между встречными волнами
Таким образом, чувствительность гироскопа становится максимальной при
Часто используется понятие «масштабный коэффициент гироскопа». Под ним подразумевают коэффициент, характеризующий соотношение между угловой скоростью и измеряемой величиной. В случае фазового ВОГ с «подставкой»
Повышение чувствительности фазовых ВОГ за счет заданной фазовой «подставки» 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 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 [113]. Необходим также контроль состояния поляризации в ответвителях на входе и выходе интерферометра [377]. К невзаимному сдвигу фаз в ВОГ приводит и высокочастотный эффект Керра [222], 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 [222], 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 [145]. 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 [232]. Особое место среди факторов, ухудшающих характеристики ВОГ, занимают релеевское рассеяние в световоде и отражение от элементов гироскопа [164]. 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
Рис. 3.32 Волоконно-оптический гироскоп: 1 — волоконная катушка; 2 — матрица из четырех направленных ответвителей [180] 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 В настоящее время известен ряд перспективных схемных решений фазовых ВОГ [139, 145, 180, 218, 313], 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 Направленные ответвители, изготовленные путем сплавления волокон, исключающим их скручивание (см. гл. 4), работают, как трехдецибельные мосты, обеспечивая при делении сдвиг фаз
Сдвиг фазы в направленном ответвителе всегда отличается от
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
При этом величина В качестве примера рассмотрим случай, когда
причем
Ограничиваясь первым порядком величины
где Электронная система обработки сигналов осуществляет следующие операции:
Подставив значения
Величина
В реальных условиях при современной технологии
Таким образом, амплитуда сигнала на частоте модуляции прямо пропорциональна 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 [218] (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 [218] 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
где 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
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 В другой схеме ВОГ (рис. 3.34), описанной в работах [145, 395], 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 Свет с частотой
есть расщепление, обусловленное вращением и определяемое формулой (3.99):
Для волоконного резонатора в виде катушки из показатель преломления световода для данной моды. Отсюда
чувствительность резонаторного ВОГ
Анализ резонаторных ВОГ целесообразно вести в сравнении с альтернативным вариантом — фазовыми ВОГ. Сопоставление основных уравнений фазового (3 101) и резонаторного (3.111) ВОГ позволяет определить основные отличия этих устройств. Сразу же отметим, что в отличие от фазового ВОГ использование в конструкции резонаторного ВОГ волоконной катушки не дает прямого выигрыша в чувствительности. Разность фаз 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
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 [395]
где Г — ширина резонансной кривой оптического резонатора; Наряду с перечисленными недостатками необходимо отметить два несомненных преимущества резонаторных ВОГ перед фазовыми. Первое из них заключается в том, что измеряемая величина — расщепление частот 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 [7], измерение разности частот за определенный интервал времени есть не что иное, как счет числа импульсов. Число импульсов Фазовые ВОГ измеряют аналоговый сигнал, и лишь в специальных схемах, подобных описанной выше, измерение фазы
|
1 |
Оглавление
|