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.

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

© 1993 ARTECH HOUSE, INC.

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.

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,

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской
Революции и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.Э.Баумана.

________________________________________________

Факультет РЛ

Кафедра РЛ2

Реферат по теме

"Волоконно-оптические гироскопы"

студентки

Матвеевой Ляны Александровны

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....................................................................................................................

Список литературы.......................................................................................................

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.

в противоположном направлении -

где с - скорость света.

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

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.

Лазерные гироскопы обладают рядом преимуществ по сравнению с электромеханическими. Эти преимущества открывают широкую перспективу в практическом использовании гироскопов на лазерах. Так, для конструкторов систем управления всегда весьма важно, каким способом и в каком виде снимаются с гироскопов выходные данные.

Лазерный гироскоп позволяет получить на его выходе очень удобные для управления сигналы, например, в виде последовательности электрических импульсов, полярность которых определяется направлением поворота гироскопа. Число одиночных импульсов пропорционально малым фиксированным приращениям угла поворота (например, одной секунде дуги). Полный угол поворота гироскопа находится по общему количеству импульсов. Еще более важным для конструкторов является точность работы прибора. Точность работы гироскопов на лазерах чрезвычайно высока. Так как по своему назначению они должны регистрировать скорость вращения меньше 0,1 град/ч, то это приводит к необходимости измерять разность оптических траекторий с точностью до 10 -5 нм и частотные изменения около 0,1 Гц (при рабочей частоте 10 14 —10 15 Гц).

Самая простая конструкция такого прибора представляет собой обычное устройство с тремя зеркалами-отражателями, размещенными по углам контура так, что образуется замкнутая траектория (кольцо) для светового луча. Лазерный луч (см. рис.) создается двумя квантовыми генераторами (ОКХ), один из которых посылает излучение по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки. Упоминание о двух ОКХ приводится с целью упрощения рассуждений. На практике в лазерном гироскопе может быть установлен один оптический квантовый генератор, имеющий два и более активных элементов, формирующих лучи, движущиеся в противоположных направлениях.

Отражаясь от зеркал, проходя от зеркала к зеркалу и, наконец, через полупрозрачное зеркало и призму, световое излучение ослабевает. Для поддержания световых волн в системе на уровне, необходимом для нормальной работы, нужно, чтобы коэффициент усиления световых лучей вдоль всего пути был бы не менее 1. Необходимо также, чтобы на длине пути лазерных лучей укладывалось бы целое число длин волн, генерируемых лазерами, т. е. сдвиг фаз световых колебаний в полости резонатора должен равняться нулю. Для выполнения последнего условия частота колебаний лазера должна быть такой, чтобы усидивающая среда дала коэффициент усиления, достаточный для компенсации потерь в отражающих и других элементах оптического контура лазера. Эта частота при работе ОКГ устанавливается автоматически.

При повороте кольцевого резонатора в инерциальном пространстве оптические пути, проходимые лучами, движущимися по и против часовой стрелки, оказываются неодинаковыми. Разность между оптическими путями приводит в этом случае к возникновению разности частот генерируемых колебаний (эффект Саньяка), которая и определяет скорость вращения резонатора.

Лекция 14.

1. Принцип работы лазерного гироскопа;

2. Волоконно-оптические гироскопы.

§5.14.1. Принцип работы лазерного гироскопа.

Подробнее принцип работы поясним на примере простейшей схемы лазерного ДУС, оптический контур которого - треугольный. На рис. 6 показаны КОКГ, содержащий трубку 1 с активным веществом газовой рабочей смесью, которая возбуждается от генератора накачки 2 высокочастотным (частотой несколько десятков мегагерц) или постоянным (напря­жением тысячи вольт) током, и собственно кольцевой резонатор, включа­ющий два непрозрачных зеркала 3 и одно полупрозрачное зеркало 4. Активная смесь порождает в резонаторе индуцированное излучение вслед­ствие перехода атомов неона (Ne) с высоких (возбужденных генератором накачки) на низкие энергетические уровни. Это становится возможным, если коэффициент усиления в активной среде превышает коэффициент потерь, а длина волны когерентного излучения целое число раз укладывается по периметру резонатора. Возникающие при этом электромагнитные колебания (обычно с длиной волны, примерно равной 0,63 мкм) выходят из торцев трубки 1 и распространяются в противоположных направлениях к непрозрачным зеркалам 3. Отраженные лучи с помощью полупрозрачного зеркала 4 выводятся за пределы контура, и с помощью дополнительного непрозрачного зеркала 5 направления их распространения совмещаются. Лучи попадают на фотокатод фотоэлектронного умножителя 6, где интерферируют друг с другом, создавая интерференционные полосы.

Вращение корпуса лазерного гироскопа с угловой скоростью , вектор которой перпендикулярен к плоскости контура, приводит к тому, что интерференционные полосы начинают перемещаться относительно фотокатода со скоростью вращения корпуса. Это обстоятельство связано с тем, что при вращении вследствие появления разности времен хода лучей, распространяющихся по оптическому замкнутому контуру в противоположных нап­равлениях, появляется и разность их хода, т.е. как бы разность длин периметра резонатора, по которому они распространяются. При генерации в КОКГ длины волн должны уложиться в теперь уже разных периметрах одинаковое целое число раз, поэтому эти длины, а следовательно, и частоты электромагнитных колебаний при наличии становятся разными; появляется разность частот (частота биений), что приводит к смещению интерференционных полос. Перемещение на один шаг между интерференционными полосами соответствует изменению фазы биений на радиан. На выходе фотоэлектронного умножителя 6 появляется электричес­кий сигнал с разностной частотой . После усиления этот сигнал поступает на частотомер 7 и регистрируется устройством 8.

Возможна иная физическая интерпретация принципа работы лазерного ДУС. В КОКГ при наложении бегущих волн, направленных встречно, обра­зуются стоячие волны. Местоположение их узлов и пучностей относитель­но резонатора является неопределенным и не зависит от его углового положения. При вращении резонатора относительно инерциального пространства стоячие волны остаются неподвижными, что следует из постулата постоянства скорости света и принципа относительности. Смещение интерференционных полос по фотокатоду с частотой можно интерпретиро­вать как результат поворота резонатора относительно неподвижной картины стоячих волн.

Аналитическая зависимость между измеряемой угловой скоростью и разностью частот излучений, распространяющихся встречно по контуру, для заданных конструктивных параметров устройства (частоты излучений при , периметра контура и ограниченной им площади ) может быть получена из анализа принципа работы идеализированного лазерного ДУС с круговым контуром. Поскольку по длине периметра резонатора должно укладываться целое число длин волн, то общее число стоячих волн образующихся в контуре, . Таким образом, повороту контура на угол радиан соответствует число стоячих волн . Тогда повороту контура на элементарный угол будет соответствовать число стоячих волн

Заметим, что величина

(5.10)

представляет собой, по существу, частоту следования стоячих волн относительно некоторой фиксированной точки замкнутого контура и связана с разностью частот встречных лучей соотношением

Используя зависимости (5.10) и (5.11) и учитывая, что для кругового контура , после преобразований получим

Формула (5.12) справедлива не только для кругового контура, но и для плоского замкнутого контура любой конфигурации.

Если вектор угловой скорости направлен под некоторым углом к перпендикуляру, опущенному на плоскость контура, то формула (5.12) принимает вид

(5.13)

Следовательно, измерительной осью прибора является ось, нормальная к плоскости контура. Комбинация трех плоских лазерных ДУС в один блок с ортогональной ориентацией измерительных осей позволяет получить трехкомпонентный измеритель угловой скорости. Целесообразно отметить, что ЛГ можно использовать и в интегрирующем режиме, т.е. в режиме измерителя углов поворота основания. Перепишем формулу (5.12) в виде

,

где - фаза биений; - угол поворота прибора вокруг измерительной оси.

Очевидно, что

Таким образом, о приращении угла поворота можно судить по числу периодов (полупериодов) биений (периодов колебаний электрического сигнала с разностной частотой ).

Лазерные гироскопы обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными. Это, прежде всего: отсутствие каких-либо механических вращающихся элементов, а, следовательно, они свободны от погрешностей, обусловленных моментами сил трения, неуравновешенности; высокая надежность и способность устойчиво работать в условиях значительных перегрузок; относительно малая потребляемая мощность (единицы ватт); их практически мгновенная (доли секунды) готовность к работе. Весьма важным преимуществом ЛГ является дискретность выходного сигнала измерительной информации, что позволяет исполь­зовать этот сигнал без дополнительных преобразований в ЭВМ. Кроме того, ЛГ могут работать в широком динамическом диапазоне, что делает возможным их применение в бесплатформенных навигационных системах.

Наряду с преимуществами ЛГ необходимо указать ряд их недостатков и специфических проблем, с которыми пришлось столкнуться при разработке. Одна из наиболее сложных проблем связана с так называемым эффектом "захвата" или синхронизации частот колебаний, распространяющихся в рабочем контуре в противоположных направлениях. "Захват" частот при малой их расстройке обусловлен взаимным рассеиванием каждой волны в направлении распространения встречной при отражении от зеркал и других оптических элементов. В результате этого явления при малых измеряемых скоростях вращения частоты обоих лучей оказываются одинаковыми, и разностная частота равна нулю, что предопределяет наличие порога чувствительности прибора.

В основе другой проблемы - нестабильность масштабного коэффициента ЛГ, допустимое значение которого составляет . Причиной нестабильности масштабного коэффициента является изменение периметра резонатора, например из-за температурных колебаний, но главным образом эта нестабильность порождается нестабильностью коэффициента преломления оптической среды. Активная среда уменьшает расстройку частот по сравнению с той, которая была бы в "пустом" резонаторе (эффект затягивания частот). Учет влияния аномальной дисперсии активной среды показывает, что ее относительное влияние наиболее существенно при ма­лой частоте биений . Решение указанных проблем обеспечивается раз­личными путями. Так, например уменьшения зоны "захвата" добиваются доведением до минимума рассеяния на зеркалах, глубоким вакуумированием тракта, по которому распространяются лучи. Кроме того, зона "захвата" уменьшается при увеличении периметра, охватываемого лучами, а также при уменьшении длины волны используемого излучения. Сужение зоны "захвата" путем увеличения периметра резонатора ограничивается конструктивными требованиями массогабаритных характеристик. Выбор длины рабочей волны ограничивается значениями, при которых возможна генерация.

Постоянство оптического пути резонатора обеспечивается использованием монолитной конструкции из материалов с малым температурным коэффициентом линейного расширения, таких как ситал и др. Принципиальным решением проблемы "захвата", одновременно способ­ствующим уменьшению влияния эффекта затягивания частот, является сме­щение рабочей точки ЛГ из зоны захвата, например введением дополни­тельного вращения (равномерного или реверсивного) резонатора вокруг измерительной оси, либо другими методами, в которых реализуется не­взаимность показателя преломления для противоположно направленных лу­чей (на основе магнитооптических эффектов Фарадея, Керра и др.).

Повышение стабильности масштабного коэффициента достигается главным образом регулированием длины оптического пути (периметра резонатора) обычно на основе схем экстремального регулирования таким образом, чтобы обеспечивалось получение максимальной мощности излучения.

Лазерный гироскоп, как уже отмечалось, обладает относительно широ­ким диапазоном измерения. Теоретическое значение верхнего предела этого диапазона определяется шириной полосы пропускания кольцевого резонатора, а нижнего - нестабильностью частоты генерируемых колеба­ний. Смещение и дрейф нулевого сигнала обусловлены различием коэффи­циентов преломления среды для встречных лучей вследствие движения среды внутри резонатора (эффект Френеля - Физо), движения атомов в активной среде (эффект Лэнгмюра), эффекта Фарадея и др. Кроме того, смещение нуля может быть вызвано анизотропным рассеянием, невзаимными эффектами насыщения в активной среде, рассеянием на неоднородностях резонатора и др. Случайный дрейф ЛГ составляет . В настоящее время работы по совершенствованию ЛГ продолжаются.

§5.14.2. Волоконно-оптические гироскопы

В 1975 г. в США были начаты исследования в области волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), которые по оценке специалистов будут в 5 - 10 раз дешевле и в несколько раз меньше по объёму в массе, чем существующие механические и лазерные гироскопы сравни­мой точности. Уже в 1982 т. в лабораторных условиях получена при­емлемая для ряда приложений чувствительность ВОГ к угловой ско­рости – 0.1 - 1 град/ч.

Принцип действия оптического гироскопа основан на "вихревом” эффекте Саньяка, который он экспериментально продемонстрировал в 1913 г. Сущность "вихревого" эффекта заключается в следующем. Если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при вращении контура вокруг оси, перпендикулярной к плоскости контура, с угловой

скоростью разность фаз двух встречных световых лучей, прошедших весь контур, пропорциональна угловой скорости контура:

где - площадь замкнутого контура; - длина волны светово­го луча; - скорость света.

В ВОГ замкнутый контур образован многовитковой катушкой опти­ческого волокна. При этом

(5.15)

где - число витков; - площадь витка контура.

Принципиальная схема ВОГ:

1 - лазерный диод;

2 - светоделитель;

3 - волоконный контур;

4 - фотодетектор;

5 - электронное устройство обработки

Принципиальная схема ВОГ показана на рис.7. В качестве источника излучения применен лазерный диод. Излучение подаётся на светоделитель и разделяется на два луча. Эти лучи, обойдя замкнутый контур из оптического волокна, объединяются на светоделите­ле и подаются на фотодетектор и далее на электронное устройство обработки, с которого можно получить электрический сигнал, про­порциональный угловой скорости со , а если этот сигнал проин­тегрировать, то и сигнал, пропорциональный углу поворота замкнуто­го контура,

В типичных экспериментальных конструкциях ВОГ используется катушка оптического волокна радиусом 10 см при длине волокна 500 м. Вращение такого контура со скоростью 1 град/ч приводит к появлению, разности фаз порядка рад.

Провели эксперименты по определению скорости света на вращающейся платформе. В опытной установке Саньяка (рис. 1) на платформе находились как источник, так и приёмник света (фотопластина).

Рис. 1.

Свет от источника разделялся стеклом на два луча, которые обходили контур в противоположных направлениях и направлялись на фотопластинку. Эффект Саньяка проявлялся в смещении фаз встречных излучений в зависимости от скорости вращения платформы.

В установке Гарреса, в отличие от схемы Саньяка, источник света был подвешен над центром вращающейся платформы, а на краю платформы был установлен отражатель луча света. Далее этот отражённый луч разделялся на два луча, которые обходили контур в противоположных направлениях.

В обоих этих экспериментах было показано, что скорость света остаётся постоянной только относительно поверхности массивного гравитирующего тела Земли, вне зависимости от состояния покоя или вращения самой платформы. В литературе этот эффект получил наименование эффекта Саньяка.

Эффект Саньяка используется в лазерных и волоконно-оптических гироскопах. Эти гироскопы уже начинают применяться на практике для определения угловой скорости вращения в пространстве летательных аппаратов и других движущихся объектов, но широкое их внедрение в эксплуатацию сдерживается недостаточной чувствительностью этих приборов при малых угловых скоростях.

Рассмотрим простейшую принципиальную схему волоконно-оптического гироскопа (рис. 2).

Рис. 2.

На рис. 2а изображён одновитковый контур радиусом а с использованием оптического одномодового волокна (оптоволокна). На рис. 2б изображён тот же контур, свёрнутый в катушку. Лучи света противоположных направлений пропускают по одному и тому же волокну, что позволяет более эффективно использовать волокно.

В одновитковом контуре, изображённом на рис. 2а, лучи света противоположных направлений проходят весь контур, после чего измеряется смещение фаз. Контур вращается вместе с объектом с угловой скоростью Ω. Окружная скорость вращения оптического волокна равна v . Тогда скорость распространения света в волокне в направлении вращения будет равна: c – v ; скорость света в противоположном направлении составит: c + v . Где c – скорость света в вакууме. Следовательно, свет попутного направления придёт в точку встречи (к измерителю фазы) с опозданием. Это запаздывание света по времени ∆t определится из выражения:

Поскольку окружная скорость оптического волокна гироскопа v на много порядков меньше скорости света c , выражение (2) можно упростить и записать в виде:

где λ – длина волны света.

Подставляя в (4) выражения окружной скорости и длины оптического волокна: v = Ω·a ; L = 2π·a , и учитывая, что произведение π·a 2 – представляет собой площадь S , очерченную оптоволокном, можно записать:

Эта формула считается основной. Она применима и для одновиткового контура, и для многовитковой катушки, в последнем случае площадь S представляет собой сумму площадей всех витков.

Анализ этой формулы показывает, что круговая форма навивки оптоволокна предпочтительна, поскольку окружность заметает максимальную площадь при фиксированной длине волокна. Но всё же формула эта не очень информативна, поскольку она ничего не говорит о том, как быть с габаритами (с радиусом навивки) волокна? Сейчас наблюдается тенденция к миниатюризации гироскопов, а это вряд ли правильно, и вот почему.

Учитывая, что v = Ω·a , и подставляя это выражение в (4) получим:

Как видно из формулы (6), смещение фаз встречных излучений пропорционально длине оптического волокна гироскопа и радиусу навивки волокна. Эти параметры примечательны тем, что оказывают наибольшее влияние на чувствительность гироскопа и тем, что они выбираются при конструировании прибора. И выбирать надо, очевидно, наибольшие возможные значения этих параметров. Из формулы (6) видно, что при максимально возможной и фиксированной величине L чувствительность гироскопа прямо зависит от радиуса навивки волокна.

Если, например, гироскоп проектируется для использования на авиалайнере как датчик угловой скорости крена, то, очевидно, что максимально возможный радиус укладки оптоволокна будет равен радиусу фюзеляжа самолёта. Другими словами, в этом случае оптоволокно можно уложить по внутренней поверхности фюзеляжа в плоскости перпендикулярной строительной оси самолёта (рис. 3а).

Рис. 3. Варианты укладки оптоволокна при использования гироскопа на авиалайнере: а) датчик угловой скорости крена; б) датчик угловой скорости тангажа; в) датчик угла поворота

Если же гироскоп проектируется к использованию как датчик угловой скорости тангажа, оптоволокно можно уложить на боковой внутренней поверхности фюзеляжа (рис. 3б). При этом для эффективного использования оптического волокна, проекция укладки на вертикальную плоскость, проходящую через строительную ось фюзеляжа, должна быть по возможности ближе к окружности.

Если гироскоп будет использоваться как датчик угла поворота – оптоволокно можно уложить на нижней (или верхней) внутренней поверхности фюзеляжа (рис. 3в). Проекция укладки на горизонтальную плоскость также должна быть по возможности ближе к окружности. Все остальные устройства гироскопа: источник света, приёмник, измеритель смещения фаз, поляризатор, фильтры и т.д., – можно собрать в корпусе прибора.

Поскольку средний радиус фюзеляжа самолёта на два порядка больше радиуса навивки волокна выпускаемых на сегодняшний день гироскопов, то этот приём позволит увеличить разрешающую способность гироскопа на два порядка.

Выводы

1. При фиксированной длине оптического волокна измеряемый эффект оптических гироскопов зависит не только от угловой скорости вращения, но и от радиуса навивки оптического волокна. Следовательно, в итоге, измеряемый эффект зависит от окружной скорости оптоволокна.
2. Для увеличения измеряемого эффекта при малых угловых скоростях и фиксированной длине оптоволокна необходимо увеличивать окружную скорость оптоволокна за счёт увеличения радиуса укладки волокна.
3. Геометрические размеры авиалайнеров позволяют увеличить радиус укладки оптоволокна до нескольких метров и тем самым позволяют в десятки раз увеличить разрешающую способность волоконно-оптических гироскопов.
4. Увеличение разрешающей способности волоконно-оптических гироскопов приведёт к их широкому внедрению в эксплуатацию.

Литература:

1. Sagnac G. L’éther lumineux démontre par l’effet du vent relatif d"éther dans un interférométrie en rotation uniforme. Comptes Rendus, 157 (1913), S. 708...710.
2. Harress F. Die Geschwindigkeit des Lichtes in bewegten Körpern? Dissertation, Jena, 1912. Пер. с нем. в кн. У.И. Франкфурт, А.М. Френк, «Оптика движущихся тел». М.: Наука, 1972, стр. 69.
3. Гужеля Ю.А. Неиспользованные возможности эффекта Саньяка при измерении скорости объекта. IX международная конференция «Инновации в науке и образовании – 2011». Труды, Часть 1. Калининград 2011, стр. 173. УДК 535.225(06).

Отзыв на статью:

Амал-Топарх Юрьев Г.А. Отзыв на работу Ю.А. Гужеля «Эффект Саньяка и неиспользованные возможности волоконно-оптических гироскопов при измерении малых угловых скоростей» . , 2015.