Волоконно-оптический гироскоп
Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) — это оптико-электронный прибор, измеряющий абсолютную (относительно инерциального пространства) угловую скорость[1]. Как и у всех оптических гироскопов, принцип работы основан на эффекте Саньяка.
Луч света в волоконно-оптическом гироскопе проходит через катушку оптоволокна, отсюда и название. Для повышения чувствительности гироскопа используют световод большой длины (порядка 1000 метров), уложенный витками. В отличие от кольцевого лазерного гироскопа, в волоконно-оптических гироскопах обычно используется свет с очень маленькой длиной когерентности, что необходимо для увеличения точности гироскопа до удовлетворительного уровня. В качестве источника света может использоваться даже не лазерный прибор, а, например, светодиод.
Принцип работы
 | Этот раздел не завершён. |
В самом опыте Саньяка сколлимированный и поляризованный пучок света заводился в интерферометр, в котором разделялся на два пучка, обходивших интерферометр в противоположных направлениях. После обхода пучки совмещались и интерференционная картина регистрировалась на фотопластинке. Эксперименты показали, что при вращении установки интерференционная картина сдвигалась, причем сдвиг оказался пропорциональным скорости вращения.
Использование оптического волокна позволяет избавиться от зеркал и увеличить длину оптического пути, от которого в свою очередь зависит детектируемая разность фаз:
- [math]\displaystyle{ \Delta\phi_{S} = \frac {4 \pi R L} {\lambda c} \cdot \Omega }[/math]
где [math]\displaystyle{ \Delta\phi_{S} }[/math] — возникающая разность фаз, [math]\displaystyle{ R }[/math] — радиус контура, [math]\displaystyle{ L }[/math] — длина оптического волокна, [math]\displaystyle{ \lambda }[/math] — длина волны оптического излучения, [math]\displaystyle{ c }[/math] — скорость света в вакууме, [math]\displaystyle{ \Omega }[/math] — угловая скорость.
В отсутствие угловой скорости разность фаз равна нулю, и фоточувствительный элемент будет регистрировать максимум интенсивности. При возникновении угловой скорости произойдет кратное изменение разности фаз [math]\displaystyle{ \Delta\phi_{S} }[/math] между излучениями. Изменение интенсивности на фотоприемном устройстве описывается следующим уравнением:
- [math]\displaystyle{ P(\Delta\phi_{S}) = \frac{P}{2} \cdot [1+cos(\Delta\phi_{S})] }[/math]
Зная, что фаза может изменяться от [math]\displaystyle{ -\pi }[/math] до [math]\displaystyle{ +\pi }[/math] можно с уверенностью детектировать соответствующий диапазон угловых скоростей:
- [math]\displaystyle{ \Omega_{\pi} = \frac{\lambda c}{2L \cdot D} }[/math]
Если контур длиной 10 км намотать радиусом 30 см, то с источником оптического излучения на длине волны 1550 нм диапазон детектируемый угловых скоростей составит 4.4 градусов в секунду[2]. Используя качественные аналого-цифровые преобразователи, можно детектировать изменения фазы вплоть до микрорадиан, а значит чувствительность такой системы составит порядка 0.005 градусов в час.
Базовая схема такого гироскопа имеет набор ограничений:
- Симметричность функции интерференции не позволяет определить направление вращения.
- Нелинейность передаточной характеристики вызывает неравномерность чувствительности гироскопа.
- Диапазон детектируемых угловых скоростей недостаточен для применения ВОГ в навигации.
- Переход за детектируемый диапазон (больше [math]\displaystyle{ \pi }[/math]) может быть некорректно интерпретирован.
В схеме современных волоконно-оптических гироскопов применяются техники на основе частотных и фазовых модуляторов.
Частотные модуляторы переводят фазу Саньяка в переменные изменения разности частот противоположно бегущих лучей, поэтому при компенсации фазы Саньяка разностная частота пропорциональна угловой скорости вращения Ω. Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями (областями сжатия и разрежения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний. Достоинством частотных модуляторов при использовании в ВОГ является представление выходного сигнала в цифровом виде.
Фазовые модуляторы переводят фазу Саньяка в изменение амплитуды переменного сигнала, что исключает низкочастотные шумы и облегчает измерение информационного параметра.
В оптимальную конфигурацию ВОГ входит[2]:
- Широкополосный источник оптического излучения (суперлюминесцентный диод или эрбиевый волоконный источник оптического излучения);
- Волоконно-оптический разветвитель или циркулятор;
- Многофункциональная интегрально-оптическая схема (МИОС), выполненная из кристалла ниобата лития и выполняющая одновременно функции поляризатора, разветвителя и электро-оптического модулятора;
- Волоконно-оптический контур Саньяка, являющийся чувствительным элементом ВОГ;
- Фотоприемник для детектирования оптического излучения;
- Аналогово-цифровой преобразователь для перевода аналогового сигнала, поступающего от фотоприемника, в цифровой;
- Цифро-аналоговый преобразователь для управления модуляцией МИОС;
- Цифровой процессор, который обрабатывает полученный сигнал, получая на выходе сведения об угловой скорости и который управляет работой ВОГ.
Свойства прибора
Появлению такого прибора, как волоконно-оптический гироскоп, способствовало развитие волоконной оптики, а именно разработка одномодового диэлектрического световода со специальными характеристиками (устойчивая поляризация встречных лучей, высокая оптическая линейность, достаточно малое затухание). Именно такие световоды определяют уникальные свойства прибора:
- потенциально высокая точность;
- малые габариты и масса конструкции;
- большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
- высокая надежность, благодаря отсутствию вращающихся частей прибора.
Применение
| Этот раздел не завершён. |
Широко применяется в инерциальных навигационных системах среднего класса точности. БИНС на основе ВОГ применяются в навигации для наземного транспорта, кораблей, подводных лодок и спутников[3].
В России
В России производством и исследованием современных волоконно-оптических гироскопов и приборов на их основе занимаются ряд центров:
- Научно-производственная компания "Оптолинк"[4]
- Концерн ЦНИИ "Электроприбор"
- ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПНППК)
- ЗАО "Физоптика"[5]
Кроме того, группы ученых в ПНИПУ, ИТМО[6], ЛЭТИ и СГУ[7] ведут исследовательскую и образовательную деятельность по улучшению характеристик волоконно-оптических гироскопов и приборов на их основе.
Примечания
- ↑ (1976) «Fiber ring interferometer». Applied Optics 15 (5): 1099–100. doi:10.1364/AO.15.001099. PMID 20165128. .
- ↑ 2,0 2,1 Hervé C. Lefèvre. The fiber-optic gyroscope. — Second edition. — Boston, 2014. — 1 online resource с. — ISBN 978-1-60807-696-3, 1-60807-696-2, 978-1-5231-1764-2, 1-5231-1764-8.
- ↑ Ю. Н. Коркишко, В. А. Федоров, В. Е. Прилуцкий, В. Г. Пономарев, И. В. Морев,С.Ф.Скрипников, М.И.Хмелевская, А.С.Буравлев, С.М.Кострицкий, А.И.Зуев, В.К.Варнаков. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы на основе волоконно-оптических гироскопов (рус.) // Гироскопия и навигация : журнал. — 2014. — Т. 1, № 84. — С. 14-25. — ISSN 0869-7035.
- ↑ ООО Научно-Производственная Компания "Оптолинк" | Научно-производственная Компания "Оптолинк". www.optolink.ru. Дата обращения: 27 апреля 2022. Архивировано 15 июня 2021 года.
- ↑ Физоптика. www.fizoptika.ru. Дата обращения: 27 апреля 2022. Архивировано 2 апреля 2022 года.
- ↑ Волоконно-оптический гироскоп. sf.itmo.ru. Дата обращения: 27 апреля 2022.
- ↑ Волоконно-оптические и лазерные гироскопы | СГУ - Саратовский государственный университет. www.sgu.ru. Дата обращения: 27 апреля 2022.
Литература
- Шереметьев А. Г. Волоконно-оптический гироскоп. -М.:Радио и связь, 1987.
- И.А. Андронова, Г.Б. Малыкин. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // УФН. — 2002. — Т. 172, № 8. — С. 849–873. — doi:10.3367/UFNr.0172.200208a.0849.
- Филатов Ю. В. Оптические гироскопы. Государственный научный центр Российской Федерации ЦНИИ "Электроприбор", 2005.
- Lefèvre, Hervé C. Fundamentals of the interferometric fiber-optic gyroscope. Artech House, 2014.