Волоконно-оптический гироскоп

Основная статья: 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.

По круговому оптическому пути благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях.

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

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:

${\displaystyle \Delta \phi _{S}={\frac {4\pi RL}{\lambda c}}\cdot \Omega }$

где ${\displaystyle \Delta \phi _{S}}$ — возникающая разность фаз, ${\displaystyle R}$ — радиус контура, ${\displaystyle L}$ — длина оптического волокна, ${\displaystyle \lambda }$ — длина волны оптического излучения, ${\displaystyle c}$ — скорость света в вакууме, ${\displaystyle \Omega }$ — угловая скорость.

Рисунок 1. Простейшая конструкция волоконно-оптического гироскопа: излучение через делительную пластину распространяется по волокну в противоположных направлениях, после чего результат интерференции попадает на светочувствительный детектор.

В отсутствие угловой скорости разность фаз равна нулю, и фоточувствительный элемент будет регистрировать максимум интенсивности. При возникновении угловой скорости произойдет кратное изменение разности фаз ${\displaystyle \Delta \phi _{S}}$ между излучениями. Изменение интенсивности на фотоприемном устройстве описывается следующим уравнением:

${\displaystyle P(\Delta \phi _{S})={\frac {P}{2}}\cdot [1+cos(\Delta \phi _{S})]}$

Зная, что фаза может изменяться от ${\displaystyle -\pi }$ до ${\displaystyle +\pi }$ можно с уверенностью детектировать соответствующий диапазон угловых скоростей:

${\displaystyle \Omega _{\pi }={\frac {\lambda c}{2L\cdot D}}}$

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 ${\displaystyle \pi }$) 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;
• Фотоприёмник для детектирования оптического излучения;
• Аналогово-цифровой преобразователь для перевода аналогового сигнала, поступающего от фотоприёмника, 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 надёжность, благодаря отсутствию вращающихся частей прибора.

Применение

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 учёных в ПНИПУ, ИТМО^[6], ЛЭТИ и СГУ^[7] ведут исследовательскую и образовательную деятельность по улучшению характеристик волоконно-оптических гироскопов и приборов на их основе.