Волоконно-оптический лазерный гироскоп

Изобретение относится к приборам для решения задач ориентации, навигации и управления подвижных объектов - самолетов, кораблей, внутритрубных диагностических снарядов, скважинных приборов буровых скважин и т.д. Гироскоп включает резонатор, выполненный из волоконного световода, содержащего оболочку из кварцевого волокна, внутри которой расположена внутренняя оболочка из кварцевого волокна с добавкой окисла германия. В центральной части внутренней оболочки расположена активная сердцевина, которая является сигнальным волокном, выполненным из кварцевого стекла, активированного ионами редкоземельного металла. Световод образует замкнутый контур, намотанный на n-угольном жестком электроизоляционном каркасе с коэффициентом линейного температурного расширения, близким к коэффициенту линейного температурного расширения кварцевого световода, причем в местах перегибов кварцевого световода установлены непрозрачные микрозеркала, а также одно полупрозрачное микрозеркало с прилегающей к нему призмой, предназначенной для вывода оптического сигнала. Расстояние между двумя любыми соседними микрозеркалами и общая длина волоконного световода пропорциональны целым числам длин волн лазерного сигнального излучения. Система накачки выполнена в виде устройства оптической накачки, содержащего лазерный диод и микрообъектив и обеспечивающего возможность накачки в виде пучка параллельных между собой лучей, направленного перпендикулярно к прямолинейному отрезку кварцевого волокна, во внутренней оболочке которого выполнена V-образная, в виде пересекающихся граней канавка, расположенная перпендикулярно осевой линии волокна. Техническим результатом является увеличение масштабного коэффициента. 5 ил.

 

Изобретение относится к приборам ориентации, навигации и управления подвижных объектов - самолетов, кораблей, внутритрубных диагностических снарядов, скважинных приборов буровых скважин и т.д.

Уровень техники в данной области характеризуется приведенными ниже сведениями. Известен кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона, описанный в [1, 2]. Указанный гироскоп содержит катушку из высокочастотного коаксиального кабеля, намотанную на цилиндрический каркас, генератор электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона, измеритель фазы, устройство переключения направления распространения радиоволн. Недостатком данного устройства является низкая чувствительность. Так, в опытах Берштейна И.Л. [1] был использован гироскоп с каркасом радиуса 1 м при длине кабеля 244 м. При несущей частоте 30,3 МГц сдвиг фазы при угловой скорости катушки 1 об/с составил 3 угл.с.

Известен кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона [3], содержащий два чувствительных элемента, каждый из которых выполнен в виде митрона, содержащего герметичную замкнутую полость с резонатором, анод, катод, расположенные в плоскости внутри нее, источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации, источники питающих напряжений, а также кронштейн, регулируемые опоры для крепления к кронштейну митронов и два прецизионных переменных резисторов, причем один из митронов укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анадной системы, входящей в состав резонатора, второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угл. град. положении по отношению к первому митрону, причем прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона.

Достоинством прибора, выполненного по [3], является обеспечение малой температурной погрешности и обеспечение работоспособности при достаточно низкой и высокой температурах окружающей среды, что важно при использовании, например, в гироинклинометрах, где приборы могут работать при +(125-150)°С и даже +200°С. Однако его недостатком является трудность выделения полезного сигнала из сверхвысокочастотного сигнала несущей частоты.

Известен волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), являющийся, как лазерный гироскоп, разновидностью оптических гироскопов, работающих на основе эффекта Саньяка [4, 5, 6]. ВОГ, выполненный по разомкнутой схеме, состоит из волоконной катушки, лазерного твердотельного источника света, собирающей линзы, рассеивающей линзы и фотоприемника. Сигнал на выходе ВОГ представляет собой сдвиг интерференционной картины на угол фазы Саньяка, пропорциональной угловой скорости поворота объекта. Недостатком ВОГа является нелинейность статической характеристики, поскольку в фотоприемнике зависимость его выходного напряжения подчиняется закону косинуса. В связи с этим применяются различные меры для уменьшения этого недостатка: смещение рабочей точки статической характеристики и другие [6, 7].

Известен лазерный гироскоп, являющийся разновидностью кольцевых резонансных гироскопов [8]. Он содержит кварцевый корпус с герметичным замкнутым резонатором с непрозрачными и полупрозрачными зеркалами. Резонатор - это круглые отверстия (световоды) в кварцевом корпусе, ограниченные зеркалами и заполненные, например,- гелий-неоновой газовой смесью. Резонатор состоит из замкнутого треугольного и четырехугольного световода в виде отверстий в кварцевом корпусе, содержащем прямолинейные участки, ограниченные зеркалами и заполненные, например, гелий-неоновой газовой смесью. На периметре световода укладывается целое число волн оптического излучения - это условия резонанса. Он также содержит устройство накачки энергии, выполненное в виде анода и катода, расположенные в плоскости внутри полости, связанной с резонатором, ячейку Фарадея с источником постоянного магнитного поля, вектор индукции которого коллинеарен направлению распространения волн, устройство съема выходной информации об измеряемой угловой скорости, источники напряжения питания. Его недостатком является существенная температурная погрешность, подверженность действию магнитных и электрических полей, значительные размеры, сложность конструкции и изготовления. Одним из важных недостатков является трудность обеспечения малой цены импульса выходного сигнала. Лазерный гироскоп принимается за прототип.

Поставленная задача - увеличение масштабного коэффициента - решается за счет того, что волоконно-оптический лазерный гироскоп, включающий резонатор, на периметре которого укладывается целое число длин волн лазерного излучения и который образован несколькими прямолинейными отрезками световода, образующими замкнутый оптический контур в виде катушки, а также непрозрачные зеркала, полупрозрачное зеркало с прилегающей к нему призмой, предназначенной для вывода оптического сигнала, систему накачки энергии, фотооптическое устройство съема выходной информации об измеряемой угловой скорости, содержащее фотоприемник, чувствительная часть которого обращена к призме, а выход соединен со входом электронной схемы обработки выходной информации, отличающийся тем, что резонатор выполнен из волоконного световода, содержащего оболочку из кварцевого волокна, включающую расположенную внутри нее внутреннюю оболочку из кварцевого волокна с добавкой окисла германия, в центральной части которой расположена активная сердцевина, которая является сигнальным волокном, выполненным из кварцевого стекла, активированного ионами редкоземельного металла, волоконный световод намотан на n-угольный жесткий электроизоляционный каркас с коэффициентом линейного температурного расширения, близким к коэффициенту линейного температурного расширения волоконного световода, при этом все зеркала выполнены в виде микрозеркал и непрозрачные микрозеркала установлены в местах перегибов волоконного световода, расстояние между двумя любыми соседними микрозеркалами пропорционально целому числу длин волн лазерного излучения, система накачки энергии выполнена в виде устройства оптической накачки, содержащего лазерный диод, микрообъектив, состоящий из фокусирующей и афокальной рассеивающей микролинз, обеспечивающего возможность лазерного излучения накачки виде пучка параллельных лучей, направленного к прямолинейному отрезку волоконного световода, во внутренней оболочке которого выполнена V-образная, в виде пересекающихся граней канавка, расположенная перпендикулярно осевой линии световода, причем осевая линия лазерного диода и микрообъектива совпадает с осью симметрии канавки, ширина и длина которой соответствует размерам пучка излучения.

Устройство и работа волоконно-оптического лазерного гироскопа (ВОЛГ) поясняются конструктивной и оптическими схемами фиг.1 - фиг.3. На фиг.1-2 изображена конструктивная схема ВОЛГ; на фиг.3 изображена оптическая схема накачки световой энергии в ВОЛГ; на фиг.4 позицией 10′′′ изображено непрозрачное микрозеркало; на фиг.5 изображена конструктивная схема оптического выходного сигнала ВОЛГ через полупрозрачное микрозеркало.

На фигурах 1, 2, 3, 4 соответствующими позициями обозначены элементы и связи между ними. На фиг.1, 2 представлены две проекции гироскопа. Позицией 1 обозначен пустотелый каркас для волоконно-оптической катушки 2, намотанной на нем, а затем залитой силиконом. Каркас имеет опорные элементы для крепления на корпусе 3, так что ось «ОО» катушки 2, являющаяся измерительной осью прибора ВОЛГ, совпадает с одной из строительных осей подвижного объекта, на котором прибор установлен. Каркас может быть металлическим электрически изолированным или диэлектрическим, выполненным, например, из кварцевого стекла, прочным и жестким. На фиг.1 он, например, выполнен шестигранным, хотя может быть и другим трех- или четырехгранным. Коэффициент линейного температурного расширения каркаса должен быть, по возможности, одинаковым с коэффициентом линейного температурного расширения волокна катушки 2. Катушка 2 является замкнутой, т.е. ее начало и конец соединены, например, с помощью лазерной сварки. Структура активного волокна, изображенного на фиг.2, представляет собой активную сердцевину 4, выполненную из кварцевого стекла, легированного добавками в виде ионов редкоземельных металлов, например, иттербия, эрбия или других [7]. Добавки сообщают кварцевому стеклу 4 свойства твердотельного лазера [7]. Сердцевина заключена во внутреннюю оболочку 5 из кварцевого стекла с добавкой, например, окисла GeO₂, которая, в свою очередь, помещается во внешнюю оболочку 6 также из кварцевого стекла. Все оболочки прозрачны, но свет изнутри не выходит из-за отражений от границ раздела оболочек 4, 5, 6. Рассеянный свет снаружи также практически не проникает внутрь волокна. Наружный диаметр световолокна 6 составляет величину 0,1...0,3 мм [7]. Стимулированное излучение оптической накачки волоконной катушки 2 создается (индуцируется) с помощью устройства накачки, выполненного, например, в виде лазерного диода 7, оптической системы 8, состоящей из пары микролинз - фокусирующей 8′ и афокальной рассеивающей 8′′ (фиг.3). Система предназначена для формирования параллельного пучка света, перпендикулярного оболочке 6. Она состоит из одно- или многомодового лазерного диода 7, плоскость поляризации которого параллельна плоскости намотки катушки 2. Кроме того, в состав устройства оптической накачки входит V-образная канавка 9, которая выполнена в оболочке волокна 2, плоскости отражения граней которой «а» и «b» перпендикулярны плоскости намотки катушки 2. Оптическая ось лазерного диода 7 и микрообъектива 8 проходит через ребро, образованное пересечением граней «а» и «b», лежащее в плоскости, перпендикулярной плоскости намотки катушки 2. В этом случае формируются встречные пучки электромагнитных волн оптической накачки. Могут применяться и другие типы устройств оптической накачки [7]. На частях волоконной катушки 2, приходящихся на ребра каркаса 1, с определенным шагом вдоль оси «ОО» установлены зеркала 10^I, ..., 10^VI, являющиеся отражающими элементами оптического резонатора, включающего в свой состав волоконную катушку 2 (световод), зеркала 10^I, ..., 10^VI, например, в виде внешних микрозеркал. Все микрозеркала - непрозрачные. Одно микрозеркало 11 - полупрозрачное, соединено, например, силиконом с призмой 12. Они служат для создания интерференционной картины, воспринимаемой фотоприемником 13 выходной информации. Кроме устройства оптической накачки 7, 8 при большой длине катушки 2 могут применяться дополнительные устройства накачки с целью восполнения оптических потерь. Микрозеркала 10^I, ..., 10^IV могут быть выполнены в волоконной катушке в виде диэлектрических или других микрозеркал [2, 5]. Параллельно внешней площадке линзы 12 расположена чувствительная площадка фотоприемника 13 - либо фотодиода, либо фотоматрицы [7]. Фотоматрица предназначена для определения знака (направления) смещения интерференционной картины. Выход фотоприемника 13 соединен со схемой электроники 14, в которой выходной сигнал ВОЛГ преобразуется в цифровую или дискретную форму, удобную для использования в системе ориентации или навигации. Расстояние между любой парой соседних микрозеркал световода (прямолинейный участок) в целое число раз пропорционально длине волны λ оптического резонанса в световолокне. Следовательно, полная длина катушки 2 пропорциональна целому числу длин волн X. Эти соотношения являются условиями оптического резонанса. Радиус закругления волоконной катушки должен выбираться не менее 5-10 мм для обеспечения эффекта снижения коэффициента преломления [7] (фиг.4).

В качестве лазерного диода 7 может быть использован излучатель ИЛПН-330-4, в качестве фотоприменика - устройство фотоприемное УФП-002, в качестве активного волокна - световод, разработанный, например, в НЦВО ИОФРАН [9].

На фиг.1-4 не показаны источники питания, разъемы и другие конструктивные, оптические и электрические элементы, необходимые для работы, но несущественные для изложения сути предлагаемого изобретения.

Работает ВОЛГ следующим образом. После включения источников питания прибора и достижения им готовности к работе он реагирует на измеряемый компонент абсолютной угловой скорости ω объекта следующими процессами. При отсутствии абсолютной угловой скорости вращения корпуса 3 вокруг измерительной оси «ОО» луч света, испускаемый лазерным диодом 7 устройства накачки, отражается от V-образной канавки 9 гранями «а» и «b» во взаимно перпендикулярных направлениях - вправо и влево. В волоконной катушке 2 - это направления распространения излучения накачки против и по часовой стрелке. За счет многократного отражения от внешней оболочки 6 и отражения и преломления света между внутренней оболочкой 5 и активной сердцевиной 4, за счет того, что коэффициент преломления сердцевины 4 больше коэффициента преломления внутренней оболочки 4, значительная часть оптической мощности концентрируется в активной сердцевине и за счет микрозеркал в каждом из встречных пучков излучения имеет место оптический резонанс электромагнитных пучков волн генерации. После встречи двух противоположно распространяющихся потоков света, имеющих одинаковую резонансную частоту ν₀, происходит интерференция. Интерференционная картина является стоячей. При возникновении абсолютной измеряемой угловой скорости ω поворота объекта, а следовательно, корпуса 3, согласно фиг.1, оптический путь луча, распространяющегося в направлении вращения корпуса, увеличится, а луча противоположного направления - уменьшится. Как и для обычного лазерного гироскопа, условия резонанса при этом для встречных лучей света не нарушаются [2, 5], но их частоты ν₁, ν₂ и длины волн λ₁, λ₂ будут разными

где С - скорость света; λ₁, λ₂ - длины волн, соответствующие резонансным частотам ν₁, ν₂. Разность частот, т.е. частота интерференционной картины, будет определяться формулой

где N - число витков волоконного световода; S - площадь, охватываемая одним средним витком; L - длина одного среднего витка; ν₀ - резонансная частота света при ω=0. При наличии угловой скорости объекта имеет место ν₀≠ν_I (i=1,2), но несовпадение частот - незначительное: Δν/ν₀≈10^-10...10^-12; ν₀=с/λ₀.

В случае измерения на выходе ВОЛГ интегральной информации [5] имеем:

Здесь Δψ - приращение фазы интерференционной картины; К_лг - масштабный коэффициент обычного лазерного гироскопа [2, 5]. Из (3) следует, что приращение фазы интерференционной картины Δψ(t), а следовательно, на выходе схемы 14, частота следования импульсов напряжения в N раз выше, чем в обычном лазерном гироскопе. Если считают за выходную информацию число темных и светлых полос (положительные и отрицательные импульсы напряжения на выходе фотоприемника 13), то это означает, что цена импульса в предлагаемом ВОЛГе уменьшается в N раз. Так, если в обычном ЛГ цена импульса 1′′, то в предложенном 1′′/N. Это является большим преимуществом данного технического устройства. Помимо этого, ВОЛГ проще по конструкции, имеет более простую технологию изготовления и регулировки, допускает существенное уменьшение габаритов. Как следствие, данный тип гироскопа будет при прочих равных условиях дешевле.

Источники информации

1. Берштейн И.Л. Доклады АН СССР. 1950, т.75, №75, с.635.

2. Малеев П.И. Новые типы гироскопов. - Л.: Судостроение. 1971. С.113-114.

3. Кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона. Патент РФ №2207511. Б. №18, 2003.

4. Савельев A.M., Соловьева Т.И. Волоконно-оптические гироскопы (обзор). - Зарубежная радиоэлектроника, 1982, №6, с.55-66.

5. Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. - М.: Радио и связь. - 1987. - 152 с.

6. Lefevre H.C. Application of the Sagnac Effect in the Interferometic Fiber - Optic Gyroscope.- Optical Gyros and ther Application. Printed by Canada Communication Group Inc. (A. St. Joseph Corporation Company), 45, bone, Sacre - Coeur, Hull (Quebec), Canada KIA 057-1999.

7. Гироскопические системы, ч.III / Под ред. Д.С. Пельпора. - М.: Высшая школа, 1988. - с.120-134.

8. Федоров Б.Ф., Шереметьев А.Г., Умников В.Н. Оптический квантовый гироскоп. - М.: Машиностроение, 1973. - 222 с.

9. Курков А.С., Дианов Е.М. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности // Квантовая электроника, 2004, №10.

Волоконно-оптический лазерный гироскоп, включающий резонатор, на периметре которого укладывается целое число длин волн лазерного излучения и который образован несколькими прямолинейными отрезками световода, образующими замкнутый оптический контур в виде катушки, а также непрозрачные зеркала, полупрозрачное зеркало с прилегающей к нему призмой, предназначенной для вывода оптического сигнала, систему накачки энергии, фотооптическое устройство съема выходной информации об измеряемой угловой скорости, содержащее фотоприемник, чувствительная часть которого обращена к призме, а выход соединен со входом электронной схемы обработки выходной информации, отличающийся тем, что резонатор выполнен из волоконного световода, содержащего оболочку из кварцевого волокна, включающую расположенную внутри нее внутреннюю оболочку из кварцевого волокна с добавкой окисла германия, в центральной части которой расположена активная сердцевина, которая является сигнальным волокном, выполненным из кварцевого стекла, активированного ионами редкоземельного металла, волоконный световод намотан на n-угольный жесткий электроизоляционный каркас с коэффициентом линейного температурного расширения, близким к коэффициенту линейного температурного расширения волоконного световода, при этом все зеркала выполнены в виде микрозеркал и непрозрачные микрозеркала установлены в местах перегибов волоконного световода, расстояние между двумя любыми соседними микрозеркалами пропорционально целому числу длин волн лазерного излучения, система накачки энергии выполнена в виде устройства оптической накачки, содержащего лазерный диод, микрообъектив, состоящий из фокусирующей и афокальной рассеивающей микролинз, обеспечивающего возможность лазерного излучения накачки в виде пучка параллельных лучей, направленного перпендикулярно к прямолинейному отрезку волоконного световода, во внутренней оболочке которого выполнена V-образная, в виде пересекающихся граней канавка, расположенная перпендикулярно осевой линии световода, причем осевая линия лазерного диода и микрообъектива совпадает с осью симметрии канавки, ширина и длина которой соответствуют размерам пучка излучения.