Волоконно-оптический гироскоп



Волоконно-оптический гироскоп
Волоконно-оптический гироскоп

 


Владельцы патента RU 2589450:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (RU)
Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (RU)

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах интерферометрического типа. Технический результат заключается в компенсации оптических шумов источника излучения, а также уменьшении дрейфа сигнала ВОГ за счет уменьшения амплитуды волн с нерабочей поляризацией, что обеспечивает повышение точности и чувствительности гироскопа. Волоконно-оптический гироскоп содержит расположенное во внутреннем объеме защитного экрана несущее основание и закрепленные на нем оптически соединенные источник излучения, волоконный поляризатор, входной разветвитель, соединенный двумя своими портами с входами фотоприемников, соединенных с электронной схемой обработки информации, интегрально-оптическую схему, включающую поляризатор, разветвитель и фазовый модулятор, измерительный контур, представляющий собой чувствительную катушку, включающую каркас с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, закрепленный на несущем основании, а также схему обработки информации, информационный выход которой образует информационный выход гироскопа. Интегрально-оптическая схема сформирована в монокристаллической пластине ниобата лития. Разветвитель интегрально-оптической схемы выполнен в виде Х-разветвителя, его канальные волноводы сформированы по технологии диффузии титана в пластину ниобата лития. Свободное входное плечо канального волновода разветвителя интегрально-оптической схемы образует контрольный оптический вывод интегрально-оптической схемы, предназначенный для контроля точности стыковки интегрально-оптической схемы с оптическим волокном чувствительной катушки. Каркас чувствительной катушки закрыт дополнительным экраном из двух соединяемых внахлест друг с другом частей, охватывающих верхнюю и нижнюю части каркаса катушки, каждая из которых представляет собой кольцеобразный желоб, а в своем внутреннем пространстве содержат жестко соединенные с ней, равномерно размещенные по окружности и упирающиеся в верхнюю поверхность каркаса чувствительной катушки пружинные элементы, а в нижнюю поверхность каркаса чувствительной катушки - сферические упоры, а в пространстве между внутренней поверхностью отверстия каркаса катушки и внутренней поверхностью дополнительного экрана размещена упругая пружина. 2 ил.

 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах интерферометрического типа.

Известны волоконно-оптические гироскопы интерферометрического типа (патенты: ЕР №1780506 А2, G01C 19/72, 02.05.2007; US №5351123, G01C 19/72, 27.09.1994, US №6744519 В2, G01C 19/72, 01.06.2004; RU №2194245 С2, G01B 9/02, G01C 19/72, от 10.12.2002, которые в обобщенном виде состоят из кольцевого оптоволоконного интерферометра и электронной схемы обработки информации. Кольцевой оптоволоконный интерферометр содержит оптически соединенные источник излучения, входной разветвитель, связанный вторым своим портом с входом фотоприемника, интегрально-оптическую схему, выполняющую функцию «поляризатор - разветвитель - фазовый модулятор», и чувствительную катушку с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, концы которого присоединены к канальным волноводам выходных плеч разветвителя интегрально-оптической схемы. Вход электронной схемы обработки информации соединен с выходом фотоприемника, а управляющий выход - с управляющим входом интегрально-оптической схемы, образованным управляющим входом ее фазового модулятора.

Чувствительная катушка выполняется путем намотки оптического волокна, сохраняющего поляризацию, на каркас, закрепленный тем или иным образом на несущем основании гироскопа. Конструкция крепления чувствительной катушки должна обеспечивать с одной стороны ее надежное крепление и неизменное положение в течение всего времени эксплуатации, а с другой стороны - тепловое разделение каркаса чувствительной катушки и несущего основания гироскопа.

Выполнение электронной схемы обработки информации зависит от схемы измерений, реализуемой в волоконно-оптическом гироскопе. В так называемой «открытой» схеме измерений, типичный пример которой представлен в (ЕР №1780506 А2, G01C 19/72, опубл. 02.05.2007, Fig. l), электронная схема обработки информации содержит демодулятор, выполненный на основе синхронного детектора, и формирователь прямоугольного сигнала модуляции/демодуляции, выход которого соединен с управляющим входом демодулятора. Сигнальный вход демодулятора образует вход электронной схемы обработки информации, соединенный с выходом фотоприемника, выход демодулятора образует информационный выход электронной схемы обработки информации, являющийся информационным выходом гироскопа, а выход формирователя прямоугольного сигнала модуляции/демодуляции образует управляющий выход электронной схемы обработки информации, соединенный с управляющим входом фазового модулятора интегрально-оптической схемы. В «закрытых» схемах измерений, примеры которых представлены в (US №5351123, G01C 19/72, опубл. 27.09.1994, US №6744519 В2, G01C 19/72, опубл. 01.06.2004, RU №2194245 С2, G01B 9/02, G01C 19/72, от 14.11.2000), помимо демодулятора и формирователя прямоугольного сигнала модуляции/демодуляции в состав электронной схемы обработки информации входят формирователь ступенчатого пилообразного сигнала и выходной сумматор, обеспечивающие формирование модулированного ступенчатого пилообразного сигнала, осуществляющего управление фазовым модулятором интегрально-оптической схемы в процессе компенсации разности фаз, возникающей между лучами интерферометра при вращении чувствительной катушки гироскопа (эффект Саньяка).

Основными источниками дрейфа волоконно-оптического гироскопа являются погрешности, вызванные изменением температуры окружающей среды, в том числе зависимости от температуры параметров волоконно-оптического контура, модулятора и источника оптического излучения, а также ошибки, связанные с присутствием паразитной ортогональной поляризации и поляризационными преобразованиями. Использование протонно-обменного волновода в интегрально-оптической схеме приводит к тому, что волна с нерабочей поляризацией не поглощается, а выводится в подложку и частично захватывается приемной апертурой волокна, при отсутствии дополнительного входного поляризатора приводит к увеличению ошибки выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Кроме того, отсутствие дополнительного входного поляризатора не позволяет использовать метод компенсации амплитудных шумов источника света, который используется для уменьшения шумов выходного сигнала гироскопа.

В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран волоконно-оптический гироскоп интерферометрического типа, реализующий компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка (патент РФ №2283475, G01C 19/72, от 11.05.2005).

Обобщенная структурная схема гироскопа-прототипа состоит из кольцевого оптоволоконного интерферометра и электронной схемы обработки информации. Кольцевой оптоволоконный интерферометр содержит оптически соединенные источник излучения, входной разветвитель, первый порт которого соединен с оптическим входом фотоприемника, второй порт входного разветвителя соединен с первым оптическим портом интегрально-оптической схемы, выполняющей функцию «поляризатор - разветвитель - фазовый модулятор», и измерительный контур, представляющий собой чувствительную катушку, состоящую из каркаса с намотанным на него оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, торцы которого присоединены к соответствующим выходам канальных волноводов интегрально-оптической схемы. Вход электронной схемы обработки информации соединен с выходом фотоприемника, а ее управляющий выход соединен с управляющим входом интегрально-оптической схемы, образованным управляющим входом ее фазового модулятора, а информационный выход электронной схемы обработки образует информационный выход гироскопа.

Входной разветвитель представляет собой волоконный Х-разветвитель, изготовленный с использованием двух отрезков одномодовых световодов по стандартной тянуто-сплавной технологии.

Интегрально-оптическая схема, реализующая функцию «поляризатор - разветвитель - фазовый модулятор», выполнена в монокристаллической пластине ниобата лития. Разветвитель интегрально-оптической схемы представляет собой Y-разветвитель, канальные волноводы которого сформированы по протонно-обменной технологии. Канальные волноводы Y-разветвителя являются однополяризационными, что придает интегрально-оптической схеме свойства поляризатора. Фазовый модулятор интегрально-оптической схемы образован металлическими электродами, сформированными в области выходных канальных волноводов Y-разветвителя. При подаче на них электрического напряжения происходит изменение показателя преломления материала канального волновода и фазы проходящих через него волн, что обеспечивает реализацию функции фазового модулятора.

Недостатками прототипа, оказывающими существенное влияние на точность и чувствительность волоконно-оптического гироскопа, являются оптические потери и фазовые искажения, возникающие при прохождении оптических волн через интегрально-оптическую схему и измерительный контур. Другим недостатком прототипа является использование протонно-обменных волноводов в интегрально-оптической схеме, поддерживающих один тип волноводной моды при выборе соответствующей конфигурации. Волна с нерабочей поляризацией выводится в подложку и частично захватывается приемной апертурой оптического волокна, а при отсутствии дополнительного входного поляризатора приводит к увеличению ошибки выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Кроме того, отсутствие дополнительного входного поляризатора не позволяет использовать метод компенсации амплитудных шумов источника света, который используется для уменьшения шумов выходного сигнала гироскопа. Использование Y типа ответвителя не позволяет осуществить контроль совмещения осей волновода интегрально-оптической схемы и оптического волокна волоконно-оптического контура гироскопа. Это приводит к возбуждению волны с нерабочей поляризацией. Появление волн с нерабочей поляризацией приводит к появлению ошибки выходного сигнала гироскопа.

Изобретение решает задачу повышения точности и чувствительности гироскопа за счет разработки волоконно-оптического гироскопа с усовершенствованным оптическим трактом, обеспечивающим возможность компенсации оптических шумов источника излучения, а также уменьшения дрейфа сигнала ВОГ за счет уменьшения амплитуды волн с нерабочей поляризацией, уменьшения величины напряженности магнитного поля, уменьшения влияния внешних температурных полей и уменьшения температурного коэффициента расширения катушки.

Поставленная задача решается следующим образом.

В волоконно-оптическом гироскопе, содержащем расположенное во внутреннем объеме защитного экрана, выполненного из магнитомягкого материала, несущее основание и закрепленные на нем оптически соединенные источник излучения, интегрально-оптическую схему, реализующую функцию «поляризатор - разветвитель - фазовый модулятор», измерительный контур, представляющий собой чувствительную катушку, состоящую из каркаса, с намотанным на него оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, закрепленную на несущем основании и закрытую дополнительным экраном из магнитомягкого материала, а также первый фотоприемник, оптический вход которого соединен с первым портом входного разветвителя, второй порт входного разветвителя соединен с первым оптическим портом интегрально-оптической схемы, выход первого фотоприемника соединен с первым входом электронной схемы обработки информации, первый выход которой соединен с управляющим входом фазового модулятора интегрально-оптической схемы, а информационный выход схемы обработки информации образует информационный выход гироскопа, причем выходы канальных волноводов разветвителя интегрально-оптической схемы соединены с оптическими волокнами измерительного контура. Между источником оптического излучения и входным разветвителем размещен волоконный поляризатор, выход которого соединен с третьим портом входного разветвителя, четвертый порт которого соединен с входом второго фотоприемника, выход которого соединен со вторым входом электронной схемы обработки информации, первый оптический порт интегрально-оптической схемы снабжен поляризатором, а разветвитель интегрально-оптической схемы выполнен в виде Х-разветвителя, канальные волноводы которого сформированы по технологии диффузии титана в пластине из электрооптического материала, в качестве которого используют ниобат лития, при этом второй оптический порт интегрально-оптической схемы образует контрольный оптический вывод интегрально-оптической схемы. Каркас чувствительной катушки выполнен из кварцевой керамики, а дополнительный экран, закрывающий каркас катушки, состоит из двух соединяемых друг с другом частей, одна часть охватывает верхнюю часть каркаса катушки, другая - нижнюю, причем верхняя часть дополнительного экрана соединена внахлест с нижней частью, а каждая из частей представляет собой кольцеобразный желоб, верхняя часть дополнительного экрана дополнительно скреплена с несущим основанием посредством элементов крепления, при этом в своем внутреннем пространстве содержит жестко соединенные с ней по крайней мере три пружинных элемента, равномерно размещенные по окружности и упирающиеся в верхнюю поверхность каркаса катушки, нижняя часть дополнительного экрана в своем внутреннем пространстве содержит жестко соединенные с ней по крайней мере три равномерно размещенных по окружности, сферических упора, на которые опирается нижняя поверхность каркаса катушки, а в пространстве между внутренней поверхностью отверстия каркаса катушки и внутренней поверхностью дополнительного экрана размещена упругая пружина, выполненная в виде боковой поверхности прямой многоугольной призмы, кроме того, защитный экран также выполнен из двух скрепляемых частей, охватывающих нижнюю и верхнюю части конструкции гироскопа.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. Точностные характеристики ВОГ определяются его шумовыми параметрами и дрейфом нуля. При увеличении оптической мощности, падающей на фотоприемник, амплитудный шум источника света становится определяющим. Поскольку зависимость этого шума от оптической мощности, падающей на фотоприемник, является линейной функцией, увеличение оптической мощности, начиная с определенного уровня, не приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Для уменьшения амплитудного шума источника света в заявляемом изобретении представлена схема его (шума) компенсации, состоящая из второго фотоприемника, входного поляризатора, входного оптического разветвителя с сохранением поляризации и цифровой схемы временной задержки на время пробега света по волоконному контуру. Для обеспечения компенсации амплитудного шума источника света необходимо обеспечить высокую степень корреляции световых пучков, один из которых проходит волоконный контур, падает на первый фотоприемник и является измерительным, а второй пучок является опорным и падает на второй фотоприемник. Для обеспечения высокой степени корреляции необходимо иметь одинаковую поляризацию в этих пучках. Для этого в оптическую схему гироскопа введен дополнительный входной поляризатор, а входной разветвитель заменен на разветвитель с сохранением поляризации. Кроме того, в цифровой схеме обработки введена линия задержки на время пробега света по волоконному контуру для опорного сигнала. Введение дополнительного входного поляризатора, кроме того, позволяет уменьшить величину нежелательной ортогональной поляризации, уменьшая тем самым величину дрейфа сигнала гироскопа.

Дальнейшее уменьшение величины дрейфа сигнала гироскопа в заявляемом изобретении достигается за счет использования интегрально-оптической схемы (ИОС) с волноводами, полученными по диффузионной титановой технологии и дополнительного пленочного поляризатора, нанесенного на входной волновод ИОС. В отличие от прототипа нежелательная ортогональная поляризация поглощается поляризатором, а не выводится в подложку. Оптическое излучение, распространяющееся в подложке, может частично захватываться оптическими волокнами и давать дополнительный вклад в дрейф сигнала гироскопа.

Использование направленного ответвителя Х-типа в ИОС позволяет использовать дополнительный порт ИОС для более точного согласования поляризационных осей волноводов ИОС и присоединяемых оптических волоконных волноводов с использованием поляризационного интерферометра Майкельсона. Это также приводит к уменьшению величины нежелательной ортогональной поляризации, уменьшая тем самым величину дрейфа сигнала гироскопа.

Для уменьшения влияния термооптического эффекта на температурный дрейф сигнала гироскопа каркас чувствительной катушки выполнен из кварцевой керамики, обладающей низким температурным коэффициентом расширения.

Для уменьшения влияния магнитного поля на температурный дрейф сигнала гироскопа каркас чувствительной катушки помещен в дополнительный экран, изготовленный из материала с большим коэффициентом магнитной проницаемости, состоящий из двух соединяемых внахлест друг с другом частей.

Каркас чувствительной катушки фиксируется в нижней части дополнительного экрана, опираясь по крайней мере на три сферических упора, равномерно размещенных по окружности, а в верхней части дополнительного экрана - с помощью трех пружинных элементов, равномерно размещенных по окружности. В горизонтальной плоскости каркас чувствительной катушки фиксируется с помощью упругой пружины, выполненной в виде боковой поверхности прямой многоугольной призмы, расположенной между внутренней поверхностью катушки и внутренней поверхностью дополнительного экрана, которая соприкасается с ним только по ребрам этой боковой поверхности прямой многоугольной призмы. Таким образом, достигается наименьший контакт соприкосновения каркаса чувствительной катушки с дополнительным экраном, что уменьшает влияние температурных градиентов на температурный дрейф сигнала гироскопа.

Разветвитель интегрально-оптической схемы представляет собой X-разветвитель, канальные волноводы которого сформированы по технологии диффузии титана в пластину ниобата лития (титан-диффузионная технология).

ТЕ и ТМ моды канальных волноводов, сформированных в подложке ниобата лития по титан-диффузионной технологии, обладают двулучепреломлением, которое определяется в основном наличием двулучепреломления в кристалле ниобата лития. Как правило, ортогональные оси двулучепреломления канальных волноводов ориентированы в плоскости подложки и перпендикулярно ей.

Фазовый модулятор интегрально-оптической схемы образован металлическими электродами, сформированными в области выходных канальных волноводов X-разветвителя. При подаче на них электрического напряжения в материале канальных волноводов возникает электрическое поле, под воздействием которого происходит изменение показателя преломления материала канального волновода и фазы проходящих через него волн. Тем самым, интегрально-оптическая схема реализует функцию «поляризатор - разветвитель - фазовый модулятор». При этом свободное от присоединения оптического волокна входное плечо (второй оптический порт) канального волновода Х-разветвителя образует контрольный оптический вывод интегрально-оптической схемы.

Наличие контрольного оптического вывода интегрально-оптической схемы дает возможность для осуществления инструментального контроля за точностью стыковки интегрально-оптической схемы с оптическим волокном чувствительной катушки (т.е. контроль за точностью совмещения осей поляризации) в процессе изготовления оптического тракта гироскопа, одним из этапов которого является выбор определенного положения пристыковываемых оптических волокон относительно осей поляризации канальных волноводов с последующей фиксацией выбранного положения. Для этих целей может быть использован, например, вспомогательный фотоприемник, подключаемый к контрольному оптическому выводу интегрально-оптической схемы, по фототоку которого можно судить о достижении точного совмещения осей поляризации канальных волноводов разветвителя интегрально-оптической схемы и присоединяемого к ней оптического волокна, от которого в существенной степени зависит реализуемая точность и чувствительность волоконно-оптического гироскопа.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 изображена структурная схема волоконно-оптического гироскопа;

на фиг. 2 - чувствительная катушка, защищенная дополнительным экраном из двух скрепляемых частей.

Волоконно-оптический гироскоп (фиг. 1) состоит из кольцевого оптоволоконного интерферометра 1 и электронной схемы 2 обработки информации. Кольцевой оптоволоконный интерферометр 1 содержит оптически соединенные источник излучения 3, волоконный поляризатор 4, входной разветвитель с сохранением поляризации 5, сформированную в пластине из электрооптического материала интегрально-оптическую схему 6, включающую поляризатор 7, разветвитель 8 и фазовый модулятор 9, измерительный контур, представляющий собой чувствительную катушку 10, состоящую из каркаса 11, выполненного в виде цилиндрического корпуса с центральным отверстием, с намотанным на него оптическим волокном 12, сохраняющим поляризацию, а также первый фотоприемник 13, оптический вход которого соединен с первым портом входного разветвителя 5, третий порт которого соединен с выходом волоконного поляризатора 4, вход которого оптически соединен с источником излучения 3, а выход фотоприемника 13 соединен с первым входом электронной схемы обработки информации 2, управляющий выход которой соединен с управляющим входом фазового модулятора 9 интегрально-оптической схемы 6, а информационный выход схемы обработки информации 2 образует информационный выход гироскопа, причем оптические волокна 12 чувствительной катушки 10 присоединены к выходам канальных волноводов разветвителя 8 интегрально-оптической схемы 6. Ко второму оптическому порту интегрально-оптической схемы 6, который является контрольным оптическим выводом интегрально-оптической схемы 6, подключен вход вспомогательного фотоприемника 14, второй порт входного разветвителя 5 соединен с первым оптическим портом интегрально-оптической схемы 6, снабженным поляризатором 7, четвертый порт входного разветвителя 5 соединен с входом второго фотоприемника 15, выход которого соединен со вторым входом электронной схемы обработки 2.

Чувствительная катушка 10 (фиг. 2) состоит из оптического волокна 12, сохраняющего поляризацию, намотанного на каркас 11, который выполнен в виде цилиндрического корпуса с центральным отверстием и закрытого дополнительным экраном, состоящим из двух соединяемых друг с другом частей 16, 17, одна часть 16 охватывает верхнюю часть каркаса 11 чувствительной катушки, другая 17 - нижнюю часть каркаса 11, причем верхняя часть дополнительного экрана 16 соединена внахлест с нижней частью дополнительного экрана 17, а каждая из частей представляет собой кольцеобразный желоб, верхняя часть дополнительного экрана 16 дополнительно скреплена с несущим основанием (на чертеже не обозначено) посредством элементов крепления, при этом в своем внутреннем пространстве содержит жестко соединенные с ней по крайней мере три пружинных элемента 18, равномерно размещенные по окружности и упирающиеся в верхнюю поверхность каркаса 11 чувствительной катушки 10, нижняя часть дополнительного экрана 17 в своем внутреннем пространстве содержит жестко соединенные с ней по крайней мере три, равномерно размещенные по окружности, сферических упора 19, на которые опирается нижняя поверхность каркаса 11 чувствительной катушки 10, а в пространстве между внутренней поверхностью отверстия каркаса 11 чувствительной катушки 10 и внутренней поверхностью дополнительного экрана, представляющего собой соединенные верхнюю 16 и нижнюю 17 его части, размещена упругая пружина 20.

Защитный экран также выполнен из двух скрепляемых частей, охватывающих нижнюю и верхнюю части конструкции (на чертеже эти экраны не обозначены).

Заявляемый волоконно-оптический гироскоп работает следующим образом. Луч света от источника излучения 3 поступает на вход волоконного поляризатора 4, с выхода которого поляризованный луч поступает на третий порт входного разветвителя 5, делится им на два луча, один из которых поступает на первый порт интегрально-оптической схемы 6, где после прохождения поляризатора 7 с помощью Х-разветвителя 8 разделяется на два поляризованных луча. Эти два луча проходят через фазовый модулятор 9 интегрально-оптической схемы 6 и далее проходят во взаимно противоположных направлениях через оптическое волокно 12 чувствительной катушки 10, приобретая в чувствительной катушке 10 разность фаз, обусловленную эффектом Саньяка. Далее эти лучи проходят в обратном направлении через модулятор 9 интегрально-оптической схемы 6, интерферируют на Х-разветвителе 8, проходят через поляризатор 7, через входной разветвитель 5 и поступают на фотоприемник 13. Выходной сигнал фотоприемника 13, содержащий интерференционную составляющую Рф≈А·Р0·[1+cos(ϕsк)], где ϕк - компенсирующая разность фаз, поступает на первый вход электронной схемы обработки сигнала 2, где демодулируется относительно сигнала вспомогательной фазовой модуляции с формированием сигнала ошибки, несущего информацию о величине и знаке разности фаз (ϕsк). Далее сигнал ошибки интегрируется с получением управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, в соответствии с которым наклон формируемого модулированного ступенчатого пилообразного сигнала изменяется в сторону компенсации разности фаз Саньяка ϕs. В установившемся режиме, т.е. при равенстве ϕsк, величина управляющего сигнала компенсирующей обратной связи и наклон формируемого модулированного ступенчатого пилообразного сигнала несут в себе информацию о величине Ω угловой скорости вращения чувствительной катушки 10. Эти сигналы поступают на информационный выход электронной схемы обработки сигнала 2 и используются в качестве выходного информационного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Лучи, выходящие через второй оптический порт ИОС, поступают на вход вспомогательного фотоприемника 14, сигнал которого используется в качестве контрольного при юстировке портов ИОС. Управляющий сигнал с первого выхода электронной схемы обработки сигнала 2 поступает на фазовый модулятор 9, обеспечивая смещающую и пилообразную фазовую модуляцию, необходимую для работы первой обратной связи. Сигнал с четвертого порта входного разветвителя 5 поступает на вход второго фотоприемника 15 и далее на второй вход электронной схемы обработки сигнала 2, который используется в качестве опорного для схемы компенсации амплитудных оптических шумов.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается волоконно-оптический гироскоп, в котором электронная схема обработки информации реализует компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка и может быть выполнена, например, как в прототипе.

Электронная схема обработки сигнала содержит формирователь ступенчатого пилообразного сигнала, формирователь импульсов вспомогательной модуляции, схему суммирования сигналов указанных формирователей, первый и второй демодуляторы, первый и второй блоки управления и предусилитель. Вход предусилителя образует вход электронной схемы обработки сигнала, соединенный с выходом фотоприемника. Выход предусилителя соединен с сигнальными входами первого и второго демодуляторов, выходы которых через соответствующие блоки управления подключены к управляющим входам формирователя ступенчатого пилообразного сигнала и формирователя импульсов вспомогательной модуляции. Выход схемы суммирования образует управляющий выход электронной схемы обработки сигнала, соединенный с управляющим входом интегрально-оптической схемы, образованной управляющим входом ее фазового модулятора, а выход формирователя ступенчатого пилообразного сигнала образует информационный выход электронной схемы обработки сигнала.

В качестве источника излучения может быть использован волоконный флюоресцентный источник оптического излучения на основе активированного световода.

В качестве входного поляризатора использован волоконный поляризатор.

Входной разветвитель представляет собой волоконный Х-разветвитель с сохранением поляризации. В качестве фотоприемников может быть использован p-i-n-фотодиод, обладающий достаточно высокой чувствительностью, малой емкостью и малым темновым током.

Интегрально-оптическая схема, реализующая функцию «поляризатор - разветвитель - фазовый модулятор», выполнена из электрооптического материала, в качестве которого используют монокристаллическую пластину (подложку) ниобата лития. Разветвитель интегрально-оптической схемы представляет собой Х-разветвитель, канальные волноводы которого сформированы по технологии диффузии титана в пластину ниобата лития (титан-диффузионная технология).

Фазовый модулятор интегрально-оптической схемы образован металлическими электродами, сформированными в области выходных канальных волноводов X-разветвителя. Свободное от присоединения оптического волокна входное плечо канального волновода Х-разветвителя образует контрольный оптический вывод интегрально-оптической схемы.

Функцию поляризатора в интегрально-оптической схеме выполняет тонкий металлический слой, нанесенный через оптически изолирующий слой SiO2 на входной волновод (первый оптический порт) интегрально-оптической схемы.

Чувствительная катушка содержит оптическое волокно, сохраняющее линейное состояние поляризации излучения, его длина выбирается в зависимости от класса точности волоконно-оптического гироскопа. Оптическое волокно намотано на каркас, который обеспечивает строгую ориентацию оси чувствительности гироскопа. В качестве оптического волокна чувствительной катушки, сохраняющего поляризацию, используется одномодовое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой толщиной не менее 125 мкм и длиной не менее 1500 м, что позволяет получить величину оптических потерь не более 2 дБ/км и величину коэффициента перекрестной связи поляризационных мод (h-параметр) не более 2·10-6 1/м.

Каркас чувствительной катушки представляет собой цилиндрический корпус с центральным отверстием и выполнен из кварцевой керамики, например из керсила. Каркас чувствительной катушки помещен внутрь дополнительного экрана, изготовленного из магнитомягкого материала с большим коэффициентом магнитной проницаемости, например пермаллоя, и состоящего из двух соединяемых внахлест друг с другом частей, каждая из частей представляет собой кольцеобразный желоб.

Дополнительный экран жестко соединен с несущим основанием. Такое крепление может быть осуществлено, например, с помощью по крайней мере трех винтов, проходящих через кольцо, надетое на верхнюю часть дополнительного экрана и упирающееся на предусмотренный в ней в этом случае кольцеобразный выступ.

Для уменьшения временного температурного градиента в оптическом волокне чувствительная катушка может быть пропитана специальным компаундом, обеспечивающим повышение устойчивости оптического волокна в смысле возникновения в нем фазовой невзаимности лучей в условиях воздействия дестабилизирующих температурных факторов.

Защитный экран также выполнен из двух скрепляемых частей, охватывающих нижнюю и верхнюю части конструкции, выполнен из магнитомягкого материала, например пермаллоя.

Упругая пружина, помещаемая в пространстве между внутренней поверхностью отверстия каркаса катушки и внутренней поверхностью дополнительного экрана, выполнена в виде боковой поверхности прямой многоугольной призмы, которая соприкасается с дополнительным экраном только по ребрам этой боковой поверхности.

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в разработке волоконно-оптического гироскопа с усовершенствованным оптическим трактом, обеспечивающим возможность компенсации оптических шумов источника излучения, а также уменьшения дрейфа сигнала ВОГ за счет уменьшения амплитуды волн с нерабочей поляризацией, уменьшения величины напряженности магнитного поля, уменьшения влияния внешних температурных полей и уменьшения температурного коэффициента расширения катушки и тем самым позволяющим повысить точность и чувствительность гироскопа.

Волоконно-оптический гироскоп, содержащий расположенное во внутреннем объеме защитного экрана, выполненного из магнитомягкого материала, несущее основание и закрепленные на нем оптически соединенные источник излучения, интегрально-оптическую схему, реализующую функцию «поляризатор - разветвитель - фазовый модулятор», и измерительный контур, представляющий собой чувствительную катушку, состоящую из каркаса с намотанным на него оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, и закрытую дополнительным экраном из магнитомягкого материала, а также первый фотоприемник, оптический вход которого соединен с первым портом входного разветвителя, второй порт входного разветвителя соединен с оптическим портом интегрально-оптической схемы, выход первого фотоприемника соединен с первым входом электронной схемы обработки информации, первый выход которой соединен с управляющим входом фазового модулятора интегрально-оптической схемы, а информационный выход схемы обработки информации образует информационный выход гироскопа, причем выходы канальных волноводов разветвителя интегрально-оптической схемы соединены с оптическими волокнами измерительного контура, отличающийся тем, что между источником оптического излучения и входным разветвителем размещен волоконный поляризатор, выход которого соединен с третьим портом входного разветвителя, четвертый порт которого соединен с входом второго фотоприемника, выход которого соединен со вторым входом электронной схемы обработки информации, первый оптический порт интегрально-оптической схемы снабжен поляризатором, а разветвитель интегрально-оптической схемы выполнен в виде Х-разветвителя, канальные волноводы которого сформированы по технологии диффузии титана в пластине из электрооптического материала, в качестве которого используют ниобат лития, при этом второй оптический порт интегрально-оптической схемы образует контрольный оптический вывод интегрально-оптической схемы, каркас чувствительной катушки выполнен из кварцевой керамики, а дополнительный экран, закрывающий чувствительную катушку, состоит из двух соединяемых друг с другом частей, одна часть охватывает верхнюю часть каркаса катушки, другая - нижнюю, причем верхняя часть дополнительного экрана соединена внахлест с нижней частью, а каждая из частей представляет собой кольцеобразный желоб, верхняя часть дополнительного экрана дополнительно скреплена с несущим основанием посредством элементов крепления, при этом в своем внутреннем пространстве содержит жестко соединенные с ней по крайней мере три пружинных элемента, равномерно размещенные по окружности и упирающиеся в верхнюю поверхность каркаса чувствительной катушки, нижняя часть дополнительного экрана в своем внутреннем пространстве содержит жестко соединенные с ней и равномерно размещенные по окружности по крайней мере три сферических упора, на которые опирается нижняя поверхность каркаса чувствительной катушки, а в пространстве между внутренней поверхностью отверстия каркаса катушки и внутренней поверхностью дополнительного экрана размещена упругая пружина, выполненная в виде боковой поверхности прямой многоугольной призмы, кроме того, защитный экран также выполнен из двух скрепляемых частей, охватывающих нижнюю и верхнюю части конструкции.



 

Похожие патенты:

Способ обеспечивает повышении точности волоконно-оптического гироскопа, содержащего два контура обратной связи. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет компенсации третьим контуром обратной связи паразитного сигнала рассогласования, который возникает из-за низкочастотного процесса в фазовых модуляторах интегрально-оптической схемы (ИОС) и приводит к нестабильности нулевого сигнала, а также за счет повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа из-за более точной установки амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения, компенсирующего при его подаче на фазовые модуляторы ИОС разность фаз Саньяка.

Изобретение относится к области волоконно-оптических гироскопов. Согласно способу производят модуляцию с амплитудой 0, ±π радиан и формирование начального фазового сдвига между лучами волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ), равного ±π/2 радиан, с помощью ступенчатого пилообразного напряжения (СПН) треугольной формы.

Изобретение относится к технике калибровки поворотно-чувствительных устройств без движущихся масс. В способе получения масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) осуществляют угловое перемещение ВОГ в виде его колебательного движения с заданной угловой скоростью в пределах выбранного угла качания между двумя фиксированными положениями.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других интерферометрических датчиков физических величин с использованием одномодовых световодов.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов. Гироскоп содержит два контура обратной связи, первый из которых используется для обеспечения линейности выходной характеристики за счет компенсации разности фаз Саньяка с помощью подачи на фазовые модуляторы интегрально-оптической схемы ступенчатого пилообразного напряжения.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.

Изобретение относится к гироскопической и контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости (ВОИУС).

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других интерферометрических датчиков физических величин с использованием одномодовых световодов.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.
Наверх