Кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа
Владельцы патента RU 2743815:
Акционерное общество "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (RU)
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). Кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа, оптическая схема которого позволяет уменьшить потери оптического излучения в нем за счет циркулятора, который выполняет функции как оптического изолятора эрбиевого волоконного источника излучения, так и делителя оптических лучей. При вращении кольцевого интерферометра возникает разность фаз, которая выражается следующим образом: где R - радиус чувствительной катушки кольцевого интерферометра; L - длина световода катушки; λ - средневзвешенная длина волны излучения ЭВСИ; с - скорость света в вакууме; Ω - угловая скорость вращения гироскопа, а на фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в виде: где Р0 - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей. Технический результат – снижение энергопотребления ВОГ. 2 ил.
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов (датчики давления, температуры, радиационного облучения). Волоконно-оптические гироскопы могут быть использованы в авиации, навигационных системах морских кораблей и подводных лодок, системах наведения тактического оружия и высокоточного оружия, на железнодорожном транспорте, наземной военной технике.
Известен датчик вращения - волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) на основе кольцевого интерферометра. ВОГ содержит в своем составе кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации, поступающей с фотоприемника кольцевого интерферометра. Кольцевой интерферометр включает в свой состав источник оптического излучения, делитель оптических лучей (Р), интегрально-оптическую схему (ИОС) и волоконную чувствительную катушку (ЧК). Для высокоточных волоконно-оптических гироскопов используются эрбиевые волоконные суперлюминесцентные источники (ЭВСИ), излучающие оптическое излучение на длине волны 1550 нм. В состав ЭВСИ входит одномодовый, либо многомодовый диод накачки (ДН), селективный делитель оптического излучения (мультиплексор) (М), отрезок эрбиевого волокна (Er3+) и оптический изолятор (ISo). Диод накачки является источником оптического излучения с центральной длиной волны излучения 980 нм., либо 1480 нм. В дальнейшем для простоты изложения будем рассматривать вариант ЭВСИ с одномодовой накачкой по однопроходной схеме с встречной накачкой на длине волны излучения 980 нм. [1]. Волоконный мультиплексор имеет два входных отрезка волокна и два выходных отрезка волокна. Отрезок эрбиевого волокна представляет собой одномодовое волокно с длиной волны отсечки менее 980 нм. Его световедущая жила легирована ионами эрбия и другими легирующими добавками, которые способствуют повышению концентрации эрбия в световедущей жиле при изготовлении волокна. В качестве дополнительных легирующих добавок могут использоваться в разных процентных соотношениях окиси алюминия, фосфора и церия. Оптический изолятор используется для ослабления обратноотраженного излучения, которое может нарушать стабильность средневзвешенной длины волны излучения ЭВСИ, которая определяет стабильность масштабного коэффициента ВОГ с закрытым контуром. Известно два типа ВОГ, а именно ВОГ с открытым контуром и ВОГ с закрытым контуром. Считывание выходной информации в ВОГ с открытым контуром производится по амплитуде сигнала вращения и поэтому стабильность его масштабного коэффициента зависит от стабильности амплитуды сигнала вращения. Амплитуда сигнала вращения в этом случае определяется стабильностью выходной мощности ЭВСИ. Для линеаризации выходной характеристики ВОГ при обработке сигнала используется широкополосный фазовый модулятор, на основе которого в обработке информации используется закрытый контур обратной связи (ВОГ с закрытым контуром обратной связи). Стабильность масштабного коэффициента ВОГ с закрытым контуром зависит от стабильности средневзвешенной длины волны излучения ЭВСИ. Наиболее близким по технической сущности является кольцевой интерферометр, рассмотренный в [2]. Кольцевой интерферометр содержит также волоконный делитель оптических лучей. Волоконный делитель оптических лучей имеет два входных отрезка оптического волокна и один выходной отрезок оптического волокна. На вход первого отрезка волокна поступает излучение с выхода оптического изолятора ЭВСИ, а второй входной отрезок волокна соединен с фотоприемником для приема оптического излучения, поступающего назад из чувствительной катушки кольцевого интерферометра ВОГ. Особенностью волоконного делителя оптических лучей является то обстоятельство, что при поступлении излучения на вход любого из двух входных отрезков волокна делителя на его выходе, который соединен с входом ИОС теряется половина мощности оптического излучения. При обратном прохождении излучения из чувствительной катушки его мощность также делится и канализируется по двум входным отрезкам световодов с пропорцией мощностей, которая определяется коэффициентом деления делителя. При коэффициенте деления оптической мощности делителем 50/50 на фотоприемнике при прохождении в прямом и обратном направлениях прохождения излучения через делитель происходит ослабление оптической мощности полезного сигнала ВОГ в четыре раза (оптические потери полезного сигнала составляют -6 дБ.).
Основным недостатком известной оптической схемы кольцевого интерферометра ВОГ можно считать неэффективное использование выходной мощности оптического излучения ЭВСИ.
Целью настоящего изобретения является снижение энергопотребления ВОГ.
Указанная цель достигается тем, что оптическая схема кольцевого интерферометра содержит циркулятор оптического излучения, при этом при вращении кольцевого интерферометра возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:
где R - радиус чувствительной катушки кольцевого интерферометра;
L - длина световода катушки;
λ - средневзвешенная длина волны излучения ЭВСИ;
с - скорость света в вакууме;
Ω - угловая скорость вращения гироскопа,
а на фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в виде:
где Р0 - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.
Использование циркулятора позволяет увеличить оптическую мощность полезного сигнала ВОГ. Таким образом, для сохранения оптической мощности полезного сигнала ВОГ выходная оптическая мощность ЭВСИ может быть снижена. Снижение энергопотребления ВОГ достигается за счет снижения тока диода накачки ЭВСИ, величина которого определяет величину мощности выходного излучения ЭВСИ.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа с использованием оптического изолятора и делителя оптических лучей. На Фиг. 2 показана оптическая схема волоконно-оптического гироскопа с использованием циркулятора оптического излучения.
На Фиг. 1 показана оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа с использованием оптического изолятора и делителя оптических лучей. Оптическая схема содержит источник излучения, который представляет собой однопроходной ЭВСИ с встречной накачкой. ЭВСИ содержит одномодовый лазерный ДН 1 с рабочей длиной волны излучения 980 нм., либо 1480 нм. с волоконным выходом. Излучение с выхода волокна ДН поступает на первый волоконный вход селективного делителя излучения 2 (мультиплексора) и далее с его выхода на вход отрезка эрбиевого волокна 3 с целью накачки эрбиевой световедущей жилы. За счет люминесценции по жиле эрбиевого волокна начинает распространяться оптическое излучение со средневзвешенной длиной волны порядка 1550 нм., которое дойдя до противоположного конца отрезка эрбиевого волокна отражается назад от зеркала 4, сформированного на его торце. Это может быть многослойное диэлектрическое покрытие, которое напыляется непосредственно на торец отрезка волокна. Отраженное излучение поступает обратно на выходной отрезок волокна мультиплексора и далее за счет селективных свойств мультиплексора на второй входной отрезок волокна мультиплексора. Оптическое излучение со средневзвешенной длиной волны излучения порядка 1550 нм. далее поступает на вход изолятора 5. Изолятор предназначен для устранения обратноотраженного оптического излучения от оптических компонентов, которые расположены далее за изолятором. Обратноотраженное излучение попадая обратно в световедущую жилу эрбиевого волокна приводит как к нестабильности выходной мощности ЭВСИ, так и к нестабильности его средневзвешенной длины волны излучения. Нестабильность выходной мощности ЭВСИ приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ с открытым контуром, а нестабильность средневзвешенной длины волны излучения ЭВСИ приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ с закрытым контуром. Оптическое излучение с выхода изолятора ЭВСИ поступает на вход одного из двух входных отрезков волокна волоконного делителя оптического излучения (обычно используется волоконный разветвитель) 6 и далее с его волоконного выхода (выходной отрезок волокна разветвителя) на вход входного отрезка волокна ИОС 7. При прохождении излучения волоконного разветвителя с коэффициентом деления 50% / 50% теряется половина оптической мощности излучения, поступающего на его вход. Это приводит к ослаблению полезного сигнала ВОГ в два раза. В состав ИОС входит Y-разветвитель, который делит оптическое излучение на два луча одинаковой интенсивности, один из которых поступает на вход одного из концов волокна чувствительной катушки 8 и проходит световод катушки по часовой стрелке. Второй луч поступает на второй конец световода чувствительной катушки и проходит световод катушки против часовой стрелки. Затем эти два оптических луча, прошедших световод катушки в двух взаимо - противоположных направлениях снова объединяются Y- разветвителем ИОС в один луч и далее половина оптической мощности этого объединенного луча через волоконный разветвитель со второго своего входного отрезка световода поступает на площадку фотоприемника 9, где и формируют интерференционную картину.
На фотоприемнике кольцевого интерферометра наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно-противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:
где R - радиус чувствительной катушки кольцевого интерферометра;
L - длина световода катушки;
λ - средневзвешенная длина волны излучения ЭВСИ;
с - скорость света в вакууме;
Ω - угловая скорость вращения гироскопа.
На фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в виде:
>
где Р0 - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.
Оптическая мощность интерферирующих лучей на фотоприемнике определяется угловой скоростью вращения чувствительной катушки кольцевого интерферометра. Чем выше мощность интерферирующих лучей, чем выше чувствительность кольцевого интерферометра к угловой скорости вращения чувствительной катушки.
Для ВОГ с открытым контуром с использованием вспомогательной фазовой модуляции [2] для сигнала ВОГ в линейной зоне для напряжения на выходе усилителя тока фотоприемника справедливо следующее соотношение:
где ηф - токовая чувствительность фотоприемника;
Rн сопротивление нагрузки усилителя тока фотоприемника;
МК - масштабный коэффициент ВОГ с открытым контуром.
Вторая половина оптической мощности объединенного луча поступает на выходной отрезок изолятора ЭВСИ. Оптический изолятор ЭВСИ этот обратно отраженный луч, прошедший световод чувствительной катушки, в значительной степени ослабляет, предотвращая тем самым попадание его обратно в световедущую сердцевину эрбиевого волокна. Попадание обратноотраженного излучения в оптическую схему ЭВСИ вызывает как нестабильность его выходной мощности, так и нестабильность средневзвешенной длины волны излучения. Это в конечном счете приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ как с открытым контуром, так и с закрытым контуром. Таким образом, при прямом и обратном прохождении волоконного разветвителя оптического излучения происходит ослабление излучения интерферирующих на фотоприемнике лучей в четыре раза, то есть при образовании интерференционной картины на фотоприемнике используется только 25% выходной оптической мощности ЭВСИ, что также в четыре раза снижает и масштабный коэффициент ВОГ с открытым контуром.
На Фиг. 2 показана оптическая схема кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа с использованием циркулятора оптического излучения. Циркулятор оптического излучения 10 имеет два входных отрезка одномодового световода и один выходной отрезок световода. При подаче оптического излучения на один из двух отрезков входных световодов оно практически без потерь наблюдается на выходе выходного световода циркулятора. При подаче оптического излучения на вход выходного отрезка световода оно также без потерь наблюдается на выходе второго входного световода циркулятора. При соединении отрезка эрбиевого волокна с первым входным отрезком световода циркулятора, соединении выходного отрезка световода циркулятора с входным световодом ИОС, а также соединении второго отрезка входного световода циркулятора с фотоприемником, оптический циркулятор будет одновременно выполнять функции волоконного разветвителя 6 и оптического изолятора 5 (Фиг. 1). Но в этом случае будет использовано 100% выходной мощности ЭВСИ и будет обеспечено необходимое ослабление оптической мощности объединенного луча, который поступает в обратном направлении на циркулятор из чувствительной катушки кольцевого интерферометра. При использовании циркулятора оптического излучения будет обеспечена не только стабильность масштабного коэффициента ВОГ, но и уменьшение энергопотребления ЭВСИ, так как в этом случае может быть уменьшена его выходная мощность в четыре раза путем уменьшения тока диода накачки. Выходная мощность оптического излучения ЭВСИ определяется величиной выходной мощности оптического излучения лазерного диода накачки, которая в свою очередь пропорционально зависит от величины его тока, то есть от энергопотребления диода накачки.
Предлагаемое техническое решение было использовано при разработке опытных образцов ВОГ [3]. Опытный образец ВОГ имеет точность на уровне 0,01÷0,001 град/час и может быть использован на объектах ракетно-космической техники.
Литература:
[1] Peng T.S., Wang L.A., Liu R. (2011) IEEE Photonics Technology Letters, 23 (20), 1460-1462
[2] Sanders U.S. Patent, Aug 31, 1999 №5, 946.097
[3] A.M. Курбатов, P.A. Курбатов, A.M. Горячкин «Повышение точности волоконно-оптического гироскопа за счет подавления паразитных эффектов в интегрально-оптических фазовых модуляторах» Гироскопия и навигация. Том 27, №2 (105). 2019
Кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа, содержащий лазерный диод накачки, селективный делитель оптического излучения на длины волн 980/1550 нм или 1480/1550 нм, отражатель оптического излучения на рабочую длину волны излучения 1550 нм, отрезок эрбиевого волокна, изолятор оптического излучения на рабочую длину 1550 нм, фотоприемник, интегрально-оптическую схему, чувствительную волоконную катушку и делитель оптических лучей, отличающийся тем, что оптическая схема кольцевого интерферометра содержит циркулятор оптического излучения, при этом при вращении кольцевого интерферометра возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:
где R - радиус чувствительной катушки кольцевого интерферометра;
L - длина световода катушки;
λ - средневзвешенная длина волны излучения ЭВСИ;
с - скорость света в вакууме;
Ω - угловая скорость вращения гироскопа,
а на фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в виде:
где Р0 - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.
