Волоконно-оптический гироскоп
Изобретение относится к области оптических систем, а именно к разработке гироскопов, принцип работы которых основан на эффекте Саньяка. Сущность заявленного технического решения заключается в следующем. Волоконный контур представляет собой усечённый конус и выполнен в виде контура оптического волокна, намотанного на каркас, в виде множества петель плоской замкнутой О-образной обмотки, размещенной по периметру на боковой поверхности каркаса. При этом волоконный контур обеспечивает распространение в каждой петле световых волн при ее обходе в прямом и обратном направлении, а каждая боковая сторона петли оптического волокна охватывает длины окружностей оснований каркаса для волоконного контура, вершины петель оптического волокна замыкают длины окружностей оснований каркаса для волоконного контура. Технический результат заключается в повышении чувствительности волоконно-оптического гироскопа при малых входных угловых скоростях и уменьшении трудоемкости технологии изготовления волоконного контура и процедуры намотки на него оптического волокна. 2 ил.
Изобретение относится к технике разработки оптических гироскопов, основанных на использовании эффекта Саньяка, и может быть применена при изготовлении волоконно-оптических гироскопов (ВОГ).
Известен ВОГ [см., например, "Optics Letters", Vol. 8 (10), р.р. 540-542, 1983, "Fiber-optic gyroscope with polarization-holding fiber"], содержащий последовательно расположенные и соединенные оптическим волокном: излучающий и фотоприемный модули, первый ответвитель, поляризатор, второй ответвитель, волоконный контур и фазовый модулятор, выполненный в виде пьезокерамического элемента с зафиксированным на его поверхности отрезком оптического волокна, при этом все оптические элементы гироскопа изготавливают на основе одномодового двулучепреломляющего оптического волокна.
Такое устройство отличает сравнительно небольшой сдвиг и дрейф нулевого сигнала за счет использования поляризационно-устойчивого волокна и применения пространственно-поляризационной фильтрации на входе-выходе волоконного контура. Кроме того, в данном устройстве использована модуляционная методика, позволяющая существенно снизить влияние шумов на точность измерений ВОГ. При этом модуляцию разности фаз встречных волн, распространяющихся во встречных направлениях по волоконному контуру, осуществляют за счет периодического растяжения небольшого участка волоконного контура, намотанного на пьезокерамический цилиндр, а выходной сигнал гироскопа формируют путем детектирования первой гармоники частоты фазовой модуляции в сигнале фотоприемного модуля.
Однако при возбуждении пьезокерамического модулятора периодическим сигналом на выходе фотоприемного устройства появляется компонента на частоте модуляции, сдвинутая по фазе на 90° по отношению к полезному сигналу (сигналу вращения).
Источником возникновения этой компоненты (квадратурного сигнала) является модуляция двулучепреломления волокна, намотанного на пьезокерамический цилиндр, при его растяжении, а также связь между поляризационными модами волокна на его неоднородностях. Модуляция двулучепреломления волокна приводит к модуляции интенсивности излучения после прохождения поляризатора. Глубина модуляции интенсивности зависит от ориентации поляризатора по отношению к осям двулучепреломления волокна. После синхронного детектирования квадратурный сигнал подавляется, но не полностью, что приводит к появлению сдвига нуля ВОГ.
Известен волоконно-оптический гироскоп [патент РФ №2139499, 1998 г., МПК: G01C 19/72], включающий последовательно расположенные и соединенные двулучепреломляющим оптическим волокном: излучающий и фотоприемный модули, первый ответвитель, поляризатор, второй ответвитель, волоконный контур и фазовый модулятор, выполненный в виде пьезокерамического элемента с зафиксированным на его поверхности отрезком оптического волокна, при этом на поверхности пьезокерамического элемента также уложены и зафиксированы два параллельных волокна одинаковой длины, являющиеся входным и выходным отрезками петли волокна, не зафиксированной на поверхности пьезокерамического элемента, а, кроме того, в состав гироскопа введены два преобразователя (конвертера) одной поляризационной моды волокна в другую, выполненные в виде скрученных и зафиксированных утонченных участков волокна, причем один преобразователь расположен в волоконном контуре, а другой - в свободной петле фазового модулятора.
Данное устройство отличает уменьшение по сравнению с другими известными ВОГ величин сдвига и дрейфа нуля, связанное с тем, что при выполнении модулятора в виде двух синхронно растягиваемых отрезков волокна одинаковой длины (бифилярная намотка), между которыми установлен преобразователь одной поляризационной моды волокна в другую, устраняют модуляцию двулучепреломления волокна в модуляторе, что приводит к существенному уменьшению квадратурного сигнала Q и соответствующей компоненты сдвига нуля ВОГ. При этом второй преобразователь мод волокна, расположенный в волоконном контуре, позволяет восстановить уровень интерференционного (полезного) сигнала, существенно уменьшаемый при использовании преобразователя мод волокна в составе фазового модулятора.
Однако в производстве процент выхода таких ВОГ, годных по критерию начального сдвига и его стабильности снижен из-за технологического разброса параметров гироскопа.
Известен волоконно-оптический гироскоп [патент РФ №126452 (ПМ), 2012 г., автор В.Н. Логозинский; опубликовано 27.03.2013 г., Бюл. №9].
В известном волоконно-оптическом гироскопе (ВОГ), содержащем многовитковый замкнутый контур из оптического волокна (далее волоконный контур) в виде одномодового двулучепреломляющего световода, излучатель и фотоприемник, два ответвителя, поляризатор, фазовый модулятор и фазовый детектор, а также усилитель, фильтр и генератор, причем излучатель оптическим выходом через первый ответвитель соединен с первым оптическим входом-выходом поляризатора, своим вторым оптическим входом-выходом через второй ответвитель подключенного к первому соответствующему входу-выходу волоконного контура, а также соединенного через фазовый модулятор с этим ответвителем своим вторым оптическим входом-выходом, при этом первый ответвитель подключен также к оптическому входу фотоприемника, электрическим выходом через последовательно соединенные усилитель и фильтр подключенного к первому входу фазового детектора, выход которого является также выходом ВОГ, а вторым входом соединенного с выходом генератора, одновременно подключенного к электрическому входу фазового модулятора, причем излучатель и фотоприемник соединены с первым ответвителем отрезками двулучепреломляющего оптического волокна (одномодового двулучепреломляющего световода) и с помощью отрезков такого волокна подключены к поляризатору также первый и второй ответвители, при этом волоконный контур, ответвители, поляризатор и фазовый модулятор выполнены на одном отрезке волокна без стыков, причем величины длин отрезков, соединяющих поляризатор с ответвителями, выполнены отличающимися в три раза, при этом длина меньшего из этих отрезков превышает длину деполяризации волокна, но в девять раз меньше длины отрезка волокна, соединяющего излучатель с первым ответвителем.
При этом длина отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем, может быть или больше, или меньше длины отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем.
Одним из недостатков указанной конструкции волоконно-оптического гироскопа является недостаточная чувствительность ВОГ, в первую очередь миниатюрных ВОГ, особенно при малых входных угловых скоростях, обусловленная нефарадеевской невзаимностью.
Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа, является волоконно-оптический гироскоп по патенту авторов [патент РФ №2764704, 2022 г.; опубликовано 19.01.2022 г., Бюл. №2], содержащий многовитковый замкнутый контур из оптического волокна (далее волоконный контур) в виде одномодового двулучепреломляющего световода, излучатель и фотоприемник, два ответвителя, поляризатор, фазовый модулятор и фазовый детектор, а также усилитель, фильтр и генератор, причем излучатель оптическим выходом через первый ответвитель соединен с первым оптическим входом-выходом поляризатора, своим вторым оптическим входом-выходом через второй ответвитель подключенного к первому соответствующему входу-выходу волоконного контура, а также соединенного через фазовый модулятор с этим ответвителем своим вторым оптическим входом-выходом, при этом первый ответвитель подключен также к оптическому входу фотоприемника, электрическим выходом через последовательно соединенные усилитель и фильтр подключенного к первому входу фазового детектора, выход которого является также выходом ВОГ, а вторым входом соединенного с выходом генератора, одновременно подключенного к электрическому входу фазового модулятора, причем излучатель и фотоприемник соединены с первым ответвителем отрезками двулучепреломляющего оптического волокна (одномодового двулучепреломляющего световода) и с помощью отрезков такого волокна подключены к поляризатору также первый и второй ответвители, при этом волоконный контур, ответвители, поляризатор и фазовый модулятор выполнены на одном отрезке волокна без стыков, причем величины длин отрезков, соединяющих поляризатор с ответвителями, выполнены отличающимися в три раза, при этом длина меньшего из этих отрезков превышает длину деполяризации волокна, но в девять раз меньше длины отрезка волокна, соединяющего излучающий модуль с первым ответвителем, при этом длина отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем, больше длины отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем и длина отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем, больше длины отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем, в котором волоконный контур выполнен в виде контура оптического волокна, намотанного на каркас, представляющий собой одностороннюю поверхность, например ленту Мебиуса.
Одним из недостатков указанной конструкции волоконно-оптического гироскопа является значительная сложность и трудоемкость технологии изготовления волоконного контура в виде односторонней поверхности - ленты Мебиуса и процедуры намотки большого числа витков оптического волокна на ее поверхность, требующая, в том числе, специальных прецизионных технологических приспособлений.
Отметим, что нефарадеевская невзаимность пропорциональна количеству витков волокна, она не зависит от размера и формы контура. Последнее следует из того, что приращение длины траектории из-за смещения моды определяется только углом поворота ее нормали. При обходе витка этот угол равен 2π при любой форме контура.
В отличие от фарадеевской невзаимности, которая может быть существенно уменьшена настройкой оптических компонентов, нефарадеевская невзаимность определяется исключительно конструктивным параметром.
Если в ВОГ использовать контур с двумя противоположно ориенированными катушками разного диаметра, но с равным количеством витков, то в принципе можно, сохранив отклик на вращение, скомпенсировать и нефарадеевскую невзаимность. Однако такое техническое решение неприемлемо для миниатюрных ВОГ. Таким образом, можно считать нефарадеевский отклик принципиально неустранимым и определяющим предельную устойчивость ВОГ к магнитному полю [см. В.Н. Логозинский. Магнитоиндуцированная нефарадеевская невзаимность в волоконно-оптическом гироскопе. 2006 г.; "Радиотехника и электроника", 2006, том 51, №7, с. 890 - 894].
Задача изобретения - разработка волоконного контура ВОГ повышенной точности, свободного от влияния нефарадеевской невзаимности, которая представляет собой боковой сдвиг моды волокна в поперечном магнитном поле, пропорциональный величине магнитного поля и зависящий от направления распространения, но не зависящий от параметров волновода и излучения; причем в изогнутом волокне вызванное им расщепление траекторий встречных волн приводит к фазовой невзаимности, не зависящей от формы и размеров контура; обладающего уменьшенной по-сравнению с прототипом сложностью и трудоемкостью технологии изготовления волоконного контура и процедуры намотки на него оптического волокна.
Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении возможности повышения чувствительности ВОГ, в первую очередь миниатюрных ВОГ, особенно при малых входных угловых скоростях, обусловленной нефарадеевской невзаимностью и уменьшенной по сравнению с прототипом сложностью и трудоемкостью технологии изготовления волоконного контура и процедуры намотки на него оптического волокна.
Указанная задача решается тем, что волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), содержащий многовитковый замкнутый контур из оптического волокна (далее волоконный контур) в виде одномодового двулучепреломляющего световода, излучатель и фотоприемник, два ответвителя, поляризатор, фазовый модулятор и фазовый детектор, а также усилитель, фильтр и генератор, причем излучатель оптическим выходом через первый ответвитель соединен с первым оптическим входом-выходом поляризатора, своим вторым оптическим входом-выходом через второй ответвитель подключенного к первому соответствующему входу-выходу волоконного контура, а также соединенного через фазовый модулятор с этим ответвителем своим вторым оптическим входом-выходом, при этом первый ответвитель подключен также к оптическому входу фотоприемника, электрическим выходом через последовательно соединенные усилитель и фильтр подключенного к первому входу фазового детектора, выход которого является также выходом ВОГ, а вторым входом соединенного с выходом генератора, одновременно подключенного к электрическому входу фазового модулятора, причем излучатель и фотоприемник соединены с первым ответвителем отрезками двулучепреломляющего оптического волокна (одномодового двулучепреломляющего световода) и с помощью отрезков такого волокна подключены к поляризатору также первый и второй ответвители, при этом волоконный контур, ответвители, поляризатор и фазовый модулятор выполнены на одном отрезке волокна без стыков, причем величины длин отрезков, соединяющих поляризатор с ответвителями, выполнены отличающимися в три раза, при этом длина меньшего из этих отрезков превышает длину деполяризации волокна, но в девять раз меньше длины отрезка волокна, соединяющего излучающий модуль с первым ответвителем, при этом длина отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем, больше длины отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем и длина отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем, больше длины отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем, а волоконный контур выполнен в виде контура оптического волокна, намотанного на каркас, в виде множества петел плоской замкнутой О-образной обмотки, размещенной по периметру на боковой поверхности каркаса для волоконного контура, выполненного в виде усеченного конуса и обеспечивающего распространение в каждой петле световых волн при ее обходе в прямом и обратном направлении, причем каждая боковая сторона петли оптического волокна охватывает длины окружностей оснований каркаса для волоконного контура, а вершины петел оптического волокна замыкают длины окружностей оснований каркаса для волоконного контура.
На фиг. 1 приведена схема волоконно-оптического гироскопа, в которой цифрами обозначено: 1 - излучатель; 2 - 1-й ответвитель; 3 - поляризатор; 4 - 2-й ответвитель; 5 - волоконный контур; 6 - фазовый модулятор; 7 - фотоприемник; 8 - заглушки (концы волокна с малым обратным отражением); 9 - усилитель; 10 - фильтр; 11 - фазовый детектор; 12 - генератор.
Кроме того, на фиг. 1 обозначениями a1, …, а7 показаны места разворотов осей двулучепреломления волокна, представляющие собой места локализации "дефектов" цельноволоконного ВОГ, а буквами X, Y, Z обозначены величины длины соответствующих отрезков волокна.
На фиг. 2 схематично изображены: а) каркас для намотки волоконного контура; b) вариант выполнения плоской замкнутой О-образной обмотки оптического волокна; с) вариант размещения плоской замкнутой О-образной обмотки оптического волокна на боковой стороне каркаса для намотки волоконного контура; в которой цифрами обозначено: 13-каркас для намотки волоконного контура, выполненный в виде усеченного конуса, имеющего различные диаметры D1 и D2 верхнего и нижнего оснований; 14 - вариант выполнения плоской замкнутой О-образной обмотки оптического волокна; 15 - боковые стороны замкнутых петел оптического волокна; 16 - вершины замкнутых петел оптического волокна.
Излучатель 1 выполнен на основе полупроводникового суперлюминесцентного диода СЛД-830, а фотоприемник 7 - на основе кремниевого фотодиода SSO-PDQ-0.25-5SMD.
Оптические элементы ВОГ изготавливались из одномодового двулучепреломляющего кварцевого волокна с длиной поляризационных биений ~ 3 (мм). Волоконный контур 5 выполнен в виде контура оптического волокна, намотанного на каркас, в виде множества петел плоской замкнутой О-образной обмотки, размещенной по периметру на боковой поверхности каркаса для волоконного контура, выполненного в виде усеченного конуса и обеспечивающего распространение в каждой петле световых волн при ее обходе в прямом и обратном направлении, причем каждая боковая сторона петли оптического волокна охватывает длины окружностей каркаса для волоконного контура, а вершины петел оптического волокна замыкают длины окружностей каркаса для волоконного контура.
Длина волоконного контура 5 ВОГ составила 100 (м), диаметры D1 и D2 верхнего и нижнего оснований каркаса волоконного контура 5 равны соответственно 50 (мм) и 70 (мм).
Фазовый модулятор 6 выполнен [см., например, патент РФ №2139499 от 05.03.1998 г. МПК: G01C 19/72] с пьезокерамическим цилиндром (на фиг. не пронумерован) диаметром 15 (мм) из материала ЦТС-19.
Поляризатор 3 изготовлен на основе двулучепреломляющего монокристалла, выращенного вокруг утонченного отрезка (перетяжки) волокна.
Ответвители (2 и 4) получены путем вытяжки соприкасающихся волокон при их локальном тепловом размягчении в дуговом разряде.
Для формирования выходного сигнала гироскопа, пропорционального скорости вращения волоконного контура путем детектирования первой гармоники частоты модуляции в выходном сигнале фотоприемника использовались стандартные устройства, а именно: широкополосный усилитель 9, узкополосный фильтр 10, фазовый детектор 11 и генератор 12. Генератор 12 вырабатывает синусоидальное напряжение для питания фазового модулятора 6, которое использовано в качестве опорного напряжения в фазовом детекторе 11 для детектирования амплитуды первой гармоники частоты модуляции в выходном сигнале фотоприемника 7 и формирования выходного сигнала ВОГ.
При этом соответственно использованы стандартные детектор SR830 и генератор Г3-118.
При синусоидальной модуляции сдвига фаз встречных волн волоконного контура в сигнале фотоприемника 7 возникает большая компонента на второй гармонике частоты модуляции, которая существенно затрудняет детектирование сигнала вращения - амплитуду первой гармоники частоты модуляции и для подавления которой установлен узкополосный фильтр 10.
Сигнал фотоприемника 7 перед подачей на вход детектора И усиливается с помощью широкополосного усилителя 9, изготовленного по стандартной схеме [см., например, И. Достал, "Операционные усилители", пер. с англ.- Москва: Мир, 1982. - 512 с.] на основе микросхемы 544УД2.
Рассмотрим цельноволоконный ВОГ, компоненты которого (волоконный контур 5, фазовый модулятор 6, два ответвителя (соответственно 2 и 4) и поляризатор 3) изготовлены на одном отрезке двулучепреломляющего волокна (на фиг. не пронумеровано). Введем следующие определения:
- рабочая (главная) поляризация - линейная поляризация волны, проходящей поляризатор без ослабления;
- нерабочая поляризация - ортогональная основной поляризации волны, которая испытывает значительные потери (подавление) при прохождении поляризатора 3;
- собственные поляризации двулучепреломляющего волокна ортогональные линейные поляризации волн, распространяющихся в волокне с сохранением линейного состояния, а различие скоростей (c/n1-с/n2) определяется величиной двулучепреломления (n1-n2), где n1, n2 - показатели преломления волокна для волн с собственными поляризациями;
- основные волны - встречные волны, вошедшие в волоконный контур 5 в рабочей поляризации и вышедшие после его обхода в рабочей поляризации;
- вторичные волны - встречные волны, вошедшие в волоконный конур 5 в рабочей поляризации и вышедшие после его обхода в нерабочей поляризации, а также волны, вошедшие в волоконный контур 5 в нерабочей поляризации и вышедшие после его обхода в рабочей поляризации.
В каждом сечении волокна встречные волны распространяются в обеих собственных поляризациях и являются суперпозицией основных и вторичных волн.
Сдвиг нуля ВОГ возникает при интерференции основных и вторичных волн, в то время как сигнал вращения формируется при интерференции основных волн. Для анализа интерференции вторичных и основных волн необходимо учесть все комбинации оптических путей для основных и вторичных волн (каждый отрезок двулучепреломляющего волокна длиной L содержит два оптических пути L*n1 и L*n2 различных для волн с собственными поляризациями). Волна может сменить оптический путь на дефекте или любом компоненте, который связывает собственные поляризации волокна. В цельноволоконном ВОГ нет крупных дефектов вдоль длины волокна в контуре и между компонентами, поскольку сварные соединения компонентов с волокном и между собой отсутствуют. Поэтому местами связи являются компоненты, где имеет место разворот осей двулучепреломления волокна.
Для рассматриваемой конфигурации ВОГ (фиг. 1) - это:
- излучатель 1 (главная поляризация СЛД не совпадает с осью двулучепреломления);
- ответвитель (соответственно 2 и 4) (скрутка волокна и непараллельность осей двулучепреломления волокон, анизотропия коэффициента деления);
- поляризатор 3 (несовпадение рабочей поляризации поляризатора и собственной поляризации волокна);
- места (a1, …, а7) разворотов осей двулучепреломления волокна.
Одной из характеристик когерентного излучения, распространяющегося в двулучепреломляющем волокне, является так называемая "длина деполяризации". Это длина, на которой временное запаздывание волн с собственными поляризациями, превышает время когерентности источника излучения. После прохождения в волокне расстояния, превышающего длину деполяризации, изначально когерентные ортогонально поляризованные волны, становятся некогерентными. Некогерентные волны не интерферируют друг с другом ввиду хаотично меняющейся относительной фазы. Для расчета длины деполяризации (Lo) используют [см., например, "Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников". Под ред. Э.Удда, Москва: Техносфера, 2008. - 520 с.; Дополнение А, с. 476 (500)] соотношение: LD=0,5LBλ/Δλ, где: LB - длина поляризационных биений (параметр, характеризующий величину двулучепреломления), λ - длина волны источника излучения, Δλ - ширина спектра излучения. (При этом если, например, длина волны источника излучения - 800 (нм), ширина спектра излучения - 15 (нм), а длина биений волокна - 3 (мм) - (средние практические параметры), то длина деполяризации равна 8 (см)).
Принципиальной причиной сдвига и нестабильности нуля ВОГ является конечное подавление поляризатором неосновной (нерабочей) поляризации (амплитудный коэффициент пропускания волны с нерабочей поляризацией - ε, -20log(ε) = коэффициент экстинкции поляризатора в дБ, то - есть поляризатору с практически достижимой экстинкцией 40 дБ соответствует ε=0.01). Волны, прошедшие поляризатор в рабочей поляризации в обоих направлениях, не создают сдвига (принцип взаимности Лоренца). Волны, прошедшие поляризатор в нерабочей поляризации (вторичные) могут интерферировать с основными волнами, создавая сдвиг. В общем случае этот сдвиг пропорционален отношению амплитуд вторичной волны к амплитуде основной волны и коэффициенту 8, что для цельноволоконного ВОГ, где оси волокна и поляризатора не совпадают, может служить источником значительной ошибки, так как амплитуды основной и вторичной волны сопоставимы. В условиях невозможности полного подавления вторичных волн уменьшение взаимной когерентности вторичных и основных волн является одной из возможностей уменьшения сдвига и дрейфа нуля ВОГ. Заметим, что эффективная интерференция возможна, если разность оптических путей между основными и вторичными волнами на фотодетекторе меньше длины деполяризации.
Рассмотрим возможные задержки между основными и вторичными волнами на фото детекторе для случая цельноволоконного ВОГ (фиг. 1), с учетом следующих практических соотношений:
- длина контура составляет 100 (м) и более,
- длина волокна между компонентами цельноволоконного ВОГ от 10 (см) до нескольких десятков сантиметров (определяется технологическими возможностями и конструктивными требованиями)
- длина деполяризации - 8 (см) (см. выше).
При этом все возможные суммы задержек (на отрезках волокна X, Y, Z), накопленных волнами при распространении между компонентами в обоих направлениях, оказываются намного (в масштабе длины деполяризации) меньше задержки между собственными поляризациями в контуре. Поэтому взаимно когерентными потенциально могут быть только волны (основные и вторичные), которые прошли контур в одной и той же поляризации. Это, в свою очередь, означает, что для целей настоящего рассмотрения можно считать, что волоконный контур не вносит дополнительной задержки между основными и вторичными волнами.
Для каждой из встречных волн последовательность прохождения отрезков следующая Z, Y, X, X, Y (см. фиг. 1).
В зависимости от характеристик и ориентации оптических компонентов на каждом из этих отрезков волны могут приобретать разные задержки.
Для анализа важны возможные разности задержек встречных волн: если разность задержек превышает длину когерентности - то вторичные волны, прошедшие поляризатор при развороте осей двулучепреломления волокна на входе и выходе оптических компонентов ВОГ, не интерферируют с основными волнами и не порождают ложный сигнал вращения. Если разность задержек меньше длины когерентности, то возникает ложный сигнал, пропорциональный амплитуде вторичных интерферирующих волн (первый порядок по ε).
Две конфигурации, эквивалентные с точки зрения подавления интерференции вторичных встречных волн (сдвига нуля), можно представить следующим образом:
1) Y=3X, Z=9X, где Х> длины деполяризации;
2) X=3Y, Z=9Y, где Y> длины деполяризации.
При указанном соотношении отрезков все возможные разности путей кратны минимальному отрезку из набора. Таким образом, если длина минимального из отрезков X (или Y) превышает длину деполяризации волокна (для практических целей рекомендуется двукратное превышение, так как взаимная когерентность уменьшается почти в 10 раз (е2)), то обеспечивается подавление интерференции вторичных волн с основными волнами и, соответственно, отсутствие ложного сигнала (сдвига нуля).
Анализируя последовательность прохождения межкомпонентных отрезков встречными волнами {Z, Y, X, X, Y}, следует, что фазовый набег на отрезке Z может быть скомпенсирован набегами на последовательности отрезков {Y, X, X, Y}, а фазовый набег на отрезке Y может быть скомпенсирован набегами на последовательности отрезков {X, X}. Таким образом, максимальный набег на последовательности отрезков {X, X} может составить 2Х и поэтому можно исключить возможность промежуточной компенсации на участке {X, X, Y}, выбирая длину отрезка Y равной 3Х. Аналогичным образом, учитывая, что Y=3X и максимальный набег на последовательности отрезков {Y, X, X, Y} может составить 8Х (3Х+Х+Х+3Х), можно исключить возможность итоговой компенсации на участке {Z, Y, X, X, Y}, выбирая длину отрезка Z, равной 9Х. Отметим, что отрезки X и Y - взаимозаменяемы в этих рассуждениях.
Приведенные выше соображения и выводы подтверждают модельные численные расчеты амплитудных и фазовых параметров встречных волн, основанные на использовании матриц Джонса, [см., например, Шерклифф У., "Поляризованный свет", пер. с англ., М.: Мир, 1965. - 583 с.], описывающих трансформацию встречных волн в местах межполяризационной связи - a1, а7 (см. фиг. 1) и на отрезках двулучепреломляющего волокна X, Y, Z с учетом усреднения по спектру излучения.
Приведенная конфигурация ВОГ обеспечивает отсутствие у вторичных встречных волн, прошедших по разным путям (то есть - невзаимных), задержек по отношению к основным волнам меньше длины когерентности излучателя.
Устройство (ВОГ) работает следующим образом:
Световой сигнал от излучателя 1 входит в одномодовое двулучепреломляющее волокно, проходит первый ответвитель 2 и поляризатор 3, а вторым ответвителем 4 делится на две волны, распространяющиеся во встречных направлениях по волоконному контуру 5 и фазовому модулятору 6. После обхода волоконного контура 5 встречные волны смешиваются вторым ответвителем 4, интерферируют и вновь проходят поляризатор 3 и первый ответвитель 2, который направляет часть излучения (сигнал интерференции) на фотоприемник 7. "Заглушки" 8, которыми заканчиваются свободные концы волокна ответвителей (2 и 4), предотвращают обратное отражение волны от торцов волокна.
Генератор 12 задает синусоидальное напряжение для питания фазового модулятора 6 и одновременно служащее опорным напряжением в фазовом детекторе 11 для детектирования амплитуды первой гармоники частоты модуляции в выходном сигнале фотоприемника 7 и формировании выходного сигнала ВОГ, пропорционального скорости его вращения.
Для подавления сигнала на второй гармонике частоты модуляции, возникающей при синусоидальной модуляции сдвига фаз встречных волн волоконного контура 5 в сигнале фотоприемника 7 и существенно затрудняющей детектирование сигнала вращения - амплитуду первой гармоники частоты модуляции, используют узкополосный фильтр 10.
Поляризатор 3 обеспечивает поляризационную фильтрацию на входе и выходе волоконного контура 5 для улучшения взаимности оптических путей встречных волн с целью уменьшения сдвигов фаз между ними, не связанных с вращением.
Пьезокерамический фазовый модулятор 6 используют для повышения чувствительности ВОГ. При его питании переменным напряжением от генератора 12 создается дополнительный сдвиг фаз за счет периодического растяжения участка волоконного контура.
Для апробации предлагаемого изобретения ранее были смонтированы по патенту РФ №2139499 два варианта ВОГ (ВОГ1 и ВОГ2). Длины отрезков волокна между компонентами у ВОГ1 удовлетворяли условию: Y=3X, Z=9X, где Х=170 (мм) (~2LD), а у ВОГ2 все длины отрезков между компонентами были примерно одинаковы и равны 200 (мм).
При изготовлении ВОГ1 учитывалось, что разброс длин участков X, Y, Z может привести к разбросу разностей фазовых набегов вторичных волн, а, следовательно, возможно появление разностных набегов, меньших длины деполяризации излучения в волокне, что в свою очередь приведет к возникновению ложного сигнала (сдвига нуля) ВОГ1. Для того, чтобы этого гарантированно не произошло, сумма допусков для отрезков X, Y, Z не должна превышать длины деполяризации излучения в волокне. Для длины деполяризации ~10 (см) получаем оценку для точности определения длин участков волокна X, Y, Z-~1-2 (см). Такая точность определения участков волокна X, Y, Z и была реализована при изготовлении ВОГ1. Длина меньшего отрезка волокна между оптическими компонентами составляла ~20 (см).
При измерении дрейфа нуля (изменения выходного сигнала в отсутствии вращения) для ВОГ1 и ВОГ2 в диапазоне температур +20°С…+50°С ранее были получены следующие максимальные значения изменения (дрейфа) нуля: 3°/час - для ВОГ1, и 25°/час - для ВОГ2.
Отметим, что нефарадеевская невзаимность или по другому - разность фаз встречных волн в магнитном поле - проявляется в ВОГ как один из основных источников погрешности в основном из-за того, что внешнее магнитное поле присутствует практически при всех случаях использования приборов [см. В.Н. Логозинский. Магнитоиндуцированная нефарадеевская невзаимность в волоконно-оптическом гироскопе. 2006 г.; "Радиотехника и электроника", 2006, том 51, №7, с. 890 - 894].
В частности, магнитное поле Земли составляет в среднем величину ~ 1 (Э); а на борту, например, летательного аппарата / или другого подвижного объекта внешнее магнитное поле может существенно превосходить среднюю величину магнитного поля Земли. Поэтому для приборов тактического (и тем более навигационного) класса точности такое внешнее магнитное поле может приводить к значительным и недопустимым погрешностям измерений. Ранее предполагалось, что ВОГ на основе двулучепреломляющего волокна будет не чувствителен к внешнему магнитному полю, так как в оптическом контуре распространяются линейно поляризованные моды. Но из-за продольной скрутки ОВ они обладают небольшой эллиптичностью и фарадеевская невзаимность не исчезает полностью. Поэтому для обеспечения потенциальной точности ВОГ как правило используют специальные магнитные экраны, что ухудшает тактико-технические характеристики прибора.
В работе [см. В.Н. Логозинский. Магнитоиндуцированная нефарадеевская невзаимность в волоконно-оптическом гироскопе. 2006 г.; "Радиотехника и электроника", 2006, том 51, №7, с. 890 - 894] получено выражение для смещения моды для волн, поляризованных в плоскости контура с учетом случайной продольной скрутки волокна, составляющее примерно ~ 0,001 (мкрад /виток Э). Так как в миниатюрных ВОГ число витков ОВ, как правило, превосходит 1000, то интегральный невзаимный эффект от смещения моды является весьма значимым. В частности, для ВОГ с числом витков 1000 в условиях действия весьма малого по величине магнитного поля Земли (~ 1 Э) погрешность будет составлять величину порядка 0,6 * 10-4 (угл. град).
В отличие от фарадеевской невзаимности, которая может быть уменьшена путем настройки оптических компонентов, нефарадеевская невзаимность определяется исключительно конструктивными параметрами.
Как отмечалось ранее, если в ВОГ использовать контур с двумя противоположно ориенированными катушками разного диаметра, но с равным количеством витков, то в принципе можно, сохранив отклик на вращение, скомпенсировать и нефарадеевскую невзаимность. Однако такое техническое решение неприемлемо для миниатюрных ВОГ.
Поэтому в предлагаемой конструкции ВОГ волоконный контур 5 выполнен в виде контура оптического волокна, намотанного на каркас, в виде множества петел плоской замкнутой О-образной обмотки, размещенной по периметру на боковой поверхности каркаса для волоконного контура, выполненного в виде усеченного конуса и обеспечивающего распространение в каждой петле световых волн при ее обходе в прямом и обратном направлении, причем каждая боковая сторона петли оптического волокна охватывает длины окружностей каркаса для волоконного контура, а вершины петел оптического волокна замыкают длины окружностей каркаса для волоконного контура. Предложенное техническое решение позволяет практически реализовать контур с двумя противоположно ориентированными катушками разного диаметра, но с равным количеством витков в существующих габаритах миниатюрного прибора.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленной беспроводной зарядной системы, отсутствуют, поэтому изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Таким образом, по сравнению с прототипом за счет предложенной конструкции волоконного контура удается при сохранении отклика на вращение скомпенсировать также и нефарадеевскую невзаимность, что обеспечивает возможность повышения чувствительности ВОГ, в первую очередь миниатюрных ВОГ, особенно при малых входных угловых скоростях, способствующее повышению точности ВОГ, а также уменьшить по сравнению с прототипом сложность и трудоемкость технологии изготовления волоконного контура и процедуры намотки на него оптического волокна, решая тем самым поставленную задачу изобретения.
Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), содержащий многовитковый замкнутый контур из оптического волокна в виде одномодового двулучепреломляющего световода, излучатель и фотоприемник, два ответвителя, поляризатор, фазовый модулятор и фазовый детектор, а также усилитель, фильтр и генератор, причем излучатель оптическим выходом через первый ответвитель соединен с первым оптическим входом-выходом поляризатора, своим вторым оптическим входом-выходом через второй ответвитель подключенного к первому соответствующему входу-выходу волоконного контура, а также соединенного через фазовый модулятор с этим ответвителем своим вторым оптическим входом-выходом, при этом первый ответвитель подключен также к оптическому входу фотоприемника, электрическим выходом через последовательно соединенные усилитель и фильтр подключенного к первому входу фазового детектора, выход которого является также выходом ВОГ, а вторым входом соединенного с выходом генератора, одновременно подключенного к электрическому входу фазового модулятора, причем излучатель и фотоприемник соединены с первым ответвителем отрезками двулучепреломляющего оптического волокна и с помощью отрезков такого волокна подключены к поляризатору также первый и второй ответвители, при этом волоконный контур, ответвители, поляризатор и фазовый модулятор выполнены на одном отрезке волокна без стыков, причем величины длин отрезков, соединяющих поляризатор с ответвителями, выполнены отличающимися в три раза, при этом длина меньшего из этих отрезков превышает длину деполяризации волокна, но в девять раз меньше длины отрезка волокна, соединяющего излучающий модуль с первым ответвителем, при этом длина отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем, больше длины отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем, и длина отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем, больше длины отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем, отличающийся тем, что волоконный контур выполнен в виде контура оптического волокна, намотанного на каркас, в виде множества петел плоской замкнутой О-образной обмотки, размещенной по периметру на боковой поверхности каркаса для волоконного контура, выполненного в виде усеченного конуса и обеспечивающего распространение в каждой петле световых волн при ее обходе в прямом и обратном направлении, причем каждая боковая сторона петли оптического волокна охватывает длины окружностей оснований каркаса для волоконного контура, а вершины петел оптического волокна замыкают длины окружностей оснований каркаса для волоконного контура.
