Кільцевий лазерний гіроскоп

Кільцевий лазерний гіроскоп виготовляється подібно газовому лазеру: у кварцевому блоці шляхом розплавлювання створюється порожнина (канал) у формі трикутника й заповнюється сумішшю гелію й неону. Довжина хвилі генерованого лазером випромінювання 632,8 нм. Звичайно частота генерації змінюється залежно від довжини лазерного резонатора. І в цьому випадку частоти двох генерованих світлових хвиль, що поширюються в протилежних напрямках по трикутному оптичному шляху (рис. 8.2 а), неоднакові через різницю оптичної довжини DL (див. формулу (8.4)). Тому можна використовувати для вимірів частоту биттів обох генерованих світлових хвиль, а саме:

(8.6)

де L - загальна довжина оптичного шляху в кільцевому резонаторі;

l - довжина хвилі генерації в стані спокою.

Інакше кажучи, вимірявши Df, можна визначити кутову швидкість відносно інерціального простору. Оскільки частота світла становить кілька сотень терагерц, навіть її незначні зміни дозволяють виміряти різницю частот. Якщо вихідним сигналом служить частота, пропорційна кутової швидкості, то підрахунком вихідних хвиль можна визначити збільшення кута повороту в цифровій формі, що забезпечує високу точність інформації, що подається в навігаційний обчислювальний пристрій. Вимір частоти можливий в широкому динамічному діапазоні, а отже, і динамічний діапазон кільцевого лазерного гіроскопа цілком можна розширити й зробити достатнім для інерціальної навігаційної системи. У цьому велика перевага даних гіроскопів.

Дослідження кільцевих лазерних гіроскопів почалося в 60-х роках. До теперішнього часу досягнуті роздільна здатність і стабільність нульової точки приблизно 0,001°/год. Останнім часом кільцеві лазерні гіроскопи застосовуються в інерціальній системі відліку не тільки в літаках «Боїнг» 757/767, але й в аеробусах А310. У Японії опубліковані повідомлення про вимір ними кутової швидкості 0,01°/год.

Таким чином, кільцевий лазерний гіроскоп досяг уже стадії практичного застосування, але, проте, залишається ряд невирішених проблем:

1. нелінійність вихідного сигналу при малій кутовій швидкості (вплив синхронізму);

2. дрейф вихідного сигналу через газові потоки в лазері;

3. зміна довжини оптичного шляху під впливом теплового розширення, тиску й механічних деформацій.

Із цих проблем найважливішою є перша. При малих кутових швидкостях зменшується різниця частот генерованих світлових хвиль, а це приводить до синхронізму (Df=0) і неможливості виявлення обертання. (Типовий поріг виявлення при цьому 10°/год.) Зона нечутливості, обумовлена синхронізмом, показана на рис. 11.3а штриховими лініями. Зазначена вище роздільна здатність виявлення 0,001°/год забезпечується при придушенні явища синхронізму шляхом приведення всієї системи до мікроколивань (метод Дейза). Але нелінійність при незначному повороті все-таки залишається, крім того, це означає, що не використовується така перевага оптичного гіроскопа, як його нерухомість.

У кільцевому лазерному гіроскопі виникає явище синхронізму, тому що це активна конструкція й сама оптична котушка для виявлення обертання входить до складу лазерного генератора. Навпаки, в інтерферометрі Саньяка, представленому на рис. 8.1, вищезгадане явище не виникає, оскільки це пасивна конструкція, при якій світлове джерело перебуває поза чутливою петлею. Основна увага тут приділяється оптичному волокну, зниженню втрат у ньому.

На рис. 8.4 наведена оптична схема волоконно-оптичного гіроскопа. По суті це інтерферометр Саньяка (див. рис. 8.1), у якому круговий оптичний контур замінений на котушку з довгого одномодового оптичного волокна. Частина схеми, обведена штриховою лінією, необхідна для підвищення стабільності нульової точки. Таким чином, різниця фаз між двома світловими хвилями, обумовлена ефектом Саньяка, з урахуванням формули (8.5) виражається як:

(8.7)

де N - число витків у котушці з волокна;

L - довжина волокна;

а - радіус котушки.

Рисунок 8.3. - Принципова оптична схема волоконно-оптичного гіроскопу

Рисунок 8.4. Чутливість волоконно-оптичного гіроскопа при дробовому шумі світлоприймача при оптимальній довжині волокна а) та при різній довжині світлової хвилі б)

Завдяки вдосконалюванню технології виробництва випускається волокно з дуже низькими втратами. Щоб не ушкодити волокно, намотування здійснюється на котушку радіусом кілька сантиметрів. При цьому не спостерігається скільки-небудь помітного збільшення втрат. Можна створити порівняно малогабаритний і високочутливий інтерферометр Саньяка з котушкою невеликого радіуса (2...5 см), намотавши на неї волокно великої довжини. Сформувавши оптимальну оптичну систему, можна вимірювати з високою точністю зміни фази (в інерціальній навігації-порядку 10^-6`радиан).

Межі виявлення кутової швидкості. В основній оптичній системі на рис.8.4 у стані оптичні шляхи для світла в обох напрямках обходу будуть однакові по довжині, а оскільки сигнал на виході світлоприймача змінюється пропорційно , то гіроскоп нечутливий до дуже малих поворотів. Вважається, що в системі з оптимальною чутливістю теоретичні межі виявлення кутової швидкості пов'язані із дробовим шумом світлоприймача. Аналіз показує, що для оптичного волокна із втратами a існує певна довжина, що дозволяє оптимізувати межі виявлення при дробовому шумі:

Результати розрахунку при типових значеннях параметрів наведені на рис. 8.5. Для оптичного волокна із втратами 2 дБ/км межі виявлення приблизно 10^-8 рад/с (0,001°/год). Це саме значення, застосовується в інерціальній навігації. На рис. 8.5, б показано, що завдяки збільшенню радіуса котушки з оптичним волокном, а також використанню світла з довжиною хвилі 1,55 мкм, на якій втрати в оптичному волокні дуже низькі, можливе створення вимірювача оборотів в інерційному просторі з надзвичайно малим дрейфом. Це дозволяє застосовувати вимірювач не тільки в навігації, але й у геофізиці.

Структура оптичної системи гіроскопа зі світловим гетеродинуванням представлена на рис. 8.6.

Рисунок 8.5. - Оптична схема волоконного гіроскопа зі світловим гетеродинуванням

Світловий промінь розділяється за допомогою дифракційної решітки на два промені з дуже маленьким кутом розбіжності (близько 10 мрад). Ці промені, пройшовши оптичне волокно в протилежних напрямках, подаються на АОМ. Кут дифракції АОМ такий же, як і в дифракційних решітках, внаслідок чого АОМ тут використовується не тільки як частотний зрушувач, але і як спрямований відгалуджувач, а світлоприймальний пристрій видає сигнал різницевої частоти. У даній оптичній системі можливий поділ світлових променів, що рухаються в протилежних напрямках, але внаслідок надзвичайно малого кута дифракції ці промені взаємодіють і дрейф, обумовлений коливаннями середовища, послабляється. Крім того, звичайно при різниці довжини оптичних шляхів виникає дрейф вихідного сигналу внаслідок частотного відхилення випромінювання джерела, але в даній структурі ця різниця дуже мала. На рис. 8.7 наведена електронна схема вимірника фази вихідного сигналу в структурі на рис. 8.6 по нульовому методі.

Рисунок 8.6 - Схема вимірника фази вихідного сигналу для волоконно-оптичного гіроскопа зі світловим гетеродинуванням

Точна тимчасова затримка T_d забезпечується приладом на зарядових зв'язках (ПЗЗ). Для цієї схеми справедливо:

(8.9)

(N - ціле число), тобто тут виходить частотна заміна Df₂ електричного сигналу, пропорційна кутової швидкості W, що дуже зручно для практичної реалізації пристрою.

Методи підвищення чутливості ще не забезпечують високої стабільності, необхідно враховувати шумові фактори й вживати заходів по їхньому усуненню.

Для досягнення високої стабільності необхідно, щоб зовнішні збурювання, що сприймаються світловими променями, які рухаються в протилежних напрямках, були зовсім однаковими.

В основній оптичній системі, що показана на рис. 8.4, при використанні світлоприймача 1 світло двічі відбивається розщеплювачем промення й, крім того, двічі проходить крізь нього. При цьому умова однакової довжини оптичного шляху виконується не зовсім точно й внаслідок температурних коливань характеристик розщеплювача променя на виході виникає дрейф. При використанні світлоприймача 2 відбувається те ж саме. Щоб світлові промені, що введені в оптичне волокно й випромінювані волокном, проходили однаковий оптичний шлях, поєднувалися й роз'єднувалися в одній і тій же точці розщеплювача променя, а також мали б однакову моду, необхідно між розщеплювачами променів встановити просторовий фільтр. У цьому фільтрі бажано використовувати одномодове оптичне волокно - те ж, що й для чутливої котушки.

Звичайно в одномодовому оптичному волокні можливе поширення двох незалежних мод з ортогональною поляризацією. Але оскільки оптичні волокна володіють не зовсім строгою осьовою симетрією, фазові постійні цих двох мод різні. Однак між модами двох поляризацій відбувається обмін енергією, характеристики якого змінюються під зовнішнім впливом, тому випромінюване волокном світло звичайно здобуває кругову поляризацію з нестійкими параметрами. Все це приводить до дрейфу вихідного сигналу.

Якщо ж на оптичному шляху помістити, як це показано обведеною штриховою лінією частини на рис. 8.4, поляризаційну пластину, тобто пустити на оптичний шлях інтерферометра світлову хвилю з єдиною поляризацією й у випромінюваному світлі виділити тільки складову з такою же поляризацією, то передавальна функція кільцевого оптичного шляху (оптичного волокна) для променів із протилежним напрямком руху буде однакова й, тим самим, проблема вирішена. Але і у цьому випадку залишаються коливання потужності світла, що досягло світлоприймача, тому необхідно прийняти ще заходи щодо стабілізації масштабного коефіцієнта. Одна з таких мір - введення деполяризатора, що компенсує коливання поляризації в оптичному волокні й робить стан поляризації довільним, або введення оптичного волокна, що зберігає поляризацію. У гіроскопах зі світловим гетеродинуванням ефективне рішення проблеми - нульовий метод.

Для усунення дрейфу, обумовленого коливаннями поляризації в оптичному волокні, потрібен поляризатор з дуже більшим загасанням (близько 90 дБ), але ця вимога зм'якшується при використанні оптичного волокна зі збереженням поляризації й джерела світла з низькою когерентністю. В оптичному волокні зі збереженням поляризації через різницю фазових постійних для мод з ортогональною поляризацією виникає різниця довжини оптичного шляху для цих мод, тому використання джерела з низькою когерентністю випромінювання унеможливлює інтерференцію між модами. Аналогічного ефекту можна домогтися й при використанні деполяризатора.

У табл. 8.1 наведені шумові фактори у волоконно-оптичних гіроскопах

Таблиця 8.1 - Шумові фактори у волоконно-оптичних гіроскопах

На рис. 8.7 приведені основні шумові фактори в чутливому кільці з оптичного волокна.

Рисунок 8.7 - Основні шумові фактори в чутливому кільці з оптичного волокна