ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОКОМПАС Российский патент 1997 года по МПК G01C19/64 

Изобретение относится к волоконной технике, а именно к технике волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), и может использоваться при разработке и изготовлении ВОГ и систем на их основе.

Известен волоконно-оптический гирокомпас Tanaka T. Igarashi Y. Nara M. and Yoshino T. Automatic north sensor using a fiber-optic gyroscope. Applied Optics, Vol. 33, No.1, 1994, pp.120-123), включающий поворотную платформу, датчик положения поворотной платформы и волоконно-оптический гироскоп, содержащий чувствительный контур в виде катушки оптического волокна, причем катушка гироскопа установлена на платформу таким образом, что ось чувствительности гироскопа к вращению (нормаль к плоскости витков катушки) ортогональна оси вращения платформы. В отличие от традиционного гирокомпаса на основе механического гироскопа гирокомпас на основе ВОГ может работать в полностью автоматическом режиме под контролем компьютера, не требует большого времени прогрева может быть высокочувствительным и недорогим.

Однако в процессе работы такого гирокомпаса осуществляется поворот ВОГ, установленного на поворотной платформе. При этом нулевой сигнал ВОГ изменяется в процессе вращения платформы и увеличивает итоговую погрешность компасирования. Одной из причин, обуславливающих изменение нулевого сигнала ВОГ при его вращении вокруг оси, лежащей в плоскости витков контура, является влияние внешнего магнитного поля, вектор напряженности которого также расположен в плоскости витков катушки. Присутствие такого поля создает за счет эффекта Фарадея, заключающегося в повороте плоскости поляризации излучения, распространяющегося в оптически прозрачном материале вдоль вектора напряженности магнитного поля, фазовую невзаимность встречных волн волоконного контура ВОГ.

Для волокна с линейной фазовой анизотропией фазовая невзаимность, обусловленная магнитным полем, имеет вид

где R радиус намотки контура; H составляющая вектора напряженности магнитного поля в плоскости витков контура; V постоянная Верде; L длина контура; x координата вдоль оси волокна; R радиус намотки контура; Q(x) - разность фазовых набегов ортогональных поляризаций в волокне. Оценки, проведенные при использовании соотношения (1), дают для сдвига нуля ВОГ, обусловленного магнитным полем Земли (0,5 Э), значение от 0,1 до нескольких град/ч.

Принцип работы волоконно-оптического гирокомпаса основан на измерении выходного сигнала ВОГ в зависимости от его угла поворота относительно местной вертикали, причем ВОГ установлен на платформе таким образом, чтобы ось его чувствительности (нормаль к плоскости витков контура) совпадала с плоскостью местного горизонта. При этом выходной сигнал ВОГ имеет вид
U~Wcosθcosφ, (2)
где W скорость вращения Земли; θ широта в точке измерения и f - угол поворота ВОГ относительно местной вертикали. Значение f=0 соответствует положению, при котором ось чувствительности ВОГ лежит в плоскости, определяемой осью вращения Земли и местной вертикалью (фиг. 1). Процедура гирокомпасирования состоит в фиксации положения ВОГ, при котором его выходной сигнал максимален (ось чувствительности ВОГ лежит в меридиональной плоскости, φ=0).

Наличие в выходном сигнале ВОГ паразитной составляющей, характеризующейся той же зависимостью от угла φ, что и информационный сигнал, приводит к снижению точности компасирования. Рассмотренная выше составляющая сдвига нуля ВОГ, связанная с влиянием внешнего магнитного поля, характеризуется именно такой зависимостью. Представим ее в виде Wh cos(φ+f), где Wh сдвиг нуля ВОГ, обусловленный магнитным полем, f фазовый сдвиг относительно информационного сигнала ВОГ. Тогда для выходного сигнала ВОГ в процессе гирокомпасирования можно записать
U~Wdcosφ+Whcos(φ+f), (3)
где
Wd = Wcosθ проекция скорости вращения Земли на ось чувствительности ВОГ. В приближении Wh/Wd < 1 соотношение (3) преобразуется в
U~Wdcos(φ+(Wh/Wd)sin(f)). (4)
Из (4) следует, что использование информационного сигнала такого вида приведет к погрешности компасирования (Wh/Wd) sin(f) [рад] Для приведенной выше оценки нулевого сигнала ВОГ, обусловленного эффектом Фарадея в магнитном поле Земли, погрешность компасирования при f 90 ^o может составлять 0.01 0.2 рад.

Однако поскольку рассматриваемый сдвиг нуля ВОГ линейно зависит от составляющей магнитного поля, расположенной в плоскости витков контура (см. (1)), то существуют два ортогональных направления в этой плоскости, характеризующиеся максимальной и нулевой чувствительностью выходного сигнала ВОГ к магнитному полю, ориентированному по этим направлениям. Это означает, что измерив зависимость нулевого сигнала ВОГ от ориентации вектора магнитного поля, можно промаркировать направления максимальной чувствительности (ось магнитной чувствительности) и нулевой в плоскости витков контура.

Приведенная выше оценка погрешности компасирования, обусловленной влияния магнитного поля Земли, соответствует случаю ориентации оси магнитной чувствительности ВОГ в плоскости местного горизонта (самый плохой случай). Если же ось магнитной чувствительности ВОГ совместить с местной вертикалью, то в процессе гирокомпасирования составляющая нулевого сигнала ВОГ, обусловленная магнитным полем, изменяться не будет (что соответствует значению Wh 0 в соотношении (4)). Таким образом, устраняется рассмотренный источник погрешности гирокомпасирования.

Целью изобретения является повышение точности волоконно-оптического гирокомпаса.

Цель достигается тем, что в известном волоконно-оптическом гирокомпасе, включающем поворотную платформу, датчик положения поворотной платформы и волоконно-оптический гироскоп, содержащий чувствительный контур в виде катушки оптического волокна, установленной на платформу так, чтобы ось чувствительности гироскопа к вращению (нормаль к плоскости витков катушки) была ортогональна оси вращения платформы, катушка устанавливается на платформу таким образом, что ось ее магнитной чувствительности, расположенная в плоскости витков катушки, совпадает с осью вращения платформы.

Повышение точности гирокомпасирования связано с тем, что в процессе измерений составляющая нулевого сигнала ВОГ, обусловленная внешним магнитным полем, сохраняется постоянной и не искажает зависимость информационного сигнала ВОГ от угла поворота платформы.

Существенность отличий предлагаемого гирокомпаса состоит в том, что впервые задача повышения точности волоконно-оптического гирокомпаса решается тем, что волоконно-оптический гироскоп, входящий в состав гирокомпаса, устанавливается на поворотной платформе таким образом, что ось магнитной чувствительности катушки волоконного контура, расположенная в плоскости витков катушки, совпадает с осью вращения платформы.

На фиг. 2 представлена блок-схема предлагаемого волоконно-оптического гирокомпаса, который содержит поворотную платформу (1), датчик положения поворотной платформы (2) и волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) (3).

Устройство работает следующим образом. ВОГ (3), установленный на платформу (1) таким образом, чтобы его ось чувствительности к вращению лежала в плоскости местного горизонта, вращается вокруг местной вертикали. При этом одновременно регистрируются выходной сигнал ВОГ и сигнал датчика поворота платформы (2). По этим измерениям восстанавливается зависимость выходного сигнала ВОГ от угла поворота платформы и определяется положение платформы, при котором выходной сигнал ВОГ максимален, что соответствует положению ВОГ, при котором ось его чувствительности к вращению (нормаль к плоскости витков катушки) лежит в меридиональной плоскости, определяемой местной вертикалью и осью вращения Земли. Таким образом определяется направление на Север.

Для апробации изобретения был изготовлен макет гирокомпаса. На поворотной платформе МПУ-1 устанавливался ВОГ, содержащий волоконный контур длиной 200 м из оптического одномодового волокна, сохраняющего поляризацию излучения, с диаметром намотки 70 мм. ВОГ содержал два волоконных ответвителя, выполненных по сварной технологии, волоконный кристаллический поляризатор, излучающий модуль на основе суперлюминесцентного диода, фотоприемный модуль на основе кремниевого p-i-n диода и фазовый пьезокерамический модулятор. В качестве датчика угла поворота платформы использовался индукционный датчик.

При произвольной ориентации оси магнитной чувствительности ВОГ погрешность гирокомпасирования достигала 4^o. При ориентации оси магнитной чувствительности ВОГ вдоль оси вращения платформы (местной вертикали) погрешность гирокомпасирования была снижена более чем в 5 раз.

Использование: в системах с волоконно-оптическими гироскопами (ВОГ). Сущность изобретения: волоконно-оптический гирокомпас содержит поворотную платформу, датчик положения поворотной платформы и волоконно-оптический гироскоп, содержащий чувствительный контур в виде катушки оптического волокна, установленной на платформу так, чтобы ось чувствительности гироскопа к вращению, являющаяся нормалью к плоскости витков катушки, была ортогональна оси вращения платформы. Особенностью устройства является то, что катушка установлена на платформу таким образом, что ось ее магнитной чувствительности, расположенная в плоскости витков катушки, совпадает с осью вращения платформы. Благодаря тому, что в процессе измерений составляющая нулевого сигнала ВОГ, обусловленная внешним магнитным полем, сохраняется постоянной и не искажает зависимость информационного сигнала ВОГ от угла поворота платформы, повышается точность гирокомпасирования. 2 ил.

Волоконно-оптический гирокомпас, включающий поворотную платформу, датчик положения поворотной платформы и волоконно-оптический гироскоп, содержащий чувствительный контур в виде катушки оптического волокна, установленной на платформу так, чтобы ось чувствительности гироскопа к вращению, являющаяся нормалью к плоскости витков катушки, была ортогональна оси вращения платформы, отличающийся тем, что катушка установлена на платформу так, что ось ее магнитной чувствительности, расположенная в плоскости витков катушки, совпадает с осью вращения платформы.