ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 1997 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам, известным как волоконные гироскопы, и может быть использовано для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых эти гороскопы располагаются. В качестве таких объектов могут быть роботы, электрокары, автомобили, корабли, самолеты ракеты и т.д.

Известна конструкция волоконно-оптического гироскопа (ВОГ), позволяющая достаточно точно определить параметры вращения движущегося объекта [1]
Эта конструкция содержит соединенные последовательно суперлюминесцентный источник излучения, первый светоделитель, поляризатор, второй светоделитель и волоконный контур, намотанный на катушку. Концы контура соединены с выходными концами второго светоделителя. На одном из концов контура установлен фазовый модулятор, который создает фазовую модуляцию встречных волн с разностью фаз, определяемой запаздыванием моментов прохождения модулятора встречными волнами. Все элементы данной конструкции выполнены из анизотропного волокна. Полезный сигнал гироскопа невзаимная разность фаз, обусловленная вращением, и наблюдается с выхода первого светоделителя с помощью фотоприемника, фототок которого пропорционален интенсивности сигнала на первой гармонике частоты модуляции. Использование в данной конструкции поляризатора и только анизотропного волокна позволяет получить предельную чувствительность на уровне 10^-1 10^-2 град/ч и величину дрейфа выходного сигнала не более 0,1 град/ч. Такие высокие точности, как правило, не требуются для ориентационных гироскопов.

Недостатком данной конструкции является ее высокая стоимость, что обусловлено использованием только анизотропного волокна в контуре, анизотропных элементов и главным образом дорогостоящего волоконного поляризатора с коэффициентом экстинкции не менее 40 дБ, выполненного из специального дихроичного волокна. Размещение поляризатора в схеме требует дополнительных стыковых соединений.

Более простым по конструкции и более дешевым является ВОГ без поляризатора на изотропном волокне [2]
Такой гироскоп содержит соединенные последовательно суперлюминесцентный излучатель, волоконный деполяризатор Лио, первый и второй светоделители и волоконный контур, соединенный с выходными концами второго светоделителя. На одном из концов волоконного контура установлен фазовый модулятор. Все элементы данной конструкции, кроме деполяризатора, изготовлены из изотропного волокна. Волоконный деполяризатор Лио выполнен как обычно из двух отрезков анизотропного волокна с соотношением длин отрезков 1 2, соединенных таким образом, что их оси анизотропии развернуты относительно друг друга на 45^o. Длина l₁ меньшего (первого) отрезка выбирается из условия l₁ ≥ λ²/ΔλΔn где Δλ и λ ширина линии и длина волны суперлюминесцентного излучателя, Dn разность показателей преломления материала первого отрезка волокна для двух осей анизотропии. Полезный сигнал гироскопа, несущий информацию о вращении, снимается как и в предыдущем устройстве, с первого светоделителя с помощью фотодетектора. Эксперименты с этим гироскопом показали наличие дрейфа выходного сигнала на уровне 14 град/ч в узком температурном интервале, соответствующем лишь лабораторным условиям. Для практического применения ориентационного гироскопа необходимо обеспечить приемлемую величину дрейфа (не более 10 град/ч) выходного сигнала в более широком температурном интервале (-40^oC +60^oC).

Недостатком известного гироскопа является достаточно высокий дрейф выходного сигнала и низкая чувствительность, что обусловлено связью волн двух ортогональных поляризаций, распространяющихся в гироскопе, которая может возникать как в самом изотропном волоконном контуре, так и в местах стыковки элементов конструкции при их произвольной ориентации.

Техническим результатом изобретения является снижение дрейфа выходного сигнала гироскопа и повышение его чувствительности при уменьшении числа стыковых соединений.

Указанный результат достигается тем, что гироскоп содержит суперлюминесцентный излучатель, первый волоконный светоделитель, с которого снимается сигнал гироскопа, второй волоконный светоделитель, волоконный деполяризатор, состоящий из двух отрезков анизотропного волокна, и волоконный контур, на одном из концов которого установлен фазовый модулятор, волоконный контур выполнен анизотропным, второй светоделитель выполнен из анизотропного волокна, деполяризатор типа Лио, длины отрезков которого соотносятся как 1: n, где n ≥ 2,5, расположен между указанными светоделителями, второй отрезок деполяризатора сформирован из входного конца второго светоделителя, волоконный же контур соединен с выходными концами второго светоделителя таким образом, что их оптические оси совпадают.

В частном случае при выполнении первого светоделителя из изотропного волокна деполяризатор типа Лио формируется из дополнительно введенного отрезка анизотропного волокна в качестве первого отрезка и входного конца второго светоделителя в качестве второго отрезка.

В другом частном случае при выполнении первого светоделителя из анизотропного волокна деполяризатор типа Лио формируется из концов светоделителей, соотношения длин которых необходимо установить 1: n, где n ≥ 2,5.

Целесообразно анизотропный волоконный контур выполнить из изотропного волокна, при этом необходимая анизотропия контура создается за счет наведенного двойного лучепреломления при намотке изотропного волокна радиуса r на катушку с радиусом R, удовлетворяющим соотношению где константа C_з 1,34•10⁶ рад/м, Dl и λ ширина линии и длина волны суперлюминесцентного излучателя, z длина волокна контура, намотанного на катушку.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого волоконного гироскопа.

ВОГ содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель 1, первый волоконный светоделитель 2, волоконный деполяризатор 3 типа Лио, второй волоконный светоделитель 4 и волоконный анизотропный контур 5, на одном из концов которого расположен фазовый модулятор 6. Светоделитель 4 выполнен из анизотропного волокна. Деполяризатор 3 выбран с соотношением длин первого и второго отрезков 1n, где n ≥ 2,5. Второй отрезок деполяризатора 3 сформирован из входного конца светоделителя 4, выходные концы которого соединены с концами волоконного контура 5 таким образом, что их оптические оси совпадают. Светоделитель 2 может быть выполнен как из изотропного волокна, так и из более дорогого анизотропного волокна, при этом первый отрезок деполяризатора 3 типа Лио выполняется по разному. В первом случае, когда светоделитель 2 выполнен из изотропного волокна, первый отрезок деполяризатора 3 формируется из специально дополнительно введенного отрезка анизотропного деполяризатора 3 таким образом, что их оси анизотропии развернуты относительно друг друга на 45^o, а длины отрезков выбираются в соотношении 1 n, где n ≥ 2,5. Во втором случае, когда светоделитель 2 выполнен из анизотропного волокна, первый отрезок деполяризатора 3 формируется из одного из выходных концов светоделителя 2, а второй отрезок так же, как в первом случае. Анизотропный волоконный контур 5 может быть выполнен как из анизотропного волокна, так и из изотропного волокна. В последнем случае должно быть выполнено соотношение между радиусами r оптического волокна и R катушка, на которую наматывается волокно для формирования волоконного контура 5:

При выполнении этого соотношения в контуре 5, выполненном из изотропного волокна, возникает наведенное двойное лучепреломление, т.е. наведенная анизотропия. Регистрация выходного сигнала гироскопа осуществляется с помощью фотоприемника 7, подсоединенного к торцу свободного входного конца светоделителя 2.

Волоконный гироскоп работает следующим образом.

Частично поляризованное излучение с выхода суперлюминесцентного излучателя 1 попадает на первый светоделитель 2, в котором его мощность делится пополам и излучение поступает на два выходных конца делителя 2. С одного из выходных концов делителя 2 излучение поступает на деполяризатор 3 типа Лио, на выходе которого образуются две взаимно перпендикулярные некоррелированные компоненты излучения одинаковой интенсивности. Благодаря тому, что второй отрезок деполяризатора 3 сформирован из входного конца второго светоделителя 4, выполненного из анизотропного волокна, оси анизотропии деполяризатора 3 и делителя 4 съюстированы, и поэтому обе взаимно перпендикулярные компоненты излучения E_s и E_p проходят светоделитель 4, оставаясь равными друг другу по интенсивности и некоррелированными. При этом каждая из них делителем 4 делится по мощности пополам и направляется в два выходных конца делителя 4, оптические оси которых съюстированы с входными концами волоконного анизотропного контура 5. Затем излучение с одного выходного конца делителя 4 в виде двух взаимно перпендикулярных и некоррелированных компонент E_s и E_p переходит в контур 5 и распространяется в нем в одном направлении, например, по часовой стрелке. Одновременно с этим процессом излучение с другого выходного конца делителя 4 также в виде двух взаимно перпендикулярных и некоррелированных компонент E_s и E_p переходит в контур 5 и распространяется в нем в обратном направлении т.е. против часовой стрелки. При этом благодаря юстировке концов контура 5 с выходными концами делителя 4 две некоррелированные и равные компоненты поля E_s и E_p с первого выходного конца делителя 4, пройдя контур 5 по часовой стрелке, поступают во второй выходной конец делителя 4, оставаясь равными и некоррелированными. А идущие им навстречу со второго выходного конца делителя 4 две некоррелированные и равные компоненты E_s и E_p, проходящие контур 5 против часовой стрелки, поступают на первый выходной конец делителя 4, также оставаясь равными и некоррелированными.

Таким образом, в одном гироскопе реализуются два независимых гироскопических канала, каждый для компоненты поля со своей поляризацией S или P, и тем самым исключаются условия ля возникновения паразитного сигнала, обусловленного перекачкой энергии излучения из одного гироскопического канала в другой, что имеет место в аналоге и прототипе. В делителе 4 две компоненты излучения одной поляризации как S, так и P, прошедшие контур 5 во встречных направлениях, интерферируют, и сигнал интерференции, несущий информацию о вращении контура 5, каждой поляризации проходит теперь уже в обратном направлении через деполяризатор 3 и поступает на свободный конец делителя 2, где регистрируется фотодетектором 7. Использование деполяризатора 3 типа Лио с соотношением длин отрезков 1 2,5, а не просто деполяризатора Лио, как в прототипе, позволяет при обратном прохождении излучения через деполяризатор 3 предотвратить появление дополнительных интерференционных составляющих на выходе гироскопа, кроме тех полезных интерференционных сигналов, которые сформировались в светоделителе 4. Таким образом на фотодетекторе 7 происходит суммирование двух независимых интерференционных сигналов, несущих информацию о вращении волоконного контура 5.

В примере конкретной реализации предлагаемой конструкции получена чувствительность устройства ≈ 1 град/ч в полосе частот 1 Гц. Дрейф выходного сигнала не превышает 5 град/ч.

Использование: в измерительной технике для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых эти гироскопы располагаются, например, роботов, электрокар, автомобилей, кораблей, самолетов, ракет и т.д. Сущность изобретения: волоконно-оптический гироскоп содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель 1, первый волоконный светоделитель 2, волоконные деполяризатор 3 типа Лио, второй волоконный светоделитель 4 и волоконный анизотропный контур 5. Светоделитель 4 выполнен из анизотропного волокна. Деполяризатор 3 выбран с соотношением длин первого и второго отрезков 1: n, где n ≥ 2,5. Второй отрезок деполяризатора 3 сформирован из входного конца светоделителя 4, выходные концы которого соединены с концами волоконного контура 5 таким образом, что их оптические оси совпадают. Анизотропный волоконный контур 5 может быть выполнен как из анизотропного волокна, так и из изотропного волокна. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Волоконно-оптический гироскоп, содержащий суперлюминесцентный излучатель, первый волоконный светоделитель, с которого снимается сигнал гироскопа, второй волоконный светоделитель, волоконный деполяризатор Лио, состоящий из двух отрезков анизотропного волокна, волоконный контур, соединенный с выходными концами второго светоделителя, и фазовый модулятор, установленный на одном из концов волоконного контура, отличающийся тем, что волоконный контур выполнен анизотропным, второй светоделитель выполнен из анизотропного волокна, волоконный деполяризатор Лио расположен между первым и вторым светоделителями, при этом длины отрезков деполяризатора Лио соотносятся как 1 n, где n ≥ 2,5, второй отрезок деполяризатора Лио сформирован из входного конца второго светоделителя, а оптические оси выходных концов второго светоделителя и концов волоконного контура совпадают. 2. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что первый светоделитель выполнен из изотропного волокна. 3. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что первый светоделитель выполнен из анизотропного волокна, при этом первый отрезок деполяризатора Лио сформирован из выходного конца первого светоделителя. 4. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что анизотропный волоконный контур выполнен из изотропного волокна, при этом анизотропия контура создается за счет наведенного двупреломления при намотке изотропного волокна радиуса r на катушку с радиусом R, удовлетворяющим соотношению

где коэффициент С_з 1,34 • 10⁶ рад/м;
Dl и λ - ширина линии и длина волны суперлюминесцентного излучателя;
L длина волокна, намотанного на катушку.