ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП С ПАССИВНЫМ КОЛЬЦЕВЫМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 1998 года по МПК G01C19/64 G01C19/72 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам, известным как оптические гироскопы с пассивным кольцевым резонатором (ОГПКР), и может быть использовано для измерения угловой скорости и угла поворота в системах навигации и управления движущимися объектами.

ОГПКР используют в качестве чувствительного элемента кольцевой резонатор Фабри-Перо, в котором не происходит генерации и усиления света. ОГПКР обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами оптических гироскопов - лазерными гироскопами (ЛГ) и волоконно-оптическими гироскопами с интерферометром Саньяка (ВОГ). По сравнению с ЛГ, в ОГПКР отсутствует явление синхронизации встречных мод и ряд других эффектов, ограничивающих чувствительность ЛГ. По сравнению с ВОГ, ОГПКР обладают большей чувствительность за счет того, что в ОГПКР свет обходит чувствительный контур много раз. В силу этих преимуществ ОГПКР считаются весьма перспективными для использования в системах инерциальной навигации и управления движущимися объектами, а также для создания пригодных для коммерческого использования интегрально-оптических гироскопов низкой и средней чувствительности.

Известно устройство (заявка ЕПВ N 0189907, М.кл.⁴ G 01 C 19/64, публ. 1986 г.), которое содержит соединенные последовательно источник света - лазер, 1-й светоделитель, делящий излучение источника в соотношении 1:1 между cw (clockwise - направленный по часовой стрелке) и ccw (counterclockwise - направленный против часовой стрелки) каналами, 1-й и 2-й акустооптические модуляторы (АОМ), служащие в качестве устройств сдвига частоты проходящего сквозь них света, 2-й и 3-й светоделители, фазовый модулятор, предназначенный для уменьшения эффекта обратного рассеяния, кольцевой резонатор Фабри-Перо (далее кольцевой резонатор), образованный четырьмя зеркалами, два из которых глухие, два - полупрозрачные, при этом первое полупрозрачное зеркало используется только для ввода излучения в кольцевой резонатор, а второе - только для вывода излучения из кольцевого резонатора, а также 1-й и 2-й фотодетекторы. Одно из глухих зеркал кольцевого резонатора выполнено подвижным и служит для модуляции и подстройки длины кольцевого резонатора. Выход 1-го фотодетектора подключен ко входу 1-го фазочувствительного усилителя, выход 2-го фотодетектора - ко входу 2-го фазочувствительного усилителя; опорным сигналом для обоих фазочувствительных усилителей служит сигнал, модулирующий длину кольцевого резонатора. Выход 1-го фазочувствительного усилителя подключен к блоку автоподстройки длины кольцевого резонатора, выход 2-го фазочувствительного усилителя подключен к блоку автоподстройки частоты возбуждения 2-го АОМ. Полезным сигналом ОГПКР, пропорциональным угловой скорости, служит разность частот возбуждения 1-го и 2-го АОМ. Ширина линии источника света много меньше ширины резонансной кривой кольцевого резонатора, поэтому в последнем возбуждается одна cw мода и одна ccw мода. Модуляция длины кольцевого резонатора приводит к модуляции интенсивности прошедшего через него света. Выходной сигнал 1-го фазочувствительного усилителя, выделяющего нечетные гармоники колебаний интенсивности cw света, служит сигналом рассогласования для блока автоподстройки длины кольцевого резонатора, которая поддерживается такой, чтобы собственная частота рабочей cw моды кольцевого резонатора была равна частоте cw света. Выходной сигнал 2-го фазочувствительного усилителя служит сигналом рассогласования для блока автоподстройки частоты возбуждения 2-го АОМ, которая устанавливается такой, чтобы частота ccw света была равна собственной частоте ccw моды кольцевого резонатора. Таким образом, разность частот cw и ccw света, а значит, разность частот возбуждения 1-го и 2-го АОМ поддерживается равной разности собственных частот встречных мод кольцевого резонатора, которая пропорциональна угловой скорости вращения ОГПКР.

Наиболее существенными недостатками аналога являются низкая чувствительность и высокий дрейф выходного сигнала, а также высокая стоимость и низкая надежность. Основной причиной снижения чувствительности и дрейфа выходного сигнала является когерентное обратное рассеяние света на гранях дискретных элементов оптической схемы, в первую очередь зеркал кольцевого резонатора и АОМ. Паразитные эффекты, сопровождающие работы АОМ и подвижного зеркала, также приводят к снижению чувствительности ОГПКР. Высокая стоимость и низкая надежность устройства обусловлены наличием в нем двух фотоэлектрических каналов регистрации, двух АОМ, а также сложной и дорогостоящей системы подавления эффекта обратного рассеяния. Кроме того, поскольку подвижное зеркало может подстраивать оптическую длину кольцевого резонатора лишь в небольших пределах, для поддержания рабочей точки необходима жесткая (в пределах нескольких сотых градуса) температурная стабилизация оптической схемы.

Более простым и совершенным по конструкции является ОГПКР (M. Takahashi, Sh. Tai, K. Kyuma, and K. Hamanaka, Fiber-optic passive ring-resonator gyroscope an external-cavity laser diode, Optics Letters, v. 13, N 2, p. 236 (1988)), который содержит последовательно соединенные источник света - перестраиваемый по частоте полупроводниковый лазер с внешним резонатором, 1-й, 2-й и 3-й светоделители, волоконно-оптический кольцевой резонатор Фабри-Перо с фактором резкости, много большим единицы (далее кольцевой резонатор), снабженный X-обратным светоделителем и содержащий пьезооптический фазовый модулятор (последний служит для уменьшения эффекта обратного рассеяния), 1-й и 2-й фотодетекторы. Выходы фотодетекторов подключены ко входам 1-го и 2-го синхронных детекторов, опорным сигналом для которых служит сигнал с генератора, модулирующего частоту лазера. Выход 1-го синхронного детектора подключен к схеме автоподстройки частоты лазера, выход 2-го синхронного детектора подключен к устройству регистрации. Ширина спектральной линии лазера много меньше ширины резонансной линии кольцевого резонатора, поэтому в последнем возбуждается только одна cw мода и одна ccw мода. Частота излучения лазера модулируется, что приводит к модуляции интенсивности света, выходящего из кольцевого резонатора. Выходной сигнал 1-го синхронного детектора, выделяющего первую гармонику колебаний интенсивности ccw света, служит сигналом рассогласования для системы автоподстройки частоты лазера, которая поддерживается равной собственной частоте ccw моды. Полезным сигналом ОГПКР, пропорциональным угловой скорости, является выходной сигнал 2-го синхронного детектора, выделяющего первую гармонику колебаний интенсивности cw света.

Основными недостатками прототипа являются низкая чувствительность и высокий дрейф выходного сигнала, а также высокая стоимость и недостаточная надежность. Главными факторами, снижающими чувствительность и приводящими к дрейфу выходного сигнала, являются паразитные невзаимности, связанные с когерентным обратным рассеянием в волоконно-оптических элементах и оптически эффектом Керра в материале волоконно-оптического резонатора. Несмотря на то, что благодаря отсутствию дискретных оптических элементов интенсивность обратно-рассеянного света в прототипе существенно ниже, чем в аналоге, и несмотря на специальные меры по подавлению эффекта обратного рассеяния, паразитный сигнал когерентного обратного рассеяния в прототипе на 6 порядков превышает уровень дробового шума. Высокая и недостаточная надежность устройства обусловлены использованием перестраиваемого по частоте лазера, наличием двух фотоэлектрических каналов регистрации и системы подавления эффекта обратного рассеяния, а также использованием перестраиваемого по частоте лазера. Кроме того, поскольку частота лазера может перестраиваться лишь в небольших пределах, необходима жесткая температурная стабилизация оптической схемы (в пределах 0.05 градусов).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение дрейфа выходного сигнала ОГПКР и повышение его чувствительности при уменьшении количества используемых элементов и упрощении оптической и электрической схемы.

Сущность предлагаемого оптического гироскопа с пассивным кольцевым резонатором состоит в том, что он, как и прототип, содержит оптически связанные источник света, первый и второй светоделители, кольцевой резонатор Фабри-Перо, снабженный третьим светоделителем, а также систему регистрации, включающую фотодетектор и электрически связанный с ним синхронный детектор.

Новым в предлагаемом оптическом гироскопе с пассивным кольцевым резонатором является то, что в него дополнительно введен отражатель, оптически связанный с третьим светоделителем, установленный таким образом, что направление распространения света при отражении от него изменяется на противоположное, и выполненный с возможностью управления частотой отражаемого им света, в качестве источника света использован излучатель, на ширине спектра которого укладывается много резонансных линий кольцевого резонатора, при этом кольцевой резонатор снабжен вышеупомянутым вторым светоделителем, а фотодетектор оптически связан с первым светоделителем.

Для увеличения точности и динамического диапазона измерений угловой скорости целесообразно дополнительно ввести в кольцевой резонатор невзаимный фазовый элемент, выполненный с возможностью управления создаваемой им невзаимной фазовой задержкой.

Указанные технические результаты - уменьшение дрейфа выходного сигнала ОГПКР и повышение его чувствительности при уменьшении количества используемых элементов и упрощении оптической и электрической схемы - достигаются благодаря тому, что предлагаемая конструкция, описанная в формуле изобретения, позволяет использовать источник некогерентного света, на ширине спектра которого укладывается много резонансных линий кольцевого резонатора.

Использование некогерентного света позволяет эффективно подавить эффект обратного рассеяния и эффект Керра, которые являются основными факторами, приводящими к снижению чувствительности и дрейфу выходного сигнала ОГПКР, использующих когерентный свет. При использовании источника света, на ширине спектра которого укладывается много резонансных линий кольцевого резонатора, мощность в резонаторе распределяется среди большого числа (N) невзаимодействующих мод, поэтому паразитные невзаимности, связанные с обратным рассеянием и эффектом Керра, оказываются в N раз меньше, чем при использовании когерентного источника, возбуждающего только одну моду кольцевого резонатора. Уменьшение количества используемых элементов и упрощение схемы ОГПКР достигается, во-первых, благодаря тому, что предлагаемая конструкция позволяет иметь только один фотодетектор и один синхронный детектор, в отличие от аналога и прототипа, и, во-вторых, благодаря тому, что в предлагаемом устройстве не требуется подстраивать частоту источника под частоту рабочей моды кольцевого резонатора и обеспечивать жесткую температурную стабилизацию. Кроме того, поскольку влияние обратного рассеяния подавлено, нет необходимости предпринимать специальные меры для его уменьшения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого ОГПКР.

На фиг. 2 представлена блок-схема варианта выполнения предлагаемого ОГПКР, содержащего невзаимный фазовый элемент, введенный в кольцевой резонатор.

На фиг. 3 представлены спектр излучения, возвращаемого отражателем 6 в кольцевой резонатор 4 (сплошная линия) и спектр пропускания кольцевого резонатора 4 в направлении против часовой стрелки (пунктирная линия) на фоне спектра источника света 1 (точки).

ОГПКР содержит расположенные последовательно, оптически связанные источник света 1, первый светоделитель 2, второй светоделитель 3, введенный в кольцевой резонатор Фабри-Перо 4, кольцевой резонатор Фабри-Перо 4 (далее кольцевой резонатор), третий светоделитель 5, также введенный в кольцевой резонатор 4, отражатель 6, а также систему регистрации полезного сигнала. Отражатель 6 ориентирован таким образом, что направление распространения света при отражении от него изменяется на противоположное, и выполнен с возможностью управления частотой отражаемого им света. Система регистрации полезного сигнала включает в себя фотодетектор 7, оптически связанный с первым светоделителем 2, синхронный детектор 8, электрически связанный с фотодетектором 7, и генератор 9, электрически связанный с синхронным детектором 8 и отражателем 6. Полезным сигналом ОГПКР, пропорциональным угловой скорости, является выходной сигнал синхронного детектора 8.

Для увеличения точности и динамического диапазона измерений угловой скорости, в кольцевой резонатор 4 целесообразно ввести невзаимный фазовый элемент 10 (см. фиг. 2), выполненный с возможностью управления создаваемой им невзаимной фазовой задержкой. Невзаимный фазовый элемент 10 электрически связан со схемой автоподстройки 11, которая в свою очередь электрически связана с выходом синхронного детектора 8. Полезным сигналом ОГПКР, пропорциональным угловой скорости, в этом случае является сигнал, вырабатываемый схемой автоподстройки 11.

В качестве источника света 1 может быть использован суперлюминесцентный диод, либо суперфлуоресцентный волоконный излучатель, либо любой другой излучатель, на ширине спектра которого укладывается много резонансных линий кольцевого резонатора 4.

Первый светоделитель 2 выполняется с коэффициентом деления 1:1.

Кольцевой резонатор Фабри-Перо 4 (далее кольцевой резонатор) представляет собой кольцевой резонатор с фактором резкости, много большим единицы, содержащий два светоделителя. Он может быть выполнен либо зеркальным, либо волоконно-оптическим, либо интегрально-оптическим.

Второй и третий светоделители 3 и 5 могут быть выполнены либо в виде полупрозрачных зеркал (в том случае, если кольцевой резонатор 4 выполнен зеркальным), либо в виде волоконно-оптических направленных ответвителей (в том случае, если кольцевой резонатор 4 выполнен волоконно-оптическим), либо в виде интегрально-оптических направленных ответвителей (в том случае, если кольцевой резонатор 4 выполнен интегрально-оптическим).

Отражатель 6 может быть выполнен в виде фазового модулятора, установленного перед неподвижным зеркалом, либо в виде подвижного зеркала, управляемым образом перемещаемого вдоль направления распространения света (например, при помощи пьезодвигателя), либо в виде другого устройства, обеспечивающего управляемое изменение частоты света при отражении от него.

Невзаимный фазовый элемент 10 представляет собой, например, фарадеевскую ячейку.

ОГПКР работает следующим образом.

Источник света 1 излучает некогерентный свет с центральной длиной волны λ₀, на ширине спектра которого Δλ укладывается много мод кольцевого резонатора 4.

Через первый и второй светоделители 2 и 3 свет от источника 1 попадает в кольцевой резонатор 4, возбуждая в нем моды, бегущие по часовой стрелке (cw моды). Через третий светоделитель 5 излучение, прошедшее через кольцевой резонатор 4 в cw направлении, выводится из кольцевого резонатора 4 и поступает на отражатель 6.

Спектр пропускания кольцевого резонатора представляет собой эквидистантную "гребенку" с острыми максимумами на собственных частотах кольцевого резонатора 4 (см. фиг. 3). Благодаря широкому спектру источника 1, спектр излучения, поступающего на отражатель 6, представляет собой, фактически, спектр пропускания кольцевого резонатора 4 в cw направлении, т.е. набор линий на собственных частотах cw мод ω+m

.
Поскольку отражатель 6 установлен и выполнен так, как указано в формуле изобретения, он через третий светоделитель 5 возвращает падающее на него излучение обратно в кольцевой резонатор 4, смещая спектр этого излучения на величину Δω(t), определяемую значением управляющего сигнала от генератора 9; форма спектра при этом не меняется (см. фиг. 3). Излучение, возвращаемое отражателем 6 в кольцевой резонатор 4, пройдя по кольцевому резонатору 4 в ccw направлении, выводится из кольцевого резонатора 4 через второй светоделитель 3 и затем, через светоделитель 2, попадает на фотодетектор 7.

Спектр пропускания кольцевого резонатора 4 в ccw направлении представляет собой набор линий с центральными частотами, равными собственным частотам ccw мод ω-m

(см. фиг. 3). Между тем, вся световая мощность, возвращаемая отражателем 6 в кольцевой резонатор 4, сосредоточена в линиях на частотах ω+m+Δω(t). Отсюда следует, что полная интенсивность I_out попадающего на фотодетектор 7 света определяется площадью перекрытия линий излучения, возвращаемого отражателем 6 в кольцевой резонатор 4, и линий пропускания кольцевого резонатора 4 в ccw направлении

где
F (finesse) - резкость кольцевого резонатора 4;
I₀ - световая интенсивность, создаваемая источником света 1;
Ω = (ω+m+Δω(t))-ω-m;
L - длина кольцевого резонатора 4;
v_ph - фазовая скорость световых волн в кольцевом резонаторе 4.

Вращение ОГПКР приводит к неравенству оптических длин кольцевого резонатора 4 для встречных направлений, а следовательно, и к неравенству собственных частот для cw и ccw мод

где
W - искомая угловая скорость вращения ОГПКР.

Как показывает формула (1), модуляция частоты света, создаваемая отражателем 6, приводит к модуляции интенсивности света, поступающего на фотодетектор 7. Синхронный детектор 8 выделяет 1-ю гармонику колебаний создаваемого фотодетектором 7 фототока, амплитуда которой пропорциональна расстройке Ω_rot, а значит, и угловой скорости вращения ОГПКР W, если последняя не слишком велика. Таким образом, выходной сигнал синхронного детектора 8 может служить полезным сигналом ОГПКР.

Для увеличения динамического диапазона и точности измерений угловой скорости целесообразно ввести в систему регистрации схему автоподстройки частоты света, возвращаемого отражателем 6. В этом случае обусловленная вращением ОГПКР разность собственных частот встречных мод кольцевого резонатора 4 Ω_rot компенсируется частотным сдвигом Ω₀, создаваемым отражателем 6. Сигналом рассогласования для схемы автоподстройки частоты в этом случае служит выходной сигнал синхронного детектора 8, который равен нулю при Ω_rot= -Ω₀.
В частном случае, когда в кольцевой резонатор введен невзаимный фазовый элемент 10 Ω_rot может быть скомпенсирована создаваемой этим элементом невзаимной фазовой задержкой, величина которой задается схемой автоподстройки 11, сигналом рассогласования для которой служит выходной сигнал синхронного детектора 8.

Максимальная чувствительность ОГПКР достигается при амплитуде модуляции частоты света

При этом квантовый предел чувствительности ОГПКР

где
h - постоянная Планка;
c - скорость света в вакууме;
τ - постоянная времени синхронного детектора 8.

В опто-волоконной реализации ОГПКР в качестве источника света может быть использован суперлюминесцентный диод, выпускаемый НПО "Полюс" (длина волны λ₀= 0,85 мкм, ширина спектра Δλ = 0,1 мкм, выходная мощность I₀ = 1 мВт); Все остальные элементы оптической схемы могут быть выполнены из оптического волокна. При этом резкость волоконно-оптического кольцевого резонатора 4 F может быть доведена до 500, если длина чувствительного контура L не превышает 1 км. При L = 100 м и факторе резкости кольцевого резонатора 4 F = 100 оптимальная амплитуда модуляции частоты света (Δω)*M

составляет около 10 кГц; таким образом, отражатель 6 должен обеспечивать относительный сдвиг частоты света порядка 10^-11, что может быть достигнуто как в отражателе с движущимся зеркалом, перемещаемым при помощи пьезодвигателя (при частоте модуляции 1 кГц требуемая амплитуда колебаний зеркала составляет 0,1 мкм), так и в отражателе с фазовым модулятором перед неподвижным зеркалом. Квантовый предел чувствительности вышеописанного гироскопа W_lim составляет 10^-5 градусов/час (при постоянной времени синхронного детектора 8 τ = 1c), а фактор подавления эффекта обратного рассеяния, или число мод, возбуждаемых в кольцевом резонаторе 4, N ~ 10⁸. Ввиду столь эффективного подавления невзаимностей обратного рассеяния и Керра, следует ожидать, что реальная чувствительность ОГПКР будет существенно ближе к квантовому пределу, чем чувствительность прототипа и аналога.

Предлагаемый ОГПКР допускает также интегрально-оптическое исполнение, при котором все элементы оптической схемы размещены на одном кристалле и являются частями единой интегрально-оптической схемы. Известны интегрально-оптические кольцевые резонаторы (ИОКР) с длиной контура L = 1 см и резкостью F ~ 10000. При использовании такого ИОКР оптимальная амплитуда модуляции частоты света (δω)*M

составляет около 500 кГц. В отражателе 6 с фазовым модулятором перед неподвижным зеркалом при частоте модуляции 100 кГц это соответствует амплитуде фазовой модуляции 2π рад. Квантовый предел чувствительности такого ОГПКР W_lim ≈ 10^-3 рад/с при постоянной времени синхронного детектора 8 τ = 1 с, при этом фактор подавления невзаимностей обратного рассеяния и Керра N ~ 10⁴. Следует отметить, что проблема подавления эффекта обратного рассеяния для интегрально-оптических гироскопов особенно актуальна, поскольку уровень обратного рассеяния в интегрально-оптических элементах существенно выше, чем в волоконно-оптических. Именно высокий уровень когерентного обратного рассеяния, и отсутствие эффективных методов подавления его влияния, препятствовало до сих пор созданию интегрально-оптических гироскопов с приемлемыми характеристиками. В ОГПКР предлагаемой конструкции, благодаря эффективному подавлению эффекта обратного рассеяния за счет использования источника света с широким спектром, можно рассчитывать на то, что интегрально-оптическая реализация предлагаемого ОГПКР будет иметь чувствительность, близкую к квантовому пределу.

Гироскоп может быть использован для измерения угловой скорости и угла поворота в системах навигации и управления движущимися объектами. Гироскоп содержит расположенные последовательно оптически связанные источник света, первый светоделитель, второй светоделитель, кольцевой резонатор Фабри-Перо, третий светоделитель, отражатель. Система регистрации полезного сигнала включает фотодетектор, оптически связанный с первым светоделителем. Отражатель выполнен о возможностью управления частотой отражаемого им света и ориентирован таким образом, что направление распространения света при отражении от него изменяется на противоположное. Второй и третий светоделители введены в кольцевой резонатор. Используется источник света, на ширине спектра которого укладывается много резонансных линий кольцевого резонатора, что приводит к уменьшению дрейфа выходного сигнала и повышению чувствительности. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Оптический гироскоп с пассивным кольцевым резонатором, содержащий оптически связанные источник света, первый и второй светоделители, кольцевой резонатор Фабри-Перо, содержащий третий светоделитель, а также систему регистрации, включающую фотодетектор и электрически связанный с ним синхронный детектор, отличающийся тем, что в него дополнительно введен отражатель, оптически связанный с третьим светоделителем, установленный таким образом, что направление распространения света при отражении от него изменяется на противоположное, и выполненный с возможностью управления частотой отражаемого им света, в качестве источника света использован излучатель, на ширине спектра которого укладывается много резонансных линий кольцевого резонатора, при этом кольцевой резонатор снабжен вышеупомянутым вторым светоделителем, а фотодетектор оптически связан с первым светоделителем. 2. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что в кольцевой резонатор дополнительно введен невзаимный фазовый элемент, выполненный с возможностью управления создаваемой им невзаимной фазовой задержкой.