ОПТИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2000 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии.

Известны лазерные акселерометры, предназначенные для автономного измерения абсолютного ускорения, основанные на использовании имеющейся зависимости между сдвигом частоты электромагнитного излучения и воздействием гравитационного поля [Лазерные измерительные системы./Под ред. Д.П. Лукьянова. -М.: Радио и связь, 1981, с. 224], вытекающей из общей теории относительности. Однако устройства, реализующие данный способ измерений, обладают очень малым масштабным коэффициентом в силу малого порядка полезного сигнала, то есть обладают низкой разрешающей способностью.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является интерферометрический акселерометр [Бусурин В. И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М. : Энергоатомиздат, 1990, с. 71, рис. 4.5], содержащий источник излучения, два световода, фотоприемник.

Недостатком данного устройства является невозможность измерения абсолютного ускорения объекта без учета дополнительной информации о величине ускорения силы тяжести. Измерение только кажущихся параметров движения приводит к необходимости моделирования гравитационного поля с учетов аномалий, что не всегда возможно, например, при решении задач инерциальной навигации на других планетах, гравитационные поля которых пока не изучены.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены входной и выходной оптические амплитудные модуляторы (ОАМ), работающие в режиме оптического ключа, оптический усилитель, устройство управления (УУ), элемент задержки (ЭЗ) и оптический объединитель, два световода выполнены с разными показателями преломления и образуют кольцевой волновод, при этом выход источника излучения подключен к первому оптическому входу входного оптического амплитудного модулятора и первому входу оптического объединителя, выход входного оптического амплитудного модулятора подключен ко входу оптического усилителя, выход оптического усилителя через соединение первого световода кольцевого волновода со вторым световодом кольцевого волновода подключен ко входу выходного оптического амплитудного модулятора, первый выход которого подключен через соединение второго световода кольцевого волновода с первым световодом кольцевого волновода ко второму входу входного оптического амплитудного модулятора, управляющий вход выходного оптического амплитудного модулятора через элемент задержки и управляющий вход входного оптического амплитудного модулятора соединены с выходом устройства управления, второй выход выходного оптического амплитудного модулятора подключен ко второму входу оптического объединителя, выход оптического объединителя подключен ко входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема оптического акселерометра.

Оптический акселерометр содержит источник когерентного излучения 1, входной и выходной ОАМ 2₁, 2₂, каждый из которых работает в режиме оптического ключа, оптический усилитель 3, два световода 4₁, 4₂ выполнены с разными показателями преломления и образуют кольцевой волновод 4, устройство управления 5, элемент задержки 6, оптический объединитель 7, фотоприемник 8.

Выход источника излучения 1 подключен к первому оптическому входу 2_1.1 входного ОАМ 2₁ и первому входу 7₁ оптического объединителя 7, выход ОАМ 2₁ подключен ко входу оптического усилителя 3, выход которого через соединение первого световода 4₁ кольцевого волновода 4 со вторым световодом 4₂ кольцевого волновода 4 подключен ко входу выходного ОАМ 2₂, первый выход 2_2.1 которого подключен через соединение второго световода 4₂ кольцевого волновода 4 с первым световодом 4₁ кольцевого волновода ко второму входу 2_1.2 входного ОАМ 2₁, управляющий вход выходного ОАМ 2₂ через элемент задержки 6 и управляющий вход входного ОАМ 2₁ соединены с выходом устройства управления 5, второй выход 2_2.2 выходного ОАМ 2₂ подключен ко второму входу 7₂ оптического объединителя 7, выход которого подключен ко входу фотоприемника 8.

Устройство работает следующим образом. Пусть объект и связанная с ним система координат Oxyz поступательно движутся с ускорением a вдоль оси OX (см. чертеж) абсолютной системы координат OXYZ. Оптический сигнал от источника когерентного излучения 1 поступает на входной ОАМ 2₁ и первый вход 7₁ оптического объединителя 7. По сигналу от YY 5, поступающему на управляющий вход входного ОАМ 2₁ и через ЭЗ 6 на управляющий вход выходного ОАМ 2₂, входной ОАМ 2₁ открывается, формируя импульсный оптический сигнал (ИОС), который поступает в кольцевой волновод 4, где проходит по кольцевому волноводному контуру r раз. Длина световодов 4₁, 4₂ одинакова и равна L. Причем
L >> L',
где L - длина участка световода 4₁(4₂), в котором распространение света происходит параллельно оси OX (см. чертеж);
L' - длина участков световода 4₁(4₂), в которых распространение света происходит перпендикулярно оси OX (см. чертеж).

Известно, что скорость распространения света не зависит от скорости движения источника излучения 1 [Фрум К.Д., Эссен Л. Скорость света и радиоволн. - М: Наука, 1973.- 196 с.], то есть в системе координат OXYZ скорость распространения света константа (инвариант) и равна с. Кроме того, длина световодов 4₁, 4₂ L в системе координат Oxyz есть также инвариант к величине ускорения а. В то же время, для системы координат Oxyz относительная скорость света в световоде 4₁(4₂) при a ≠ 0 пропорциональна ускорению объекта. Таким образом, для световодов 4₁, 4₂ (см. чертеж) можно записать
(1)
где ϑ₁(t),ϑ₁(t) - относительные скорости света в первом и втором световодах. ИОС проходит расстояние L в световодах 4₁, 4₂ за разные временные интервалы t₁ и t₂ соответственно:
(2)
Решая уравнения
(3)
получаем, что время t обхода контура кольцевого волновода 4, состоящего из двух световодов 4₁, 4₂, импульсным оптическим сигналом будет равно

Таким образом, получим, что t зависит от а, однако, эта зависимость очень слабая, так как в знаменателе величина 2•a•L пренебрежимо мала по сравнению с c².

При а = 0, это время, которое принимается за опорное при измерении (оценке) абсолютного ускорения а.

Для увеличения разности Δt = t-t₀, несущей информацию о величине а, используем многократное прохождение ИОС в кольцевом волноводе 4, то есть, используем k прохождений. При этом величина Δt увеличится в k раз
(5)
Другим важным фактором, влияющим на Δt является показатель преломления среды, в которой распространяется ИОС. Результаты опыта Физо [Степанов Б.И. Введение в современную оптику. -Мн.: Наука и техника, 1989.- 359 с.] позволяют утверждать, что ИОС распространяется в первом 4₁ и втором 4₂ световодах с разными скоростями при а = 0. Пусть n₁ - показатель преломления среды в первом световоде 4₁, a n₂ - во втором световоде 4₂. Тогда соответствующие начальные скорости для ИОС при a ≠ 0 будут
c₁=c/n₁ и c₂=c/n₂, (6)
а система (1) примет вид
(7)
В этом случае после несложных преобразований, аналогичных (2,3,4) можно получить

Таким образом, величина будет определятся следующим выражением

Анализируя выражение (9), нетрудно заметить, что в знаменателе выражения можно пренебречь величиной 2•a•L, стоящей под знаком радикала при малых a. В этом случае получаем упрощенное выражение для времени обхода ИОС в контуре кольцевого волновода в следующем виде
(10)
из которого видно, что
(11)
Во избежание затухания ИОС в волноводе 4 установлен оптический усилитель 3. При выполнении условия r = k, которое обеспечивает элемент задержки 6, выходной ОАМ 2₂ открывается и ИОС поступает на второй вход 7₁ оптического объединителя 7, в котором формируется интерференционный импульсный оптический сигнал, поступающий на вход фотоприемника 8, с выхода которого снимается сигнал, соответствующий абсолютному ускорению.

Результаты расчетов показывают, что при справедливости сделанных допущений относительно характера распространения света в неинерциальной системе отсчета и при выборе основных параметров L = 1 м, k = 10⁷, n₁ = 1, n₂ = 2 точность измерения абсолютного ускорения находится в пределах, которые удовлетворяют современным навигационным требованиям.

Акселерометр предназначен для использования в измерительной технике при решении задач навигации, управления, гравиметрии. Акселерометр содержит источник излучения, два световода, фотоприемник. В акселерометр введены входной и выходной оптические амплитудные модуляторы, работающие в режиме оптического ключа, оптический усилитель, кольцевой волновод, образованный двумя световодами с разными показателями преломления, устройством управления, элемент задержки, оптический объединитель. Выход источника излучения подключен к первому оптическому входу входного оптического амплитудного модулятора и первому входу оптического объединителя. Выход входного оптического амплитудного модулятора подключен ко входу оптического усилителя. Выход оптического усилителя через соединение первого световода кольцевого волновода со вторым световодом кольцевого волновода подключен ко входу выходного оптического амплитудного модулятора, первый выход которого подключен через соединение второго световода кольцевого волновода с первым световодом кольцевого волновода ко второму входу входного оптического амплитудного модулятора. Управляющий вход выходного оптического амплитудного модулятора через элемент задержки и управляющий вход входного оптического амплитудного модулятора соединены с выходом устройства управления. Второй выход выходного оптического амплитудного модулятора подключен ко второму входу оптического объединителя. Выход оптического объединителя подключен ко входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства. Обеспечивается измерение абсолютного ускорения с точностью, удовлетворяющей современным навигационным требованиям. 1 ил.

Оптический акселерометр, содержащий источник когерентного излучения, два световода, фотоприемник, отличающийся тем, что в него введены входной и выходной оптические амплитудные модуляторы, работающие в режиме оптического ключа, оптический усилитель, устройство управления, элемент задержки и оптический объединитель, два световода выполнены с разными показателями преломления и образуют кольцевой волновод, при этом выход источника излучения подключен к первому оптическому входу входного оптического амплитудного модулятора и первому входу оптического объединителя, выход входного оптического амплитудного модулятора подключен ко входу оптического усилителя, выход оптического усилителя через соединение первого световода кольцевого волновода со вторым световодом кольцевого волновода подключен ко входу выходного оптического амплитудного модулятора, первый выход которого подключен через соединение второго световода кольцевого волновода с первым световодом кольцевого волновода ко второму входу входного оптического амплитудного модулятора, управляющий вход выходного оптического амплитудного модулятора через элемент задержки и управляющий вход входного оптического амплитудного модулятора соединены с выходом устройства управления, второй выход выходного оптического амплитудного модулятора подключен ко второму входу оптического объединения, выход оптического объединителя подключен ко входу фотоприемника, выход которого является выходом устройства.