Оптический блок волоконного оптического гироскопа Российский патент 2024 года по МПК G01C19/72 G02B6/42 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах.

Оптический блок предназначен для формирования оптического излучения на рабочей длине волны волоконного интерферометра и выдачи электрического сигнала, несущего информацию о проекции угловой скорости на ось чувствительности, перпендикулярной плоскости намотки катушки оптоволокна, и может быть использован в составе волоконного оптического гироскопа или информационно-измерительных систем параметров движения (системы ориентации и навигации) для измерения абсолютной угловой скорости вращающихся объектов.

Известно устройство, волоконно-оптический гироскоп (патент RU 2444704 С1, G01C 19/72, от 10.03.2012), который представляет собой интерферометр волоконно-оптического гироскопа, и включает в себя входной разветвитель, поляризатор, интегрально-оптическую схему, плату термодатчиков, а основной его частью является чувствительная катушка, выполненная в виде намотки оптического волокна на каркас катушки, закрепленный на основании интерферометра. Кроме того, в конструкции имеются внешний и внутренний экраны, выполняющие функции защиты от электромагнитных и прочих внешних воздействий.

Недостатком этой конструкции является невозможность изменения его габаритных размеров.

Наиболее близким к предлагаемому гироскопу является волоконно-оптический измеритель угловой скорости (патент RU 2112927 C1, кл. G01C 19/72, от 10.06.1998), который выбран в качестве прототипа. Волоконно-оптический гироскоп содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель, волоконный деполяризатор, первый светоделитель из анизотропного волокна, поляризатор, выполненный из анизотропного волокна, второй светоделитель из анизотропного волокна и волоконный анизотропный контур, выполненный в виде катушки. Концы контура соединены с выходными концами второго светоделителя. Контур выполнен из анизотропного волокна. Свободные концы первого светоделителя соединены с волоконными концами фотоприемника. Все восемь элементов конструкции гироскопа соединены между собой посредством восьми сварочных узлов, указанных на блок-схеме прототипа.

Недостатки конструкции гироскопа-прототипа обусловлены большим количеством элементов схемы, что усложняет цельноволоконное изготовление такой конструкции. А наличие большого количества сварных узлов приводит к увеличению оптических потерь и коэффициента перекрестных связей, что не позволяет приблизиться к расчетным величинам чувствительности и дрейфа для данной схемы. Кроме того, необходимость большого количества элементов и сварных соединений не позволяет обеспечить технологичность и компактность сборки конструкции.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка компактной и упрощенной конструкции оптического блока волоконно-оптического гироскопа с уменьшенным габаритом.

Технический результат достигается тем, что оптический блок волоконного оптического гироскопа содержит источник оптического излучения, собранный на входном волокне волоконно-оптического изолятора, выход которого соединен с портом RХ оптического мультиплексора, к порту СОМ которого присоединен отрезок оптоволокна, легированного эрбием и с оптическим зеркалом на другом конце, а порт ТХ мультиплексора соединен с первым портом оптического циркулятора, который представляет собой трехпортовое устройство с изолированными однонаправленными портами, обладающее возможностью разделения встречных лучей света и распределения их по соответствующим портам, где сигнал с первого порта циркулятора передается на второй порт, а со второго порта на третий порт, который соединен с фотодиодом, при этом второй порт циркулятора соединен со входом поляризатора оптического излучения, с другой стороны поляризатор соединен с PM-разветвителем, выходные концы которого замкнуты контуром оптоволокна, выполненным в виде катушки с квадрупольной намоткой, причем часть оптоволокна контура намотана на пьезокерамический элемент фазового модулятора, при этом контурное волокно намотано по внешней части корпуса оптического блока, выполненного в форме эллипса, а остальные элементы расположены во внутренней полости корпуса.

В качестве источника оптического излучения используется лазерный диод накачки с длиной волны оптического излучения 1490 нм.

Предлагаемое изобретение поясняется фигурами, где на фигуре 1 приведена оптическая схема оптического блока волоконного оптического гироскопа, на фигуре 2 - конструкция оптического блока волоконного оптического гироскопа.

На фигуре 1 представлена оптическая схема оптического блока волоконного оптического гироскопа. В качестве источника оптического излучения используется лазерный диод накачки 1 с длиной волны оптического излучения 1490 нм, собранный на входном волокне волоконно-оптического изолятора 2. Оптический изолятор 2 служит для подавления отраженного сигнала от мест стыковки с другими элементами оптической схемы, а также от рассеянного излучения, что уменьшает уровень шума источника излучения.

Выход оптического изолятора 2 соединен с портом RХ оптического мультиплексора 3. Мультиплексор 3 служит для объединения (мультиплексирования) отдельных сигналов в групповой сигнал для одновременной их передачи по одному оптическому волокну, а также для их разделения (демультиплексирования) на приемной стороне.

К порту СОМ мультиплексора 3 присоединен отрезок оптоволокна 4, легированного эрбием, с оптическим зеркалом 5 на другом конце.

В составе оптического блока волоконного оптического гироскопа оптический мультиплексор 3 обеспечивает передачу оптического излучения на длине волны лазера 1490 нм от порта RХ в направлении порта СОМ, а также передачу оптического излучения, формируемого отрезком волокна 4, легированным эрбием, на длине волны 1550 нм, в направлении порта ТХ.

Порт ТХ мультиплексора 3 соединен с первым портом оптического циркулятора 6. Оптический циркулятор 6 представляет собой 3-портовое устройство с изолированными однонаправленными портами, обладающее возможностью разделения встречных лучей света и распределения их по соответствующим портам: сигнал с первого порта циркулятора 6 передается на второй порт, а со второго порта на третий порт.

Третий порт циркулятора 6 соединен с фотодиодом 7, преобразующим оптическое излучение в электрический сигнал.

Второй порт циркулятора 6 соединен со входом поляризатора 8 оптического излучения, преобразующим изотропное излучение в поляризованное по двум ортогональным плоскостям. С другой стороны, поляризатор 8 соединен с РМ-разветвителем 9, который перераспределяет мощность принятого оптического излучения, направляя световую волну одной поляризации в один выходной световод, а световую волну другой поляризации в другой выходной световод.

Выходные концы РМ-разветвителя 9 замкнуты контуром оптоволокна 11, сохраняющим поляризацию. Контур оптоволокна 11 выполнен в виде катушки с квадрупольной намоткой, при этом часть оптоволокна контура 11 намотана на пьезокерамический элемент фазового модулятора 10, предназначенного для обеспечения разности фаз встречных световых волн при подаче на его электроды гармонического сигнала модуляции.

Принцип действия оптического блока волоконного оптического гироскопа заключается в следующем.

Лазерный диод накачки 1 формирует оптическое излучение на длине волны 1490 нм мощностью не менее 2 мВт. Данное оптическое излучение через изолятор 2, служащий для подавления отраженных сигналов, и порты RХ-СОМ мультиплексора 3 поступает в оптическое волокно 4 легированное эрбием.

Атомы эрбия в оптоволокне под действием излучения переходят из основного состояния в возбужденное, запасая энергию. При взаимодействии атомов осуществляется обратный переход в основное состояние, при этом запасенная энергия преобразуется в высокостабильное оптическое излучение с длиной волны 1550 нм. Данное оптическое излучение, отражаясь от зеркала 5, через порты СОМ-ТХ мультиплексора 3 и порты (1, 2, 3) циркулятора 6 поступает на поляризатор 8, который преобразует изотропное излучение в поляризованное по двум ортогональным плоскостям.

Поляризованное излучение в разветвителе 9 разделяется на две волны оптического излучения с ортогональными плоскостями поляризации, которые распространяются по замкнутому оптоволоконному контуру встречно в двух направлениях. По прохождении замкнутого контура встречные волны оптического излучения, проходя через оптический разветвитель 9, интерферируют. Тем самым формируется выходное оптическое излучение, которое через поляризатор 8 и порты (2 и 3) циркулятора 3 поступает на фотодиод 7, преобразующий оптическое излучение в электрический ток.

В случае неподвижности волоконного контура 11 в инерциальном пространстве (при отсутствии угловой скорости) фазы двух встречно распространяющихся лучей, прошедших замкнутый контур, будут одинаковыми. При вращении контура вокруг оси, перпендикулярной плоскости катушки волоконного контура 11, появляется разность фаз лучей: луч, направление распространения которого совпадает с направлением вращения за то же время проходит больший путь, чем луч, распространяющийся встречно направлению вращения. Разность фаз лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура.

Изменение разности фаз приводит к изменению мощности выходного оптического излучения, получающегося в результате сложения двух встречно распространяющихся волн, и, соответственно, к изменению выходного тока фотодиода. Таким образом, обеспечивается функциональная зависимость выходного тока фотодиода от измеряемой угловой скорости.

Для повышения чувствительности к малым угловым скоростям в волоконном контуре 11 применяется фазовый модулятор 10, который искусственно вносит разность фаз встречных световых волн, смещая рабочую точку характеристики на участок с максимальной крутизной. Фазовый модулятор 10 представляет собой несколько витков оптоволокна, намотанного на пьезокерамический элемент. Под действием модулирующего гармонического напряжения пьезоэлемент деформируется, при этом изменяется длина и показатель преломления оптоволокна, намотанного на пьезоэлемент. В результате чего оптический путь излучения изменяется по гармоническому закону, и возникает искусственное приращение фазы.

На фигуре 2 представлена конструкция оптического блока волоконного оптического гироскопа. Корпус 16 оптического блока волоконного оптического гироскопа выполнен в форме эллипса, по внешней части которого намотано контурное волокно 11. Во внутренней полости корпуса расположены остальные элементы оптической схемы. Такое конструктивное исполнение позволяет оптимально использовать внутреннее пространство корпуса оптического блока и обеспечить требуемую функциональность блока при малых габаритах.

Укладка контурного волокна в заводные канавки корпуса при переходе с каркаса в отсек оптического блока условно не показана.

Вдоль внутренних боковых стенок корпуса установлен моток (1 слой) волокна, легированного эрбием 4. На верхнюю поверхность корпуса установлены держатели 13 (8 штук), формирующие зону укладки волокна оптических компонентов при сборке. Между нижней поверхностью держателей (кроме двух малых) и верхней поверхностью дна отсека оптического блока имеется зазор шириной 2 мм, в который заводятся волокна при сборке.

В специальные выборки в корпусе установлены на винты и клей клипсы (12 и 17). В клипсу большую 12 установлены оптическое зеркало 5, поляризатор 8, разветвитель 9 и циркулятор 6 (циркулятор условно показан с вырезом для отображения размещения зеркала 5). В клипсу малую 17 установлены изолятор 2 и мультиплексор 3.

Фазовый модулятор 10 в сборе с платами и кронштейном установлен на три винта. На боковой поверхности модулятора 10 намотан один слой контурного волокна. Для фиксации волокна, подходящего к модулятору и отходящего от него, а также разворота одного из этих волокон (S-петля) используются ложемент петли 15 и накладка ложемента 14. Ложемент петли 15, а также клипса большая 12 имеют специальные канавки для укладки волокна и фиксации УФ-клеем (ультрафиолетового отверждения). Ложемент петли и накладка крепятся винтами и клеем.

Лазерный диод 1 в сборе с платой ЛД установлен на винты. Плата ЛД установлена на втулки (условно не показаны) и закреплена двумя винтами сверху, а кронштейн лазера закреплен двумя винтами снизу. Кронштейн лазера установлен на слой теплопроводящей пасты.

Фотодиод 7 в сборе с платой ФД установлен на винты. Плата ФД установлена на втулки (условно не показаны) и закреплена двумя винтами сверху, а кронштейн фотодиода закреплен двумя винтами снизу.

Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в разработке компактной и упрощенной конструкции оптического блока волоконно-оптического гироскопа с уменьшенным габаритом.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может применяться в волоконно-оптических гироскопах (ВОГ). Сущность изобретения заключается в том, что оптический блок ВОГ содержит источник оптического излучения, собранный на входном волокне волоконно-оптического изолятора, выход которого соединен с портом RХ оптического мультиплексора, к порту СОМ которого присоединен отрезок оптоволокна, легированного эрбием, и с оптическим зеркалом на другом конце, а порт ТХ мультиплексора соединен с первым портом оптического циркулятора, представляющего собой трехпортовое устройство с изолированными однонаправленными портами. При этом сигнал с первого порта циркулятора передается на второй порт, а со второго порта на третий порт, который соединен с фотодиодом, при этом второй порт циркулятора соединен со входом поляризатора оптического излучения, с другой стороны поляризатор соединен с PM-разветвителем, выходные концы которого замкнуты контуром оптоволокна, выполненным в виде катушки с квадрупольной намоткой; часть оптоволокна контура намотана на пьезокерамический элемент фазового модулятора, а контурное волокно намотано по внешней части корпуса оптического блока; остальные элементы расположены во внутренней полости корпуса. Техническим результатом является упрощение конструкции оптического блока ВОГ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Оптический блок волоконного оптического гироскопа содержит источник оптического излучения, собранный на входном волокне волоконно-оптического изолятора, выход которого соединен с портом RХ оптического мультиплексора, к порту СОМ которого присоединен отрезок оптоволокна, легированного эрбием, и с оптическим зеркалом на другом конце, а порт ТХ мультиплексора соединен с первым портом оптического циркулятора, который представляет собой трехпортовое устройство с изолированными однонаправленными портами, обладающее возможностью разделения встречных лучей света и распределения их по соответствующим портам, где сигнал с первого порта циркулятора передается на второй порт, а со второго порта на третий порт, который соединен с фотодиодом, при этом второй порт циркулятора соединен со входом поляризатора оптического излучения, с другой стороны поляризатор соединен с PM-разветвителем, выходные концы которого замкнуты контуром оптоволокна, выполненным в виде катушки с квадрупольной намоткой, причем часть оптоволокна контура намотана на пьезокерамический элемент фазового модулятора, при этом контурное волокно намотано по внешней части корпуса оптического блока, выполненного в форме эллипса, а остальные элементы расположены во внутренней полости корпуса.

2. Оптический блок волоконного оптического гироскопа по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения используется лазерный диод накачки с длиной волны оптического излучения 1490 нм.