ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП
FIBRE-OPTIC GYROSCOPE

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах интерферометрического типа.
Волоконно-оптический гироскоп интерферометрического типа, см., например, патенты РФ: [1] - RU 2194245 С2, G01B 9/02, G01C 19/72, 10.12.2002; [2] - RU 2246097 C2, G01B 9/02, 10.02.2005; [3] - RU 2343417 C1, G01C 19/72, 10.01.2009, международную заявку [4] - WO 01/71284 A2, G01C 19/00, 27.09.2001, Fig.1; патенты США: [5] - US 5351123, G01C 19/72, 27.09.1994; [6] - US 5473430, G01C 19/72, 05.12.1995; [7] - US 5684591, G01C 19/64, 04.11.1997, в обобщенном виде состоит из кольцевого оптоволоконного интерферометра и электронного блока обработки информации. Кольцевой оптоволоконный интерферометр содержит оптически соединенные источник широкополосного оптического излучения, входной разветвитель, связанный вторым своим портом с входом фотоприемника, интегрально-оптическую схему, реализующую функции «поляризатор-разветвитель, сохраняющий состояние поляризованного оптического излучения, - фазовый модулятор», связанную первым своим портом с третьим портом входного разветвителя, и чувствительную катушку, концы оптического волокна которой соединены с вторым и третьим портами интегрально-оптической схемы. Вход электронного блока обработки информации соединен с выходом фотоприемника, а управляющий выход блока обработки информации соединен с управляющим входом интегрально-оптической схемы, образованным управляющим входом ее фазового модулятора. В случае выполнения электронного блока обработки информации на основе специализированной большой интегральной схемы (СБИС) или программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) или в виде дискретных цифровых устройств соединение выхода фотоприемника с входом электронного блока обработки информации осуществляется через аналого-цифровой преобразователь, а соединение управляющего выхода электронного блока обработки информации с управляющим входом интегрально-оптической схемы - через цифроаналоговый преобразователь, как это имеет место, например, в [4]÷[7].
В рассматриваемых волоконно-оптических гироскопах [1]÷[7] в качестве входного разветвителя применяется волоконный X-разветвитель, изготовленный, например, с использованием двух отрезков одномодовых световодов по стандартной тянуто-сплавной технологии.
3
Интегрально-оптическая схема выполняется, как правило, в монокристаллической пластине ниобата лития (LiNbO). Разветвитель интегрально-оптической схемы в волоконно-оптических гироскопах [1]÷[7] представляет собой Y-разветвитель, канальные волноводы которого сформированы по протонно-обменной технологии. Пример выполнения Y-разветвителя по протонно-обменной технологии представлен, в частности, в патенте РФ [8] - RU 2176803 С2, G02B 6/125, G02B 6/134, 10.12.2001. Канальные волноводы, сформированные по протонно-обменной технологии, являются однополяризационными, что придает интегрально-оптической схеме свойства поляризатора. Выходы канальных волноводов образуют порты интегрально-оптической схемы. Фазовый модулятор интегрально-оптической схемы образован металлическими электродами, сформированными в области разветвляющихся канальных волноводов (выходных плеч) разветвителя. При подаче на электроды электрического напряжения вследствие того, что монокристалл ниобата лития обладает линейным электрооптическим эффектом, происходит изменение показателя преломления материала канального волновода и фазы проходящих через него световых волн. Таким образом, интегрально-оптическая схема реализует в себе функции поляризатора, разветвителя, сохраняющего состояние поляризованного оптического излучения, и фазового модулятора.
Чувствительная катушка выполняется путем намотки оптического волокна, сохраняющего состояние поляризованного оптического излучения, на каркас, закрепленный на несущем основании гироскопа. Ось, нормальная к плоскости чувствительной катушки и проходящая через ее центр, является осью чувствительности волоконно-оптического гироскопа.
Принцип работы волоконно-оптического гироскопа интерферометрического типа заключается в следующем. Луч света от источника широкополосного оптического излучения поступает на первый порт входного разветвителя, делится им на два луча, один из которых, снимаемый с третьего порта входного разветвителя, поступает на интегрально-оптическую схему, где поляризуется и разделяется на два луча. Эти два луча проходят через фазовый модулятор интегрально-оптической схемы, далее проходят во взаимно противоположных направлениях через оптическое волокно чувствительной катушки, затем проходят в обратном направлении фазовый модулятор интегрально-оптической схемы, объединяются во входном плече разветвителя интегрально-оптической схемы и, пройдя далее входной разветвитель, поступают через его второй порт на вход фотоприемника.
s
В результате, на фотоприемнике интерферируют два луча (две световые волны), которые прошли оптическое волокно чувствительной катушки в двух взаимно противоположных направлениях. При вращении чувствительной катушки вокруг оси, нормальной к ее плоскости, между этими двумя световыми волнами вследствие эффекта Саньяка возникает разность фаз ϕ, которая выражается следующим образом:
,
где R - радиус намотки оптического волокна чувствительной катушки;
L - длина оптического волокна чувствительной катушки;
λ - длина волны излучения источника света в вакууме;
с - скорость света в вакууме;
Ω - угловая скорость вращения чувствительной катушки.
ф
Таким образом, на фотоприемнике интенсивность интерференционной составляющей I оптического излучения в условиях эффекта Саньяка можно представить в виде:
,
0
где P - средняя мощность интерферирующих на фотоприемнике волн.
ф
s
Из представленного выражения следует, что интенсивность интерференционной составляющей I изменяется в зависимости от разности фаз Саньяка ϕ по косинусоидальному закону и поэтому при малых угловых скоростях кольцевой интерферометр имеет низкую чувствительность к вращению, так как производная косинуса имеет практически нулевое значение. Повышение чувствительности достигается применением невзаимной фазовой модуляции.
Для обеспечения линейности выходной характеристики волоконно-оптического гироскопа используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка, реализуемый с помощью электронного блока обработки информации.
к
s
0
Суть этого метода заключается во введении между интерферирующими волнами невзаимного управляемого фазового сдвига ϕ, компенсирующего разность фаз Саньяка ϕ. Обеспечивается это путем подачи на управляющий вход фазового модулятора интегрально-оптической схемы ступенчатого пилообразного управляющего сигнала с амплитудой 2π радиан, дополнительно промодулированного прямоугольными импульсами, следующими с частотой f, определяемой выражением:
,
где τ - время пробега света по оптическому волокну чувствительной катушки.
ф
Формирование промодулированного ступенчатого пилообразного управляющего сигнала осуществляется следующим образом. Сигнал, снимаемый с выхода фотоприемника, содержит интерференционную составляющую Р, определяемую выражением:
,
где А - коэффициент преобразования фотоприемника;
0
P - средняя мощность интерферирующих на фотоприемнике волн;
s
ϕ - разность фаз, обусловленная эффектом Саньяка;
к
ϕ - компенсирующая разность фаз, вносимая фазовым модулятором интегрально-оптической схемы.
s
к
к
s
0
Этот сигнал демодулируется в электронном блоке обработки информации относительно прямоугольных импульсов модуляции с получением сигнала ошибки, характеризующего разность фаз (ϕ-ϕ). Сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, величина которого определяет скорость нарастания во времени формируемого в электронном блоке обработки информации ступенчатого пилообразного сигнала и, соответственно, величину фазового сдвига ϕ, вносимого фазовым модулятором интегрально-оптической схемы в целях компенсации разности фаз Саньяка ϕ Ступенчатый пилообразный сигнал модулируется прямоугольными импульсами, следующими с частотой f, в результате чего образуется выходной управляющий сигнал электронного блока обработки информации, который подается на управляющий вход фазового модулятора интегрально-оптической схемы для осуществления необходимой модуляции интерферирующих волн и компенсации разности фаз Саньяка.
к
s
s
к
Величина управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, определяющая скорость нарастания во времени формируемого в электронном блоке обработки информации ступенчатого пилообразного сигнала, меняется до тех пор, пока компенсирующий фазовый сдвиг ϕ, вносимый фазовым модулятором интегрально-оптической схемы, не сравняется с разностью фаз Саньяка ϕ, обусловленной вращением чувствительной катушки вокруг оси, нормальной к ее плоскости, т.е. ϕ=ϕ.
Таким образом, в установившемся режиме величина управляющего сигнала компенсирующей обратной связи и наклон ступенчатого пилообразного сигнала (скорость нарастания во времени) содержат в себе информацию о величине угловой скорости Ω вращения чувствительной катушки, что позволяет использовать эти сигналы в качестве выходных информационных сигналов волоконно-оптического гироскопа.
Этот же компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка реализован в волоконно-оптическом гироскопе, представленном в патентной заявке США [9] - US 2009/0059237 A1, G01C 19/72, 05.03.2009, принятом в качестве прототипа.
Обобщенная структурная схема гироскопа-прототипа, представленная в [9, Fig.1], содержит оптически соединенные источник широкополосного оптического излучения, входной разветвитель, связанный вторым своим портом с входом фотоприемника, интегрально-оптическую схему с функциями «поляризатор - разветвитель, сохраняющий состояние поляризованного оптического излучения, - фазовый модулятор», связанную первым своим портом с третьим портом входного разветвителя, и чувствительную катушку, концы оптического волокна которой соединены со вторым и третьим портами интегрально-оптической схемы. Входной разветвитель представляет собой X-разветвитель, а разветвитель интегрально-оптической схемы - Y-разветвитель. Фотоприемник состоит из фотодетектора и усилителя. Выход фотоприемника через аналого-цифровой преобразователь связан с входом электронного блока обработки информации, управляющий выход которого через цифроаналоговый преобразователь связан с управляющим входом интегрально-оптической схемы, образованным управляющим входом ее фазового модулятора. Электронный блок обработки сигнала [9, Fig.2] в обобщенном виде содержит последовательно соединенные входной демодулятор, формирователь ступенчатого пилообразного сигнала и выходной сумматор, второй вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольного сигнала, а также опорный генератор, синхронизирующий работу функциональных элементов электронного блока обработки сигнала.
Работа гироскопа-прототипа происходит следующим образом.
Луч света от источника широкополосного оптического излучения поступает на первый порт входного разветвителя, делится им на два луча, один из которых, снимаемый с третьего порта входного разветвителя, поступает на интегрально-оптическую схему, где поляризуется и с помощью Y-разветвителя разделяется на два луча. Эти два луча проходят через фазовый модулятор интегрально-оптической схемы, далее проходят во взаимно противоположных направлениях через оптическое волокно чувствительной катушки, затем проходят в обратном направлении фазовый модулятор интегрально-оптической схемы, объединяются во входном плече Y-разветвителя интегрально-оптической схемы и, пройдя далее входной разветвитель, поступают через его второй порт на вход фотоприемника, где интерферируют.
s
к
s
к
к
к
s
Выходной сигнал фотоприемника, содержащий интерференционную составляющую, определяемую представленным выше выражением , оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе и поступает на вход электронного блока обработки сигнала, где путем демодуляции формируется сигнал ошибки, несущий информацию о величине и знаке разности фаз (ϕ-ϕ), при этом минимальное значение сигнала ошибки имеет место при равенстве ϕ=ϕ. Сигнал ошибки поступает далее на сигнальный вход формирователя ступенчатого пилообразного сигнала, где интегрируется с получением управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, определяющего скорость нарастания во времени формируемого ступенчатого пилообразного сигнала и, соответственно, величину компенсирующего фазового сдвига ϕ, вносимого фазовым модулятором интегрально-оптической схемы. Ступенчатый пилообразный сигнал, снимаемый с сигнального выхода формирователя ступенчатого пилообразного сигнала, поступает далее на первый вход выходного сумматора, где суммируется с модулирующим прямоугольным сигналом, поступающим на второй вход сумматора с выхода формирователя прямоугольного сигнала. Полученный таким образом суммарный сигнал с управляющего выхода электронного блока обработки сигнала поступает на сигнальный вход цифроаналогового преобразователя, где преобразуется в аналоговую форму и поступает далее на управляющий вход фазового модулятора интегрально-оптической схемы, замыкая тем самым по сигналу цепь компенсирующей обратной связи. В результате действия компенсирующей обратной связи скорость нарастания во времени ступенчатого пилообразного сигнала изменяется до тех пор, пока сигнал ошибки, снимаемый с выхода демодулятора, не станет равным нулю, т.е. когда компенсирующий фазовый сдвиг ϕ, вносимый фазовым модулятором интегрально-оптической схемы, не сравняется с фазовым сдвигом ϕ, обусловленным эффектом Саньяка.
к
s
В установившемся режиме величина указанного управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, определяющая скорость нарастания во времени ступенчатого пилообразного сигнала и, соответственно, величину компенсирующего фазового сдвига ϕ, вносимого фазовым модулятором интегрально-оптической схемы для компенсации фазового сдвига ϕ, обусловленного эффектом Саньяка, пропорциональна угловой скорости Ω вращения чувствительной катушки, что позволяет использовать данный сигнал в качестве выходного информационного сигнала волоконно-оптического гироскопа. При этом точность выходного информационного сигнала волоконно-оптического гироскопа зависит от шумов, возникающих в его активных элементах. В основном это шумы трех видов, а именно дробовой шум фотоприемника, тепловой шум усилителя фотоприемника и избыточный шум, обусловленный источником оптического излучения.
В высокоточных волоконно-оптических гироскопах в настоящее время применяются обладающие большой выходной мощностью источники широкополосного оптического излучения, например волоконные суперфлюоресцентные широкополосные источники излучения, выполненные на основе активированных редкоземельными элементами световодов. Применение мощных источников оптического излучения создает проблему избыточного шума на выходе фотоприемника, который тем больше, чем выше мощность оптического излучения, поступающего на вход фотоприемника. С увеличением мощности оптического излучения относительные доли остальных шумов, не связанных с источником излучения (дробовой шум фотоприемника, тепловой шум усилителя), уменьшаются. В результате, при определенном уровне мощности оптического излучения избыточный шум, обусловленный источником оптического излучения, становится преобладающим и чувствительность волоконно-оптического гироскопа ограничивается уровнем именно этого шума. Таким образом, перед разработчиками волоконно-оптических гироскопов встает актуальная задача по разработке схем гироскопов, в которых обеспечивалось бы подавление избыточного шума, обусловленного применяемыми мощными широкополосными источниками оптического излучения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка волоконно-оптического гироскопа, в котором за счет предложенных схемотехнических мер обеспечивается уменьшение влияния на выходной информационный сигнал гироскопа избыточного шума, обусловленного источником оптического излучения.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Волоконно-оптический гироскоп содержит источник широкополосного оптического излучения, входной X-разветвитель, первый порт которого оптически соединен с выходом источника широкополосного оптического излучения, а второй порт - с входом первого фотоприемника, интегрально-оптическую схему с функцией «разветвитель, сохраняющий состояние поляризации оптического излучения, - фазовый модулятор», первый порт которой оптически соединен с третьим портом входного X-разветвителя, и чувствительную катушку, концы оптического волокна которой соединены со вторым и третьим портами интегрально-оптической схемы, при этом выход первого фотоприемника соединен с сигнальным входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом электронного блока обработки информации, управляющий выход которого через цифроаналоговый преобразователь связан с управляющим входом интегрально-оптической схемы. В отличие от прототипа, источник широкополосного оптического излучения выполнен в виде источника поляризованного широкополосного оптического излучения, входной X-разветвитель выполнен сохраняющим состояние поляризации оптического излучения, при этом его четвертый порт оптически соединен с входом второго фотоприемника, выход которого соединен с сигнальным входом второго аналого-цифрового преобразователя, а связь выхода первого аналого-цифрового преобразователя с входом электронного блока обработки информации осуществлена через блок деления, второй вход которого через блок задержки связан с выходом второго аналого-цифрового преобразователя.
В частном случае, источник поляризованного широкополосного оптического излучения выполнен в виде последовательно соединенных эрбиевого суперлюминисцентного волоконного источника и волоконно-оптического поляризатора.
Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются представленной на чертеже структурной схемой волоконно-оптического гироскопа.
Волоконно-оптический гироскоп в рассматриваемом примере выполнения содержит источник 1 широкополосного оптического излучения, входной X-разветвитель 2, первый порт 2а которого оптически соединен с выходом источника 1 широкополосного оптического излучения, а второй порт 2b - с входом первого фотоприемника 3, интегрально-оптическую схему 4 с функцией «разветвитель, сохраняющий состояние поляризации оптического излучения, - фазовый модулятор», первый порт 4а которой оптически соединен с третьим портом 2с входного X-разветвителя 2, и чувствительную катушку 5, концы оптического волокна 6 которой соединены с вторым 4b и третьим 4с портами интегрально-оптической схемы 4.
Выход первого фотоприемника 3 соединен с сигнальным входом первого аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого через блок 8 деления связан с входом электронного блока 9 обработки информации. Управляющий выход электронного блока 9 обработки информации через цифроаналоговый преобразователь 10 связан с управляющим входом интегрально-оптической схемы 4, образованным управляющим входом ее фазового модулятора. Четвертый порт 2d входного X-разветвителя 2 оптически соединен с входом второго фотоприемника 11, выход которого через второй аналого-цифровой преобразователь 12 и блок 13 задержки соединен со вторым входом блока 8 деления.
Источник 1 широкополосного оптического излучения выполнен в виде источника поляризованного широкополосного оптического излучения, излучающего линейно поляризованный свет с широким спектром. В частном случае источник 1 широкополосного оптического излучения может быть выполнен в виде последовательно соединенных эрбиевого суперлюминисцентного волоконного источника с неполяризованным оптическим излучением и волоконно-оптического поляризатора. Эрбиевый суперлюминисцентный волоконный источник характеризуется широким спектром (порядка 27 нм) и большой выходной мощностью оптического излучения (порядка 30 мВт на длине волны 1,55 мкм).
Входной X-разветвитель 2 выполнен сохраняющим состояние поляризации оптического излучения. Например, он может быть изготовлен по тянуто-сплавной технологии с использованием двух отрезков волоконных световодов, сохраняющих состояние поляризации оптического излучения.
3
Интегрально-оптическая схема 4, выполняющая функцию «разветвитель, сохраняющий состояние поляризации оптического излучения, - фазовый модулятор», может быть выполнена, например, в монокристаллической пластине ниобата лития (LiNbO) по протонно-обменной технологии с формированием канальных волноводов, образующих структуру Y-разветвителя, представленную на чертеже, или по технологии диффузии титана в ниобат лития с формированием канальных волноводов, образующих структуру X-разветвителя (на чертеже не показано). В обоих случаях канальные волноводы разветвителя обладают требуемым свойством сохранения состояния поляризации оптического излучения. Фазовый модулятор интегрально-оптической схемы 4 образован металлическими электродами, сформированными в области выходных плеч разветвителя. При подаче на электроды электрического напряжения, вследствие того что монокристалл ниобата лития обладает линейным электрооптическим эффектом, происходит изменение показателя преломления материала канального волновода и фазы проходящих через него световых волн. Таким образом, интегрально-оптическая схема 4 реализует в себе функции разветвителя, сохраняющего состояние поляризованного оптического излучения, и фазового модулятора.
Чувствительная катушка 5 выполняется путем намотки одномодового оптического волокна 6, сохраняющего состояние поляризованного оптического излучения, на каркас, закрепленный на несущем основании волоконно-оптического гироскопа. Ось, нормальная к плоскости чувствительной катушки 5 и проходящая через ее центр, является осью чувствительности волоконно-оптического гироскопа.
Для сохранения поляризации оптического излучения оптические связи между элементами оптического тракта реализуются с помощью одномодовых оптических волокон, сохраняющих состояние поляризованного оптического излучения, с согласованием осей поляризации соединяемых элементов.
Конкретное выполнение электронного блока 9 обработки информации не принципиально для решения задачи изобретения, он может быть выполнен, например, как в гироскопе-прототипе в соответствии со схемой, представленной в [9, Fig.2], или как в аналогах [1]÷[7].
Заявляемый волоконно-оптический гироскоп работает следующим образом.
Источник 1 широкополосного оптического излучения формирует широкополосное линейно поляризованное излучение, которое поступает на первый порт 2а входного X-разветвителя 2, сохраняющего состояние поляризации оптического излучения, где разделяется на два световых луча, один из которых поступает через третий порт 2с на первый порт 4а интегрально-оптической схемы 4, а второй - через четвертый порт 2d - на вход фотоприемника 11.
В фотоприемнике 11 осуществляется преобразование энергии светового луча (световой волны) в электрический сигнал, пропорциональный уровню оптической мощности источника 1 широкополосного оптического излучения. Выходной сигнал фотоприемника 11 далее оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе 12, задерживается в блоке 13 задержки на время τ (время пробега света по оптическому волокну 6 чувствительной катушки 5) и поступает на второй вход блока 8 деления.
Световой луч, поступивший на интегрально-оптическую схему 4, с помощью разветвителя, сохраняющего состояние поляризации оптического излучения, разделяется на два луча. Эти два луча (две световые волны) проходят через фазовый модулятор интегрально-оптической схемы 4, далее проходят во взаимно противоположных направлениях через оптическое волокно 6 чувствительной катушки 5, затем проходят в обратном направлении фазовый модулятор интегрально-оптической схемы 4, объединяются во входном плече разветвителя интегрально-оптической схемы 4 и, пройдя далее входной X-разветвитель 2, поступают на фотоприемник 3, где интерферируют.
ф
excess.
Выходной сигнал фотоприемника 3 содержит интерференционную полезную составляющую Р, а также общую с выходным сигналом фотоприемника 11 шумовую составляющую U
ф
Интерференционная составляющая Р выходного сигнала фотоприемника 3 определяется выражением:
,
где А - коэффициент преобразования фотоприемника;
0
P - средняя мощность интерферирующих на фотоприемнике волн;
s
ϕ - разность фаз, обусловленная эффектом Саньяка;
к
ϕ - компенсирующая разность фаз, вносимая фазовым модулятором интегрально-оптической схемы.
excess
Общая для фотоприемников 3 и 11 шумовая составляющая U (величина среднеквадратичного шумового напряжения на выходе фотоприемника) описывается выражением:
,
где Δf - полоса пропускания фотоприемника 3;
с - скорость света;
λ - длина волны источника света;
Δλ - ширина спектра источника света;
Р - мощность оптического излучения источника широкополосного оптического излучения;
η - квантовая эффективность фотоприемника;
R - величина сопротивления, задающего коэффициент усиления в фотоприемнике.
Как видно из приведенного выражения, избыточный шум, обусловленный источником 1 широкополосного оптического излучения, прямо пропорционально зависит от мощности оптического излучения и является мультипликативным.
ф
excess
Выходной сигнал фотоприемника 3, содержащий рассмотренные составляющие Р и U, оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе 7 и поступает на первый вход блока 8 деления, на второй вход которого поступает, как указано выше, выходной сигнал фотоприемника 11, оцифрованный в аналого-цифровом преобразователе 12 и задержанный на время τ с помощью блока 13 задержки.
Время τ, на которое задерживается сигнал в блоке 13 задержки, равно времени пробега света по оптическому волокну 6 чувствительной катушки 5. За счет этого сигнал, поступающий на второй вход блока 8 деления, приводится во временное соответствие с сигналом, поступающим на первый вход блока 8 деления.
T
T
T
0
T
0
Исходя из времени пробега света по оптическому волокну 6 чувствительной катушки 5 выбирается частота f взятия отсчетов (тактовая частота) в аналого-цифровых преобразователях 7 и 12, а именно f=1/τ. Тактовая частота f и частота модуляции выходного сигнала электронного блока 9 обработки информации f связаны между собой соотношением f=2f. Формирование сигнала тактовой частоты может быть осуществлено путем удвоения частоты выходного сигнала опорного генератора, входящего в состав электронного блока 9 обработки информации и задающего частоту модуляции.
s
к
В блоке 8 деления осуществляется деление сигнала, поступающего на его первый вход (т.е. преобразованного выходного сигнала фотоприемника 3, характеризующего результат интерференции), на сигнал, поступающий на его второй вход (т.е. на преобразованный выходной сигнал фотоприемника 11, характеризующий текущий уровень оптической мощности источника 1 широкополосного оптического излучения). Поскольку уровень избыточного шума на выходе фотоприемника 3 прямо пропорционально зависит от поступающей оптической мощности, определяемой оптической мощностью источника 1 широкополосного оптического излучения, то указанное деление позволяет уменьшить избыточный шум в выходном сигнале блока 8 деления (в идеале, при идентичности фотоприемников 3 и 11 и аналого-цифровых преобразователей 7 и 12, - полностью исключить избыточный шум). В результате с выхода блока 8 деления снимается сигнал, представляющий собой очищенную от избыточного шума интерференционную составляющую, несущую информацию о разности фаз (ϕ-ϕ).
Эффект компенсации избыточного шума, получаемый в результате деления указанных сигналов в блоке 8 деления, можно пояснить следующим образом.
source
Оптический сигнал, поступающий на фотоприемник 11 (P), при условии, что избыточный шум источника 1 широкополосного оптического излучения является доминирующим, можно представить выражением:
,
0
где P - среднее значение оптической мощности источника 1 широкополосного оптического излучения;
source
n(t) - мультипликативный избыточный шум, а выходной сигнал фотоприемника 11, задержанный на время τ с помощью блока 13 задержки (U), можно представить выражением:
,
11
где η - квантовая эффективность фотоприемника 11;
11
R - величина сопротивления, задающего коэффициент усиления в фотоприемнике 11.
FOG
Оптический сигнал, прошедший чувствительную катушку 5 и поступивший на фотоприемник 3 (P), можно представить выражением:
,
0
где P - среднее значение оптической мощности источника 1 широкополосного оптического излучения;
s(t) - сигнал скорости вращения волоконно-оптического гироскопа;
n(t) - мультипликативный избыточный шум;
α - оптические потери в волоконно-оптическом гироскопе;
FOG
τ - время пробега света по оптическому волокну 6 чувствительной катушки 5, а выходной сигнал фотоприемника 3 (U) можно представить выражением:
,
3
где η - квантовая эффективность фотоприемника 3;
3
R - величина сопротивления, задающего коэффициент усиления в фотоприемнике 3.
3
11
3
11
FOG
source
При условии равенства η=η и R=R в результате деления сигнала U(t) на сигнал U(t-τ) блоком 8 деления формируется сигнал, который можно представить выражением:
.
Анализ этого выражения показывает, что в выходном сигнале блока 8 деления присутствуют составляющие s(t) и α, определяемые скоростью вращения и оптическими потерями волоконно-оптического гироскопа, и отсутствует шумовая компонента n(t), обусловленная мультипликативным избыточным шумом источника 1 широкополосного оптического излучения.
Далее работа заявляемого волоконно-оптического гироскопа осуществляется аналогично рассмотренной выше работе гироскопа-прототипа.
comp
s
к
к
s
Выходной сигнал блока 8 деления (U), очищенный от шумовой компоненты n(t), обусловленной избыточным шумом источника 1 широкополосного оптического излучения, поступает на вход электронного блока 9 обработки сигнала, где демодулируется с получением сигнала ошибки, характеризующего разность фаз (ϕ-ϕ). Сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, величина которого определяет скорость нарастания во времени формируемого в электронном блоке 9 обработки информации ступенчатого пилообразного сигнала и, соответственно, величину фазового сдвига ϕ, вносимого фазовым модулятором интегрально-оптической схемы 4 в целях компенсации разности фаз Саньяка ϕ. Ступенчатый пилообразный сигнал, формируемый в электронном блоке 9 обработки информации, дополнительно модулируется прямоугольными импульсами, образуя выходной управляющий сигнал электронного блока 9 обработки информации, который подается на управляющий вход фазового модулятора интегрально-оптической схемы 4 для осуществления необходимой компенсации разности фаз Саньяка.
к
s
s
к
Величина управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, определяющая скорость нарастания во времени формируемого ступенчатого пилообразного сигнала, меняется до тех пор, пока компенсирующий фазовый сдвиг ϕ, вносимый фазовым модулятором интегрально-оптической схемы 4, не сравняется с разностью фаз Саньяка ϕ, обусловленной вращением чувствительной катушки 5 вокруг оси, нормальной к ее плоскости, т.е. ϕ=ϕ.
В результате, в установившемся режиме величина управляющего сигнала компенсирующей обратной связи, определяющая наклон ступенчатого пилообразного сигнала (скорость его нарастания во времени), содержит в себе информацию о величине угловой скорости Ω вращения чувствительной катушки 5. При этом, в отличие от прототипа, эта информация не искажена шумовой компонентой, обусловленной избыточным шумом источника 1 широкополосного оптического излучения.
Управляющий сигнал компенсирующей обратной связи, несущий информацию о величине угловой скорости Ω вращения чувствительной катушки 5, преобразуется к виду, удобному для дальнейшего использования, и поступает на информационный выход электронного блока 9 обработки информации (информационный выход волоконно-оптического гироскопа).
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в разработке волоконно-оптического гироскопа, в котором за счет предложенных схемотехнических мер обеспечивается уменьшение влияния на выходной информационный сигнал гироскопа избыточного шума, обусловленного источником широкополосного оптического излучения.
Источники информации
1. RU 2194245 С2, G01B 9/02, G01C 19/72, опубл. 10.12.2002.
2. RU 2246097 С2, G01B 9/02, опубл. 10.02.2005.
3. RU 2343417 С1, G01C 19/72, опубл. 10.01.2009.
4. WO 01/71284 А2, G01C 19/00, опубл. 27.09.2001.
5. US 5351123, G01C 19/72, опубл. 27.09.1994.
6. US 5473430, G01C 19/72, опубл. 05.12.1995.
7. US 5684591, G01C 19/64, опубл. 04.11.1997.
8. RU 2176803 С2, G02B 6/125, G02B 6/134, опубл. 10.12.2001.
9. US 2009/0059237 A1, G01C 19/72, опубл. 05.03.2009.