Волоконно-оптические гироскопы (обзор)

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ

С.Л. Горохов

В обзоре рассматриваются основные схемы волоконно-оптических гироскопов. Проводится классификация и анализ различных схем с точки зрения их применимости в различных областях.

Введение

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), впервые реализованный в 1976 г., прошел более чем двадцатилетний этап развития в лабораторных условиях. Серийное производство и применение было начато только в последнее десятилетие. Основными преимуществами ВОГ являются их малый вес, низкое энергопотребление, высокая точность и быстрая готовность к работе, а также стойкость к большим перегрузкам и долгий срок службы.

На начальном этапе основным сдерживающим фактором являлось несовершенство компонентов ВОГ, главным образом волокна. По мере совершенствования волокна решающее значение стали приобретать параметры источников света (ИС), фотоприемников (ФП), делителей, а также способы обработки сигналов и методы производства ВОГ. К настоящему времени причины возникновения ошибок и паразитных сигналов в ВОГ достаточно полно изучены. Сейчас актуальная задача разработчиков - поиск методов компенсации сигналов, не связанных с вращением, что приведет к увеличению точности и стабильности показаний ВОГ. Параллельная задача состоит в миниатюризации и снижении стоимости конечного продукта. В множестве обзоров по данной тематике либо рассматриваются общие вопросы достижения наилучших параметров гироскопов, либо делается акцент на применении тех или иных компонентов и схемных решений при их построении. Цель данного обзора - обобщить и классифицировать различные схемы ВОГ и методы обработки сигналов в них.

Классификация ВОГ

В первую очередь ВОГ делятся по классу точности (табл. 1).

Класс точности Дрейф, гр/ч Диапазон скоростей вращения, об/мин

1 инерционный <0.01 <10

2 тактический 0.1-10 10-100

3 скоростной 10-100 Более 100

Таблица 1. Классы точности ВОГ

ВОГ

Рис. 1. Классификация ВОГ

Далее ВОГ можно классифицировать по наличию или отсутствию фазовой модуляции (ФМ), по режиму работы (закрытый, открытый циклы), по используемым компонентам (пьезомодулятор (ПМ) или интегрально-оптическая схема (ИОС); суперлюминесцентный (СЛД) или волоконный эрбиевый источник света (ВИС)), а также по степени поляризации распространяющихся в волокне световых волн (поляризованный, деполяризованный). Возможные варианты классификации ВОГ представлены на рис. 1.

Открытые схемы ВОГ

Рассмотрение различных схем построения ВОГ удобно начать со схемы, показанной на рис. 2, в волоконном исполнении.

Сенсорная спираль

Лазерный диод

Рис. 2. Минимальная оптическая схема ВОГ

Здесь используется фазовый модулятор (ФМ), который необходим для максимизации чувствительности ВОГ при скоростях вращения, близких к нулю, и представляет из себя пьезокерамический цилиндрик, на который наматывается часть волокна. Задача фазовой модуляции состоит в переносе рабочей точки на крутой, почти линейный участок характеристики. Для решения задачи необходимо внести невзаимный фазовый сдвиг между двумя волнами, распространяющимися по контуру в противоположных направлениях, на л/2. Модуляция осуществляется как прямоугольным (рис. 3) так и синусоидальным (рис.4, б, в) сигналом.

В пьезомодуляторе относительный сдвиг фаз встречно идущих волн осуществляется путем растяжения волокна, намотанного на пьезокерамический цилиндр, при подаче напряжения на последний. В случае применения ИОС используется зависимость показателя преломления кристаллического волновода (LiNbO3) от приложенного напряжения. Так как модулятор одинаково воздействует на волны встречных направлений, то невзаимный сдвиг осуществляется за счет его несимметричного расположения. Таким образом, одна волна проходит модулятор сразу после разделения, а другая - через время Т = Ln/c, где L - длина волокна в катушке, n - показатель преломления волновода, с - скорость света. Величина F = 1/2Г является собственной частотой интерферометра. Модуляция по фазе (-л/2; л/2) происходит с частотой Г/2. Частота модуляции должна быть равной F для уменьшения влияния асимметрии модулирующего сигнала.

Как известно, производители применяют и синусоидальную модуляцию. Относительная разница фаз встречных волн при этом составит величину TQ.M, где QM -круговая частота модуляции. Сигнал интерференции равен

1 + cos

I = I

Ф3 + 2ФМ sin

^i Sin Jn Mt +

П T

M

2

2

где Фм - амплитуда модуляции, I - время, 10 - интенсивность света источника, Фц - фаза Саньяка.

Выражение (1) раскладывается по гармоникам частот модуляции с помощью функции Бесселя:

I = 2I

(

1+J

2ФМ sin

nMT

2 0

f

cos Ф8 + 4IJ

2ФМ sin

nMT). .

I sin Ф8 cos

Пм It - T

2 0

+.....,

где 31 - функции Бесселя соответствующего порядка. Для получения сигнала вращения используют первую гармонику, которая зависит от бшФ^ и меняет знак при смене направления вращения. Амплитуда модуляции выбирается в соответствии с максимальным значением функции Бесселя, т.е. Фж=1.85 рад.

а

п 1 1 I 1

—7Г Л tf>S

i_(2Qm) о

<1>S =

Рис. 4. Принцип синусоидальной модуляции

По описанной схеме НПФ «Физоптика» производит ВОГ, которые применяются для контроля движения и стабилизации автоматических систем. Эти гироскопы относятся ко второму и третьему классу точности, выполнены по безразрывной технологии и имеют такие преимущества, как миниатюрность, легкость (от 40 г) и низкое энергопотребление (>1 Вт). Наиболее точный ВОГ этого семейства имеет точность 0.3-1 гр/ч. В данной конструкции используется волокно с сохранением поляризации. В настоящее время проводятся попытки достижения точности на уровне 0.1 гр/ч, что является пределом точности для открытых систем.

Закрытая конфигурация

Выходной сигнал открытого ВОГ обладает большой нелинейностью, фоновыми шумами, зависит от чувствительности фотодетектора и изменения средней длины волны излучения. Поэтому для расширения динамического диапазона и увеличения точности прибора предпочтительнее использовать закрытые схемы ВОГ. Принцип работы такой схемы представлен на рис. 4г и рис. 5. Здесь наряду с высокочастотной синусоидальной модуляцией Йм1 производится и низкочастотная модуляция меандровым сигналом йм2, причем в приемном устройстве один полупериод сигнала меандра отсекается. Измерение значения вращения производится при обращении сигнала первой гармоники в ноль. Это происходит при Фя=ФМ2. Закрытая схема обеспечивает линейный отклик с хорошей стабильностью, так как обратная связь не зависит от отраженной оптической мощности и усиления схемы детектирования.

Цикл запускается сигналом пилообразной формы и постоянной амплитуды. Этот пилообразный сигнал осуществляет оптический сдвиг фазы между световыми волнами, чтобы восстановить сенсор в состояние, когда сдвиг фаз соответствует нулевой скорости вращения. Существуют три метода закрытия фазы. Это цифровой фазовый шаг (рис. 7), пилообразный сигнал фазы и двойной пилообразный сигнал (рис. 6).

Рис. 6. Двойной пилообразный сигнал

Рис. 7. Цифровой фазовый шаг

Поляризовованные и деполяризованные конструкции ВОГ

В настоящее время точные ВОГ, выпускаемые в промышленных масштабах, используют волокно с сохранением поляризации (ВСП). Но можно работать и с деполяризованным светом. Как показывает практика Honewell, ВОГ, работающий на деполяризованном свете, не уступает по своим характеристикам гироскопу на ВСП.

Наибольшая ошибка в ВОГ с деполяризацией (ДВОГ) - невырожденная поляризация, которая уменьшает устойчивость смещения. Вторая по значению ошибка появляется из-за влияния магнитного поля. В волокне распространяются волны с различными поляризациями, что делает ДВОГ чувствительным к эффекту Фарадея. В ВОГ с сохранением поляризации (ПВОГ) свет, в основном, имеет линейную поляризацию, и эффект Фарадея проявляется вследствие остаточной эллиптичности вектора поляризации. Максимальная чувствительность ДВОГ к магнитному полю составляет величину 0.0005 град/ч/Гаусс. Показано, что для достижения лучших характеристик деполяризаторы необходимо устанавливать на обоих концах катушки, что уменьшает магнитную и температурную чувствительность. Применение только одного деполяризатора уменьшает устойчивость смещения до 100 раз.

Основной источник ошибок в ДВОГ - дефекты волокна, которые вызывают невзаимные двулучепреломления. Для подавления влияния невзаимного случайного дву-лучепреломления необходим деполяризатор достаточной длины, сращенный относительно оси линейной анизотропии точно под углом 45°. Максимальная точность сра-

щивания составляет 0.5°. При такой точности свет оказывается деполяризован на 96.6%. Устойчивость смещения ДВОГ при этом составила 0.005 град/ч. Случайный шум в ДВОГ в среднем на 17% выше, чем в аналогичном ПВОГ. Его можно уменьшить за счет увеличения глубины модуляции.

Флуктуации коэффициента масштабирования в значительной степени зависят от флуктуации поляризации в волокне. Значение сигнала интерференции зависит от относительной ориентации поляризаций. В худшем случае оба луча попадут на фотодетектор во взаимно ортогональных поляризациях и погасят друг друга (так называемый фединг сигнала). Для предотвращения этого явления на входе и выходе чувствительной катушки ставятся деполяризаторы. Они квазислучайно и равномерно раскладывают свет по всем возможным состояниям поляризации. Эффективность деполяризации увеличивается при использовании ИС с широким спектром.

ВОГ с суперлюминесцентными или волоконными эрбиевыми источниками света

Разность хода лучей, обусловленная эффектом Саньяка, мала. Поэтому в ВОГ можно использовать источник с длиной когерентности, лишь немного большей разницы хода лучей. Это устранит влияние большей части отраженного и рассеянного света. Источник с низкой когерентностью ухудшает интерференцию из-за большой разницы длин оптического пути между светом обратного релеевского рассеяния и светом сигнала. Показано, что для регистрации вращения со скоростью 0,1 град/ч длина когерентности составляет величину порядка нескольких микрометров. Для примера: Не-Ые лазер имеет длину когерентности Ьс = 6-30 см, у СЛД - примерно 5-50 мкм, у волоконных источников света (ВИС) Ьс = 60-200 мкм.

В приборах средней точности применяют обычно СЛД на длине волны 820 нм, что обосновывается их дешевизной, надежностью и повторяемостью характеристик. Недостатком СЛД можно считать высокую зависимость средней длины волны от температуры. Поэтому модуль с таким источником света содержит датчик температуры и элемент Пельтье. Мощность, вводимая в волокно таким СЛД, составляет 0.5-3 мВт.

По сравнению с СЛД ВИС имеют некоторые преимущества. ВИС может вводить в волокно мощность до 100 мВт и более (типично 5 мВт), имеет больший рабочий ресурс, длина волны излучения Х=1.55 мкм, что соответствует минимальным потерям в волокне, стабильность средней длины волны примерно в 50 раз лучше, чем у СЛД. Из недостатков стоит отметить большой избыточный шум интенсивности, который сильно влияет на пороговую чувствительность.

Трехосные гироскопы

Для контроля параметров движения в трехмерном пространстве необходимо три гироскопа. Первоначально использовалась схема с одним ИС (СЛД), мощности которого хватало для параллельного подключения трех гироскопов. Затем перешли к схеме объединения с использованием одного общего приемника и ИС (рис. 9). В такой топологии необходимо разделение каналов, которое можно реализовать двумя способами.

Частотное разделение реализуется путем работы каждого ВОГ на своей частоте модуляции. Преимущества здесь состоят в возможности непрерывного получения данных со всех осей. Однако требуется хорошее подавление перекрестной помехи между непрерывной модуляцией и схемами детектирования.

Временное разделение позволяет использовать единую схему обработки сигнала для всех осей. Оно может реализоваться на оптических переключателях, которые направляют свет в нужный гироскоп, но предпочтительнее использовать электрическое переключение фазовой модуляции. При этом в каждый момент времени функциониру-

ет только тот гироскоп, на интегральную оптическую схему которого подается фазовая модуляция.

Заключение

Область применения ВОГ весьма обширна. Гироскопы второго и третьего класса точности находят применение в авионике, робототехнике, автомобилестроении. В таких ВОГ применяют СЛД на длине волны 0.85 мкм, анизотропное волокно длиной 200500 м, пъезомодулятор и несложную схему управления. При этом достигаются малые габариты, вес и стоимость изделия.

ВОГ навигационного класса строятся исключительно по замкнутой схеме с применением ИС с длиной волны 1.55 мкм. Для более точных систем используют эрбиевые волоконные ИС. В настоящее время максимальные точности достигнуты в гироскопах, построенных по минимальной схеме с применением волокна с сохранением поляризации. Хороших результатов можно достигнуть и с одномодовым изотропным волокном. Но при этом необходимо выдерживать жесткие требования по точности изготовления и относительной юстировке всех оптических компонентов. Также требуются изощренные алгоритмы для выделения и фильтрации ошибочных сигналов. Для морской навигации требуется точность не хуже 0.01 град/ч. Для реализации такой точности за основу берется минимальная схема, где применяется ВИС, ИОС со встроенным поляризатором, одномодовое волокно типа PANDA, длиной около 1000 м, и фотоприемник с малым темновым током.

Литература

1. Малыкин Г.Б., Андронова И.А. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка. // УФН. 2002. 172. № 8.

2. Алексеев Э.И., Базаров E.H., Баранников ЮЛ., Гапонцев Губин В.П., В.П., Самар-цев Н.Э., Старостин Н.И. Волоконно-оптический гироскоп с подавлением избыточного шума источника излучения. // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. №18.

3. Алексеев Э.И., Базаров Е.Н. Компенсация паразитной поляризационной модуляции в волоконно-оптическом гироскопе. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. №15.

4. Алексеев Э.И., Базаров Е.Н. Компенсация избыточного шума в волоконно-оптическом гироскопе с ответвителем типа 3*3. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, №15.

5. Алексеев Э.И., Базаров Е.Н. Интерферометрия белого света с деполяризацией излучения. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. №14.

6. Малыкин Г.Б., Позднякова В.И., Шерешевский А.И. Предельная степень поляризации немонохроматического излучения, распространяющегося в волоконном световоде со случайными неоднородностями. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. №7.

7. Губин В.П., Коваленко В.Г., Сазонов А.И., Старостин НИ. Пьезоволоконный фазовый модулятор света с пониженным уровнем поляризационной модуляции. // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. №7.

8. Алексеев Э.И., Базаров Е.Н., Баранников Ю.А. Избыточный шум ER/YB волоконного суперфлуоресцентного источника излучения. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. №23.

9. Галкин С.Л. и др. Волоконная оптика и приборостроение. Л.: Машиностроение. 1987.

10. Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп. М. Радио и связь, 1987.

11. Loukianov D.P. Laser and fiber-optic gyros.The status and tendencies of development. 6th St-Petersburg international conference on integrated navigation systems. St-Petersburg. May 1999.

12. Optical gyros and their application RTO-AG-339. May 1999.

13. D.A.Tazartes & J.G. Mark. A survey of optical gyroscopes. The 2-th St-Petersburg international conference of gyroscopic technology and navigation. St-Petersburg, May 1995.

14. Волоконно-оптические датчики угловой скорости компании «оптолинк». www.optolink.ru.