ЛАЗЕРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ С ОБЪЕМНОЙ ФУРЬЕ-ГОЛОГРАММОЙ
LASER FIBRE-OPTIC ANGULAR VELOCITY SENSOR WITH THREE-DIMENSIONAL FOURIER HOLOGRAM

Изобретение относится к области приборостроения - лазерным датчикам угловой скорости, применяемым в навигационных системах, и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах на основе эффекта Саньяка.
Известен датчик угловой скорости на основе оптического гироскопа с кольцевым резонатором пассивного типа (Волоконно-оптические датчики/Т.Окоси, К.Окамото, М.Оцу и др.; Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.: ил.), представляющий собой интерферометр Фабри - Перо, работающий на основе использования эффекта Саньяка и содержащий источник света, расщепитель луча, три поворотных зеркала, светоприемное устройство.
Существенные признаки, общие с заявляемым устройством: источник света (в заявляемом устройстве - источник когерентного оптического излучения), расщепитель луча.
Датчик имеет следующие недостатки:
- высокие пространственные частоты информационного изображения в плоскости светоприемного устройства, что усложняет обработку сигнала;
- низкий процент концентрации энергии светового потока оптического излучателя в области измерений, что ограничивает пороговую чувствительность и точность измерений.
Известен датчик угловой скорости на основе волоконно-оптического гироскопа с длинным одномодовым оптическим волокном (Волоконно-оптические датчики/Т.Окоси, К.Окамото, М.Оцу и др.; Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.: ил.), содержащий источник света, схему повышения стабильности нулевой точки, расщепитель луча, линзы, кольцо из одномодового оптического волокна, светоприемное устройство. При этом схема повышения стабильности нулевой точки содержит расщепитель луча, линзы, пространственный волоконный фильтр моды, поляризатор и светоприемное устройство.
Существенные признаки, общие с заявляемым устройством, следующие: источник света (в заявляемом устройстве - источник когерентного оптического излучения), расщепитель луча, кольцевое одномодовое оптическое волокно.
Датчик имеет следующие недостатки:
- нечувствительность к очень малым поворотам;
- высокие пространственные частоты информационного изображения в плоскости светоприемного устройства, что усложняет обработку сигнала;
- низкий процент концентрации энергии светового потока оптического излучателя в области измерений, что ограничивает пороговую чувствительность и точность измерений.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является датчик угловой скорости на основе волоконно-оптического гироскопа с длинным одномодовым оптическим волокном (Валерий Жижин. Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного применения // Электронные компоненты, №12, 2010), содержащий лазер, разделительную оптическую пластину, оптические линзы, кольцевое одномодовое оптическое волокно, фотоприемник, которые связаны оптически, и блок обработки сигнала, электрически связанный с фотоприемником, причем все элементы конструкции размещены последовательно.
Существенные признаки, общие с заявляемым устройством, следующие: лазер (в заявляемом устройстве - источник когерентного оптического излучения), разделительная оптическая пластина (в заявляемом устройстве - расщепитель луча), кольцевое одномодовое оптическое волокно, представляющие собой оптическую систему, фотоприемник, блок обработки сигнала, электрически связанный с фотоприемником, причем все элементы конструкции размещены последовательно.
Датчик имеет следующие недостатки:
- высокие пространственные частоты информационного изображения в плоскости светоприемного устройства, что усложняет обработку сигнала;
- низкий процент концентрации энергии светового потока оптического излучателя в области измерений, что ограничивает пороговую чувствительность и точность измерений.
Технический результат, реализуемый предлагаемым устройством, заключается в возможности формирования низких пространственных частот информационного изображения на входной плоскости фотоприемника, что упрощает съем информации и обработку сигнала об угловой скорости объекта измерений, и, кроме того, в повышении пороговой чувствительности измерения угловой скорости.
Для достижения технического результата в лазерный волоконно-оптический датчик угловой скорости с объемной фурье-голограммой, содержащий последовательно размещенные и оптически связанные источник когерентного оптического излучения, расщепитель луча, кольцевое одномодовое оптическое волокно, фотоприемник и электрически связанный с фотоприемником блок обработки сигнала, в схему перед фотоприемником включены последовательно расположенные оптический объектив и фотопластинка с объемной фурье-голограммой, экспонированной по закону:
0≤sinQ<d/h, (1)
где d<h;
Q - угол между фотопластинкой с объемной фурье-голограммой и отражателем, установленным за ней в процессе экспонирования;
h - расстояние по нормали от точечного источника когерентного оптического излучения до плоскости эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой;
d - расстояние между плоскостью эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой и отражателем вдоль нормали от точечного источника когерентного оптического излучения до плоскости эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой. (Звездина М.Ю., Прыгунов А.Г., Трепачев В.В., Прыгунов А.А., Самоделов А.Н. Исследование условий экспонирования эталонной голограммы голографического интерферометра // Физические основы приборостроения, 2012. Том 1. №2, ISSN: 2225-4293, М.: НТЦ УП РАН. - с. 65-72.)
Сущность изобретения состоит в том, что предлагается лазерный волоконно-оптический датчик угловой скорости с объемной фурье-голограммой, содержащий последовательно размещенные и оптически связанные источник когерентного оптического излучения, расщепитель луча, кольцевое одномодовое оптическое волокно, оптический объектив, фотопластинку с объемной фурье-голограммой, фотоприемник и блок обработки сигнала, электрически связанный с фотоприемником. При этом источник когерентного оптического излучения, расщепитель луча, кольцевое одномодовое оптическое волокно, оптический объектив, фотопластинка с объемной фурье-голограммой и фотоприемник образуют оптическую систему. Формируемое источником когерентное оптическое излучение через расщепитель луча вводится в кольцевое одномодовое оптическое волокно с двух концов этого волокна и распространяется в нем во встречных направлениях. При вращении оптической системы с угловой скоростью относительно нормали к плоскости кольцевого одномодового оптического волокна из-за разности времен достижения расщепителя луча встречными световыми потоками, распространяющимися в кольцевом одномодовом оптическом волокне, между этими световыми потоками возникает разность фаз. Встречные световые потоки с каждого из двух выходов кольцевого одномодового оптического волокна направляются оптическим объективом в плоскость эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой, дифрагируют от этой голограммы и направляются на входную плоскость фотоприемника, формируя в этой плоскости интерферограмму. При этом фотопластинка с объемной фурье-голограммой обеспечивает возможность формирования во входной плоскости фотоприемника интерферограммы с низкими пространственными частотами и обеспечивает концентрацию в центральной части этой интерферограммы максимума энергии интерферирующих световых потоков. Угловая скорость вращения оптической системы с кольцевым одномодовым оптическим волокном определяется на основе измерения и анализа параметров интерферограммы в плоскости фотоприемника, которые обусловлены угловой скоростью вращения оптической системы.
На фиг.1 представлена схема лазерного волоконно-оптического датчика угловой скорости с объемной фурье-голограммой, на которой использованы следующие обозначения: 1 - источник когерентного оптического излучения; 2 - расщепитель луча; 3 - кольцевое одномодовое оптическое волокно; 4 - оптический объектив, 5 - фотопластинка с объемной фурье-голограммой; 6 - фотоприемник; 7 - блок обработки сигнала; Ω - угловая скорость; стрелки на оптическом волокне и на линиях, соединяющих элементы схемы 1÷6, показывают направления распространения световых потоков, а сами элементы схемы 1÷6 образуют оптическую систему.
Оптическая схема экспонирования объемной фурье-голограммы представлена на фиг.2. На фиг.2 использованы следующие обозначения: 8 - точечный источник когерентного оптического излучения S; 5 - фотопластинка с объемной фурье-голограммой; 9 - отражатель; 10-10' - стрелки, показывающие направление светового потока, падающего на фотопластинку с объемной фурье-голограммой (5); 11-11' - стрелки, показывающие направление светового потока, прошедшего через фотопластинку с объемной фурье-голограммой (5), отраженного отражателем (9) и направляемого им в плоскость эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5); Q - угол между фотопластинкой с объемной фурье-голограммой (5) и отражателем (9); z - оптическая ось светового потока от точечного источника когерентного оптического излучения S (8), перпендикулярная плоскости фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5); h - расстояние от точечного источника когерентного оптического излучения S (8) до плоскости эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5) вдоль оптической оси z; d - расстояние между плоскостью эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5) и отражателем (9) вдоль оптической оси z.
В качестве точечного источника когерентного оптического излучения S (8) используется точка фокусировки светового потока от источника когерентного оптического излучения (1) оптическим объективом (4). При экспонировании фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5) выполняется условие, определяемое выражением (1).
В качестве расщепителя луча (2) могут быть использованы светоделительная пластина, светоделительное зеркало, светоделительная призма или светоделительный куб с устройствами ввода светового потока в оптическое волокно и вывода из него. В качестве расщепителя луча также может быть использована оптическая интегральная схема, предназначенная для волоконно-оптического гироскопа, имеющая устройства ввода светового потока в оптическое волокно и вывода светового потока из него, а также имеющая оптические ответвители (Волоконно-оптические датчики/Т.Окоси, К.Окамото, М.Оцу и др.; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.: ил.).
В качестве кольцевого одномодового оптического волокна (3) могут быть использованы кольцо или катушка из одномодового оптического волокна.
В качестве оптического объектива (4) могут быть использованы оптические элементы, фокусирующие или рассеивающие световой поток, или коллиматор.
В качестве фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5) может быть использована отражательная фурье-голограмма, экспонированная по оптической схеме, представленной на фиг.2, при выполнении условия, определяемого выражением (1). Выполнение условия (1) позволяет в процессе экспонирования сформировать в эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5) отражательные страты в виде совокупности "вложенных" друг в друга усеченных гиперболоидов (Вьено Ж.-Ш., Смигульский П., Руайе А. Оптическая голография / Развитие и применение/ Пер. с французского канд. физ.-мат. наук С.И.Балашовой. Под ред. чл.-корр. АН СССР Ю.Н.Денисюка. - М.: Мир. 1973. - 211 с.), сечения которых в плоскости эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5) имеют круговую (если при экспонировании выполнялось условие sin Q=0) или эллиптическую (если при экспонировании выполнялось условие 0<sin Q<d/h) форму.
В качестве фотоприемника (6) могут быть использованы матрица фоточувствительных элементов, отдельные дискретные фотоприемники и другие фоточувствительные приборы.
В качестве блока обработки сигнала (7) для обработки сигналов, поступающих от фотоприемника (6), могут быть использованы микроконтроллеры (например, шестнадцатибитный микроконтроллер MSP430F163) или устройство обработки сигнала, выполненное на основе отдельных электронных элементов.
Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Световой поток от источника когерентного оптического излучения (1) направляется на расщепитель луча (2) и через размещенные в нем устройства ввода направляется в кольцевое одномодовое оптическое волокно (3) по встречным оптическим путям. Встречные световые потоки, прошедшие через кольцевое одномодовое оптическое волокно (3), с его выходов (входов) направляются расщепителем луча (2) на вход оптического объектива (4). Оптический объектив (4) формирует на своем выходе суммарный световой поток, состоящий из двух световых потоков, каждый из которых имеет определенные размеры его поперечного сечения и кривизну его волнового фронта. Каждый из этих двух световых потоков в составе суммарного светового потока с выхода оптического объектива (4) падает на фотопластинку с объемной фурье-голограммой (5) и дифрагирует от нее в направлении на входную плоскость фотоприемника (6). Необходимо отметить, что для фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5), экспонированной при выполнении условия 0<sinQ<d/h (фиг.2), реконструированные этой голограммой световые потоки имеют дополнительный угол поворота относительно направления зеркального отражения, обусловленный формой страт и разностью оптических плотностей окружающей среды и материала эмульсии фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5). На входной плоскости фотоприемника (6) падающие на нее два световых потока от фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5) интерферируют и при наличии оптической разности хода между ними формируют интерференционную картину в виде темных и светлых полос света круговой или эллиптической формы, в зависимости от значения угла Q при экспонировании (фиг.2), а также в зависимости от взаимного пространственного положения входной плоскости фотоприемника (6) и фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5). При вращении в инерциальном пространстве оптической системы лазерного волоконно-оптического датчика угловой скорости с объемной фурье-голограммой с угловой скоростью Ω (фиг.1) между световыми волнами, распространяющимися по кольцевому одномодовому оптическому волокну (3) во встречных направлениях, возникает разность фаз, пропорциональная угловой скорости Ω, обусловленная эффектом Саньяка. Это значит, что появляется эта же разность фаз в световых потоках на выходе расщепителя луча (2), на выходе оптического объектива (4), и в световых потоках на входной плоскости фотоприемника (6), дифрагировавших от отражательной голограммы, экспонированной на фотопластинке с отражательной фурье-голограммой (5). Изменение разности фаз световых потоков, падающих на входную плоскость фотоприемника (6), приводит к изменению параметров интерферограммы, формируемой ими в этой плоскости. Электрические сигналы с выходов отдельных фоточувствительных элементов фотоприемника (6), соответствующие освещенности этих элементов, поступают на вход блока обработки сигнала (7). Анализ этих электрических сигналов, соответствующих распределению интенсивности суммарного светового потока в плоскости интерферограммы, формируемой на входной плоскости фотоприемника (6), позволяет определить численное значение угловой скорости Ω (фиг.1).
Размеры поперечного сечения и кривизна волнового фронта каждого из двух световых потоков на выходе оптического объектива (4) задаются из условия получения таких геометрических параметров интерферограммы на входной плоскости фотоприемника (6), которые обеспечивают наибольшее удобство ее анализа и с учетом получения наибольшей пороговой чувствительности лазерного волоконно-оптического датчика угловой скорости с объемной фурье-голограммой.
В отличие от известных схем оптических интерферометров (Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа. 1985. - 351 с.; Батраков А.С, Бутусов М.М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы/ Под редакцией Д.П. Лукьянова. - М.: Радио и связь. 1981. - с. 456) на входной плоскости фотоприемника (6) на фиг.1 может быть сформирована интерферограмма с низкими пространственными частотами (Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемещений объектов на основе анализа волновых фронтов оптического поля с использованием эталонных голограмм/Оптика атмосферы и океана. Т.8. №6. 1995. с. 826-830), что позволяет получить заявляемый технический результат - упрощает съем информации и обработку сигнала об угловой скорости объекта измерений, позволяя обойтись без дополнительных оптических элементов при согласовании размеров интерференционных полос с размерами фоточувствительных элементов фотоприемника (6).
Отметим, что интерференционное кольцо нулевого порядка, обеспечивающее максимальную чувствительность измерений, находится в центре интерферограммы, формируемой на входной плоскости фотоприемника (6). В силу особенностей дифракции света на объемной фурье-голограмме (Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.; Д.А.Безуглов, А.Г.Прыгунов, В.В.Трепачев. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространственно-спектральным методом // Автометрия СО РАН №5, 1998, с. 27-37) в центральной части интерферограммы, формируемой двумя световыми потоками, дифрагировавшими от такой голограммы, наблюдается максимум энергии светового потока, что обеспечивает повышение пороговой чувствительности по сравнению с известными схемами оптических интерферометров (Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с., Батраков А. С., Бутусов М.М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы/ Под редакцией Д.П.Лукьянова. - М.: Радио и связь, 1981. - 456 с.) и позволяет упростить съем информации.
Голограмма, экспонированная на фотопластинке с объемной фурье-голограммой (5) при соблюдении условия (1), обеспечивает при ее засветке опорным световым потоком реконструкцию оптической волны со сферическим волновым фронтом в области перед голограммой (Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемещений объекта на основе анализа волновых фронтов оптического поля с помощью эталонных голограмм // Оптика атмосферы и океана. Т. 8, № 6, 1995, с. 826-830) и позволяет сконцентрировать порядка 84% энергии реконструированного светового потока в пределах центральной части прожекторной зоны (Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.), а внутри кольца, радиус которого в 1,6 раза больше радиуса центрального пятна, сосредоточено до 90% энергии интерферирующих световых потоков (Приложение 1 к заявке на патент на предполагаемое изобретение). Это позволяет сделать обоснованный вывод о том, что использование оптического объектива (4) и фотопластинки с объемной фурье-голограммой (5) в оптической схеме на фиг.1 обеспечивает получение технического результата - повышение пороговой чувствительности измерения угловой скорости.