Устройство для измерения скорости на основе волоконного интерферометра Саньяка
DEVICE FOR MEASURING THE SPEED ON THE BASIS OF SAGNAC FIBER INTERFEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения линейной скорости на поверхности или внутри движущихся макрообъектов.
Известен ряд способов и устройств бесконтактного измерения скорости макрообъектов, движущихся вне транспортных линий [1-6]. Их преимуществом перед контактными методами (в т. ч. теми, контакт с внешней средой в которых осуществляется посредством электромагнитного излучения) является меньшая зависимость от параметров среды и отсутствие разрушающего воздействия сил трения. Эти способы можно разделить на две группы: 1. использующие явление двигательной ЭДС индукции в проводнике при перемещении во внешнем постоянном магнитном поле [1],[2]; 2. использующие эффект частичного увлечения светового луча, распространяющегося в движущейся прозрачной среде [3-6]. Вторая группа способов более универсальна, т. к. не требует наличия внешнего магнитного поля. Бесконтактные оптические способы измерения скорости не имеют альтернативы при движении объектов в космическом пространстве вне магнитного поля Земли и достаточно сильных магнитных полей других небесных тел. В пределах магнитного поля Земли же они более надёжны по причине зависимости величины двигательной ЭДС индукции от локальных неоднородностей магнитного поля, суточных и часовых вариаций напряжённости магнитного поля при магнитных бурях, а также от угла между направлением движения и направлением напряжённости магнитного поля.
Известно оптическое устройство для измерения скорости с помощью интерферометра Маха-Цендера [3]. Для создания разности фаз интерферирующих лучей при движении в одном из его плеч находится прозрачная среда с показателем преломления большим, чем у воздуха. Известно устройство на базе интерферометра Саньяка с аналогичным способом создания разности фаз [4]. Данные устройства имеют недостатки, присущие классическим интерферометрам, такие как высокая чувствительность к механическим воздействиям, температуре, давлению и влажности, а также сложность юстировки. Для точного измерения скорости требуются большие габариты и масса устройств. Длина интерферометра в [3], например, составляет ~ 1 м. Эти недостатки частично снимаются при использовании волоконных интерферометров. В патенте [5], помимо классических интерференционных схем, описана волоконная схема (см. fig. 12). В ней лучи света от источника проходят два оптических пути. Один луч является опорным и проходит через обмотку оптоволокна, второй- измерительным и проходит через среду, в которой движется интерферометр. Недостатками такой схемы является необходимость вывода излучения в окружающую среду, а также большая длина плеча с измерительным лучом, что, подобно устройствам [3],[4], необходимо для точности измерений.
Наиболее близким по существу заявляемого изобретения является возможная реализация устройства измерения скорости, описанная в п. 0085 патента [6]. Данная реализация основана на принципе работы волоконно-оптического гироскопа (ВОГ). Вместо единого оптического пути интерферирующих лучей в нём предлагается использовать как минимум два пути, образованные отрезками волокон с различной длиной, различным показателем преломления, либо и тем, и другим. Недостатком данной реализации  является низкая чувствительность при компактных размерах интерферометра, а также большее, чем у ВОГ, влияние на выходной сигнал параметров окружающей среды из-за разных оптических путей у пар интерферирующих лучей.
Целью настоящего изобретения является разработка чувствительного, компактного и надёжного устройства для бесконтактного измерения линейной скорости на поверхности или внутри движущихся макрообъектов.
Цель достигают использованием оптической схемы на основе волоконного интерферометра Саньяка с 1-3 чувствительными обмотками композитного оптического волокна. Каждая обмотка состоит из последовательно соединённых отрезков оптоволокна двух видов с отличающимися коэффициентами преломления используемых материалов. В местах соединения отрезков создаются тонкие просветляющие слои для минимизации френелевского отражения и/или прозрачные иммерсионные слои. Отрезки оптоволокна могут быть одномодовыми или многомодовыми, со ступенчатым или градиентным профилем показателя преломления. Количество обмоток определяется числом измеряемых компонент скорости. Обмотки имеют вытянутую форму и фиксируются вдоль измеряемых компонент скорости, во взаимно перпендикулярных направлениях. Отрезки оптоволокна разных видов в каждой обмотке имеют одинаковую длину, равную половине периметра обмотки. Намотка производится сдвоенным оптоволокном таким образом, чтобы с разных сторон от оси симметрии обмотки, параллельной направлению соответствующей компоненты скорости, находилось равное количество отрезков одного вида. Петля на конце каждой обмотки имеет минимально допустимый для используемого оптоволокна радиус кривизны. Двойная намотка необходима для минимизации паразитного сдвига фаз из-за вращения устройства. Для повышения точности измерений при быстром вращении устройства дополнительно используется 1-3-х компонентный датчик угловой скорости. Для защиты обмоток от внешних воздействий используется защитное покрытие. Оно может быть нанесено на оболочки оптоволокон в отдельности, либо на обмотку в целом.
Скорость определяется по величинам разности фаз встречных лучей в обмотках с вычетом паразитных разностей фаз, набегающих в петлях при вращении устройства в плоскостях обмоток. Паразитные разности фаз вычисляются по величинам сигнала с датчика угловой скорости на основе зависимости, полученной при вращении устройства без перемещения на этапе калибровки.
1
1
2
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
1
2
3
0
3
0
1
0
31,32
’
’
’
’
’
’
*
Эскиз области соединения двух отрезков одномодовых оптических волокон обмотки со ступенчатым профилем показателя преломления представлен на фиг. 1. Оптоволокно (1) имеет показатели преломления сердцевины и оболочки n и nсоответственно. Оптоволокно (2): n и n. При этом n<n, n<n и n<n. Отличие nотnи nот nсоставляет доли процента, что необходимо для удаления мод излучения высоких порядков. Отличие n и nже должно быть максимальным и может достигать 20-30% при использовании доступных марок оптического стекла. На торец оптоволокна (2) нанесено однослойное интерференционное покрытие (3) с показателем преломления n. Материал для покрытия подбирается так, чтобы выполнялось равенство . Толщина покрытия должна быть равна л/4n, где л- основная длина волны используемого источника излучения в вакууме. Зазор между оптоволокнами (4) заполнен прозрачной жидкостью или полимером с показателем преломления, близким к n. Иммерсионное вещество в зазоре может обладать иным показателем преломления n или отсутствовать, если просветляющие покрытия нанесены на торцы обоих волокон. При этом материалы покрытий подбираются так, чтобы их показатели преломления составляли: . Соответствующие толщины покрытий должны быть: л/4n. При использовании отрезков многомодового оптоволокна структура областей соединения аналогична. Использование оптоволокна с градиентным показателем преломления допустимо при малом количестве витков обмотки из-за невозможности промышленного изготовления микроскопических просветляющих покрытий с градиентом толщины. В этом случае может использоваться только иммерсионное вещество со средним для сердцевин значением показателя преломления. Ширина зазора и неперпендикулярность торцов оптоволокон определяют интенсивность рассеиваемого в соединении излучения. Качество просветляющих покрытий определяет интенсивность паразитного обратного отражения. Приемлемое качество обработки торцов и просветляющих покрытий зависит от суммарного количества соединений и определяется требованием к чувствительности устройства.
Соединения отрезков могут быть выполнены с помощью двух многоканальных механических соединителей, либо набора однокональных. Для заполнения зазоров может использоваться иммерсионный гель.
Техническими результатами применения устройства являются повышение удобства и надёжности измерения скорости транспортных средств, аппаратов, искусственных и природных объектов вдали от наземных транспортных линий, а также расширение областей окружающего пространства, при движении в которых могут проводиться такие измерения (агрессивные среды, космическое пространство за пределами магнитного поля Земли).
Фиг. 1. Эскиз области соединения двух отрезков одномодовых оптических волокон обмотки со ступенчатым профилем показателя преломления.
Фиг. 2. Схема устройства с одной чувствительной обмоткой и минимальной конфигурацией одномодового волоконного интерферометра с фазовой модуляцией.
1
2
Возможная реализация устройства по схеме с одной чувствительной обмоткой и минимальной конфигурацией одномодового волоконного интерферометра с фазовой модуляцией представлена на фиг. 2. В её состав входят: источник излучения (И), x-разветвитель №1 (x1), поляризатор (P), x-разветвитель №2 (x2), композитная обмотка световода с двумя типами оптоволокна (О), пара многоканальных механических соединителей (С), фазовый модулятор (M), фотоприёмник (ФП), МЭМС-датчик угловой скорости (ДУС), электронный блок (ЭБ). Устройство функционирует следующим образом. Излучение от источника по оптоволоконному кабелю проходит через x-разветвитель №1, поляризатор и разделяется на два пучка в x-разветвителе №2. Оба пучка проходят обмотку по двойному оптоволокну (a)-(b) во встречных направлениях. Обмотка состоит из чередующихся отрезков оптоволокон с показателями преломления материалов сердцевины nи n, соединённых последовательно в механических соединителях. Ориентация обмотки такова, что измеряемая составляющая вектора скорости устройства V параллельна прямой, проходящей через соединители. У одного вывода обмотки расположен фазовый модулятор для создания переменной разности фаз между встречными световыми волнами. После выхода из обмотки пучки объединяются в x-разветвителе №2, интерферируют, проходят поляризатор, x-разветвитель №1 и попадают на фотоприёмник. Аналоговый сигнал от фотоприёмника, пропорциональный интенсивности интерферирующих пучков, поступает по электрическому кабелю в электронный блок, где происходит его обработка. Кроме него в ЭБ приходит сигнал с ДУС, на основе которого вводится поправка при вычислении скорости. В состав электронного блока входят: ВЧ- генератор для подачи переменного электрического сигнала на фазовый модулятор, синхронный детектор для выделения полезного сигнала ФП на фоне помех, блок питания источника излучения и микропроцессорный модуль для управления и обработки входных сигналов. На выход электронного блока подаётся цифровой сигнал, содержащий информацию о скорости движения устройства в данный момент времени V(t). При необходимости могут быть встроены запоминающее устройство и/или модуль беспроводной передачи данных.
Аналоговый сигнал на выходе синхронного детектора пропорционален sin(дц), где дц - разность фаз встречных пучков, возникающая при движении устройства. Разность хода пучков Д, вызванная их частичным увлечением средой распространения, может быть рассчитана по формуле:
1,2
1
2
1,2
Здесь N- число витков; Дc- разности скоростей света относительно оптоволокон с показателями преломления сердцевин n, n: при движении устройства и в неподвижном состоянии; t - промежутки времени, за которые свет проходит отрезки соответствующих оптоволокон. Различие во времени прохода одного отрезка встречными пучками пренебрежимо мало. Разности скоростей света, согласно формуле Физо в системе отсчёта среды, составляют:
Различие знаков обусловлено тем, что каждый пучок проходит соседние отрезки в противоположных направлениях. Промежутки времени можно определить по формуле:
0
Здесь L- длина обмотки в направлении V; c- скорость света в вакууме. Таким образом, с учётом известной формулы связи разности хода с разностью фаз, искомая составляющая вектора скорости:
0
Здесь л- основная длина волны источника излучения в вакууме. Формула (*) справедлива в первом приближении и может быть использована для оценки диапазона и чувствительности устройства.
4
5
3
1
2
0
max
Как известно, ВОГ могут обладать высокой чувствительностью при широком динамическим диапазоне: 10-10. В представленном устройстве со схожей оптической схемой содержится множество соединений разнородных оптических волокон. Повышенный шумовой фон из-за рассеяния и остаточных волн френелевского отражения в соединениях существенно снизит практически реализуемые чувствительность и динамический диапазон устройства. Например, при L=10 см, N=30, n=1.5, n=1.8, л=1 мкм, дц= р/3 и динамическом диапазоне ~10 устройство, согласно (*), позволит измерять скорость в диапазоне от 0 до 89 м/с с точностью ~ 0.1 м/с.
Для измерения составляющих скорости в двух или трёх направлениях одновременно следует использовать 2-3 обмотки оптоволокна, ориентированные во взаимно перпендикулярных направлениях. При этом может использоваться общий источник излучения с 2-3 дополнительными разветвителями, общий фазовый модулятор, 2-3-х канальный фотоприёмник, 2-3-х компонентный ДУС и общий электронный блок. Остальные элементы схемы устройства на фиг. 2 должны быть выполнены отдельно для каждого канала (направления).
Приведённый пример реализации устройства показывает достижение цели изобретения по следующим причинам. Чувствительность устройства обеспечивается возможностью создания  обмотки оптоволокна с большим числом витков при высоком качестве обработки торцов соединяемых волокон и изготовления просветляющих покрытий.  Компактность- возможностью использования обмотки оптического волокна относительно небольшого размера. Надёжность обеспечена присущими всем волоконным интерферометрам, в сравнении с классическими схемами, меньшей чувствительностью к внешним воздействующим факторам и меньшим человеческим фактором при обслуживании.
Подходящий для устройства источник излучения должен обладать достаточно широким спектром для уменьшения ВЧ эффекта Керра и небольшой длиной временной когерентности для уменьшения влияния обратного рэлеевского рассеяния на оптических элементах. Можно установить суперлюминесцентный или лазерный диод. Оптические элементы лучше выполнять на одномодовом оптоволокне, сохраняющем поляризацию,- для увеличения чувствительности устройства. Форма обмоток должна быть максимально вытянутой, но кривизна в местах изгиба не должна превышать предельное для используемого оптоволокна значение. Количество витков обмотки при заданном размере устройства выбирается исходя из требований к чувствительности и динамическому диапазону. Для уменьшения эффекта Фарадея требуется магнитная экранировка оптической части схемы. Для уменьшения влияния внешних механических воздействий в крепеже устройства следует использовать амортизаторы или демпфирующую подложку. Для уменьшения влияния климатических факторов устройство должно эксплуатироваться в атмосфере с контролируемыми параметрами.
1. Alan Hazeltine, Apparatus for utilizing the earth's magnetic field to indicate aircraft velocity. Patent US 2785376 A, publication date 12.03.1957.
2. Marcel Ruizenaar, Velocity measurement in a magnetic field. Patent WO 2005/003789 A1, publication date 13.01.2005.
3. Белоусов А. Г. и др., Устройство для измерения скорости движения транспортного средства. Патент RU(11) 2 261 449(13) C2, дата публикации 27.09.2005.
4. Zhou Jiajun, Speed measurement method and device adopting light ray interferometer. Patent CN 104655870 A, publication date 27.05.2015.
5. Selwyn E. WRIGHT, Kelvin F. WRIGHT, Propagation medium velocity measurement system. Patent WO 2015/120407A1, publication date 13.08.2015.
6. Klaus Wolter, Speed measurement. Patent US 2007/0186653A1, publication date 16.08.2007.