Оптическая схема ВОГ для снижения шумов источника излучения

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к оптической интерферометрической измерительной технике, в частности к области измерительного оборудования, позволяющего уменьшить избыточный шум источника оптического излучения, используемого в датчике угловой скорости (волоконно-оптический гироскоп).
Уровень техники
Известен волоконно-оптический интерферометрический измерительный датчик (US 20160363446 А1, 2016), в котором уменьшение избыточного шума источника оптического излучения реализовано с использованием разделения сигналов источника оптического излучения на два сигнала ортогональных поляризаций. Один сигнал подается на измерительный интерферометр Саньяка, в то время как второй при помощи оптических делителей направляется в обратную сторону на фотоприемное устройство датчика. Преимуществом является высокая степень согласованности длин оптических путей двух сигналов. Недостатком является сложность оптической схемы, в связи с увеличением числа различных оптических компонентов, а также высокие потери мощности сигнала, поскольку оптические сигналы испытывают избыточные потери из-за необходимости проходить через одни и те же оптические компоненты повторно.
Задача, на решение которой направлено техническое решение, заключается в создании чувствительного элемента волоконно-оптического интерферометрического датчика, обладающего простой конструкцией, а также обеспечивающий высокий динамический диапазон.
Сущность полезной модели
Данная задача достигается за счет того, что излучение широкополосного источника оптического излучения (например, усилителя спонтанной эмиссии), поляризованное вдоль одной плоскости поляризации в оптическом волокне, разделяется на два сигнала, измерительный сигнал и компенсационный сигнал. Измерительный сигнал, проходя по оптическому тракту, попадает непосредственно в контур волоконно-оптического гироскопа, где измерительный сигнал, разделяясь на два луча, идущих навстречу друг другу, и испытывающих фазовый сдвиг в результате вращения гироскопа вместе с объектом интерферируют между собой. Интерференционный сигнал затем возвращается через оптический тракт на фотоприемное устройство для обработки и вычисления угловой скорости гироскопа. Компенсационный сигнал, после отделения от измерительного, подается непосредственно на фотоприемное устройство, при этом плоскость поляризации компенсационного сигнала повернута, относительно измерительного сигнала на 90° для исключения возможных интерференционных эффектов на фотоприемном устройстве. При попадании на фотоприемное устройство измерительный сигнал оказывается задержан на время т, соответствующее длине оптического контура волоконно-оптического гироскопа. Оба сигнала, измерительный и компенсационный содержат в себе одинаковый по характеристикам избыточный шум, присущий широкополосному источнику излучения. При попадании на фотоприемное устройство избыточный шум компенсационного сигнала оптически складывается с избыточным шумом измерительного сигнала. Поскольку демодуляция сигнала гироскопа производится на собственной частоте волоконного контура, а время задержки сигнала равно половине периода демодуляции, то при оптическом сложении сигналов происходит фактически вычитание избыточного шума источника оптического излучения из сигнала гироскопа.
Техническим результатом является уменьшение шумовой составляющей волоконно-оптического гироскопа на частоте, равной собственной частоте волоконного контура гироскопа. При этом не происходит существенных потерь мощности полезного сигнала.
1, ||
1, ||
2, ||
3, ||
1, ||
2, ||
2
, ||
2
, ||
Оптическая схема снижения шума волоконного гироскопа устроена и работает следующим образом. Оптическое излучение, выходя из широкополосного источника излучения 110 (фиг. 1), проходит через волоконный линейный поляризатор 111 (фиг. 1), приобретая соответствующее состояние поляризации. Линейно поляризованный свет S затем попадает по оптическому тракту 12 в волоконный делитель 121 (фиг. 1), коэффициент деления которого преимущественно может находиться в пределах 0.95/0.05 ~ 0.90/0.10, в зависимости от потерь, вносимых чувствительным элементом ВОГ. Оптический сигнал S делится соответственно коэффициенту деления на сигналы S и S. Сигнал S, проходя по оптическому тракту 231 через оптический циркулятор 131 (фиг. 1) направляется в чувствительный элемент ВОГ 140 (фиг. 1). Оптический сигнал S, пройдя через схему интегрально-оптическую многофункциональную (СИОМ) 141 (фиг. 1) и волоконно-оптический контур 142 (фиг. 1), и проинтерферировав, преобразовывается в оптический сигнал S'. Оптический сигнал S', пройдя через чувствительный элемент ВОГ 140 (фиг. 1) направляется через оптический циркулятор 131 по оптическому тракту 312 в оптический разветвитель 132 с коэффициентом деления 50/50 (с погрешностью ±5%) и, далее, идет на фотоприемное устройство 150.
3, ||
3, ||
3, ﬩
2
, ||
3, ﬩
Оптический сигнал S направляется через оптический тракт 232. Проходя по оптическому тракту 232, оптический сигнал S подвергается повороту плоскости поляризации путем прохождения через оптическое сварное соединение 130, оси сохранения поляризации которого соединены под углом 90°±1°. Оптический сигнал S после поворота плоскости поляризации направляется через оптический разветвитель 132 на фотоприемное устройство 150. Далее, сумма сигналов S' и S поступает через согласующие каскады на операционных усилителях на аналого-цифровой преобразователь 160 и, затем демодулируется на собственной частоте контура, т.е. вычитаются значения сигнала нечетных тактов из четных тактов, при этом происходит вычитание шума источника из сигнала с чувствительного элемента ВОГ.