ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП
FIBER-OPTIC GYROSCOPE

Изобретение относится к области волоконной оптики, а именно, к устройствам, известным как волоконно-оптические гироскопы, и может быть использовано для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых эти гироскопы установлены.
Физической основой работы волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) является эффект Саньяка, заключающийся в том, что время, за которое свет обходит контур, зависит от направления и скорости вращения, в результате разность фазовых набегов встречных волн (фаза Саньяка) прямо пропорциональна угловой скорости вращения этого контура. Для измерения фазы Саньяка в ВОГ использован кольцевой интерферометр, оснащенный фазовым модулятором.
Практически все выпускаемые в настоящее время ВОГ выполнены по так называемой минимальной схеме (см., например, H.Lefevre “The Fiber-Optic Gyroscope”, Artech House, 1993, а также патенты: ЕР №1780506 А2, G01C 19/72, опубл. 02.05.2007, USA № 4529312 USA, G01B 9/02, опубл. 29.07.1984, RU № 2139499, опубл. 10.10.1999, RU № 2522147, опубл. 10.07.20014 и множество других). Для всех волоконно-оптических гироскопов, выполненных по минимальной схеме, обязательными элементами являются (оптически соединенные): источник излучения, первый оптический разветвитель, поляризатор, второй оптический разветвитель, фазовый модулятор, волоконный контур, фотоприемный модуль, электрически соединенный с электронным модулем. Общим недостатком всех волоконно-оптических гироскопов, выполненных по минимальной схеме, является достаточно низкая надежность, ограничивающая их использование в высокоответственных применениях, например, в космических аппаратах с длительными (5 лет и более) сроками активного существования.
Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом - прототипом является волоконно-оптический гироскоп (волоконный датчик вращения) ВГХХХ (https://www.fizoptika.ru/obshchee-opisanie). Этот гироскоп содержит последовательно оптически соединенные источник оптического излучения, первый оптический разветвитель, поляризатор, второй оптический направленный четырехпортовый X-разветвитель, фазовый модулятор, чувствительную катушку из оптического волокна, фотоприемный модуль, подключенный к выходу первого оптического разветвителя и электрически соединенный с электронной схемой обработки информации и управления активными элементами. ВГХХХ - это датчик вращения прямого преобразования («open-loop» fiber optic gyro), волоконно-оптический контур которого выполнен по специализированной технологии (all-fiber), когда все оптические компоненты изготавливаются последовательно из одного отрезка волокна без точек стыковки/сварки. Такая технология позволяет (принципиально) получить наивысшую степень надежности из всех известных схем волоконно-оптических гироскопов, что обеспечивается полным отсутствием сварок оптического волокна, а это один из самых ненадежных элементов оптической схемы (см., например, Ю.К. Пылаев, А.Г. Губанов, М.В. Ефремов, С.А. Круглов, А.В. Романов. Волоконно-оптический гироскоп космического применения. Опыт разработки, производства и эксплуатации // Санкт-Петербургская межд. конф. по интегрированным навигационным системам. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2013. - с.22-31). Тем не менее, как показывают расчеты (см. "Волоконные датчики вращения компании “Физоптика” показатели надежности (методика расчета и оценка)" https://www.fizoptika.ru/download/b6fbe945bb84068fab077db6db472e32.pdf) средняя наработка до отказа ВГХХХ составляет не более 100 тыс. часов, что соответствует вероятности безотказно работы за один год эксплуатации не более 0,91 и 0,41 за 10 лет эксплуатации. Такие низкие показатели безотказности приводят либо к необходимости использования избыточного количества волоконно-оптических гироскопов в измерителях вектора угловой скорости (ИВУС), либо к необходимости резервирования самих ИВУС. Отмеченное обстоятельство существенно ухудшает габаритно-массовые и энергетические характеристики объектов, использующих волоконно-оптические гироскопы в качестве измерителей угловой скорости.
Задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности волоконно-оптического гироскопа.
Поставленная задача решается за счет того, что в волоконно-оптическом гироскопе, содержащем последовательно оптически соединенные: источник оптического излучения 2, первый оптический разветвитель 4, поляризатор 6, второй направленный оптический четырехпортовый X-разветвитель 8, фазовый модулятор 9, чувствительную катушку из оптического волокна 10, фотоприемный модуль 11, подключенный к выходу первого оптического разветвителя 4 и электрически соединенный с электронной схемой обработки информации и управления активными элементами 1, к свободному входному порту направленного оптического Х-разветвителя последовательно оптически присоединены второй поляризатор 7, третий оптический разветвитель 5, второй источник оптического излучения 3, а к выходу третьего оптического разветвителя 5 подключен второй приемник оптического излучения 12, электрически соединенный с электронной схемой обработки информации и управления активными элементами 1, причем в качестве полезного сигнала используются как сумма, так и разность сигналов с приемников оптического излучения, а один из источников оптического излучения используется в режиме ненагруженного резервирования.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого технического решения.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является существенное повышение таких показателей надежности ВОГ, как ресурс, вероятность безотказной работы, отказоустойчивость, что достигается за счет введения резервирования наименее надежных элементов оптической схемы: источника оптического излучения и поляризатора. Дополнительным техническим результатом является повышение точности измерения угловой скорости, что достигается за счет измерения мощности оптического излучения, возвращающегося с обоих портов направленного оптического Х-разветвителя, в результате чего улучшается соотношение сигнал/шум, появляется возможность компенсации флуктуаций мощности источника оптического излучения и нейтрализация электрических помех, проникающих в усилители сигналов обоих фотоприемников. Это достигается за счет того, что оптическое излучение, поданное на вход 1 направленного разветвителя, делится на 2 одинаковые по мощности волны, причем, после обхода катушки и фазового модулятора эти волны интерферируют в направленном разветвителе в соответствии с принципом взаимности так, что при отсутствии разности фаз между проходом в одну и другую стороны (фаза Саньяка равна нулю и фазовый модулятор неактивен в результате интерференции сумма возвращается на вход 1 а на входе 2 нет обратного излучения. При разности фаз π (фаза Саньяка и сдвиг в фазовом модуляторе составляют π/2 для каждого из направлений обхода) в результате интерференции на входе 1 нет обратного излучения, а суммарный сигнал возвращается на вход 2 направленного разветвителя. Таким образом, информация о мощности источника излучения будет содержаться в сумме сигналов с обоих фотоприемников, а информация о фазе Саньяка, которая является мерой угловой скорости, - в разности этих сигналов, деленной на сумму, в результате чего абсолютное значение мощности излучения не влияет на измерение фазы Саньяка. Пример сигнала на двух фотоприемниках в случае синусоидальной фазовой модуляции и фазы Саньяка 0,8 приведен на фиг.2.
В качестве источников оптического излучения могут быть использованы суперлюминесцентные диоды или источники на основе оптических усилителей на спонтанной эмиссии.
В качестве разветвителей, подключенных к источнику и приемнику оптического излучения, могут быть использованы оптические циркуляторы, при этом уменьшаются потери оптического излучения и исключается возврат излучения в источник излучения, что повышает его надежность. В этом варианте поляризаторы могут входить в состав оптических циркуляторов.
В качестве фазового модулятора может быть использован пьезокерамический элемент с закрепленным на нем отрезком оптического волокна или электрооптический модулятор -одиночный или в составе интегральной оптической схемы.
При штатной работе волоконно-оптического гироскопа включен только один источник излучения, например, 2. Его излучение поступает через оптический разветвитель 4 и поляризатор 6 на вход направленного оптического разветвителя 8. С выходов разветвителя 8 излучение проходит через фазовый модулятор 9 и катушку 10, возвращается в разветвитель 8, где в результате интерференции фазово-модулированного оптического излучения на обоих входах оптического разветвителя 8 формируются два сигнала, промодулированные по амплитуде прямым и инвертированным сигналом, при этом максимум излучения в одном плече соответствует минимуму в другом и наоборот. Эти два сигнала поступают на два приемника оптического излучения 11, 12, а при обработке сигнала в электронной схеме 1 вычисляется разность и сумма этих двух сигналов, при этом уровень шума, вносимого электроникой, увеличивается в 1,4 раза, уровень полезного сигнала - в 2 раза, шум источника оптического излучения снижается с коэффициентом несимметрии разветвителя 8 и электронной схемы 1, помехи на усилители сигналов фотоприемника излучения снижается с коэффициентом несимметрии электронной схемы.
В случае отказа источника оптического излучения 2 электронная схема 1 выключает питание отказавшего основного источника и включает питание резервного источника 3, при этом функционирование волоконно-оптического гироскопа сохраняется с учетом смены полярности сигналов на выходах фотоприемников 11,12. Работоспособность волоконно-оптического гироскопа сохраняется (со снижением точности измерения) даже в случае дополнительных отказов одного фотоприемника, например, 11, разветвителя, например, 4 или поляризатора, например, 6, в этом случае реализуется минимальная схема, и работа устройства будет происходить следующим образом: включен только один источник излучения, например, 3. Его излучение поступает через разветвитель 5 и поляризатор 7 на вход разветвителя 8. С выходов разветвителя 8 излучение проходит через фазовый модулятор 9 и катушку 10, после чего в результате интерференции фазово-модулированного оптического излучения на входе оптического разветвителя 8 формируется сигнал, поступающий на вход приемника оптического излучения 12. В случае отказа другой ветви оптической схемы, т.е. фотоприемника 12, разветвителя 5 или поляризатора 7 волоконно-оптический гироскоп будет работать аналогично по оставшейся исправной ветви.