Волоконно-оптические гироскопы

Что такое гироскоп и зачем он нужен?

Ориентация предмета в пространстве невозможна без устройства, обеспечивающего начало отсчета от какой-то постоянно существующей системы координат. Роль такого устройства при измерении углов и угло-вых скоростей выполняют гироскопические чувствительные элементы.

Гироскопические приборы бывают:
- механические,
- вибрационные,
- волновые твердотельные,
- шаровые,
- электростатические,
- магнитодинамические,
- гидродинамические,
- лазерные
- волоконно-оптические.

Наиболее распространенными являются механические гироскопические приборы, а наиболее перспективными и быстроразвивающимися в последнее время – волоконно-оптические устройства.

В этом компасе мы рассмотрим подробней волоконно-оптические гироскопы (ВОГ).

Волоконно-оптический гироскоп. Принцип действия.

Волоконно-оптический гироскоп обладает рядом преимуществ по сравнению с электромеханическими, а именно:
- отсутствие подвижных деталей или вакуумных полостей,
- простота конструкции;
- короткое время запуска;
- высокая чувствительность;
- высокая линейность характеристик;
- низкая потребляемая мощность;
- высокая радиационная стойкость;
- высокая надежность,
- большой срок службы;
- потенциально низкая стоимость

Работа ВОГ основана на эффекте Саньяка:
фазовые набеги двух электромагнитных волн, распространяющихся по замкнутому контуру неизменной конфигурации во встречных направлениях, зависят от величины и направления угловой скорости вращения этого контура.

Таким образом, измеряя разность фаз Саньяка, можно получить информацию об угловой скорости вращения объекта, на котором закреплен этот контур, а ее интегрированием – информацию о угле поворота. Эта информация используется затем для измерения угловой скорости или для управления движением и стабилизации положения объекта.

Принцип действия.
От источника, которым обычно является полупроводниковый лазерный или суперлюминесцентный диод, подается на светоделитель и разделяется на два луча. Эти лучи распространяются в волоконном контуре в противоположных направлениях и, пройдя его, попадают снова на светоделительную пластинку, а затем на вход фотодетектора. Фотодетектор регистрирует результат интерференции встречных волн.

Типы ВОГ

Различают два типа оптических гироскопов на основе эффекта Саньяка.

В первом типе, так называемом кольцевом лазерном гироскопе, контур образован зеркалами, образующими замкнутый путь – резонатор, а пространство между зеркалами заполнено активной газовой средой.

Во втором типе замкнутый контур образован многовитковой катушкой из волоконного световода.

Читать ещё о ВОГ

Чувствительность ВОГ

Случайные процессы в источнике, контуре и приемнике ВОГ нестационарны в силу того, что нестационарны внешние воздействия на ВОГ.

Нестационарные случайные процессы, как правило, «медленные», т.е. их спектр сосредоточен вблизи нуля, в то время как стационарные, обусловленные различными микропричинами, обычно значительно более «быстрые». В этом случае естественно рассматривать реально существующий выходной сигнал ВОГ как локально-стационарный процесс. При этом должен существовать промежуток времени, достаточный малый, чтобы параметры окружающей среды за это время изменились незначительно, и достаточно большой, чтобы замена усреднения по времени на усреднение по ансамблю не приводила бы к большой ошибке. Усредненные (по вероятности) величины будут медленными функциями времени. Допустимые значения времени в диапазоне 0,1…1 с.

Методы повышения чувствительности
Предлагаются различные методы: смещения разности фаз, фазовой модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования.

Рассмотрим только последний метод.
Световой луч разделяется с помощью дифракционной решетки на два луча с очень маленьким углом расхождения (около 10 мрад). Эти лучи, пройдя оптическое волокно в противоположных направлениях, подаются на модулятор АОМ. Угол дифракции АОМ такой же, как и у дифракционной решетки, вследствие чего АОМ здесь используется не только как частотный сдвигатель, но и как направленный ответвитель, а светоприемное устройство выдает сигнал разностной частоты.

В данной оптической системе возможно разделение световых лучей, двигающихся в противоположных направлениях, но вследствие чрезвычайно малого угла дифракции эти лучи взаимодействуют и дрейф, обусловленный колебаниями среды, ослабляется. Кроме того, обычно при разности длины оптических путей возникает дрейф выходного сигнала вследствие частотного отклонения излучения источника, но в данной структуре эта разность очень мала. Точная временная задержка Td обеспечивается прибором на зарядовых связях (ПЗС).