Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) — это оптико-электронный прибор, измеряющий абсолютную (относительно инерциального пространства) угловую скорость. Как и у всех оптических гироскопов, принцип работы основан на эффекте Саньяка.

Луч света в волоконно-оптическом гироскопе проходит через катушку оптоволокна, отсюда и название. Для повышения чувствительности гироскопа используют световод большой длины (порядка 1000 метров), уложенный витками. В отличие от кольцевого лазерного гироскопа, в волоконно-оптических гироскопах обычно используется свет с очень маленькой длиной когерентности, что необходимо для увеличения точности гироскопа до удовлетворительного уровня. В качестве источника света может использоваться даже не лазерный прибор, а, например, светодиод.

Принцип работы

В самом опыте Саньяка сколлимированный и поляризованный пучок света заводился в интерферометр, в котором разделялся на два пучка, обходивших интерферометр в противоположных направлениях. После обхода пучки совмещались и интерференционная картина регистрировалась на фотопластинке. Эксперименты показали, что при вращении установки интерференционная картина сдвигалась, причем сдвиг оказался пропорциональным скорости вращения.

Использование оптического волокна позволяет избавиться от зеркал и увеличить длину оптического пути, от которого в свою очередь зависит детектируемая разность фаз:

где — возникающая разность фаз, — радиус контура, — длина оптического волокна, — длина волны оптического излучения, — скорость света в вакууме, — угловая скорость.

В отсутствие угловой скорости разность фаз равна нулю, и фоточувствительный элемент будет регистрировать максимум интенсивности. При возникновении угловой скорости произойдет кратное изменение разности фаз между излучениями. Изменение интенсивности на фотоприемном устройстве описывается следующим уравнением:

Зная, что фаза может изменяться от до можно с уверенностью детектировать соответствующий диапазон угловых скоростей:

Если контур длиной 10 км намотать радиусом 30 см, то с источником оптического излучения на длине волны 1550 нм диапазон детектируемый угловых скоростей составит 4.4 градусов в секунду. Используя качественные аналого-цифровые преобразователи, можно детектировать изменения фазы вплоть до микрорадиан, а значит чувствительность такой системы составит порядка 0.005 градусов в час.

Базовая схема такого гироскопа имеет набор ограничений: Симметричность функции интерференции не позволяет определить направление вращения. Нелинейность передаточной характеристики вызывает неравномерность чувствительности гироскопа. Диапазон детектируемых угловых скоростей недостаточен для применения ВОГ в навигации. Переход за детектируемый диапазон (больше ) может быть некорректно интерпретирован.

В схеме современных волоконно-оптических гироскопов применяются техники на основе частотных и фазовых модуляторов.

Частотные модуляторы переводят фазу Саньяка в переменные изменения разности частот противоположно бегущих лучей, поэтому при компенсации фазы Саньяка разностная частота пропорциональна угловой скорости вращения Ω. Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями (областями сжатия и разрежения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний. Достоинством частотных модуляторов при использовании в ВОГ является представление выходного сигнала в цифровом виде.

Фазовые модуляторы переводят фазу Саньяка в изменение амплитуды переменного сигнала, что исключает низкочастотные шумы и облегчает измерение информационного параметра.

В оптимальную конфигурацию ВОГ входит: Широкополосный источник оптического излучения (суперлюминесцентный диод или эрбиевый волоконный источник оптического излучения); Волоконно-оптический разветвитель или циркулятор; Многофункциональная интегрально-оптическая схема (МИОС), выполненная из кристалла ниобата лития и выполняющая одновременно функции поляризатора, разветвителя и электро-оптического модулятора; Волоконно-оптический контур Саньяка, являющийся чувствительным элементом ВОГ; Фотоприёмник для детектирования оптического излучения; Аналогово-цифровой преобразователь для перевода аналогового сигнала, поступающего от фотоприёмника, в цифровой; Цифро-аналоговый преобразователь для управления модуляцией МИОС; Цифровой процессор, который обрабатывает полученный сигнал, получая на выходе сведения об угловой скорости и который управляет работой ВОГ.

Свойства прибора Появлению такого прибора, как волоконно-оптический гироскоп, способствовало развитие волоконной оптики, а именно разработка одномодового диэлектрического световода со специальными характеристиками (устойчивая поляризация встречных лучей, высокая оптическая линейность, достаточно малое затухание). Именно такие световоды определяют уникальные свойства прибора: потенциально высокая точность; малые габариты и масса конструкции; большой диапазон измеряемых угловых скоростей; высокая надёжность, благодаря отсутствию вращающихся частей прибора.

Применение

Широко применяется в инерциальных навигационных системах среднего класса точности. БИНС на основе ВОГ применяются в навигации для наземного транспорта, кораблей, подводных лодок и спутников.

В России В России производством и исследованием современных волоконно-оптических гироскопов и приборов на их основе занимаются ряд центров:

Научно-производственная компания "Оптолинк" Концерн ЦНИИ "Электроприбор" ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПНППК) ЗАО "Физоптика"

Кроме того, группы учёных в ПНИПУ, ИТМО, ЛЭТИ и СГУ ведут исследовательскую и образовательную деятельность по улучшению характеристик волоконно-оптических гироскопов и приборов на их основе.

Примечания

Литература Шереметьев А. Г. Волоконно-оптический гироскоп. -М.:Радио и связь, 1987.

Филатов Ю. В. Оптические гироскопы. Государственный научный центр Российской Федерации ЦНИИ "Электроприбор", 2005. Lefèvre, Hervé C. Fundamentals of the interferometric fiber-optic gyroscope. Artech House, 2014.

См. также Лазерный гироскоп Интерферометр Саньяка Шортхилл, Ричард

Категория:Гироскопы Категория:Применение лазеров Категория:Волоконная оптика