Волоконно-оптичний гіроскоп

1. Волоконно-оптичний гіроскоп, що містить оптичну вимірювальну головку й вузол обробки сигналів контуру, причому оптична вимірювальна головка містить: джерело світла, багатофункціональну інтегральну оптичну мікросхему, детектор, відгалужувач і котушку з оптичного волокна, який відрізняється тим, що у оптичній вимірювальній головці використовується гібридний оптичний шлях з малою поляризацією і збереженням поляризації, тобто джерело світла являє собою джерело світла з малою поляризацією і розгалужувач одномодового оптичного волокна з пігтейлом; на вході багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми використовується одномодове волокно, а на виході багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми використовується волокно, що зберігає поляризацію; вхідний волоконний пігтейл детектора являє собою одномодове волокно; відгалужувач являє собою поляризаційно незалежний відгалужувач одномодового волокна 2´2; котушка з оптичного волокна являє собою волокно, що зберігає поляризацію. 2 (19) 1 3 86696 4 ходу розділений та скручений у два кільця діаметром 10 мм і волокно зафіксовано клеєм. 10. Волоконно-оптичний гіроскоп за п. 1, який відрізняється тим, що вузол обробки сигналів контуру використовує повне цифрове регулювання за замкненим циклом і містить принаймні передпідсилювач, аналого-цифровий перетворювач, логічну схему з вентильною матрицею, що програмується користувачем, цифро-аналоговий перетворювач і модуляційну задавальну схему. Винахід відноситься до волоконно-оптичного гіроскопа, зокрема, а волоконно-оптичного гіроскопа з гібридного оптичного шляху з малою поляризацією і збереженням поляризації випромінювання, який є не коштовним, захищеним від поміх і який легко виготовляти серійно. Волоконно-оптичний гіроскоп - це прилад, який використовується для вимірювання кутової швидкості на основі ефекту Саньяка, який використовується здебільшого в інерціальних вимірювальних системах. На разі удосконаленими й широко застосовуваними версіями є здебільшого інтерференційні цифрові волоконно-оптичні гіроскопи із замкненим контуром. Джерело світла відгалужувачем і багатофункціональною інтегральною оптичною мікросхемою розщеплюється на два зустрічні промені світла. Коли у напрямку чутливої осі котушки з оптичного волокна з'являється вхідний сигнал кутової швидкості, між цими двома променями світла виникає різниця фаз Саньяка, і відбувається інтерференція. Потім детектором вона перетворюється на електронний сигнал, і після обробки можна отримати відповідний вхідний сигнал кутової швидкості. Волоконно-оптичні гіроскопи мають переваги щодо малого об'єму, малої маси, швидкості включення, високої надійності і тривалого терміну служби тощо, тому вони широко використовуються у системах навігації, керування і так далі. На разі у вітчизняних і зарубіжних волоконнооптичних гіроскопах як розщеплювач джерела світла здебільшого використовується відгалужувач волокна, що зберігає поляризацію випромінювання, і прийнята схема повного зберігання поляризації в оптичному шляху; технологія відпрацьована, і в інших країнах волоконно-оптичні гіроскопи зі схемою повного збереження поляризації виробляються серійно. Але схема оптичного шляху з повним збереженням поляризації висуває жорсткі вимоги до властивості збереження поляризації й стабільності поляризації джерела світла й відгалужувача волокна, що зберігає поляризацію, і чутлива до впливу зовнішніх факторів середовища. На додаток, схема оптичного шляху з повним збереженням поляризації висуває жорсткі вимоги до технології складання й точності співвісності, і собівартість такого оптичного шляху є високою, що є небажаним для серійного виробництва. Далі, через те, що вітчизняна технологія виробництва відгалужувачів волокна, що зберігає поляризацію, ще й досі не достатньо вдосконалена, існує потреба у дослідженнях волоконно-оптичного гіроскопа з оптичним шляхом з неповним збереженням поляризації на основі одномодового оптичного відгалужувача і спробі якомога швидше досягти впровадження у техніку і серійне виробництво, щоб задовольнити потреби нашої країни в волоконно-оптичних гіроскопах у таких системах, як системи навігації та керування. Одна з проблем, які може вирішити цей винахід, полягає у наступному: шляхом усунення недоліків схеми оптичного шляху з повним збереженням поляризації, пропонується волоконнооптичний гіроскоп з використанням гібридного оптичного шляху з малою поляризацією і збереженням поляризації. Він може зменшити вплив перехресних перешкод поляризації оптичного шляху, знизити собівартість оптичного шляху, спростити технологію складення, підвищити продуктивність виробництва і узгодженість складення і сприяти серійному виробництву. Технічним рішенням винаходу є: волоконнооптичний гіроскоп з використанням гібридного оптичного шляху з малою поляризацією і збереженням поляризації, який містить оптичну вимірювальна головку й вузол обробки сигналів кола, причому оптична вимірювальна головка містить: джерело світла, багатофункціональну інтегральну оптичну мікросхему, детектор, відгалужувач і котушку з оптичного волокна. Він відрізняється тим, що у зазначеній оптичній вимірювальній головці використовується гібридний оптичний шлях з малою поляризацією і збереженням поляризації, тобто, вищезазначене джерело світла представляє собою джерело світла з малою поляризацією і розгалужувач одномодового оптичного волокна з пігтейлом (pigtail) (коротким відрізком оптичного волокна з встановленим роз'ємом на одному кінці); на вході зазначеної багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми використовується одномодове волокно, а на виході багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми використовується волокно, що зберігає поляризацію; вхідний волоконний пігтейл зазначеного детектора представляє собою одномодове волокно; зазначений відгалужувач представляє собою поляризаційно незалежний відгалужувач одномодового волокна 2x2; зазначена котушка з оптичного волокна представляє собою волокно, що зберігає поляризацію. У зазначеному вузлі обробки сигналів контуру використовується повністю цифрове регулювання за замкненим циклом, і він містить принаймні передпідсилювач, аналого-цифровий перетворювач, логічну схему з вентильною матрицею, що програмується користувачем (FPGA), цифровоаналоговий перетворювач і модуляційну задавальну схему. Після протікання через детектор і передпідсилювач сигнал інтерференції перетворюється у сигнал напруги, потім аналого 5 цифровим перетворювачем перетворюється у цифровий сигнал і піддається цифровій демодуляції, цифровому інтегруванню і цифровому фільтруванню тощо у логічній схемі з вентильною матрицею, що програмується користувачем, з одержанням сигналу з фронтом з мікросхідців та цифрового фазового пилкоподібного сигналу. Після того як цифровий фазовий пилкоподібний сигнал накладається на цифровий сигнал випадкової перемодуляції, він накладається на багатофункціональну оптичну інтегральну мікросхему як сигнал зворотного зв'язку після протікання через цифрово-аналоговий перетворювач і модуляційну задавальну схему, потім вноситься модуляція зміщення, і здійснюється компенсація на дрейф фази Саньяка через вхідний сигнал, і таким чином досягається повністю цифрове регулювання за замкненим циклом. Сигнал з фронтом з мікросхідців - це вихідний сигнал замкненого контуру волоконно-оптичного гіроскопа; вихідний сигнал волоконно-оптичного гіроскопа можна одержати потім шляхом компенсації температурних діянь. Зазначена модуляція зміщення - це випадкова перемодуляція, тобто форма хвилі модуляції представляє собою сигнал прямокутної форми псевдовипадкової послідовності, глибина модуляції якої є 2p/3, а частота вдвічі більша за власну частоту котушки з оптичного волокна. Принцип винаходу: після глибокого дослідження властивості поляризації гібридного оптичного шляху, яка справляє вплив на характеристики волоконно-оптичного гіроскопа, у випадку оптичного шляху з повним збереженням поляризації випромінювання, було виведено формулу для помилки поляризації: 1- d fe = e hl 1+ d де d- степінь поляризації джерела світла, e коефіцієнт пригнічення поляризації багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми, h - параметр зберігання поляризації волокна, l - довжина волокна котушки з оптичного волокна, добуток h і l представляє статистичний ефект перехресних зв'язків поляризації в котушці. Наведена вище формула справедлива у випадку відгалужувача, що зберігає поляризацію випромінювання, і не може застосовуватися до випадку одномодового відгалужувача. Фазову поj милку e волокно-оптичного гіроскопа, спричинену властивістю поляризації гібридного оптичного шляху з одномодовим відгалужувачем, можна визначити за формулою: f e = e 2r1r 2 r1 де , - відношення амплітуди хвилі світла на осі пригнічення багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми до амплітуди на вхідній осі; зазначена хвиля світла випромінюється джерелом світла, проходить через одномодовий відгалужувач і потім розгалужується у багатофункціональній оптичній інтегральній r1 мікросхемі. Максимальне значення 86696 6 представляє відношення амплітуди хвилі світла у напрямку максимальної інтенсивності до амплітуди хвилі світла у напрямку мінімальної інтенсивності перед тим, як хвиля світла розгалужується у багатофункціональній оптичній інтегральній мікросхемі, яке позначається як (l+d1)/(l-d1), де d1 - степінь поляризації хвилі світла, що подається на вхід багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми. Мінімальне знаr r = hl чення 1 позначається як (l-d1)/(l+d1), 1 . Із наведеної вище формули можна бачити, що для того щоб зменшити помилку поляризації, можна підвищити степінь поляризації джерела світла; можна також використовувати відгалужувач оптичного волокна, що зберігає поляризацію випромінювання, з високим коефіцієнтом згасання, і можна забезпечити, щоб вхідні осі волоконних пігтейлів джерела світла, відгалужувача і багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми співпадали. Але собівартість відгалужувача, що зберігає поляризацію випромінювання, є відносно високою - у 40 разів більшою за собівартість одномодового відгалужувача. Якщо джерело світла SLD (Super Luminescence Diode - супер люмінесцентний діод) з високим ступенем поляризації використовується разом із поляризаційно незалежним відгалужувачем одномодового волокна 2x2, випромінювання джерела світла не можна добре вирівняти з вхідним портом багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми; якщо степінь r поляризації дорівнює 0,8, область змінення 1 може досягати 81, а максимальне значення фазової помилка у 9 разів вище за ідеальне значення. Для того щоб вирішити цю проблему з малими витратами, пропонується використання джерела світла з малою поляризацією і поляризаційно незалежний відгалужувач одномодового волокна r 2x2, параметр 1 якого близький до 1. Доти поки коефіцієнт пригнічення поляризації e буде достатньо низьким, фазова помилка, спричинена поляризацією, може бути достатньо малою і стабільною. Наприклад, якщо степінь поляризації d1 хвилі світла на вході до багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми є 0,06, можна r вирахувати, що область змінення параметра 1 становить 1,13, а змінення фазової помилки - лише 1,06. Насправді e може досягати 10-6, якщо джерело світла зі степенем поляризації d=0,8 використовується разом з одномодовим r1 0,11 ~ 9 = відгалужувачем, ; якщо h=10-5, L=1000м, максимальна фазова помилка je 9 ´10 -7 рад = . Якщо степінь поляризації d джерело світла знижується до 0,05, d1=0,06, а інші параметри залишаються незмінними, = 0.89 ~ 1.13 r1 , максимальна фазова помилка може бути малою - 1,06х10-7рад, зменшеною на 88,2%. Тому при використанні оптичного шляху з неповним збереженням поляризації, основаному на поляризаційно незалежному відгалужувану одномодового волокна 2x2 і джерелі світла з малою 7 поляризацією, малу фазову помилку також можна одержати; більш за те, змінення фазової помилки буде малим, що задовольняє вимозі волоконооптичних гіроскопів із різною точністю. Це показує, що використання джерела світла з малою поляризацією і поляризаційно незалежного відгалужувача може ефективно зменшити помилку поляризації. Якщо одномодовий відгалужувач не є поляризаційно незалежним, відгалужувач може виконувати функцію поляризації, навіть якщо світло, що проходить через відгалужувач, представляє собою неполяризоване світло. Степінь поляризації світлової хвилі можна також підвищити до великого значення. У гіршому випадку її можна підвищити до 0,6, і при цьому вона викличе велику фазову помилку 2х10-7рад, яка неприпустима для волоконно-оптичного гіроскопа з підвищеною точністю. За цим винаходом використання поляризаційно незалежного відгалужувача може забезпечити те, що змінення поляризації світлової хвилі на вході до багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми буде мінімальним з тим, щоб забезпечити, стабілізацію помилки поляризації із відносно низьким значенням. Переваги винаходу над відомими технічними рішеннями: 1. У цьому винаході передній оптичний шлях представляє собою неполяризований оптичний шлях, тобто, джерело світла представляє собою джерело світла з малою поляризацією, а до детектора, входу багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми і відгалужувача підключені одномодові волокна. Це може знизити вимоги до властивості зберігання поляризації і до стабільності поляризації останніх оптичних елементів й у значній мірі зменшити вплив перехресних перешкод поляризації оптичного шляху, покращити характеристики протитемпературного змінення і інтерференції механіки волокнооптичного гіроскопа. З іншого боку, передній оптичний шлях у відомих технічних рішеннях представляє собою оптичний шлях, що зберігає поляризацію випромінювання, і використовується джерело світла з високою поляризацією (степінь поляризації ≥90%), отже, висуваються жорсткі вимоги до властивості зберігання поляризації і до стабільності поляризації останніх оптичних елементів, і легко викликати перехресні перешкоди поляризації оптичного шляху. 2. Використовується поляризаційно незалежний відгалужувач одномодового волокна 2x2, отже, перехресні поміхи поляризації зменшуються. 3. Оскільки волоконний пігтейл елементів переднього оптичного шляху представляє собою одномодове волокно, і використовується відгалужувач одномодового волокна низької собівартості, собівартість оптичного шляху знижується. 4. При зрощуванні переднього оптичного шляху багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми у вирівнюванні осей немає потреби, тому собівартість виробу знижується, а продуктивність виробництва і узгодженість скла 86696 8 дення підвищуються, що сприяє серійному виробництву. Осереддя волокна, що зберігає поляризацію випромінювання, перед зрощуванням потребує точного аксіального вирівнювання, що призводить до нижчої продуктивності виробництва й гіршої узгодженості складення. 5. Використовується повністю цифрове регулювання за замкненим циклом, тому динамічний діапазон розширюється, а вимоги до характеристик електронних елементів знижуються. 6. Використовується перемодуляція, тому можна добитися високого відношення сигнал шум. Крім того, за допомогою випадкової модуляції можна запобігти мертвій зоні (зоні нечутливості) через фіксовану форму хвилі модуляції і підвищити лінійність масштабного коефіцієнту. 7. Шляхом встановлення температурної моделі волоконно-оптичного гіроскопа і виконання алгоритму компенсації у цифровому процесорі сигналів, додатковий псевдовипадковий сигнал нульового положення волокно-оптичного гіроскопа в усьому температурному діапазоні можна зменшити, а температурну адаптивність волокнооптичного гіроскопа підвищити. Стислий опис графічного матеріалу Фігура 1 представляє собою схематичне креслення структури винаходу. Фігура 2 представляє собою схематичне креслення форми хвилі випадкової перемодуляції, що використовується у цьому винаході. Фігура 3 представляє собою схематичне креслення вихідного сигналу волокно-оптичного гіроскопа перед тим, як він піддається компенсації температурних діянь. Фігура 4 представляє собою схематичне креслення вихідного сигналу волокно-оптичного гіроскопа після того, як він піддається компенсації температурних діянь Фігура 5 представляє собою блок-схему варіанта здійснення логічної схеми з вентильною матрицею, що програмується користувачем, на фігурі 1. На цих фігурах: 101 - джерело світла, 102 - детектор, 103 відгалужувач, 104 багатофункціональна оптична інтегральна мікросхема, 105 - котушка з оптичного волокна, 106 - місце зрощування волокна, 107 - місце зрощування волокна, 108 - місце зрощування волокна, 109 - місце зрощування волокна, 110 - місце зрощування волокна, 111 - вільний кінець відгалужувача, 112 -передпідсилювач, 113 - аналого-цифровий перетворювач, 114 - логічна схема з вентильною матрицею, що програмується користувачем, 115 - цифрово-аналоговий перетворювач, 116 - датчик температури, 117 - модуляційна задавальна схема, 118 - задавальна схема джерела світла, 119 - мікросхема цифрового процесора сигналів. Переважні варіанти здійснення винаходу Як показано на фігурі 1, варіант здійснення оптичного шляху за цим винаходом містить джерело світла 101, детектор 102, відгалужувач 103, багатофункціональну оптичну інтегральну мікросхему 104 і котушку з оптичного волокна 105. 9 Джерелом світла 101 переважно є джерело світла з малою поляризацією з довжиною хвилі 1310нм і степенем поляризації ≤5%; на виході розгалуження використовується пігтейл з одномодового волокна з діаметром модового поля 6,5±0,5мкм і діаметром оболонки 125мкм. При використанні вищезазначеного джерела світла для зниження втрат оптичної потужності оптичного шляху можна підвищити відношення сигнал/шум. Насправді, джерелом світла 101 може бути й джерело світла з малою поляризацією 850нм; якщо вимога до точності волокно-оптичного гіроскопа не висока, можна використовувати джерело світла й з іншим степенем поляризації, скажімо, джерело світла зі степенем поляризації 6-10%. Технологічний процес виробництва джерела світла з малою поляризацією здебільшого базується на теорії енергетичної зони напівпровідника. У технології використовується структура ребристого хвилеводу, поєднана з технологією виробництва зон поглинення й технологією нанесення високо просвітлювальної плівки на поверхню порожнини, щоб забезпечити відповідність показника коефіцієнта згасання осереддя джерела світла вимозі до малої поляризації. Вхідний волоконний пігтейл детектора 102 представляє собою одномодове волокно, показник зворотних втрат (втрат через зворотне розсіяння) якого повинен бути ≥40дБ. У відомих схемах із збереженням поляризації в усьому оптичному шляху волоконний пігтейл детектора представляє собою волокно, що зберігає поляризацію випромінювання. У цьому винаході пропонується оптичний шлях з гібридною поляризацією і одномодовий волоконний відгалужувач; одномодове волокно підключене й до детектора, тому на вплив поляризації на виявлення світлового сигналу можна не зважати, і завдяки використанню одномодового волокна можна знизити собівартість. Показник зворотних втрат повинен бути ≥40дБ через те, що світловий сигнал, відбитий від детектора на котушку з оптичного волокна, - це сигнал шуму, і він безпосередньо впливатиме на характеристики волокно-оптичного гіроскопа. Так, якщо детектор у цьому винаході виконує функцію розгалуження кінця волокна, кінець волокна при виготовленні має бути зміщеним на 10 градусів, щоб уможливити дотримання показником зворотних втрат цієї вимоги. Хоча кінець волокна, зв'язаний з детектором, використовуваний для оптичного зв'язку, тепер не піддавався обробці, його показник зворотних втрат є нижчим за 30дБ, звичайно 20~30дБ, він не придатний для використання у цьому винаході. Відгалужувач 103 представляє собою поляризаційно незалежний відгалужувач одномодового волокна 2x2, втрати оптичної потужності якого обумовлені зміною поляризації, повинні бути ≤0,03дБ, діаметр модового поля повинен бути 6,5±0,5мкм і діаметр оболонки - 125мкм. Вищезазначені показники використовуються здебільшого для того, щоб забезпечити узгодженість модового поля усього оптичного шляху. Відгалужувачі одномодових волокон можна розбити на дві групи: поляризаційно незалежні й 86696 10 поляризаційно залежні. Залежні від поляризації втрати поляризаційно залежного відгалужувача одномодового волокна ≥0,1дБ, навіть більше 0,15дБ, тому його не можна використовувати у цьому винаході. Діаметр модового поля одномодового волокна, використовуваного у звичайному одномодовому відгалужувач, дорівнює 9~10,5мкм, тому його не можна використовувати у гібридному оптичному шляху з малою поляризацією і збереженням поляризації. Поляризаційно незалежний відгалужувач одномодового волокна 2x2 можна придбати на ринку, можна також виготовити, використовуючи такий спосіб: використовуючи технологію поздовжнього звужування з паралельним або скрученим спіканням, тобто в процесі сплавлення і біконічного звуження двох дотичних на довжині розігріву оптичних волокон, задають контрольну точку відношення розщеплення після відпуску (30:70), контролюють досягнення цієї контрольної точки. Одночасно з відпуском нагрівального пальника затискувач волокна на кінці зони сплавлення і біконічного звуження відгалужувача обертають на 90 градусів, контролюючи при цьому кут обертання волокна. Таким чином можна виготовити поляризаційно незалежний одномодовий відгалужувач. Пристроєм для здійснення вищезазначених операцій може бути система сплавлення і біконічного звуження оптичних волокон компанії Anteced Company (Тайвань). На вході багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми 104 використовується одномодове волокно з діаметром модового поля 6,5±0,5мкм і діаметром оболонки 125мкм; на виході використовується еліптичне волокно, що зберігає поляризацію випромінювання, із меншим діаметром 80мкм. Принцип полягає у наступному: (1) при використанні цього типу одномодового волокна діаметр модового поля узгоджується модовим полем мікросхеми хвилеводу, що є переважним для розгалуження волокна; використання волокна малого діаметра на виході багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми призначене здебільшого для того, щоб забезпечити узгодження розміру волокна з котушкою з оптичного волокна, що є переважним для операції зрощування, і завдяки чому якість й ефективність зрощування можна підвищити; (2) оскільки передній оптичний шлях - це одномодове волокно, використання одномодового волокна як багатофункціональну оптичну інтегральну мікросхему може у певній мірі знизити собівартість і зменшити об'єм роботи з азимутального вирівнювання на 1/3, якщо йдеться про приєднання волоконних пігтейлів багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми. З іншого боку, у відомих технічних рішеннях багатофункціональна оптична інтегральна мікросхема має як на вході, так і на виході волокно, що зберігає поляризацію випромінювання, з діаметром оболонки 125мкм. Котушка з оптичного волокна 105 представляє собою еліптичне волокно, що зберігає поляризацію випромінювання, із меншим діаметром 80мкм. Як показали результати експериментів, вищезазначений показник може 11 зменшити об'єм котушки з оптичного волокна і покращити протизгибні характеристики і підвищити термін служби котушки з оптичного волокна. Під час виготовлення оптичного шляху усі одномодові волоконні пігтейли за цим винаходом повинні мати довжину ≤0.30м. Це допомагає зменшити вплив фактору зовнішнього оточення на напруження одномодового волокна, і таким чином зменшити коефіцієнт нестабільності поляризації, оскільки чим довше волокно, тим легше воно піддається інтерференції. Джерело світла 101 підключене до відгалужувана 103 через місце зрощування 106; детектор 102 підключене до відгалужувана 103 через місце зрощування 107; відгалужувач 103 підключений до багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми 104 через місце зрощування 110; багатофункціональна оптична інтегральна мікросхема 104 підключена до котушки з оптичного волокна 105 через місце зрощування 108 і 109 відповідно. Під час процесу складення контролюють, щоб окремі довжини волоконних пігтейлів джерела світла 101, детектора 102, відгалужувача 103 й багатофункціональної оптичної інтегральної мікросхеми 104 були ≤0,30м. Після того, як джерело світла 101 і вхід відгалужувача 103 з'єднані, виявляють степінь поляризації вихідного світлового сигналу на вихідному вільному кінці 111 відгалужувача 103, необхідний степінь поляризації має бути ≤6%. Вільний кінець 111 відгалужувача 103 розбивають, скручують у два кільця діаметром 10мм, і фіксують волокно клеєм-отверджувачем. Степінь поляризації відгалужувача з вільним кінцем