Очевидно, что в интерферометрическом волоконно-оптическом гироскопе не обязательно устанавливать два фазовых модулятора.
При установке только одного фазового модулятора свободный выход направленного ответвителя 4 может быть использован для других целей. Для исключения влияния отраженного сигнала источник излучения должен подключаться к оптическому тракту волоконно-оптического гироскопа через оптический изолятор (на рисунках не показан). При использовании в фазовом модуляторе модового конвертора второго типа вместо (3.2) будем иметь:
(3.3)
Здесь = (t) (i, j = 1 , 2) - элементы матрицы N(t ), введенной выше. Из (3) следует, что, в отличие от предыдущего случая, паразитная поляризационная модуляция при произвольной матрице N(t) не устраняется.
Предположим, однако, что элементы N(t ) удовлетворяют соотношениям . Тогда вместо (3.2) имеем
M2(t ) = [ per N (t) ] K2 (3.4)
где per N (t ) = n11 n22 + n12 n21 - перманент матрицы N(t ).
Таким образом, если равенства (3.4) имеют место, то и в модуляторе с модовым конвертором второго типа паразитная поляризационная модуляции будет устраняться.
Рассмотрим один частный случай. Предположим, что модулирующий отрезок волокна или интегрально-оптического волновода представляет собой линейную фазовую пластинку с азимутом быстрой оси, равным 0°. Тогда n12 = n21 = 0, так что паразитная поляризационная модуляция будет скомпенсирована.
Одна из возможных реализаций отражательного фазового модулятора с модовым конвертором второго типа представляет собой последовательное включение линейной фазовой пластинки с изменяющейся во времени фазовой задержкой и азимутом быстрой оси 0° , четвертьволновой фазовой пластинки с азимутом быстрой оси 45° и зеркала. Включение такого фазового модулятора в схему интерферометрического волоконно-оптического гироскопа может быть осуществлено так же, как и в предыдущем случае.
3.2. Компенсация избыточного шума в волоконно-оптическом гироскопе с ответвителем типа 3´3.
Один из путей повышения точности волоконно-оптических гироскопов связан с использованием в них суперфлуоресцентных волоконных источников излучения. Такие источники близки по свойствам к тепловым и характеризуются высоким уровнем избыточного шума. Эксперименты показывают, что избыточный шум доминирует над другими шумами уже при мощностях на фотодетекторе порядка 10 mW . Поэтому проблема уменьшения его влияния на точность гироскопов представляет большой интерес.
В когерентно-оптической связи для подавления избыточного шума гетеродина используется балансное детектирование. Балансное детектирование можно применить и в волоконно-оптических гироскопах, используя в качестве опорного сигнала излучение источника, задержанное на время прохождения света по оптическому тракту волоконно-оптических гироскопов.
Однако реализация балансного детектирования в обычной ”минимальной” схеме волоконно-оптических гироскопов с входным и контурным ответвителями типа 2´2 сопряжена с рядом трудностей, связанных с обеспечением когерентного взаимодействия информативного и опорного сигналов. Эта проблема решается значительно проще при использовании в схеме волоконно-оптического гироскопа направленного ответвителя типа 3 ´ 3.
Рис 3.2. Схема волоконно-оптического гироскопа с ответвителем типа 3´3.
На рис.3.2. представлена простейшая схема волоконно-оптического гироскопа с ответвителем типа 3 ´ 3. Излучение от источника (3) поступает через направленный ответвитель типа 3 ´ 3 (4) на входы чувствительного контура (5), а затем - на фотодетекторы (1) и (2), выходы которых подключены к дифференциальному усилителю (6). Каждая из встречных волн L и S в схеме (см. рисунок) является и информативной (сигнальной) и одновременно — опорной для другой волны, причем с точностью до множителя, в случае идеального направленного ответвителя имеем:
(3.5)
(3.6)
Здесь A и j - соответственно амплитуда и фаза волн, а j0-невзаимный (саньяковский) фазовый сдвиг. Сигналы, поступающие на фотодетекторы:
(3.7)
(3.8)
где j1 - разность фаз сигналов, прошедших через направленный ответвитель по ”прямому” и ”перекрестному” каналам.
Токи фотодетекторов (которые считаются идентичными):
(3.9)
где n1 и n2 - шумы фотодетектирования.
На выходе дифференциального усилителя
(3.10)
Таким образом, избыточный шум, обусловленный фоновой засветкой фотодетекторов, оказывается скомпенсированным. Из (3.9-3.10) следует также, что волоконно-оптический гироскоп с контурным направленным ответвителем типа 3´3 и балансным детектированием работает в квадратурном режиме, его оптический масштабный коэффициент такой же, как и в ”минимальной” схеме, однако электрический масштабный коэффициент меньше, поскольку j1 ¹ p/2.
Рассмотренная схема представляет интерес для волоконно-оптического гироскопа грубого и среднего классов точности. Для волоконно-оптических гироскопов высокой точности можно использовать модифицированную ”минимальную” схему с направленным ответвителем типа 3´3. В этом случае в оба канала включаются дополнительные элементы 7, 8, обеспечивающие возможность повышения точности устройства за счет снижения уровня поляризационных шумов, устранения паразитной модуляции и других неблагоприятных факторов, рассмотренных в дипломной работе.
3.3. Компенсация обратного рэлеевского рассеяния
Обратное рэлеевское рассеяние (основной механизм потерь в волокне с низкими потерями) является важным фактором, который может существенно снижать чувствительность ВОГ.
Сущность этого эффекта состоит в том, что каждая первичная волна, противоположно распространяющаяся в световодном контуре, возбуждает маломасштабные неоднородности в волокне, которые в свою очередь действуют как индуцированные дипольные излучатели. Световод «захватывает» часть рассеянного излучения и канализирует его в обратном направлении.
Рис 3.3. Обратнорассеянные волны в контуре ВОГ (схема).
Вклады от каждого элементарного рассеивателя суммируются векторно и образуют полное рассеянное поле в каждом направлении. Если контур не возмущен, то амплитуда и фаза поля стабильны во времени. Поскольку элементарные рассеиватели распределены случайно вдоль волокна, можно оценить лишь среднеквадратическое значение амплитуды каждой обратнорассеянной волны относительно полной обратнорассеянной мощности.
Предсказать фазу каждой волны весьма затруднительно. Обратнорассеянные волны обладают некоторой степенью когерентности относительно двух первичных волн и поэтому суммируются с первичными волнами также векторно со случайными фазами. Фазы результирующих двух волн в общем случае из-за влияния окружающих условий не идентичны (рис. 3.3.).
Следовательно, на выходе волоконного контура появляется составляющая фазового сдвига, обусловленная обратным рэлеевским рассеянием, и при любом одиночном измерении неразличимая от фазы, индуцированной вращением контура (фазы Саньяка), т. е. появляется ошибка в измерении угловой скорости вращения контура.
Рис 3.4. Обратнорассеянные волны в контуре ВОГ (векторная диаграмма).
Интерес представляет оценка ошибки ВОГ, обусловленной обратным рэлеевским рассеянием. Оценить неопределенность измерения фазы Саньяка и соответственно ошибку в измерении угловой скорости, обусловленной обратным рэлеевским рассеянием, можно по упрощенной методике, предложенной в работе [4].
Полагаем, что затухание излучения в волокне обусловлено рэлеевским рассеянием ( коэффициент ослабления, L - длина контура). При этом теряемая энергия равномерно рассеивается по длине волокна с коэффициентом направленного рассеяния G вдоль волокна (1 < G < 1,5). Для равномерно рассеянного излучения приближенно справедлив закон Ламберта.
Учитывая эти условия, можно получить отношение мощности части от полного рассеянного излучения, «перехватываемой» волоконным сердечником, и появляющегося на выходе контура, к мощности первичной волны на выходе контура ( векторная диаграмма на рис. 3.3.):
(3.11)
В соотношении (3.11) PS - мощность обратнорассеянной (вторичной) волны на выходе контура, P1 - мощность первичной (сигнальной) волны после одного прохождения в контуре, P0 - мощность излучения на входе одного плеча контура, - телесный угол ввода излучения волоконного сердечника ( b - линейный угол).
Величину можно разложить в ряд Маклорена, и при малом ограничиться двумя первыми членами разложения. Тогда получим
(3.12)
Как следует из векторной диаграммы (рис. 3.4.), при комбинации двух пар противоположно распространяющихся в контуре волн максимальное приращение фазы, обусловленное эффектом обратного рассеяния, можно выразить в виде
(3.13)
Это значение фазы, полученное при одиночном измерении, приводит к ошибке в измерении угловой скорости вращения. Для определения угловой скорости вращения, соответствующей этому значению фазы (эквивалентной ошибке измерения угловой скорости), используем ранее полученную формулу Саньяка:
(3.14)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20
