Волоконно-оптический гироскоп

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Волоконно-оптический гироскоп, содержащий оптически связанные полупроводниковый лазер, светоделитель, кольцо из волоконно-оптического световода, первый фотоприемник, соединенный с вычислительным блоком, отличающийся тем, что содержит спектральный селектор и второй фотоприемник, полупроводниковый лазер выполнен с возможностью одновременной генерации излучения на двух различных оптических длинах волн, причем светоделитель оптически связан со входом спектрального селектора,выходы которого соединены со входами первого и второго фотоприемников, выходы которых соединены с вычислительным блоком. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых эти гироскопы располагаются, например роботов, электрокар, автомобилей, кораблей, самолетов, ракет и т.д. Известен кольцевой лазерный гирометр 1, содержащий излучатель, приемник излучения, зеркала, оптическую систему и блок обработки информации. Недостатком этого 10209 1 2008.02.28 устройства является невысокая точность измерения угловой скорости, сложность и громоздкость конструкции. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический гироскоп 2, содержащий лазерный излучатель, светоделитель, волоконно-оптический световод, приемник излучения, вычислительный блок. Принцип действия волоконнооптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. Недостатком устройства является узкий динамический диапазон измерений и неоднозначность определения знака фазы Саньяка, а значит и знака угловой скорости. Задача изобретения - повышение точности измерения и расширение динамического диапазона измерения угловых скоростей. Решение поставленной задачи позволит использовать предлагаемое изобретение для точного и однозначного измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых эти гироскопы располагаются, например роботов, кораблей, самолетов, ракет в расширенном динамическом диапазоне. Поставленная задача решается путем того, что в волоконно-оптический гироскоп 2,содержащий оптически связанные лазерный излучатель, светоделитель, кольцо из волоконно-оптического световода, первый фотоприемник и вычислительный блок, введены спектральный селектор и второй фотоприемник, полупроводниковый лазер выполнен с возможностью одновременной генерации излучения на двух различных оптических длинах волн, причем светоделитель оптически связан со входом спектрального селектора,выходы которого соединены со входами первого и второго приемников, выходы которых соединены с вычислительным блоком. Свойства, появляющиеся у заявляемого устройства, следующие в случае, когда фаза Саньяка превышает величину , обеспечивается однозначность измерения величины фазы, а, следовательно, угловой скорости вращения, что повышает точность измерений и расширяет динамический диапазон измерения угловых скоростей обеспечивается однозначность определения знака угловой скорости в случае, если при неподвижном волоконно-оптическом контуре фазовые набеги обоих лучей, распространяющихся в противоположных направлениях, одинаковы 0(1). Для повышения точностных характеристик известного волоконно-оптического гироскопа в качестве источника зондирующего излучения используется двухволновой инжекционный полупроводниковый лазер 3, обеспечивающий одновременную генерацию излучения на двух различных оптических длинах волн. На чертеже представлена функциональная схема волоконно-оптического гироскопа с двухволновым лазером в качестве источника зондирующего излучения. Устройство содержит проводниковый лазер 1, обеспечивающий одновременную генерацию излучения на двух различных оптических длинах волн, светоделитель 2, волоконно-оптический световод 3 (кольцо из оптического волокна), спектральный селектор 4, первый и второй приемники излучения 5, 6, вычислительный блок 7. Устройство работает следующим образом. Лазер 1 излучает оптическое излучение на длинах волн 1, 2. Оптическая система, состоящая из светоделителя 2, разделяет излучение на два световых луча и направляет их в световод 3 в противоположных направлениях. Два луча на длинах волн 1, 2, прошедшие световод в противоположных направлениях,попадают на спектральный селектор 4, где происходит пространственное разделение излучения на два пучка, в одном концентрируется излучение на длине волны 1, в другом 2. С выходов спектрального селектора 4 излучение на длине волны 1 попадает на первый фотоприемник 5, а на длине волны 2 - на второй фотоприемник 6 и затем в вычислительный блок 7. В результате фотогетеродинирования на фотоприемнике 5 выделяется сигнал, пропорциональный разности фаз оптических лучей на длине волны 1, прошедших оптическое волокно в противоположных направлениях. На фотоприемнике 6 выделяется разность фаз лучей на длине волны 2, прошедших оптическое волокно в противоположных 2 10209 1 2008.02.28 направлениях. Если волоконно-оптический контур неподвижен, то фазовые набеги обоих лучей, распространяющихся в противоположных направлениях, будут одинаковы. При вращении контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые набеги лучей будут неодинаковы, а разность фаз лучей будет пропорциональна угловой скорости вращения контура. Таким образом, разность фаз между двумя световыми волнами на длинах волн 1, 2, распространяющимися в противоположных направлениях, называемая фазой Саньяка, для первой длины волны 1 будет равна 41 1,(1)1 для второй длины волны 2 4 22,(2)2 где 2 - длина оптического волокна- число витков в катушке из волокна- радиус катушки 1, 2 - длины волн излучения- угловая скорость с - скорость света 1, 2 - коэффициенты преломления в световоде для длин волн 1, 2, соответственно. По величине фазы Саньяка для любой из длин волн 1 или 2 определяется угловая скорость вращения контура 21 2 .(3) 41 42 Как видно из формул (1), (2), для повышения чувствительности измерителя и увеличения значения фазы Саньяка следует увеличивать число витковоптического волокна. Однако при этом даже при небольших угловых скоростях фаза Саньяка может превысить величину . Приемники излучения 5, 6 в результате фотогетеродинирования выделяют сигналы,пропорциональные косинусу сдвига фаз между двумя световыми волнами, распространяющимися в противоположных направлениях 1 и 22. Таким образом,превышение фазы Саньяка величиныприведет к неоднозначности измерения фазы, а,следовательно, к неоднозначности измерения угловой скорости вращения. Для устранения неоднозначности измерения угловой скорости при больших величинах фазы Саньяка используется следующий алгоритм обработки сигналов. Предположим,фаза Саньяка превышает величину . 4101,(4)1 4202,(5)2 где с 01, с 02 - фазы Саньяка в пределах угла , которые реально выделяются на выходах фотоприемников 5, 6- целое число. Так как значения длин волн излучения 1, 2 различаются на небольшую величину, значенияв формулах (4), (5) равны и теоретически могут различаться только при 103. Взяв разность выражений (4), (5), получаем 412 1 2 откуда угловая скорость вращения контура равна 12(7) 4(1221 ) Если угловая скорость , вычисленная по формуле (7), совпадает со значением, вычисленным по формулам (3), то фаза Саньяка не превышает величину , и результат по формулам (3) является верным. Если результаты вычислений по формулам (3) и (7) не 3 10209 1 2008.02.28 совпадают, то фаза Саньяка превышает величину , и за точное значение следует принять результат по формуле (7). Можно использовать и другой алгоритм вычислений. Решая систему из двух уравнений (4), (5), определяется значение числа 21 01( 211 2) Затем, подставивв формулу (4) или (5), определяется точное значение фазы Саньяка и угловая скорость вращения контура. Приведенные алгоритмы реализуются в вычислительном блоке 7, в котором по значениям сигналов фазы Саньяка с блоков 5, 6 устраняется неоднозначность измерения угловой скорости вращения. При неподвижном волоконно-оптическом контуре фазовые набеги обоих лучей, распространяющихся в противоположных направлениях, постоянны и равны , а фотогетеродинный сигнал на выходе фотоприемника пропорционален 1. Вращение контура в одну сторону будет увеличивать сигнал фотоприемника пропорционально фазе Саньяка, в другую сторону - уменьшать, и, следовательно, система будет однозначно определять направление вращения. Если при неподвижном контуре фазовые набеги в противоположных направлениях равны 0, то нормированный фотогетеродинный сигнал на выходе фотоприемника равен со 1. В этом случае вращение контура в любую сторону будет уменьшать сигнал фотоприемника на фазу Саньяка с 0. Следовательно, возникает неоднозначность определения знака фазы Саньяка, а значит и направления угловой скорости. Эта неоднозначность устраняется следующим образом. Если при калибровке системы при неподвижном контуре фазовые набеги на одной длине волны 1 равны 10, то на другой 2 фазовые набеги принципиально не будут равны 20. Это объясняется различием длин волн и коэффициентов преломления излучения в волокне. При вращении контура абсолютное значение угловой скорости вращения определяется из фазы Саньяка с 01 на длине волны 1, а направления вращения определяется из фазы Саньяка с 02 на длине волны 2 по знаку разности с 02-2. Если разность положительная, то направление вращения по часовой стрелке, если разность отрицательная то против часовой стрелки. Таким образом, использование в волоконно-оптическом гироскопе в качестве источника зондирующего излучения двухволнового полупроводникового лазера, позволяющего генерировать излучение одновременно на двух различных оптических длинах волн, обеспечивает однозначность определения знака фазы Саньяка, а значит и знака угловой скорости, повышает точность измерений и расширяет динамический диапазон измерения угловых скоростей. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.