Оптические гироскопы - часть 30

 

121

терферирующие с основными встречными волнами. Фаза рассеянной волны 
является обычно случайной величиной. Интерференция основных встречных 
волн с рассеянными волнами приводит к изменению разности фаз встречных 
волн,  в  результате  которого  возникают  флуктуации  сдвига  фаз  выходного 
сигнала. Оценим погрешность измерения скорости вращения, возникающую 
за счет рассеяния света. 

 

Пусть затухание в волокне 

L

s

e

α

−

 обусловлено рэлеевским рассеянием. 

Теряемая энергия равномерно рассеивается по длине волокна. На выходе во-
локна после одного обхода контура мощность световой волны Р

1

 равна 

L

s

e

P

P

α

−

=

0

1

,  

где 

s

α -коэффициент рассеяния. Тогда рассеянная мощность световой волны 

равна 

)

1

(

0

L

s

s

e

P

Р

α

−

−

=

. Будем считать, что индикатриса рассеяния опреде-

ляется по закону Ламберта. Тогда из величины рассеянного света во встреч-
ную волну попадет 

4

)

1

(

2

0

πβ

−

=

α

− L

с

s

e

P

P

, 

где 

4

2

πβ

- телесный угол, 

β – плоский угол. Отношение рассеянной волны к 

прошедшей с точностью до члена первого порядка малости по величине 

s

α L 

получаем в виде 

L

e

P

e

P

P

P

s

L

L

с

s

s

α

πβ

≈

πβ

−

=

α

−

α

−

2

0

2

0

1

4

1

4

)

1

(

. 

В этом случае максимальная величина изменения сдвига фаз выходного сиг-
нала, обусловленного рассеянием, будет определяться выражением 

L

P

P

s

с

πα

β

=

=

ϕ

δ

1

max

2

)

(

. 

При L = 1 км, 

5

10

−

=

α

s

 1/м, 

β=0,1 рад получаем оценку максимального из-

менения сдвига фаз выходного сигнала в виде 

рад

017

,

0

10

10

1

,

0

)

(

3

5

max

≈

⋅

⋅

π

=

ϕ

δ

−

. 

Тогда  находим  величину  максимальной  погрешности  измерения  скорости 
вращения равной 

 

 

2

max

max

10

6

/

005

,

0

)

(

⋅

=

≈

ϕ

δ

=

Ω

δ

c

рад

K

град/ч = 0,15град/с. 

 

122

Полученное значение оказывается весьма большим. Напомним, что скорость 
вращения  Земли  равна 15 град/ч,  а  эта  величина  является  характерной  для 
оценки погрешностей гироскопов (см. таблицу 4.1). 
 

Наиболее эффективным и простым способом снижения влияния обрат-

ного рассеяния является использование источников света с широкой линией 
излучения и соответственно низкой когерентностью. В этом случае рассеян-
ные  волны,  которые  проходят  другой  путь  и  соответственно  имеют  другой 
набег фазы не интерферируют с основными волнами и, следовательно, вно-
сят существенно меньшую погрешность. 
 

4.4.3. Широкополосный источник света 

При использовании в любом интерферометре широкополосного источ-

ника света хорошая контрастность интерференционной картины наблюдается 
при разности хода интерферирующих волн близкой к нулю. При увеличении  

 

 

 

 

       Рис. 4.12. 

 
разности хода контрастность начинает снижаться и в том случае, когда раз-
ность  хода  становится  больше  длины  когерентности  источника  света,  кон-
трастность  (видность)  стремится  к  нулю  (рис.4.12),  т.е.  интерференционная 
картина размывается. 

Длина  когерентности  источника  света  обратно  пропорциональна  ши-

рине  его  спектра.  Чтобы  лучше  понять  описанный  эффект  можно  предста-
вить широкий спектр в виде набора отдельных длин волн. Каждая длина вол-
ны 

λ

i

 создает свою собственную интерференционную картину с периодом 

λ

i

 

 

123

(рис. 4.13). В  окрестностях  нулевой  разности  хода  все  интерференционные 
картины совпадают. При увеличении разности хода интерференционные кар-
тины начинают смещаться относительно друг друга за счет разности их пе-
риодичности. В среднем общая интенсивность света начинает приближаться 
к постоянной величине и интерференционная картина пропадает. Поскольку 
интерферометр Саньяка работает вблизи нулевой разности хода, в нем можно 
использовать широкополосный источник света.  
 

 

 

 

 

 

Рис. 4.13. 

 
В  ВОГ  кроме  двух  основных  встречных  волн  обычно  существует  ряд 

дополнительных  паразитных  волн,  обусловленных  обратным  рассеянием  на 
неоднородностях волокна, обратным отражением на соединениях элементов 
гироскопа,  несовершенством  поляризационных  фильтров,  пропускающих 
волны с не основными типами поляризации. При использовании узкополос-
ного  высоко  когерентного  источника  света  эти  волны  интерферируют  с  ос-
новными волнами (или между собой) и, как было показано выше, дают пара-
зитный  вклад  в  результат  измерений.  При  использовании  широкополосного 
источника света с малой длиной когерентности интерференция между основ-
ными волнами и паразитными, за счет разности хода большей, чем длина ко-
герентности, обладает малой контрастностью и практически не влияет на ре-
зультат  измерений.  Этот  метод  очень  эффективен  для  борьбы  с  обратным 
рассеянием, а также при решении проблемы поляризационной невзаимности. 

 

124

 

Низкая  временная  когерентность  широкополосных  источников  света 

делает их очень удобными для использования в ВОГ. В то же время источник 
света должен быть хорошо согласован с одномодовым волокном, что требует 
высокой  пространственной  когерентности.  Оба  требования  (низкая  времен-
ная  когерентность  и  высокая  пространственная  когерентность)  не  являются 
антагонистичными,  однако  для  их  обеспечения  потребовалась  разработка  и 
оптимизация  специальных  источников  света.  Такие  источники  основаны  на 
использовании суперлюминесцентных волоконных усилителей света с боль-
шим усилением, широко применяемых в волоконно-оптических линиях свя-
зи. Такие источники света благодаря спонтанной эмиссии фотонов излучают 
в широком спектре и некоторые из них, попадая в собственную моду распро-
странения волновода, усиливаются благодаря вынужденной эмиссии. Благо-
даря  большому  коэффициенту  усиления,  удается  получить  большую  мощ-
ность  излучения  за  один  проход,  что  обеспечивает  излучение  в  одной  про-
странственной моде и высокую пространственную когерентность. 
 

Такие  источники  первоначально  базировались  на  полупроводниковых 

лазерах,  где  резонатор  Фабри-Перо  подавлялся  использованием  просвет-
ляющих  покрытий.  Эти  источники  излучения,  получившие  название  супер-
люминесцентных диодов, работали на длине волны 850 нм при использова-
нии GaAlAs в качестве материала или на длине волны 1300 нм или 1550 нм 
при  использовании InP. Их  использование  в  ВОГ  обеспечило  существенное 
уменьшение нестабильности сдвига нуля. 

В  то  же  время  они  характеризуются  высокой  температурной  неста-

бильностью  спектра  излучения,  что  приводило  к  высокой  нестабильности 

масштабного  коэффициента,  поскольку  чувствительность  ВОГ  (

Ω

ϕ

s

)  об-

ратно пропорциональна длине волны (выражение (2.1)).  

Следующим шагом в данном направлении было создание волоконных 

источников света на длине волны 1550 нм, в которых сердцевина волокна ак-
тивировалась  ионами  редкоземельных  элементов  (в  данном  случае  ионами 
Эрбия). Для обеспечения инверсии населенности в сердцевине волокна про-
изводится ее накачка лазерным диодом. Энергетическая схема накачки и по-
лучения инверсной населенности представлена на рис. 4.14.