Оптические гироскопы - часть 32

129

не  менее  обусловлены  сложным  четырехволновым  взаимодействием  между
встречными  волнами,  а  не  просто  воздействием  волны  на  саму  себя.  В  на-
стоящее время показано, что использование широкополосного источника из-
лучения  уравнивает  нелинейности  для  встречных  волн  и  полностью  ликви-
дирует паразитный сдвиг фаз.

4.5. Основные тенденции развития ВОГ

4.5.1. ВОГ средней точности

Рассмотренные принципы построения достаточно легко обеспечивают

создание ВОГ средней точности. Под гироскопами со средней точностью
обычно понимают приборы, обеспечивающие нестабильность сдвига нуля в
диапазоне от 0,1 до 5

/ч. Такие гироскопы могут с успехом использоваться в

системах  управления  тактическими  ракетами,  космическими  аппаратами,  в
поездах, морских гирокомпасах и др. Одним из наиболее удачных примеров
использования гироскопов средней точности является система курсоуказания
гражданских самолетов. В данном случае гироскоп ответствен только за оп-
ределение  направления  движения  и,  соответственно,  требования  к  стабиль-
ности  масштабного  коэффициента  довольно  скромные  (порядка 10

–3

). Это

дает возможность использовать ВОГ с разомкнутой схемой обработки сигна-
ла и с минимальной взаимной конфигурацией (рис. 4.16).

Рис. 4.16

ПКМ

Выход

Источник

света

Поляризатор

ФП

Схема

демодуляции

Схема обработки

сигнала

130

Взаимным модулятором в данной схеме является пьезокерамический

модулятор  (ПКМ),  реализованный  на  основе  пьезокерамического  цилиндра,
на  который  намотано  несколько  витков  волокна.  Выходной  сигнал  после
схемы  обработки  представляет  собой  сигнал,  пропорциональный  скорости
вращения.  Исследования,  проведенные  американской  компанией “Honey-
well”, выпустившей в середине 90-х серию таких приборов, показали, что по-
сле тщательной отработки технологии средняя стабильность сдвига нуля по
серии из 100 приборов составила 0,15

/ч. Воспроизводимость масштабного

коэффициента (СКО) составила 4,2

⋅10

–4

Следует отметить, что такие резуль-

таты сопоставимы с параметрами ВОГ с замкнутой цепью обработки сигнала
средней точности.

4.5.2. Высокоточные ВОГ

Основным назначением авиационных инерциальных навигационных

систем (ИНС) является определение местоположения объекта и начальная
выставка объекта относительно земной системы координат. В течение полета
в системе производится измерение и интегрирование линейных ускорений и
определение угловых перемещений. Гироскоп в этих ИНС обычно должен
иметь стабильность не хуже 0,006

/ч. Такие же требования предъявляются к

гироскопам и во многих других навигационных системах. Требования к ста-
бильности масштабного коэффициента гироскопа составляют обычно 10

–5

диапазоне скоростей до 1000

/с. Такой уровень требований представляется

особенно жестким при учете условий эксплуатации гироскопов: диапазон
температур окружающей среды, в которой гироскопы должны обеспечивать
свои характеристики, составляет от –50

С до +70; скорость изменения тем-

пературы может достигать 1,0

С/мин; уровень вибраций до 6…9 g; внешние

магнитные поля до 10 Гс. При создании ВОГ, предназначенных для такого
рода применений, необходимо использовать замкнутую схему работы прибо-
ра, что особенно важно при учете высоких требований к масштабному коэф-
фициенту.

Другим аспектом, обеспечивающим удовлетворение жестким требова-

ниям, является использование в катушке ВОГ волокна с сохранением поля-
ризации. Типичная схема такого ВОГ представлена на рис. 4.17. Функциони-
рование представленной схемы происходит в соответствии с диаграммами,

131

приведенными на рис. 4.10 и 4.11. Фазовая модуляция встречных волн про-
изводится с помощью двух электрооптических модуляторов, входящих в со-
став элементов интегральной оптической схемы (ИОС). ВОГ с СП-волокном
и схемой построения, приведенной на рис. 4.17, удовлетворяют приведенным
ранее требованиям во всем диапазоне изменения параметров окружающей
среды и, соответственно, могут использоваться в авиационных ИНС.

В то же время при использовании ряда дополнительных методов и

средств построения ВОГ его точностные характеристики могут быть доведе-
ны до уровня требований к гироскопам, использующимся в высокоточных
ИНС для подводных лодок и некоторых космических аппаратов. (В этом
случае нестабильность сдвига нуля должна быть менее 0,001

/ч.) К таким ме-

тодам и средствам прежде всего относится использование волоконного су-
перлюминесцентного источника излучения (см. 4.4.3), обеспечивающего ра-
боту на длине волны 1,55 мкм. Чувствительность длины волны света, испус-
каемого волокном, активированным ионами эрбия, к изменениям температу-
ры оказывается на один-два порядка меньше, чем у полупроводниковых ис-
точников света. Это обеспечивает существенно более высокую стабильность
масштабного коэффициента (лучше чем 10

–6

). Кроме того волоконный ис-

точник света обеспечивает более высокую мощность излучения, в результате
чего уменьшается случайный дрейф ВОГ (см. выражение (4.6)).

Рис. 4.17.

Высокая мощность излучения является необходимым, но недостаточ-

ным условием достижения низкого уровня случайного дрейфа. Интерферен-

Линейная
поляризация

ИОС

Источник

света

ФП, предуси-
литель

АЦП

Цифровая демоду-

ляция и интегриро-

вание

Генератор
пилы

Модуляция
сдвига нуля

Схема уп-
равления

Угол

СП-

волокно

132

ция  между  независимыми  спектральными  компонентами  широкополосного
источника  излучения  вызывает  шум,  который  становится  превалирующим
при высоких уровнях мощности излучения. Методом компенсации этого ис-
точника  случайного  дрейфа  явилось  использование  дополнительного  фото-
приемника,  регистрирующего  шум  непосредственно  на  выходе  источника
излучения, и вычитание его выходного сигнала из выходного сигнала основ-
ного фотоприемника.

В настоящее время в данном направлении получены следующие ре-

зультаты.  Исследовался  ВОГ  с  длиной  волокна 4 км, диаметром    катушки
14  см,  с  катушкой  СП-волокна  и  с  волоконным  источником  излучения.  Ис-
следования  проводились  при  стабилизированной  температуре  окружающей
среды, что допустимо для рассматриваемых применений. Стабильность сдви-
га  нуля  оказалась  на  уровне 0,0003

/ч, случайный дрейф примерно 0,0002

/ ч Указанная стабильность сдвига нуля эквивалентна скорости вращения

порядка одного оборота за 150 лет!

Существенным недостатком ВОГ на СП-волокне является высокая

стоимость СП-волокна. При использовании СП-волокна катушка становится
наиболее  дорогостоящей  составляющей  ВОГ.  Особенно  это  касается  ВОГ  с
высокими  точностными  характеристиками,  поскольку  в  таких  гироскопов
для достижения наибольшей чувствительности длина волокна в катушке, как
правило,  превышает 1 км.  Поэтому  весьма  актуальными  оказались  работы,
направленные  на  разработку  высокоточных  ВОГ,  использующих  обычное
одномодовое волокно. В этих работах были созданы так называемые деполя-
ризованные ВОГ – в них свет до введения в катушку проходит деполяриза-
тор, после которого поляризация световой волны становится хаотической.

4.5.3. Деполяризованный ВОГ

Деполяризатор представляет собой линейную фазовую пластину, оси

двулучепреломления которой сориентированы по осям x и y (рис. 4.18).
Электромагнитная волна, падающая на деполяризатор, имеет линейную по-
ляризацию, плоскость которой сориентирована под углом 45

к осям x и y.

Проекции вектора Е

на оси x и y являются собственными поляриза-

циями волновой пластины, т. е. их состояние не изменяется, однако между
ними возникает разность фаз

ψ, которая определяется толщиной пластины d

содержание .. 30 31 32 33 ..