23.3. Методы повышения чувствительности оптических гироскопов

Схема волоконно-оптического гироскопа, изображенная на рис. 24.4, как уже отмечалось, не обнаруживает малых поворотов. Для решения этой проблемы, т. е. для повышения чувствительности гироскопа, предлагаются различные методы: смещения разности фаз, фазовой модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования.

Смещение разности фаз.

Если между двумя световыми волнами, идущими по кольцу навстречу друг другу, установить смещение разности фаз в π/2 рад, то изменение выходного интерференционного сигнала относительно разности фаз Δφ световых волн в соответствии с эффектом Саньяка будет пропорционально sinΔφ, что означает повышение чувствительности. Однако для высокоточных гироскопов требуется обнаружение очень малых (~10^-6 рад) изменений фазы и поскольку смещение π/2 рад уже велико, то возникает проблема стабилизации этого смещения.

Фазовая модуляция.

Общая схема оптической системы гироскопа с фазовой модуляцией приведена на рис. 24.5. Фазовый модулятор присоединен к концу волокна, используемого в качестве чувствительного элемента (в центре основной оптической системы рис. 24.4). Это - важная особенность данного метода. Модуляция световых волн, идущих по часовой стрелке и против нее, зависит от их взаимной синхронизации.

Составляющая U₀ основной гармоники в выходном сигнале, полученном в результате интерференции двух световых волн, выражается следующей формулой:

(24.6)

где K - постоянная; J₁ - функция Бесселя;

(24.7)

В формуле (24.7) f₀ и M соответственно модулирующая частота и глубина модуляции, а Т - время распространения световой волны в оптическом волокне, иначе говоря, эта формула выражает временное различие в фазовой модуляции световых волн, идущих в противоположных направлениях. При η = 1,8 функция J₁ (η) имеет максимальное значение. В гироскопе на рис. 24.5, благодаря детектированию основной гармоники световой волны, выходной сигнал пропорционален sinΔφ, т. е. чувствительность повышенная. Используемый в модовом фильтре поляризатор необходим для обеспечения нормальной работы гироскопа. В этой системе, как следует из формул (24.6) и (24.7), масштабный коэффициент будет изменяться в зависимости от глубины модуляции M. При использовании поляризатора колебания состояния поляризованной волны в оптическом волокне вызывают колебания и выходного сигнала оптического приемника, а это, в свою очередь, приводит к изменениям масштабного коэффициента. Если, кроме того, состояние поляризации волны в оптическом волокне колеблется из-за фазового модулятора и по-прежнему используется поляризатор, то интенсивность выходного сигнала модулируется с частотой f₀ и возникает дрейф нуля. Для решения этой проблемы желательно, чтобы

,

где п - эквивалентный коэффициент преломления; L - длина волокна.

Данная система характеризуется повышенной разрешающей способностью и стабильностью нулевой точки.