8.3.Когерентные вод

При механических воздействиях в ВС возможны эффекты, для наблюдения которых необходимо использование когерентного излучения. Например, при воздействии давления или при вращении в ВС возникают фазовые сдвиги. В ряде случаев может меняться частота излучения (доплеровские устройства, активные ВОД). Регистрация частотных или фазовых сдвигов осуществима интерференционными методами.

Технические решения, используемые при построении ВОД различного назначения, существенно различаются. Поэтому вопросы первичного преобразования, детектирования и обработки сигналов здесь рассматриваются совместно применительно к конкретным ВОД.

Фазовые ВОД давления и акустического воздействия

Большая часть интерференционных акустических ВОД строится на основе интерферометра Маха Цендера (см. рис.15,а). Чувствительность такого ВОД к однородному внешнему давлению [10]

gP=2 1 n22 P12+22,

где Е модуль Юнга; s _0 коэффициент Пуассона; Pij фотоупругие постоянные.

Для типичных кварцевых ВС gP=10_55 рад/(Па м).

Изменение фазы за счет продольных и поперечных деформаций ВС противоположны по знаку. За счет подбора оптимального соотношения между материалами ВС возможно повышение чувствительности на несколько порядков.

В ВОД давления, описанном в [27], интенсивность излучения источника модулируется гармоническим колебанием высокой частоты f=917,6 МГц (рис.43). Излучение лазера попадает в оптическую систему типа интерферометра Майкельсона, образованного полупрозрачным зеркалом (ПЗ), микрообъективами М1...М5 и зеркалом (ПЗ) с высоким коэффициентом отражения, установленном на однокоординатном микропозиционере. Микрообъектив М5 формирует параллельный пучок света, так что при перемещении зеркала отсутствует паразитная амплитудная модуляция сигнала. В измерительном плече интерферометра помещается ВОЛЗ, представляющая отрезок градиентного МВС длиной 10 м. В качестве приемников излучения используются лавинные фотодиоды ЛФД2А.

Разность фаз колебаний с опорного (ФПМ1_0) и измерительного (ФПМ2_0) модулей (рис.44)

DJ _0=(2p_0f/c) _0(lоп_0nоп lизм_0nизм_0)+Jо

определяется длинами пути и постоянными распространения света в каждом из плеч. Дополнительный набег фаз Jо связан с задержкой сигнала в фотодиодах.

В рассматриваемом случае ВС используется только для подвода излучения к зеркалу. Поэтому при постоянстве Jо изменение фазы согласно (5) связано с воздействием давления Р соотношением

d DФ2pf d X=nизм. d P c d P

В эксперименте погрешность определения положения зеркала составила+_050 мкм, что соответствует минимальной измеряемой раз ности времени распространения сигналов+0,2 пс. ДИапазон однозначных измерений ВОД определяется изменением DJ от p до+p и равен 15 см.

ВОД ускорений

Первичный преобразователь в ВОД ускорений представляет грузик, растягиваемый двумя ВС (рис.45). При воздействии ускорения а вдоль оси ВС возникает продольная деформация волокна, приводящая к сдвигу фазы оптического излучения в ВС на величину

DJ=_02p_0nlma/ES,

где Е модуль Юнга; S=p_0d/4 площадь сечения ВС с наружным диаметром d; m масса груза.

Знаки изменения фазы в двух используемых ВС противоположны, поэтому их включают в противоположные плечи интерферометра Маха Цендера (см.рис.15). В этом случае пороговая чувствительность ВОД при массе груза 400 г, d=80 мкм и l=27_016 мм составляет 100 нм/с2. Выходная характеристика линейна в диапазоне ускорений от 100 нм/с2 до 1 км/с2.

Чувствительность интерференционного акустического ВОД зависит от длины ВС в измерительном плече интерферометра, подвергающегося действию акустических колебаний.

ВОД угловой скорости вращения

Датчики угловой скорости (гироскопы) основаны на эффекте Саньяка, который возникает при вращении оптического контура. Различают интерферометрические и резонаторные ВОД (рис.46).

В датчике на основе кольцевого интерферометра Саньяка (рис.46,а) свет от источника излучения (ПОМ) проходит через НВО и поляризационный фильтр ко второму НВО. Здесь излучение расщепляется на два потока, вводимые в противоположные концы ОВС длиной l, намотанного на катушку радиусом R. В одном из плеч ВС включен фазовый модулятор, а в другом деполяризатор. Таким образом, оба пучка света распространяются в ВС навстречу друг другу. Весь ВОД вращается с угловой скоростью W.

Расстояние l свет пройдет за время Dt=l/c. Но за это время один из торцов отрезка ВС повернется на величину+WRDt для луча, вошедшего в виток волокна по часовой стрелке, и на величину WRDt для луча, вошедшего в волокно с противоположной стороны. При этом разность хода двух лучей определяется соотношением [12]

Dl=WR (Dt+Dt).

Если площадь витка катушки равна S и на катушке намотано N витков, то разность фаз излучения при детектировании фотоприемником составит [10]

DJ=8pNSW_0/(l_0c).

Видно, что применение катушки с ВС позволяет многократно увеличить чувствительность к вращению.

Задача регистрации сдвига фазы ВОД на основе кольцевого интерферометра Саньяка связана с двумя особенностями. Первая заключается в том, что в начальный момент ВОД работает с номинально нулевой разностью хода лучей и при малых изменениях относительного значения разности фаз изменения интенсивности весьма малы (рис.47). Для повышения чувствительности ВОД в нем должно быть обеспечено исходное смещение фаз на 90_5o _0(фазовый модулятор). Однако тогда возникает некоторое различие сдвига фаз для лучей, идущих по и против часовой стрелки. Это приводит к ошибкам измерения.

Для достижения взаимности применяют поляризационный фильтр, а в каждый из торцов ВС вводится одинаковая мощность. Свойства самого ВС на различных участках идентичны и, наконец, проходящий по волокну свет линейнополяризован.

Важнейшим свойством кольцевого интерферометра (рис.46,б) является его взаимность, в результате чего все воздействия на тракт, одинаковые для встречных волн, не сказываются на разности фаз DJ_0. Реально оптические пути для волн могут быть по целому ряду причин неидентичны, что приводит к появлению фазовых сдвигов, не связанных с вращением. Их источниками могут быть стационарные и нестационарные механические воздействия, температурные градиенты, магнитные поля и нелинейные эффекты в ВС. Наиболее серьезными источниками являются невзаимные шумы ВС, обратное тиндалеворэлеевское рассеяние и поляризационные шумы. Для уменьшения влияния тиндалеворэлеевского рассеяния используют наиболее длинные волны, импульсный режим работы и источники излучения с малой длиной когерентности, при которой рассеянное назад излучение некогерентно с сигналом. Поляризационные шумы возникают вследствие различного состояния поляризации встречных волн, поэтому применяют, как правило, ВС и направленные ответвители, хорошо сохраняющие линейную поляризацию излучения. ВОД выполняют полностью волоконным. Для лучшего выделения полезного сигнала на фоне шумов используют усреднение сигнала, компенсацию взаимных возмущений, поляризационную фильтрацию излучения и специальные методы невзаимной модуляции. Эти меры обеспечивают возможность регистрации угловых скоростей порядка 0,1... 10 угл.град/час [5].

ВОД линейной скорости

ВОД линейной скорости используют методы лазерной доплеровской анемометрии. Скорость объектов определяется дистанционно путем измерения доплеровского сдвига частоты излучения, рассеянного движущимся объектом:

fD=(Ks Ko)V/(2p_0),

где Кs и Кo волновые векторы падающего и рассеянного излучения соответственно;