Давно прошли те времена, когда капитаны кораблей отправлялись в дальнее плавание вооружившись лишь компасом и картой. Сегодня ни одно морское или воздушное судно не мыслимо без современной навигационной системы, позволяющей в любой момент определить точное положение корабля в пространстве. В современных навигационных системах используется целый ряд различных датчиков, позволяющих определить положение подвижного объекта: спутниковая навигация (GPS, GLONASS), гироскопы, акселерометры, одометры и т.д. Однако специалисты знают, что независимую навигационную систему можно создать только на основе инерциальные датчиков, таких как гироскопы и акселерометры .

Активное развитие и непрерывное совершенствование элементной базы волоконной и интегральной оптики в последние десятилетия привело к появлению нового типа инерциальных датчиков угловых перемещений – волоконно-оптическим гироскопам (ВОГ). Основными отличиями и преимуществами ВОГ по сравнению с механическими гироскопами являются: отсутствие подвижных деталей, устойчивость к ускорениям и вибрациям; малое время запуска; высокая чувствительность в широком диапазоне скоростей вращения; широкая полоса пропускания; высокая линейность передаточной характеристики; низкая потребляемая мощность; высокая надежность; большой срок службы (десятки лет); малые габариты и вес. В настоящее время ВОГ используются в качестве основного чувствительного элемента систем инерциальной навигации, систем ориентации и стабилизации положения объектов в пространстве.

Принцип работы ВОГ основан на эффекте Саньяка . На рисунке ниже представлена принципиальная схема такого прибора. Оптическое излучение от источника, проходя через X-ответвитель попадает на вход интегрально-оптической схемы, разделяется на два луча, которые распространяются по волоконно-оптическому контуру во встречных направлениях. Если контур находится в покое, разность фаз между лучами отсутствует (Δφ s = 0). При вращении контура относительно инерциальной системы отсчета возникает разность фаз Δφ s пропорциональная скорости вращения ВОГ. Изменение разности фаз приводит к изменению мощности излучения детектируемой на фотоприемнике.

C 2005г. в научно-исследовательском центре световодной фотоники (НИЦ Световодной фотоники) совместно с ЦНИИ "Концерн "Электроприбор" ведутся работы, направленные на создание волоконно-оптического гироскопа навигационного класса точности. В рамках этой работы сотрудниками и студентами кафедры в 2007-2008 гг. были разработаны и реализованы опытные образцы ВОГ, включающие в себя оптический контур, систему модуляции, электронику и программное обеспечение. Для решения каждой из перечисленных задач проделана огромная научно-исследовательская работа, написаны десятки статей и получено несколько патентов. Стоит отметить, что вопросу построения ВОГ посвящено несколько книг и монографий.

В 2013-2016 гг. при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 02.G25.31.0044) была проведена работа направленная на подготовку к серийному производству ВОГ класса точности 0.01 и 0.001 о /ч, в которой Университет ИТМО в лице НИЦ Световодной фотоники был выбран основным соисполнителем работ по научной части.

Расширяющиеся области применения ВОГ требуют постоянной модернизации и доработки прибора (уменьшение массо-габаритных характеристик, расширение динамического диапазона, рабочих температур, допустимых максимальных ударных нагрузок и т.д.) поэтому работа над проектом ВОГ постоянно продолжается.

Гироскоп предназначен для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, например роботов, электрокар, автомобилей, кораблей, самолетов, ракет и т. д. Гироскоп содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель с выходным волоконным концом, волоконный деполяризатор типа Лио, волоконный светоделитель и волоконный анизотропный контур. Деполяризатор состоит из двух отрезков анизотропного волокна. Светоделитель выполнен из анизотропного волокна и оптически связан с фотоприемником, с которого снимается выходной сигнал. В качестве первого отрезка деполяризатора использован волоконный конец излучателя, а в качестве его второго отрезка - входной конец светоделителя. Выходные концы светоделителя соединены с концами волоконного контура таким образом, что их оси анизотропии совпадают. Гироскоп представляет собой компактную конструкцию среднего класса точности, простую и технологичную в изготовлении. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка : появление фазового сдвига встречных электромагнитных (световых) волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Эффект прямо пропорционален угловой скорости вращения интерферометра, площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре и частоте излучения.

Принцип действия оптических гироскопов теоретически объясняется с помощью специальной теории относительности. Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта, в то время как в неинерциальной системе она может отличаться от данного постоянного значения. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения определяемая интерферометром разница во времени прихода лучей позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

Лазерный гироскоп

Лазерный гироскоп - оптический прибор для измерения угловой скорости, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка.

Находит применение в системах инерциальной навигации (определение координат и параметров движения различных объектов и управление их движением, основанное на свойствах инерции тел и являющееся автономным, т.е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов).

Устройство и принцип работы.

Лазерный гироскоп обычно представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые разрядом между анодами и катодом и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. В датчике формируется интерференционная картина из светлых и тёмных полос. Положение полос не меняется, если гироскоп не вращается (в плоскости кольцевого контура) относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте резонатора (корпуса гироскопа), фотоприёмники измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы.

Таким образом, в лазерном гироскопе создаётся и поддерживается стоячая волна, а её узлы и пучности в идеальном случае связаны с инерциальной системой отсчёта. На точность подобных гироскопов негативно обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и молекулах газа.

Рис.5. Схема лазерного гироскопа

Волоконно-оптический гироскоп

Волоконно-оптический гироскоп - это оптико-электронный прибор, измеряющий угловую скорость, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка.

Свойства прибора:

высокая точность;

малые габариты и масса конструкции;

большой диапазон измеряемых угловых скоростей;

высокая помехоустойчивость, благодаря диэлектрической природе волокна;

высокая надежность, благодаря отсутствию механических элементов.

Устройство и принцип работы. Лазерные лучи распространяются по замкнутому пути с помощью оптического волновода (световода). Для направления лазерного луча по замкнутому пути используется одномодовое оптоволокно, а лазерное излучение подаётся из внешнего источника. Для повышения чувствительности гироскопа и увеличения длины оптического пути используют световод большой длины (до 1000 м), уложенный витками.

Поворот гироскопа определяется посредством фотоприёмника, регистрирующего интерференционную картину пятен, создаваемую лучами.

На точность волоконо-оптических гироскопов, как и на точность лазерных гироскопов, негативное влияние оказывает обратное рассеяние.

Рис.6. Схема волоконно-оптического гироскопа

Принцип работы

В оптическом гироскопе широкое применение находят частотные и фазовые модуляторы .

Первого типа модуляторы переводят фазу Саньяка в переменные изменения разности частот противоположно бегущих лучей; при компенсации фазы Саньяка разностная частота пропорциональна угловой скорости вращения Ω. Достоинством частотных модуляторов при использовании в ВОГ является представление выходного сигнала в цифровом виде.

Второго типа модуляторы переводят фазу Саньяка в изменение амплитуды переменного сигнала, что исключает низкочастотные шумы и облегчает измерение информационного параметра.

Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями(области сжатия и разрежения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний.

Свойства прибора

Появлению такого прибора как волоконно-оптический гироскоп, способствовало развитие волоконной оптики, а именно разработка одномодового диэлектрического световода со специальными характеристиками (устойчивая поляризация встречных лучей, высокая оптическая линейность, достаточно малое затухание). Именно такие световоды определяют уникальные свойства прибора:

• потенциально высокая точность;
• малые габариты и масса конструкции;
• большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
• высокая надежность, благодаря отсутствию вращающихся частей прибора.

Лазерные гироскопы обладают рядом преимуществ по сравнению с электромеханическими. Эти преимущества открывают широкую перспективу в практическом использовании гироскопов на лазерах. Так, для конструкторов систем управления всегда весьма важно, каким способом и в каком виде снимаются с гироскопов выходные данные.

Лазерный гироскоп позволяет получить на его выходе очень удобные для управления сигналы, например, в виде последовательности электрических импульсов, полярность которых определяется направлением поворота гироскопа. Число одиночных импульсов пропорционально малым фиксированным приращениям угла поворота (например, одной секунде дуги). Полный угол поворота гироскопа находится по общему количеству импульсов. Еще более важным для конструкторов является точность работы прибора. Точность работы гироскопов на лазерах чрезвычайно высока. Так как по своему назначению они должны регистрировать скорость вращения меньше 0,1 град/ч, то это приводит к необходимости измерять разность оптических траекторий с точностью до 10 -5 нм и частотные изменения около 0,1 Гц (при рабочей частоте 10 14 —10 15 Гц).

Самая простая конструкция такого прибора представляет собой обычное устройство с тремя зеркалами-отражателями, размещенными по углам контура так, что образуется замкнутая траектория (кольцо) для светового луча. Лазерный луч (см. рис.) создается двумя квантовыми генераторами (ОКХ), один из которых посылает излучение по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки. Упоминание о двух ОКХ приводится с целью упрощения рассуждений. На практике в лазерном гироскопе может быть установлен один оптический квантовый генератор, имеющий два и более активных элементов, формирующих лучи, движущиеся в противоположных направлениях.

Отражаясь от зеркал, проходя от зеркала к зеркалу и, наконец, через полупрозрачное зеркало и призму, световое излучение ослабевает. Для поддержания световых волн в системе на уровне, необходимом для нормальной работы, нужно, чтобы коэффициент усиления световых лучей вдоль всего пути был бы не менее 1. Необходимо также, чтобы на длине пути лазерных лучей укладывалось бы целое число длин волн, генерируемых лазерами, т. е. сдвиг фаз световых колебаний в полости резонатора должен равняться нулю. Для выполнения последнего условия частота колебаний лазера должна быть такой, чтобы усидивающая среда дала коэффициент усиления, достаточный для компенсации потерь в отражающих и других элементах оптического контура лазера. Эта частота при работе ОКГ устанавливается автоматически.

При повороте кольцевого резонатора в инерциальном пространстве оптические пути, проходимые лучами, движущимися по и против часовой стрелки, оказываются неодинаковыми. Разность между оптическими путями приводит в этом случае к возникновению разности частот генерируемых колебаний (эффект Саньяка), которая и определяет скорость вращения резонатора.