Многомодовый волоконный лазерный гироскоп

Изобретение относится к лазерной измерительной технике. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп включает кольцевой лазер, состоящий из оптического усилителя, кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, фазового модулятора, с помощью которого создается частотная подставка, и волоконного разветвителя Х-типа, два порта которого служат для вывода части мощности излучения кольцевого лазера, устройство объединения выводимых из кольцевого лазера волн, фотоприемник и электронную систему. Также гироскоп содержит спектрально-селективный узкополосный фильтр, установленный в кольцевом лазере. Технический результат заключается в увеличении чувствительности гироскопа. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области лазерных информационно-измерительных систем, в том числе к ее важному разделу - лазерным гироскопам (ЛГ), используемым как датчики угловой скорости в различных системах и устройствах.

Известен полупроводниковый лазерный гироскоп (ПЛГ) с частотной подставкой (Прокофьева Л.П., Сахаров В.К., Щербаков В.В. Квантовая электроника, т. 44, №4, стр. 362, 2014 г.), который включает кольцевой лазер, состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ), кольцевого резонатора в виде смотанного в многовитковую катушку изотропного световода, фазового модулятора, контроллера поляризации и волоконного разветвителя Х-типа, а также еще один разветвитель Х-типа, фотоприемник, цифровой осциллограф и персональный компьютер, который работает в многомодовом режиме - в генерации участвует не менее 105 мод, что определяется большой длиной кольцевого резонатора.

Вышеописанное устройство позволило повысить чувствительность ПЛГ на 3-4 порядка, которая составила 10-200/ч, однако такая чувствительность является недостаточной для практического использования, что связано с большой шириной спектра генерируемого излучения, составляющей 5-10 нм и его дрейфом, а также с неуправляемым (случайным) характером поляризации излучения, неизбежным при использовании изотропных световодов.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности. Технический результат достигается выполнением многомодового волоконного лазерного гироскопа (МВЛГ) в виде устройства, содержащего кольцевой лазер, состоящий из оптического усилителя, кольцевого резонатора в виде световода, смотанного в катушку, фазового модулятора, с помощью которого создается частотная подставка, и волоконного разветвителя Х-типа, два порта которого служат для вывода части мощности излучения кольцевого лазера, устройство объединения выводимых из кольцевого лазера волн, фотоприемник, электронную систему, спектрально-селективный узкополосный фильтр, установленный в кольцевом лазере.

Целесообразно, чтобы электронная система включала генератор сигнала фазовой модуляции, аналого-цифровой преобразователь фототока, систему регистрации массива выборок фототока и специализированную ЭВМ для цифровой обработки массива выборок фототока.

Целесообразно, чтобы волоконный разветвитель Х-типа дополнительно выполнял роль устройства объединения выводимых волн, для чего на одном из его выходных портов формируется зеркало.

Целесообразно, чтобы в качестве оптического усилителя использовался полупроводниковый оптический усилитель.

Целесообразно, чтобы в качестве оптического усилителя использовался волоконный оптический усилитель, активированный ионами редкоземельного металла и имеющий ограниченную длину.

Целесообразно, чтобы в качестве фазового модулятора использовался волоконный пьезокерамический фазовый модулятор.

Целесообразно, чтобы в качестве фазового модулятора использовался электрооптический фазовый модулятор.

Целесообразно, чтобы кольцевой резонатор в виде световода, смотанного в катушку, был разделен на две части с соотношением длин 1:3, а между этими частями встроен электрооптический фазовый модулятор.

Целесообразно, чтобы кольцевой резонатор был выполнен в виде сохраняющего поляризацию световода (РМ-световод).

Изобретение поясняется чертежами, где изображены на:

Фиг. 1 - схема варианта МВЛГ с использованием спектрально-селективного элемента;

Фиг. 2 - схема варианта МВЛГ, в котором роль устройства объединения выводимых волн выполняет волоконный разветвитель с зеркалом на торце одного из выводов;

Фиг. 3 - схема варианта МВЛГ, в котором в качестве оптического усилителя используется волоконный оптический усилитель, активированный ионами эрбия;

Фиг. 4 - схема варианта МВЛГ, в котором используется электрооптический фазовый модулятор и

Фиг. 5 - схема варианта МВЛГ, в котором кольцевой резонатор в виде катушки световода разделен на две части, между которыми встроен электрооптический фазовый модулятор.

На Фиг. 1 приведена схема многомодового волоконного лазерного гироскопа (МВЛГ) 10. Устройство 10 содержит кольцевой лазер 1, включающий ПОУ 2, кольцевой резонатор в виде сохраняющего поляризацию световода (РМ-световода) 3 большой длины, смотанного в многовитковую катушку, фазовый модулятор 4, спектрально-селективный элемент 5, волоконный разветвитель Х-типа 6, а также еще один разветвитель 7 и фотоприемник 8; устройство 10 включает также электронную систему 9, состоящую из генератора сигнала фазовой модуляции 11, аналого-цифровового преобразователя фототока 12 (АЦП), системы регистрации массива выборок фототока 13 и специализированной ЭВМ 14.

Главной частью спектрально-селективного элемента 5 является узкополосный интерференционный фильтр 15. Современная элементная база волоконно-оптической техники предлагает широкую номенклатуру подобных устройств с различной центральной частотой пропускания и узкой спектральной шириной, вплоть до Δλ*=0,4 нм. Устройство 5 выполнено аналогично устройствам подобного назначения, используемым в технике плотного спектрального уплотнения, в которых узкополосный интерференционный фильтр 15 устанавливается между парой микрооптических коллимирующих и фокусирующих элементов (градиентных линз) 16 (Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П. Волоконная оптика и приборостроение. Машиностроение, 1987 г., стр. 268.))

В качестве ПОУ 2 используется лазерная структура InGaAsP/InP длиной l=1.2 мм, диапазон генерации 1.55 мкм; кольцевой резонатор составляет катушка РМ-световода 3 длиной L=500 м, радиус катушки R=5 см; фазовый модулятор 4, расположенный вблизи ПОУ 2, представляет собой РМ-световод длиной 10 м, намотанный на боковую поверхность пьезокерамического цилиндра. Вывод части мощности встречных волн, циркулирующих в кольцевом лазере, выполняет волоконный разветвитель Х-типа 6, коэффициенты передачи которого обеспечивают сохранение большей части мощности, не менее 90%, в кольцевом резонаторе; другой разветвитель 7 служит для объединения выводимых волн и подачи их на фотоприемник 8. ПОУ 2 и оба разветвителя, 6 и 7, имеют выводы в виде РМ-световодов; все элементы соединены между собой с помощью оптических разъемов или сварных соединений (на Фиг. 1 не показаны).

Режим генерации в устройстве 10, так же как в прототипе и во всех следующих вариантах МВЛГ, многомодовый, что при большой длиной кольцевого резонатора определяется малым спектральным интервалом между лазерными модами, но вместе с тем большая длина кольцевого резонатора уменьшает ширину зоны захвата, позволяя использовать частотную подставку, необходимую для работы любого ЛГ.

Электронная система 9 включает блок 11 для управления работой фазового модулятора, АЦП 12, выполняющего преобразование фототока из аналогового формата в цифровой, устройство накопления и первичная обработка массива выборок фототока 13 и специализированную ЭВМ1 4 для обработки массива выборок фототока и определения скорости углового вращения.

Назначение устройства 5, размещаемого внутри кольцевого резонатора - уменьшить погрешность измерения угловой скорости вращения, возникающую из-за большой ширины спектра генерируемого излучения Δλ, а также из-за его дрейфа, которые при Δλ=±5 нм могут составлять значительную величину - 0.3% при Δλ=±5 нм.

Известно, что определение угловой скорости вращения Ω в любом ЛГ сводится к определению частота биений выводимых волн νS, а затем вычислению искомой скорости вращения Ω с помощью соотношения

где

- масштабный коэффициент, R - радиус катушки и λ - длина волны излучения.

Как можно видеть из (2), неопределенность или неточность задания длины волны λ при расчете скорости вращения Ω может быть причиной значительной погрешности. Так, если ширина спектра или его дрейф, составляют величину Δλ=±5 нм (λ=1.55 мкм), то относительная ошибка в определении скорости вращения Ω, оцениваемая как ΔΩ/Ω≅Δλ/λ, составит 0.3%, что, как правило, недостаточно для использования ЛГ на практике.

Использование спектрально-селективного элемента с шириной полосы пропускания Δλ*=0,4 нм, позволяет уменьшить погрешность (нестабильность) определения скорости вращения ΔΩ/Ω до уровня 0.025%. Уменьшение погрешности, как можно видеть, существенное.

Большое значения для реализации поставленной цели имеет использование в устройстве 10 в качестве кольцевого резонатора РМ-световода, так как это позволяет исключить значительную часть нестабильностей в циркулирующих волнах, возникавших из-за деполяризации излучения в изотропном световоде.

На Фиг. 2 схема другого варианта МВЛГ - устройство 20, в котором функцию объединения выводимых волн выполняют волоконный разветвитель 6 с зеркалом 17 на торце одного из своих выводов, а все другие элементы те же самые, что в устройстве 10 - ПОУ 2, кольцевой резонатор в виде РМ-световода 3, смотанный в многовитковую катушку, фазовый модулятор 4, спектрально-селективный элемент 5, волоконный разветвитель Х-типа 6, фотоприемник 8 и электронная систему 9, состоящая из генератора сигнала фазовой модуляции 11, АЦП 12, системы регистрации массива выборок фототока 13 и специализированной ЭВМ 14.

Работа волоконного разветвитеяь 6 с зеркалом на торце вывода 17, основана на том, что первая волна, выводимая разветвителем 6, сразу же направляется по выходному порту данного разветвителя к фотоприемнику, а другая, начиная пробег к зеркалу, но отражаясь от него, возвращается к разветвителю 6 и с минимальными потерями, благодаря коэффициентам передачи разветвителя 6, попадает в тот же вывод, по которому распространяется первая выводимая волна к фотоприемнику 8. Зеркало 17 может быть диэлектрическим или металлизированным.

Преимущество данного варианта в том, что для изготовления МВЛГ требуется только один разветвитель Х-типа.

На Фиг. 3 схема еще одного варианта МВЛГ - устройство 30, в котором в качестве оптического усилителя используется волоконный оптический усилитель 23, активированный ионами эрбия, Er+, а все другие элементы - те же самые, что в устройстве 10, схема которого показана на Фиг. 1.

Устройство 23 включает среду усиления - одномодовый световод 24 с присадкой эрбия, лазер накачки 25 и оптический мультиплексор 26, с помощью которого волна накачки вводится в среду усиления. Рабочая длина волн, циркулирующих в кольцевом лазере 1 также 1.55 мкм, лазер накачки 25 генерирует на длине волны 0.98 мкм. Коэффициент усиления волоконного оптического усилителя при его, в принципе, неограниченной длине может компенсировать любые оптические потери для циркулирующих в кольцевом лазере волн. Однако так как реальные оптические потери в кольцевом лазере незначительные, то с большим запасом они могут быть компенсируются волоконным оптическим усилителем длиной не более 1 м.

Преимущество устройства 30 по сравнению с устройствами, использующими ПОУ, в том, что, волоконный оптический усилитель имеет минимальные потери при стыковке с световодом 3, а также, что не менее важно, значительно меньший уровень обратного рассеяния - оба фактора положительным образом скажутся на характеристиках МВЛГ, в том числе, позволят повысить чувствительность.

На Фиг. 4 схема варианта МВЛГ - устройство 40, в котором используется электрооптический фазовый модулятор 27, все другие элементы - те же самые, что в устройстве 10, схема которого на Фиг. 1.

Наиболее распространенным в волоконно-оптической технике электрооптическим фазовым модулятором является устройство на основе ниобата лития, LiNbO3. (В. Урик, Д. МакКинни и К. Вилльямс. Основы микроволновой фотоники. М., Техносфера, 2016 г. стр. 34). Преимущество данного устройства по сравнению с пьезомеханическим модулятором в широкополосности, что обеспечивает фазовую модуляцию в широком диапазоне частот и с произвольной формой модулирующего сигнала - в виде синусоиды, пилы, равнобедренного треугольник и т.д. Это предоставляет большие возможности для выбора формы частотной подставки и способа обработки выходного сигнала.

Особенностью использования электрооптического фазового модулятора является необходимость использования достаточно высокой амплитуды модуляции, что может быть причиной различного рода помех - паразитной модуляции интенсивности или даже разрушения модулятора. Избежать этого возможно, если использовать следующий вариант МВЛГ, в котором амплитуда сигнала модуляции существенно ниже, чем в устройстве 40.

На Фиг. 5 схема устройства 50, в котором кольцевой резонатор в виде РМ-световода, разделен на две части, 3' и 3'' с соотношением длин L':L''=1:3, между этими частями встроен электрооптический фазовый модулятор 27; все другие элементы, как и прежде, те же самые, что в устройстве 10, см. Фиг. 1.

В основе работы данного устройства следующие факторы. Во-первых, частотная подставка, необходимая для работы любого ЛГ, создается за счет специально создаваемой т.н. фазовой невзаимности для встречных волн, в результате чего фазы встречных волн существенно отличаются друг от друга.

Во-вторых, отличительное свойство внутрирезонаторной фазовой модуляции в кольцевом резонаторе ЛГ заключается в том, что, так как распространяющиеся в кольцевом резонаторе встречные волны не покидают резонатор, то модуляция, воздействующая на волны в каждый момент времени, сохраняется далее в волнах навсегда. Следовательно, фазы циркулирующих волн накапливаются, а точнее, возрастают или убывают в зависимости от текущего знака и значения сигнала модуляции, подаваемого на фазовый модулятор 27.

И, наконец, в-третьих, сигнал модуляции длительностью, равной половине времени пробега по полной длине кольцевого резонатора τ=(L1+L2)n/c, модулирует обе противоположно распространяющиеся волны, при этом каждая волна, циркулируя по кольцевому резонатору, заполняет половину полной длины резонатора. Это, а также конструкция устройства 50 с фазовым модулятором между двух катушек-световодов с соотношением длин 1:3 - приводит к тому, что через разветвитель 6 встречные волны пробегают поочередно, что обеспечивает условия для фазовой «невзаимности».

Таким образом, задавая соответствующую форму сигнала модуляции, в устройстве 50 можно организовать частотную подставку любой требуемой формы, при этом амплитуда модулирующего сигнала будет гарантированно ниже порога возникновения помех и разрушения.

Описанные выше варианты МВЛГ поясняют суть настоящего изобретения, при этом выбор конкретного варианта будет определяться техническими требованиями к параметрам, а также трудоемкостью изготовления.

Устройства по настоящему изобретению могут найти применение в навигации и автоматическом управлении движением, для индикации поворотов транспортных средств, для стабилизации антенн и телеобъективов в направлении движущихся объектов, в робототехнике и в других устройствах и системах.

1. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп, включающий кольцевой лазер, состоящий из оптического усилителя, кольцевого резонатора в виде световода, смотанного в катушку, фазового модулятора, с помощью которого создается частотная подставка, и волоконного разветвителя Х-типа, два порта которого служат для вывода части мощности излучения кольцевого лазера, устройство объединения выводимых из кольцевого лазера волн, фотоприемник и электронную систему, отличающийся тем, что дополнительно включает спектрально-селективный узкополосный фильтр, установленный в кольцевом лазере.

2. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что электронная система включает генератор сигнала фазовой модуляции, аналого-цифровой преобразователь фототока, систему регистрации массива выборок фототока, специализированную ЭВМ для цифровой обработки массива выборок фототока.

3. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что волоконный разветвитель Х-типа дополнительно выполняет роль устройства объединения выводимых волн, для чего на одном из его выходных портов смонтировано зеркало.

4. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве оптического усилителя используется полупроводниковый оптический усилитель.

5. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве оптического усилителя используется волоконный оптический усилитель, активированный ионами редкоземельного металла и имеющий ограниченную длину.

6. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фазового модулятора используется волоконный пьезокерамический фазовый модулятор.

7. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фазового модулятора используется электрооптический фазовый модулятор.

8. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой резонатор в виде сохраняющего поляризацию световода, смотанного в катушку, разделен на две части с соотношением длин 1:3, а между этими частями встроен электрооптический фазовый модулятор.

9. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве световода используется сохраняющий поляризацию световод.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к технологии ввода света, выходящего из нескольких волоконных лазерных устройств, в один оптический компонент и управления излучением, выходящим из таких лазерных устройств.

Лазерный источник содержит блок генерации лазерного луча, содержащий диодные лазерные источники для генерации первого лазерного луча, блок оптического усиления для накачки первым лазерным лучом и излучения второго лазерного луча, и оптический блок переключения и адресации лазерного луча, расположенный между блоком генерации и блоком оптического усиления и содержащий первую оптическую линию для транспортировки первого лазерного луча к первому выходу, вторую оптическую линию для транспортировки первого лазерного луча к усилительному модулю блока оптического усиления, и селекторное устройство, расположенное между входом и первой и второй оптическими линиями для направления первого лазерного луча к первой оптической линии, чтобы генерировать лазерный луч, имеющий более высокую мощность и более низкое качество на первом выходе, или к второй оптической линии, чтобы генерировать лазерный луч, имеющий меньшую мощность и более высокое качество на втором выходе.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный волоконный генератор содержит однонаправленный кольцевой волновод, выполненный с возможностью испускать серию импульсов.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный волоконный генератор содержит однонаправленный кольцевой волновод, выполненный с возможностью испускать серию импульсов.

Изобретение относится к области волоконно-оптических источников усиленной спонтанной эмиссии. Способ решает задачу стабилизации в диапазоне температур нескольких параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, построенного по двухпроходной схеме с двухсторонней накачкой легированного ионами эрбия активного волокна двумя лазерными диодами, в частности мощности и центральной длины волны или мощности и ширины спектра.

Изобретение относится к области волоконно-оптических источников усиленной спонтанной эмиссии. Способ решает задачу стабилизации в диапазоне температур нескольких параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, построенного по двухпроходной схеме с двухсторонней накачкой легированного ионами эрбия активного волокна двумя лазерными диодами, в частности мощности и центральной длины волны или мощности и ширины спектра.

Изобретение относится к технологии лазерной обработки материала, преимущественно к обработке поверхностного слоя металлического изделия сложной формы. Задачей изобретения является формирование максимально равномерного упрочненного слоя без оплавления поверхности при обработке по любым траекториям.

RGB источник света для осветительно-проекционной системы содержит красный, зеленый и синий лазеры, каждый из которых выдает случайно поляризованный одномодовый свет с шириной спектральной линии по меньшей мере 4 нм.

Группа изобретений относится к активным волоконным световодам с полностью волоконными вводом излучения накачки в первую оболочку. Волоконный световод-конус для усиления оптического излучения содержит сердцевину из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности, при этом диаметр сердцевины увеличивается по длине световода.

Группа изобретений относится к активным волоконным световодам с полностью волоконными вводом излучения накачки в первую оболочку. Волоконный световод-конус для усиления оптического излучения содержит сердцевину из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности, при этом диаметр сердцевины увеличивается по длине световода.

Изобретение относится к бесплатформенным инерциальным навигационным системам (БИНС). Заявленное изобретение представляет собой БИНС, включающую инерциальный моноблок, выполненный по меньшей мере с одной герметичной крышкой, и монтажную раму, снабженные фиксирующими элементами для закрепления моноблока на монтажной раме, при этом корпус моноблока имеет на наружной поверхности по меньшей мере одну ручку для переноса и перемещения моноблока в монтажной раме, а также соединительные элементы для электрической связи функциональных элементов БИНС с внешними устройствами, при этом упомянутые функциональные элементы размещены внутри инерциального моноблока и выполнены в виде связанных между собой БЧЭ, преобразователя сигналов датчиков, по меньшей мере одного вычислителя, а также источника вторичного питания, при этом согласно изобретению внутренняя полость инерциального моноблока содержит разделенные перегородкой первый и второй отсеки, причем в первом отсеке установлен БЧЭ, выполненный в виде единого корпуса кубической формы с герметизируемыми с помощью крышек четырьмя полостями, при этом в трех взаимно ортогональных полостях расположены кольцевые лазеры прямоугольной формы с функциональной электроникой лазерного гироскопа, а в четвертой - высоковольтный источник напряжения, устройство регулирования периметра и контроля лазерных гироскопов, а также блок из трех акселерометров, размещенных в едином жестком корпусе, обеспечивающем при его закреплении в БЧЭ параллельность осей чувствительности акселерометров и кольцевых лазеров, при этом корпус БЧЭ закрыт снаружи магнитными экранами и снабжен амортизаторами для крепления к стенкам инерциального моноблока, а во втором отсеке установлены упомянутые источник вторичного питания, преобразователь сигналов датчиков и по меньшей мере один вычислитель, при этом в герметичной крышке инерциального моноблока выполнен герметично закрывающийся съемный люк.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения линейной скорости на поверхности или внутри движущихся макрообъектов.

Настоящее изобретение относится к средствам адаптивной оптики и может быть использовано для стабилизации частоты кольцевого лазера в системах регулировки периметра кольцевого резонатора лазерного гироскопа.

Настоящее изобретение относится к средствам адаптивной оптики и может быть использовано для стабилизации частоты кольцевого лазера в системах регулировки периметра кольцевого резонатора лазерного гироскопа.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем, в частности бесплатформенных инерциальных навигационных систем.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем, в частности бесплатформенных инерциальных навигационных систем.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем, в частности бесплатформенных инерциальных навигационных систем.

Лазерный гироскоп содержит многоугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами, зеркала полного отражения, полупрозрачное зеркало, призму и внешний оптический резонатор для сопряжения полупроводникового лазера с оптическим моноблоком, выполненный из оптически прозрачного материала.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к системам навигации. Предложенные способы сборки кольцевого резонатора включают в себя установку зеркал, сварку электродов, электровакуумную обработку и герметизацию.

Изобретение относится к области приборостроения и касается лазерного гироскопа с компенсацией составляющей, вносимой виброподставкой. Лазерный гироскоп (ЛГ) содержит кольцевой лазер (КЛ), устройство виброподставки, блок обработки сигналов КЛ, выход которого подключен к блоку компенсации, датчик параметров относительных крутильных колебаний КЛ в виде оптико-электронной системы определения положения КЛ.

Изобретение относится к лазерной измерительной технике. Многомодовый волоконный лазерный гироскоп включает кольцевой лазер, состоящий из оптического усилителя, кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, фазового модулятора, с помощью которого создается частотная подставка, и волоконного разветвителя Х-типа, два порта которого служат для вывода части мощности излучения кольцевого лазера, устройство объединения выводимых из кольцевого лазера волн, фотоприемник и электронную систему. Также гироскоп содержит спектрально-селективный узкополосный фильтр, установленный в кольцевом лазере. Технический результат заключается в увеличении чувствительности гироскопа. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх