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 ν_S, 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.