3.1 Источник света

Источник света является отправной точкой оптического сигнала в волоконно-оптическом гироскопе. Его основная функция - производить стабильный свет и отправлять его в систему. Часто используется низкокогерентный свет, такой как SLD или ASE источник света.

Рисунок 3.3 Источник света FOG

Свет, излучаемый источником, сначала попадает в соединитель, который равномерно разделяет свет на два луча и направляет их отдельно в последующие оптические пути (оптоволокно). Через соединитель первоначально однопутный свет распределяется для распространения в обоих направлениях по часовой стрелке и против часовой стрелки, закладывая основу для последующего использования эффекта Саньяка.

3.2 Соединитель

Оптический волоконный соединитель - это оптоволоконный компонент, предназначенный для перераспределения оптических сигналов. Он включает в себя различные оптоволоконные устройства, такие как оптические разветвители, оптические сумматоры и оптические соединители. Этот компонент может либо распределять сигналы от одного волокна к нескольким волокнам, либо объединять сигналы от нескольких волокон в одно волокно.

(1) X-Tип соединителя

Рисунок 3.4 Оптический волоконный соединитель

X-соединитель объединяет функции разветвителя и сумматора в одном корпусе. Он объединяет и распределяет оптическую мощность от двух входных волокон, а затем передает ее отдельно в два выходных волокна. Также известен как соединитель 2×2.

Рисунок 3.5 X-тип соединителя (2x2)

(2) Y-волновод

Y-образный волновод - это тип Y-образного соединителя, имеющий характерную Y-образную конфигурацию.

Свет от источника падает на Y-волновод и разделяется на два луча Y-образным разветвительным волноводом. Эти лучи распространяются в волоконной катушке по часовой стрелке и против часовой стрелки соответственно. После завершения одного полного цикла внутри волоконной катушки лучи воссоединяются в один луч Y-образным разветвительным волноводом и в конечном итоге достигают фотодетектора.

В дополнение к функциям разделения и объединения света, Y-волновод также может реализовывать функции поляризации и деполяризации, фазовой модуляции и так далее.

Рисунок 3.6 Многофункциональное интегрированное оптическое устройство оксида лития-висмута (Y-волновод)

3.3 Оптическое волоконное кольцо

После входа в соединитель 2×2 свет проходит через Y-волновод в оптическую волоконную петлю. Эта петля, образованная намоткой удлиненного волокна, позволяет свету распространяться по замкнутому пути. Когда свет распространяется по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно внутри петли, вращение волокна создает небольшую разницу во времени между двумя лучами, что приводит к разнице фаз. Это явление, известное как эффект Саньяка, формирует основной механизм, с помощью которого волоконные гироскопы обнаруживают информацию о вращении.

Для обнаружения небольших вращений оптические волокна требуют длины в сотни или даже тысячи метров. Хотя такие обширные оптические пути непрактичны, эффект Саньяка показывает, что чувствительность прямо пропорциональна площади, заключенной оптическим путем. Наматывая гибкое волокно несколько раз, мы можем поддерживать ту же эффективную площадь, значительно уменьшая ее физические размеры.

Рисунок 3.7 Оптическое волоконное кольцо

В волоконно-оптических гироскопах оптические волокна обычно наматываются в десятки, сотни или даже больше витков. Это связано с тем, что разница фаз, создаваемая эффектом Саньяка, зависит от эффективной площади, заключенной оптическим путем, а не только от размера одного витка. Увеличивая количество витков намотки, расстояние распространения света можно значительно увеличить в ограниченном объеме, тем самым усиливая разницу во времени и фазе, вызванную вращением.

Принцип можно просто понять так: чем дольше свет проходит через волоконную петлю, тем более выраженным становится эффект вращения. Это объясняет, почему высокоточные волоконные гироскопы обычно имеют более длинные волоконные петли, в то время как низкоточные или образовательные устройства используют относительно короткие длины волокон. Качество намотки волоконной петли напрямую влияет на точность измерения волоконного гироскопа, требуя специализированного высокоточного намоточного оборудования. Волоконные гироскопы не только полагаются на сложные физические принципы, но и требуют чрезвычайно строгих производственных процессов.

Рис. 3.8 Система волоконной петли

3.4 Фотоэлектрический детектор

В волоконно-оптических гироскопах фотодетектор расположен в конце оптической системы. Его основная функция - принимать световые сигналы, отраженные от волоконной петли, и преобразовывать их в электрические сигналы. Как устройство, основанное на фотоэлектрическом эффекте, фотодетектор преобразует оптические сигналы в электрические. Работая как человеческий глаз, он позволяет обнаруживать как видимые, так и невидимые слабые сигналы.

Оптическая интерференция возникает, когда два световых луча, распространяющихся по часовой стрелке и против часовой стрелки, снова сходятся внутри системы. Вращение создает разницу фаз между лучами, вызывая колебания интенсивности интерференционного света. Фотоэлектрические детекторы используют это явление для преобразования небольших изменений интенсивности в электрические сигналы. Поскольку интерференционные сигналы обычно чрезвычайно слабые, эти детекторы должны обладать высокой чувствительностью, чтобы последующие цепи могли точно захватывать информацию, связанную с вращением.

Рисунок 3.9 Фотоэлектрический детектор

3.5 Схема обработки сигнала

Электрический сигнал, выдаваемый фотоэлектрическим детектором, чрезвычайно слаб и не может быть использован напрямую. Поэтому требуется ряд этапов обработки сигнала для получения окончательного измерения угловой скорости вращения. Весь процесс можно условно разделить на следующие этапы:

Ø Предварительное усиление: Усиливает чрезвычайно слабые электрические сигналы до подходящего уровня для стабильной обработки последующими цепями.

Ø Преобразование и демодуляция сигнала: Усиленный электрический сигнал преобразуется в сигнал, обрабатываемый компьютером или цифровой схемой, и из него извлекается информация, относящаяся к разнице оптических фаз.

Ø Управление и вывод: Контроллер вычисляет значение, соответствующее угловой скорости вращения, на основе результатов демодуляции и предоставляет результат внешней системе через интерфейс вывода.

Рисунок 3.10: Схема обработки сигнала FOG (верхняя печатная плата на диаграмме)

IV. Резюме

Определяющей особенностью волоконно-оптических гироскопов является использование света, а не механических структур, для измерения вращения, что дает им явные преимущества в критических показателях производительности:

Ø Высокая точность: Система измеряет вращение, используя оптические принципы, исключая зависимость от механических вибраций для повышения точности.

Ø Стабильная производительность: Отсутствие высокоскоростных механических компонентов внутри обеспечивает минимальный дрейф во время длительной работы.

Ø Отличная вибро- и ударопрочность: Поддерживает надежную производительность измерений даже в вибрирующих средах, таких как самолеты и корабли.

Ø Высокая надежность и длительный срок службы: Оптические волокна и компоненты демонстрируют минимальный износ, что делает их идеальными для непрерывной долгосрочной работы.

Несмотря на превосходные характеристики, волоконно-оптические гироскопы не являются универсально применимыми.

Ø Большие размеры и вес: Необходимость наматывать длинные оптические волокна делает миниатюризацию сложной.

Ø Высокие затраты: Расходы увеличиваются из-за волоконных материалов, оптических компонентов и точных производственных процессов.

Ø Высокое энергопотребление: Не идеально для микроустройств с питанием от батареи.

Волоконно-оптические гироскопы не предназначены для замены всех гироскопов, а скорее для выполнения ключевой роли в областях, требующих высокой точности, надежности и адаптивности к окружающей среде. В отличие от обычных гироскопов MEMS (микроэлектромеханических систем), они функционируют больше как «профессиональный бегун на длинные дистанции» — отдавая приоритет стабильности и точности над экстремальной миниатюризацией и экономической эффективностью, молча поддерживая ориентацию в аэрокосмической, глубоководной и высокотехнологичной аппаратуре.

В следующий раз, когда вы сядете в самолет или представите себе глубоководный зонд, автономно перемещающийся, помните, что луч света может мчаться по тонкой волоконно-оптической петле, используя свою тонкую разницу во времени, чтобы указать нам путь.

​