Микрооптический гироскоп

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 656

Микрооптический гироскоп

Е.В. Шалымов

(Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»)

Рассматривается принцип действия микрооптического гироскопа (МОГ), использующий его амплитудную характеристику для определения разности собственных частот резонатора интерферометра, пропорциональной угловой скорости. Анализируются характеристики кольцевого интерферометра с одной петлей связи между резонатором и вспомогательным волноводом и приводятся результаты его математического моделирования. В качестве альтернативы использованию амплитудной характеристики в МОГ, рассматривается возможность создания МОГ, использующего фазовую характеристику.

Потребность в недорогих компактных чувствительных элементах для инерциальных систем ориентации и навигации привела к появлению микромеханических гироскопов, активно развивающихся в настоящее время. Однако чувствительность современных микромеханических гироскопов к линейным ускорениям, вибрациям и ударным воздействиям ограничивает их область применения (см., например, [1,2]). В то же время продолжается развитие оптических (лазерных и волоконно-оптических) гироскопов, характеризующихся высокой точностью, практически не чувствительных к ускорениям и работающих в большом диапазоне скоростей [3,4]. Основными недостатками оптических гироскопов являются сравнительно высокая стоимость и большие габаритные размеры. Проблема минимизации стоимости и габаритов оптических гироскопов актуальна на сегодняшний день. гироскоп резонатор интерферометр

Развитие интегральной оптики создало базу для проведения работ, направленных на существенное снижение габаритных размеров и стоимости оптических гироскопов. Наиболее интересным вариантом построения оптического гироскопа с точки зрения миниатюризации является микрооптический гироскоп (МОГ) с пассивным кольцевым резонатором на основе утоплённых волноводов в планарном исполнении [5,6].

На сегодняшний день все известные прототипы МОГ предполагают использование амплитудной характеристики (работают по провалу или пику коэффициента пропускания) кольцевого интерферометра для определения разности собственных частот резонатора интерферометра, пропорциональной угловой скорости. Точность их измерений зависит от потерь. Чем меньше потери, тем выше точность. Однако снижение потерь сильно усложняет технологию изготовления МОГ. Использование фазовой характеристики позволит снизить технологические требования, так как при этом накладываются менее жесткие требования на потери.

Принцип работы МОГ

Рассмотрим принцип работы МОГ на примере схемы с пассивным кольцевым резонатором (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема МОГ с пассивным кольцевым резонатором (ПКР).

Излучение лазера Л делится Y-образным ответвителем Y-O на два пучка. Частоты пучков могут регулироваться при прохождении через фазовые модуляторы ФМ1 и ФМ2. С помощью направленного ответвителя НО3 волны вводится в ПКР в направлениях по и против часовой стрелки. Через направленные ответвители НО 1 и НО 2 излучение из ПКР попадает на фотоприёмники ФП1 и ФП2. По показаниям на фотоприёмниках система управления СУ подстраивает частоты пучков под резонансные частоты ПКР с помощью ФМ1 и ФМ2.

а) б)

Рис. 2. Интенсивность света на фотоприемниках ФП1 и ФП2.

Когда прибор неподвижен относительно инерциального пространства, резонансные частоты встречных волн одинаковы (см. рис. 2а) и определяются следующей формулой:

fm = mc/nL,

где m - целое положительное число; c - скорость распространения света в вакууме; n - показатель преломления; L - периметр резонатора.

При вращении, резонансные частоты расщепляются (см. рис. 2б) и их разность определяется следующей формулой:

fm,ccw - fm,cw = 4SЩ/лmL,

где S - площадь резонатора; лm = с/ f m; L - периметр резонатора; Щ - угловая скорость МОГ в плоскости рисунка 1.

В большинстве разработанных на сегодня прототипов МОГ, вычислительная система вырабатывает сигнал обратной связи для модуляторов, подстраивает частоты каналов под собственные частоты резонатора, определяет разность частот и вычисляет соответствующую ей угловую скорость. Таким образом амплитудная характеристика кольцевого интерферометра используется для измерения угловой скорости.

Кроме рассмотренной выше схемы МОГ, использующей кольцевой интерферометр с одной петлей оптической связи между кольцевым и вспомогательным волноводами, существуют и другие варианты реализации МОГ. Например, известна схема МОГ на кольцевом интерферометре с двумя петлями оптической связи, одна из которых используется для ввода излучения в резонатор, а другая для вывода. Однако, в этом случае, за счет использования двух петель оптической связи усложняется конструкция кольцевого интерферометра и увеличиваются потери энергии на прохождение интерферометра.

Микрооптический кольцевой интерферометр

Чувствительным элементом МОГ является микрооптический кольцевой интерферометр. Рассмотрим кольцевой интерферометр с одной петлёй связи между резонатором и вспомогательным волноводом (см. рис. 3).

Рис. 3. Кольцевой интерферометр с одной петлей связи.

Будем считать, что свет заводится в интерферометр через левый конец вспомогательного волновода, а выводится через его правый конец [7]. Тогда отношение напряженности электрического поля на выходе, к напряженности входе определяется следующей формулой:

,

где Kс - энергетический коэффициент связи вспомогательного волновода с резонатором; L - периметр резонатора; 1-exp(-сL)=P - доля мощности теряемая за один обход резонатора; д=2рnLf - набег фазы при однократном обходе периметра резонатора; f - частота волны; n - показатель преломления кольцевого волновода.

Используя данную формулу можно получить графики амплитудной и фазовой характеристик интерферометра приведенные на рис. 4 и 5 соответственно.

Рис. 4. Коэффициент пропускания интерферометра, рассчитанный для Р = 5% (а) и Кс = 0.05 (б). На рисунке (а) кривая (1) соответствует Кс = 0.01, кривая (2) Кс = 0.03, а кривая (3) Кс = 0.06. На рисунке (б) кривая (1) соответствует Р = 0%, кривая (2) Р = 1%, а кривая (3) Р = 6%.

Крутизна амплитудной характеристики и глубина её провалов зависит от коэффициента связи и уровня потерь в интерферометре (см. рис. 4а, 4б). Чем меньше потери, тем больше крутизна и резкость интерферометра, и как следствие выше предельная чувствительность. Но также при снижении потерь уменьшается глубина провалов. Соответственно, при отсутствии в резонаторе потерь, амплитудная характеристика не имеет провалов на собственных частотах резонатора (см. рис. 4б) и не возможно определить угловую скорость по провалам амплитудной характеристики. Стоит отметить что у реальных кольцевых интерферометров всегда присутствуют потери (P ? 0%). Однако, потери можно компенсировать, реализовав усиление внутри планарного волновода [8]. Таким образом, при снижении или компенсации потерь увеличивается чувствительность, но снижается вероятность обнаружения резонансных частот. Также снижение потерь усложняет технологию изготовления МОГ.

Фазовая характеристика близка к линейной около резонансных частот. При снижении потерь или увеличении коэффициента связи, увеличивается интервал в пределах которого она колеблется. Вплоть до [-р; р]. Крутизна фазовой характеристики резко увеличивается при снижении уровня потерь. И при снижении потерь ниже значения коэффициента связи, наблюдается фактически разрыв фазовой характеристики.

Как уже отмечалось ранее, при вращении кольцевого интерферометра его амплитудная характеристика расщепляется для волн обходящих резонатор по взаимно противоположным направлениям (см. рис. 2). Также, происходит расщепление фазовой характеристики кольцевого интерферометра (см. рис. 6).

Рис. 5. Графики сдвига фазы волны при прохождении интерферометра, рассчитанные для Р = 5% (а) и Кс = 0.05 (б). На рисунке (а) кривая (1) соответствует Кс = 0.01, кривая (2) Кс = 0.03, а кривая (3) Кс = 0.06. На рисунке (б) кривая (1) соответствует Р = 0%, кривая (2) Р = 1%, а кривая (3) Р = 6%.

Рис. 6. Расщепление фазовых характеристик кольцевого интерферометра.

На сегодняшний день все разработанные прототипы МОГ предполагают использование только амплитудной характеристики (см., например, [8-11]) для определения разности резонансных частот, пропорциональной скорости вращения. Результаты анализа характеристик кольцевого интерферометра показывают, что фазовая характеристика имеет отличительные особенности около собственных частот резонатора. Реализовать измерение фазы оптического сигнала напрямую нельзя, однако информацию о фазе можно получить, как, например, в волоконно-оптических гироскопах [4], из интерференционной картины. Возможно реализовать МОГ, в которых для определения разности собственных частот резонатора интерферометра (угловой скорости МОГ) используется только фазовая характеристика, а также МОГ, в которых используется как фазовая, так и амплитудная характеристики интерферометра. Предлагается разработать МОГ использующий фазовую характеристику для определения разности резонансных частот. Подобный подход позволит снизить потери кольцевого интерферометра а, следовательно, повысить точность измерений, сохраняя вероятность обнаружения резонансных частот. Также использование фазовой характеристики позволит снизить технологические требования к МОГ, так как при этом накладываются менее жесткие требования на потери.

Был рассмотрен принцип работы МОГ, основанный на использовании амплитудной характеристики кольцевого резонатора. Фазовая характеристика кольцевого интерферометра имеет отличительные особенности около собственных частот резонатора, которые позволяют использовать ее для определение скорости вращения. К преимуществам МОГ использующего фазовую характеристику относятся: нечувствительность к ускорениям, маленькие габаритные размеры и низкая стоимость по сравнению с волоконными и лазерными гироскопами, сниженные технологические требований по сравнению с МОГ, использующим только амплитудную характеристику. Ранее был разработан способ измерения угловой скорости с использованием фазовой характеристики. На основании этой работы была подана заявка на патент. В дальнейшем планируется продолжить разработку МОГ, использующих фазовую характеристику.

Автор признателен за поддержку в работе профессору д.т.н. Филатову Юрию Владимировичу и своему руководителю профессору, д.ф.-м.н., Венедиктову Владимиру Юрьевичу.

Литература

1. Schmidt G.T. INS/GPS Technology Trends // Advances in navigation sensors and integration technology. NATO RTO Lecture series 232, 2004.

2. А.М. Боронахин, Д.П. Лукьянов, Ю.Ф. Филатов. Оптические и микромеханические инерциальные приборы. - СПб.: ООО «Техномедиа» / Изд-во «Элмор», 2008. - 400с.

3. Chow W.W., Gea-Banacloche J., Pedrotti L.M., Sanders V.E., Schleich W., Scully M.O., The ring laser gyro, Rev of Modern Phys. 1985, 57, 61-104.

4. Hervй Lefиvre, "The Fiber-Optic Gyroscope", 1993, ARTECH HOUSE, INC.

5. Ford C., Ramberg R., Johnson K. Cavity element for resonant micro optical gyroscope // IEEE AES Systems Magazine, December 2000. P.33.

6. Li G., Winick K.A., Youmans B. Design, fabrication and characterization of an integrated optic passive resonator for optical gyroscopes // ION 60th Annual Meeting, Dayton, Ohio, June 7-9, 2004.

7. J.Bismuth, P.Revol, S.Valette, Low loss ring resonators fabricated from silicon based integrated optics technologies, Elect. Lett., v.27, p.722, 1991.

8. Hsien-kai Hsiao, K. A. Winick. Planar glass waveguide ring resonators with gain. Opt. Express 15, 2007.

9. Matthew Terrel, Michel J. F. Digonnet, and Shanhui Fan. Performance comparison of slow-light coupled-resonator optical gyroscopes. Laser & Photon. Rev. 3, No.5, 452-465 (2009) /DOI 10.1002/lpor.200810052

10. Xijing Wang, Zuyuan He, Kazuo Hotate. Resonator Fiber Optic Gyroscope with Digital Serrodyne Scheme Using a Digital Controller. Photonics in the Transportation Industry: Auto to Aerospace II, edited by Alex A. Kazemi, Bernard C. Kress Proc. of SPIE Vol. 7314, 731402

11. Hui Mao, Huilian Ma, Zhonghe Jin. Polarization maintaining silica waveguide resonator optic gyro using double phase modulation technique. February 2011 / Vol. 19, No. 5/ OPTICS EXPRESS 4632

Размещено на Allbest.ru