Изобретение относится к области приборостроения и может быть ис- пользовано для повышения чувствительности волоконно-оптических гиро- скопов на основе эффекта Саньяка.

Известен способ повышения чувствительности волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) на основе эффекта Саньяка, в котором для повышения чув- ствительности используется фазовая модуляция. В способе используется ВОГ, отдельными конструктивными элементами которого являются фазовый модулятор световых волн, идущих в оптическом волокне в разных направле- ниях, поляризатор и волоконный фильтр пространственных мод (Волоконно- оптические датчики/ Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу и др.; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с: ил.). В составе ВОГ используется длинное одномодовое оптическое волокно с низ- кими потерями, что повышает чувствительность ВОГ. К концу оптического волокна, используемого в качестве чувствительного элемента, присоединён фазовый модулятор световых волн, идущих в оптическом волокне в разных направлениях. Модуляция световых волн, идущих по часовой стрелке и про- тив неё, зависит от их взаимной синхронизации. При измерениях использует- ся временное различие в фазовой модуляции световых волн, идущих в про- тивоположных направлениях. Благодаря детектированию основной гармони- ки световой волны, выходной сигнал ВОГ пропорционален синусу угла, рав- ного фазовой разности световых волн разных направлений распространения, и при этом обеспечивается повышение чувствительности ВОГ. Использова- ние поляризатора в схеме ВОГ обеспечивает снижение дрейфа, обусловлен- ного колебаниями поляризации в оптическом волокне, что повышает ста- бильность выходного сигнала и, соответственно, чувствительность ВОГ. Во- локонный фильтр пространственных мод устанавливается между расщепите- лями луча и содержит одномодовое оптическое волокно - то же, что и для чувствительной катушки. Этот фильтр обеспечивает, чтобы световые лучи, введённые в оптическое волокно и излучаемые волокном, проходили одина- ковый оптический путь, объединялись и разъединялись в одной и той же точке расщепителя луча, а также имели бы одинаковую моду. Это позволяет устранить дрейф сигнала, обусловленный температурными колебаниями ха- рактеристик расщепителей луча, что повышает стабильность выходного сиг- нала и чувствительность ВОГ.

Недостатками способа являются:

1. Трудность обеспечения стабильности масштабного коэффициента, что ухудшает реальную чувствительность ВОГ.

2. Зависимость масштабного коэффициента ВОГ от глубины модуля- ции. Если состояние поляризации волны в оптическом волокне колеблется из-за фазового модулятора, то интенсивность выходного сигнала модулиру- ется и возникает дрейф нуля, т.е. не обеспечивается требуемая стабильность выходного сигнала.

3. Наличие колебаний (в расщепителе луча) отношения интенсивности прямого и обратного луча вследствие оптического эффекта ерра, что при- водит к колебаниям масштабного коэффициента, т.е. не обеспечивается дос- таточная стабильность выходного сигнала.

4. Наличие изменений амплитуды выходного сигнала из-за темпера- турных колебаний характеристик оптических элементов схемы ВОГ, т.е. не обеспечивается достаточная стабильность выходного сигнала.

5. Недостаточная чувствительность при измерении малых значений уг- ловой скорости.

Целью изобретения является повышение чувствительности ВОГ и ста- бильности его выходного сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что встречные световые по- токи с каждого из двух выходов кольцевого одномодового оптического во- локна направляются оптическими элементами ВОГ каждый в плоскость со- ответствующей ему фотопластинки с отражательной фурье-голограммой и являются для этих фурье-голограмм реконструирующими световыми пото- ками. Световые потоки, реконструированные отражательными фурье- голограмми, направляются на входную плоскость фотоприёмного устройства таким образом, чтобы эти световые потоки взаимно перекрывались и форми- ровали на этой плоскости интерферограмму с концентрацией энергии опти- ческого поля в её центральной части (Д. А. Безуглов, А.Г. Прыгунов, В. В. Трепачев. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространственно-спектральным методом. // Автомет- рия СО РАН N° 5, 1998, с. 27 - 37), что повышает чувствительность ВОГ. При вращении в инерциальном пространстве чувствительного элемента ВОГ (ка- тушки с кольцевым одномодовым оптическим волокном) встречные свето- вые волны в одномодовом оптическом волокне проходят различный оптиче- ский путь. Изменение длины оптического пути каждой из встречных свето- вых волн преобразуется соответствующей ей оптической системой в измене- ние параметров кривизны волнового фронта светового потока на выходе этой оптической системы. Световые потоки с выходов каждой из оптических сис- тем направляются оптическими элементами ВОГ на оптически связанные с этими элементами отражательные фурье-голограммы. При изменении пара- метров кривизны волнового фронта каждого из двух световых потоков, па- дающего на соответствующую ему отражательную фурье-голограмму и яв- ляющегося реконструирующим световым потоком для этой фурье- голограммы, изменяются кривизна и наклон волнового фронта светового по- тока, реконструируемого этой фурье-голограммой. Изменение параметров волновых фронтов световых потоков, реконструированных отражательными фурье-голограммами и падающих на входную плоскость фотоприёмного уст- ройства, приводит к соответствующему изменению координат максимумов и минимумов интенсивности оптического поля интерферограммы, формируе- мой ими на этой плоскости. Интерферограмма, формируемая на входной плоскости фотоприёмного устройства, обеспечивает разделение информации, закодированной в амплитуде и фазовом фронте каждого из интерферирую- щих световых потоков. Координаты максимумов и минимумов интенсивно- сти оптического поля на этой интерферограмме определяются кривизной волновых фронтов, а значит разностью фаз интерферирующих световых по- токов, а интенсивность света в интерференционных полосах определяется значениями интенсивности интерферирующих световых потоков. Координа- ты максимумов и минимумов интенсивности оптического поля этой интер- ферограммы остаются постоянными при изменениях в широких пределах ин- тенсивности каждого из световых потоков, интерферирующих на входной плоскости фотоприёмного устройства, а изменяются только при изменениях параметров кривизны волновых фронтов этих световых потоков. Угловая скорость вращения чувствительного элемента ВОГ определяется на основе измерения и анализа координат максимумов и минимумов интенсивности оп- тического поля интерферограммы на входной плоскости фотоприёмного уст- ройства, что обеспечивает стабильность и реальную независимость выходно- го сигнала ВОГ от колебаний интенсивности оптического поля на входной плоскости фотоприёмного устройства и шумов встречных световых потоков в оптической схеме ВОГ. Таким образом, обеспечиваются повышение чувст- вительности ВОГ и стабильность его выходного сигнала. Проведённый срав- нительный анализ выявил следующие отличия заявленного способа от спосо- ба-прототипа:

1. Способ характеризуется наличием дополнительных действий над ма- териальным объектом:

- использованием каждого из встречных световых потоков в оптиче- ской схеме ВОГ в качестве реконструирующего светового потока для соот- ветствующей ему отражательной фурье-голограммы;

- направлением световых потоков, реконструированных отражатель- ными фурье-голограммами, на входную плоскость фотоприёмного устройст- ва таким образом, чтобы эти световые потоки взаимно перекрывались и фор- мировали на этой плоскости интерферограмму с концентрацией энергии оп- тического поля в её центральной части;

- анализом координат максимумов и минимумов интенсивности опти- ческого поля интерферограммы, формируемой на входной плоскости фото- приёмного устройства.

2. Изменена совокупность действий над материальным объектом:

- угловая скорость, измеряемая ВОГ, определяется не по изменениям интенсивности оптического поля на входной плоскости фотоприёмного уст- ройства, а по изменениям значений координат максимумов и минимумов ин- тенсивности оптического поля на интерферограмме, формируемой на вход- ной плоскости фотоприёмного устройства;

- отсутствуют действия по фазовой модуляции световых потоков ВОГ, идущих во встречных направлениях;

- энергия встречных световых потоков, прошедших одномодовое опти- ческое волокно ВОГ и его оптические элементы, концентрируется отража- тельными фурье-голограммами в центральной части интерферограммы на входной плоскости фотоприёмного устройства;

- изменение длины оптического пути каждой из встречных световых волн преобразуется соответствующей ей оптической системой в изменение кривизны и наклона волнового фронта светового потока на выходе этой оп- тической системы;

- встречные световые потоки, прошедшие оптическое волокно, прохо- дят через оптические элементы ВОГ, направляются этими элементами каж- дый на соответствующую ему отражательную фурье-голограмму и выполня- ют функцию реконструирующих световых потоков для этих фурье- голограмм.

На фиг.1 представлен один из возможных вариантов структурной схе- мы устройства, реализующего заявляемый способ повышения чувствитель- ности волоконно-оптического гироскопа. На фиг.1 использованы следующие обозначения: 1 - лазер;

2 - расщепитель луча;

3, 4 - оптические разветвители;

5 - одномодовое оптическое волокно;

6, 7 - оптические системы;

8, 9 - поворотные зеркала;

10, 1 1 - отражательные фурье-голограммы;

12, 12' - лучи светового потока, реконструированного отражательной фурье-голограммой 10;

13, 13' - лучи светового потока, реконструированного отражательной фурье-голограммой 11 ;

14 - фотоприёмное устройство;

15 - линии связи, соединяющие выходы фотоприёмного устройства 14 с блоком обработки сигналов 16;

16 - блок обработки сигналов.

В качестве лазера 1 может быть использован одномодовый лазер, фор- мирующий когерентное оптическое излучение. В качестве расщепителя луча 2 могут быть использованы светоделительная пластина, светоделительное зеркало, светоделительная призма или светоделительный куб с линзовым устройством ввода светового потока в оптическое волокно. В качестве рас- щепителя луча 2 может быть использована также оптическая интегральная схема, предназначенная для волоконно-оптического гироскопа, имеющая линзовые устройства ввода светового потока в оптическое волокно и вывода светового потока из него, а также имеющая оптические ответвители (Воло- конно-оптические датчики/ Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу и др.; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с: ил.). В качестве оптических разветвителей 3, 4 могут быть использованы оп- тические разветвители типа Y. В качестве одномодового оптического волок- на 5 может быть использована катушка из длинного кольцевого одномодово- го оптического волокна с низкими потерями. В качестве оптических систем 6, 7 могут быть использованы оптические элементы, фокусирующие или рас- сеивающие световой поток. В качестве поворотных зеркал 8, 9 могут быть использованы оптические поворотные зеркала. В качестве отражательных фурье-голограмм 10, 11 могут быть использованы отражательные фурье- голограммы, экспонированные по оптической схеме в соответствии с про- странственно-спектральным методом голографической интерферометрии (Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемещений объектов на основе анализа волновых фронтов оптического поля с использо- ванием эталонных голограмм. птика атмосферы и океана. Т.8. N26. 1995. с.826-830; Звездина М.Ю., Прыгунов А.Г., Трепачёв В.В., Прыгунов А.А., Самоделов А.Н. Исследование условий экспонирования эталонной голо- граммы голографического интерферометра. // Физические основы приборо- строения, 2012. Том 1. Л 2, ISSN: 2225-4293, М.: НТЦ УП РАН. - с. 65-72.). В составе фотоприёмного устройства 14 могут быть совместно использованы матрица фоточувствительных элементов и матрица усилителей с порогом Шмитта. Блок обработки сигналов 16 предназначен для обработки сигналов, поступающих от фотоприёмного устройства 14, и может быть построен на основе использования микроконтроллеров (например, шестнадцати битного микроконтроллера MSP430F163) или выполнен на основе отдельных элек- тронных элементов. Для ввода световых потоков в одномодовое оптическое волокно 5 и вывода из него могут быть использованы линзовые устройства ввода и вывода (на структурной схеме, представленной на фиг.1 не показа- ны). Для ввода световых потоков в одномодовое оптическое волокно 5 и вы- вода из него может быть также использована оптическая интегральная схема, предназначенная для волоконно-оптического гироскопа, имеющая линзовые устройства ввода световых потоков в оптическое волокно и вывода световых потоков из него, а также имеющая оптические ответвители (Волоконно- оптические датчики/ Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу и др.; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с: ил.).

Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Излучаемое лазером 1 когерентное оптическое излучение направляется на расщепитель луча 2, который разделят его на два световых потока и, через размещённые в нём линзовые устройства ввода, направляет эти световые по- токи в оптическое волокно соответствующих им оптических разветвителей 3 и 4. С выходов оптических разветвителей 3 и 4 эти световые потоки по встречным оптическим путям направляются в одномодовое оптическое во- локно 5. Световые потоки, прошедшие по встречным оптическим путям од- номодовое оптическое волокно 5, через соответствующие им оптические раз- ветвители 3 и 4, поступают на входы соответствующих им оптических сис- тем 6 и 7. Оптические системы 6 и 7 преобразуют световые потоки, посту- пающие на их входы, в световые потоки со сферическими волновыми фрон- тами с другой кривизной их волнового фронта. С выходов оптических систем 6 и 7 световые потоки поступают на оптически связанные с ними поворотные зеркала 8 и 9, которые, в свою очередь, направляют их на оптически связан- ные с этими зеркалами отражательные фурье-голограммы 10 и 1 1. При этом, углы расходимости световых потоков на выходах оптических систем 6 и 7 соответствуют геометрическим размерам поворотных зеркал 8 и 9, а также отражательных фурье-голограмм 10 и 11. То есть, эти световые потоки, после отражения соответствующими поворотными зеркалами 8 и 9, при падении на оптически связанные с каждым из них отражательные фурье-голограммы 10 и 11 , в своём сечении не должны превышать геометрические размеры этих фурье-голограмм. Таким образом, оптические разветвители 3 и 4, оптические системы 6 и 7, а также поворотные зеркала 8 и 9 являются оптическими эле- ментами ВОГ, которые направляют встречные световые потоки с каждого из двух выходов одномодового оптического волокна в плоскости соответст- вующих им фотопластинок с отражательными фурье-голограммами 10 и 11. При падении на отражательную фурье-голограмму 10 светового потока от поворотного зеркала 8, отражательная фурье-голограмма 10 реконструирует световой поток со сферическим волновым фронтом, а расходимость этого светового потока ограничена лучами 12 и 12 - лучами светового потока, ре- конструированного отражательной фурье-голограммой 10. При падении на отражательную фурье-голограмму 1 1 светового потока от поворотного зер- кала 9, отражательная фурье-голограмма 11 реконструирует световой поток со сферическим волновым фронтом, а расходимость этого светового потока ограничена лучами 13 и 13 - лучами светового потока, реконструированного отражательной фурье-голограммой 1 1. Световые потоки 13 - 13 и 12 - 12 , дифрагировавшие от отражательных фурье-голограмм 9 и 10, направляются на входную плоскость фотоприёмного устройства таким образом, чтобы эти световые потоки взаимно перекрывались и формировали на этой плоскости интерферограмму с концентрацией энергии оптического поля в её централь- ной части. Электрические сигналы, пропорциональные освещённости каждо- го фоточувствительного элемента матрицы фоточувствительных элементов фотоприёмного устройствам усиливаются и по линиям связи 15, соединяю- щим выходы фотоприёмного устройства 14 с блоком обработки сигналов 16, передаются в блок обработки сигналов 16. В блоке обработки сигналов 16, на основе значений сигналов, поступающих в него из фотоприёмного устройст- ва 14, определяются координаты максимумов и минимумов интенсивности оптического поля или параметры пространственных частот интерферограм- мы на входной плоскости фотоприёмного устройства и, по их значениям, оп- ределяется величина угловой скорости, измеренной ВОГ.

При вращении в инерциальном пространстве чувствительного элемента

ВОГ (катушки с кольцевым одномодовым оптическим волокном 5) встреч- ные световые волны в одномодовом оптическом волокне 5 проходят различ- ный оптический путь и между ними возникает разность фаз, пропорциональ- ная угловой скорости Ω, обусловленная эффектом Саньяка. Изменение дли- ны оптического пути каждой из встречных световых волн преобразуется со- ответствующей ей оптической системой 6 и 7 в изменение кривизны волно- вого фронта светового потока на выходе этой оптической системы. Это зна- чит, что изменяются параметры кривизны волнового фронта каждого из двух световых потоков, направляемых поворотными зеркалами 8 и 9 на оптически связанные с ними отражательные фурье-голограммы 10 и 1 1. При изменении параметров кривизны волнового фронта каждого из этих двух световых по- токов, падающих на оптически связанные с ними отражательные фурье- голограммы 10 и 11 соответственно и выполняющих функцию реконструи- рующих световых потоков, изменяются параметры кривизны волновоых фронтов световых потоков, реконструируемых отражательными фурье- голограммами 10 и 1 1. Изменение параметров кривизны волновых фронтов световых потоков, реконструированных отражательными фурье- голограммами 10 и 11 и падающих на входную плоскость фотоприёмного устройства 14, приводит к соответствующему изменению на этой плоскости координат максимумов и минимумов интенсивности оптического поля. Ин- терферограмма, формируемая на входной плоскости фотоприёмного устрой- ства 14, обеспечивает разделение информации, закодированной в амплитуде и фазовом фронте каждого из интерферирующих световых потоков. Про- странственный спектр частот, а также координаты максимумов и минимумов интенсивности оптического поля на этой интерферограмме определяются кривизной волновых фронтов интерферирующих световых потоков, а интен- сивность света в интерференционных полосах определяется значениями ин- тенсивности интерферирующих световых потоков. Координаты максимумов и минимумов интенсивности оптического поля этой интерферограммы оста- ются постоянными при изменениях в широких пределах интенсивности каж- дого из световых потоков, интерферирующих на входной плоскости фото- приёмного устройства 14, а изменяются только при изменениях кривизны волновых фронтов этих световых потоков. Таким образом, значение угловой скорости вращения чувствительного элемента ВОГ (катушки с кольцевым одномодовым оптическим волокном 5) определяется в блоке обработки сиг- налов 16 на основе анализа координат максимумов и минимумов интенсив- ности оптического поля на входной плоскости фотоприёмного устройства 14 и не зависит от колебаний интенсивности оптического поля на входной плос- кости фотоприёмного устройства и шумов встречных световых потоков в оп- тической схеме ВОГ. Это позволяет сделать обоснованный вывод о том, что использование фотопластинок с отражательными фурье-голограммами 9 и 10 в ВОГ, структурная схема которого представлена на фиг.1 , обеспечивает по- лучение технического результата - повышение чувствительности измерения угловой скорости объекта

Проведённый патентный поиск показал, что предлагаемое изобретение в полной мере отвечает критерию новизны. ЛИТЕРАТУРА

1. Волоконно-оптические датчики/ Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу и др.; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с: ил.

2. Д.А. Безуглов, А.Г. Прыгунов, В. В. Трепачев. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространст- венно-спектральным методом. // Автометрия СО РАН Ns 5, 1998, с. 27 - 37.

3. Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемеще- ний объектов на основе анализа волновых фронтов оптического поля с ис- пользованием эталонных голограммУ/Оптика атмосферы и океана. Т.8. JST«6. 1995. с.826-830.

4. Звездина М.Ю., Прыгунов А.Г., Трепачёв В.В., Прыгунов А.А., Самоделов А.Н. Исследование условий экспонирования эталонной голограммы гологра- фического интерферометра. // Физические основы приборостроения, 2012. Том 1. » 2, ISSN: 2225-4293, М.: НТЦ УП РАН. - с. 65-72.).