Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор 8
Обзор современного состояния вопроса 8
Заключение по главе 1 20
Глава 2. Элементы волоконно-оптического гироскопа 22
2.1 Концепция волоконно-оптического гироскопа 22
2.2 Исследование оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения 26
2.2.1 Методика измерение h-параметра 26
2.2.2 Определение оптических потерь в волокне 29
2.2.3 Методика определения длины биений 31
2.2.4 Измерение числовой апертуры 33
2.2.5 Результаты исследования оптического волокна 36
2.3 Исследование источника света 38
2.3.1 Определение амплитудной характеристики источника света...38
2.3.2 Изучение спектра источника света v...39.
2.3.3 Измерение остаточной поляризации.. "..."..40
2.3.4 Измерение длины декогерентности 41
2.3.5 Результаты исследования источника света 42
2.4 Многофункциональная интегрально-оптическая схема 43
2.4.2 Диапазон рабочих длин волн 43
2.3.2 Методика измерения сквозных оптических потерь на рабочей поляризации 44
2.4.2 Измерение коэффициента подавления нерабочей поляризации 45
2.4.3 Методика измерения коэффициента деления между каналами 46
2.4.4 Измерение направленности 48
2.4.7 Определение паразитной амплитудной модуляции 49
2.3.5 Результаты исследования МИОС 50
2.5 Исследование волоконного контура 52
Заключение по главе 2 53
Глава 3. Некоторые вопросы технологий 54
3.1 Создание согласующего элемента 54
3.1.1 Расчет изменения параметров мод согласующего элемента 55
3.1.2 Методика изготовления согласующих элементов
3.1.4 Методика измерения числовой апертуры 64
3.1.5 Методика измерения эффективности ввода 67
3.2 Использование поляризационной интерференции для выделения оптических осей и юстировки 69
3.2.1 Поляризационная интерференция 69
3.2.2 Выделение осей 77
3.2.3 Юстировка 81
Заключение по главе 3 82
Глава 4. Испытания основных параметров ВОГ 83
4.1 Проверка стабильности сигнала на неподвижном основании 85
4.2 Определение систематической и случайной составляющей нулевого сигнала при рабочей температуре :...:\88 "
4.3 Спектральная плотность шума выходного сигнала 92
4.4 Воспроизводимость отклонения выходного сигнала от пуска к пуску 94
4.5 Определение чувствительности к изменению внешнего постоянного магнитного поля .05
4.6 Определение изменения отклонения выходного сигнала в диапазоне рабочих температур 98
4.7 Проведение испытаний на прочность и устойчивость к воздействию гармонической вибрации 102
Заключение по главе 4 : 103
Заключение
- Исследование оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения
- Расчет изменения параметров мод согласующего элемента
- Использование поляризационной интерференции для выделения оптических осей и юстировки
- Воспроизводимость отклонения выходного сигнала от пуска к пуску
Введение к работе
Актуальность
Общепризнанна перспективность волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) для систем управления и навигации движущимися объектами различного рода (наземный транспорт, суда, самолеты и т.п.). При этом востребованными являются ВОГ в широком диапазоне характеристик точности - от 10,0 град/час до 0, 001 град/час.
В США, Франции, Германии уже в течение нескольких лет серийно производятся системы ориентации и навигации различного назначения, использующие высокоточные ВОГ. Наиболее известными производителями являются предприятия Northrop Grumman, Honeywell, Ixsea, Al Cielo.
В России лидером по производству целого ряда ВОГ класса точности 10,0-1,0 град/час является ООО «Физоптика». Однако существует отставание от зарубежного уровня в области ВОГ навигационного класса точности (0,01 -0,001 град/час).
Точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа повышенной точности во многом зависят от характеристик его основных элементов и особенностей методик его сборки.
Таким образом, разработка волоконно-оптического гироскопа и методик его изготовления является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является разработка концепции построения волоконно-оптического гироскопа повышенной точности и методик его изготовления.
Для достижения цели в диссертации решены следующие задачи:
Проведен обзор существующих волоконно-оптических гироскопов.
На основании анализа литературы выработаны требования к элементам волоконно-оптического гироскопа повышенной точности, выбраны элементы и проведено исследование их характеристик.
Разработана методика выделения и идентификация оптических осей волокна с сохранением поляризации.
Разработана методика стыковки оптического волокна и канального волновода с контролем осей поляризации.
Методы исследования базировались на использовании методов
волоконной и геометрической оптики, теории гироскопов, методов
математической статистики. Адекватность теоретических решений
подтверждена экспериментальными данными.
Научная новизна исследования диссертационной работы:
Экспериментально и теоретически обоснована необходимость создания и применения в многофункциональной интегрально-оптической схеме разветвителя Х-типа, для обеспечения возможности высокоточной юстировки волокон с сохранением поляризации и канальных волноводов с учетом поляризации.
Предложены методики выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации, дающая возможность точно выделить оптические оси волокна.
Предложена методика стыковки оптического волокна и канального волновода с контролем осей поляризации, позволяющая производить совмещение оптических осей с минимальной погрешностью, порядка 0,05 град.
Предложена методика и способ изготовления согласующего элемента, позволяющий уменьшить потери при стыковке оптического волокна, сохраняющего поляризацию с числовой апертурой ~0,18 и канального волновода изготовленного по титан - диффузионной технологии с числовой апертурой —0,12.
Практическая значимость исследования
Результаты работы были использованы при разработке волоконно-оптического гироскопа повышенной чувствительности и позволили изготовить экспериментальные образцы с точностью не хуже 0,01 град/час и провести их испытания.
Методика для выделения и идентификации оптических осей волокна сохраняющего поляризацию позволили существенно сократить трудоемкость подготовительных сборочных и стыковочных операций при изготовлении
Предложена методика и способ изготовления согласующего элемента для стыковки оптического волокна сохраняющего поляризацию и
многофункциональной интегрально-оптической схемы, что нашло отражение в патенте №2326416 «СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОГЛАСУЮЩЕЙ СЕКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА».
Внедрение результатов. Полученные результаты использованы при разработке волоконно-оптического гироскопа и технологий его сборки в СП6ТУ ИТМО по заказу ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор».
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались: на межвузовских конференциях молодых ученых (СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург) IV (2007 г.), V (2008 г.); на конференции профессорско-преподавательского состава (СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург): XXXVII (2008 г.); на конференции молодых ученых ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург): XI (2009 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, из которых один патент.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 115 страниц машинописного текста с рисунками и таблицами, и списка литературы из 62 наименований.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Методика выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации.
Методика юстировки оптических осей канального волновода и волокна с сохранением поляризации.
Для точной юстировки оптических осей канальных волноводов на ниобате лития и волокна с сохранением поляризации, многофункциональная интегрально-оптическая схема должна иметь Х-разветвитель и канальные волноводы, выполненные по титан диффузионной технологии. Применение в многофункциональной интегрально-оптической схеме разветвителя Х-типа и канальных волноводов, выполненных по титан диффузионной технологии.
4. Методика и способ изготовления согласующего элемента для уменьшения потерь при стыковке оптического волокна и канального волновода с разными числовыми апертурами.
Исследование оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения
Одной из особенностью закрытой схемы обработки является применение случайной дополнительной модуляции.
Во всех типах гироскопов LITEF использует многофункциональную интегрально-оптическую схему [12] собственного производства. Оптические волноводы изготавливаются по протонно-обменной технологии и рассчитаны на рабочую длину волны 820 нм ± 40 нм.
LITEF выпускает МИОС с тремя типами модуляторов: 1. с аналоговым; 2. с цифровым; 3. со смешанным. МИОС с аналоговым модулятором LITEF применяет в гироскопах средней и высокой точности вплоть до гироскопов с нестабильностью нуля меньше 0,05 град/час [11].
МИОС с цифровым модулятором применяется в стандартных гироскопах серии p_FORS. Цифровой модулятор представляет собой 9-ти разрядный цифро-аналоговый преобразователь код — оптическая фаза.
МИОС со смешанным модулятором имеет смешанную аналогово-цифровую структуру и применяется в улучшенных гироскопах серии uFORS. Цифровой модулятор применяется как 12 разрядный цифро-аналоговый преобразователь. Аналоговый модулятор применяется для подстройки рабочей частоты гироскопа.
В [13] рассказывается о разработки телескопа SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy). Особенность этого телескопа заключается в том, что он устанавливается на борту самолета. При этом необходимо, чтобы система контроля стабилизировала положение телескопа в трех мерном пространстве с точностью порядка . 0,2 угловых секунд. Для этих целей необходим гироскоп, у которого дрейф и спектральная мощность шума не должны превосходить 0,003 град/час и 0,0003 градЛ/часа (цель 0,0002 градЛ/часа) соответственно при времени усреднения 4 с (наихудший случай). Разработчиком гироскопа для системы стабилизации была выбрана фирма Photonetics (сейчас Ixsea). Архитектура гироскопа FOG 180 такая же, как и у гироскопа FOG120 (Рис. 7). Различие заключается в изменении диаметра и длины волокна. FOG 120 имеет длину волокна 1000 м и средний диаметр 100 мм, a FOG 180 3400 м волокна и средний диаметр 150 мм. Источник света выполнен на оптическом волокне, легированное ионами эрбия, и имеет центральную длину волны излучения 1560 нм.
При этом гироскоп FOG180 конструктивно разделен на две части: чувствительный оптический блок и блок электроники.
После изготовления гироскопа его характеристики получились следующие: спектральная плотность шума - 0,00022 град/ часа, стабильность нуля при температуре от -20С до +80С - 0,003 град/час, динамический диапазон ±30 град/с, потребляемая мощность - 3 Вт.
Для уменьшения влияния температурных градиентов был спроектирован специальный куб, в котором пространственный градиент в наихудшем случае не превышал 1,1 К. Для этого, температура основания гироскопа поддерживается равной 0С, при температуре окружающего воздуха от 16 до 24С. В [14] рассказывается о результатах работы трех гироскопов FOG 180 в системе стабилизации телескопа SOFIA. При этом отмечается, что после проведения повторной калибровки в 2008 году всех трех гироскопов, они показывают такой же малый уровень шума, как и при первичной калибровке. Для одного гироскопа период между калибровками составил 9 лет, для двух других 5 лет.
Космическая отрасль является одним из потребителей гироскопов. В [15, 16, 17] рассказывается о результатах разработки гироскопов с классами точности 0,1 град/час, 0,01 град/час и 0,001 град/час.
В системе применяется четыре гироскопа. Структура гироскопа приведена на Рис. 8. При этом гироскоп разделен на две части: оптическую головку и оптоэлектронный блок, который включает в себя и источник света. Каждый гироскоп имеет свой эрбиевый источник света с центральной длиной волны 1550 нм. Для систем с точность 0,01 град/час диаметр гироскопа 120 мм, 0,001 град/час — 200 мм. СоНтще Satan few SMOT fitter Modiitkm "T -fr / r
Инерциальный измерительный модуль а - Astrix 120, б - Astrix 200. Одним из особых производителей является компания Honeywell. В некоторых гироскопах компании на катушку вместо волокна с сохранением поляризации наматывается обычное стандартное волокно [18], [19]. Это волокно подсоединяется к МИОС через оптические деполяризаторы.
В [18] описываются разработки компании. Для уменьшения стоимости гироскопов Honeywell разработала на стандартном одномодовом волокне гироскопы с дрейфом от 0,1 до 0,01-0,003 град/час.
Там же писан гироскоп с дрейфом 0,001 град/час, в котором использует волокно с сохранением поляризации. При этом длина использованного волокна составляет 2 км, внешний диаметр катушки 14 см. В схеме применен эрбиевый суперлюминесцентный волоконный источник света со спектром от 1,53 до 1,56 нм и мощностью излучения 5 мВт. Многофункциональная интегрально-оптическая схема выполнена на ниобате лития. Волноводы изготавливаются методом протонного обмена. В его оптической схеме (Рис. 10) для компенсации избыточного шума источника предусмотрен второй фотодиод.
Расчет изменения параметров мод согласующего элемента
Как видно из перечисленных возможностей этот сварочный аппарат позволяет контролировать ток дуги, время горения дуги, производить отжиг волокна после сварки. При визуальном контроле имеется возможность контроля формируемого согласующего элемента.
Как было сказано выше, предложенный метод создания согласующих элементов основан на работе сил поверхностного натяжения расплавленного волокна. Поэтому для проведения экспериментов сварочный аппарат устанавливался так, чтобы волокно, закрепленное выше электродов, располагалось вертикально. Для обеспечения свободы перемещения конца волокна находящегося ниже электродов нижний отключался нижний насос поджима. Диаметр получившегося утолщения измерялось при помощи микроскопа.
В качестве опытного образца было взято стандартное одномодовое волокно SM-28. Первым делом определялся ток дуги, при котором волокно начинало плавиться. Результаты эксперимента приведены в таблице №1.
Из таблицы видно, что волокно начинает заметно изменять свои размеры при токе дуги 15 мА. Поэтому данная точка выбрана как начальная точка для всех экспериментов при изготовлении согласующего элемента.
Следующим этапом стало снятие зависимостей диаметра формируемого согласующего элемента в зависимости от тока дуги и времени ее горения. Снятие характеристик происходило для токов дуги 15, 17 и 17,5 мА с шагом по времени горения дуги 1с. Результаты эксперимента приведены на Рис. 44. При этом на основе наблюдений время горения дуги равное 4с было выбрано как і крайняя точка из-за того, что к концу этого времени получившееся уширение волокна оказывалось выше электродов. 3 1 і і &Ю 15 мА DBP 17 мА яS3 2.5 - 17,5 мА / а. н нIDі / / относительное ..а 05 і і і t, с Рис. 44. Из Рис. 44 видно, что с увеличением тока и времени горения дуги диаметр согласующего элемента увеличивается. Были сделаны повторные измерения для токов дуги от 15 до 17 мА, с шагом 0,5 мА. Время горения дуги изменялось от 0 до 4с с шагом 0,5с. Графики относительного уширения для различных токов дуги в зависимости от времени горения дуги приведены на Рис. 45.
На рисунках отчетливо видно, что все графики при достижении 3 — 4 с начинают плавно загибаться. Визуальный контроль показал, что при времени горения дуги равным 3 — 4 с получающееся уширение оказывалось выше уровня электродов. Этот эффект отчетливо виден на графиках по плавному загибу в районе 3 - 4 с. График соответствующий току дуги равной 16 мА находится на уровне линии при токе дуги 15,5 мА. Скорее всего, это произошло из-за неправильного измерения начального диаметра волокна. По нашему мнению оптимальным режимом изготовления согласующего элемента являются режимы, ток дуги которых больше 17 мА, для которых зависимость уширения от времени близка к линейной функции.
Первые образцы согласующего элемента изготавливались из волокна с числовой апертурой 0,2 и диаметром кварцевой части волокна 80 мкм путем оплавления конца оптического волокна (Рис. 46 а). Волокно в зону расплавления подавалось сверху вниз, тогда расплавленный материал волокна под действием сил поверхностного натяжения формировал каплю, которая понималась вверх по волокну. Путем регулирования температуры в зоне расплавления регулировалась скорость формирования капли, а временем нагрева - ее диаметр. Во время изготовления нескольких образцов согласующего элемента по этой методике было выяснено, что сложно контролировать процесс формирования осе симметричной капли и соосное расположение сердцевины оптического волокна и сердцевины согласующего элемента.
Для решения этих вопросов было предложено формировать утолщение не на конце оптического волокна, а отступив некоторое расстояние от конца (Рис. 46 б). При изготовлении часть образцов отбраковывались сразу из-за несимметричности утолщения, изгибов сердцевины. Образцы, прошедшие визуальный контроль, вклеивались в стеклянные трубочки для полировки. Во время полировки визуально контролировалось уменьшение диаметра светового пучка на экране, расположенном на определенном расстоянии от согласующего элемента. Как только диаметр светового пятна начинал увеличиваться, полировка прекращалась.
Методы формирования утолщения В результате по этой методике было изготовлено несколько образцов согласующих элементов, для которых было измерена числовая апертура, эффективность ввода света из титан-диффузионного волновода на ниобате лития оптимизированного под стандартное одномодовое волокно.
Измерения числовой апертуры проводились на установке, схематично изображенной на Рис. 47. Значение числовой апертуры определяется как синус половины угла, при котором интенсивность излучения в дальней зоне составляет 1/е" максимального значения.
Схематическое изображение установки для измерения NA методом дальней зоны, ФД - фотоприемник, К - коллиматор. Для этого волокно закрепляется на поворотном столике гониометра, а мощность меряется фотоприемником. Искомая величина NA = sin \ J где в - аппертурный угол. Измерение числовой апертуры (угловой расходимости) для согласующего элемента проводились в двух перпендикулярных плоскостях для того, что бы обнаружить смешение максимума.
Следует также отметить, что производитель волокна зачастую дает значение NA, вычисленное по показателям преломления заготовки NA = yjnf - п\ где /7/ - показатель преломления сердцевины заготовки; п2 — показатель преломления кварцевой оболочки заготовки. На Рис. 48 - Рис. 50 приведены диаграммы направленности для нескольких образцов в двух перпендикулярных плоскостях. На всех графиках приведена экспериментальная характеристика и ее аппроксимация гауссом: х-BY f(x) = Ae {с где А, В, С - коэффициенты, вычисляемые при аппроксимации.
Использование поляризационной интерференции для выделения оптических осей и юстировки
Для измерения потерь возникающих на стыке канальный волновод согласующий элемент была собрана установка, приведенная на Рис. 53. Титан-диффузионный канальный волновод устанавливался на трех-координатную подвижку. Согласующий элемент и образцы различных волокон закреплялись в и двух координатной угловой подвижке установленной на однокоординатной линейной подвижке. Для наблюдения за процессом стыковки был установлен микроскоп. Рис. 53. 1 - трех-координатная линейная подвижка 2-двух-координатная угловая подвижка, 3 - двух-координатная линейная подвижка В таблице №3 приведены эффективности ввода из канального волновода в одномодовое волокно, волокно с сохранением поляризации и согласующий элемент из этого волокна. Таблица №3. Мощность на фотоприемнике, дБ Потери на стыке, дБ Мощность на выходе ниобата лития -4,56 0 Одномодовое волокно SM-28 -6,02 1,46 Волокно с сохранением поляризации -6,58 2,02 Волокно с сохранением поляризации с согласующим элементом -6,02 1,46 Таким образом, применение согласующего элемента позволяет уменьшить потери при стыковке оптического волокна 1 типа и канального волновода изготовленного по технологии диффузии титана на 40%. Одной из проблем является выделение оптической оси волокна с сохранением поляризации. Для решения этого вопроса можно применить поляризационный метод, основанный на применении интерферометра Майкельсона.
Где ОВ - оптическое волокно с сохранением поляризации; ИС - источник света; Kl, К2, КЗ — коллиматоры; П, А - поляризаторы; СД - светоделитель; 31, 32 - зеркала; ФД - фотодиод; а - угол между осью поляризатора П и быстрой осью оптического волокна; (3=45 - угол между осью поляризатора А и быстрой осью оптического волокна. Оптический сигнал можно представить при помощи преобразования Фурье через его спектральную плотность амплитуд:/ (/)= \A((o)eMdco
При проходе обеих волн через интерферометр Майкельсона, на выходе получим: Ехх = J_cos(a) )A(co)e {col+ do) Еп = =sin(a) ]л(а )е (в,+й)Ж» E2X = =cos(a) (coy d E21 =-±rsin(aUA(co)e {c +m+A« )da 2v2 _r 2-Л--АІ Aq = где A — фазовый набег, возникающий из-за разницы длин плеч интерферометра Майкельсона. Интерферируя, они дают следующую интерференционную картину: l(bL) = (\Elx+EiY + E2X+E2Y\2) = ((Elx +Е1Г+Е2Х + E2Y)(E IX + E 1Y + E 2X + E 2Y)) = ={EIXE[X )+(EIXE;} ) + (EIXE;X )+(E1XE;Y )+ + (EIYE1X ) + (ElYE lY ) + (EIYE2X ) + {EnE2Y ) + + (E2XElx) + (E2XK ) + {E2XElx) + (ЕгхЕ гу ) + +\E2YEXX J + \E2YEn J + \E2YE2X J + \E2YE2Y J где означает комплексное сопряжение. На основе анализа полученного выражения, можно сделать вывод, что часть слагаемых является комплексно сопряженными друг другу [44, 45]: Е\ХЕ2Х \Е2ХЕ\х) E\yE2Y =yE2YEiY) \XE\Y = {E1YE1X) E2XE2Y = \E2YE2X] \X 2Y = \ L2Y ! \x) Рассмотрим все слагаемые. Учитывая, что по [44], корреляционная функция сигнала есть преобразование Фурье от спектральной плотности мощности. ( (0)Яг)) = 1шЛ jx{t)y(t + r)dt Rw(r) = )gXY{co)e"4co где ё\ ) = ё.\{ajg} -к6») _ произведение спектральных плотностей мощности случайных процессов X и Y. Тогда x vb cos(a) cos(a) И КМ К 4 e aTLd6}= - —cos2 (a) J A2 (co)da = —cos2 (а)ГЛ.(0) ( u-) = sin(a) sin(a) )А(СО)ЄІ-А(СО)Є e »\ja = 1х 1 = —sin2 (а) \ A2 (co)dco =—sin2 (а)Г}.(0) V) = cos(a) cos(a)/4 1х 1 -— cos2 (а) \ А2 (со)dсо =—cos2 (а)Гх(0) 8 _І 8 1м 1 --sin2(a) f 2(ftj)/u; = -!-sin2(a)r!.(0) 8 ІЛ.: ЛЛ = — =cos(a)—p-cos(a) \А(со)е Л(со)е x 2v2 2v2 _,. - ( A- +4«)) 1 1 .Z-X-OL -ш = -cos2(a) J J2( y)e 6/ y = -cos2(a) Гл2(й;)е dco = -cos2 (а)Ке[г Y(AL) \ 8 _{ 8 jj. 8 (4A)= sin(a) sin (a) J H " Ц") - +M -L = 2-її-М 1 - / \ ґ ,т / \ -іЛ/» . -./ \ т ,-, і \ - —;— , 1 = -sin2(a) f 2(ffl)e- AV« = -sin2(a) \A2(co)e" X /fi = isin2(a)Re[lY (м)] 8 , 8 8 (EiXE ) = - cos(a)-j=sm(a) JA(co)e MA(co)e- Mew r[ Qda = .. . x 2ж1(пх-пг) = — cos(a)sin(a) \A2(co)e A m dco =—cos(a)sin(a) JA2(co)e x dco 8 8 , і = -cos(a)sin(a)Re[rAT(/[w.v-/i,.])] (jE2A,2V)=-i=cos(a)- =-sin(a) J (fi )e + p) (fi )e-,(«+A Vfflr /й) = 2л/2 2v2 _v. r = — cos(a)sin(a) j 42( »)e v dm ——cos(a)sin(a) \A2(co)e x dco = 8 -І 8 = -cos(a)sin(a)Re[rxT(/[nA.-n,])] (1Jr2V) = — cos(a)- sin(a) {л(«у( 0лЦй;)е (и+Me c/ y = = icos(a)sin(a) ]A2 (а ) ? ( -п "VW = -cos(a)sin(a) J J2 (й )г т( ("л " W = = -cos(a)sin(a)Re[rAT(/(«v-/7).)-AZ)] = -cos(a)sin (a) )A2 {a,)e,{ " dco = - cos (a) sin (a) )A2 (Й ) Д( (" ""Л Л» = 0 Оі = — cos(a)sin(a)Re Глт(/(и, -«V)-ALH Необходимо учесть, что потери в волокне и интерферометре Маикельсоне одинаковы для обеих поляризаций. Как следствие: Г(0) = Г (0) = ГД0) Г(М) = ГХ(АЬ) = Г(Щ Собирая все вместе, получим: /(AZ) = icos2(a)rx(0) + isin2(a)r[.(0) + icos2(a)rv(0) + isin2(a)r),(0) + о О О 5 +icos2 (a)Re[rx (AZ)] + sin2 (a) Refr,. (AL)] + 8 8 1 1 +-cos2 (a)Re[rx (AZ)1 + -sin2 (a)Re[r;. (AL)1 + о 8 +-cos(a)sin(a)Re[r .(/[nv-n,.])] + -cos(a)sin(a)Re[rAy(/[/ijr-/ir])] + H—cos (a) sin (a) Re Г\т (l[ny -")]) +—cos(a)sin(a)Re Г п, (/[и -wy]) + 1 1 + +—cos (a) sin (a) Re[rAT (/ (иЛ. - «r) - AZ,) I +—cos(a) sin (a) Re І Г (/ (nY -nx)- AZ) J + —cos (a) sin (a) Re [Гд,} (/(«y -и}.)-AZ)l +—cos(a)sin(a)Re[r T (l(nY -nx)-AL)\ /(Ai) = -cos2(a)r(0) + -sin2(a)r(0) + icos2(a)Re[r(AZ,)] + isin2(a)Re[r(AZ,)] + H—cos(a)sin(a)Re r f/j , -wr]) +—cos (a) sin (a) Re Глт(/[% -wt])J + +—cos (a) sin (a) Re І Г (l(nx -иу)-Аі) ] + —cos (a) sin (a) Re І Гдт (l(nY -nx)-AL)j 4 v v / L - v v - / /J 4 /(AZ) = ir(0) + iRe[r(Al)] + H—cos (a) sin (a) Re І Гдт (/[«v _и}-])1 + +—cos(a)sin(a)Re[rAT (/(ил. -иг)-Аі)! +—cos(a)sin(a)Re Г (/(wt- -их)-AZ,)J 4 / \ / L л v v / /j 4 Из формулы видно, что при вводе линейно поляризованного света под произвольным углом к осям волокна с сохранением поляризации расположенного на входе интерферометра Майкельсона, на выходе интерферометра будет наблюдаться несколько интерференционных картин, расположенных на разных длинах плеча.
Два последних слагаемых в формуле представляют собой интерференционные картины от двух ортогональных поляризаций, распространяющихся вдоль осей волокна, расположенные на одинаковой длине плеча интерферометра Майкельсона, но при разных направлениях сдвига зеркала. При вводе линейно поляризованного света в одну из осей интерференция пропадает (Рис. 55). Поэтому поляризационную интерференцию можно применять для выделения осей волокна по угловому положению входного поляризатора.
Воспроизводимость отклонения выходного сигнала от пуска к пуску
Таким образом, в третьей главе для уменьшения потерь при стыковке оптического волокна 1 типа и канального волновода изготовленного по технологии диффузии титана предложен способ изготовления согласующего элемента, который изготавливается на конце оптического волокна. Также описаны методика выделения и идентификации оптических осей волокна и методика стыковки оптического волокна сохраняющего поляризацию и канального волновода.
Объектом испытаний являлись три волоконно-оптических гироскопа собранных в триаду экспериментального образца прибора БИМ-3 (Рис. 63) разработки и изготовления СПбГУ ИТМО совместно с ФГУП ЦНИИ «Электроприбор». Основным проверяемым параметрам прибора БИМ-3 являются [57-60]: 1. Проверка стабильности сигнала на неподвижном основании. 2. Определение систематической и случайной составляющих нулевого сигнала БИМ-3. 3. Определение спектральной плотности шума выходного сигнала. 4. Определение воспроизводимости отклонения выходного сигнала от пуска к пуску. 5. Определение чувствительности к изменению внешнего постоянного магнитного поля. 6. Определение изменения отклонения выходного сигнала в диапазоне рабочих температур. 7. Испытания на вибропрочность и виброустойчивость, оценка полосы пропускания. 4.1 Проверка стабильности сигнала на неподвижном основании Одним из параметров, на который влияет качество стыковки, является стабильность сигнала на неподвижном основании. На Рис. 64 представлен график одной из реализаций. I 6,8 3,3 4 Зл2 оо„ О 6-7 З.2 І О 6,6 3.1 О 1 2 время, час Рис. 64. Одна из реализаций на неподвижном основании БИМ-3
Из таблицы 4 видно, что нестабильность среднего значения выходного сигнала от запуска к запуску при неизменном положении прибора (с полным выключением питания на 16-18 часов) не превышает 0,003 /ч.
СКО выходного сигнала от запуска к запуску для каждой катушки при сохранении ориентации прибора практически не изменяется. Таблица 4 - Результаты испытаний БИМ-3 № Дата, примечания Оси Среднее значение выходного СКО, град/ч сигнала, град/ч 50 Гц осреднение 100 с осреднение 15 мин за всю реализацию в устан.режиме за всюреализацию за всю реализацию в устан. режиме за всю реализацию в устан. . режиме 25.12.2008 X 6,7611 6,7661 0,61 0,012 0,0076 0,0096 0,0038 Y 3,2082 3,2077 0,60 0,008 0,0076 0,0034 0,0028 Z 13,0702 13,0739 0,36 0,013 _j 0,0108 0,0087 0,0061 29.12.2008 X 6,8081 6,8126 0,53 0,010 0,0070 0,0077 0,0028 Y 3,0266 3,0254 0,56 0,007 0,0064 0,0033 0,0023 Z 13,1661 13,1670 0,35 0,011 0,0106 0,0041 0,0042 02.02.2009 8,5 ч на плите X 6,9332 6,9393 6,59 0,011 0,0073 0,0084 0,0040 Y 2,9179 2,9164 0,65 0,007 0,0072 0,0031 0,0019 Z 13,0837 13,0879 0,36 0,012 0,0100 0,0075 0,0032 03.02.2009, 7,5 ч, относительно предыдущего положение не изменялось! X 6,9286 6,9365 0,59 0,011 0,0075 0,0090 0,0035 Y 2,9194 2,9184 0,65 0,007 0,0068 0,0036 0,0026 Z 13,0852 13,0918 0,36 0,012 0,0096 0,0081 0,0032 04.02.20097,5ч, развернули против часстр. в горизонте на 45 X 4,9452 4,9581 0,52 0,016 0,0078 0,0143 0,0041 Y -5,5982 -5,6007 0,79 0,008 0,0069 0,0037 0,0027 Z 13,0897 13,0980 0,37 0,013 0,0087 0,0098 0,0036 05.02.20097,5 ч, развернули по час. Стр.в горизонте на 90 X 5,9021 5,9121 0,76 0,014 0,0077 0,0114 0,0034 Y 4,7351 4,7343 0,52. 0,007 0,0065 0,0028 0,0022 Z 13,0651 13,0715 0,36 0,011 0,0102 0,0071 0,0046 Таблица 1 - Результаты испытаний БИМ-3 № 1 (продолжение) Дата, примечания Оси Среднее значение выходного СКО, град/ч сигнала, град/ч 100 Гц осреднение 100 с осреднение 15 мин за всюреализацию за всю реализацию за всю реализацию за всю реализацию 0б.05.2009,все катушки БИМ-3 лежат на плите X 12.6715 0.3064 0.0065 0.0025 Y 12.9626 0.2979 0.0056 0.0019 Z 13.0506 0.4096 0.0019 0.0055 06.05.2009,Х и Y лежат наплите, Z установленвертикально X 12.7475 — — — Y 12.9656 — — — Z 2.3022 - - - 15.05.2009,4,5 ч,Положение такое же, как02.02.2009 X 2.3016 9.3069 0.0292 0.0090 Y 7.1862 8.4220 0.0383 0.0311 Z 12.9510 0.4519 0.0469 0.0461 18.05.2009,6,5 ч,Положение такое же, как02.02.2009 X 2.3162 9.4342 0.0374 0.0192 Y 6.9462 8.4407 0.0654 0.0612 Z 12.8398 0.4049 0.0161 0.0142 28.05.2009 пуск на опт.столе, X поменян местами сY. закрыт кожухомк. 128 разъемы - от окнанаправлены Y 6.9447 3.4516 0.0516 0.5098 X 2.3875 1.6660 0.0094 0.0069 Z 12.7380 0.5563 0.0216 0.0204 04.06.2009, 15 ч, пуск на опт.столе с возд. подвесомзакрыт кожухом к. 128разъемы - от окна X 2.4500 1.6198 0,0179 0,0167 Y 7.1178 2.1049 0,0162 0,0127 Z 12.9649 0,6947 0,0145 0,0125 4.2 Определение систематической и случайной составляющей нулевого сигнала при рабочей температуре
