Исследование и разработка датчика угловой скорости вращения на базе многомодового волоконного кольцевого интерферометра Николаев, Владимир Александрович

Введение к работе

Актуальность работы. Оптические методы регистрации угловой корости вращения получили значительное развитие в последние годы, ; особенности это относится к волоконно-оптическим гироскопам(ВОГ). .оследним, в отличие от кольцевых лазерных гироскопов, присущи та-:ие достоинства как: возможность придания чувствительному элементу ірактически любой геометрической формы, малый вес, высокая техноло-ичность. Кроме того, как и все волоконно-оптические датчики, ВОГ ібладает высокой помехозащищенностью и может работать в тяжелых ус-ювиях (в агрессивных и взрывоопасных средах, при высокой температуре ).

Наиболее перспективными с точки зрения пороговых характеристик іредставляются ВОГ на основе одномодового волокна с сохранением по-іяризации. Однако, их практическая реализация связана с большими технологическими трудностями, ото вызвано в первую очередь неста-5ильностью фазовых сдвигов в одномодовых направленных ответвителлх, сложностью технологии одномодовой элементной базы, малой величиной эптической мощности, которая может быть введена от слабокогерентного источника в одномодовый световод. С другой стороны, многомодовая элементная база существенно проще, стабильнее и дешевле, выпускается серийно промышленностью, многомодовые световоды эффективно соединяются со слабокогерентным источником излучения.

Вышесказанное обосновывает актуальность темы диссертационной работы, посвященной подробному исследованию особенностей процессов, определяющих основные причины ошибок в многомодовых кольцевых интерферометрах, способов их устранения и разработке, на основе проведенных исследований, оптимальной схемы многомодового ВОГ.

Целью диссертационной работы являлось:

1. Проведение анализа ошибок ВОГ с учетом многомодового режима распространения оптического излучения по световоду.

2. Подробное исследование влияния дисперсионных характеристик многомодовых волоконных световодов и пространственно-временной когерентности источника излучения на пороговую чувствительность ВОГ.

3. Разработка методов и устройств для уменьшения случайной- составляющей выходного сигнала ВОГ.

4. Разработка оптимальной конструкции и режимов работы элементов многомодоеого ВОГ с предельными точностными характеристика;.!!!.

Ь. Исследование и разработка методики для экспрзсс оценки дисперсионных характеристик многомоловкх волоконных световодов.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующей:

1. Проведено исследование влияния характеристик волоконногс
световода и пространственно-временной когерентности источника hsj
чения на пороговую чувствительность устройств на базе многомодовс
волоконного кольцевого интерферометра (МВКИ).

Получено общее выражение для выходного сигнала МВКИ, котор< хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Выявлен ха] ктер и доминирующие причины ошибок в МВКИ. Показано, что перекрої ная интерференция может вносить существенный вклад в общую ошибку

2. Проведен анализ ошибок в БОГ для случая частичного сняті выроздония ыод по ыодовым группам. Показано, что наличие связи м< в нерегулярной ВС, при учете снятия выровдения мод по. группам приї цит к существенному снижению контраста интерференционной картины МВКИ, а следовательно, и отношения сигнал/шум в устройствах на № основе.

3. Показано, что при обработке сигнала на фиксированных га] никах при постоянной амплитуде модуляции, фазовый модулятор не ві сит дополнительных ошибок в ЮГ, связанных с различием глубины мі цуляции иод в ыногомодовом ВС.

4. Создано и исследовано устройство на основе динамической кодового смесителя для уменьшения случайной составляющей ошибки і локодового ВОГ. Данное устройство защищено авторским свидетельст:

5. Разработан алгоритм выбора оптимальной конструкции многі цового ВОГ, на основании которого создана опытная партия изделий

6. Предложен и экспериментально исследован метод оценки ди парсиондах характеристик иногомодовых ВС с помощью источника изл; чэния с регулируемой шириной спектра.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выпо, на в течение 1986-1990г г. в ранках хоздоговорных НИР, проводимы на кфэдре"Оптических систем передачи информации? ЛЭИС ии.проф, АІ.А.Бонч-Бруевича,

Результаты диссертационной работы использованы: І. В ОКР "Сенсор"при разработке и изготовлении опытной пар датчиков угловой скорости вращения в НПО "Волна? Экономический а факт от внедрения составил 149,75 тыс.руб.

7. В ОКР при разработке и изготовлении макета волоконно-оп-ического кольцевого интерферометра для анализа колебаний в упру-ой среде в организации п/я Г4І4І. Экономический эффект от внедре-ия составил 91 тыс.руб.

8. Основные положения и практические рекомендации диссерта-ии по разработке многомодового ВОГ использованы при изготовлении питной партии датчиков вращения в Государственной фирме "Светлина^ .Сливен, НРБ.

9. Предложенные в диссертации схемотехнические решения и реко-ендации использованы при изготовлении опытных образцов электронах локов обработки сигнала для многомодового волоконно-оптического атчика вращения в НПО "Научное приборостроение", г.София, НРБ.

10. Результаты экспериментальных исследований многомодового ОГ использованы при создании лабораторной работы "Волоконно-опти-еский гироскоп" по курсуй ветоводные измерительные системы" в ЛЭЛС м.проф.М.А.Бонч-Бруевича на кафедре ОСПЛ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссерїаци-нной работы докладывались, обсуядались и получили одобрение на:

1. Международном семинаре "Волоконно-оптические системы и эле-енты для них", г.Сливен, НРБ, 11-14 ноября 1987г.

2. УІ Всесоюзной школе-семинаре по оптической обработке ин-юрмации, г.Фрунзе, 22-28 сентября 1986г.

3. Ш Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии
системах передачи и обработки информация", г.Таллин; II—13 ноября

987г.

4. I Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической
вязи", г.Севастополь, 29-30 октября 1990г.

Ь. У Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические системы пе-іедачи", г.Москва, 24-26 мая 1988г.

6. Научно-технических конференциях ЛЭЛС им.проф.М.А.Бонч-Бру-
івича, І987-І990г.г.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

I. Устройствам на базе ГЛВКЛ с использованием нерегулярных-ВС ірисущи принципиально неустранимые ошибки, вызванные межмодовш вза-кодействием, причем, основной вклад вносят перекрестная интерферен-[ия меаду соседними модами и ошибки, вызванные кодовыми шумами на іходном ВС.

2. Наличие связи мод в нерегулярном ВС при учете снятия вы рождения мод по модовым группам приводит к тому, что в формирова ние полезного сигнала на выходе МВКЛ вносят существенный вклад лишь основные моди ВС. Это является основной причиной низкого ко раста интерференционной картини на выходе ВКИ, а следовательно,и отношения сигнал-шум.

3. Основним способом уменьшения величины ошибок в МВКЛ, вы ванных межмодовым взаимодействием, является использование слабок герентных источников излучения и ВС с возможно малыми потерями и аномальне большой дисперсией, в отличие от ВС обычно используемых связи.

4. Использование межмодовой гармонической фазовой модуляш известной амплитуды на входе многомодового ВОГ позволяет практик ски на порядок улучшить точностные характеристики устройства.

5. Использование источника излучения с регулируемой ширине спектра позволяет существенно упростить схему корреляционного ме тода измерения дисперсионных характеристик многомодовых ВС.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы і 12 работах, в том числе, в одном авторском свидетельстве на изобу тение. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти раз; лов (введения, четырех глав и заключения), списка литературы из наименований и приложения (акты о внедрении результатов работы), Общий объем составляет 187 страниц, "в том числе 44 рисунков.