Изменение частоты.
П
ри
методе фазовой модуляции труднодостижим
широкий динамический диапазон и
стабильность масштабного коэффициента.
Одно из технических
решений
этой проблемы - включение в оптическую
систему фазового сдвигателя световой
волны с большим динамическим диапазоном
и хорошими линейными характеристиками
и применение нулевого метода
(гомодинирования). Все это сводится к
изменению частоты.
На рис. 24.6 приведена структура гироскопа, который спроектирован на базе метода изменения частоты. В данной системе между световыми лучами с левым и правым вращением плоскости поляризации благодаря частотному сдвигателю (акусто-оптическому модулятору - АОМ) возникает частотная разность Δω=2π(f1–f2). При этом в приемнике возникает разность фаз Δφ, пропорциональная частотной разности:
,
(24.8)
что позволяет реализовать здесь нулевой метод, т. е. компенсировать разность фаз, обусловленную эффектом Саньяка. Для этого регулируется частота f1. С учетом формул (24.5) и (24.8) получается
,
(24.9)
т. е. изменение частоты возбуждения АОМ должно быть пропорционально угловой скорости Ω.
Подсчетом Δf можно определить угловое положение. При этом достигается широкий динамический диапазон. Кроме того, в отличие от метода фазовой модуляции в выражение масштабного коэффициента не входит глубина модуляции и мощность источника света, а, следовательно, сравнительно легко добиться стабильности работы такого датчика.
Когда гироскоп находится в состоянии покоя, то между световыми волнами, распространяющимися в волокне в противоположных направлениях, имеется смещение частотной разности Δωв и при колебаниях центральной частоты источника света и длины оптического волокна возникает дрейф сигнала. Кроме того, иногда частота возбуждения АОМ достигает примерно 100 МГц, т. е. становится больше того значения Δf, которое компенсирует так называемое входное вращение и определяется из формулы (24.9). Поэтому, как показано на рис. 24.6, используя два АОМ, добиваются Δωв = 0. А для ликвидации фазового изменения, обусловленного эффектом Саньяка, оставляется только минимальная необходимая частотная разность Δf.
Поскольку в этом случае на участке между двумя АОМ световые лучи с левым и правым вращением плоскости поляризации сохраняют большую частотную разность (около 200 МГц), то дрейф, возникающий вследствие изменения длины оптического пути (изменение длины, в свою очередь, вызвано температурными отклонениями и механическими колебаниями этой части гироскопа), не оказывает влияния на характеристики метода фазовой модуляции.
Чувствительность гироскопа со схемой на рис. 24.6 повышается с помощью электронно-оптического фазового модулятора (ЭОМ), и в целом данную систему можно считать улучшенным вариантом системы с фазовой модуляцией. Практически, если исключить АОМ, гироскопы на рис. 24.5 и 24.6 структурно одинаковы.
Световое гетеродинирование.
При методах, описанных выше, частота световых волн с левым и правым вращением плоскости поляризации при входе светового детектора всегда одинакова, т. е. это методы гомодинного детектирования. Рассмотрим структуры интерферометров для гироскопов с гетеродинным детектированием. При этом разность фаз между двумя световыми волнами проявляется как фаза электрического сигнала разностной частоты и легко измеряется электрическим фазометром, что также допускает применение нулевого метода.
С
уществует
много вариантов применения светового
гетеродинирования в волоконно-оптическом
гироскопе.
Структура оптической системы гироскопа со световым гетеродинированием представлена на рис. 24.7. Световой луч разделяется с помощью дифракционной решетки на два луча с очень маленьким углом расхождения (около 10 мрад). Эти лучи, пройдя оптическое волокно в противоположных направлениях, подаются на АОМ. Угол дифракции АОМ такой же, как и у дифракционной решетки, вследствие чего АОМ здесь используется не только как частотный сдвигатель, но и как направленный ответвитель, а приемное устройство выдает сигнал разностной частоты. В данной оптической системе возможно разделение световых лучей, двигающихся в противоположных направлениях, но вследствие чрезвычайно малого угла дифракции эти лучи взаимодействуют и дрейф, обусловленный колебаниями среды, ослабляется. Кроме того, обычно при разности длины оптических путей возникает дрейф выходного сигнала вследствие частотного отклонения излучения источника, но в данной структуре эта разность очень мала. К тому же между лучами частотная разность отсутствует, а значит, проблем с частотным смещением здесь тоже нет.