Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа (стр. 18 из 26)

Ситуация существенно улучшается, если фазовый модулятор устроен таким образом, что после конверсии поляризационных мод излучение без временной задержки снова проходит в прямом или обратном направлениях по тому же оптическому пути, что и до конверсии. Технически, по-видимому, проще обеспечить обратное прохождение излучения. Поэтому мы ограничимся рассмотрением только этой возможности, и будем называть соответствующий фазовый модулятор модулятором отражательного типа.

Матрицу Джонса модового конвертора в фазовом модуляторе отражательного типа, с точностью до множителя, можно представить в виде

или (3.1)

В первом случае вся картина поля поворачивается на 90°, а во втором поля мод поворачиваются навстречу друг другу. Предположим, что мы имеем дело с модовым конвертором первого типа. Обозначив матрицу Джонса отрезка волокна (или интегрально-оптического волновода), на котором осуществляется модуляция N(t), будем иметь для матрицы Джонса всего фазового модулятора M₁(t ) (штрихом обозначена операция транспонирования):

M₁ (t) =N ^/ (t)K₁ N(t) = [detN(t )] K₁ (3.2)

При записи (3.2.) был использован тот факт, что матрицы Джонса взаимных элементов для встречных направлений распространения излучения связаны друг с другом операцией транспонирования.

Из (3.2) видно, что временная зависимость матрицы Джонса модулятора содержится только в численном фазовом множителе, откуда и

следует, что паразитная поляризационная модуляция в рассматриваемом случае отсутствует. Заметим, что при этом устраняется любой из типов паразитной поляризационной модуляции, в том числе и за счет модуляции дихроизма, причем эффективность фазовой модуляции удваивается по сравнению со случаем однократного прохождения излучения по модулирующему отрезку волокна или интегрально-оптического волновода.

Рис 3.1. Вариант включения отражательного фазового модуля- тора в схему волоконно-оптического гироскопа.

Возможная реализация отражательного фазового модулятора с модовым конвертором первого типа на основе Фарадеевского зеркала и способ его включения в схему интерферометрического волоконно-оптического гироскопа показаны на рисунке; отражательные фазовые модуляторы 3, 3^ò , состоящие из модулирующих отрезков волокна или интегрально-оптического волновода 5, 5^ò , ячеек Фарадея с углом вращения 45° 6, 6^ò и зеркал 7, 7^ò , выделены на этом рисунке штриховой линией.

В схеме интерферометрического волоконно-оптического гироскопа кроме контурного направленного ответвителя 1 используется еще один направленный ответвитель 4, с помощью которого и осуществляется включение в чувствительный контур 2 волоконно-оптического гироскопа одного или двух фазовых модуляторов отражательного типа.

При использовании в интерферометрическом волоконно-оптическом гироскопе двух фазовых модуляторов частоты модуляции и законы изменения фазы в модуляторах могут быть как одинаковыми, так и различными. Оптические длины путей с заходами в модуляторы 3 и 3^ò могут быть либо одинаковыми, либо отличаться на величину, существенно превышающую длину когерентности источника излучения. Это открывает дополнительные возможности в обработке сигнала интерферометрического волоконно-оптического гироскопа и его конструктивных решений.

Очевидно, что в интерферометрическом волоконно-оптическом гироскопе не обязательно устанавливать два фазовых модулятора.

При установке только одного фазового модулятора свободный выход направленного ответвителя 4 может быть использован для других целей. Для исключения влияния отраженного сигнала источник излучения должен подключаться к оптическому тракту волоконно-оптического гироскопа через оптический изолятор (на рисунках не показан). При использовании в фазовом модуляторе модового конвертора второго типа вместо (3.2) будем иметь:

(3.3)

Здесь

=

(t) (i, j = 1 , 2) - элементы матрицы N(t ), введенной выше. Из (3) следует, что, в отличие от предыдущего случая, паразитная поляризационная модуляция при произвольной матрице N(t) не устраняется.

Предположим, однако, что элементы N(t ) удовлетворяют соотношениям

. Тогда вместо (3.2) имеем

M₂(t ) = [ per N (t) ] K₂ (3.4)

где per N (t ) = n₁₁ n₂₂ + n₁₂ n₂₁ - перманент матрицы N(t ).

Таким образом, если равенства (3.4) имеют место, то и в модуляторе с модовым конвертором второго типа паразитная поляризационная модуляции будет устраняться.

Рассмотрим один частный случай. Предположим, что модулирующий отрезок волокна или интегрально-оптического волновода представляет собой линейную фазовую пластинку с азимутом быстрой оси, равным 0°. Тогда n₁₂ = n₂₁ = 0, так что паразитная поляризационная модуляция будет скомпенсирована.

Одна из возможных реализаций отражательного фазового модулятора с модовым конвертором второго типа представляет собой последовательное включение линейной фазовой пластинки с изменяющейся во времени фазовой задержкой и азимутом быстрой оси 0° , четвертьволновой фазовой пластинки с азимутом быстрой оси 45° и зеркала. Включение такого фазового модулятора в схему интерферометрического волоконно-оптического гироскопа может быть осуществлено так же, как и в предыдущем случае.

3.2. Компенсация избыточного шума в волоконно-оптическом гироскопе с ответвителем типа 3´3.

Один из путей повышения точности волоконно-оптических гироскопов связан с использованием в них суперфлуоресцентных волоконных источников излучения. Такие источники близки по свойствам к тепловым и характеризуются высоким уровнем избыточного шума. Эксперименты показывают, что избыточный шум доминирует над другими шумами уже при мощностях на фотодетекторе порядка 10 mW . Поэтому проблема уменьшения его влияния на точность гироскопов представляет большой интерес.

В когерентно-оптической связи для подавления избыточного шума гетеродина используется балансное детектирование. Балансное детектирование можно применить и в волоконно-оптических гироскопах, используя в качестве опорного сигнала излучение источника, задержанное на время прохождения света по оптическому тракту волоконно-оптических гироскопов.

Однако реализация балансного детектирования в обычной ”минимальной” схеме волоконно-оптических гироскопов с входным и контурным ответвителями типа 2´2 сопряжена с рядом трудностей, связанных с обеспечением когерентного взаимодействия информативного и опорного сигналов. Эта проблема решается значительно проще при использовании в схеме волоконно-оптического гироскопа направленного ответвителя типа 3 ´ 3.

Рис 3.2. Схема волоконно-оптического гироскопа с ответвителем типа 3´3.

На рис.3.2. представлена простейшая схема волоконно-оптического гироскопа с ответвителем типа 3 ´ 3. Излучение от источника (3) поступает через направленный ответвитель типа 3 ´ 3 (4) на входы чувствительного контура (5), а затем - на фотодетекторы (1) и (2), выходы которых подключены к дифференциальному усилителю (6). Каждая из встречных волн L и S в схеме (см. рисунок) является и информативной (сигнальной) и одновременно — опорной для другой волны, причем с точностью до множителя, в случае идеального направленного ответвителя имеем:

(3.5)

(3.6)

Здесь A и j - соответственно амплитуда и фаза волн, а j₀-невзаимный (саньяковский) фазовый сдвиг. Сигналы, поступающие на фотодетекторы:

(3.7)

(3.8)

где j₁ - разность фаз сигналов, прошедших через направленный ответвитель по ”прямому” и ”перекрестному” каналам.

Токи фотодетекторов (которые считаются идентичными):

(3.9)

где n₁ и n₂ - шумы фотодетектирования.

На выходе дифференциального усилителя

(3.10)

Таким образом, избыточный шум, обусловленный фоновой засветкой фотодетекторов, оказывается скомпенсированным. Из (3.9-3.10) следует также, что волоконно-оптический гироскоп с контурным направленным ответвителем типа 3´3 и балансным детектированием работает в квадратурном режиме, его оптический масштабный коэффициент такой же, как и в ”минимальной” схеме, однако электрический масштабный коэффициент меньше, поскольку j₁ ¹ p/2.

Рассмотренная схема представляет интерес для волоконно-оптического гироскопа грубого и среднего классов точности. Для волоконно-оптических гироскопов высокой точности можно использовать модифицированную ”минимальную” схему с направленным ответвителем типа 3´3. В этом случае в оба канала включаются дополнительные элементы 7, 8, обеспечивающие возможность повышения точности устройства за счет снижения уровня поляризационных шумов, устранения паразитной модуляции и других неблагоприятных факторов, рассмотренных в дипломной работе.