PL220969B1 - Światłowodowy żyroskop laserowy - Google Patents

Abstract

Żyroskop laserowy światłowodowy dwuczęstotliwościowy składający się ze sztywnego cylindra, na którym nawinięte są światłowody , znamienny tym , że dwa światło wody (a i b) umieszczone obok siebie nawinięte są na cylinder (C) wzdłuż linii śrubowej, z tym że początek światłowodu (a) połączony jest z modulatorem optoelektrycznym (M1), a początek światłowodu (b) połączony jest z modulatorem optoelektrycznym (M2), a wymienione modulatory połączone są z rozdzielaczem (demultiplekserem), (R), który połączony jest z laserem (L), natomiast końce światłowodów połączone są ze sprzęgaczem (multiplekser) (S) a ten z kolei połączony jest z detektorem fotoelektrycznym (D). Wyżej wymienione połączenia wykonane są w technice światłowodowej umożliwiającej transmisję wiązek światła wzdłuż opisanych połączeń , z tym że wiązki światła (e1 i e2) obiegają cylinder (C) w przeciwnych kierunkach.

Description

Przedmiotem wynalazku jest światłowodowy żyroskop laserowy dwuczęstotliwościowy, który jest urządzeniem do pilnowania kierunku odniesienia w systemach nawigacji.

Żyroskopy laserowe są szczytowym osiągnięciem technicznym i należą o urządzeń grupy hightechnology.

Z opisu patentowego US 4545682 znany jest żyroskop, w którym jeden światłowód nawinięty jest na cylinder podlegający przesunięciu o kąt δ. Światłowód ten jest zasilany światłem lasera o częstości kołowej ωι_ = ω₀. Światło laserowe w tym światłowodzie jest modulowane, a modulacji podlega faza światła laserowego.

Z brytyjskiego opisu patentowego GB 1210280 znany jest żyroskop, w którym światłowody wraz z laserem zasilającym światłowody tworzą spektrometr Sagnac'a (sS), przy czym spektrometr podlega przesunięciu kątowemu o kąt δ. Światłowody tworzące spektrometr Sagnac'a zasilane są światłem laserowym o częstości kołowej ωι_. Na jego wyjściu znajduje się interferometr i detekcji podlega obraz prążków interferencyjnych.

Z japońskiego opisu patentowego JPS 61122516 znany jest spektometr, w którym podobnie jak w powyższych patentach światłowód zasilany jest światłem laserowym, ale o częstości ωι_ i dodatkowo spolaryzowanym liniowo.

Znane z powyższych patentów żyroskopy są jednoczęstotliwościowe, w których następuje detekcja sygnału wyjściowego za pomocą techniki interferometrycznej i która powoduje z kolei niestabilność obrazu interferencyjnego. Na wyjściu takich żyroskopów laserowych jednoczęstotliwościowych występują szumy, a dodatkowo trudno jest stwierdzić, czy żyroskop laserowy pozostaje w bezruchu.

Współczesne żyroskopy laserowe wykorzystują technologię światłowodową i oparte są na wykorzystaniu interferometru Sagnac'a - interferometru ze stacjonarnym obrazem interferencyjnym, dla którego spełniony jest warunek: ω0 - ω1 = 0, dla Ω = 0, gdzie ω0 - to częstotliwość sygnału odniesienia, ω1 - częstotliwość wiązki niosącej informację pomiarową, a Ω jest katem obrotu żyroskopu.

Wszystkie żyroskopy spełniające powyższy warunek mają istotne ograniczenia polegające na tym, że:

- sygnał pomiarowy żyroskopu jest w takim samym paśmie częstotliwości jak szum żyroskopu, a to ogranicza rozdzielczości żyroskopu, co powoduje, że powrót układu do kierunku odniesienia obarczony jest błędem nieczułości żyroskopu;

- stabilność długookresowa żyroskopu warunkowana jest stabilnością częstotliwości generatora laserowego (dla lasera He-Ne stabilizowanego na jodzie stabilność ta jest równa 10^-11).

Wady znanych rozwiązań zostały wyeliminowane poprzez konstrukcję żyroskopu laserowego dwuczęstotliwościowego, według wynalazku i w którym wyeliminowano szumy poprzez oddzielenie pasma częstotliwości sygnału pomiarowego od pasma częstotliwości szumów. Dodatkowo uzyskano lepszą stabilność długookresową, która jest wynikiem uzależnienia sygnału pomiarowego żyroskopu od stabilności generatora elektrycznego, który jest sterowany zegarem cezowym i może mieć stabil-13 ność długookresową równą 10^-13.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji światłowodowego żyroskopu laserowego, który wyeliminuje wady znanych żyroskopów.

Cel ten realizuje światłowodowy żyroskop laserowy według wynalazku, w którym stanowiący jego podstawowy element laser jest połączony światłowodem z rozdzielaczem światła, w którym wiązka światła z lasera jest rozdzielona na dwa światłowody nawinięte na cylinder wzdłuż linii śrubowej, których końce są połączone z sumatorem za pośrednictwem modulatorów optoelektrycznych, natomiast sumator jest połączony światłowodem z detektorem fotoelektrycznym, przy czym w obu światłowodach wiązki światła są propagowane w przeciwnych kierunkach i w wyniku działania generatora elektrycznego mają różne częstotliwości.

W żyroskopie według wynalazku dla przesunięcia kątowego żyroskopu Ω = 0 spełniony jest korzystnie warunek: ω1 - ω2 = const.

Detektor fotoelektryczny żyroskopu według wynalazku jest korzystnie połączony elektrycznie z detektorem synchronicznym, który sterowany jest napięciem elektrycznym o częstotliwości z generatora elektrycznego.

Podzespoły składowe żyroskopu są korzystnie umieszczone na jednej platformie i mogą być wraz z nią obracane w płaszczyźnie tej platformy o kąt Ω.

PL 220 969 B1

Światłowodowy żyroskop laserowy według wynalazku charakteryzuje się tym, że jest wyposażony w dwa równolegle nawinięte światłowody na sztywnym cylindrze, z tym że początek jednego światłowodu połączony jest z modulatorem elektrooptycznym sterowanym napięciem elektrycznym o częstotliwości ω1, a początek drugiego światłowodu połączony jest z modulatorem elektrooptycznym sterowanym napięciem elektrycznym o częstotliwości ω2.

Sygnały optyczne wchodzące na obydwa modulatory pochodzą z jednego źródła światła lasera, a ich rozdział z tego źródła na modulatory dokonywany jest w rozdzielacz wiązek światła demultiplekserze.

Końce obydwu światłowodów są połączone ze sprzęgaczem (multiplekserem), który z kolei połączony jest z detektorem fotoelektrycznym.

Obie wiązki światła w światłowodach nawiniętych na cylinder obiegają go w przeciwnych kierunkach.

Zaletą światłowodowego żyroskopu według wynalazku jest jego stabilność uwarunkowana stabilnością długookresową częstotliwości generatora elektrycznego kontrolowanego za pomocą zegara cezowego o dokładności dwa rzędy lepszej niż zegary w znanych żyroskopach i wynoszącej 10^-13.

Inną zaletą żyroskopu według wynalazku jest ograniczenie szumów do poziomu λ 10^-6, (gdzie λ - długość fali wynikająca z częstotliwości ω1) i z taką rozdzielczością pomiaru żyroskop „pilnuje” kierunku odniesienia.

Światłowodowy żyroskop laserowy dwuczęstotliwościowy według wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie strukturę żyroskopu z uwidocznionym cylindrem z dwoma światłowodami, a fig. 2 - schemat blokowy żyroskopu z uwidocznionymi połączeniami i sygnałami pomiarowymi.

Przedstawiony na fig. 1 żyroskop składa się z cylindra C o osi O z kątem obrotu dwóch światłowodów Ω, dwóch światłowodów a i b z końcami a' i b', w których przepuszczana jest wiązka światła e1 oraz e2 z lasera L, rozdzielacza (demultipleksera) R, sprzęgacza światła (multipleksera) S który sumuje obie wiązki światła e1 oraz e2, z detektora D i dwóch modulatorów elektrooptycznych M1 i M2.

Na fig. 2 przedstawiono schemat blokowy żyroskopu oraz dodatkowo generator elektryczny Ge i detektor synchroniczny Ds wraz z połączeniami elektrycznymi do sterowania modulatorami elektrooptycznymi M1 i M2.

Działanie światłowodowego żyroskopu laserowego według wynalazku jest opisane poniżej:

- Laser L emituje wiązkę światła, która za pomocą światłowodu doprowadzana jest do rozdzielacza w którym dokonuje się podział wiązki na dwie wiązki światła, które z kolei są również za pomocą światłowodu doprowadzane do modulatorów M1 i M2. W modulatorach M1 i M2 wiązki światła są modulowane napięciem elektrycznym podawanym z generatora Ge odpowiednio: - wiązka światła e1 sygnałem o częstotliwości ω1, a wiązka e2 - sygnałem o częstotliwości ω2.

Obie wiązki światła e1 i e2 obiegają cylinder w przeciwnych kierunkach i są doprowadzane do sprzęgacza światła gdzie następuje sumowanie obu sygnałów świetlnych, a zsumowana wiązka świetlna z wyjścia sprzęgacza jest przesyłana do detektora D z którego otrzymany z zamiany w nim sygnału świetlnego sygnał elektryczny jest przesyłany do detektora synchronicznego Ds.

Detektor synchroniczny Ds jest sterowany sygnałem elektrycznym podawanym z generatora Ge o częstotliwości ω1, a sygnał wyjściowy żyroskopu jest proporcjonalny do kąta obrotu (Ω) całego żyroskopu.

Światłowodowy żyroskop laserowy dwuczęstotliwościowy według wynalazku jest urządzeniem, które jest przeznaczone do stosowania w dokładnych systemach nawigacji, oraz pomiarach ruchu obrotowego bryły Ziemi o wysokiej dokładności.

Stabilność długookresowa żyroskopu powoduje, że żyroskop ten może być zastosowany do subtelnych pomiarów geofizycznych na bryle Ziemi (badanie stabilności ruchu obrotowego Ziemi lub badanie ruchów płyt kontynentalnych skorupy Ziemi).

Użycie żyroskopu dwuczęstotliwościowego według wynalazku zwiększa dokładność systemów pomiarowych o dwa rzędy dokładności, a jego konstrukcja pozwala stosować go w trudnych warunkach eksploatacyjnych.

Claims (4)

1. Światłowodowy żyroskop laserowy składający się ze sztywnego karkasu o kształcie cylindra z nawiniętymi nań wzdłuż linii śrubowej światłowodami, znamienny tym, że stanowiący jego podstawowy element laser (L) jest połączony światłowodem z rozdzielaczem światła (R), w którym wiązka światła z lasera (L) jest rozdzielona na dwa światłowody (a i b) nawinięte na cylinder (C) wzdłuż linii śrubowej, których końce (a' i b') są połączone z sumatorem (S) za pośrednictwem modulatorów optoelektrycznych (M1 i M2), natomiast sumator (S) jest połączony światłowodem z detektorem fotoelektrycznym (D), przy czym w światłowodach (a i b) wiązki światła (e1 i e2) są propagowane w przeciwnych kierunkach i w wyniku działania generatora elektrycznego (Ge) mają różne częstotliwości (ω0 i ω1).

2. Żyroskop według zastrz. 1, znamienny tym, że dla przesunięcia kątowego żyroskopu Ω = 0, spełniony jest warunek ω0 - ω1 = const.

3. Żyroskop według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że detektor fotoelektryczny (D) jest połączony elektrycznie z detektorem synchronicznym (Ds), który sterowany jest napięciem elektrycznym o częstotliwości (ω1) z generatora elektrycznego (Ge).

4. Żyroskop według zastrz. 1 lub 2, lub 3, znamienny tym, że podzespoły składowe żyroskopu (D, C, M1, M2, S, R) są umieszczone na jednej platformie i mogą być wraz z nią obracane w płaszczyźnie tej platformy o kąt (Ω).