21471

Волоконный гироскоп

Лекция

Физика

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка Рис. При радиусе оптического пути время достижения расщепителя лучей светом движущимся по часовой стрелке выражается как 1 в противоположном направлении 2 где с скорость света. Она не зависит от формы оптического пути положения центра вращения и коэффициента преломления. Структурные схемы гироскопов на эффекте Саньяка r и l частота генерации света с правым и левым вращением;  время необходимое для однократного прохождения светом...

Русский

2013-08-02

412 KB

36 чел.

18

PAGE  19

Лекция №8 Волоконный гироскоп

Рис.1. Эффект Саньяка при оптическом пути произвольной формы

Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инерциальной навигационной системы, обрабатывающей информацию о местонахождении самолета или судна с целью выведения его на курс. В состав этой системы обычно входит три гироскопа — для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей, три акселерометра — для определения скорости и расстояния и направлении трех осей и компьютер — для обработки выходных сигналов этих приборов. К самолетным гироскопам предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля 0,01/ч, динамический диапазон 6 порядков, высокая стабильность (10-5) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал. До сих пор применялись в основном механические гироскопы, работающие на основе эффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального пространства (закон сохранения момента количества движения). Это дорогостоящие приборы, поскольку требуется высокая точность формы тела вращения и минимальное возможное трение подшипников. В отличие от механических оптические гироскопы, например, волоконно-оптические, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую рядом достоинств, основные из  которых: отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к ускорению; простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность.

Кроме того, возможно снижение стоимости волоконно-оптических гироскопов за счет внедрения оптических интегральных схем. Наряду с использованием в самолетах и на судах можно ожидать по мере прогресса в технике гироскопов применения их в автомобилях, роботах и т. д.

Принцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка (Рис.1). По круговому оптическому пути, как показано на рис. 2, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью , между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.

Рис.2. Принцип возникновения эффекта Саньяка

Пусть коэффициент преломления на оптическом пути n=1. При радиусе оптического пути a время достижения расщепителя лучей светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как

       (1)

в противоположном направлении —

        (2)

где с — скорость света.

Из формул (1) и (2) разность времени распространения двух световых волн с учетом c>>a

      (3)

Это означает, что появляется разность длины оптических путей

         (4)

или, иначе говоря, разность фаз

        (5)

Здесь S — площадь, окаймленная оптическим путем; k — волновое число.

Формула (5) вытекает из формулы (3) при допущении, что n=1 и оптический путь имеет круговую форму, но возможно доказать, что формула (5) является основной для эффекта Саньяка. Она не зависит от формы оптического пути, положения центра вращения и коэффициента преломления.

Рис.3. Структурные схемы гироскопов на эффекте Саньяка

r и l - частота генерации света с правым и левым вращением; - время, необходимое для однократного прохождения светом кольцевого оптического пути; FSR - полный спектральный диапазон

На рис. 3 приведены общие схемы систем, разработанных для повышения точности измерений. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 3, а) отличается высокой частотой световой волны — до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на рис. 3, б имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.

 Кольцевой лазерный гироскоп.

Кольцевой лазерный гироскоп изготовляется подобно газовому лазеру:  в кварцевом блоке путем расплавления создается полость (канал) в форме треугольника и заполняется смесью гелия и неона. Длина волны  генерируемого лазером излучения 632,8 нм. Обычно частота генерации изменяется в зависимости от длины лазерного резонатора. И в данном случае частоты двух генерируемых световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях по треугольному оптическому пути (рис. 3, а), неодинаковы из-за разности оптической длины L [см. формулу (4). Поэтому можно использовать для измерений частоту  биений обеих генерируемых световых волн, а именно

         (6)

Здесь L — общая длина оптического пути в кольцевом резонаторе; — длина волны генерации в состоянии покоя.

Иначе говоря, измерив f, можно определить угловую скорость относительно инерциального пространства. Поскольку частота света составляет несколько сотен терагерц, даже ее незначительные изменения позволяют измерить разность частот.  Если выходным сигналом служит частота, пропорциональная угловой скорости, то подсчетом выходных волн можно определить приращение угла поворота в цифровой форме, что обеспечивает высокую точность  информации, подаваемой в навигационное вычислительное устройство. Измерение частоты возможно в широком динамическом диапазоне, а следовательно, и динамический диапазон кольцевого лазерного гироскопа вполне можно расширить и сделать достаточным для инерциальной навигационной системы. В этом большое преимущество данных гироскопов.

Исследование кольцевых лазерных гироскопов началось в 60-х годах. К настоящему времени достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки примерно 0,001/ч. В последнее время кольцевые лазерные гироскопы применяются в инерциальной системе отсчета не только в самолетах «Боинг» 757/767, но и в аэробусах А310. В Японии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01/ч.

Таким образом, кольцевой лазерный гироскоп достиг уже стадии практического применения, но, тем не менее, остается ряд нерешенных проблем:

1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости (влияние синхронизма).

2. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере.

3. Изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.

Из этих проблем самой важной является первая. При малых угловых скоростях уменьшается разность частот генерируемых световых волн, а это приводит к синхронизму (f=0) и невозможности обнаружения вращения. (Типичный порог обнаружения при этом 10/ч.) Зона нечувствительности, обусловленная синхронизмом, показана на рис. 3, a штриховыми линиями. Указанная выше разрешающая способность обнаружения 0,001/ч обеспечивается при подавлении явления синхронизма путем приведения всей системы к микроколебаниям (метод Дейза). Но нелинейность при незначительном повороте все же остается, кроме того, это означает, что не используется такое преимущество оптического гироскопа, как его неподвижность.

В кольцевом лазерном гироскопе возникает явление синхронизма, так как это активная конструкция и сама оптическая катушка для обнаружения вращения входит в состав лазерного генератора. Напротив, в интерферометре Саньяка, представленном на рис. 1, вышеупомянутое явление не возникает, поскольку это пассивная конструкция, при которой световой источник находится вне чувствительной петли. Основное внимание здесь уделяется оптическому волокну, снижению потерь в нем.

Рис.4. Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопа

На рис. 4 приведена оптическая схема волоконно-оптического гироскопа. По сути это интерферометр Саньяка (см. рис. 1), в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна. Часть схемы, обведенная штриховой линией, необходима для повышения стабильности нулевой точки. Таким образом, разность фаз между двумя световыми волнами, обусловленная эффектом Саньяка, с учетом формулы (5) выражается как

      (7)

где N — число витков в катушке из волокна; L — длина волокна; а — радиус катушки.

Следует обратить внимание на то, что в основные формулы не входит коэффициент преломления света в волокне.

Благодаря совершенствованию технологии производства выпускается волокно с очень низкими потерями. Чтобы не повредить волокно, намотка производится на катушку радиусом несколько сантиметров. При этом не  наблюдается сколько-нибудь заметного увеличения потерь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высокочувствительный интерферометр Саньяка с катушкой небольшого радиуса (2...5 см), намотав на нее волокно большой длины. Сформировав оптимальную оптическую систему, можно измерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной навигации — порядка 10-6рад), а затем из формулы (7) определять  круговую скорость. Все это и составляет принцип работы волоконно-оптического гироскопа.

Поскольку данный волоконно-оптический гироскоп — пассивного типа, в нем отсутствуют такие проблемы, как явление синхронизма.

Пределы обнаружения угловой скорости. В основной оптической системе на рис. 4 в состоянии оптические пути для света в обоих направлениях обхода будут одинаковы по  длине, а поскольку сигнал  на выходе светоприемника изменяется пропорционально   ,  то гироскоп нечувствителен к очень  малым поворотам. Считается, что в системе с оптимальной чувствительностью теоретические пределы обнаружения угловой скорости связаны с дробовым шумом светоприемника. Анализ показывает, что для оптического волокна с потерями  существует определенная длина, позволяющая оптимизировать пределы обнаружения при дробовом  шуме:

        (8)

Рис.5, а. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при оптимальной длине волокна

Рис.5, б. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом шуме светоприемника при разной длине световой волны                             

Результаты расчета при типичных значениях параметров приведены на рис. 5, а. Для оптического волокна с потерями  2  дБ/км пределы обнаружения примерно 10-8  рад/с  (0,001/ч). Это как раз значения, применяемые в инерциальной навигации. На рис. 5, б показано, что благодаря увеличению радиуса катушки с оптическим волокном, а также использованию света с длиной волны 1,55 мкм, на которой потери в оптическом волокне очень низки, возможно создание измерителя оборотов в инерциальном пространстве с чрезвычайно малым дрейфом. Это позволяет применять измеритель не только в навигации, но и в геофизике.

В реальных волоконно-оптических гироскопах возможности ограничены шумовыми факторами.

 Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пассивного типа

Повысить чувствительность гироскопа на эффекте Саньяка можно с помощью кольцевого оптического резонатора, используя для этого полупрозрачное зеркало с высоким коэффициентом отражения (см. рис. 3, в). Резонатор представляет собой интерферометр Фабри — Перо  в форме кольца.  При этом выходной сигнал светоприемника резко реагирует на                                                                             изменение фазы   при однократном прохождении световой волной кольцевого оптического пути. Следовательно, можно создать высокочувствительный датчик, например, измеряющий смещение  резонансного пика, обусловленное поворотом. Другими словами, можно уменьшить длину волокна чувствительного  кольца, а если гироскоп среднего класса, то вполне можно использовать даже одновитковое волоконное кольцо, соединенное с оптической интегральной схемой.

В подобной структуре  гироскопа для получения острой резонансной характеристики требуется световой источник с высокой когерентностью излучения, в то время как в волоконно-оптическом гироскопе для улучшения характеристик требуется световой  источник с низкой когерентностью.

Рис.6. Оптическая схема волоконного гироскопа со световым гетеродинированием

Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического гироскопа приведена на рис. 4, но эта схема не обнаруживает малых поворотов гироскопа. Для решения этой проблемы предлагаются различные  методы: смещения разности фаз, фазовой модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования.

Рассмотрим только последний метод. Структура оптической системы гироскопа со световым гетеродинированием представлена на рис. 6. 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 светоприемное 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. На рис. 7 приведена электронная схема измерителя фазы выходного сигнала в структуре на рис.6 по нулевому методу. Точная временная задержка     Td  обеспечивается прибором на зарядовых связях  (ПЗС). Для этой схемы справедливо

     (9)

Рис. 7. Схема измерителя фазы выходного сигнала для волоконно-оптического гироскопа со световым гетеродинированием

(N — целое число), т. е. здесь получается частотное изменение f2 электрического сигнала, пропорциональное угловой скорости , что очень удобно для практической реализации устройства.

Методы повышения чувствительности еще не обеспечивают высокой стабильности,  необходимо учитывать шумовые факторы и принимать меры по их устранению.

Для достижения высокой стабильности необходимо, чтобы внешние возмущения, воспринимаемые световыми лучами, движущимися в противоположных направлениях, были совершенно одинаковыми.

В основной оптической системе, показанной на рис. 4, при использовании светоприемника 1 свет дважды отражается расщепителем луча и, кроме того, дважды проходит сквозь него. При этом условие одинаковой длины оптического пути выполняется не совсем точно и вследствие температурных колебаний характеристик расщепителя луча на выходе возникает дрейф. При использовании светоприемника 2 происходит то же самое.  Чтобы световые лучи, введенные в оптическое волокно и излучаемые волокном, проходили одинаковый оптический путь, объединялись и разъединялись в одной и той же точке расщепителя луча, а также имели бы одинаковую моду, необходимо между расщепителями луча установить пространственный фильтр. В этом фильтре желательно использовать одномодовое оптическое волокно — то же, что и для чувствительной катушки.

Обычно в одномодовом оптическом волокне возможно распространение двух независимых мод с ортогональной поляризацией. Но поскольку оптические волокна обладают не совсем строгой осевой симметрией, фазовые постоянные этих двух мод различны. Однако между модами двух поляризаций происходит обмен энергией, характеристики которого изменяются под внешним воздействием, поэтому излученный волокном свет обычно приобретает круговую поляризацию с неустойчивыми параметрами. Все это приводит к дрейфу выходного сигнала.

Если же на оптическом пути поместить, как это показано в обведенной штриховой линией части на рис. 4, поляризационную пластину, т. е. пустить на оптический путь интерферометра световую волну с единственной поляризацией и в излучаемом свете выделить только составляющую с такой же поляризацией, то передаточная функция кольцевого оптического пути (оптического волокна) для лучей с противоположным направлением движения будет одинакова и, тем самым, проблема решена. Но и в этом случае остаются колебания мощности света, достигшего светоприемника, поэтому необходимо принять еще меры по стабилизации масштабного коэффициента. Одна из таких мер — введение деполяризатора, который компенсирует колебания поляризации в оптическом волокне и делает состояние поляризации произвольным, или введение оптического волокна, сохраняющего поляризацию. В гироскопах  со световым гетеродинированием эффективное решение проблемы  — нулевой метод.

Для устранения дрейфа, обусловленного колебаниями поляризации в оптическом волокне, требуется поляризатор с очень большим затуханием (около 90 дБ), но это требование смягчается при использовании оптического волокна с сохранением поляризации и источника света с низкой когерентностью. В оптическом волокне с сохранением поляризации из-за разности фазовых постоянных для мод с ортогональной поляризацией возникает разность длины оптического пути для этих мод, поэтому использование источника с низкой когерентностью излучения делает невозможным интерференцию между модами. Аналогичного эффекта можно добиться и при использовании деполяризатора.

Таблица 1.  Шумовые факторы в волоконно-оптических гироскопах

Шумовой фактор

Рекомендуемые меры по снижению шума

Колебания поляризации в оптическом волокне, например, преобразование линейной поляризации в круговую в одномодовом волокне

Включение на выходе волокна анализатора, для того чтобы выделить составляющую поляризации одного направления

Разность длины оптических путей для световых волн, идущих в противоположных направлениях, при динамической нестабильности спектра источника света

Стабилизация спектра источника света

Разность частот волн, идущих по волокну в противоположных направлениях, при колебаниях температуры

Использование двух акустооптических модуляторов или модуляция прямоугольными импульсами

Неравномерность распределения температуры вдоль волокна

Намотка оптического волокна, при которой распределение температуры симметрично относительно середины катушки

Изменение фазы выходного сигнала из-за эффекта Фарадея в волокне под воздействием колебаний магнитного поля Земли

Магнитное экранирование и использование волокна с сохранением поляризации

Колебания (в расщепителе луча) отношения интенсивности прямого и обратного луча вследствие оптического эффекта Керра

Модуляция излучаемого света прямоугольными импульсами со скважностью 50%; использование широкополосного источника света

Интерференция прямого луча и луча обратного рассеяния Рэлея

Фазовая модуляция световой волны; импульсная частотная модуляция лазерного излучения; использование слабоинтеферирующего источника света

Факторы, ограничивающие разрешающую способность

Рис. 8. Основные шумовые факторы в чувствительном кольце из оптического волокна

Среди факторов, ограничивающих кратковременную разрешающую способность, наиболее сильное влияние оказывает обратное рассеяние по оптическому пути. Свет отражения Френеля от поверхностей элементов оптической системы или свет обратного рассеяния Рэлея, например, в самом оптическом волокне интерферирует со светом сигнала, что приводит к возникновению множества шумов. Для борьбы с ними предлагаются модуляция фазы световой волны, импульсные методы, а также метод, при котором используется источник света с широким спектром и низкой когерентностью, ухудшающий интерференцию из-за большой разности длины оптического пути для света обратного рассеяния Рэлея и света сигнала. (Таким источником может служить многомодовый полупроводниковый лазер или суперлюминесцентный диод.)

Шумы выходного сигнала гироскопа можно выразить следующей формулой:

Рис. 9. Уменьшение шумов рэлеевского рассеяния посредством расширения спектра светового источника

       (10)

где 0 — потери рассеяния Рэлея в оптическом волокне; R — доля светового рассеяния Рэлея, распространяющаяся в обратном направлении; fs — ширина спектра источника света.

На рис. 9 представлены результаты эксперимента, показывающие, как по мере расширения спектра излучения повышается разрешающая способность волоконно-оптического гироскопа. Таким образом, в волоконно-оптических гироскопах уменьшение когерентности источника света эффективно для снижения не только шумов расстояния Рэлея, но и шумов эффекта Керра.

В настоящее время разработаны экспериментальные системы, в которых приняты меры по повышению чувствительности и по снижению шумов. В этих системах, работающих по методу фазовой модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования, достигнута разрешающая способность, позволяющая измерять скорости, равные или меньшие скорости собственного вращения Земли (15/ч=7,310-5 рад/с). Особенно велики достижения в системах с фазовой модуляцией, у которых разрешающая способность и дрейф примерно 0,02/ч, что приемлемо для инерциальной навигации.

Исследуется возможность реализации гироскопов с использованием технологии микрооптики, функциональных волоконных и волноводных элементов. Уже выпускаются волоконно-оптические гироскопы с разрешающей способностью 1/ч. Кроме того, углубляется изучение систем, пригодных для инерциальной навигации.

 Система с фазовой модуляцией

Рис. 10.  Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией, выполненный на волоконных функциональных элементах

На рис. 10 представлена оптическая система гироскопа, разработанная в Стаффордском университете, на одномодовом оптическом волокне, подвергнутом в некоторых местах специальной  обработке, а именно: регулятор поляризационного типа, направленный ответвитель, поляризатор, фазовый модулятор и другие — функциональные элементы на оптическом волокне, полученные путем его обработки. Paдиyc кольца из оптического волокна 7 см, длина волокна 580 м.  Таким образом, в гироскопе устранено отражение от поверхностей различных элементов оптической системы. К тому же использование многомодового полупроводникового лазера в качестве источника света снижает когерентность системы и тем самым уменьшает шумы, обусловленные рассеянием Рэлея. Уменьшению этих шумов способствует и то, что система выполнена по принципу фазовой модуляции. В гироскопе, показанном на рис. 10, достигается разрешающая способность 0,022/ч (рис. 11, а). При этом время интегрирования составляет 1 с. Путем специальной намотки оптического волокна ослабляется влияние температурных колебаний, а с применением магнитного экрана и многомодового полупроводникового лазера снижается дрейф, обусловленный эффектом Керра, и уменьшаются колебания нулевой точки (рис. 11, б, 0,02/ч, при времени интегрирования 30 с).

Рис. 11. Разрешающая способность (а) и характеристика стабилизации нулевой точки (б) волоконно-оптического гироскопа (рис.10)

Для уменьшения колебаний поляризации предложена фазовая модуляция выходного сигнала с использованием основной волны и второй гармоники, а также метод, при котором измеряются гармоники выходного сигнала светоприемника и составляющая постоянного тока, затем выделяется расчетным путем флюктуационная составляющая масштабного коэффициента. Пробуют также вводить в систему оптическое волокно с сохранением поляризации, выполнять фазовый модулятор с направленными ответвителями, а остальные элементы  — в виде волноводных устройств. Эксперименты с такими гироскопами дают разрешающую способность от 0,02 до нескольких градусов в час (время интегрирования 1 с). Для повышения разрешающей способности и уменьшения дрейфа нуля эффективно также использование суперлюминесцентного диода, обладающего низкой когерентностью (ширина волнового спектра когерентности 20 мкм).

Рис.12.  Гироскоп со световым квазигетеродинированием

На рис. 12, а представлена система, в которой: сигнал возбуждения фазового модулятора формируется путем интегрирования пилообразного напряжения и на выходе подучается сигнал квазигетеродинирования. На рис. 12, б показано изменение фазы электрического сигнала переменного тока при вращении гироскопа. Имеются и другие попытки реализации квазигетеродинного светового метода на основе фазовой модуляции. Например, система комбинируется со схемой обработки фазы (см. рис. 7), что позволяет расширить динамический диапазон и стабилизировать масштабный коэффициент, т. е. компенсировать недостатки метода  фазовой модуляции. В этой системе требуется точная установка параметров формы модулирующего сигнала и трудно добиться технических характеристик, удовлетворяющих инерциальную навигацию. Путем манипуляций с формой модулирующего сигнала практически реализуется нулевой метод, но при этом возникает проблема со стабилизацией нулевой точки.

В любом случае система с фазовой модуляцией превосходит  другие системы по разрешающей способности и стабильности нулевой точки и к тому же относительно проста. Поэтому расширяются работы по миниатюризации этой системы путем создания волоконных и волноводных функциональных оптических элементов, приборов интегральной оптики. В частности, западногерманская фирма SEL уже выпускает гироскопы с разрешающей способностью около 15/ч и линейностью в пределах 1, где для фазового модулятора используются волноводные оптические элементы. Длина волокна 100 м, радиус чувствительности катушки из оптического волокна около 3,5 см, габариты 808025 мм, масса 200 г.

 Системы с изменением частоты

Рис.13, а. Структурная схема волоконно-оптического гироскопа с изменением частоты

Рис.13, б.

На рис. 13, а представлена структура волоконно-оптического гироскопа с изменением частоты, разработанного западногерманской фирмой SEL, в нем два опорных генератора с частотой fL и fН, с помощью которых устанавливается разность фаз , которая коммутируется с частотой fс. Все это позволяет увеличить чувствительность. В частности, в стационарном режиме частота f возбуждения AOM1 равна (fL +fН)/2, т. е. при коммутации между fН и fL выходной сигнал интерферометра не изменяется. В режиме c. установившейся частотой f составляющая fc на выходе интерферометра отсутствует, что может быть основой для обратной связи для генератора, управляемого напряжением. При вращении гироскопа частота f отклоняется от значения (fL +fН)/2 и в соответствии с установившейся разностью можно определить по формуле  скорость этого вращения:  

         (11)

В  данной системе эффективно снижаются шумы, поскольку частота fс определяется как величина, обратная периоду распространения световой волны по катушке с оптическим волокном, а частота света сигнала и света обратного рассеяния Рэлея обычно различается только как fН - fL. Динамический диапазон, как видно на рис. 13, б, простирается на шесть порядков, что является особенностью метода изменения частоты.

Если расстояние от модуляторов АОМ1 и АОМ2 до расщепителя луча неодинаково, возникает дрейф нуля. Из-за этого стабильность нулевой точки ухудшается до стабильности в системе с фазовой модуляцией. Тем не менее, эти изделия уже выпускаются (с дрейфом около 3/ч). В них длина оптического волокна 1 км, радиус катушки 5 см. Угловое смещение на каждый отсчет частоты выходного сигнала составляет 2,95 с.

Метод изменения частоты структурно базируется на методе фазовой модуляции. Считается, что он позволяет повысить разрешающую способность и стабильность нулевой точки. При этом основные сложности связаны с частотным сдвигателем. Если в качестве его используется АОМ, то возникают две проблемы — увеличение габаритов оптической системы при росте мощности возбуждения и отраженного света, а также повышение частоты возбуждения. Наряду с АОМ исследуются частотные сдвигатели в виде волоконно-оптических фукциональных элементов и световых волноводов. Кроме того, интегрируются два AOM и объектив на подложке из LiNbО3. Проектируются также системы с частотным сдвигом, полученным на основе фазового метода.


На рис. 14 представлена общая структура фазовой системы, выполненной на базе интегральной схемы. Фазовый модулятор волноводного типа имеет хорошие частотные характеристики, поэтому возможно возбуждение пилообразным напряжением и реализация фазовой системы. При этом, если амплитуда пилообразного напряжения возбуждения строго соответствует 2
, то высшие гармоники не возникают, и получается идеальный частотный сдвигатель. Для инерциальной навигационной системы это условие должно выполняться очень строго. Французская фирма «Томсон ЦСФ» разработала автоматическую регулировку амплитуды с помощью цифроаналогового преобразователя, который обеспечивает требуемую пилообразную форму напряжения с фронтом из микроступеней. Частота его определяется как f из формулы (11), и при синхронной с цифроаналоговым преобразователем обратной связи здесь обеспечивается нулевой метод, а изменение тактовой частоты информирует об угловой скорости гироскопа. В этой системе не требуется большого сдвига частоты и можно обойтись лишь одним частотным сдвигателем. Разработан подобный гироскоп с дрейфом нуля 0,3/ч и динамическим диапазоном в 7 порядков.

Рис.14. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты и сдвигатели фазового типа на интегральной схеме

Система со световым гетеродинированием

Система на рис. 6 включает в себя катушку радиусом 15 см из оптического одномодового волокна длиной 2000 м, отдельные оптические приборы и одномодовый полупроводниковый лазер. В ней используется прямая частотная модуляция излучения полупроводникового лазера, что приводит к дополнительным шумам. Для снижения когерентности увеличивается ширина спектра излучения. На рис. 15 приведены характеристики шумов. Расширение спектра позволяет повысить разрешающую способность примерно в 20 раз. Поскольку из-за обратного света спектр полупроводникового лазера нестабилен, в систему вводится изолятор.

Рис.15, а.  Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гетеродинированием (рис.6, 7)

Рис.15, б. Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гетеродинированием — характеристика передачи (рис.6, 7)

На рис. 15, а поясняется работа данной системы. По вертикальной оси откладывается изменение частоты, которое пропорционально угловой скорости, причем один отсчет соответствуег угловому сдвигу 4" (при 10-кратном усилении 0,4" на 1 отсчет). Скорость вращения земного шара 0,0042/с, кратковременная разрешающая способность 5/ч. На рис. 15, б приведена характеристика передачи (вход—выход). Скорость 11/ч соответствует фазовой разности 180. Линейность характеристики улучшена благодаря применению нулевого метода. Верхняя граница обнаружения вращения, определяемая электронной схемой, составляет 100/c, динамический диапазон экспериментальной системы 5 порядков.

Из-за тепловых колебаний скорости звука в АОМ системы возникает заметный дрейф нуля, в связи с чем продолжаются исследования способов отслеживания звуковой скорости в АОМ. Данную систему, используя двухмерные световые волноводы и дифракционные решетки, можно реализовать в виде интегральной схемы.

Рассмотрен принцип действия некоторых оптических гироскопов, в том числе волоконно-оптических. Благодаря методу фазовой модуляции достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки в соответствии с требованиями инерциальной навигации. С помощью метода изменения частоты и светового гетеродинирования реализован широкий динамический диапазон (от пяти до девяти порядков) и стабильный масштабный коэффициент. Волоконно-оптические гироскопы находят широкое применение. Быстрыми темпами ведется разработка различных приборов на микрооптической технологии, волоконно-оптических функциональных элементах, оптических волноводных элементах. К настоящему времени такие гироскопы среднего класса уже имеются в продаже.

Волоконно-оптические гироскопы отличаются от прежних отсутствием механических систем, что делает их пригодными не только в навигации, но и в других областях, например, для контроля движения бура при бурении нефтяных скважин. Кроме того, если увеличить диаметр кольца из оптического волокна, удлинить интервал интегрирования выходного сигнала, то можно повысить чувствительность, что позволит использовать гироскоп для прогноза погоды, измерения флюктуаций собственного вращения Земли и др.

Список литературы

Волноводы оптической связи,  Теумин И.И.

Волоконно-оптические датчики, под ред. Т.Окоси, перевод с япон.

Оптические волноводы, Marcuse D., перевод с англ.

Основы волоконно-оптической связи, под ред. Е.М.Дианова, перевод с англ.

.

(7)

При равенстве интенсивностей интерферирующих волн видность максимальна и равна 1.

Период изменения интерференционных максимумов и минимумов интенсивности в плоскости, перпендикулярной биссектрисе угла  равен:

.

(8)

Чем меньше угол между падающими пучками, тем больше период интерференционной картины. Так, при  и  мкм период = 0,63 мкм, а при  = 109 мкм.

Пусть в области пересечения пучков движется малая в простейшем случае сферическая (радиуса r< ) частица со скоростью, характеризующейся вектором . Мощность рассеянного этой частицей излучения зависит от её местоположения, размера и оптических характеристик. Если частица находится в центре светлой интерференционной полосы, она рассеивает максимальную мощность, а если в центре тёмной полосы - минимальную. Особенности работы ЛДА с большими частицами (r ) рассмотрены в работе [2].

Мощность, рассеянную частицами, движущимися со скоростью U через измерительный объем, можно записать в следующем виде:

.

(9)

где , A(t) – медленно меняющаяся (по сравнению с 1/ω1,2) случайная компонента.

Коэффициент  обычно принимает значения от 1 до 10 -2 в зависимости от условий согласования амплитуд, фаз и состояния поляризации рассеянных волн в пределах приёмной апертуры, а также от величины отношения .

Из уравнения (6) видно, что усредненная по времени  рассеянная мощность меняется с частотой  равной:

,

(9.1)

и совпадающей с д.с.ч. в выражении (5). В случае  (частоты зондирующих пучков равны) регистрация д.с.ч, не даёт информации о знаке скорости (9.1).

Рассмотрим случай бегущей интерференционной картины . Если частица движется в ту же сторону, что и интерференционные полосы, то ; если частица движется навстречу полосам, то . Таким образом, ЛДА чувствителен не только к величине проекции скорости частицы на вектор чувствительности, но и к знаку проекции скорости.

7.3 Блок-схема ЛДА. Характеристика основных элементов

Рассмотрим в общем виде основные, функциональные блоки ЛДА, которые позволяют представить в целом работу измерителя скорости, его возможности и требования, предъявляемые к различным его элементам.

Рисунок 3 - Блок-схема дифференциального ЛДА с частотной модуляцией пучка. 1 – лазер, 2 – блок формирования зондирующих пучков, 3 – однополосный модулятор, 4 – линия задержки, 5 – блок передающей оптики, 6 – исследуемый объект, 7 – блок приемной оптики, 8 – блок выделения д.с.ч., 9 – устройство обработки сигнала.

Блок-схема ЛДА, построенного по дифференциальной схеме, изображена на рис. 3. Источннком когерентного излучения является лазер, как правило непрерывного действия, хотя в некоторых случаях возможно применение и импульсных лазеров. Излучение лазера в блоке (2) делится на два пучка, один из которых в знакочувствительных ЛДА пропускается через однополосный модулятор (3), сдвигающий частоту излучения на величину (которая потому и называется частотой модуляции). Для сдвига частоты часто используется акустооптический эффект. Один из пучков в некоторых измерителях проходит через линию задержки (4) для выравнивання длины оптического пути. Блок передаюшей оптики (5) направляет зондирующие пучки на исследуемый объект (6), содержащий движущиеся светорассеивающие частицы. Для транспортировки излучения к измерительному объекту часто используют оптические волноводы. Для увеличения светосилы метода рассеянный свет собирается приёмной оптикой (7) и направляется на блок выделения д.с.ч. (8). Выделенный сигнал, содержащий информацию о скорости движения частиц в области пересечения зондирующих пучков, обрабатывается в блоке 9.

Дадим краткую характеристику основных элементов ЛДА и рассмотрим требования, предъявляемые к ним.

1) Лазер. Основными параметрами, характеризующими лазер, как источник излучения в ЛДА, являются длина волны излучения , спектp излучения, тип колебаний и мощность. Выбор конкретного типа лазера обуславливается задачей, для которой предназначен ЛДА. Например, СО2 лазеры обладают большой мощностью (до нескольких десятков Вт в режиме непрерывноro излучения), длина волны излучения которых =10,6 мкм лежит в инфракрасной области спектра. Такое излучение сильно поглощается жидкостями, что исключает возможность их применения для исследования гидродинамических потоков. С другой стороны, большая мощность CO2 лазеров позволяет создавать ЛДА, которые предназначены для исследования воздушных потоков, содержащих аэрозоли, на расстояниях до нескольких километров.

Длина волны  определяет минимальный размер области пересечения зондирующих пучков, то есть величину измерительного объёма. Даже если пучки фокусируются и пересекаются в перетяжках, то поперечный размер перетяжки ограничен дифракционным пределом, который тем меньше, чем меньше . Большая локальность измерений особенно важна при решении таких задач, как исследования микроструктуры турбулентных потоков, измерение скорости течения в микрокапиллярах и т.п. Важным параметром лазерного излучения является его спектр, т.е. временная когерентность. Для получения хороших характеристик ЛДА, как по пространственному разрешению, так и по отношению сигнал/шум, излучение лазера должно иметь самый низкий поперечный тип колебаний ТЕМ00. При измерении малых скоростей лазеры могут работать на нескольких npoдольных типах колебаний, когда д.с.ч. меньше частотного игнтервала между этими типами колебаний. При измерении больших скоростей, как правило, нужны одночастотные лазеры.

Мощность лазеров определяет чувствительность установки. В случае большой концентрации рассеиваюших частиц, что характерно, например, для двухфазных потоков и твердых тел с шероховатыми nоверхностями, возможно применение лазеров небольшой мощности (около единиц мВт). Как правило, в этом случае используются получившие широкое распространение He-Ne или полупроводниковые лазеры. Если ЛДА применяется для исследования структуры потоков газа с малой концентрацией светорассеивающих частиц, то здесь необходимо использовать лазер большой мощности, например, аргоновый или СО2. В последнее время стали активно применяться твердотельные чип лазеры с полупроводниковой накачкой. Спектральные свойства излучения качество пучка и мощность излучения позволяют применять их в различных условиях.

2) Блок формирования зондирующих пучков может быть устроен по-разному. Исходный пучок можно разделить на два по амплитуде или по фронту. В первом случае, как правило, нспользуется делительный кубик, пластинка или полупрозрачное зеркало. Во втором случае используются призмы или маски той или иной формы.

3) В качестве однополосного модулятора, осуществляющего сдвиг частоты излучения в одном из двух зондирующих пучков (в знакочувствительных ЛДА), чаще всего используется акусто- или электрооптические преобразователи и вращающиеся дифракционные решётки.

4) Линия задержки предназначена для выравнивания длин оптических путей зондирующих пучков. Допустимая разность хода определяется длиной когерентности 1k используемого лазера. Для эффективного выделения д.с.ч. необходимо, чтобы разность хода была меньше lk. Так как , где Z - длина резонатора, а N - число одновременно генерируемых продольных мод, то в большинстве cистем ЛДА это выравнивание не представляет серьёзных проблем. Зачастyю линии задержки вообще отсутствуют.

5) Блок передающей оптики осуществляет сведение зондирующих пучков в область, где производятся измерения. В тех случаях, когда важна локальность измерения, пучки специально фокусируются. В простейшем случае этот блок представляет собой фокусирующую линзу или объектив. В некоторых случаях линза или объектпв ставится в каждый пучок, а сведение пучкoв в область измерения осуществляется поворотными зеркалами.

7) Блок приёмной оптики, как правило, представляет собой линзу или объектив, иногда с переменной апертурой. В случаях, когда д.с.ч. выделяется из света, расееянного назад (например, при измерении скорости движения оптически непрозрачного твёрдого тела), функции приёмной оптики может выполнять передающая линза. Задача блока приемной оптики состоит в том, чтобы собрать на фотоприемник рассеянное излучение из измерительного объема в возможно большем телесном угле.

8) Функции блока выделения д.с.ч. выполняют фотоприёмники (ФП): фотодиоды (ФД) или фотоумножители (ФЭУ), обладающие большой чувствительностью и хорошим быстродействием. При выборе конкретного типа ФЭУ или ФД принимают во внимание все его характеристики: коэффициент усиления, спектральную и частотную характеристики, темновой ток, пороговую чувствительность. Особенно тщательный выбор ФП делается при измерениях скорости движения слабо рассеивающих сред, когда регистрация рассеянного излучения ведётся в режиме счета фотонов. В дифференциальнык схемах ЛДА ФП осуществляет выделение д.с.ч. путём прямого фотодетектирования колебаний интенсивности рассеянного света,преобразуя их в колебания силы фототока. Частотно модулированный выходной ток ФП и является выходным сигналом ЛДА.

9) Устройство обработки сигнала преобразует информацию, содержашуюся в фототоке, в удобную для пользователя форму. При этом используются либо аналоговые, либо цифровые методы, либо их комбинация. Более подробно охарактеризуем эти методы после того, как рассмотрим свойства сигнала ЛДА.

7.4 Свойства сигнала ЛДА

Если часть света, рассеянногo некоторой частицей при пересечении ею интерференционного поля, попадает в блок приёмной оптики и далее на фотоприёмник, то на выходе фотоприёмника появляется импульс фототока, промодулированный частотой ωд (см. рис. 4).

Длительность импульса Т определяется временем нахождения частицы в измерительном объеме - области пересечения зондирующих пучков: Т=L/U , где L-размер этой области в направлении движения частицы (см. рис.2), U -скорость частицы. Глубина модуляции определяется видностью интерференционной картины (4). Очевидно, что энергетический спектр этот импульса (рис. 5) содержит низкочастатную составляющую, а также собственно доплеровскую составляющую, сдвинутую относительно нулевой частоты на  или  (в зависимости от направления скорости U частицы). Низкочастотная составляющая спектра обусловлена как постоянной составляющей сигнала с фотоприемника, так и фликкер-шумом источника излучения и фотоприемника. Ширина доплеровской составляющей спектра , а следовательно, и неопределённость в нахожденин частоты и проекции скорости тем больше, чем меньше измерительный объём, т.е. чем выше локальность измерения. Если интерференционное поле пересекает поток случайно расположенных частиц, как например, в случае рассеяния на вращающемся матовом диске, то сигнал на выходе фотоприёмника представляет собой суперпозицию радиоимпульсов, имеющих разную амплитуду, длительность и начальную фазу. Если учесть, что рассеивающие свойства частиц также могут силъно отличаться, то нетрудно представить себе, как выглядит реальный сигнал (см. рис. 6) и его выборочный спектр (см. рис. 7).

Рисунок 4 - Импульс фототока от одной частицы  

Рисунок 5 - Энергетический спектр импульса фототока от одной частицы

Рисунок 6 - Пример реализации реального сигнала ЛДА

  

Рисунок 7 - Выборочный спектр реального сигнала.

Для того чтобы из такого квазистохастического сигнала извлечь информацию о скорости движения исследуемогo объекта, разработаны различные методы его обработки. Самым простым из них является измерение несущей частоты сигнала с помощью частотомера. Спектральный анализ позволяет более точно выделить доплеровскую составляющую в энергетическом спектре сигнала с фотоприемника. Чтобы повысить точность этих измерений, обычно, предварительно пропускают сигнал через полосовой фильтр, отрезая низкочастотную компоненту с фликкер-шумом и высокочастотные шумы. Существуют и более сложные специальные методы, осуществляющие, например, аналоговую иди цифровую демодуляцию сигнала. В этом случае говорят о применении специализированных процессоров доплеровского сигнала.

Другой альтернативой является применение для обработки сигнала универсальной ЭВМ с ислользованием современных алгоритмов, например, быстрое преобразования Фурье (БПФ) и метода периодограмм. Использование ЭВМ существенно расширяет возможности проведения экспериментов с помощью ЛДА. Заметим, однако, что этот метод используется, как правило, лишь в случае измерения сравнительно невысоких скоростей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.С. Ринкевичус, Лазерная анемометрия, М., «энергия», 1978

2. Ю.Д. Дубнищев, Б.С.Ринкевичус, Методы лазерной доплеровской анемометрии, М., «Наука»

3. F. Durst, A. Melling, J.H. Whitelaw Principles and practice of laser-doppler anemometry, Academic Press, 1976

Перспектива-создание лазерного анемометра на твердотельном лазере

Фаза световой волны

Одномодовое

1...100 рад×атм/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10-9 А/м

Интерферометр Маха-Цендера

Сила электрического тока

Эффект Джоуля

Фаза световой волны

Одномодовое

Чувствительность 10 мкА

Интерферометр Маха-Цендера

Ускорение

Механическое сжатие и растяжение

Фаза световой волны

Одномодовое

1000 рад/g

Интерферометр Фабри-Перо

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Интерферометр Фабри-Перо

Температура

Тепловое сжатие и расширение

Фаза световой волны (полиинтерференция)

Одномодовое

Высокая чувствительность

Интерферометр Фабри-Перо

Спектр излучения

Волновая фильтрация

Интенсивность пропускаемого света

Одномодовое

Высокая разрешающая способность

Интерферометр Майкельсона

Пульс, скорость потока крови

Эффект Доплера

Частота биений

Одномодовое, многомодовое

10-4...108 м/с

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией

Напряженность магнитного поля

Магнитострикция

Фаза световой волны

С сохранением поляризации

Без опорного оптического волокна

Неинтерферометрическая

Гидроакустическое давление

Потери на микроизгибах волокна

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Чувствительность 100 мПа

Неинтерферометрическая

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Эффект Фарадея

Угол поляризации

Одномодовое

Необходимо учитывать ортогональные моды

Неинтерферометрическая

Скорость потока

Колебания волокна

Соотношение интенсивности между двумя модами

Одномодовое, многомодовое

>0,3 м/с

Неинтерферометрическая

Доза радиоактивного излучения

Формирование центра окрашивания

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

0,01...1,00 Мрад

Последовательного и параллельного типа

Распределение температуры и деформации

Обратное рассеяние Релея

Интенсивность обратного рассеяния Релея

Многомодовое

Разрешающая способность 1 м

Условия реализации волоконных датчиков связаны с наличием оптической комплектации:

- оптическое волокно в различных спектральных диапазонах. Волокно с сохранением поляризации излучения;

- источники оптического (в том числе и в ближнем инфракрасном диапазоне) излучения в диапазоне от 0,6 мкм до 2 мкм. Светодиоды и лазеры. Управление спектром излучения. DFB и DBR лазеры. Возможность модуляции. Ширина спектра излучения. Многомодовое излучение и перескоки с моды на моду. Расходимость излучения и согласование пучков излучения с многомодовым и одномодовым волокном. Система стыковки полупроводникового лазера с оптическим волокном. Температурные характеристики светодиодов и полупроводниковых лазеров. Надежность используемых излучателей. 100 000 часов непрерывной работы (более 10 лет). Оптическая изоляция лазерных источников излучения;

- приемники оптического излучения. Малогабаритность, малое энергопотребление. Высокая чувствительность. Время реакции. Pin фотодиоды, ЛФД фотодиоды. Методы обнаружения светового сигнала.

- стержневые линзы (граданы). Согласование с волокном;

- прямоугольные призмы, уголковая призма, поляризационный расщепитель, призма-поляризатор (Глан-Томпсон, Рошон);

- фазовая пластинка (лямбда/2 лямбда/4);

- оптические изоляторы 50 дБ и более, в коротковолновом (0,8 мкм длинноволновом 1,3 мкм и 1.5 мкм), парамагнитное стекло с добавками (Тербия Tr3+).

- Соединительные и разделительные фильтры (Многослойники, дифракционные решетки);

- модуляторы интенсивности (на основе электрооптического эффекта, ниобат лития, обладающий электрооптическими свойствами, которые зависят от температуры, (которая мешает)), (акустооптические модуляторы интенсивности);

- сдвиг оптической частоты (устройство на основе ультразвукового модулятора, перпендикулярное падение дифракция Рамана – Ната, дифракция Брега);

Волокно в качестве линии передачи

- изменение интенсивности от коэффициента отражения или прохождения (спектр поглощения полупроводников – датчик температуры, эффект пьезопоглощения –датчик давления, изменение спектра поглощения – газовый датчик)

Кроме поглощения Бугера - Ламберта в такой системе регистрируются вещества по отдельным линиям поглощения

Почему в естественных условиях не применяются широкополосные источники излучения? Линии поглощения от различных газов и веществ могут располагаться очень близко друг к другу, или просто перекрываться своими крыльями. В этом случае идентификация отдельных веществ или газов по линиям поглощения может быть затруднена.

Датчик паров воды один из самых востребованных, конкуренция громадная, но и спрос большой (два примера: кирпичный завод и самолетные датчики).

- люминесценция (термолюминесценция – датчик температуры), электролюминесценция (датчик электрического напряжения),

радиоактивная люминесценция (радиоактивный датчик);

- модуляция поляризованного излучения (эффект Фарадея – датчик электрического тока, магнитного поля),

Угол фарадеевского вращения  при напряженности магнитного поля и длине светового пути в веществе  определяется по формуле

Здесь  постоянная Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

В используемой системе анализатор обеспечивает зависимость интенсивности от угла поворота, что обеспечивает количественную оценку величины магнитного поля. Если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то регистрируемая световая мощность определяется по формуле

За какими параметрами надо следить! Стабильность интенсивности излучения и поляризации исходного излучения.

(эффект Поккельса – датчики электрического поля),

При распространении света по выбранному направлению происходит разделение на две моды с линейной поляризацией. В этих кристаллах коэффициент преломления для каждой моды изменяется пропорционально напряженности приложенного электрического поля.

(эффект фотоупругости – датчики давления, колебаний).

Под действием давления в фотоупругих материалах возникает двойное лучепреломление. Это значит входной линейно поляризованный на выходе имеет круговую поляризацию. Следовательно световая мощность измеряемая с помощью светового детектора определяется по формуле

Где  измеряемое давление , так называемое полуволновое давление

Параметр С - постоянная фотоупругости и определяется через коэффициенты преломления, оптическую деформацию и упругость.

- модуляция частоты (эффект Доплера –датчики скорости, вибрации). Используя доплеровский частотный сдвиг можно создать датчик микроскорости.

Волокно в качестве чувствительного элемента

(работа для сельского хозяйства)

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях; термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений; повышение эффективности нефтяных и газовых скважин; обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей; контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах; обнаружение утечек на плотинах и запрудах; контроль температуры при химических процессах; обнаружение утечек в трубопроводах.

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Обратное световое рассеяние при температурном воздействии

Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность двуокиси кремния (SiO2) с аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Таким образом, в оптическом волокне происходит световое рассеяние, так же известное, как рамановское рассеяние.

Обратное световое рассеяние состоит из нескольких спектральных составляющих:

• Рэлеевское рассеяние, с длиной волны аналогичной, используемой в лазерном источнике;

• Стоксовы компоненты Рамановского рассеяния с длиной волны большей, чем у используемого лазерного источника, при которых испускаются фотоны;

• Антистоксовы компоненты Рамановского рассеяния с меньшей длиной волны, по сравнению с рэлеевским рассеянием, при которых фотоны поглощаются.

Интенсивность рассеяния, так называемого антистоксова диапазона, зависит от температуры, в то время как, стоксова компонента от температуры практически не зависит. Локальная температура оптического волокна выводится из отношения антистоксовой и стоксовой интенсивностей света. Бриллюэновские линии, которые более интенсивны, чем Стоксовы, но имеют меньший спектральный сдвиг. Этот спектральный сдвиг вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на волокно. Воздействие механических напряжений и температур приводит к изменению положения Бриллюэновской линии на шкале длин волн.

Датчики температуры на основе Рамановских линий

Самым современным оборудованием в системе мониторинга распределения температуры, например в трубопроводах, является распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе Рамановских линий. Принципом работы датчика является то, что интенсивность Стоксовой Рамановской компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, а интенсивность Антистоксовой линии сильно связана с температурой. Это позволяет, определяя отношение интенсивности Антистоксовой линии и Стоксовой линии, определять значение температуры. Данный подход позволяет избавиться от погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстояниях в несколько километров. Пространственное разрешение может достигать 0,5 м.

Самым известным методом основанным на эффекте обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry или оптическая рефлектометрия во временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания.   Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов. Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье. Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотно-модулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

Бриллюэновские системы Как отмечено ранее, спектральный сдвиг Бриллюэновской линии вызван акустическими колебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию о механических напряжениях и температурах, воздействующих на оптоволокно. Созданные к настоящему времени алгоритмы обработки сигналов таких систем позволяют разделить информацию о температуре и о механических воздействиях. Для Бриллюэновской системы мониторинга типичны следующие характеристики: расстояние, на которое может работать единичная система – 40 – 50 км при пространственном разрешении 1 – 2 метра. К недостаткам Бриллюэновских систем мониторинга следует отнести сложность их устройства, которая обуславливает высокую стоимость. Преимуществом Бриллюэновских систем является возможность работы с сенсорными кабелями на основе обычного дешевого связного волокна. Время получения сигнала с таких систем составляет ориентировочно 1 – 2 минуты. При работе с более длинными линиями время измерений возрастает. Для повышения чувствительности и значительного сокращения времени измерений используется метод, основанный на стимулированном Бриллюэновском рассеянии. Он отличается от систем на спонтанном рассеянии тем, что в волокно направляются одновременно непрерывное «пробное» лазерное излучение и мощный импульс накачки Системы мониторинга на основе стимулированного Бриллюэновского рассеяния обеспечивают работу на расстояние порядка 50 км (возможны большие расстояния) с пространственным разрешением от 0,5 м. Минимальная частота получения измерительной информации может составлять значения порядка одного Герца.

Датчики на основе интерференции

Волоконно-оптические интерферометры:

Кольцевой

Кольцевой Фабри-Перо

Маха – Цендера

Майкельсона

Автомобиль, как грузовой, так и легковой представляем в качестве самодиагностируемой системы, в которой все параметры должны контролироваться перманентно.

Требуется контроль:

- уровня масла

- Уровень бензина

- напряжение на аккамуляторе

- ток разряда акамулятора через стартер

- наличие СО в выхлопных газах

- индикаторы закрытия дверей


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

47593. Rational Unified Process 4.13 MB
  Планирование итеративного проекта Технологические процессы 101 7 Технологический процесс управления проектом 103 Цель 103 Планирование итеративного проекта 104 Понятие риска 106 Понятие метрики 108 Что такое метрика 109 Исполнители и артефакты 110 Технологический процесс 111 Создание плана итерации 119 8 Технологический процесс моделирования производства 124 Цель 124 Зачем моделировать производство 124 Использование методов программотехники в процессе. Основные задачи книги Благодаря этой книге вы узнаете чем является Rtionl Unified...
47594. Фізіологія і патологія статевого формування. Диференційний діагноз різних форм статевого формування. Принципи лікування. Методичні вказівки 112.5 KB
  ДИФЕРЕНЦІЙНИЙ ДІАГНОЗ РІЗНИХ ФОРМ СТАТЕВОГО ФОРМУВАННЯ. Методичні вказівки для студентів та лікарівінтернів Затверджено вченою радою ХДМУ Протокол № Харків ХДМУ Фізіологія і патологія статевого формування. Диференційний діагноз різних форм статевого формування.
47595. СЛОВНИК СТРАХОВИХ ТЕРМІНІВ 283.5 KB
  АВІАЦІЙНЕ СТРАХУВАННЯ (aviation insurance) - страхування ризиків, пов'язаних із використанням авіаційної та космічної техніки. Іноді страхування космічних ризиків виділяється в окремий вид. А. с. охоплює страхування літаків, вертольотів та іншої авіаційної техніки від пошкодження й знищення; страхування відповідальності перед пасажирами й третіми
47596. ФІНАНСИ ПІДПРИЄМСТВ 417.5 KB
  Виручку від реалізації продукції робіт і послуг; 3. Фінансово розрахункові відносини на 1 стадії кругообігу капіталу виникають: 1 при закупівлі товарноматеріальних цінностей для здійснення процесу виробництва продукції виконання робіт надання послуг; 2 при розрахунках з покупцями при реалізації продукції робіт послуг; 3 при розподілі новоствореної вартості; 4 при розрахунках: з працівниками за участь в процесі виробництва продукції виконання робіт надання послуг з соціальними фондами по нарахуваннях і перерахуваннях внесків...
47597. Страхування. Термінологічна шпаргалка 151.31 KB
  В залежності від способу споживання розрізняють страхові послуги які споживаються: Індивідуально В залежності від форми реалізації розрізняють страхові послуги які здійснюються в: Добровільній формі В якому випадку за договором індивідуального страхування від нещасних випадків розмір страхової виплати становить 100 страхової суми: У випадку смерті В якому порядку здійснюється сплата страхових внесків у разі страхування пасажирів від нещасних випадків на транспорті входять до вартості квитка Взаємовідносини між страховиком і...
47598. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ОБРАЗЦА ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ В ПЕЧИ 1.44 MB
  Теоретическая часть Дифференциальное уравнение теплопроводности устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры тела и математически описывает перенос тепла внутри тела. чтобы решить дифференциальное уравнение надо знать условия однозначности которые включают: распределение температуры внутри тела в начальный момент времени начальное условие: Tr z0=fr z 2 fr z – известная функция. Граничные условия III рода состоят в задании температуры окружающей среды как функции времени: Tc=fτ...
47599. Сборник основных дат и событий школьного курса отечественной и зарубежной истории 563.5 KB
  В сборник включены все основные даты и события школьного курса отечественной и зарубежной истории с древнейших времен до начала XXI века. Сборник составлен с учетом действующих школьных учебников и предназначен для широкого использования.
47600. ПРАКТИКУМ ПРОГРАММИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ VISUAL BASIC (Часть 2). МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 1.06 MB
  В методических указаниях разбирается ряд основных задач на численные методы, часто используемых в курсовых работах, приводятся варианты заданий для самостоятельного решения, рассматриваются основы создания меню и программа-шаблон Windows-приложения для курсовой работы
47601. Застосування Grid технологій в науці і освіті 2.57 MB
  Застосування Grid технологіЙ В науЦі і освітІ Роздавальний матеріал до вивчення курсу для студентів спеціаності “Інформаційні технології проектування Київ 2009 ВСТУП В основі технології Grid лежить об'єднання ресурсів шляхом створення комп'ютерної інфраструктури нового типу що забезпечує глобальну інтеграцію інформаційних і обчислювальних ресурсів на основі мережних технологій і спеціального програмного забезпечення проміжного рівня між базовим і...