Волоконно-оптический гироскоп

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) — это электронно-оптический прибор, предназначенный для измерения угловой скорости вращения объекта относительно инерциальной системы отсчёта. Относится к классу оптических гироскопов, принцип действия которых основан на эффекте Саньяка. ВОГ является одним из ключевых компонентов современных инерциальных навигационных систем (ИНС), используемых в авиации, космонавтике, морском и наземном транспорте, а также в системах стабилизации и управления движением.

Принцип действия

Работа волоконно-оптического гироскопа основана на эффекте Саньяка, открытом французским физиком Жоржем Саньяком в 1913 году. Суть эффекта заключается в следующем: в замкнутом оптическом контуре, вращающемся относительно инерциального пространства, время распространения двух встречных световых лучей (распространяющихся по и против направления вращения) становится различным. Эта разность времен приводит к разности фаз между лучами, которая пропорциональна угловой скорости вращения контура.

В ВОГ роль замкнутого контура выполняет длинная (от нескольких сотен метров до нескольких километров) одномодовая оптическая волоконная катушка. Свет от источника (обычно суперлюминесцентного диода или лазерного диода) разделяется с помощью Y-образного волоконного ответвителя (Y-разветвителя) на два луча, которые вводятся в противоположные концы волоконной катушки. Пройдя катушку, лучи возвращаются к тому же ответвителю, где интерферируют. Фотодетектор регистрирует интенсивность результирующего интерференционного сигнала, которая зависит от разности фаз между лучами, а следовательно, от угловой скорости вращения.

Математически разность фаз Δφ, обусловленная вращением, описывается формулой:

Δφ = (8π N A) / (λ c) Ω

где:

N — число витков волокна в катушке;
A — площадь, охватываемая одним витком катушки;
λ — длина волны света в вакууме;
c — скорость света в вакууме;
Ω — угловая скорость вращения.

Таким образом, чувствительность ВОГ пропорциональна произведению числа витков на площадь катушки, что позволяет достигать высокой точности при относительно компактных размерах.

Устройство и основные компоненты

Волоконно-оптический гироскоп состоит из следующих ключевых элементов:

Источник оптического излучения. В качестве источника обычно используется суперлюминесцентный диод (СЛД), обладающий широким спектром излучения (низкая когерентность), что позволяет подавлять паразитные интерференционные эффекты, связанные с обратным рассеянием в волокне. В некоторых конструкциях применяются лазерные диоды с дополнительными мерами по снижению когерентности.
Волоконная катушка. Сердце гироскопа. Изготавливается из одномодового оптического волокна с сохранением поляризации (PM-волокно). Волокно наматывается на катушку из инвара или другого материала с низким температурным коэффициентом расширения. Для уменьшения влияния температурных градиентов и механических напряжений применяются специальные методы намотки (например, квадрупольная намотка).
Y-образный волоконный ответвитель (Y-разветвитель). Выполняет функции делителя и смесителя световых пучков. Изготавливается методом сплавления двух волокон или с использованием интегрально-оптических технологий. В современных ВОГ часто используется интегрально-оптический мультиплексор на основе ниобата лития (LiNbO₃), который также выполняет функции фазового модулятора.
Фазовый модулятор. Размещается на одном из плеч интерферометра (обычно на входе в катушку). Служит для переноса измеряемого сигнала на более высокую частоту, что позволяет использовать методы синхронного детектирования и значительно повышает отношение сигнал/шум. Наиболее распространён модулятор на основе интегрально-оптической схемы на ниобате лития.
Фотодетектор. Высокочувствительный полупроводниковый фотодиод (обычно p-i-n фотодиод), преобразующий оптический сигнал в электрический.
Электроника обработки сигналов. Включает в себя предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой сигнальный процессор (DSP) или микроконтроллер. Электроника реализует алгоритмы синхронного детектирования, фильтрации, компенсации температурных дрейфов и выдачи выходного сигнала (обычно в цифровом формате, например, по интерфейсу RS-485 или SPI).

Классификация

Волоконно-оптические гироскопы классифицируются по нескольким признакам, главным из которых является точность (класс).

По точности

Гироскопы навигационного класса (High-end). Обеспечивают измерение угловой скорости с погрешностью менее 0,01 °/ч. Используются в инерциальных навигационных системах самолётов, кораблей, подводных лодок, баллистических ракет. Требуют применения высококачественного волокна, прецизионной намотки, сложных алгоритмов компенсации.
Гироскопы среднего класса (Tactical grade). Погрешность от 0,1 до 10 °/ч. Применяются в системах управления вооружением, беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), наземных транспортных средствах, ракетной технике тактического назначения.
Гироскопы низкого класса (Automotive grade). Погрешность более 10 °/ч. Используются в системах стабилизации камер, автомобильных навигационных системах (для подруливания), робототехнике, игровых контроллерах. Отличаются низкой стоимостью и компактными размерами.

По типу обработки сигнала

Открытого типа (Open-loop). Простейшая схема, где выходной сигнал фотодетектора напрямую пропорционален разности фаз. Имеет ограниченный динамический диапазон и нелинейность.
Закрытого типа (Closed-loop). Наиболее распространённая схема в современных ВОГ. В ней с помощью фазового модулятора создаётся компенсирующий фазовый сдвиг, равный по величине и противоположный по знаку саньяковскому сдвигу. Выходным сигналом является напряжение, приложенное к модулятору. Это обеспечивает высокую линейность, широкий динамический диапазон и стабильность.

История развития

Первые теоретические работы по созданию волоконно-оптического гироскопа относятся к 1960-м годам, после изобретения лазера. В 1976 году в США (Naval Research Laboratory) и СССР (Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР) были продемонстрированы первые лабораторные образцы ВОГ.

В 1980-х годах началось активное развитие технологии, связанное с совершенствованием одномодового волокна, созданием интегрально-оптических компонентов и развитием цифровой электроники. В 1990-х годах ВОГ начали вытеснять традиционные механические гироскопы и кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ) в ряде применений благодаря отсутствию движущихся частей, высокой надёжности, малому времени готовности и низкой стоимости.

В России разработкой и производством ВОГ занимаются такие предприятия, как АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (Санкт-Петербург), АО «НПО «Оптек» (Москва), АО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПНППК) и другие.

Применение

Волоконно-оптические гироскопы нашли широкое применение в различных областях:

Авиация и космонавтика: Инерциальные навигационные системы самолётов, вертолётов, космических аппаратов и ракет-носителей. ВОГ используются в системах управления ориентацией спутников.
Морская техника: Навигационные комплексы кораблей и подводных лодок, системы стабилизации вооружения.
Сухопутная техника: Системы навигации и управления движением танков, бронетранспортёров, автомобилей, железнодорожного транспорта.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА): Компактные и лёгкие ВОГ являются основой для навигационных систем БПЛА различного класса.
Геодезия и строительство: Системы ориентации для буровых установок, тоннелепроходческих щитов, геодезические приборы (гиротеодолиты).
Робототехника: Системы стабилизации и управления движением промышленных и мобильных роботов.
Автомобильная промышленность: Системы курсовой устойчивости (ESP), навигационные системы (в комбинации с GPS/ГЛОНАСС), системы автоматической парковки.

Достоинства и недостатки

Достоинства

Отсутствие движущихся частей. Обеспечивает высокую надёжность, длительный срок службы (до 20 лет и более) и устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам.
Мгновенная готовность к работе. В отличие от механических гироскопов, ВОГ не требует времени на разогрев или раскрутку.
Широкий динамический диапазон. Способен измерять как медленные вращения (доли градуса в час), так и быстрые (сотни градусов в секунду).
Низкое энергопотребление. Особенно в компактных моделях.
Малая масса и габариты. Позволяет интегрировать ВОГ в малогабаритные системы.
Высокая помехоустойчивость. Нечувствителен к внешним электромагнитным полям.

Недостатки

Чувствительность к температуре. Изменения температуры вызывают дрейф нулевого сигнала и изменение масштабного коэффициента. Требуются сложные алгоритмы температурной компенсации.
Влияние шумов. Наличие шума углового случайного блуждания (ARW), связанного с квантовыми шумами фотодетектора и обратным рэлеевским рассеянием в волокне.
Сложность изготовления. Высокоточные ВОГ требуют прецизионной намотки волокна и использования дорогостоящих компонентов (волокно с сохранением поляризации, интегрально-оптические схемы).
Ограничения по точности. Для достижения точности, сопоставимой с лучшими механическими гироскопами (например, электростатическими), требуются волоконные катушки большой длины (километры) и сложные схемы, что увеличивает размеры и стоимость.

Интересные факты

Длина волокна в катушке навигационного ВОГ может достигать 5–10 км, при этом диаметр катушки составляет 10–20 см.
Эффект Саньяка, лежащий в основе работы ВОГ, является релятивистским эффектом, и его объяснение основано на специальной теории относительности.
Первые коммерческие ВОГ появились на рынке в начале 1990-х годов и использовались в системах навигации самолётов Boeing 777.
ВОГ способны измерять угловую скорость вращения Земли (около 15 °/ч), что используется в системах начальной выставки и калибровки.

Источники

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. — М.: Наука, 1988.
Lefèvre H. C. The Fiber-Optic Gyroscope. — Artech House, 2014.
Шереметьев А. Г. Волоконно-оптический гироскоп. — М.: Радио и связь, 1987.
Андреев А. Г., Ермаков В. С., Матвеев В. В. Волоконно-оптические гироскопы: теория, технология, применение. — СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2010.
Патент US 4,299,490. Fiber optic gyroscope with phase modulation. Filed 1979.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →