Анализ погрешностей волоконно-оптического гироскопа (стр. 17 из 26)
Можно предложить два возможных метода уменьшения термически индуцированной невзаимности. Первый метод состоит в поиске материалов для волокна с малым температурным коэффициентом индекса преломления
. Второй метод состоит в намотке волоконного контура так, что части волокна, которые находятся на равных расстояниях от середины контура, располагаются рядом друг с другом. Это приводит к тому, что температура Т ( t , l ) распределяется симметрично вокруг l =L/2; в этом случае интеграл в уравнении для 
становится исчезающе малым. Однако, если катушка намотана таким образом, ее витки будут часто пересекаться, что приведет к избыточным потерям на микроизгибах или потребует достаточно толстого буферного покрытия. Таким образом, теоретическое рассмотрение влияния температурных градиентов показывает, что термически индуцированная невзаимность налагает практический предел на чувствительность ВОГ, который значительно выше фотонного предела. Если используется одномодовое волокно из обычного материала, то температурные градиенты могут ограничить применение ВОГ лишь в системах управления невысокой точности.2.5. Влияние внешнего магнитного поля на
точностные характеристики ВОГ.
Существует много веществ, оптические параметры которых зависят от величины напряженности внешнего магнитного поля. Коэффициент преломления среды есть один из таких параметров. Изменение коэффициента преломления связано с вращением плоскости поляризации излучения, распространяющегося в среде. Вращение плоскости поляризации светового луча, распространяющегося в среде, под действием магнитного поля обусловлено эффектом Фарадея. Иногда эффектом Фарадея называют искусственную оптическую активность, возникающую в среде под действием магнитного поля.
Оптической активностью является способность вещества поворачивать вектор поляризации линейно-поляризованного светового луча. Если причиной возникновения вращательной способности является какое-либо внешнее воздействие (например, магнитное поле), то активность этого типа является искусственной. В оптически активном веществе оптическое излучение распадается на две волны, поляризованные циркулярно - по правому и левому кругам. Векторы поляризации этих волн вращаются в противоположных направлениях, а коэффициенты преломления для них различны.
Линейно-поляризованный световой луч можно представить суперпозицией двух волн, поляризованных по кругу, со взаимно противоположным вращением вектора поляризации и равными амплитудами колебаний. Рассмотрим распространение линейно-поляризованной волны в среде, проявляющей эффект Фарадея. Для анализа распространения волны в среде, помещенной в магнитное поле, представим волну в виде суммы двух волн, поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения и различными скоростями распространения:
, (2.81)где n- и n+ - показатели преломления для волн, поляризованных по правому и левому кругу.
Фазовые задержки каждой из волн на пути l
(2.82)где n0 - показатель преломления среды при отсутствии магнитного поля.
Выйдя из оптически активной среды, циркулярно поляризованные волны складываются. Различные фазовые задержки для волн, поляризованных по правому и левому кругу, приводят к повороту вектора поляризации волны по отношению к вектору поляризации падающего линейно-поляризованного излучения.
Угол поворота плоскости поляризации на пути l
(2.83)где Vl - постоянная Верде; Н - напряженность магнитного поля.
Обратимся теперь к контуру ВОГ. В нем даже в отсутствие магнитного поля существует взаимное двулучепреломление (см 2.2). Кроме того, взаимодействие магнитного поля индуцирует невзаимное круговое двулучепреломление, которое зависит от направления распространения луча. Это двулучепреломление суммируется с уже существующим взаимным двулучепреломлением в волокне. Именно комбинация двух двулучепреломлений в контуре В0Г определяет его чувствительность к внешнему магнитному полю. При отсутствии взаимного двулучепреломления невзаимная фазовая разность после интегрирования по замкнутому волоконному контуру будет равна нулю, поскольку интеграл по контуру тангенциальной составляющей внешнего магнитного поля равен нулю. Невзаимная фаза, накопленной в другой половине контура при учете реверса направлений распространения оптических колебаний по отношению к направлению магнитного поля. При наличии взаимного двулучепреломления эта компенсация будет неполной.
Рис 2.6. Волоконный контур, находящийся под действием внешнего однородного магнитного поля.
Таким образом, можно утверждать, что если состояние поляризации остается постоянным вдоль волокна (в отсутствие магнитного поля), то внешнее магнитное поле не оказывает влияния на измеряемую фазу Саньяка. В реальном одномодовом волокне, однако, состояние поляризации изменяется случайным образом вдоль волокна.
При действии магнитного поля разность фаз противоположно бегущих в контуре волн можно записать в виде:
(2.84)где Djс - фаза Саньяка, обусловленная вращением контура;
Ym - разность фаз, обусловленная влиянием магнитного поля; при этом:
, (2.85)где Vg - постоянная Верде; H - напряженность магнитного поля и l - длина части контура, на которой рассматривается действие магнитного поля; g1 - угол поворота плоскости поляризации на данном участке контура.
Таким образом, вместо измерения фазы Саньяка Djс регистрирующее устройство измеряет разность фаз
, искажаемую 
. Значение зависит не только от напряженности магнитного поля (вследствие эффекта Фарадея), но и от угла g1.Если на участке контура отсутствует поворот плоскости поляризации (g1 = 0), то
также равна нулю. Наихудший случай может иметь место при g1 = p/2, когда участок контура является аналогом l/4 - пластины, преобразующей линейную поляризацию в круговую, и наоборот.Таким образом, если состояние поляризации изменяется вдоль волоконного контура, окружающие магнитные поля могут вносить значительную ошибку при измерении фазы Саньяка. В реальном волокне, состояние поляризации является случайным ( за исключением волокон с устойчивой поляризацией), поэтому можно считать, что случайные флуктуации g1 дадут случайную ошибку прибора.
Численная оценка показывает, что для ВОГ с:
l=830 нм (Vl= 2.6 10-6 рад/А);
H=40 А/м (магнитное поле Земли)
l=5м;
ошибка измерения фазы Саньяка составляет величину порядка 0.001 рад. Следовательно влияние магнитного поля Земли может приводить к значительной ошибке в определении угловой скорости вращения.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что однородное магнитное поле за счет эффекта Фарадея вызывает ошибку в измерении угловой скорости вращения ВОГ. Эта ошибка определяет уход прибора, который зависит от величины и ориентации магнитного поля, а также от двулучепреломления волокна в контуре. Изменение любого из этих факторов будет вызывать соответствующее изменение ухода. Ошибка ВОГ, связанная с магнитным полем Земли, имеет типовое значение порядка 10 град/ч. Уменьшить эту ошибку можно путем экранирования контура от магнитного поля; кроме того, может быть также эффективным уменьшение чувствительности системы к магнитному полю путем контроля состояния поляризации волн.
3. Методы компенсации погрешностей.
3.1. Компенсация паразитной поляризационной модуляции в волоконно-оптическом гироскопе
Паразитная поляризационная модуляция, сопровождающая работу волоконных и интегрально-оптических фазовых модуляторов, является серьезным фактором, ограничивающим точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа .
Одним из путей уменьшения паразитной поляризационной модуляции может быть изготовление фазового модулятора в виде двух номинально идентичных половин, между которыми устанавливается модовый конвертор, преобразующий поляризационные моды друг в друга. При этом дифференциальная фазовая модуляция поляризационных мод, возникшая в первой половине фазового модулятора, компенсируется дифференциальной фазовой модуляцией противоположного знака, имеющей место во второй половине модулятора.
При изготовлении фазового модулятора из одномодового волоконного световода модовый конвертор может быть реализован с помощью соответствующим образом расположенных сжимателей волокна, в виде двойной симметричной скрутки участка волокна определенной длины, сварного или клеевого соединения волокон с разворотом их осей двулучепреломления на 90° и т. п.
Поскольку, однако, трудно добиться полной идентичности упомянутых половин фазового модулятора и условий, в которых они находятся, такой метод компенсации паразитной поляризационной модуляции во многих случаях оказывается недостаточно эффективным.