Принцип работы многоволоконной кольцевой полости

Как описано в разделе 2.2.2, резонирующий волоконно-оптический гироскоп или Р-ВОГ использует рециркуляционную кольцевую резонансную полость [1] для повышения эффекта вращения Саньяка. Теоретически чувствительность Р-ВОГ сопоставима с чувствительностью И-ВОГ, имеющий волокно длиной отрезка времени (где – мельчайшая пассивная кольцевая полость). Эта возможность использования волокон небольшой длины выглядит привлекательно, но "серендипитовый" двухволновой интерферометр не применяется к резонирующему подходу, и Р-ВОГ олицетворяет гораздо более сложную техническую проблему, особенно потому, что она требует использования очень когерентных источников света, и различные паразитические эффекты не могут быть сокращены так просто и так эффективно, как в случае И-ВОГ, где широкополосный низкокогерентный источник является очень хорошим решением этих проблем.

Принцип кольцевого резонатора очень похож на резонатор Фабри-Перо (см. приложение 1). Существует многократная интерференция между рециркуляционными волнами вместо отраженных волн. Используется многоволоконная одномодовая конфигурация устройств связи с низким уровнем потерь волокна вместо зеркал [1,2]. Предполагая, что распространение без потерь и в двух аналогичных устройствах связи (Рисунок 11.1), мельчайшая полости

 

 

Рисунок 11.1. Многоволоконная кольцевая полость

Вход

«Отражающий» порт

Кольцевой резонатор

«Пропускающий» порт

(11.1)

 

где С – идентично низкому коэффициенту соединения двух устройств связи, который заменяет в формуле низкую проницаемость зеркала обычного интерферометра Фабри-Перо. Есть периодические спектральные отклики (в пространственной частоте σ, т.е. обратной длине волны λ). В частности отклик "передачи"

(11.2)

 

где nL_r – оптическая длина одного обращения и коэффициент F равен 4(1– С)/ C ². Свет передается при оптической длине nL_r один круг пути вдоль кольцевой полости, резонирующий эффект соответствует целому числу длин волн. Подобно резонатору Фабри-Перо периодичность откликов называют областью дисперсии . Она может быть выражена с точки зрения временной частоты или с точки зрения угловой частоты . По всей ширине половина максимально узкого пика передачи просто связано с областью дисперсии

 

(11.3)

 

Если предположить, что источник частоты соответствует резонансному пику полости, передаваемая мощность варьируется в зависимости от скорости поворота

 

(11.4)

 

где – изменение длины (в одном направлении) полости благодаря повороту. Возможно определение свободной полости (Рисунок 11,2, а) в терминах скорости с

Рисунок 11.2. Сравнение между (а) ответом резонатора (порт передачи); (b) ответом интерферометра (взаимный порт)

(11.5)

Из которой следует

(11.6)

 

Таким образом, полная ширина на половину максимума скорость реагирования

(11.7)

 

Эквивалент для двухволнового интерферометра – это скорость, которая соответствует ±π/2 рад (Рисунок 11.2 (b)), то есть , определенная в разделе 2.3.1 как

(11.8)

 

Видно, что кривая резонансного отклика (для одного направления) эквивалентна отклику двухволнового интерферометра, который имел бы катушку длиной L; так что /4 временная длина больше, чем длина L_r кольцевого резонатора. Как будет видно далее, чувствительность его на самом деле умножается в два раза путем сравнения резонансов между противоположными направлениями, которые делят динамический диапазон на два.

Можно также использовать порт "отражения" (Рисунок 11.1), где импульсы ответа будут дополнять передачу ответ, состоящую из пиков. Важно помнить, что резонансные полости прекрасно сопоставимы, если оба зеркала (или устройства связи) имеют ту же проницаемость (или те же устройства связи) и если резонатор не имеет потерь. На практике всегда есть остаточные затухания, но это еще можно получить идеальную контрастность для высокой точности с помощью одного кольцевого устройства связи с устройством связи, с равными отношениями потерь (Рисунок 11.3). Эти потери, таким образом, эквивалентны потерям в результате соединений во втором устройстве связи, и импульсы их откликов вполне сопоставимы.

Обратите внимание, что такие устройства связи – резонаторы могут быть реализованы без любых волоконных соединений на пути резонирования с использованием высоких коэффициентов соединения и низкой передачи в устройстве связи [3] (Рисунок 11.4).

Для анализа резонансной кольцевой полости, ширина спектра источника должно быть более узкой, чем ширина пика отклика. Это соответствует длине когерентности большей, чем длина катушки, умноженная на точность. Таким образом, Р-ВОГ требует источник с очень длинной когерентностью в несколько километров, поскольку длина катушки обычно составляет несколько десятков метров и точность порядка от 100. С точки зрения временной частоты это соответствует очень узкой ширине линии, порядка от 10 до 100 кГц.

Вход

Контрастныйвыход

Потеря=С

Рисунок 11.3. Одноволоконное устройство связи кольцевого резонатора

 

Место сращивания

(а) (b) Рисунок 11.4. (а) Место сращивания и (b) не сращивания одноволоконного устройства связи

Метод обработки сигнала

 

Принцип обработки сигнала в методе Р-ВОГ имеет некоторое сходство со случаем И-ВОГ. В качестве первого шага схему модуляции-демодуляции используют для получения в открытой петле сигнала смещения, который является производным от немодулированного отклика (Рисунок 11.5), а на втором шаге этот сигнал используется как сигнал об ошибке обработки в закрытой петле, который линеаризует и стабилизирует масштабный коэффициент [4,5]. Однако в противоположность И-ВОГ, ответ не центрируется автоматически по центру экстремума нулевой скорости

Рисунок 11.5. Смещение модуляции-демодуляции при резонансном пике отклика

Демодуляция

Сигнал

Модуляция

Резонанс-ный пик

вращения. Частота источника и длина резонатора должны сначала сочетаться в резонансе в одном направлении, и вращение обнаруживается это в противоположном направлении, где затем удваивается чувствительность. "Возбужденная" модуляция обязана получить смещенный демодулированный сигнал, что осуществляется путем модуляции длины резонатора с пьезоэлектрическим модулятором, помещаемым в резонатор [4,5] или модулированием за пределами резонатора входной частоты света [6], или непосредственно источник частоты, особенно с текущим током полупроводникового лазера [7]. Обратите внимание, что синус модуляции частоты конечно мог быть получены от источника с синусоидальной модуляцией или сдвигом частоты, но также и с синусом модуляции фазового модулятора. Фактически мы уже видели, что частот это производная фазы, и синусо-модулированная фаза дает дифференцирование (ко)синусной модуляции частоты.

Это смещение модуляции-демодуляции не свободно от дефектов, в противоположность И-ВОГ, потому что он не использует отказов нелинейностей и несет паразитные интенсивности модуляции с помощью катушки как фильтра линии задержки основной частоты (см. раздел 3.2.3). Кроме того, отклик интерферометра абсолютно симметричен, потому что это функцию автокорреляции, хотя резонансные пики могут нести некоторую асимметрию, особенно в связи с потерей соединения [8]. Поэтому очень важно сделать систему обработки двух противоположных направлений симметричной для получения отказа хорошей общей моды их дефектов.

Полная система состоит из модулятора, резонатора длины или частоты света. Два противонаправленных сигнала являются демодулированными и один используется как сигнал об ошибке для удержания системы на пике резонанса, тогда как другой при обратном пути используется в качестве сигнала ошибки, которая применяется для дополнительного сдвига частоты через цепь обработки с замкнутой петлей (Рисунок 11.6). Значение этого сдвига частоты используется как сигнал скорости вращения. Он соответствует разности Δ f_R резонансной частоты, которая индуцируется при скорости вращения Ω между обоими противонаправленными путями (см. раздел 2.2.2):

Рисунок 11.6. Архитектура резонирующего волоконно-оптического гироскопа

Сигнал вращения

Модуляция смещения

Резо- натор

Виток обрат- ной связи

Резонансная контрольнаяпетля

(11.9)

 

где D – диаметр катушки, N – количество поворотов, n – показатель преломления волокна, а λ – длина волны источника. Переключение частоты, необходимое для обработки двух закрытых петель, первоначально выполнялась с с внутренней структурой акусто-оптических Брэгговских решеток [4,5], но она также может быть сделана с пилообразной геродиновой модуляцией (см. раздел 8.2.2), с применением интегрально-оптических фазовых модуляторов [9], которые сохраняют шероховатости многоволоконного подхода. Можно заметить, что если Р-ВОГ использует более короткие волоконные катушки, чем И-ВОГ, это преимущество уравновешивается высокой сложностью, поскольку количество компонентов (устройств связи и модуляторов) почти удваивается по сравнению с минимальной конфигурацией двухволнового кольцевого интерферометра.

Однако заметим, что для той же чувствительности недвусмысленный динамический диапазон Р-ВОГ больше, чем И-ВОГ. Их чувствительности эквивалентны, когда равна , но диапазон резонатора , который , шире, чем диапазон интерферометра .

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: