Волоконно-оптический гироскоп

Давно прошли те времена, когда капитаны кораблей отправлялись в дальнее плавание вооружившись лишь компасом и картой.  Сегодня ни одно морское или воздушное судно не мыслимо без современной навигационной системы, позволяющей в любой момент определить точное положение корабля в пространстве. В современных навигационных системах используется целый ряд различных датчиков, позволяющих определить положение подвижного объекта: спутниковая навигация (GPS, GLONASS), гироскопы, акселерометры, одометры и т.д. Однако специалисты знают, что независимую навигационную систему можно создать только на  основе инерциальные датчиков, таких как гироскопы и акселерометры.

Активное развитие и непрерывное совершенствование элементной базы волоконной и интегральной оптики в последние десятилетия привело к появлению нового типа инерциальных датчиков угловых перемещений – волоконно-оптическим гироскопам (ВОГ). Основными отличиями и преимуществами ВОГ по сравнению с механическими гироскопами являются: отсутствие подвижных деталей, устойчивость к ускорениям и вибрациям; малое время запуска; высокая чувствительность в широком диапазоне скоростей вращения; широкая полоса пропускания; высокая линейность передаточной характеристики; низкая потребляемая мощность; высокая надежность; большой срок службы (десятки лет); малые габариты и вес. В настоящее время ВОГ используются в качестве основного чувствительного элемента систем инерциальной навигации, систем ориентации и стабилизации положения объектов в пространстве.

Принцип работы ВОГ основан на эффекте Саньяка. На рисунке ниже представлена принципиальная схема такого прибора. Оптическое излучение от источника, проходя через  X-ответвитель попадает на вход интегрально-оптической схемы, разделяется на два луча, которые распространяются по волоконно-оптическому контуру во встречных направлениях. Если контур находится в покое, разность фаз между лучами отсутствует (Δφs = 0). При вращении контура относительно инерциальной системы отсчета возникает разность фаз Δφs пропорциональная скорости вращения ВОГ. Изменение разности фаз приводит к изменению мощности излучения детектируемой на фотоприемнике.

При кажущейся простоте принципов работы прибора и его высокой чувствительности к угловой скорости вращения, он в то же время чрезвычайно восприимчив к различным внешним воздействиям, что приводит к возникновению паразитного сигнала и, как следствие, к снижению точности измерений, поэтому проблема создания высокоточных ВОГ до сих пор остается актуальной. Более того, можно констатировать факт, что производить подобные устройства способны только высокоразвитые страны.

C 2005г. на кафедре оптических коммуникаций и измерительных систем совместно с ЦНИИ "Концерн "Электроприбор" ведутся работы, направленные на создание волоконно-оптического гироскопа навигационного класса точности. В рамках этой работы сотрудниками и студентами кафедры в 2007-2008 гг. были разработаны и реализованы опытные образцы ВОГ, включающие в себя оптический контур, систему модуляции, электронику и программное обеспечение. Для решения каждой из перечисленных задач проделана огромная научно-исследовательская работа, написаны десятки статей и получено несколько патентов. Стоит отметить, что вопросу построения ВОГ посвящено несколько книг и монографий.

В 2013-2016 гг. в при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 02.G25.31.0044) была проведена работа направленная на подготовку к серийному производству ВОГ класса точности 0.01 и 0.001о/ч, в которой Университет ИТМО в лице кафедры световодной фотоники был выбран основным соисполнителем работ по научной части.

Расширяющиеся области применения ВОГ требуют постоянной модернизации и доработки прибора (уменьшение массо-габаритных характеристик, расширение динамического диапазона, рабочих температур, допустимых максимальных ударных нагрузок и т.д.) поэтому работа над проектом ВОГ постоянно продолжается.