Le principe de fonctionnement d'un gyroscope à fibre optique. Effet Sagnac et capacités inexploitées des gyroscopes à fibre optique pour mesurer les faibles vitesses angulaires. §5.14.1. Le principe de fonctionnement d'un gyroscope laser

Contrairement aux CLG, dans les gyroscopes à fibre optique (FOG), une boucle fermée est formée par une bobine multitour de fibre optique. Dans ce cas, en présence de rotation de la base du dispositif avec une vitesse angulaire Ω déphasage φ rayons se propageant le long du contour en deux mutuellement directions opposées(phase Sagnac), sera déterminée par l'expression suivante :

(2.152)
où N- nombre de spires de la bobine, S- la surface moyenne de la bobine, λ est la longueur d'onde du faisceau lumineux, Avec est la vitesse de la lumière. De la dernière expression découle le principal avantage de FOG par rapport à CLG : la valeur de son facteur d'échelle est beaucoup plus grande en raison du grand nombre de spires de la fibre. Le déphasage enregistré par l'appareil peut être de 10 -5 ÷ 10 -7 radians, ce qui correspond à la vitesse angulaire de rotation du circuit égale à 1 ÷ 10 -3 deg/h. Outre :

· en FOG il n'y a pas de synchronisation des faisceaux à déplacement opposé au voisinage de la valeur nulle de la vitesse angulaire de rotation, ce qui permet de mesurer des vitesses angulaires très faibles sans avoir besoin de concevoir des dispositifs de déplacement du point zéro difficilement réglables ;

· la conception du FOG est entièrement réalisée sous la forme d'un corps solide (à l'avenir, entièrement sur circuits optiques intégrés), ce qui facilite l'exploitation et augmente la fiabilité par rapport aux CLG ;

· VOG mesure la vitesse de rotation, tandis que KLG fixe l'incrément de vitesse ;

· La configuration VOG permet de "sentir" l'inversion du sens de rotation.

· en raison de la possibilité de créer du FOG entièrement sur des circuits optiques intégrés, ils ont des dimensions et un poids réduits, ainsi qu'une consommation d'énergie négligeable, ce qui n'est pas négligeable lors de l'utilisation du FOG à bord ;

VOG a un grand plage dynamique vitesses angulaires mesurées (en particulier, par exemple, un appareil peut mesurer la vitesse de rotation de 1 deg / h à 300 deg / s);

· compte tenu du fait qu'aucun temps n'est consacré à la mise en rotation d'un rotor inexistant, le FOG est presque instantanément prêt à fonctionner ;

· les gyroscopes considérés ont une faible sensibilité aux grandes accélérations linéaires et, par conséquent, sont utilisables dans des conditions de fortes surcharges mécaniques ;

· en raison de la nature diélectrique de la fibre, FOG présente une immunité élevée au bruit, une insensibilité aux puissantes influences électromagnétiques externes et aux rayonnements gamma-neutroniques pénétrants, en particulier dans la gamme de 1,3 μm;

Les gyroscopes à fibre optique, agissant comme des capteurs de vitesse angulaire, peuvent être connectés directement, sans cardan supplémentaire, au corps de l'objet dont les paramètres de mouvement sont mesurés. Cela simplifie grandement la conception et le coût des systèmes de contrôle ou de stabilisation, dont ils constituent la base.

La gyroscopie à fibre basée sur l'effet Sagnac s'est développée dans deux directions, différant par l'utilisation de schémas d'interférence résonnants et non résonnants. Les schémas non résonnants sont basés sur l'interféromètre en anneau de fibre de Sagnac (FRI), dans lequel Différence de phase vagues venant en sens inverse. Les circuits résonnants utilisent un résonateur passif en anneau à fibre multipasse dans lequel décalage de fréquence de résonance vagues venant en sens inverse ou leur différence de phase dans la région de résonance. Le FOG résonnant, pour un certain nombre de raisons, a été beaucoup moins étudié et n'est pratiquement pas produit. Par conséquent, nous concentrerons notre attention sur la prise en compte de l'interférence FOG.

Les avantages généraux des fibres optiques comprennent :

haut débit (il est supposé aller jusqu'à plusieurs dizaines de térahertz) ;

· faibles pertes (minimum 0,154 dB/km) ;

· petit diamètre (environ 125 microns) ;

· petite masse (environ 30 g/km) ;

élasticité (rayon de courbure minimum 2 mm);

résistance mécanique (supporte une charge de traction d'environ 7 kg) ;

absence d'interférence mutuelle;

non-inductance (il n'y a pratiquement aucune influence de l'induction électromagnétique);

la sécurité contre les explosions (garantie par l'incapacité absolue de la fibre à provoquer une étincelle) ;

haute résistance électrique isolante (par exemple, une fibre de 20 cm de long peut supporter des tensions jusqu'à 10 000 V) ;

·
haute résistance à la corrosion, en particulier aux solvants chimiques, huiles, eau.

Le diagramme schématique le plus simple du FOG est illustré à la fig. 2.43. La diode laser est une source de lumière qui pénètre dans un miroir translucide (séparateur de faisceau) qui le divise en deux faisceaux identiques tournant dans des directions opposées le long du circuit de fibre. A la sortie du circuit fibre, les rayons arrivent à nouveau sur le miroir puis sur le photodétecteur et le dispositif électronique de traitement signal reçu. Le photodétecteur génère une tension proportionnelle au déphasage relatif des rayons, qui, à son tour, est proportionnel à la vitesse de rotation du circuit autour de son axe. Le dispositif électronique de traitement du signal reçu génère les valeurs de la vitesse mesurée et, en l'intégrant, l'angle de rotation du contour.

Deux faisceaux qui ont contourné le circuit dans des directions opposées, se mélangeant dans le photodétecteur, forment l'oscillation résultante, dont la loi de variation de tension peut s'écrire :

où - les amplitudes d'oscillation ; - fréquence de rayonnement ; ; ; - la phase initiale de l'oscillation ; - Phase sagnacienne.

Intensité je le rayonnement au photodétecteur (ou la valeur du photocourant à sa sortie) sera déterminé par l'équation suivante :

En désignant l'intensité du rayonnement à la sortie de la diode laser , et en supposant également qu'il n'y a pas de pertes dans le circuit de fibre, et en supposant que le séparateur de faisceau divise l'énergie de manière exactement égale, nous trouvons :

(2.155)

Alors l'expression (2.154) prend la forme :

(2.156)

Pour éliminer ces lacunes, vous pouvez utiliser l'introduction déphasage initial l'un des rayons par une valeur proche de p/2, ou procédé de mesure de compensation avec modulation à double phaseà hautes et basses fréquences

Gyrocompas marin

Le problème de la création d'un GC pratiquement non affecté par le mouvement du vaisseau nécessitait l'utilisation d'un gyroscope à trois degrés de liberté comme élément sensible. Il est évident que seul un tel gyroscope, disposant d'un système de suspension du rotor parfait, peut isoler ce dernier de l'influence du mouvement angulaire du socle sur lequel il est installé. Cependant, ce dispositif, dépourvu de toute action corrective, n'est pas capable d'aligner automatiquement son axe principal avec le plan méridien et ne peut donc pas être un gyrocompas.

Il est évidemment nécessaire de créer un tel système de correction du gyroscope qui forcerait son axe principal à se caler dans la méridienne, mais, si possible, ne ferait pas dépendre son mouvement des paramètres de roulis du navire. De la manière la plus simple, ce problème est résolu en déplaçant le centre de masse de l'élément sensible du dispositif le long de l'axe extérieur de sa suspension. Considérez la loi du mouvement de l'axe principal du gyroscope en présence du déplacement spécifié .

On supposera que le gyroscope à trois degrés de liberté, à la gyrocaméra CV(Fig. 1.3) qui, pour déplacer son centre de masse, une charge est attachée Q, installé à la surface de la terre à un moment donné un. Nous supposerons également qu'à l'instant initial son axe principal OA coïncide avec l'horizon et est orienté d'ouest en est. Dans ces conditions, la puissance g le poids du gyroscope, malgré la distance je entre son centre de gravité et le point de suspension O, ne créera pas par rapport au dernier
aucun instant. direction du vecteur g dans ce cas coïncidera avec l'axe vertical SE anneau extérieur de cardan NK et passe donc par le point O support de gyroscope.

L'orientation initiale du gyroscope par rapport à la surface terrestre ne restera pas inchangée. Au fil du temps, en raison de la rotation quotidienne de la Terre, le site d'installation du gyroscope se déplacera dans l'espace. Si la rotation de la Terre est observée de l'extérieur depuis le pôle nord, on verra que ce mouvement est dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Ainsi, après un certain temps, le site d'installation du gyroscope, après avoir effectué une rotation autour de son axe avec la Terre, se déplacera dans l'espace selon un certain angle et prendra une nouvelle position, indiquée sur le schéma par un point b.

Au cours du mouvement décrit, le gyroscope, qui s'efforce de maintenir la direction de son axe principal inchangée dans l'espace, commencera à acquérir une inclinaison toujours croissante vers l'horizon. Dans le même temps, l'extrémité orientale de l'axe principal OA s'élèvera continuellement au-dessus de l'horizon, et celui de l'ouest tombera. Avec le gyroscope autour de l'axe 0V la charge Q tournera également. S'il y a un angle β entre l'axe principal et le vecteur plan d'horizon g ne passera plus par le point O suspension du gyroscope, provoquant ainsi l'apparition du moment M B, agissant sur le gyroscope par rapport à son axe de suspension interne VO. Il est facile de voir que la grandeur du moment M B est déterminé par le produit , qui, en raison de la petitesse de l'angle β peut être pris égal Glβ et donc être considéré comme proportionnel à l'angle β. Direction du vecteur moment M B coïncide avec la direction positive de l'axe 0V, ceux. sera perpendiculaire au plan du dessin et pointera vers le lecteur.

Dès que l'instant MV commencera à agir sur le gyroscope, il y aura un mouvement de précession autour de l'axe extérieur OS. En conséquence, l'axe principal OA gyroscope, tournant autour d'un axe SE avec une vitesse angulaire , commencera à se rapprocher du plan du méridien géographique. Dans ce cas, le vecteur du moment cinétique H le gyroscope se déplacera dans la direction du pôle géographique nord, comme indiqué sur le schéma dans la position dans. Comme vous pouvez le voir, le gyroscope décrit acquiert la capacité d'être installé dans le méridien et, ainsi, se transforme en une boussole avec correction du pendule. On l'appelle souvent compas gyroscopique à correction directe.

Puisque, tendant vers le méridien, le gyroscope se déplace simultanément le long de deux coins α et β , il est intéressant de connaître la trajectoire de son axe principal. Pour ce faire, nous nous tournons vers les équations (2.20), qui décrivent le comportement d'un gyroscope à trois degrés de liberté, dont la base tourne dans l'espace avec des vitesses angulaires ω ho,ω yo et ωzo. Considérant que dans l'affaire sous examen

, (1.1)
où , alors ces équations peuvent être réécrites sous la forme suivante :

(1.2)

Puisque nous avons choisi un système horizontal avec une orientation géographique des axes comme système de coordonnées de base (Fig. 2.20), les vitesses angulaires indiquées seront déterminées par des égalités (2.38), dans lesquelles les vitesses relatives :

En remplaçant les égalités (1.3) dans les équations (1.2) et en tenant compte du fait qu'en pratique << , найдем:

(1.4)

Comme on l'a vu plus haut (§ 2.7), les termes des équations (1.4), qui dépendent des accélérations angulaires, déterminent des oscillations de nutation d'amplitude insignifiante et de fréquence suffisamment élevée, qui, en règle générale, ne sont pas enregistrées en mesurant systèmes. Par conséquent, lors de l'analyse de ces équations, nous nous restreignons au cadre de la théorie précessionnelle, qui ne tient pas compte du mouvement de nutation du gyroscope et justifie l'exclusion des premiers termes de ces équations. En conséquence, ils prendront la forme :

(1.5)

En éliminant des équations résultantes également la variable β , aura:

, (1.6)

(1.7)

La solution de l'équation (1.6) peut s'écrire :

où À partir de 1 et A partir de 2 sont des constantes arbitraires dépendant des conditions initiales.
En différenciant l'égalité (1.8) et en substituant la valeur dans la première équation du système (1.5), on trouve l'expression de l'angle :

Les dépendances (1.8) et (1.9) caractérisent l'évolution dans le temps des angles de déviation de l'axe principal du gyroscope par rapport aux plans méridien et horizon.

Nous supposerons qu'au moment initial, l'axe principal du gyroscope se trouve dans le plan d'horizon [ β(0)= 0] et a été dévié du méridien d'un angle un [un(0)=un n]. Compte tenu de cela, il n'est pas difficile de trouver les valeurs de constantes arbitraires À partir de 1 et A partir de 2:

(1.10)

En substituant les valeurs de ces constantes dans les expressions (1.8) et (1.9), nous aurons :

(1.11)

Simplifions l'expression résultante. Pour ce faire, nous introduisons la notation :

(1.13)

En substituant les égalités (1.12) dans (1.11), on trouve : (1.14)

Les dépendances obtenues montrent que le HC, dont la base est fixée à la surface de la terre, effectue des oscillations harmoniques non amorties par rapport au plan méridien avec une amplitude (Fig. 1.4) et un plan incliné par rapport au plan d'horizon d'un angle

(1.15)

L'amplitude de cette dernière, d'après l'égalité (1.14), est déterminée par l'expression suivante :

(1.16)

Évaluer β 0 caractérise l'angle d'inclinaison nécessaire de l'axe principal du gyroscope, qui assure le mouvement continu de cet axe dans l'espace mondial suivant le plan du méridien terrestre. En effet, la Terre tourne autour de la verticale locale SE avec une vitesse angulaire égale à

Afin de provoquer une même rotation de l'axe du gyroscope dans l'espace, il est nécessaire de créer une action permanente par rapport à l'axe interne VO suspension de son rotor, le moment de la force externe, qui doit être égal au produit Le moment indiqué se produit lorsque l'axe du gyroscope s'écarte de la verticale. Sa valeur est . Ainsi, pour que le GC suive la rotation dans l'espace du plan méridien, l'égalité doit avoir lieu :

, (1.17)

d'où l'égalité (1.12) découle.

Caractère elliptique de la trajectoire de l'axe principal du gyroscope sur le plan du ciel Q en raison de la présence d'un déphasage des oscillations se produisant par rapport aux axes de sa suspension, d'un angle de 90 0 similaire à celui représenté sur la Fig. 2.21.

Période T 0 les oscillations non amorties du gyroscope autour de la position d'équilibre conformément aux égalités (1.11) et (1.7) est déterminée par l'expression suivante :

(1.18)

De l'expression résultante, il s'ensuit que la valeur J pendant la navigation ne reste pas constante, mais dépend de la latitude du navire. En raison du fait que l'amplitude du moment cinétique H, en règle générale, est assez grande; en pratique, la période considérée est de plusieurs dizaines de minutes, ce qui dépasse largement la période de mouvement du navire. Cela augmente considérablement la stabilité de l'axe principal du gyroscope lorsqu'il fonctionne dans diverses conditions de fonctionnement. Cependant, les fluctuations précessionnelles considérées génèrent une erreur périodique dans les lectures du HA, afin d'éliminer lesquelles elles doivent être éteintes. À cette fin, la boussole doit être équipée de l'un ou l'autre dispositif d'amortissement. La nature du mouvement de l'axe principal du gyroscope et la position de son équilibre stable dans ce cas dépendent du type de dispositif d'amortissement utilisé. Cette question sera examinée plus en détail ci-dessous.

En résumant ce qui a été dit, nous remarquons que pour construire un code civil maritime, il faut :

§

§ de le doter d'un dispositif créant un moment par rapport à l'axe intérieur de la suspension du rotor, proportionnel à l'angle de déviation de l'axe principal du gyroscope par rapport au plan de l'horizon ;

§ équiper l'appareil d'un dispositif qui amortit les oscillations de précession du gyroscope, qui surviennent lors du processus d'installation dans le méridien.

Gyroscope à fibre optique

Introduction

Un gyroscope à fibre optique (FOG) est un dispositif opto-électronique dont la création n'est devenue possible qu'avec le développement et l'amélioration de la base d'éléments de l'électronique quantique. L'appareil mesure la vitesse angulaire et les angles de rotation de l'objet sur lequel il est installé. Le principe de fonctionnement du FOG est basé sur l'effet vortex (rotationnel) Sagnac.

L'intérêt des entreprises étrangères et nationales pour un gyroscope optique est basé sur son application potentielle en tant qu'élément sensible de rotation dans les systèmes de navigation, de contrôle et de stabilisation inertiels. Dans certains cas, cet appareil peut remplacer complètement les gyroscopes électromécaniques (rotatifs) complexes et coûteux et les plates-formes gyrostabilisées à trois axes. Selon les données de la presse étrangère, à l'avenir aux États-Unis, environ 50% de tous les gyroscopes utilisés dans les systèmes de navigation, de contrôle et de stabilisation d'objets à diverses fins seront remplacés par des gyroscopes à fibre optique.

La possibilité de créer un véritable FOG très sensible n'est apparue qu'avec le développement industriel d'une fibre diélectrique monomode à faible atténuation. C'est la conception du FOG sur ces fibres qui détermine les propriétés uniques de l'appareil. Ces propriétés comprennent :

sensibilité (précision) potentiellement élevée de l'appareil, qui est déjà de 0,1 deg/h ou moins sur les modèles expérimentaux ;

petites dimensions et conceptions légères, en raison de la possibilité de créer du FOG entièrement sur des circuits optiques intégrés;

faible coût de production et de conception en production de masse et relative simplicité de la technologie;

consommation d'énergie négligeable, ce qui n'est pas négligeable lors de l'utilisation du FOG à bord ;

large gamme dynamique de vitesses angulaires mesurées (en particulier, par exemple, un instrument peut mesurer le taux de virage de 1 deg/h à 300 deg/s);

l'absence d'éléments mécaniques rotatifs (rotors) et de roulements, ce qui augmente la fiabilité et réduit le coût de leur production;

préparation au travail presque instantanée, car aucun temps n'est consacré à faire tourner le rotor;

insensibilité aux grandes accélérations linéaires et, par conséquent, performances dans des conditions de fortes surcharges mécaniques;

haute immunité au bruit, faible sensibilité aux fortes influences électromagnétiques externes dues à la nature diélectrique de la fibre ;

faible exposition aux rayonnements pénétrants de neutrons gamma, en particulier dans la gamme de 1,3 µm.

Un gyroscope à fibre optique peut être utilisé comme support d'un élément sensible (capteur) de rotation fixé rigidement sur le corps dans les systèmes de contrôle et de stabilisation inertiels. Les gyroscopes mécaniques présentent des erreurs dites gyromécaniques, qui sont particulièrement prononcées lors de la manœuvre d'un porteur (avion, fusée, vaisseau spatial). Ces erreurs sont encore plus importantes si la centrale inertielle est conçue avec des capteurs rigidement fixés ou "suspendus" directement au corps du porteur. La perspective d'utiliser un capteur de rotation optique bon marché capable de fonctionner sans erreurs gyro-mécaniques dans un système de contrôle inertiel est une autre raison de l'intérêt particulier pour un gyroscope optique.

L'émergence de l'idée et des premières conceptions d'un gyroscope à fibre optique est étroitement liée au développement d'un gyroscope laser en anneau (RLG). Dans CLG, le circuit sensible est un résonateur auto-excité en anneau avec un milieu gazeux actif et des miroirs réfléchissants, tandis que dans FOG, un circuit de guide de lumière diélectrique multi-tours passif est excité par une source "externe" de rayonnement lumineux. Ces caractéristiques déterminent au moins cinq avantages du FOG par rapport au CLG :

En FOG, il n'y a pas de synchronisation des types d'oscillations en sens opposés près de la valeur nulle de la vitesse angulaire de rotation, ce qui permet de mesurer de très petites vitesses angulaires sans avoir besoin de concevoir des dispositifs de déplacement du point zéro difficiles à mettre en place. ;

2. L'effet Sagnac, sur lequel repose le principe de fonctionnement de l'appareil, se manifeste plusieurs ordres de grandeur plus fort en raison des faibles pertes dans la fibre optique et de la grande longueur de la fibre.

3. La conception du FOG est entièrement réalisée sous la forme d'un corps solide (à l'avenir, entièrement sur des circuits optiques intégrés), ce qui facilite le fonctionnement et augmente la fiabilité par rapport au RLG.

4. FOG mesure la vitesse de rotation, tandis que CLG capture l'incrément de vitesse.

5. La configuration FOG permet de "sentir" l'inversion du sens de rotation.

Ces propriétés du FOG, qui permettent de créer des conceptions simples de haute précision entièrement sur des circuits optiques intégrés solides bon marché en production de masse, attirent l'attention des développeurs de systèmes de contrôle. Selon un certain nombre d'entreprises étrangères, les FOG seront développés de manière intensive en raison de leurs capacités techniques uniques.

Les auteurs étrangers affirment que le développement de la conception FOG et sa mise en place d'échantillons en série n'est pas une tâche facile. Lors du développement de FOG, les scientifiques et les ingénieurs sont confrontés à un certain nombre de difficultés. Le premier est lié à la technologie de production des éléments FOG. A l'heure actuelle, il existe encore peu de bonne fibre monomode qui préserve le sens de polarisation ; la production de séparateurs de faisceaux, de polariseurs, de modulateurs de phase et de fréquence, de filtres spatiaux, de circuits optiques intégrés est au stade initial de développement. Le nombre d'émetteurs et de photodétecteurs conçus spécifiquement pour le FOG est limité.

Les entreprises et les développeurs FOG résolvent ces deux problèmes. La technologie de production d'éléments dans FOG est en cours d'amélioration, la nature physique des perturbations et des instabilités est étudiée théoriquement et expérimentalement, diverses variantes de circuit de FOG avec compensation de ces perturbations sont en cours de création et de test, et les problèmes fondamentaux de l'utilisation de l'optique intégrée sont en cours d'élaboration. La précision du FOG est déjà proche de celle requise dans les systèmes de contrôle inertiel.

De nombreux articles scientifiques ont déjà été publiés dans la littérature scientifique et périodique spécialisée sur le problème du FOG. L'analyse de ces articles indique la nécessité d'une étude plus approfondie de ce problème et le développement de nouvelles façons d'améliorer les caractéristiques qualitatives de FOG.

La systématisation et la généralisation des questions clés de la théorie et de la pratique de la création de FOG est également une étape importante.

tâche thèse est l'analyse du fonctionnement du FOG, le modèle généralisé du bruit et des instabilités, et l'évaluation de la sensibilité limite (potentielle) du dispositif. Sur la base de la propriété de réciprocité, il est nécessaire de considérer la configuration FOG minimale. Ensuite, évaluez l'état actuel de la base de l'élément. Dans le même temps, une grande attention doit être portée aux propriétés des fibres optiques et une analyse des éventuelles inhomogénéités et pertes pour différents types de fibres doit être effectuée. Considérez les principaux éléments du FOG : circuit à fibre, émetteurs et photodétecteurs, et proposez également des moyens de compenser le bruit et les instabilités du FOG (telles que la rétrodiffusion Rayleigh, l'effet non linéaire optique, les gradients de température, le champ magnétique, etc.).

L'objectif principal de la thèse est d'examiner les aspects clés de la théorie FOG basée sur l'analyse des erreurs de ses éléments et l'évaluation qualitative des caractéristiques de précision de l'appareil, en tenant compte de l'utilisation de diverses approches pour résoudre le problème d'augmenter sa sensibilité.

Il est également nécessaire de considérer diverses méthodes de circuiterie pour réduire le niveau de bruit et les instabilités FOG.

Réfléchissez séparément aux aspects techniques et économiques du travail, aux problèmes de sécurité des personnes pendant la recherche, ainsi qu'aux problèmes de sécurité environnementale lors de l'utilisation de l'appareil.

1. Principes de la gyroscopie à fibre optique

1.1. Principales caractéristiques de VOG

Un gyroscope optique appartient à la classe des dispositifs dans lesquels des rayons lumineux à contre-courant se propagent dans un circuit optique fermé. Le principe de fonctionnement d'un gyroscope optique est basé sur l'effet "vortex" Sagnac, découvert par ce scientifique en 1913. L'essence de l'effet vortex est la suivante. Si deux faisceaux lumineux se propagent dans des directions opposées dans un circuit optique fermé, alors avec un circuit fixe, les incursions de phase des deux faisceaux qui ont traversé tout le circuit seront les mêmes. Lorsque le contour tourne autour d'un axe normal au plan du contour, les incursions de phase des rayons ne sont pas les mêmes, et la différence de phase des rayons est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation du contour. Pour expliquer l'effet vortex de Sagnac, trois théories ont été développées : cinématique, Doppler et relativiste. Le plus simple d'entre eux est cinématique, le plus rigoureux est relativiste, basé sur la théorie de la relativité générale. Considérons l'effet vortex Sagnac dans le cadre de la théorie cinématique.

Selon la conception du circuit optique fermé, on distingue deux types de gyroscopes optiques. Le premier type est le soi-disant gyroscope laser annulaire (RLG), dans lequel le contour est formé par un milieu actif (un mélange d'hélium et de gaz néon) et les miroirs correspondants formant un chemin fermé (laser annulaire). Le deuxième type est un gyroscope à fibre optique (FOG), dans lequel un circuit fermé est formé par une bobine multitour d'une fibre optique. Le schéma de principe du FOG est illustré à la fig. 1.3.

1.2. Le principe de réciprocité et d'enregistrement de phase dans le FOG

Dans les conceptions expérimentales typiques des gyroscopes, une bobine avec R = 100 mm est utilisée avec une longueur de fibre L = 500 m. La détection d'une vitesse de rotation de 1 deg/h nécessite l'enregistrement de la phase avec une résolution de l'ordre de 10 -5 rad. Ceci est illustré à la fig. 1.4., où les valeurs du déphasage sont représentées en fonction de la vitesse angulaire de rotation du contour et de la valeur de LR à  = 0,63 μm.

Les systèmes de détection de phase d'interférence optique avec une telle sensibilité sont bien connus, cependant, dans les gyroscopes, il existe certains problèmes particuliers associés à la détection de phase. Le premier est lié au fait que souvent le gyroscope fonctionne avec une différence de chemin nominale presque nulle, et pour de petits changements dans la valeur de phase relative, il y a un changement négligeable dans l'intensité de sortie.

Figure 1.4. La phase de Sagnac dans la vitesse angulaire de rotation pour différentes valeurs du paramètre LR.

Le fonctionnement avec un décalage de phase de 90° maximise la sensibilité, mais cela introduit une certaine non-réciprocité pour les deux sens de propagation du faisceau dans le gyroscope, car la phase d'un faisceau dans le sens des aiguilles d'une montre se propage différemment de celle d'un faisceau dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en l'absence de rotation.

La propriété de réciprocité est le deuxième point important dans FOG. La non-réciprocité de phase dans le FOG est déterminée par la différence de phase différentielle des faisceaux se déplaçant de manière opposée. Toute non-réciprocité de phase (différence de phase) pour les deux directions donne un changement dans les lectures du gyroscope. Si la non-réciprocité est une fonction du temps, alors il y a une certaine dérive temporelle dans les lectures du gyroscope. Une fibre d'une longueur de 500 m donne un retard de phase de l'ordre de 10 10 rad. Ainsi, pour enregistrer une vitesse de rotation de 0,05 deg/h, il est nécessaire que les trajets de propagation des rayons se déplaçant en sens inverse soient cohérents avec une précision relative allant jusqu'à 10 -17 rad.

De plus, il faut noter que le principe même de fonctionnement d'un gyroscope à fibre optique repose sur la propriété non réciproque de la propagation des ondes contrapropagatives dans un référentiel tournant (apparition d'une différence dans les incursions de phase de deux poutres pendant la rotation). Par conséquent, l'importance de l'analyse des effets non réciproques et des dispositifs dans le FOG est incontestable (au moins pour déterminer la précision du dispositif).

Appliqué au FOG, il convient d'analyser le principe de réciprocité pour un circuit à quatre entrées et sorties. Pour un guide d'onde optique, quatre entrées correspondent à des entrées de rayonnement selon deux directions de polarisation mutuellement perpendiculaires à chaque extrémité de la fibre. Les entrées et sorties correspondantes sont définies selon des axes de polarisation identiques.

Il s'ensuit que dans le cas d'une entrée de rayonnement avec la direction de polarisation initiale X, la lumière émergeant avec la direction de polarisation orthogonale Y aura des incursions de phase différentes dans chaque direction de propagation, et la lumière émergeant avec la direction de polarisation initiale X aura la mêmes incursions de phase pour chaque direction de distribution.

Cela fait partie de l'exigence imposée par l'interprétation du théorème de réciprocité de Lorentz, qui postule que dans le cas d'un système linéaire, les chemins optiques sont exactement réciproques si le mode spatial d'entrée donné est le même à la sortie.

L'un des paramètres du mode spatial est la polarisation ; le deuxième paramètre doit également être spécifié, comme la distribution spatiale (localisation) du mode. Il doit donc y avoir à la fin du circuit FOG, à la fois un filtre de polarisation (sélectionnant la polarisation initiale) et un filtre spatial, qui satisferont au principe de réciprocité de Lorentz.

Ces jolies appareils simples dans la conception FOG (à condition qu'ils puissent être mis en œuvre avec une précision suffisante) garantiront des conditions de réciprocité dans le système, mais uniquement si la condition de linéarité est satisfaite. Si les non-linéarités sont significatives, alors le FOG aura une réciprocité s'il existe une symétrie exacte autour du point médian du circuit de fibre. Cette condition implique que l'énergie injectée à chaque extrémité de la boucle soit la même et que les propriétés de la fibre soient uniformément réparties (ou du moins symétriques).

La puissance du rayonnement optique injecté dans la fibre est si faible (toujours inférieure à 1...2 mW) qu'il semblerait que les non-linéarités puissent être négligées. Cependant, la sensibilité du FOG aux non-réciprocités est extrêmement élevée, et les effets non linéaires (en particulier l'effet Kerr) conduisent à des non-réciprocités notables, équivalentes à un taux de rotation supérieur à 1 deg/h. Dans une fibre optique, le plan de polarisation de la lumière polarisée linéairement tourne sous l'action d'un champ magnétique extérieur (effet Faraday).

La rotation de Faraday est un autre effet non réciproque. Dans le cas d'une lumière polarisée linéairement, la rotation totale dépend de l'intégrale linéaire du courant parcouru le long du chemin optique. Dans le cas du FOG, cette intégrale est nulle dans le champ magnétique terrestre. Cependant, un examen plus approfondi de l'interaction de la lumière dans une fibre et du champ magnétique le long de la fibre indique que la véritable source de rotation est la biréfringence circulaire induite et que l'approche simple mentionnée ci-dessus n'est utile que si les deux composantes de polarisation circulaire (droite et gauche) ont la même amplitude. Ceci n'est vrai que pour le cas de la lumière polarisée linéairement.

Lorsque la lumière se propage dans une fibre, tous les états de polarisation possibles ont lieu et le pourcentage de lumière restant dans chaque état de polarisation circulaire intrinsèque du rotateur de Faraday varie de manière aléatoire le long du chemin optique. Il en résulte un certain déphasage pour les deux sens de propagation du mode polarisé linéairement en sortie.

Ainsi, le FOG est très sensible au champ magnétique terrestre, et lors de la conception du FOG pour mesurer la vitesse de rotation, un blindage magnétique (ou assurer la polarisation linéaire de la lumière tout au long de la fibre) est nécessaire. En supposant que le champ magnétique terrestre est de 27 A*m 2 et en supposant que le champ n'est pas compensé sur 5 % de la longueur de la fibre, on peut obtenir une valeur de déphasage équivalente à la vitesse de rotation de la Terre.

Les points ci-dessus comprenaient des effets non réciproques induits dans la fibre ; cependant, même les premières étapes de la conception du FOG du point de vue du maintien de la réciprocité dans le système d'enregistrement devraient être d'assurer la même longueur des chemins optiques dans le FOG.

De la fig. 1.3. on peut voir que cette configuration n'a pas la propriété de réciprocité, car un faisceau de lumière dans le sens des aiguilles d'une montre traverse deux fois le séparateur de faisceau et un faisceau de lumière dans le sens inverse des aiguilles d'une montre est réfléchi deux fois par le séparateur de faisceau. Mais en même temps, le chemin de sortie optique mutuel du circuit sensible remonte dans le sens de la source (du séparateur de faisceau à la diode), c'est-à-dire le long du chemin optique d'entrée.

Par conséquent, il est possible d'obtenir une réciprocité dans le système d'enregistrement si le deuxième séparateur de faisceau est placé le long du chemin optique d'entrée (Fig. 1.5.).

La gamme des vitesses de rotation, qui sont mesurées par un gyroscope très sensible des systèmes de contrôle inertiel, s'étend de 0,1 deg/h à 400 deg/h. A LR = 100 m, ces valeurs de vitesse correspondent à la plage de changement de phase de 10 à 10 rad (Fig. 1.4.).

Figure 1.5. Circuit FOG avec un décalage de différence de phase constant.

À ce jour, des efforts considérables ont déjà été déployés pour augmenter la sensibilité de l'appareil aux basses vitesses, et en même temps, très peu d'attention est accordée aux problèmes liés à l'augmentation de la plage dynamique requise.

Comme déjà noté, s'il est nécessaire de mesurer de grandes variations d'intensité pour un changement de phase donné, un déphasage /2 doit être introduit, c'est-à-dire que l'interféromètre doit fonctionner en mode quadrature. Dans ce mode, la relation entre les changements d'intensité et les changements de phase est linéaire (jusqu'à 1 %) uniquement jusqu'à des écarts de phase maximum de 0,1 rad. La non-linéarité peut cependant être compensée dans le système de recalage lui-même jusqu'à un écart de phase maximum de l'ordre de 1 rad.

Il existe un certain nombre de méthodes de détection de phase qui peuvent être utilisées dans la conception du FOG.

Les schémas les plus courants qui utilisent un déphasage statique de 90° entre les deux faisceaux et les schémas avec un déphasage variable de 90°.

Une différence de phase statique non réciproque entre les rayons se propageant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre peut être créée, par exemple, en utilisant un élément de Faraday placé à une extrémité du circuit de fibre (Fig. 1.5.). Des changements dans l'intensité enregistrée à la sortie mutuelle correspondent à des changements dans la valeur de phase relative pour deux faisceaux encerclant le contour.

Basé sur les principes de déphasage, un autre principe de recalage peut être proposé avec une sensibilité plus élevée.

1.3. Modèle de bruit et d'instabilités en FOG.

Un gyroscope à fibre optique est un système optoélectronique assez complexe. Lors de la conception d'un dispositif réel, les éléments optiques et les dispositifs électroniques doivent être sélectionnés et disposés de manière à minimiser l'influence des perturbations extérieures (gradients de température, vibrations mécaniques et acoustiques, champs magnétiques, etc.). Dans l'appareil lui-même, en outre, il existe un certain nombre de sources internes de bruit et d'instabilités. Classiquement, ces bruits et instabilités peuvent être divisés en perturbations rapides et lentes. Les perturbations rapides ont un effet moyen aléatoire à court terme (secondes) sur la sensibilité FOG ; ils se manifestent clairement à vitesse de rotation nulle (bruit de courte durée). Les perturbations lentes provoquent une dérive lente du signal, ce qui entraîne des décalages à long terme de la lecture FOG (dérive à long terme).

Un modèle généralisé des sources de bruit et des instabilités dans le FOG est présenté sur la Fig. 1.6.

Figure 1.6. Modèle généralisé du bruit et des instabilités en FOG.

Si nous excluons l'influence de toutes les sources de bruit et d'instabilités dans le FOG, ce qui, bien sûr, n'est possible qu'en principe, il reste toujours un bruit fondamentalement inamovible - le soi-disant bruit quantique ou photonique; ils sont aussi appelés bruit de grenaille. Ces bruits n'apparaissent qu'en présence de signal optiqueà l'entrée du photodétecteur et sont dues à distribution aléatoire taux d'arrivée des photons au niveau du photodétecteur, ce qui entraîne des fluctuations aléatoires du courant du photodétecteur. Dans ce cas, la sensibilité FOG (précision) n'est limitée que par le bruit de tir (photon). La sensibilité (précision) du FOG, déterminée par le bruit de tir (photon), comme tout autre système de mesure d'informations optiques, est la limite fondamentale de la sensibilité (précision) de l'appareil. Le bruit photonique est une conséquence de la nature quantique du rayonnement lumineux. En ce qui concerne les systèmes optiques de transmission d'informations, l'immunité limite au bruit de ces systèmes, due au bruit photonique, a été calculée en .

Suite aux travaux, nous estimerons la limite fondamentale de la sensibilité (précision) du FOG.

Le niveau de bruit photonique dépend de l'intensité du rayonnement optique incident sur le photodétecteur et est déterminé par les fluctuations de l'intensité du rayonnement optique.

L'estimation de la limite de sensibilité due au bruit de grenaille peut changer sous l'influence d'un certain nombre de facteurs.

Le premier est le rendement quantique du photodétecteur dont la diminution entraîne une diminution du rapport signal sur bruit. Un autre facteur est que la puissance moyenne pondérée de manière appropriée frappant le photodétecteur détermine le niveau de bruit de tir (photon), et elle peut être inférieure à la puissance maximale. Cependant, il n'est pas toujours clair comment effectuer la procédure de pesée. Il peut y avoir une différence d'environ 2 fois entre l'estimation et la limite de bruit de tir atteinte.

Il existe également d'autres écarts plus faibles déterminés par les caractéristiques du processus de détection. La sensibilité à court terme du FOG, approchant la limite quantique indiquée, a été notée dans les travaux. Une telle sensibilité peut être obtenue en réduisant soigneusement toutes sortes d'autres bruits à un niveau très bas. Par exemple, le bruit thermique de l'amplificateur peut être réduit en sélectionnant de manière appropriée la résistance de charge de la photodiode ; de plus, un amplificateur à faible bruit peut être utilisé ; un facteur de bruit inférieur à 1 dB a déjà été atteint. Un autre type de bruit et d'instabilité dans le FOG peut être réduit ou compensé par les méthodes décrites au Chap. 3.

Considérons un modèle généralisé de bruit et d'instabilités FOG. Donnons une brève description des principales perturbations d'un FOG réel.

L'une des principales sources de bruit dans un système FOG est la rétrodiffusion de Rayleigh dans la fibre et, dans certains systèmes, également la réflexion à partir d'éléments optiques discrets utilisés pour introduire le rayonnement dans le système. Physiquement, ces bruits apparaissent

du fait de la diffusion du rayonnement lumineux du faisceau direct sur les microparticules et des inhomogénéités du milieu de propagation.

Le bruit associé à la rétrodiffusion et à la réflexion peut contenir deux composantes : cohérente et incohérente. La composante incohérente augmente le niveau global de puissance lumineuse chaotique sur le détecteur, c'est une source de bruit de grenaille supplémentaire. La composante incohérente n'interfère pas avec le signal associé à la vitesse de rotation mesurée.

Le niveau de la contribution supplémentaire au bruit de grenaille a été calculé et, dans toutes les situations pratiques, sa valeur ne dépasse pas 1 dB.

La composante cohérente de rétrodiffusion et le bruit de réflexion s'ajoutent vectoriellement aux faisceaux à contre-courant; il en résulte une erreur sur le déphasage entre les deux faisceaux en fonction de la phase du signal de bruit. Par exemple, comme indiqué dans le travail, la réflexion de Fresnel à partir de la surface limite verre-air est d'environ 4% d'intensité.

Dans les pires conditions, cette composante peut s'additionner de manière cohérente avec le faisceau principal et donner un changement de phase de plus de 10 -1 rad, ce qui équivaut à une vitesse de rotation d'environ 10 deg/s. Une erreur due à la réflexion cohérente peut être éliminée si une source de rayonnement avec une longueur de cohérence beaucoup plus courte que la longueur du circuit de fibre est utilisée dans le FOG. Puis le bruit lié à la réflexion en bout de fibre s'ajoute de manière incohérente au signal utile.

Le bruit associé à la rétrodiffusion Rayleigh cohérente peut être réduit d'une manière similaire, c'est-à-dire en utilisant une source de rayonnement avec la longueur de cohérence la plus courte. Cependant, il existe toujours un segment de la fibre situé approximativement au milieu du contour, dont la longueur est égale à la longueur de cohérence de la source, et c'est ce segment de la fibre qui donne la composante cohérente de rétrodiffusion.

Une estimation de l'amplitude de ce bruit peut être faite sur la base d'un modèle simple qui suppose que la perte de fibre se produit en raison d'une diffusion uniforme par de minuscules discontinuités dans le cœur de la fibre (diffusion Rayleigh). Si la fibre a une perte de 10 dB/km, alors 0,1 % de l'énergie incidente est dissipée dans un mètre ; la fraction de l'énergie diffusée égale au carré de l'ouverture numérique de la fibre est rétrodiffusée. Ainsi, dans un mètre de fibre donné, une énergie de l'ordre de 10 -5 de l'énergie incidente est rétrodiffusée vers la source lumineuse.

Si l'on considère le milieu de la boucle et si l'atténuation totale dans la boucle est de 10 dB, alors la partie centrale de la boucle (longueur d'un mètre) donne un écart d'un millionième de la puissance (10 -6) par rapport à la puissance reçue dans le dispositif de comparaison de phase, ce qui conduit à une erreur d'estimation de phase égale à 10 -3 rad (si la rétrodiffusion est cohérente). Alors l'erreur équivalente dans l'estimation de la vitesse de rotation est d'environ 150 deg/h (voir Fig. 1.5).

L'erreur effective associée à l'estimation de la vitesse de rotation est proportionnelle à la racine carrée de la longueur de cohérence du rayonnement source. Dans cet esprit, l'article montre que pour détecter la rotation quotidienne de la Terre, la longueur de cohérence maximale effective est de 0,1 mm ; pour enregistrer la rotation avec la vitesse

0,1 deg/h, la longueur de cohérence est de l'ordre de quelques micromètres.

Un certain nombre de chercheurs utilisent des modulateurs de phase aléatoire placés au milieu du circuit afin de « décohérer » (décorréler) le bruit de rétrodiffusion.

La propriété de réciprocité RGO peut être violée sous l'influence de changements de température extérieure. Des gradients de température variant dans le temps dans un circuit à fibre donnent un signal équivalent à une certaine vitesse de rotation. L'analyse du pire des cas indique la nécessité d'une stabilisation thermique étroite de la boucle, mais les limitations peuvent être supprimées dans une large mesure en rendant l'enroulement de la bobine symétrique.

Les écarts par rapport à la propriété de réciprocité ne se produisent que lors d'un changement du gradient de température et ne se produisent pas si la température de l'ensemble du circuit change de manière uniforme. L'influence du gradient de température qui se produit entre deux distributions de température stables provoque une erreur dans la lecture de la vitesse angulaire lors des changements de température.

La surface de la bobine est fonction de la température et du matériau de la bobine sur laquelle le circuit est enroulé. Il est très probable qu'un instrument de haute précision nécessitera une stabilisation de la température. Vous devrez peut-être effectuer une correction de température pendant le traitement du signal. Il convient également de noter que les coefficients de dilatation thermique de la fibre et de la bobine d'enroulement doivent être bien adaptés afin de minimiser les pertes par microcourbure dans la fibre causées par les changements de température. Ils surviennent lorsque la fibre est soumise à des contraintes mécaniques et peuvent dépasser 10 dB/km.

La source de bruit dans le FOG, qui dégrade la sensibilité du dispositif, est les fluctuations du rayonnement d'une source optique (diode laser, diode électroluminescente ou diode superluminescente). Ce bruit apparaît sous forme de fluctuations dans le signal de sortie mesuré. Le rayonnement de la source FOG peut varier à la fois en intensité et en longueur d'onde du flux lumineux généré.

Le bruit associé à la modification de l'intensité du rayonnement augmente le niveau global de bruit de tir ; elle peut être causée soit par des fluctuations du courant de polarisation appliqué à la source, soit par des fluctuations internes à la source elle-même. Dans le cas des sources laser à semi-conducteurs, le bruit associé aux changements d'intensité ajoute un ou deux décibels au niveau de bruit de grenaille global. Lors de la conception d'un FOG, le spectre de ce bruit doit bien entendu être connu ; On sait que dans le cas des lasers à semiconducteur ce spectre est très complexe.

Il convient de noter, cependant, que dans de nombreux schémas d'enregistrement utilisés en FOG, la phase optique est convertie en intensité par un processus interférométrique. A la sortie du dispositif électronique, des valeurs d'intensité optique équivalentes à la phase sont lues. L'instabilité de l'intensité d'émission d'une source optique (même si la longueur d'onde d'émission reste constante) conduit à des instabilités des valeurs de phase.

Les systèmes hétérodynes, ainsi que les systèmes de recalage avec inversion de phase à zéro, résistent à ce type d'instabilités. Il est connu que les semi-conducteurs de source développent une instabilité d'intensité de vieillissement au fil du temps, mais cet effet peut être compensé en mesurant l'intensité totale à partir de la face arrière de la source et en ajustant le courant de polarisation en conséquence. L'efficacité de cette procédure n'est pas claire, car des modifications du courant de polarisation entraîneront des modifications correspondantes de la température du laser, ce qui entraînera des modifications correspondantes de la longueur d'onde de sortie, affectant ainsi le facteur d'échelle.

Comme déjà noté, la stabilité de la longueur d'onde de la source de rayonnement FOG affecte directement le facteur d'échelle de l'appareil. Les lasers thermiquement stabilisés peuvent être assez stables, bien que les variations de la longueur d'onde de sortie avec le vieillissement du courant de pompe et la température du dissipateur thermique doivent être incluses dans la spécification lorsqu'elles sont destinées au FOG ; cela vous permettra de sélectionner des diodes aux caractéristiques adaptées.

Cependant, il convient de noter que le bruit associé à un changement de la longueur d'onde du rayonnement de la source FOG est négligeable dans la plupart des systèmes de détection de phase. Ils décorrèlent en fait en fréquence la rétrodiffusion Rayleigh du rayonnement. On connaît par exemple des systèmes FOG dans lesquels le rayonnement d'un laser hélium-néon est spécialement modulé en fréquence afin de décorréler le rayonnement rétrodiffusé.

Considérons maintenant le bruit qui apparaît dans le FOG du fait du caractère non linéaire de l'interaction du rayonnement avec le milieu dans lequel il se propage. Malgré les très faibles niveaux de rayonnement se propageant dans le FOG, les effets non linéaires peuvent être assez importants, étant donné, bien sûr, que le FOG est très sensible aux non-réciprocités de phase dans le circuit. L'effet électro-optique non linéaire est appelé effet Kerr et consiste en une modification du déphasage d'une onde lumineuse se propageant dans un milieu sous l'influence de l'intensité du rayonnement (c'est-à-dire que la phase change en fonction du carré de l'amplitude du rayonnement). Dans les études de VOG, il était

La constante de phase de propagation pour une onde dans le sens des aiguilles d'une montre est proportionnelle à la somme de l'intensité de l'onde avant et du double de l'intensité de l'onde arrière. Il en va de même pour une onde se déplaçant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans un circuit. Par conséquent, les contributions à la non-linéarité sont déterminées à la fois par l'onde se propageant dans le sens des aiguilles d'une montre et par l'onde se propageant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Si les intensités des ondes à contre-propagation sont différentes, et cela peut être dû à des changements de température dans les séparateurs de faisceau, les coupleurs, etc., alors les constantes de propagation de phase pour les ondes à contre-propagation changent de différentes manières. Il y a une non-réciprocité de phase du circuit FOG, ce qui conduit à la dérive correspondante du dispositif.

L'auto-compensation de l'influence de l'effet Kerr peut également être mise en œuvre en choisissant une source de rayonnement FOG avec des caractéristiques spectrales et statistiques appropriées. Comme on le sait, une source de champ de bruit gaussien, ayant une distribution d'amplitude gaussienne, a une distribution d'enveloppe de Rayleigh ou une distribution d'intensité exponentielle.

Avec l'imperfection mécanique de la conception FOG, les champs acoustiques, les vibrations mécaniques et les accélérations peuvent être une source sérieuse de bruit.

Pour être complet du modèle statistique des perturbations FOG, il faut au moins mentionner des perturbations telles que le bruit (bruit basse fréquence du photodétecteur), les bruits spontanés et stimulés de la source de rayonnement laser, les bruits multiplicatifs, les bruits APD, la diffusion Brillouin (diffusion par les phonons - formations acoustiques dans le milieu), diffusion Mi (diffusion sur les grandes inhomogénéités du milieu). Cependant, en pratique, le niveau d'intensité de ces bruits est faible.

Ainsi, nous avons considéré un modèle généralisé des sources de bruit et des instabilités FOG. Selon la conception du FOG, certaines sources de bruit et d'instabilités peuvent jouer un rôle plus ou moins important. Les principales sources sont le bruit de rétrodiffusion de Rayleigh, l'effet électro-optique non linéaire, les gradients de température, le champ magnétique externe et l'instabilité de l'intensité et de la longueur d'onde de la source de rayonnement. Le bruit fondamentalement inamovible est le bruit de tir (photon) du signal utile qui apparaît dans le système d'enregistrement et détermine la limite fondamentale de sensibilité (précision) du FOG.

L'analyse de la propriété de réciprocité et du modèle généralisé du bruit et des instabilités du FOG nous permet de considérer le schéma de la configuration dite minimale du FOG. Une telle configuration devrait inclure l'ensemble minimum d'éléments qui permettront de créer un dispositif fonctionnel d'une sensibilité suffisamment élevée.

Étant donné que les principales caractéristiques du fonctionnement FOG sont étroitement liées à la propriété de réciprocité et que, de plus, même de petits écarts de réciprocité peuvent entraîner des erreurs dans les relevés de vitesse de rotation et des effets de dérive à long terme, le choix de la configuration FOG minimale doit reposer sur ce point clé - la propriété de réciprocité. L'option de configuration minimale est illustrée à la fig. 1.7.

Le rayonnement de la source est introduit dans la fibre optique à l'aide d'un dispositif d'entrée de rayonnement (lentille, immersion, extrémité, et d'autres systèmes sont possibles). L'efficacité de l'entrée de rayonnement dans une fibre monomode dépend du degré de cohérence spatiale du rayonnement source. Plus la cohérence spatiale du rayonnement est grande, plus les pertes sont faibles lorsque le rayonnement est injecté dans la fibre.

Les calculs et expérimentations présentés en c ont montré que pour réduire l'influence de la rétrodiffusion Rayleigh et de l'effet Kerr, l'émetteur doit avoir une courte longueur de cohérence temporelle. En pratique, les diodes électroluminescentes (LED), les diodes laser (LD) et les diodes superluminescentes (SLD) sont utilisées comme émetteurs. Les deux derniers types d'émetteurs ont un degré de cohérence spatiale assez élevé ; SD a la plus faible cohérence temporelle.

Un filtre modal se compose généralement d'une longueur de fibre monomode (filtre spatial) et d'un polariseur. Apparemment, il est opportun de réaliser un filtre spatial à partir d'une fibre monomode préservant la polarisation.

Figure 1.7. Configuration minimale du FOG.

L'utilisation d'un filtre modal facilitera le respect des conditions de base de la propriété de réciprocité de Lorentz, réduisant ainsi la dérive FOG. Un filtre modal stable sera efficace si l'environnement entre l'entrée et la sortie du circuit fibre est maintenu linéaire et constant dans le temps.

Un contrôle précis de la polarisation du rayonnement à l'entrée et à la sortie du circuit est nécessaire. La qualité du polariseur dépend du degré de réjection par le polariseur des rayons à polarisation orthogonale. Dans le pire des cas, lorsque chaque direction de polarisation a un rayonnement d'égale intensité, le signal parasite est en quadrature de phase avec le signal utile ; c'est dans ce cas que se produit l'erreur de phase maximale. Comme indiqué dans , pour un polariseur avec un rejet de polarisation indésirable de 70 dB, l'écart de phase dans le système d'enregistrement est d'environ 10 -4 rad,

ce qui équivaut à une dérive du gyroscope d'environ 20 deg/h. Cependant, la dérive peut être réduite d'un ou deux ordres de grandeur même avec l'utilisation dudit polariseur, si les polarisations du rayonnement en entrée et en sortie coïncident avec l'axe du polariseur avec une précision de 1°. Ainsi, la question de la stabilité de la polarisation du rayonnement dans le FOG est d'une grande importance.

La conception expérimentale du FOG, discutée dans , a été entièrement réalisée sur une fibre monomode avec une polarisation stable et a démontré une sensibilité élevée. Apparemment, il est également possible de maintenir une polarisation stable dans le circuit lors de l'utilisation d'une fibre monomode conventionnelle, mais cette dernière doit être enroulée sur une bobine d'un certain rayon et avec une certaine contrainte mécanique, puisque le fait même d'enrouler la fibre sur une bobine conduit à la sélection et à la préservation des propriétés de polarisation dans le système.

Pour améliorer le degré de rejet de la polarisation indésirable, il est également possible d'utiliser deux ou plusieurs polariseurs. Il faut cependant mentionner qu'une dépolarisation complète du rayonnement dans le FOG donne parfois de très bons résultats.

Le filtre spatial placé entre les coupleurs P 1 et P 2 doit avoir une réponse spatiale qui chevauche la structure de mode en entrée et en sortie de la boucle fibre. De plus, il doit maintenir une relation spatiale stable avec les extrémités de la fibre ; structure de mode dans la fibre

les circuits d'entrée et de sortie ne doivent pas être identiques.

Étant donné que FOG utilise généralement une fibre monomode, l'atténuation des modes d'ordre supérieur par le filtre spatial n'est pas difficile.

Lorsqu'une fibre monomode conventionnelle (qui ne conserve pas la polarisation) est utilisée en FOG, un dispositif de polarisation PU est placé à l'intérieur de la boucle, qui sélectionne et contrôle en outre la polarisation dans la boucle, stabilisant ainsi la puissance optique du mode émis par le filtre modal.

Le schéma de la configuration minimale du FOG (Fig. 1.7.) montre les modulateurs M, qui, si nécessaire, peuvent être inclus en différents points du gyroscope optique. Il s'agit en général de modulateurs de fréquence et de phase dont le but est de transférer la phase de Sagnac à un signal à fréquence variable ou de compenser en fréquence cette phase afin de mesurer la vitesse angulaire sur un signal alternatif. De plus, la modulation peut réduire le bruit de rétrodiffusion de Rayleigh.

Les photodiodes (PD), les photodiodes p-i-n et les photodiodes à avalanche (APD) sont utilisées comme photodétecteur dans la pratique de la conception FOG. La puissance de la source laser est suffisamment élevée pour que des photodiodes p-i-n puissent être utilisées ; cependant, lors de l'utilisation de SLD, des photodiodes à avalanche avec multiplication interne peuvent être nécessaires. Dans ce dernier cas, une source supplémentaire de bruit apparaît - des fluctuations aléatoires du facteur de multiplication d'avalanche.

Influence des éléments FOG sur les caractéristiques de précision du système

2.1. Caractéristiques des sources de rayonnement pour le FOG.

Lors de la conception de gyroscopes à fibre optique, en règle générale, des lasers à semi-conducteurs (diodes laser LD), des diodes électroluminescentes (LED) et des diodes superluminescentes (SLD) sont utilisés comme émetteurs. Dans un certain nombre de configurations expérimentales FOG, cependant, des générateurs quantiques optiques hélium-néon sont également utilisés. Leur utilisation s'explique, apparemment, par l'opinion traditionnelle selon laquelle les sources de rayonnement hautement cohérentes sont préférables en optique lors de la mesure des relations de phase. Lors de l'utilisation de lasers hélium-néon, son rayonnement peut être "décohéré" par modulation de fréquence, ce qui réduira l'effet de rétrodiffusion Rayleigh cohérente, qui introduit une erreur dans la mesure de la vitesse angulaire de rotation. De plus, pour compenser l'effet Kerr, qui introduit également une erreur, on peut utiliser des sources large bande qui se rapprochent des sources thermiques dans leurs propriétés spectrales.

De plus, la conception spécifique du FOG impose des exigences supplémentaires sur les sources de rayonnement. Celles-ci comprennent : la conformité de la longueur d'onde du rayonnement avec la longueur d'onde nominale du guide de lumière, où les pertes sont minimales ; assurer une efficacité suffisamment élevée d'entrée de rayonnement dans la fibre ; possibilité de fonctionnement de la source de rayonnement en mode continu sans refroidissement ; un niveau suffisamment élevé de puissance de sortie de l'émetteur ; la durabilité, la reproductibilité des caractéristiques, la rigidité structurelle, ainsi que les dimensions minimales, le poids, la consommation électrique et le coût.

Ces conditions sont le plus pleinement remplies par les émetteurs à semi-conducteurs - LD, LED et SLD. Considérons quelques caractéristiques des émetteurs.

La possibilité d'utiliser des lasers à injection de semi-conducteurs comme source de rayonnement dans le FOG attire les chercheurs et les concepteurs principalement en raison de leur petite taille et de leur poids, de leur rendement élevé, de leur pompage à courant continu, de leur conception à semi-conducteurs et de leur faible coût. De plus, en introduisant diverses impuretés, il est possible de couvrir la gamme de longueurs d'onde requise.

A l'heure actuelle, un grand nombre de types de lasers à injection de semi-conducteurs ou de diodes laser (LD) à base de divers matériaux ont été créés. Le principe de génération de rayonnement LD présente un certain nombre de différences significatives par rapport au principe de génération de lasers d'autres types, principalement en raison des caractéristiques de leur structure énergétique.

Considérons en termes généraux les paramètres techniques du LD, qui nous permettront d'évaluer la possibilité d'utiliser certaines structures dans les gyroscopes à fibre optique, en tenant compte des exigences qui leur sont imposées.

Dans un semi-conducteur pur, on distingue les bandes d'énergie suivantes : bande de valence, bande interdite et bande de conduction. Dans un vrai semi-conducteur, la présence d'impuretés doit être prise en compte. Les impuretés sont à l'origine de l'apparition de niveaux d'énergie supplémentaires. Les impuretés donneuses créent des niveaux proches de la bande de conduction, et les particules d'impuretés elles-mêmes, étant ionisées, ajoutent des électrons en excès à la bande excitée (bande de conduction). Les impuretés de l'accepteur ont des niveaux proches de la bande de valence. Ces impuretés capturent les électrons de la bande de valence, y formant un nombre excessif de trous. Le nombre d'électrons dans la bande de conduction dépasse largement le nombre de trous dans la bande de valence (ceci est typique pour un semi-conducteur de type n, et vice versa pour un semi-conducteur de type p).

Lors de la connexion de semi-conducteurs de différents types de conductivité, une jonction p-n se forme à leur interface.

La nature de la distribution des électrons sur les états d'énergie possibles dans un semi-conducteur dépend de la concentration en dopant et de la température. Afin de créer des conditions pour la génération de rayonnement induit dans un semi-conducteur, il est nécessaire de perturber la distribution d'équilibre sur les niveaux d'énergie, c'est-à-dire de les redistribuer de manière à ce qu'il y ait plus d'électrons aux niveaux supérieurs qu'aux niveaux inférieurs. Dans les matériaux semi-conducteurs, diverses transitions d'électrons sont possibles, telles que "zone-zone", "zone-impureté", et des transitions entre niveaux d'impuretés. La transition d'un électron à

des niveaux d'énergie plus élevés s'accompagnent de l'absorption d'énergie de l'extérieur. Lorsque vous vous déplacez vers des niveaux inférieurs, de l'énergie est libérée. Dans ce cas, l'énergie libérée est émise sous forme d'oscillations électromagnétiques ou est dépensée pour chauffer le réseau cristallin.

Pour la transition "bande-bande", l'inversion de population des niveaux d'énergie a lieu si le nombre d'électrons dans la bande de conduction est supérieur à celui dans la bande de valence. L'inversion de population dans les matériaux semi-conducteurs ne peut être réalisée qu'en créant une concentration hors d'équilibre d'électrons et de trous.

La principale méthode pour créer une population inversée dans les semi-conducteurs est l'injection de porteurs de courant hors d'équilibre à travers la jonction pn. Une telle injection est mise en œuvre en appliquant une polarisation électrique à la jonction pn dans le sens positif. Ensuite, le potentiel à l'interface semi-conducteur diminue et à travers

la transition commence à faire circuler le courant des principaux porteurs de trous de la région p et d'électrons de la région n. Une zone avec une population inversée apparaît près de la jonction p-n. Lors des transitions d'électrons de la bande de conduction à la bande de valence, un rayonnement induit se produit, c'est-à-dire que le processus de transition induite s'accompagne d'une recombinaison radiative d'électrons et de trous dans la jonction p-n. Lors de la recombinaison radiative, l'excès d'énergie est libéré sous la forme d'un quantum de lumière.

L'effet de la génération laser de lumière dans les structures semi-conductrices n'est possible qu'en présence d'une rétroaction positive sur l'émission de lumière; dans ce cas, l'amplification doit compenser les pertes optiques. La rétroaction positive est fournie par un résonateur Fabry-Perot optique formé par des faces cristallines réfléchissantes planes parallèles perpendiculaires au plan de jonction pn. Les surfaces réfléchissantes sont créées en polissant deux faces cristallines opposées ou en écaillant le long des plans cristallographiques. La réflectance de ces surfaces est d'environ 0,3. Cependant, même pour une faible longueur de la substance active (dixièmes de millimètre), un tel coefficient de réflexion est suffisant pour la génération laser en raison du gain important du milieu actif.

A l'heure actuelle, l'effet de génération stimulée a été obtenu sur de nombreux matériaux semi-conducteurs ; la gamme de génération de 0,33 à 31 µm est presque couverte.

L'une des premières conceptions d'un laser à semi-conducteur à injection était basée sur un matériau GaAs. Dans une diode laser, la plaque inférieure est composée de GaAs dopé au tellure et a une conductivité de type n. La plaque supérieure est composée de GaAs dopé au zinc et a une conductivité de type p. Chaque plaque a un contact pour se connecter à une source d'alimentation. Les dimensions géométriques de la jonction p-n sont des centièmes de millimètre, l'épaisseur de la région dans laquelle le rayonnement est créé est de 0,15 ... 0,2 microns. Les faces polies d'extrémité forment un résonateur. Un émetteur de ce type fonctionne en mode pulsé avec un refroidissement suffisamment profond (77 K).

Pour les lasers GaAs à simple jonction p±n, les densités de courant de seuil à température ambiante sont >10 5 A/cm 2 . Dans ce mode, le laser à semi-conducteur chauffe tellement qu'un fonctionnement à long terme est impossible sans un bon dissipateur thermique. Ainsi, sans refroidissement, de tels lasers GaAs ne fonctionnent qu'en régime pulsé. Le fonctionnement à long terme de l'émetteur à température ambiante (ce qui est important pour le FOG) n'est possible que si la densité de courant de seuil diminue jusqu'à environ 10 3 A/cm 2 .

Les exigences de faibles densités de courant de seuil et la possibilité d'un fonctionnement de longue durée à température ambiante sont satisfaites par les lasers semi-conducteurs à base de doubles hétérostructures AIGaAs/GaAs. Ils présentent également un certain nombre d'avantages, qui sont particulièrement importants dans la conception des FOG.

Dans les lasers basés sur des structures à doubles hétérojonctions, l'épaisseur de la région active de recombinaison diminue, et le confinement des porteurs et du rayonnement dans une région étroite proche de la jonction p-n est assuré. Cela permet d'augmenter l'efficacité et de créer des lasers avec un diagramme de rayonnement donné. En régime de génération induite dans une double hétérostructure, l'atténuation de l'onde principale est très faible puisque la structure forme un guide d'onde diélectrique.

Lors de la conception d'un FOG, des lasers à semi-conducteurs avec une géométrie de contact en bande sur des doubles hétérostructures sont utilisés comme émetteur connecté à une fibre optique. Dans de telles conceptions, le rayonnement laser laisse une petite zone, ce qui offre de bonnes conditions pour introduire le rayonnement dans des fibres à faible ouverture numérique. En raison de la petite taille de la région active, le laser a un seuil bas et des courants de fonctionnement avec une puissance de sortie suffisante, ce qui garantit un fonctionnement continu à long terme à température ambiante. Avec un petit actif

zone, il est plus facile d'obtenir une zone exempte de défauts, ce qui est important pour augmenter l'efficacité du laser.

Les paramètres typiques des lasers à semi-conducteurs à double hétérostructure, générant dans la région de 0,8 à 0,9 μm, sont les suivants : largeur de ligne 0,2 - 5 nm, dimensions de la région émettrice 0,5 ... 30 μm 2 , divergence angulaire moyenne du rayonnement 5 ... 30° (dans le plan parallèle à la jonction p - n) et 30 ... 60° (dans le plan perpendiculaire à la jonction p - n), puissance de sortie 1 ... 10 mW, courant de seuil 20 ... 200 mA, durée de vie moyenne 10 5 h .

L'état de l'art dans la technologie de fabrication des fibres optiques en quartz a permis de créer des fibres avec un minimum de pertes et de dispersion dans la gamme de longueurs d'onde de 1,1 ... 1,7 μm. Cette plage est également recommandée pour les développeurs FOG. Ces besoins ont stimulé le développement de lasers à semi-conducteurs pour cette gamme de longueurs d'onde. Le matériau semi-conducteur était composé de composés ternaires et quaternaires. Des lasers semi-conducteurs basés sur l'hétérostructure GalnAsP/lnP ont été créés, émettant à des longueurs d'onde de 1,3 et 1,6 μm. Il y a eu des rapports sur la création de lasers avec des hétérostructures à base de composés AIGaAsSb/GaAsSb, générant à des longueurs d'onde de 1,3 μm et 1,5 ... 1,6 μm.

Les conceptions et les paramètres de ces lasers sont similaires à ceux des lasers AIGaAs.

Les diodes électroluminescentes (LED) génèrent un rayonnement incohérent, car la recombinaison radiative en elles est purement spontanée. La distribution spectrale de la raie d'émission de la recombinaison radiative est au moins d'un ordre de grandeur plus large que la raie d'émission des diodes laser. Un large spectre de rayonnement LED est très favorable au FOG, car, du fait de la faible longueur de cohérence, il permet de compenser l'influence de l'effet Kerr et de la rétrodiffusion Rayleigh.

Le coefficient d'entrée du rayonnement LED dans les guides de lumière à faible ouverture numérique est bien inférieur à celui des diodes laser. Cependant, les LED sont de conception plus simple et ont une plus faible dépendance à la température de la puissance de rayonnement. Ainsi, en particulier, la puissance de sortie d'une LED à double hétérojonction ne diminue que d'un facteur deux lorsque la température de la diode augmente de la température ambiante à 100°C.

L'excitation du SD est assurée par l'injection de porteurs à travers la jonction p - n. Comme un laser à semi-conducteur conventionnel, une simple LED contient une jonction p-n dans un semi-conducteur à gap direct, et seule une fraction des électrons injectés se recombinent radiativement. Le reste est perdu dans des recombinaisons non radiatives.

La recombinaison et les pertes optiques des LED peuvent être réduites si le dispositif est réalisé avec des hétérojonctions ou même sur des hétérostructures doubles.

LED à double hétérojonction, conçue spécifiquement pour la connexion avec la fibre optique. La région de recombinaison est située à proximité du guide froid, et un puits est gravé dans le substrat GaAs, dans lequel une fibre optique est insérée. Les LED sont conçues à la fois avec une sortie de rayonnement à travers la surface limitant la transition par le haut (LED planes) et avec une sortie d'énergie dans une direction parallèle au plan de jonction p-n (LED d'extrémité). Dans ce cas, la puissance de sortie est de plusieurs milliwatts à des densités de courant d'environ 10 3 A/cm. Ainsi, une LED fabriquée à base d'une structure AlGaAs avec un contact ruban de 100 µm de large à une densité de courant de pompe de 2 10 3 a une puissance de rayonnement de 3 mW à une longueur d'onde de 0,8 µm ; Une LED avec une fosse gravée et une surface lenticulaire a une puissance de rayonnement de 6 mW à une densité de courant de 3400 A/cm.

Même à des densités de courant d'injection élevées (supérieures à 10 A/cm), les LED s'avèrent très fiables ; leur durabilité moyenne atteint 10 5 ... 10 6 heures.

Les diodes superluminescentes ont été largement utilisées. Comme déjà noté, la recombinaison radiative dans les LED conventionnelles conduit à une émission lumineuse spontanée. Cette émission spontanée provoque des transitions radiatives ultérieures et s'amplifie (car la concentration d'électrons et de trous n'est pas en équilibre). Ce gain est faible car le rayonnement traverse une fine zone de recombinaison dans le sens transverse. Pour obtenir un effet laser, ce rayonnement doit être dirigé le long de la couche active et réfléchi par les plans d'extrémité. Cependant, une amélioration de l'émission spontanée dans une telle configuration est également observée en dessous du seuil d'excitation et pour les plans d'extrémité non réfléchissants. L'émission ainsi amplifiée et dirigée est appelée superluminescence. C'est sur cet effet que reposent les diodes supraluminescentes (SLD). Dans ce cas, le milieu actif est réalisé sous la forme d'un guide d'onde optique, qui est fermé à une extrémité par un miroir bien réfléchissant, et à l'autre extrémité il émet de la lumière sans réflexion dans l'espace ou dans un guide de lumière. Une forte superluminescence nécessite un gain élevé dans le milieu actif, qui dans les semi-conducteurs est fourni par une densité de puissance élevée. Les diodes superluminescentes sont conçues sur la base d'une double hétérostructure à géométrie en bande. Les bandes de contact d'un côté atteignent la face d'extrémité, tandis que de l'autre côté elles n'atteignent pas le bord du semi-conducteur. C'est de ce côté que la superluminescence décroît, puisque les électrons ne sont pas injectés dans cette région. La superluminescence est générée depuis la face avant, tandis que l'ouverture du diagramme de rayonnement est déterminée par la largeur et la longueur de la bande.

Lors de la conception d'une double hétérostructure à géométrie de bande pour SLD, la région p active de GaAs a une épaisseur de 0,3 ... 0,5 μm, la bande de contact une largeur de 12 ... 15 μm. Avec une longueur de bande allant jusqu'à 1,5 mm et une densité de courant de 10 4 A/cm, la puissance de rayonnement en mode pulsé atteint 50 mW avec une largeur de ligne de génération de 0,008 μm.

Caractéristiques du bruit circuit fibre optique

En gyroscopie optique, trois types de fibres sont utilisées pour bobiner le circuit sensible : multimode, monomode et monomode à polarisation stable. La longueur du périmètre du contour est déterminée sur la base de deux hypothèses. D'une part, une augmentation de la longueur de la boucle augmente la précision du système dans son ensemble, puisque l'amplitude du déphasage non réciproque est proportionnelle à la longueur de la fibre, d'autre part, pour une boucle plus longue, les paramètres d'atténuation et d'irrégularité de la fibre affectent davantage le fonctionnement du système. Systèmes où une sensibilité élevée à faibles vitesses les rotations impliquent le choix de la longueur de contour optimale, en tenant compte de tous les facteurs possibles affectant les caractéristiques de précision du système. Typiquement, des fibres d'une longueur de 200 à 1500 m sont utilisées.

Le diamètre de la bobine est choisi selon le critère de minimisation des pertes dans la fibre aux coudes et en tenant compte de l'encombrement du dispositif. La valeur typique est de 6 à 40 cm.

Selon le nombre d'ondes (modes) se propageant à la fréquence de fonctionnement, des fibres monomodes et multimodes peuvent être utilisées.

Le profil d'indice de réfraction en coupe transversale est important pour les performances d'un guide de lumière. En utilisant les capacités des fibres inhomogènes à modifier leurs caractéristiques sur une large plage en fonction de la loi de variation de la constante diélectrique le long de la section transversale, il est possible de choisir une fibre pour chaque application spécifique avec la meilleure correspondance de ses caractéristiques à la solution du problème.

Une caractéristique importante de la fibre est l'ouverture numérique NA, qui est le sinus de l'angle d'incidence maximal des rayons sur l'extrémité de la fibre, auquel le faisceau dans la fibre à la limite "cœur-gaine" tombe à une valeur critique angle. La valeur de NA détermine l'efficacité de l'entrée du rayonnement LED dans la fibre, les pertes par microcourbure, la dispersion des impulsions et le nombre de modes de propagation.

Dans la pratique de la gyroscopie à fibre optique, il est important de disposer de caractéristiques estimées de fibres de structures diverses, sans avoir recours à des calculs complexes pour représenter modèle général erreurs qui peuvent réduire considérablement la précision du système. Nous obtiendrons des relations approximatives entre les caractéristiques statistiques des pertes dans les fibres de propriétés différentes et la structure qui les détermine. Étant donné que les fibres multimodes ont des caractéristiques de dispersion qui limitent considérablement la précision des dispositifs, attardons-nous sur la considération des fibres monomodes dans le cadre de la théorie générale de la propagation des ondes.

Lors du choix d'un photodétecteur pour FOG, il est nécessaire de garantir la sensibilité intégrée maximale, la puissance de bruit équivalente minimale et le courant d'obscurité minimal dans la plage spectrale requise.

La réponse en fréquence et la vitesse du photodétecteur jouent un rôle moins important, puisque la fréquence maximale du changement de la vitesse angulaire mesurée par le FOG tombe toujours dans la bande passante PD, indépendamment de l'utilisation de la modulation auxiliaire.

Les photodiodes semi-conductrices se caractérisent par une bonne sensibilité spectrale et intégrée. Ils ont une efficacité quantique élevée et une faible inertie ; leurs paramètres sont stables dans le temps.

Le principe de fonctionnement d'une diode à semi-conducteur est basé sur l'effet photovoltaïque, qui consiste dans le fait que lorsqu'un semi-conducteur inhomogène est irradié par de la lumière, un photocourant (ou photo-EMF) apparaît. Les photodiodes et photodiodes à avalanche très sensibles avec amplification de courant interne sont conçues sur la base de jonctions p-n, de structures p-i-n ou de jonctions métal-semi-conducteur.

Dans toutes les structures, les électrons photoexcités et les trous formés à l'intérieur de la région de jonction et dans la masse du semi-conducteur diffusent vers la jonction, formant un photocourant. Pour la formation d'une paire électron-trou libre de part et d'autre de la jonction p-n, il faut que l'énergie du photon absorbé soit supérieure à la bande interdite. La formation et la diffusion de paires électron-trou s'accompagnent de l'apparition d'un potentiel dans la section efficace de transition. Sous l'action du champ électrique de transition, l'électron se déplace dans la direction de la région n et le trou se déplace dans la direction de la région p.

Ainsi, la séparation des paires se produit. Un excès d'électrons dans la région n et de trous dans la région p conduit au fait que la région n est chargée négativement et que la région p est chargée positivement. EMF apparaît aux extrémités ouvertes du détecteur; la connexion aux extrémités de la résistance entraînera un courant détecté.

Les photodiodes peuvent être allumées à la fois sans sources de courant et en série avec une source de courant continu avec une tension de plusieurs volts à 100 V. Dans le second cas, la sensibilité du détecteur est considérablement augmentée. Lors de l'analyse des propriétés de bruit des photodiodes (c'est-à-dire s'il est nécessaire de trouver le rapport signal sur bruit ou de déterminer la sensibilité FOG, limitée uniquement par le photodétecteur), il est généralement nécessaire de prendre en compte trois types de courants de bruit :

1) courant de bruit qui se produit lors de la détection d'un flux lumineux (bruit de grenaille); 2) courant de bruit dû au mouvement thermique aléatoire des électrons dans la résistance de charge et dans les circuits électroniques suivants ; 3) le courant de bruit de la photodiode elle-même, dont la composante principale est due au courant d'obscurité.

Si le bruit thermique de la résistance de charge est réduit en modifiant la température effective de la résistance et que le bruit de tir fondamentalement inamovible est considéré comme faible, la sensibilité de seuil de la photodiode sera déterminée par le courant d'obscurité. De ce point de vue, afin de réaliser la sensibilité de seuil maximale, il est nécessaire de choisir une photodiode avec des courants d'obscurité minimaux. L'amplitude du courant d'obscurité dépend des propriétés du matériau de la photodiode, de la température, de la surface R-n- transition, caractéristiques de conception, etc.

Dans les photodiodes avec R- je - n- la transition est une région assez large de conductivité intrinsèque ( je - zone) est située entre deux zones du semi-conducteur de signe opposé de conductivité ; dans je-zone est distribué un fort champ électrique uniforme, ce qui contribue à une augmentation de la sensibilité de la photodiode.

Sensibilité du germanium et du silicium R- dans- photodiodes est de 0,5 ... 0,6 A / W, le courant d'obscurité lors du refroidissement profond (77 K) peut être augmenté à 10 -11 A.

Récemment développé R-dans- des photodiodes à base d'InGaAs/InP qui, associées à un amplificateur à transistor à effet de champ (FET), forment un circuit intégré ; tel R-dans- Le récepteur FET fonctionne dans la gamme de longueurs d'onde de 1,3 à 1,5 µm, a une efficacité quantique élevée de 0,65 à 0,7, une faible capacité - 0,15 RF, qui détermine la vitesse élevée. La photodiode est montée dans un bloc de quartz, qui a un petit trou pour insérer une fibre LED avec un diamètre de noyau de 50 µm, tandis que le signal optique de la fibre est complètement intercepté par la photodiode. Le bloc de quartz est monté sur un circuit de préamplificateur hybride à couche épaisse. Le câble de fibre optique vers le circuit est scellé. Le préamplificateur contient un transistor (GaAs MESFET), une résistance de polarisation de 10 MΩ, deux transistors bipolaires en silicium avec une fréquence de coupure d'environ 7 GHz et des résistances à couches épaisses réalisées sur un circuit hybride. La sensibilité d'une telle modularité p - je - n - F Le récepteur ET est de -53 dBm ; il est intéressant de noter que lorsque la température ambiante passe de 20 à 60"C, la sensibilité ne change que de 1 dB.

La photodiode à avalanche (APD) est un analogue à l'état solide d'un tube photomultiplicateur. Il utilise le mécanisme d'ionisation par impact dans la région de champ fort de la transition polarisée en inverse. La multiplication du courant se produit en raison de la collision des paires électron-trou résultant de la photoionisation avec les atomes du réseau cristallin du semi-conducteur. Cet effet, sous l'influence d'un fort champ de polarisation en conditions d'avalanche, génère un grand nombre de paires électron-trou. En conséquence, le courant augmente de manière significative même à des fréquences ultra-hautes. Avec une amplification d'avalanche de courant pour des niveaux de flux lumineux moyens et un facteur de multiplication d'avalanche élevé, la sensibilité du dispositif de réception est déterminée par le rapport du signal au bruit quantique. Pour de faibles niveaux de luminosité et un faible multiplicateur d'avalanche, le rapport signal sur bruit et le seuil de sensibilité sont limités par le bruit thermique.

Les photodiodes à avalanche se caractérisent par un courant d'obscurité plus élevé que les photodiodes et donc une sensibilité plus faible, même si un gain de courant suffisamment élevé est mis en œuvre pour s'affranchir du bruit thermique aux faibles niveaux de signal. De plus, le processus de multiplication introduit un bruit excessif. Cependant, la photodiode à avalanche a un rendement quantique plus élevé. L'utilisation de photodiodes à avalanche au silicium ou au germanium peut augmenter considérablement la sensibilité globale du haut débit appareils de réception. Lors du choix d'une photodiode à avalanche pour un système de réception, en plus du rendement quantique et de la large bande, il est nécessaire de prendre en compte des facteurs spécifiques inhérents uniquement à une photodiode à avalanche, tels que le gain de courant et les limitations associées, ainsi que le bruit excessif. La technologie de fabrication des photodiodes à avalanche est complexe. Cela est dû à la nécessité d'assurer l'uniformité spatiale de la multiplication des porteuses sur toute la zone photosensible de la diode et de minimiser les fuites le long des bords de la jonction. Des bagues de protection sont utilisées pour réduire les fuites. Typiquement, la dispersion du gain due à la non-uniformité spatiale de la multiplication des porteuses est de 20 à 50% avec un gain moyen de 1000.

Dans une photodiode à avalanche, le gain est maximal dans le mode où la polarisation de la diode se rapproche de la tension de claquage. Aux tensions supérieures à la tension de claquage circule un courant d'avalanche auto-entretenu, de moins en moins dépendant de la concentration des porteurs qui apparaissent sous l'action du flux lumineux. En fonctionnement, le gain maximal des photodiodes à avalanche est limité soit par les effets de saturation provoqués par le passage du courant, soit par le produit gain-bande passante. L'effet de saturation de la multiplication des porteurs est dû au fait que les porteurs quittant la région dans laquelle la multiplication se produit réduisent le champ électrique à l'intérieur de la jonction et créent une chute de tension à travers la résistance série et la charge de la diode. La limitation de la bande passante s'explique par le mouvement des électrons secondaires et des trous (formés par ionisation) dans la région de multiplication dans des directions opposées pendant un certain temps après que les porteurs primaires ont quitté la jonction. Un bruit excessif dans les photodiodes à avalanche est dû aux fluctuations du processus de multiplication des porteuses.

Les photodiodes à avalanche les plus simples sont les diodes au silicium avec un anneau de protection et avec un diamètre de zone photosensible de 40 à 200 microns ; la plage de fonctionnement des ondes est d'environ 0,4 à 0,8 microns. Avalanches de germanium P + - Les diodes p ont une plage de longueurs d'onde de fonctionnement de 0,5 à 1,5 µm. Le produit du gain de courant et de la bande passante pour les photodiodes à avalanche au silicium et au germanium est respectivement de 100 et 60 GHz. Par conséquent, à des gains de courant de 100 et 60, l'utilisation d'une photodiode à avalanche au silicium ou au germanium dans le système de réception fournit une bande passante de 1 GHz.

Actuellement, un développement intensif de photodiodes à avalanche à base de GaAs, InAs et InSb, qui ont un gain élevé et un excès de bruit négligeable, est en cours.

Sur la base du composé GaAlAsSb, des APD ont été créés pour la gamme de longueurs d'onde de 1 à 1,4 μm, qui sont supérieurs en paramètres aux APD au germanium. Pour les longueurs d'onde de 1 ... 1,7 μm, des composés de type InGaAsP sont utilisés ; Une amélioration significative des caractéristiques APD est attendue lors de l'utilisation d'hétérostructures à base d'InGaAsP/InP. De plus, les travaux se poursuivent sur la création de circuits intégrés, qui sont une combinaison d'un APD et d'un amplificateur d'entrée sur un transistor à effet de champ (appelé FET-APD), ce qui permet d'améliorer la qualité d'un photodétecteur .

2 .quatre. Analyse des effets dynamiques directs (gradients de température et contraintes mécaniques)

Des variations temporelles aléatoires de la température ambiante et des contraintes mécaniques de la fibre entraînent des modifications des constantes de propagation optique et des paramètres géométriques de la fibre. Cela conduit au fait que la non-réciprocité de phase apparaît dans le circuit FOG, ce qui entraîne un "bruit de différence de phase"
sur un photodétecteur (la propriété de réciprocité ne s'applique qu'aux systèmes linéaires invariants dans le temps).

Pour simuler le bruit de "différence de phase", nous supposerons qu'une seule source locale de bruit de phase est située à un point arbitraire du circuit de fibre (Fig. 2.5.)

Figure 2.5. Circuit fibre avec une source locale de bruit de phase.

Influence d'un champ magnétique externe sur les caractéristiques de précision du FOG.

Il existe de nombreuses substances dont les paramètres optiques dépendent de la force du champ magnétique externe. L'indice de réfraction du milieu est l'un de ces paramètres. La variation de l'indice de réfraction est liée à la rotation du plan de polarisation du rayonnement se propageant dans le milieu. La rotation du plan de polarisation d'un faisceau lumineux se propageant dans un milieu sous l'action d'un champ magnétique est due à l'effet Faraday. Parfois, l'effet Faraday est appelé activité optique artificielle qui se produit dans un milieu sous l'influence d'un champ magnétique.

L'activité optique est la capacité d'une substance à faire tourner le vecteur de polarisation d'un faisceau lumineux polarisé linéairement. Si la cause de la capacité de rotation est une influence externe (par exemple, un champ magnétique), alors ce type d'activité est artificiel. Dans une substance optiquement active, le rayonnement optique se décompose en deux ondes, polarisées circulairement - le long des cercles droit et gauche. Les vecteurs de polarisation de ces ondes tournent dans des directions opposées et leurs indices de réfraction sont différents.

Un faisceau lumineux polarisé linéairement peut être représenté comme une superposition de deux ondes polarisées circulairement avec une rotation mutuellement opposée du vecteur de polarisation et des amplitudes d'oscillation égales. Considérons la propagation d'une onde polarisée linéairement dans un milieu présentant l'effet Faraday. Pour analyser la propagation d'une onde dans un milieu placé dans un champ magnétique, on représente l'onde comme la somme de deux ondes polarisées dans un cercle avec des sens de rotation opposés et des vitesses de propagation différentes :

1. Application gyroscopes

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   ... optique guide d'ondes. Pour augmenter la longueur optique parcours et sensibilisation gyroscope optique la fibre est enroulée. À fibre-optique gyroscope... problème Fig. quatre. FIBRE-OPTIQUE GYROSCOPE. Les faisceaux laser se propagent...

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   Speed ​​​​\u200b\u200b(CUS), dont le rôle est joué par fibre-optique gyroscope(VOG), dont le signal de sortie est ... le fonctionnement du VOG, contrairement à la mécanique gyroscopes, c'est sa grande sensibilité aux excès...

3. Le rayonnement laser et son application

   Travail d'essai >> Industrie, production

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Le gyroscope est conçu pour mesurer la vitesse de rotation ou l'angle de rotation d'objets, tels que des robots, des voitures électriques, des voitures, des navires, des avions, des fusées, etc. Le gyroscope contient un émetteur superluminescent connecté en série avec une extrémité de fibre de sortie, un dépolariseur à fibre de type Lyot, un séparateur de faisceau à fibre et un circuit anisotrope à fibre . Le dépolariseur se compose de deux segments de fibre anisotrope. Le séparateur de faisceau est constitué d'une fibre anisotrope et est couplé optiquement à un photodétecteur à partir duquel le signal de sortie est prélevé. L'extrémité de la fibre de l'émetteur est utilisée comme premier segment du dépolariseur et l'extrémité d'entrée du séparateur de faisceau est utilisée comme son deuxième segment. Les extrémités de sortie de la lame séparatrice sont connectées aux extrémités du circuit fibre de manière à ce que leurs axes d'anisotropie coïncident. Le gyroscope est une conception compacte de la classe moyenne de précision, simple et manufacturable. 2 sep f-ly, 1 malade.

Les gyroscopes à fibre optique (FOG) peuvent être divisés en deux classes :

phase, dans laquelle le déphasage dû à la rotation est mesuré ;

résonateur (ou à deux fréquences), dans lequel on mesure la séparation des fréquences de résonance d'un résonateur à fibre en anneau passif, qui est proportionnelle à la vitesse angulaire.

Le premier type de FOG est un analogue à fibre multispire de l'interféromètre classique de Sagnac (Fig. 3.31). La conception du FOG basée sur une bobine de fibre permet d'augmenter significativement la sensibilité de l'appareil sans augmenter son encombrement. Dans ce cas, la zone couverte par le contour,

où est le nombre de spires de la bobine ; a est la surface couverte par un tour. L'expression (3.96) pour prend la forme

Pour rayon de bobine cylindrique

Importante est la différence significative entre les FOG de phase et les autres capteurs de type interférométrique. Comme le montre la section 3.4, dans les interféromètres multimodes, le déphasage d'une onde lumineuse sous l'action de champs physiques mesurés dépend essentiellement du numéro de mode. Le déphasage de Sagnac s'avère être le même en première approximation pour tous les modes dans un interféromètre à fibre multimode. Ceci ressort théoriquement des expressions (3.96) et (3.101) qui n'incluent pas l'indice de réfraction du milieu. Le calcul exact confirme ces considérations. Ainsi, des fibres optiques multimodes peuvent être utilisées dans des FOG de phase, cependant, il faut que les flux lumineux se propageant dans des sens opposés aient la même composition modale et les conditions de leur entrée dans la fibre doivent être rigoureusement les mêmes.

Dans celui que nous considérons (Fig. 3.31) le circuit le plus simple FOG avec deux miroirs séparateurs d'intensité lumineuse à l'entrée des photodétecteurs (hors pertes dans les éléments FOG)

où est l'intensité lumineuse à la sortie de la source de rayonnement.

Opérations faciles avec signaux électriques aux sorties des photodétecteurs permettent d'obtenir le signal de sortie

où est le coefficient de proportionnalité déterminé par les paramètres des photodétecteurs et circuits électroniques. La facilité de traitement élimine la dépendance du signal de sortie vis-à-vis des fluctuations de la puissance de la source de rayonnement.

Le principal inconvénient de ce schéma, qui a été étudié aux premiers stades du développement du FOG, est sa faible sensibilité aux faibles vitesses de rotation. De la définition de la sensibilité au FOG

il est évident qu'aux faibles vitesses de rotation la valeur numérique est faible.

La sensibilité maximale est atteinte dans les schémas qui utilisent un déphasage supplémentaire entre les ondes à contre-propagation. Dans ce cas

Ainsi, la sensibilité du gyroscope devient maximale aux faibles vitesses de rotation, le signal de sortie est directement proportionnel à la vitesse angulaire :

Le terme "facteur d'échelle du gyroscope" est souvent utilisé. Il s'entend comme un coefficient caractérisant la relation entre la vitesse angulaire et la valeur mesurée. Dans le cas d'une phase FOG avec une "base", la vitesse angulaire et le signal de sortie (courant, tension) sont liés par la relation

Cependant, l'augmentation de la sensibilité des FOG de phase en raison de la phase "stand" donnée ne résout pas le problème. Il est nécessaire de créer un appareil qui fonctionne dans une large gamme avec un minimum d'erreurs aléatoires et systématiques et un seuil de sensibilité faible. À cette fin, dans les conceptions réelles, des mesures spéciales sont prises pour éliminer les principales causes d'erreurs et élargir la plage dynamique.

Théoriquement, comme dans tous les capteurs à fibre optique, les principales limitations du seuil de sensibilité et de la précision du FOG sont imposées par la présence du bruit de tir du photodétecteur, mais en réalité, un certain nombre d'autres processus physiques jouent un rôle plus important. Tout d'abord - les phénomènes conduisant, comme l'effet Sagnac, à un déphasage non réciproque des ondes lumineuses contrapropagatives.

Le déphasage dans un champ magnétique extérieur, dû à l'effet Faraday bien connu, est proportionnel à la valeur où est la section élémentaire du circuit optique ; H est l'intensité du champ magnétique agissant sur cette zone ; V est la constante de Verdet. Si H est une valeur constante pour tout le circuit, alors le déphasage de Faraday est nul, car la présence d'un gradient de champ magnétique ou d'une différence de

les polarisations des ondes contre-propagatives rendent ce décalage différent de zéro. Le blindage magnétique et l'utilisation de fibres à maintien de polarisation réduisent l'effet de l'effet Faraday.

La biréfringence dans une fibre optique est l'une des principales sources d'erreurs et de bruit en FOG. L'ellipticité de la fibre, les contraintes mécaniques et d'autres causes similaires suppriment la dégénérescence de polarisation dans une fibre monomode.En conséquence, les modes polarisés linéairement orthogonaux se propagent avec différentes vitesses. A lui seul, ce phénomène ne doit pas conduire à un déphasage non réciproque. Cependant, dans les fibres réelles, la disposition aléatoire des régions biréfringentes et l'ellipticité du cœur, ainsi que le couplage entre les modes polarisés orthogonalement, conduisent au fait que les chemins optiques effectifs des ondes contrapropagatives de l'interféromètre deviennent différents. La biréfringence induite et le couplage entre modes polarisés orthogonalement dépendent fortement des fluctuations acoustiques et thermiques externes. Le décalage du zéro FOG dû à la biréfringence et au bruit de polarisation est considérablement réduit lorsque des fibres à maintien de polarisation sont utilisées. Il est également nécessaire de contrôler l'état de polarisation dans les coupleurs en entrée et en sortie de l'interféromètre.

L'effet Kerr haute fréquence, connu de l'optique non linéaire, conduit également à un déphasage non réciproque dans le FOG. Son essence réside dans le fait que l'indice de réfraction du milieu dépend de l'intensité de la lumière qui s'y propage. Si les intensités des ondes lumineuses opposées ne sont pas égales, leurs constantes de propagation deviennent différentes. Cet effet se manifeste très faiblement, mais il doit être pris en compte lors de la création de FOG de haute précision. Une façon de minimiser l'influence de l'effet Kerr est d'utiliser système électroniqueégalisation automatique des intensités des ondes opposées, ce qui complique cependant grandement le dispositif. Une autre solution au problème est d'utiliser des sources de rayonnement à spectre suffisamment large (diodes superluminescentes). Dans ce cas, le déphasage moyenné sur le spectre est égal à zéro.

Parmi les raisons affectant le déphasage non réciproque, il est nécessaire d'inclure l'instabilité d'un « stand » de phase donné. Dans les dispositifs réels, sa valeur dépend des changements des conditions extérieures et de la polarisation du rayonnement introduit dans l'interféromètre.

Une place particulière parmi les facteurs qui aggravent les caractéristiques du FOG est occupée par la diffusion Rayleigh dans la fibre et la réflexion par les éléments du gyroscope. Ces processus n'affectent pas la cohérence du rayonnement, mais les phases de la lumière diffusée et réfléchie peuvent changer de manière significative avec les changements des conditions extérieures, ainsi qu'avec les fluctuations acoustiques et thermiques dans l'espace entourant la fibre. Ondes diffusées et réfléchies

interférer avec les ondes opposées et le déphasage provoqué par la rotation devient indiscernable dans le contexte de cette interférence. Un moyen efficace de réduire le niveau de bruit dû aux facteurs considérés est de réduire la longueur de cohérence du rayonnement source. La différence de marche des rayons opposés, déterminée par l'effet Sagnac, est plutôt faible. Si vous choisissez une source à large spectre, de sorte que la longueur de cohérence n'est que légèrement plus longue, l'effet d'une grande partie de la lumière réfléchie et diffusée est éliminé. Seule la partie de celui-ci qui frappe le photodétecteur avec un retard ne dépassant pas est impliquée dans la formation du signal de bruit.

Riz. 3.32 Gyroscope à fibre optique : 1 - bobine de fibre ; 2 - matrice de quatre coupleurs directionnels

Bien sûr, il est également nécessaire de réduire le nombre de surfaces réfléchissantes dans le FOG, c'est-à-dire le nombre d'éléments dans une conception tridimensionnelle.

La plage dynamique des FOG de phase est limitée principalement par le fait que le signal de sortie est une fonction de déphasage trigonométrique (c'est-à-dire en aucun cas linéaire) La partie linéaire des fonctions ou est petite. De plus, des difficultés compréhensibles sont associées à la périodicité de ces fonctions. Par conséquent, pour créer un FOG avec une plage dynamique acceptable, un traitement spécial de son signal de sortie est nécessaire.

À l'heure actuelle, un certain nombre de solutions de circuits prometteuses pour les FOG de phase sont connues, parmi lesquelles nous distinguerons celles qui, en combinaison, résolvent les problèmes de réduction du niveau de bruit, d'erreurs, d'augmentation de la sensibilité et d'élargissement de la plage dynamique.

Dans le circuit du gyroscope illustré à la Fig. 3.32 utilise la détection en quadrature avec un réseau de quatre coupleurs directionnels passifs, la modulation du facteur d'échelle et le traitement électronique du signal. Un tel schéma permet d'éliminer en grande partie les erreurs causées par des déphasages non réciproques de diverses natures, de linéariser la caractéristique de sortie FOG (pour élargir la plage dynamique). De plus, l'enregistrement d'un signal alternatif à l'aide de filtres ou d'amplificateurs résonnants conduit à une réduction significative de l'influence du bruit provenant de la source de rayonnement et des circuits d'enregistrement (ces bruits dépendent de la fréquence comme

Les coupleurs directionnels, fabriqués en fusionnant des fibres pour éviter la torsion (voir chapitre 4), fonctionnent

sous forme de ponts à trois dB, fournissant un déphasage entre les ondes lumineuses lors de la division. Comme on peut le voir sur la fig. 3.32, l'utilisation d'une matrice coupleur permet d'obtenir des signaux normalisés de la forme aux sorties de quatre photodétecteurs

Le déphasage dans un coupleur directionnel diffère toujours de et d'une certaine valeur a, qui, du fait de la faible dépendance des paramètres du coupleur aux conditions extérieures, peut dépendre du temps. De plus, pour les raisons énoncées ci-dessus, un déphasage supplémentaire des ondes contrapropagatives peut avoir lieu dans le FOG, conduisant à des erreurs systématiques et aléatoires dans les mesures. Compte tenu de l'existence des grandeurs, les expressions (3.105) prennent la forme :

Comme déjà noté, dans le schéma considéré, le facteur d'échelle FOG est modulé. A cet effet, l'une des deux grandeurs incluses dans l'équation de base du FOG peut être modulée - le rayon de la bobine ou la longueur d'onde K :

Dans ce cas, la valeur devient une fonction du temps. Notez que la modulation ou K ne conduit pratiquement pas à la modulation.La modulation est facilement réalisée si la bobine de fibre est enroulée sur un cylindre piézoélectrique, la modulation de la longueur d'onde de la source de rayonnement K se fait à l'aide d'un laser à semi-conducteur (voir Chap. 4).

A titre d'exemple, considérons le cas lors du changement conformément à la loi

et alors

En se limitant au premier ordre de grandeur, on obtient

où est le déphasage de Sagnac,

Le système de traitement électronique du signal effectue les opérations suivantes :

En substituant les valeurs des équations (3.106), on obtient que

La valeur représentant l'écart de la «base» de phase donnée par rapport à la valeur change généralement lentement avec le temps (en fonction des changements de température), par conséquent, le troisième terme de l'expression (3.109) est négligeable. En différenciant l'expression (3.108), on obtient que

En conditions réelles avec technologie moderne, donc, en sortie du filtre accordé sur la fréquence de modulation, on obtient le signal de sortie

Ainsi, l'amplitude du signal à la fréquence de modulation est directement proportionnelle à et, par conséquent, à la vitesse angulaire de rotation, tandis que les erreurs causées par les déphasages non réciproques de diverses natures et le bruit à basse fréquence sont largement éliminés. Plus la fréquence de modulation est élevée, plus le calcul est proche de la réalité.

Il est important que le schéma considéré ne contienne pas de systèmes fermés complexes contrôle automatique, le traitement du signal peut être effectué par des moyens électroniques assez simples.

Le FOG de ce type peut être entièrement fibreux (ne contient pas d'éléments dans la conception volumétrique et planaire), ce qui réduit le nombre de surfaces réfléchissantes et les pertes de rayonnement lors de l'adaptation.

Les mêmes avantages sont possédés par un autre circuit FOG, qui a une caractéristique de sortie linéaire, et donc une large plage dynamique (Fig. 3.33, a). Le modulateur de phase, qui est un cylindre piézoélectrique à plusieurs spires de fibre (voir Chap. 4), est dissymétrique par rapport à l'entrée-sortie de l'interféromètre, de sorte que le déphasage entre les ondes contrapropagatives est modulé.

Riz. 3.33. FOG avec linéarisation du facteur d'échelle a - diagramme fonctionnel ; b - chronogramme ; 1 - source de rayonnement, 2 - bobine de fibre : 3 - modulateur de phase, 4 - générateur de fréquence de modulation f, 5 - photodétecteur. 6 - amplificateur passe-bande, 7 - commutateur de canaux, 8, 9 - filtres passe-bande, 10 - compteur de déphasage

Si une tension avec une fréquence angulaire est appliquée au modulateur, alors le courant à la sortie du photodétecteur change selon la loi

où est le coefficient de proportionnalité ; - amplitude de modulation de phase.

En commutant entre les voies 1 et 2 aux instants correspondant aux maxima et minima de la tension de modulation, comme le montrent les chronogrammes (Fig. 3.33, b), et en filtrant les signaux à la fréquence, on obtient au sortie du premier canal

et en sortie du second canal

où A est le coefficient de proportionnalité déterminé par les paramètres du photodétecteur, des circuits électroniques et de la profondeur de modulation. En mesurant le déphasage entre les signaux des première et deuxième voies avec un déphaseur analogique ou un compteur d'intervalle de temps numérique, on obtient la valeur du double du décalage de Sagnac, qui est directement proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation.

Ainsi, dans le circuit considéré, l'enregistrement d'un signal alternatif réduit significativement le niveau de bruit, et la mesure directe du déphasage linéarise le facteur d'échelle du dispositif. Cependant, les erreurs liées aux effets de Faraday, Kerr, biréfringence, subsistent, pour les éliminer, il faut prendre les mesures évoquées ci-dessus.

Dans un autre schéma FOG (Fig. 3.34), décrit dans les travaux, ainsi que dans un gyroscope laser, la division des fréquences de résonance du résonateur en anneau, provoquée par la rotation à l'aide d'une source de rayonnement laser externe, est mesurée. Dans ce cas, les défauts des gyroscopes laser associés à la présence d'un élément non linéaire - un milieu actif dans le résonateur sont éliminés.

Riz. 3.34. Résonateurs FOG : 1 - laser hélium-néon ; 2, 4 - cellules de Bragg acoustiques, 3 - générateur de fréquences ; 5 - générateur de fréquence 6 - coupleur directionnel 7 - résonateur, 8,9 - photodétecteurs, 10 - circuit d'auto-réglage de fréquence; 11 - circuit d'auto-réglage du périmètre du résonateur, 12 - mélangeur

La lumière avec une fréquence provenant de la source de rayonnement entre dans deux cellules acousto-optiques de Bragg, qui décalent la fréquence lumineuse de et respectivement. Un rayonnement avec une fréquence à travers un coupleur directionnel est introduit dans le résonateur à fibre annulaire et s'y propage dans le sens des aiguilles d'une montre. Un rayonnement avec une fréquence est également introduit dans le résonateur et se propage dans le sens antihoraire. Le système d'auto-réglage de la longueur du périmètre l'ajuste de sorte que la fréquence de résonance du résonateur pour une onde se déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre coïncide avec la fréquence. Le système de réglage automatique de l'oscillateur ajuste la valeur pour correspondre à la fréquence de résonance d'une onde dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. En raison de la quantité, il existe des fréquences de résonance du résonateur à fibre pour des directions opposées, et leur différence est proportionnelle au produit du nombre de tours de bobine et de son rayon, tandis que la division de fréquence est simplement proportionnelle au rayon

Dans l'expression de la sensibilité du résonateur FOG, contrairement au FOG de phase, l'indice de réfraction effectif du mode fibre peff apparaît. Premièrement, cela signifie que seules les fibres monomodes peuvent être utilisées dans les FOG à résonateur, puisque la valeur de peff dépend du numéro de mode. Deuxièmement, dans les FOG à résonateur, ainsi que les erreurs et le bruit communs aux deux types de FOG (causés par la rétrodiffusion et la réflexion, la biréfringence, les effets Faraday et Kerr), une erreur apparaît en raison de la dépendance aux influences extérieures, aux changements de pression, de température, etc. (voir rubrique 3.3). Il convient de noter qu'avec la mesure simultanée de et l'intervalle de fréquence entre les modes longitudinaux adjacents du résonateur à fibre, leff devient une grandeur mesurable et

La technique de mesure de la séparation des fréquences de résonance pour des directions opposées à l'aide d'une source de rayonnement externe, qui est utilisée dans les FOG à résonateur, impose des restrictions sévères sur la largeur de la raie spectrale d'émission. Les meilleurs résultats ont été obtenus en utilisant un laser monofréquence hélium-ion, tandis que les FOG de phase utilisent des sources faiblement cohérentes (lasers semi-conducteurs et LED). De plus, même si l'on suppose que le rayonnement est monochromatique, le seuil de sensibilité du résonateur FOG sera

dépend de la largeur de la courbe de résonance du résonateur optique, la vitesse angulaire minimale mesurable 60 sera déterminée par l'expression

où Г est la largeur de la courbe de résonance du résonateur optique ; est le nombre moyen de photons par unité de temps tombant sur le photodétecteur ; - efficacité quantique du photodétecteur ; est le temps moyen dans le FOG. Afin d'augmenter le facteur de qualité du résonateur (réduire T), il est logique d'augmenter sa longueur (par exemple, en utilisant une conception multi-tours) jusqu'à ce que les pertes dans la fibre deviennent comparables aux pertes dues à d'autres facteurs

Outre les inconvénients énumérés, il est nécessaire de noter deux avantages incontestables des FOG à résonateur par rapport aux FOG à phase. Le premier d'entre eux est que la valeur mesurée - division de fréquence - est directement proportionnelle à la vitesse angulaire 0. Cela signifie que la plage dynamique du résonateur FOG n'est pas limitée par le haut.

Le deuxième avantage des FOG à résonateur est qu'il s'agit essentiellement d'appareils numériques qui s'interfacent facilement avec des appareils informatiques. Dans ceux-ci, comme dans les gyroscopes laser, la mesure de la différence de fréquence sur un certain intervalle de temps n'est rien de plus que le comptage du nombre d'impulsions.

Le nombre d'impulsions correspond à l'angle de rotation du système pendant le temps

Mesure des FOG de phase Signal analogique, et seulement dans des schémas particuliers comme celui décrit ci-dessus, la mesure de phase est réduite à la mesure d'intervalles de temps.

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Introduction

1. Principes de la gyroscopie à fibre optique

1.1 Principales caractéristiques du FOG

1.2 Principe de réciprocité et enregistrement de phase en FOG

1.3 Modèle de bruit et instabilités en FOG

2. Influence des éléments FOG sur les caractéristiques de précision du système

2.1 Caractéristiques des sources de rayonnement

2.2 Caractéristiques de bruit de la boucle à fibre optique

2.3 Caractéristiques de bruit des photodétecteurs

2.4 Analyse des effets dynamiques directs (gradients de température et contraintes mécaniques)

2.5 Influence d'un champ magnétique externe sur les caractéristiques de précision du FOG

3. Méthodes de compensation d'erreur

3.2 Compensation du bruit excessif dans un gyroscope à fibre optique à coupleur 3x3

3.3 Compensation de la rétrodiffusion Rayleigh

3.4 Compensation de l'influence de l'effet Kerr sur la précision du FOG

4. Calcul du devis de recherche

4.1 Hypothèses

4.2 Détermination de l'intensité de la main-d'œuvre et des conditions de travail calendaires

4.3 Calcul des dépenses par postes de dépenses et préparation des devis

4.4 Conclusions des calculs

5. Sécurité des personnes et protection du travail

5.1 Organisation des postes de travail

5.2 Température, humidité, pression

5.3 Exigences d'éclairage

5.4 Exigences relatives au bruit et aux vibrations

5.5 Exigences de protection contre l'électricité statique et les rayonnements

5.6 Exigences pour le terminal vidéo

5.7 Sécurité électrique

5.7 Sécurité incendie

5.9 Méthodes de protection prévues

6. Écologie et protection de l'environnement

La thèse est consacrée à l'analyse des erreurs d'un gyroscope à fibre optique et tente de considérer de manière cohérente les principes de construction d'un FOG basé sur la minimisation de l'influence des éléments sur ses caractéristiques de précision. L'article examine les principes de base de la gyroscopie à fibre optique, donne une description des principaux éléments du FOG divers types et des méthodes proposées pour compenser certaines erreurs dues à divers facteurs.

La possibilité de créer un véritable FOG très sensible n'est apparue qu'avec le développement industriel d'une fibre diélectrique monomode à faible atténuation. La conception de FOG sur de telles fibres détermine les propriétés uniques de l'appareil :

sensibilité potentiellement élevée (0,01 deg/sec ou moins) ;

petites dimensions et poids de la structure, en raison de la possibilité de créer du FOG sur des circuits optiques intégrés;

faible coût de production et relative simplicité de la technologie par rapport aux gyroscopes rotatifs;

faible consommation d'énergie;

grande plage dynamique des vitesses angulaires mesurées ;

l'absence d'éléments mécaniques tournants (rotors) et de paliers, ce qui augmente la fiabilité ;

préparation au travail presque instantanée (aucun temps n'est consacré à faire tourner le rotor);

faible sensibilité aux accélérations linéaires ;

haute immunité au bruit;

Le principe de fonctionnement du FOG est basé sur l'effet vortex de Sagnac découvert en 1913. Si deux faisceaux lumineux se propagent dans des directions opposées dans un circuit optique fermé, alors avec un circuit fixe, les incursions de phase des deux faisceaux qui ont traversé tout le circuit seront les mêmes. Lorsque le contour tourne autour d'un axe normal au plan du contour, les incursions de phase des rayons ne sont pas les mêmes, et la différence de phase des rayons est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation du contour. Pour expliquer l'effet vortex de Sagnac, trois théories ont été développées : cinématique, Doppler et relativiste. La thèse traite des deux premiers.

Dans le cadre de la théorie cinématique, un contour optique fermé plat est considéré forme libre où deux ondes lumineuses se propagent dans des directions opposées. Le plan du contour est perpendiculaire à l'axe de rotation. En prenant le trajet du faisceau lumineux comme étant infiniment petit et en exprimant la vitesse linéaire du point en fonction de son rayon vecteur, nous obtenons une expression du temps nécessaire à deux rayons opposés pour parcourir la section de contour.

Lorsque le contour tourne avec une certaine vitesse angulaire, la longueur apparente de la section pour deux ondes s'avère différente. Considérant la vitesse de la lumière comme une grandeur invariante, nous associons l'allongement et le raccourcissement des trajets à l'allongement et au raccourcissement des intervalles de temps et obtenons une expression pour le retard relatif, qui peut être exprimé en termes de différence de phase de l'opposition vagues. La sommation sur toute la longueur du circuit détermine la différence de phase finale.

La considération d'un circuit optique annulaire idéal avec un système de deux miroirs permet d'obtenir le même résultat pour la différence des temps de propagation des rayons opposés.

Le phénomène de changement de fréquence de l'oscillation émise par l'émetteur et reçue par le récepteur, observé avec le déplacement relatif mutuel de l'émetteur et du récepteur, permet d'envisager l'effet Sagnac dans le cadre de la théorie Doppler.

Le déphasage relatif dans ce cas est déterminé par la différence des fréquences des ondes ayant subi un décalage Doppler, et s'exprime également en termes de vitesse angulaire de rotation du contour.

Sur la base de l'effet considéré, il est possible de construire un diagramme schématique du FOG le plus simple. Le rayonnement de la source pénètre dans le séparateur de faisceau, où il est divisé en deux parties égales qui, après avoir traversé un circuit fermé constitué d'une bobine à plusieurs tours, les fibres pénètrent dans le photodétecteur. La phase de Sagnac sélectionnée est convertie par le dispositif de traitement en vitesse angulaire de rotation et, si nécessaire, intégrée pour déterminer l'angle de rotation du système.

L'intensité du rayonnement au niveau du photodétecteur est proportionnelle au cosinus du déphasage des ondes contrapropagatives, ce qui détermine la faible sensibilité du dispositif aux faibles vitesses angulaires.

Pour maximiser la sensibilité aux petites variations du paramètre informatif, un simple modulateur de phase doit être placé dans le circuit de fibre, donnant un déphasage non réciproque /2 entre deux faisceaux se déplaçant de manière opposée. Ensuite, l'intensité sur le photodétecteur à de faibles vitesses angulaires change presque linéairement.

Étant donné que les lectures de l'instrument sont entièrement déterminées par la différence de phase des ondes se propageant en sens contraire, toutes les erreurs de FOG sont liées à la non-réciprocité de leurs conditions de propagation.

Les principaux facteurs affectant les conditions de propagation des ondes contre-propagatives sont :

les fluctuations de l'intensité et de la fréquence de la source de rayonnement ;

modification des caractéristiques du séparateur de faisceau ;

rétrodiffusion de rayons se déplaçant dans des directions différentes ;

effets électro-optiques dans la fibre ;

effets magnéto-optiques dans la fibre ;

gradients thermiques ;

effets de polarisation;

bruit thermique des éléments de charge du chemin de sortie ;

bruit de grenaille du photodétecteur.

Dans cet article, nous estimons la limite de sensibilité (précision) du FOG, qui est déterminée par le niveau de bruit photonique et dépend de l'intensité du rayonnement optique incident sur le photodétecteur. Les expressions théoriques obtenues pour l'erreur due au bruit de grenaille nous permettent de conclure qu'il est nécessaire d'augmenter la longueur du circuit et de réduire la bande passante du filtre passe-bas de l'étage de sortie. (programme)

L'utilisation de sources laser hautement cohérentes permet de réduire le niveau de bruit de grenaille, mais la composante cohérente de la rétrodiffusion (Rayleigh) dans la fibre conduit à une erreur sur le déphasage entre les deux faisceaux. Partant de là, il est préférable d'utiliser une source avec une longueur de cohérence bien inférieure à la longueur du circuit fibre. Dans ce cas, le bruit lié à la réflexion en bout de fibre s'ajoute de manière incohérente au signal utile.

L'utilisation d'une modulation supplémentaire du signal permet également de « décohérer » le bruit de rétrodiffusion.

Le deuxième chapitre traite de l'influence des éléments FOG sur les caractéristiques de précision du système.

L'analyse des caractéristiques des sources de rayonnement permet de conclure qu'il est préférable d'utiliser des diodes superluminescentes, peu cohérentes et permettant de compenser l'influence de l'effet Kerr et de la rétrodiffusion. Ils ont également moins de dépendance à la température, sont de conception plus simple et sont très fiables.

Une grande attention est accordée aux caractéristiques du circuit de fibre, car c'est le circuit qui est la principale source d'erreurs dans le FOG. La prise en compte des valeurs quantitatives des pertes dans la fibre est insuffisante pour analyser la précision du FOG. L'évaluation des caractéristiques statistiques des paramètres de contour est intéressante. L'article examine les propriétés de dispersion des fibres avec différents profils d'indice de réfraction et effectue une évaluation qualitative des dépendances de la dispersion du profil sur les propriétés de corrélation pour divers types d'inhomogénéités dans la fibre. (graphiques)

Les relations obtenues permettent de déterminer indirectement à la fois la perte d'insertion et la nature de la non-réciprocité pour différentes sections de la fibre à partir des paramètres d'inhomogénéités connus.

La plus grande influence sur les caractéristiques du FOG peut être exercée par une modification du rayon du cœur et une courbure aléatoire de la fibre, entraînant une augmentation de la dispersion des profils et un élargissement des impulsions.

Une source importante de bruit dans FOG est également un photodétecteur. L'éclairage de fond, le bruit de grenaille de courant d'obscurité, le bruit quantique à effet photoélectrique interne, le bruit de gain interne excessif, le bruit thermique de l'amplificateur et le bruit de modulation du convertisseur ont un impact direct sur la précision du FOG.

Une évaluation qualitative de la puissance de bruit équivalente du photodétecteur pour différentes valeurs de la bande passante du système nous permet de conclure qu'il est nécessaire d'utiliser des photodiodes à avalanche qui ont un niveau de bruit minimum et peuvent augmenter considérablement le rapport signal sur bruit à faibles niveaux de signal.

Une analyse des effets dynamiques directs a permis d'estimer qualitativement la non-réciprocité thermiquement induite de la phase de Sagnac pour différentes longueurs de boucle et de tirer une conclusion sur la nécessité d'une stabilisation thermique élevée du dispositif.

Le besoin de stabilité de polarisation est dû à l'influence du champ magnétique sur la différence de phase des oscillations. (programme)

L'utilisation d'une fibre de polarisation stable réduira les besoins en dispositifs de polarisation et garantira une précision élevée de l'instrument.

Pour compenser les erreurs, deux méthodes d'ingénierie de circuit sont proposées et des options d'utilisation de certains éléments du FOG sont envisagées. Une évaluation qualitative du gain en sensibilité de l'appareil est réalisée.

L'un des moyens d'augmenter la précision des FOG peut être l'utilisation de sources de rayonnement superfluorescent. Ces sources ont des propriétés similaires aux sources thermiques, mais se caractérisent par un niveau élevé de bruit excessif. La détection équilibrée peut être utilisée pour supprimer le bruit excessif. Comme signal de référence, utilisez le rayonnement de la source, retardé par le temps de passage de la lumière à travers le chemin optique du FOG.

Pour assurer une interaction cohérente entre les signaux informatifs et de référence, un coupleur directionnel 3x3 peut être utilisé comme coupleur. Le rayonnement de la source arrive par un coupleur directif aux entrées du circuit sensible, puis aux photodétecteurs dont les sorties sont reliées à un amplificateur différentiel. Chacune des contre-ondes est à la fois informative (signal) et en même temps - une référence pour l'autre onde. A la sortie de l'amplificateur différentiel, le bruit excessif dû à l'éclairage de fond est compensé.

Le principal mécanisme de perte dans une fibre est la rétrodiffusion de Rayleigh. Chaque onde primaire se propageant en sens inverse dans le circuit de la fibre excite des inhomogénéités à petite échelle dans la fibre, qui agissent à leur tour comme des émetteurs dipolaires induits. Le guide de lumière capte une partie du rayonnement diffusé et le canalise dans la direction opposée. Les contributions de chaque diffuseur élémentaire sont sommées vectoriellement avec une phase aléatoire et forment un champ diffusé total dans chaque direction. En sortie du circuit, il apparaît une composante de déphasage différente de la phase de Sagnac, ce qui conduit à une erreur de mesure de la vitesse.

Les procédés de minimisation de l'erreur FOG due à la rétrodiffusion Rayleigh peuvent être associés à une diminution de la cohérence mutuelle entre les ondes primaires et secondaires (diffusées). La modulation de fréquence du signal primaire, tout en réduisant la cohérence, n'introduit pas de non-réciprocité supplémentaire dans le circuit. Les changements de fréquence laser peuvent également être une source de randomisation de phase. La réduction de cohérence peut également être mise en œuvre avec une modulation de phase supplémentaire de l'onde primaire.

L'erreur peut être réduite en utilisant la méthode de calcul de la moyenne lors de l'intégration constante du système de traitement.

L'effet Kerr non linéaire optique se manifeste sous la forme d'une perturbation de l'indice de réfraction du milieu lorsque l'intensité du champ électrique agissant sur le milieu change. Si les puissances des rayons optiques se propageant dans des directions opposées ne sont pas les mêmes, et donc les constantes de propagation ne sont pas les mêmes, alors cela conduit à une non-réciprocité de phase du contour et, par conséquent, à une erreur de mesure de la vitesse angulaire.

La compensation de cet effet peut être obtenue par une modulation rectangulaire de la source de rayonnement ou en choisissant une source avec des caractéristiques spectrales appropriées.

Introduction

Un gyroscope à fibre optique (FOG) est un dispositif opto-électronique dont la création n'est devenue possible qu'avec le développement et l'amélioration de la base d'éléments de l'électronique quantique. L'appareil mesure la vitesse angulaire et les angles de rotation de l'objet sur lequel il est installé. Le principe de fonctionnement du FOG est basé sur l'effet vortex (rotationnel) Sagnac.

L'intérêt des entreprises étrangères et nationales pour un gyroscope optique est basé sur son application potentielle en tant qu'élément sensible de rotation dans les systèmes de navigation, de contrôle et de stabilisation inertiels. Dans certains cas, cet appareil peut remplacer complètement les gyroscopes électromécaniques (rotatifs) complexes et coûteux et les plates-formes gyrostabilisées à trois axes. Selon les données de la presse étrangère, à l'avenir aux États-Unis, environ 50% de tous les gyroscopes utilisés dans les systèmes de navigation, de contrôle et de stabilisation d'objets à diverses fins seront remplacés par des gyroscopes à fibre optique.

La possibilité de créer un véritable FOG très sensible n'est apparue qu'avec le développement industriel d'une fibre diélectrique monomode à faible atténuation. C'est la conception du FOG sur ces fibres qui détermine les propriétés uniques de l'appareil. Ces propriétés comprennent :

sensibilité (précision) potentiellement élevée de l'appareil, qui est déjà de 0,1 deg/h ou moins sur les modèles expérimentaux ;

petites dimensions et poids. Conceptions, grâce à la possibilité de créer FOG entièrement sur des circuits optiques intégrés ;

faible coût de production et de conception en production de masse et relative simplicité de la technologie;

consommation d'énergie négligeable, ce qui n'est pas négligeable lors de l'utilisation du FOG à bord ;

large gamme dynamique de vitesses angulaires mesurées (en particulier, par exemple, un instrument peut mesurer le taux de virage de 1 deg/h à 300 deg/s);

l'absence d'éléments mécaniques rotatifs (rotors) et de roulements, ce qui augmente la fiabilité et réduit le coût de leur production;

préparation au travail presque instantanée, car aucun temps n'est consacré à faire tourner le rotor;

insensibilité aux grandes accélérations linéaires et, par conséquent, performances dans des conditions de fortes surcharges mécaniques;

haute immunité au bruit, faible sensibilité aux puissantes influences électromagnétiques externes en raison de la nature diélectrique de la fibre ;

faible exposition aux rayonnements pénétrants de neutrons gamma, en particulier dans la gamme de 1,3 µm.

Un gyroscope à fibre optique peut être utilisé comme support d'un élément sensible (capteur) de rotation fixé rigidement sur le corps dans les systèmes de contrôle et de stabilisation inertiels. Les gyroscopes mécaniques présentent des erreurs dites gyromécaniques, qui sont particulièrement prononcées lors de la manœuvre d'un porteur (avion, fusée, vaisseau spatial). Ces erreurs sont encore plus importantes si la centrale inertielle est conçue avec des capteurs rigidement fixés ou "suspendus" directement au corps du porteur. La perspective d'utiliser un capteur de rotation optique bon marché capable de fonctionner sans erreurs gyro-mécaniques dans un système de contrôle inertiel est une autre raison de l'intérêt particulier pour un gyroscope optique.

L'émergence de l'idée et des premières conceptions d'un gyroscope à fibre optique est étroitement liée au développement d'un gyroscope laser en anneau (RLG). Dans CLG, le circuit sensible est un résonateur auto-excité en anneau avec un milieu gazeux actif et des miroirs réfléchissants, tandis que dans FOG, un circuit de guide de lumière diélectrique multi-tours passif est excité par une source "externe" de rayonnement lumineux. Ces caractéristiques déterminent au moins cinq avantages du FOG par rapport au CLG :

En FOG, il n'y a pas de synchronisation des types d'oscillations en sens opposés près de la valeur nulle de la vitesse angulaire de rotation, ce qui permet de mesurer de très petites vitesses angulaires sans avoir besoin de concevoir des dispositifs de déplacement du point zéro difficiles à mettre en place. ;

2. L'effet Sagnac, sur lequel repose le principe de fonctionnement de l'appareil, se manifeste plusieurs ordres de grandeur plus fort en raison des faibles pertes dans la fibre optique et de la grande longueur de la fibre.

3. La conception du FOG est entièrement réalisée sous la forme d'un corps solide (à l'avenir, entièrement sur des circuits optiques intégrés), ce qui facilite le fonctionnement et augmente la fiabilité par rapport au RLG.

4. FOG mesure la vitesse de rotation, tandis que CLG capture l'incrément de vitesse.

5. La configuration FOG permet de "sentir" l'inversion du sens de rotation.

Ces propriétés du FOG, qui permettent de créer des conceptions simples de haute précision entièrement sur des circuits optiques intégrés solides bon marché en production de masse, attirent l'attention des développeurs de systèmes de contrôle. Selon un certain nombre d'entreprises étrangères, les FOG seront développés de manière intensive en raison de leurs capacités techniques uniques.

Les auteurs étrangers affirment que le développement de la conception FOG et sa mise en place d'échantillons en série n'est pas une tâche facile. Lors du développement de FOG, les scientifiques et les ingénieurs sont confrontés à un certain nombre de difficultés. Le premier est lié à la technologie de production des éléments FOG. A l'heure actuelle, il existe encore peu de bonne fibre monomode qui préserve le sens de polarisation ; la production de séparateurs de faisceaux, de polariseurs, de modulateurs de phase et de fréquence, de filtres spatiaux, de circuits optiques intégrés est au stade initial de développement. Le nombre d'émetteurs et de photodétecteurs conçus spécifiquement pour le FOG est limité.

Les entreprises et les développeurs FOG résolvent ces deux problèmes. La technologie de production d'éléments dans FOG est en cours d'amélioration, la nature physique des perturbations et des instabilités est étudiée théoriquement et expérimentalement, diverses variantes de circuit de FOG avec compensation de ces perturbations sont en cours de création et de test, et les problèmes fondamentaux de l'utilisation de l'optique intégrée sont en cours d'élaboration. La précision du FOG est déjà proche de celle requise dans les systèmes de contrôle inertiel.

Dans la littérature scientifique et périodique spéciale sur le problème du FOG, de nombreuses publications ont déjà été publiées. articles scientifiques. L'analyse de ces articles indique la nécessité d'une étude plus approfondie de ce problème et le développement de nouvelles façons d'améliorer les caractéristiques qualitatives de FOG.

La systématisation et la généralisation des questions clés de la théorie et de la pratique de la création de FOG est également une étape importante.

La tâche de la thèse est d'analyser le fonctionnement du FOG, le modèle généralisé du bruit et des instabilités, et d'évaluer la sensibilité limite (potentielle) du dispositif. Sur la base de la propriété de réciprocité, il est nécessaire de considérer la configuration FOG minimale. Ensuite, évaluez l'état actuel de la base de l'élément. Dans le même temps, une grande attention doit être portée aux propriétés des fibres optiques et une analyse des éventuelles inhomogénéités et pertes pour différents types de fibres doit être effectuée. Considérez les principaux éléments du FOG : circuit à fibre, émetteurs et photodétecteurs, et proposez également des moyens de compenser le bruit et les instabilités du FOG (telles que la rétrodiffusion Rayleigh, l'effet non linéaire optique, les gradients de température, le champ magnétique, etc.).

L'objectif principal de la thèse est d'examiner les aspects clés de la théorie FOG basée sur l'analyse des erreurs de ses éléments et l'évaluation qualitative des caractéristiques de précision de l'appareil, en tenant compte de l'utilisation de diverses approches pour résoudre le problème d'augmenter sa sensibilité.

Il est également nécessaire de considérer diverses méthodes de circuiterie pour réduire le niveau de bruit et les instabilités FOG.

Réfléchissez séparément aux aspects techniques et économiques du travail, aux problèmes de sécurité des personnes pendant la recherche, ainsi qu'aux problèmes de sécurité environnementale lors de l'utilisation de l'appareil.

1. Principes de la gyroscopie à fibre optique

1.1 Principales caractéristiques du FOG

Un gyroscope optique appartient à la classe des dispositifs dans lesquels des rayons lumineux à contre-courant se propagent dans un circuit optique fermé. Le principe de fonctionnement d'un gyroscope optique est basé sur l'effet "vortex" Sagnac, découvert par ce scientifique en 1913. L'essence de l'effet vortex est la suivante. Si deux faisceaux lumineux se propagent dans des directions opposées dans un circuit optique fermé, alors avec un circuit fixe, les incursions de phase des deux faisceaux qui ont traversé tout le circuit seront les mêmes. Lorsque le contour tourne autour d'un axe normal au plan du contour, les incursions de phase des rayons ne sont pas les mêmes, et la différence de phase des rayons est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation du contour. Pour expliquer l'effet vortex de Sagnac, trois théories ont été développées : cinématique, Doppler et relativiste. Le plus simple d'entre eux est cinématique, le plus rigoureux est relativiste, basé sur la théorie de la relativité générale. Considérons l'effet vortex Sagnac dans le cadre de la théorie cinématique.

Figure 1.1. Schéma cinématique de l'effet vortex de Sagnac.

Sur la fig. 1.1 montre un circuit optique fermé plat de forme arbitraire, dans lequel deux ondes lumineuses 1 et 2 se propagent dans des sens opposés (Fig. 1.1). Le plan du contour est perpendiculaire à l'axe de rotation passant par un point quelconque O. On note la vitesse angulaire de rotation du contour. Prenons la section du trajet du faisceau lumineux AB infiniment petite, et notons sa longueur par l. Le rayon-vecteur d'un point quelconque du contour A sera noté r. On note le segment de l'arc AB". Lorsque le contour tourne autour du point O avec une vitesse angulaire, la vitesse linéaire du point A est égale. Considérant que le triangle AB" B est petit :

où est l'angle entre le vecteur vitesse linéaire du point A et la tangente AM au contour au point A.

La projection de la vitesse linéaire des points de contour sur la direction du vecteur vitesse de la lumière en ces points

Si le contour est immobile, le temps de contournement de la section de contour AB \u003d l par deux rayons opposés est le même; notons-le dt.

dt=l/c=. (1.3)

Lorsque le contour tourne avec une vitesse angulaire, la distance apparente entre les points A et B pour les rayons se propageant en sens inverse change. Pour une onde allant d'un point A à un point B, c'est-à-dire dans le sens coïncidant avec le sens de rotation du contour, la distance s'allonge, car dans le temps dt le point B se déplacera d'un angle, passant au point C.

Cet allongement de la trajectoire du faisceau lumineux sera égal à dt, car à chaque instant le faisceau est dirigé tangentiellement au contour, la projection de la vitesse linéaire est dirigée selon la même tangente. Ainsi, le segment du chemin parcouru par le rayon est égal à l + dt. De la même manière, pour un faisceau lumineux à contre-propagation, il y aura un raccourcissement apparent du segment de trajet l - dt

Considérant la vitesse de la lumière comme une quantité invariante, l'allongement et le raccourcissement apparents des trajets des rayons entrants peuvent être considérés de manière équivalente comme un allongement et un raccourcissement des intervalles de temps, c'est-à-dire

En remplaçant les expressions (1.2)-(1.3) par et dt, on obtient

À partir de la figure 1.1. devrait

où s est l'aire du secteur.

Jusqu'aux infinitésimaux du second ordre, la zone AOB peut être remplacée par s. Alors

Le temps total de propagation des rayons venant en sens inverse le long du contour entier

où la sommation est effectuée sur le nombre de secteurs élémentaires en lesquels est divisé tout le contour.

Ainsi, le temps total passé par le faisceau à tourner dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'il parcourt tout le circuit tournant est supérieur au temps total passé par le faisceau à tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Différence de temps et/ou retard relatif des ondes contre-propagatives

où S est l'aire de tout le contour.

Si le retard relatif des ondes contre-propagatives (1.8) apparaissant pendant la rotation est exprimé en termes de différence de phase des ondes contre-propagatives, alors il sera

La différence de phase est la phase de Sagnac. Comme on peut le voir, la phase de Sagnac est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation du contour.

La théorie cinématique de l'effet vortex de Sagnac est encore plus facile à expliquer en considérant un contour optique annulaire idéal de rayon (Fig. 1.2.).

Figure 1.2. L'effet Sagnac dans un circuit optique annulaire.

Un faisceau de lumière arrive au point A et à l'aide de miroirs et se divise en deux faisceaux, dont l'un se propage dans le sens des aiguilles d'une montre dans le contour et l'autre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. A l'aide des mêmes miroirs, après propagation dans le circuit, les rayons sont combinés et dirigés le long d'un même chemin. Avec un contour fixe, les trajets des rayons sont identiques et égaux

où c est la vitesse de la lumière, est le temps de passage du périmètre du contour par le faisceau.

Les deux faisceaux arrivent au point A pour se séparer en phase. Si le circuit tourne à une vitesse angulaire constante, le faisceau se propageant dans le sens des aiguilles d'une montre, avant de toucher le séparateur mobile, parcourra le chemin

Cela est dû au fait que lors du passage du faisceau le long de la boucle fermée, le séparateur, qui était auparavant au point A, ira au point B. Pour un faisceau se propageant dans le sens antihoraire, le chemin

Comme vous pouvez le voir, les chemins de propagation des rayons se déplaçant de manière opposée sont différents. Puisque la vitesse de la lumière c est une valeur constante, cela équivaut à des temps de parcours différents pour des rayons se propageant dans des directions opposées d'un circuit tournant fermé, et.

Différence de temps de propagation

Dans l'approximation du premier ordre dans , on peut écrire

Ce qui coïncide avec l'expression (1.8) obtenue ci-dessus, si l'on considère - l'aire du contour.

L'effet Sagnac peut être expliqué sur la base du concept de décalage de fréquence Doppler. L'effet Doppler est le phénomène de modification de la fréquence des oscillations émises par l'émetteur et reçues par le récepteur, observé avec le mouvement relatif relatif de l'émetteur et du récepteur. Dans ce cas, la fréquence de l'oscillation reçue

où f est la fréquence de l'oscillation émise, V est la vitesse de l'émetteur, et les signes "+" ou "-" correspondent à l'approche ou à l'éloignement de l'émetteur par rapport à l'observateur.

Décalage de fréquence Doppler

proportionnelle à la vitesse de déplacement de l'émetteur.

Considérons un contour optique annulaire de rayon tournant avec une vitesse angulaire (Fig. 1.3.). Un analogue d'un radiateur mobile dans un circuit est un miroir réfléchissant se déplaçant à une vitesse linéaire. Lorsque le contour tourne, les rayons contre-propagatifs ont des longueurs d'onde différentes en raison du décalage Doppler accumulé lorsqu'une onde est réfléchie par un miroir se déplaçant à grande vitesse.

Lors du calcul de la phase accumulée dans les deux bras du circuit optique, il est nécessaire de considérer le système tournant dans son ensemble. Les deux chemins optiques sont alors égaux, mais les longueurs d'onde diffèrent d'un décalage Doppler. Alors le déphasage relatif

Définissons la valeur. Longueur d'onde décalée Doppler :

En remplaçant l'expression résultante dans la formule du déphasage relatif, nous obtenons

Phase sagnacienne

ce qui coïncide complètement avec l'expression (1.9) obtenue en calculant la différence des temps du rayon faisant le tour du contour tournant.

Ainsi, nous avons considéré deux approches équivalentes pour expliquer l'effet Sagnac. Dans la première interprétation, l'effet se manifeste par la différence des temps de propagation des rayons contra-propagatifs dans un circuit tournant ; dans le second - comme la différence des longueurs d'onde des rayons dans les deux bras du contour de même longueur optique.

En mesurant la différence de phase avec un dispositif électronique, il est possible d'obtenir des informations à partir de la vitesse angulaire de rotation de la base (objet) sur laquelle le contour est fixé. En intégrant le signal mesuré, l'angle de rotation de la base (objet) est obtenu. Ces informations sont ensuite utilisées pour contrôler et stabiliser les objets.

Selon la conception du circuit optique fermé, on distingue deux types de gyroscopes optiques. Le premier type est le soi-disant gyroscope laser annulaire (RLG), dans lequel le contour est formé par un milieu actif (un mélange d'hélium et de gaz néon) et les miroirs correspondants formant un chemin fermé (laser annulaire). Le deuxième type est un gyroscope à fibre optique (FOG), dans lequel un circuit fermé est formé par une bobine multitour d'une fibre optique. Le schéma de principe du FOG est illustré à la fig. 1.3.

Figure 1.3. Schéma de principe d'un gyroscope à fibre optique.

Si le contour FOG est formé par un fil d'une fibre optique de longueur L, enroulé sur un cylindre de rayon R, alors la phase de Sagnac

où R est le rayon du tour de contour ; N est le nombre de tours ; S est l'aire de la boucle du contour.

Conformément à la fig. 1.3., le rayonnement source est envoyé au séparateur de faisceau et est divisé en deux faisceaux. Deux faisceaux qui ont parcouru la boucle dans des directions opposées sont recombinés au niveau du séparateur de faisceau et mélangés dans le photodétecteur. L'oscillation résultante peut s'écrire

où - amplitudes d'oscillation ; - fréquence de rayonnement ; ; ; - la phase initiale de l'oscillation ; - Phase sagnacienne.

Intensité du rayonnement au niveau du photodétecteur

En désignant l'intensité du rayonnement à la sortie de la diode laser, en supposant qu'il n'y a pas de pertes dans le circuit à fibre, et en supposant que le séparateur de faisceau divise l'énergie de manière exactement égale, nous avons :

Alors l'expression (1.21) prend la forme :

L'analyse de l'expression permet de conclure que l'instrument dans cette configuration est peu sensible aux faibles vitesses angulaires :

Pour maximiser la sensibilité aux petites variations du paramètre informatif (phase de Sagnac), un simple modulateur de phase doit être placé dans le circuit de la fibre, donnant un déphasage "non réciproque" /2 entre deux faisceaux se déplaçant de manière opposée. Ensuite, l'intensité sur le photodétecteur aux faibles vitesses angulaires change presque linéairement :

et la sensibilité FOG sera à valeur maximum 0.5.

Diverses façons d'introduire un déphasage "non réciproque" seront discutées ci-dessous.

Dans la configuration illustrée à la figure 1.3, le courant de sortie du photodétecteur répète les changements d'intensité (puissance) du rayonnement d'entrée, c'est-à-dire :

où est le rendement quantique du photodétecteur ; q est la charge de l'électron ; h est la constante de Planck ; f est la fréquence du rayonnement optique.

Si nous négligeons la composante constante du courant de sortie, alors à la sortie du photodétecteur nous obtenons un signal

Avec l'introduction d'un déphasage non réciproque /2 et pour de petites valeurs, le courant de sortie :

Ainsi, les valeurs du courant de sortie sont proportionnelles à la phase de Sagnac, qui à son tour est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation du circuit.

1.2 Principe de réciprocité et enregistrement de phase en FOG

Dans les conceptions expérimentales typiques des gyroscopes, une bobine avec R = 100 mm est utilisée avec une longueur de fibre L = 500 m. La détection d'une vitesse de rotation de 1 deg/h nécessite un enregistrement de phase avec une résolution de l'ordre de 10-5 rad. Ceci est illustré à la fig. 1.4., où les valeurs du déphasage sont indiquées en fonction de la vitesse angulaire de rotation du circuit et de la valeur de LR à = 0,63 μm.

Les systèmes de détection de phase d'interférence optique avec une telle sensibilité sont bien connus, cependant, dans les gyroscopes, il existe certains problèmes particuliers associés à la détection de phase. Le premier est lié au fait que souvent le gyroscope fonctionne avec une différence de chemin nominale presque nulle, et pour de petits changements dans la valeur de phase relative, il y a un changement négligeable dans l'intensité de sortie.

Figure 1.4. La phase de Sagnac dans la vitesse angulaire de rotation pour différentes valeurs du paramètre LR.

Le fonctionnement avec un décalage de phase de 90° maximise la sensibilité, mais cela introduit une certaine non-réciprocité pour les deux sens de propagation du faisceau dans le gyroscope, car la phase d'un faisceau dans le sens des aiguilles d'une montre se propage différemment de celle d'un faisceau dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en l'absence de rotation.

La propriété de réciprocité est le deuxième point important dans FOG. La non-réciprocité de phase dans le FOG est déterminée par la différence de phase différentielle des faisceaux se déplaçant de manière opposée. Toute non-réciprocité de phase (différence de phase) pour les deux directions donne un changement dans les lectures du gyroscope. Si la non-réciprocité est une fonction du temps, alors il y a une certaine dérive temporelle dans les lectures du gyroscope. Une fibre d'une longueur de 500 m donne un retard de phase de l'ordre de 1010 rad. Ainsi, pour enregistrer une vitesse de rotation de 0,05 deg/h, il est nécessaire que les trajets de propagation des rayons se déplaçant en sens inverse soient cohérents avec une précision relative allant jusqu'à 10-17 rad.

De plus, il faut noter que le principe même de fonctionnement d'un gyroscope à fibre optique repose sur la propriété non réciproque de la propagation des ondes contrapropagatives dans un référentiel tournant (apparition d'une différence dans les incursions de phase de deux poutres pendant la rotation). Par conséquent, l'importance de l'analyse des effets non réciproques et des dispositifs dans le FOG est incontestable (au moins pour déterminer la précision du dispositif).

Le principe de réciprocité est bien illustré par le théorème bien connu de Lorentz pour les systèmes réciproques. Si nous caractérisons deux ondes magnétiques d'électrode par des vecteurs, et, où est le vecteur de l'intensité du champ électrique, et est le vecteur de l'intensité du champ magnétique, alors le principe de réciprocité est rempli pour les systèmes dans lesquels

où sont les tenseurs antisymétriques du magnétique et du diélectrique

perméabilité du milieu matériel, respectivement.

La condition de non-réciprocité est que la relation ci-dessus n'est pas égale à zéro. Les milieux présentant une non-réciprocité comprennent les matériaux magnétiquement gyrotropes (ferromagnétiques) : les milieux électriquement gyrotropes (diamagnets) sous l'action d'un champ magnétique ; diélectriques transparents; les supports qui effectuent un mouvement de translation par rapport à tout système de coordonnées dans lequel un champ électromagnétique est spécifié ; supports rotatifs; les systèmes de canalisation tels que les guides d'ondes et les guides de lumière. Ces derniers cas sont particulièrement intéressants, car la rotation du FOG donne lieu à une non-réciprocité de phase, ce qui donne le déphasage de Sagnac.

Dans le cas d'un mouvement de rotation du support, la condition de non-réciprocité a la forme

L'exclusion des fluctuations aléatoires peut nécessiter une accumulation (intégration) à long terme du signal de sortie FOG afin d'isoler la composante utile (comme le montrent certaines configurations expérimentales de FOG très sensibles, le temps d'intégration atteint des minutes et même des dizaines de minutes) .

Appliqué au FOG, il convient d'analyser le principe de réciprocité pour un circuit à quatre entrées et sorties. Pour un guide d'onde optique, quatre entrées correspondent à des entrées de rayonnement selon deux directions de polarisation mutuellement perpendiculaires à chaque extrémité de la fibre. Les entrées et sorties correspondantes sont définies selon des axes de polarisation identiques.

Il s'ensuit que dans le cas d'une entrée de rayonnement avec la direction de polarisation initiale X, la lumière émergeant avec la direction de polarisation orthogonale Y aura des incursions de phase différentes dans chaque direction de propagation, et la lumière émergeant avec la direction de polarisation initiale X aura la mêmes incursions de phase pour chaque direction de distribution.

Cela fait partie de l'exigence imposée par l'interprétation du théorème de réciprocité de Lorentz, qui postule que dans le cas d'un système linéaire, les chemins optiques sont exactement réciproques si le mode spatial d'entrée donné est le même à la sortie.

L'un des paramètres du mode spatial est la polarisation ; le deuxième paramètre doit également être spécifié, comme la distribution spatiale (localisation) du mode. Il doit donc y avoir à la fin du circuit FOG, à la fois un filtre de polarisation (sélectionnant la polarisation initiale) et un filtre spatial, qui satisferont au principe de réciprocité de Lorentz.

Ces dispositifs assez simples dans la conception FOG (à condition qu'ils puissent être mis en œuvre avec une précision suffisante) garantiront des conditions de réciprocité dans le système, mais uniquement si la condition de linéarité est satisfaite. Si les non-linéarités sont significatives, alors le FOG aura une réciprocité s'il existe une symétrie exacte autour du point médian du circuit de fibre. Cette condition implique que l'énergie injectée à chaque extrémité de la boucle soit la même et que les propriétés de la fibre soient uniformément réparties (ou du moins symétriques).

La puissance du rayonnement optique injecté dans la fibre est si faible (toujours inférieure à 1,2 mW) qu'il semblerait que les non-linéarités puissent être négligées. Cependant, la sensibilité du FOG aux non-réciprocités est extrêmement élevée, et les effets non linéaires (en particulier l'effet Kerr) conduisent à des non-réciprocités notables, équivalentes à un taux de rotation supérieur à 1 deg/h. Dans une fibre optique, le plan de polarisation de la lumière polarisée linéairement tourne sous l'action d'un champ magnétique extérieur (effet Faraday).

La rotation de Faraday est un autre effet non réciproque. Dans le cas d'une lumière polarisée linéairement, la rotation totale dépend de l'intégrale linéaire du courant parcouru le long du chemin optique. Dans le cas du FOG, cette intégrale est nulle dans le champ magnétique terrestre. Cependant, un examen plus approfondi de l'interaction de la lumière dans une fibre et du champ magnétique le long de la fibre indique que la véritable source de rotation est la biréfringence circulaire induite et que l'approche simple mentionnée ci-dessus n'est utile que si les deux composantes de polarisation circulaire (droite et gauche) ont la même amplitude. Ceci n'est vrai que pour le cas de la lumière polarisée linéairement.

Lorsque la lumière se propage dans une fibre, tous les états de polarisation possibles ont lieu et le pourcentage de lumière restant dans chaque état de polarisation circulaire intrinsèque du rotateur de Faraday varie de manière aléatoire le long du chemin optique. Il en résulte un certain déphasage pour les deux sens de propagation du mode polarisé linéairement en sortie.

Ainsi, le FOG est très sensible au champ magnétique terrestre, et lors de la conception du FOG pour mesurer la vitesse de rotation, un blindage magnétique (ou assurer la polarisation linéaire de la lumière tout au long de la fibre) est nécessaire. En supposant que le champ magnétique terrestre est de 27 et en supposant que le champ n'est pas compensé sur 5% de la longueur de la fibre, on peut obtenir une valeur de déphasage équivalente à la vitesse de rotation de la Terre.

Les points ci-dessus comprenaient des effets non réciproques induits dans la fibre ; cependant, même les premières étapes de la conception du FOG du point de vue du maintien de la réciprocité dans le système d'enregistrement devraient être d'assurer la même longueur des chemins optiques dans le FOG.

Sur la fig. 1.3. on peut voir que cette configuration n'a pas la propriété de réciprocité, car un faisceau de lumière dans le sens des aiguilles d'une montre traverse deux fois le séparateur de faisceau et un faisceau de lumière dans le sens inverse des aiguilles d'une montre est réfléchi deux fois par le séparateur de faisceau. Mais en même temps, le chemin de sortie optique mutuel du circuit sensible remonte dans le sens de la source (du séparateur de faisceau à la diode), c'est-à-dire le long du chemin optique d'entrée.

Par conséquent, il est possible d'obtenir une réciprocité dans le système d'enregistrement si le deuxième séparateur de faisceau est placé le long du chemin optique d'entrée (Fig. 1.5.).

La gamme des vitesses de rotation, qui sont mesurées par un gyroscope très sensible des systèmes de contrôle inertiel, s'étend de 0,1 deg/h à 400 deg/h. A LR = 100 m, ces valeurs de vitesse correspondent à la plage de changement de phase de 10 à 10 rad (Fig. 1.4.).

Figure 1.5. Circuit FOG avec un décalage de différence de phase constant.

À ce jour, des efforts considérables ont déjà été déployés pour augmenter la sensibilité de l'appareil aux basses vitesses, et en même temps, très peu d'attention est accordée aux problèmes liés à l'augmentation de la plage dynamique requise.

Comme nous l'avons déjà noté, s'il est nécessaire de mesurer de grands changements d'intensité pour Ce changement phase, un déphasage /2 doit être introduit, c'est-à-dire que l'interféromètre doit fonctionner en quadrature. Dans ce mode, la relation entre les changements d'intensité et les changements de phase est linéaire (jusqu'à 1 %) uniquement jusqu'à des écarts de phase maximum de 0,1 rad. La non-linéarité peut cependant être compensée dans le système de recalage lui-même jusqu'à un écart de phase maximum de l'ordre de 1 rad.

Il existe un certain nombre de méthodes de détection de phase qui peuvent être utilisées dans la conception du FOG.

Les schémas les plus courants qui utilisent un déphasage statique de 90° entre les deux faisceaux et les schémas avec un déphasage variable de 90°.

Une différence de phase statique non réciproque entre les rayons se propageant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre peut être créée, par exemple, en utilisant un élément de Faraday placé à une extrémité du circuit de fibre (Fig. 1.5.). Des changements dans l'intensité enregistrée à la sortie mutuelle correspondent à des changements dans la valeur de phase relative pour deux faisceaux encerclant le contour.

Basé sur les principes de déphasage, un autre principe de recalage peut être proposé avec une sensibilité plus élevée.

La phase relative des faisceaux se propageant dans deux directions est modulée en phase (- /2, /2) à une fréquence de 1/2T (T est le temps de passage du faisceau dans la boucle). Ainsi, la lumière injectée à un instant donné dans le sens des aiguilles d'une montre est retardée de 90°, la lumière se propageant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre n'est pas retardée (ceci est déterminé par la position du modulateur de phase, comme illustré à la Fig. 1.4.).

Cependant, au moment où le faisceau dans le sens inverse des aiguilles d'une montre atteint la position du modulateur de phase, il n'y aura pas de déphasage. La lumière injectée ponctuellement dans le sens des aiguilles d'une montre interfère avec une onde se propageant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre avec un déphasage de -90°, etc.

Par conséquent, l'onde de sortie résultante, qui comprend à la fois l'effet du déphasage périodique (donnant en principe un niveau d'intensité constant à la sortie) et le déphasage dû à l'effet Sagnac, est modulée comme le montre la Fig. 1.5. Ainsi, le signal de sortie du photodétecteur

Lors de la modulation :

La profondeur de modulation dépend de la phase induite par la rotation.

Lors de la création de FOG pour la modulation, un capteur piézoélectrique cylindrique est généralement utilisé, autour duquel une fibre est enroulée. Il est plus pratique d'utiliser une modulation sinusoïdale de la phase relative de deux faisceaux se déplaçant de manière opposée. Si la différence de phase induite par la rotation est égale, alors il est facile de montrer que la composante variable de l'intensité totale de l'onde à la sortie de l'interféromètre, compte tenu de la modulation de phase périodique en fréquence et avec déviation, sera égale à

En utilisant le développement standard de Bessel, nous obtenons :

Ainsi, l'inscription à la fréquence de modulation donne un signal dont l'amplitude est proportionnelle ; cette valeur peut être rendue maximale en choisissant une valeur qui maximise (c'est-à-dire 1,8 rad).

La quantité de déviation est la différence de phase effective maximale induite entre les faisceaux se déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pendant le cycle de modulation. Lors de l'évaluation de cette valeur, il est nécessaire de connaître non seulement la profondeur de modulation du capteur lui-même, mais également le temps de vol du chemin optique dans la fibre.

1.3 Modèleb bruit et instabilités dans le FOG

Un gyroscope à fibre optique est un système optoélectronique assez complexe. Lors de la conception d'un dispositif réel, les éléments optiques et les dispositifs électroniques doivent être sélectionnés et disposés de manière à minimiser l'influence des perturbations extérieures (gradients de température, vibrations mécaniques et acoustiques, champs magnétiques, etc.). Dans l'appareil lui-même, en outre, il existe un certain nombre de sources internes de bruit et d'instabilités. Classiquement, ces bruits et instabilités peuvent être divisés en perturbations rapides et lentes. Les perturbations rapides ont un effet moyen aléatoire à court terme (secondes) sur la sensibilité FOG ; ils se manifestent clairement à vitesse de rotation nulle (bruit de courte durée). Les perturbations lentes provoquent une dérive lente du signal, ce qui entraîne des décalages à long terme de la lecture FOG (dérive à long terme).

Un modèle généralisé des sources de bruit et des instabilités dans le FOG est présenté sur la Fig. 1.6.

Figure 1.6. Modèle généralisé du bruit et des instabilités en FOG.

Si nous excluons l'influence de toutes les sources de bruit et d'instabilités dans le FOG, ce qui, bien sûr, n'est possible qu'en principe, il reste toujours un bruit fondamentalement inamovible - le soi-disant bruit quantique ou photonique; ils sont aussi appelés bruit de grenaille. Ces bruits n'apparaissent qu'en présence d'un signal optique utile à l'entrée du photodétecteur et sont dus à la répartition aléatoire du taux d'arrivée des photons sur le photodétecteur, qui entraîne des fluctuations aléatoires du courant du photodétecteur. Dans ce cas, la sensibilité FOG (précision) n'est limitée que par le bruit de tir (photon). La sensibilité (précision) du FOG, déterminée par le bruit de tir (photon), comme tout autre système de mesure d'informations optiques, est la limite fondamentale de la sensibilité (précision) de l'appareil. Le bruit photonique est une conséquence de la nature quantique du rayonnement lumineux. En ce qui concerne les systèmes optiques de transmission d'informations, l'immunité limite au bruit de ces systèmes, due au bruit photonique, a été calculée en .

Suite aux travaux, nous estimerons la limite fondamentale de la sensibilité (précision) du FOG.

Le niveau de bruit photonique dépend de l'intensité du rayonnement optique incident sur le photodétecteur et est déterminé par les fluctuations de l'intensité du rayonnement optique.

La formule ci-dessus pour l'intensité du rayonnement au niveau du photodétecteur nous permet d'écrire l'expression de la puissance du rayonnement incident sur le photodétecteur sous la forme :

où P est la puissance de l'entrée de rayonnement dans le FOG.

Il résulte de cette expression que le bruit de grenaille (photon) provoqué par le processus de détection de la puissance de rayonnement est associé à l'apparition d'un bruit de "phase" et, par conséquent, conduit à une erreur de mesure de la vitesse angulaire de rotation. Si le photodétecteur reçoit un flux de photons, alors le nombre de photons détectés par unité de temps est Variable aléatoire répartie selon la loi de Poisson (dans le cas de l'utilisation d'un émetteur laser) L'espérance mathématique du nombre de photons incidents sur le photodétecteur pendant le temps d'intégration T est égale à l'énergie moyenne divisée par l'énergie d'un photon :

où h est la constante de Planck ; f est la fréquence de rayonnement.

La valeur efficace du nombre de photons de la distribution de Poisson est égale à la racine carrée de la valeur moyenne, c'est-à-dire

Trouvez la valeur RMS du bruit de "phase":

Alors, en tenant compte de l'expression (1.35), on obtient :

où est la bande passante du système de détection et de traitement du signal.

Pour des valeurs typiques de µW et Hz

Il s'ensuit qu'avec une bande passante de 1 Hz, la limite de sensibilité pour la phase mesurée est de rad.

Pour déterminer l'erreur quadratique moyenne de la mesure de la vitesse angulaire de rotation due au bruit photonique, nous utilisons l'expression de la phase de Sagnac :

En supposant qu'un FOG typique a L = 1 km, D = 10 cm, (1/2)P0 = 100 μW, f = Hz, nous avons :

D'où il résulte que pour une bande passante de 1 Hz et pour une boucle avec LR = 50, le seuil d'enregistrement de la vitesse de rotation est de 0,01 deg/h. En exprimant la bande passante en termes d'unités d'horloge réciproques, nous obtenons une expression de la dérive aléatoire minimale du FOG

Une estimation de la sensibilité limite du FOG peut être trouvée à partir du rapport signal sur bruit en sortie du dispositif de traitement. Le dispositif de traitement du signal de sortie FOG se compose d'un photodétecteur à efficacité quantique, d'un amplificateur avec un gain (multiplication) G , d'une résistance de charge Rí et d'un filtre passe-bas avec une bande passante f.

Courant de sortie du photodétecteur :

où q est la charge de l'électron.

Compte tenu du gain G, nous écrivons la composante signal du courant sous la forme

La puissance de la composante du signal est égale à

La puissance du bruit de grenaille selon la méthode standard de calcul du rapport signal sur bruit est calculée par la formule de Schottky et est égale à :

Lors du calcul de la puissance de bruit, seul le bruit de grenaille fondamentalement inamovible du signal utile est pris en compte.

Le rapport signal sur bruit prendra la forme

En supposant (s / w) = 1, en remplaçant la fonction sinus par son argument, en remplaçant par sa valeur par la vitesse angulaire de rotation, nous obtenons la vitesse angulaire de rotation minimale détectable :

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Détermination de l'atténuation (atténuation), de la dispersion, de la bande passante, du débit binaire maximal dans un système à fibre optique. Tracer la dépendance de la puissance de sortie de la source de rayonnement optique sur l'amplitude du courant électrique.

test, ajouté le 21/06/2010


Systèmes de communication numérique à fibre optique, concept, structure. Principes de base système numérique transmission de données. Processus se produisant dans une fibre optique et leur influence sur la vitesse et la portée de transmission des informations. Contrôle PMC.

dissertation, ajouté le 28/08/2007


Description générale et objectif, caractéristiques fonctionnelles et structure des composants passifs des lignes de communication à fibre optique : connecteurs et répartiteurs. Multiplexeurs et démultiplexeurs. Diviseurs de puissance optiques, principe de leur fonctionnement et signification.