Пути создания волоконно-оптического гироскопа повышенной точности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Олехнович, Роман Олегович

• Олехнович, Роман Олегович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Олехнович, Роман Олегович

Глава 1. Обзор.

Обзор современного состояния вопроса.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пути создания волоконно-оптического гироскопа повышенной точности»

Актуальность

Общепризнанна перспективность волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) для систем управления и навигации движущимися объектами различного рода (наземный транспорт, суда, самолеты и т.п.). При этом востребованными являются ВОГ в широком диапазоне характеристик точности — от 10,0 град/час до 0, 001 град/час.

В США, Франции, Германии уже в течение нескольких лет серийно производятся системы ориентации и навигации различного назначения, использующие высокоточные ВОГ. Наиболее известными производителями являются предприятия Northrop Grumman, Honeywell, Ixsea, A1 Cielo.

В России лидером по производству целого ряда ВОГ класса точности . 10,0-1,0 град/час является ООО «Физоптика». Однако существует отставание от зарубежного уровня в области ВОГ навигационного класса точности (0,01 — 0,001 град/час).

Точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа . повышенной' точности во многом зависят от характеристик его основных элементов и особенностей методик его сборки.

Таким образом, разработка волоконно-оптического гироскопа и методик его изготовления является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является разработка концепции построения волоконно-оптического гироскопа повышенной точности и методик его изготовления.

Для достижения цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен обзор существующих волоконно-оптических гироскопов.

2. На основании анализа литературы выработаны требования к элементам волоконно-оптического гироскопа повышенной точности, выбраны элементы и проведено исследование их характеристик.

3. Разработана методика выделения и идентификация оптических осей волокна с сохранением поляризации.

4. Разработана методика стыковки оптического волокна и канального волновода с контролем осей поляризации.

Методы исследования базировались на использовании методов волоконной и геометрической оптики, теории гироскопов, методов математической статистики. Адекватность теоретических решений подтверждена экспериментальными данными.

Научная новизна исследования диссертационной работы:

1. Экспериментально и теоретически обоснована необходимость создания и применения в многофункциональной интегрально-оптической схеме разветвителя Х-типа, для обеспечения возможности высокоточной юстировки волокон с сохранением поляризации и канальных волноводов с учетом поляризации.

2. Предложены методики выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации, дающая возможность точно выделить оптические оси волокна.

3. Предложена методика стыковки оптического волокна и канального волновода с контролем осей поляризации, позволяющая производить совмещение оптических осей с минимальной погрешностью, порядка 0,05 град.

4. Предложена методика и способ изготовления согласующего элемента, позволяющий уменьшить потери при стыковке оптического волокна, сохраняющего поляризацию с числовой апертурой ~0,18 и канального волновода изготовленного по титан — диффузионной технологии с числовой апертурой -0,12.

Практическая значимость исследования

Результаты работы были использованы при разработке волоконно-оптического гироскопа повышенной чувствительности и позволили изготовить экспериментальные образцы с точностью не хуже 0,01 град/час и провести их испытания.

Методика для выделения и идентификации оптических осей волокна сохраняющего поляризацию позволили существенно сократить трудоемкость подготовительных сборочных и стыковочных операций при изготовлении ВОГ

Предложена методика и способ изготовления согласующего элемента для стыковки оптического волокна сохраняющего поляризацию и многофункциональной интегрально-оптической схемы, что нашло отражение в патенте №2326416 «СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОГЛАСУЮЩЕЙ СЕКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА».

Внедрение результатов. Полученные результаты использованы при разработке волоконно-оптического гироскопа и технологий его сборки в СПбГУ ИТМО по заказу ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор».

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались: на межвузовских конференциях молодых ученых (СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург) IV (2007 г.), V (2008 г.); на конференции профессорско-преподавательского состава (СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург): XXXVII (2008 г.); на конференции молодых ученых ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург: XI (2009 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, из которых один патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет Шстраниц,

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Олехнович, Роман Олегович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Методика и технология изготовления согласующих элементов на конце оптического волокна, пригодного к стыковке с канальными волноводами.

2. Методика выделения и идентификации оптических осей волокна с сохранением поляризации.

3. Методика юстировки оптических осей канального волновода и волокна с сохранением поляризации.

4. Для точной юстировки оптических осей канальных волноводов на ниобате лития и волокна с сохранением поляризации, многофункциональная интегрально-оптическая схема должна иметь Х-разветвитель и канальные волноводы, выполненные по титан диффузионной технологии.

5. Результаты, полученные в данной работе, позволили создать действующие макеты волоконно-оптического гироскопа класса точности 0,01 град/час и заложили фундамент для дальнейшего повышения чувствительности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Олехнович, Роман Олегович, 2010 год

1. Н. Lefevre. The Fiber-Optic Gyroscope. - Artech House, London, 1992, 314 c.

2. Eric Udd, Sensing and instrumentation applications of the Sagnac fiber optic interferometer // Proc. SPIE Interferometry '94: Interferometric Fiber Sensing, 1994, Vol. 2341, № 52 p. 52-59.

3. PAEJI.402139.000 ТУ. Волоконный датчик вращения ВГххх.

4. В.Листвин, В.Логозинский, Миниатюрные волоконно-оптические датчики вращения: конструкция, технология, характеристики // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес № 8, 2006г.

5. В.Н.Логозинский, Магнитоиндуцированная нефарадеевская невзаимность в волоконно-оптическом гироскопе // РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, Том 51, № 7, 2006.

6. Измерители угловой скорости Электронный ресурс.: ООО Научно-Производственная Компания "Оптолинк". Режим доступа: http://www.optolink.ru/ru/catalog/pl/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., анг.

7. Korkishko Yu.N., Fedorov V.A., Feoktistova O.Y., LiNb03 Optical Waveguide Fabrication by High-Temperature Proton Exchange // J. Lightwave Technology, 2000. Vol.18, p. 562-568.

8. C.I. Reynolds, R. Yholom, M.S. Permutter, Initial production results of a new family of fiber optic gyroscopes // Symposium gyro technology 1997, Stuttgard, Germany.

9. Fiber Optic Gyroscope FOG 200 Электронный ресурс.: Northrop Grumman Corporation. - Режим доступа: http://www.es.northropgrumman.com/solutions/fog200/index.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. анг.

10. Е. Handrich, Н. Hog, at alias, A miniaturized fiber-optic rate sensor, // Symposium gyro technology 2000, Stuttgard, Germany.

11. О. Deppe, G. Dorner, at alias, Fiber optic gyro for inertial accuracy, // Symposium gyro technology 2002, Stuttgard, Germany.

12. G. Dorner, at alias. 15 years LiNb03 based integrated optics facility at LITEF // Symposium gyro technology 2007, Karlsruhe, Germany.

13. K. Wandner, T. Gaiffe, at alias, Low noise fiber optic gyroscope for the Sofia project // Symposium gyro technology 1999, Stuttgard, Germany.

14. F.Harms, at alias. Performance evaluation of the fiber optic gyroscopes integrated into SOFIA telescope assemble // Symposium gyro technology 2009, Karlsruhe, Germany.

15. E. Willemenot, at alias. Very high performance FOG for space use // Symposium gyro technology 2002, Stuttgard.

16. Ixsea Space Электронный ресурс.: IXsea. - Режим доступа: http://www.ixsea.com/en/space, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. анг.

17. Е. Willemenot, at alias. I-FOG technology at industry stage: Murphy 's Law still does not apply // Symposium gyro technology 2004, Stuttgard, Germany.

18. G. A. Sanders, at alias, Fiberoptic gyros for space, marine and aviation applications, Invited Paper // Proceedings SPIE Vol. 2837,1996, p. 61-71.

19. Sudhakar P. Divakaruni, Steve J. Sanders. Fiber Optic Gyros A Compelling Choice for High Precision Applications, OSA/OFS 2006.

20. W. K. Burns, R. P. Moeller, C. A. Villarruel, and M. Abebe. All-fiber gyroscope with polarization-holding fiber // Optics Letters, 1984, Vol. 9, № 12, p. 570-572.

21. Kevin M. Killian, Mark Burmenko, Walter Hollinger, High-performance fiber optic gyroscope with noise reduction // Proc. SPIE Fiber Optic and Laser Sensors XII, 1994, Vol. 2292, № 255, p. 255-263.

22. Herve C. Lefevre. Fundamentals of the Interferometric Fiber-Oplic Gyroscope // OPTICAL REVIEW, 1997. Vol. 4, № 1 A, p. 20-27.

23. Kim H. K., Dangui V., Digonnet Michel, Kino G. Air-Core Photonic-Bandgap Fiber-Optic Gyroscope // Proceedings of the SPIE 17th1061.ternational Conference on Optical Fibre Sensors, 2005, Vol. 5855, p. 198-201.

24. Corning Specialty Materials. Specialty Fiber Электронный ресурс.: Coning. Режим доступа:http://www.corning.com/spccialtymaterials/productscapabilitics/specialty fiber.aspx, свободный. Загл. с экрана. - Яз. анг.

25. Fujikura Ltd. Products. Telecommunication. Optical Devices. Электронный ресурс.: Fujikura. Режим доступа: http://www.fujikura.co.jp/eng/products/tele/odevice/index.html, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. анг., кит., яп.

26. FIBERCORE LIMITED. Электронный ресурс.: Fujikura. Режим доступа: http://www.fibercore.com/, свободный. - Загл. с экрана. — Яз. анг.

27. Paul F. Wysocki, М. J. F. Digonnet, В. Y. Kim, and H. J. Shaw, Characteristics of Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Sources for Interferometric Sensor Applications // Journal of lightwave technology, 1994, VOL. 12, №. 3, p. 550-567.

28. Lon A. Wang, Chun Те Lee, Gia Wei You. Polarized Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Source Utilizing Double-Pass Backward Configuration // Applied Optics, 2005, Vol. 44, № 1, p. 77-82.

29. Fouchet S., Carenco A., Dagaet C., Gugliemi R., Riviere L. Wavelength dispersion of Ti induced refractive index change in LiNb03 as a function pf diffusion parameters // Journal of lightwave technology, 1987, Vol. 5, № 5, p. 700-708.

30. Marcos Antonio Ruggieri Franco, Laurentino C. de Vasconcellosl, Jose Marcio Machado. Coupling Efficiency Between Optical fiber and Ti:LiNb03 channel waveguide // Telecomunicagoes, 2004, Vol. 07, № 01, p. 54-59.

31. Ziling С., Pokrovskii L., at alias. Optical and structural properties of annealed PE:LiNi03 waveguides formed with pyrophosphoric and benzoic acids // Journal of applied physics, 1993, Vol. 73 №. 7, p. 3125-3132.

32. Y.B. Pun, K.K. Loi, S.A. Zhao, P.S. Chung. Experimental studies of proton-exchanged lithium niobate waveguides using cinnamic acid //. Applied Physics Letters, 1991, Vol. 59, № 6, p. 662-664.

33. W. Charczenko, I. Januar, and A. FL Mickelson. Modeling of proton-exchanged and annealed channel waveguides and directional couplers // Journal of applied physics, 1993, Vol. 73, №. 7, p. 3139-3148.

34. Андронова И.А., Г.Б. Малыкнн. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // Успехи физических наук, 2002, том 172, № 8, с. 849-873.

35. Shupe D.M., Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer // Applied Optic, 1980, Vol. 19, № 5, p. 654-655.

36. Kendall L. Belsley, Ronald H. Smith, Thomas L. De Fazio, Exploratory studies of optical fiber gyro coil winding automation // Proc. SPIE, 1994, Vol. 2290, № 388, p. 388-395.

37. Andre Sharon, Stephen Lin. Development of an automated fiber optic winding machine for gyroscope production // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2001, Vol. 17, № 3, p. 223-231.

38. S.B. Poole, J.E.Townsend, D.N. Payne, at alias. Characterization of Special Fiber and Fiber Devices // Journal of lightwave technology, 1989, Vol. 7 №8, p. 1242-1255.

39. US 7068882 (B2), G02B6/32, опубл. 27.06.2006.

40. Kazuo Shirashi, Yoshizo Aizawa, Shojiro Kawakami. Beam expanding fiber using thermal diffusion of the dopand // Journal of lightwave technology, 1990, Vol. 8, № 8, p. 1151-1161.

41. Г. Корн, Т. Корн, Справочник по математике для научных работников и инженеров, пер. с англ. «Наука», М. 1968 г., 720 стр.

42. Joseph W. Goodman, Statistical Optic, John Wiley & Sons, INC, Canada, 2000, pp. 550.

43. Nori Shibata, Akimichi Nakazono, Yoshinori Inoue. Interference Between Two Orthogonally Polarized Modes Traversing a Highly Birefringent Air-Silica Microstructure Fiber // Journal of lightwave technology, 2005, Vol. 23, № 3, p. 1244 1252.

44. Feng Tang, Xiang-zhao Wang, Yimo Zhang, Wencai Jing. Influence of birefringence dispersion on distributed measurement of polarization coupling in birefringent fibers, // Optical Engineering, 2007, Vol 46, № 7, 075006.

45. Hlubina P., Martynkien Т., Urbanczyk W., Dispersion of group and phase modal birefringence in elliptical-core fiber measured by white-light spectral interferometry // Optics Express, 2003, Vol. 11, № 22, p. 27932798.

46. Timo T. Aalto, Mikko Harjanne, Markku Kapulainen. Method for the rotational alignment of polarization-maintaining optical fibers and waveguides // Opt. Eng., 2003, 42 № 10, p 2861-2867.

47. S. L. A. Carrara, B. Y. Kim, and H. J. Shaw. Elasto-optic alignment of birefringent axes in polarization-holding optical fiber // Optics Letters, 1986, Vol. 11, №. 7, p. 470-472.

48. W.H. Cheng, C.H. Hsia, J.C. Lin, H.M. Chen. A simple angular alignment technique for polarization-maintaining-fiber to integrated-optic waveguide with angled interface // Materials Chemistry and Physics, 1997, Vol. 50, № l,p. 88-90.

49. G.R. Walker, N.G. Walker. Alignment of polarisation-maintaining fibres by temperature modulation // Electronics Letters, 1987, Vol. 23, № 13, p. 689-691

50. N. Caponio. C. Svelto. Simple angular alignment technique for a polarization-maintaining-fiber // IEEE Photonics Technology Letters, 1994, Vol. 6, № 6, p. 728-729.

51. A. Ebberg, R. Noe. Novel high precision alignment technique for polarization maintaining fibres using a frequency modulated tunable laser // Electron. Lett., 1990, Vol. 26 № 24, p. 2009-2010.

52. Y. Ida, K. Hayashi, M. Jinno, T. Horii, K. Arai. New method for polarization alignment of birefringent fibre with laser diode // Electron. Lett. 1985, Vol. 21, № 1, p. 18-21.

53. Strigalev V.E., Meshkovsky I.K., Olehnovich R.O., Polarization angle adjustment in fiber optical systems // Proceedings of SCIENCE DAYS 2007, 25-26 09 2007, Leipzig, p. 149-156.

54. Методика испытаний экспериментального образца прибора БИМ-3, ЦНИИ "Электроприбор", 2008-2009.

55. IEEE Std 952-1997. IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros.

56. Протокол Испытаний экспериментального образца прибора БИМ-3 зав. 1.ЦНИИ "Электроприбор", 2009.