Новая технология, позволяющая создать более точные и компактные навигационные системы для самолетов, беспилотных транспортных средств, а также для наземной и морской навигации.
Исследователи сделали новый важный шаг в улучшении характеристик резонаторных волоконно-оптических гироскопов, типа волоконно-оптического датчика, который определяет вращение, используя только свет. Поскольку гироскопы являются основой большинства навигационных систем, новая работа может однажды внести важные улучшения в эти системы.
«Высокоэффективные гироскопы используются для навигации во многих типах воздушных, наземных, морских и космических приложений», - сказал Глен А. Сандерс, возглавлявший исследовательскую группу из Honeywell International. «Хотя наш гироскоп все еще находится на ранних стадиях разработки, если он достигнет своих полных возможностей, он будет готов стать одним из следующего поколения технологий наведения и навигации, которые не только расширяют границы точности, но и делают это при меньшем размере и вес".
В журнале Оптического общества (OSA) Optics Letters исследователи из Honeywell и Исследовательского центра оптоэлектроники Саутгемптонского университета в Великобритании описывают, как они использовали новый тип оптического волокна с полой сердцевиной, чтобы преодолеть несколько факторов, которые ограничивали предыдущие резонаторные волоконно-оптические гироскопы. Это позволило им улучшить наиболее требовательные требования к стабильности гироскопа в 500 раз по сравнению с ранее опубликованными работами с использованием волокон с полой сердцевиной.
«Мы надеемся, что эти гироскопы будут использоваться в следующем поколении гражданской авиации, автономных транспортных средствах и во многих других приложениях, в которых используются навигационные системы», - сказал Сандерс. «В самом деле, по мере того, как мы повышаем производительность систем наведения и навигации, мы надеемся открыть совершенно новые возможности и приложения».
Ощущение вращения с помощью света.
Резонаторные волоконно-оптические гироскопы используют два лазера, которые проходят через катушку оптического волокна в противоположных направлениях. Концы волокна соединены, образуя оптический резонатор, так что большая часть света рециркулирует и совершает многократные обходы по катушке. Когда катушка находится в состоянии покоя, световые лучи, движущиеся в обоих направлениях, имеют одну и ту же резонансную частоту, но когда катушка вращается, резонансные частоты смещаются относительно друг друга таким образом, что можно использовать для расчета направления движения или ориентации для транспортного средства или устройства, на котором установлен гироскоп.
Компания Honeywell в течение некоторого времени разрабатывала технологию резонаторного волоконно-оптического гироскопа из-за его потенциала для обеспечения высокоточной навигации в устройстве меньшего размера по сравнению с датчиками тока. Однако было сложно определить оптическое волокно, которое могло бы выдерживать даже умеренные уровни мощности лазера при сверхмалой ширине лазерной линии, необходимой для этих гироскопов, не вызывая нелинейных эффектов, ухудшающих характеристики датчика.
«В 2006 году мы предложили использовать оптоволокно с полой сердцевиной для резонаторного волоконно-оптического гироскопа», - сказал Сандерс. «Поскольку эти волокна ограничивают свет в центральной воздушной или газовой пустоте, датчики на их основе не страдают от нелинейных эффектов, присущих датчикам на основе твердых волокон».
Использование еще лучшего волокна.
В новой работе, проведенной Остином Тарантой из Университета Саутгемптона, исследователи хотели увидеть, может ли совершенно новый тип полого волокна с сердцевиной принести еще больше улучшений. Этот новый класс волокон, известных как безузловые антирезонансные волокна (NANF), демонстрирует даже более низкий уровень нелинейных эффектов, чем другие волокна с полой сердцевиной.
NANF также имеют низкое оптическое затухание, что улучшает качество резонатора, поскольку свет сохраняет свою интенсивность на более длинных длинах распространения по волокну. Фактически, эти волокна показали самые низкие потери света среди всех волокон с полой сердцевиной и для многих частей спектра самые низкие потери среди всех оптических волокон.
Для волоконно-оптических гироскопов с резонаторами критически важно, чтобы свет проходил через волокно только одним путем. NANF помогают сделать это возможным за счет устранения оптических ошибок, вызванных обратным рассеянием, поляризационной связью и модальными примесями, которые являются потенциальными источниками ошибок или дополнительных шумов в гироскопе. Их устранение устраняет наиболее существенные ограничения производительности для других волоконных технологий.
«Хотя основой этого датчика является оптическое волокно нового типа, мы также работали над значительным снижением шума при измерении резонансной частоты с беспрецедентной точностью», - сказал Сандерс. «Это имело решающее значение для повышения производительности и перехода к миниатюризации сенсора».
Достижение долгосрочной стабильности
Исследователи Honeywell провели лабораторные исследования, чтобы охарактеризовать характеристики нового волоконно-оптического гироскопического датчика в условиях стабильного вращения, то есть только при наличии вращения Земли. Это устанавливает «стабильность смещения» прибора. Для устранения помех и помех в оптической установке в свободном пространстве гироскоп был установлен на устойчивой статической опоре. Включив NANF, исследователи смогли продемонстрировать долгосрочную стабильность смещения 0,05 градуса в час, что близко к уровням, необходимым для навигации гражданских самолетов.
«Демонстрируя высокие характеристики NANF в этой чрезвычайно сложной области применения, мы надеемся продемонстрировать исключительную перспективу использования этих волокон в других точных научных резонансных резонаторах», - сказал Таранта. Сейчас исследователи работают над созданием прототипа гироскопа с более компактной и стабильной конфигурацией. Они также планируют использовать NANF последнего поколения, которые демонстрируют четырехкратное улучшение оптических потерь, а также значительно улучшенную модальную и поляризационную чистоту.
Письма об оптике
Optics Letters предлагает быстрое распространение новых результатов во всех областях оптики с короткими, оригинальными, рецензируемыми сообщениями. Optics Letters принимает статьи, которые заслуживают внимания значительной части оптического сообщества. Издано Оптическим обществом под руководством главного редактора Мигеля Алонсо, Institut Fresnel, École Centrale de Marseille и Aix-Marseille Université, Франция, Университет Рочестера, США. Письма об оптике доступны в Интернете на сайте OSA Publishing.
Об оптическом обществе
Оптическое общество (OSA), основанное в 1916 году, является ведущей профессиональной организацией для ученых, инженеров, студентов и руководителей предприятий, которые способствуют открытиям, формируют реальные приложения и ускоряют достижения в науке о свете. Посредством всемирно известных публикаций, встреч и членских инициатив OSA обеспечивает качественные исследования, вдохновляющие взаимодействия и специальные ресурсы для своей обширной глобальной сети экспертов по оптике и фотонике.