Интерферометрический волоконно-оптический гироскоп с воздушной сердцевиной, антирезонансным эффектом и повышенной термостабильностью навигационного класса

Новый рубеж для волоконно‑оптических гироскопов

Международная группа исследователей из Тяньзинской лаборатории ключевых квантовых технологий и Тяньзинского научно-исследовательского института навигационных приборов представила первый в мире волоконно оптический гироскоп с воздушной сердцевиной навигационного класса, основанный на интерферометрической схеме и новой полой волоконной технологии tDNANF (truncated Double Nested Antiresonant Nodeless Fiber). Это решение демонстрирует рекордно низкий шум и беспрецедентную термостабильность, открывая путь к следующему поколению инерциальных систем с повышенной точностью и устойчивостью к внешним воздействиям.

Основная суть (TL;DR)

Классический ВОГ использует сплошное кварцевое волокно с сохранением поляризации (типа Панда или Эллипс) и принцип интерферометра Саньяка. Основные ограничения таких систем: температурные и механические напряжения, эффект Фарадея, нелинейность Керра, Рэлеевское рассеяние и чувствительность к радиации. Эти факторы особенно критичны для навигационных гироскопов с волоконными контурами километровой длины, где малые эффекты на метр суммируются в заметный дрейф.

• чувствительность к магнитному полю более чем в 20 раз
• нелинейные эффекты Керра – более чем в 170 раз
• термочувствительность и радиационную деградацию по сравнению с традиционными волокнами

Рисунок 1 – Ключевые метрики (желтые ромбы) волоконно-оптического гироскопа, оцененные по трем аспектам производительности (обозначенным синим, красным и зеленым цветами соответственно).

Ключевые технологические нововведения

Рисунок 2 – Моделирование с помощью метода конечных элементов поляризационных свойств трех антирезонансных волокон (ARF).
A. Поперечные сечения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, четырех-, пяти- и шести- трубного антирезонансного волокна
B. Моделируемое фазовое двулучепреломление (B_p) и смещения главной оси (Δθ_A, по отношению к 1545 нм) без изгиба и в диапазоне длин волн 1510–1580 нм.
C. Моделированные B_p и Δθ_A четырехтрубного tDNANF и пятитрубного NANF в зависимости от длины волны (λ) и направления изгиба волокна (β) при R_b = 6 см. Δθ_A определяются как угловые смещения от направлений главной оси при 1545 нм. Красная стрелка на панели a изображает направление изгиба от волокна к центру кривизны.

2. Симметричная квадрупольная намотка и жёсткая катушка

Волоконный контур длиной 469 м произведен методом квадрупольной намотки, что компенсирует линейные неоднородности и снижает влияние временных температурных градиентов (эффекты Шупе и Мора).
Дополнительно используется конструкция с увеличенной жёсткостью: эффективная механическая жёсткость tDNANF в контуре примерно в 7 раз выше, чем у традиционного PMF, что ещё сильнее уменьшает термоупругие дрейфы.

Рисунок 3 – Статические характеристики гироскопа на tDNANF. А. Конструкция интерферометрического волоконно-оптического гироскопа (IFOG). EDF – эрбиевое волокно, LD – лазерный диод 980 нм, WDM – мультиплексор с разделением по длине волны 980/1550 нм, FR – отражатель 1550 нм, GFF – фильтр сглаживания усиления, ISO – волоконно-оптический изолятор, PMFC – волоконный разветвитель с сохранением поляризации, MIOC – многофункциональный интегрально-оптический чип, PD – фотодетектор.
Вставка 1: Выходной спектр источника усиленной спонтанной эмиссии (ASE).
Вставка 2: Фотографии волоконной катушки и MIOC с двумя выходными портами, соединенными с волоконной катушкой в свободном пространстве.
Вставка 3: Фотография конца волокна, соединенного с микролинзой.
B. Статическое считывание скорости вращения с гироскопа, отображающее результаты за средними временными интервалами 1 с, 100 с и 1000 с, а также отклонение Аллана данных. BI – нестабильность смещения, ARW – случайное блуждание угла.
C. Измеренный шум ARW в сравнении с обнаруженной мощностью для гироскопа по сравнению с теоретически рассчитанным шумом отдельных источников.

Достигнутые характеристики – уровень навигационного класса

В режиме статических измерений вращения Земли (около 9,47 °/ч на широте эксперимента) гироскоп показал:

• угловой случайный дрейф (ARW): 0,00383 °/√ч;
• нестабильность нуля (BI): 0,0017 °/ч;
• кратковременная стабильность смещения (100 с): 0,023 °/ч.

Радикальное снижение термочувствительности

Один из главных практических итогов работы – подтверждённое снижение тепловой чувствительности примерно в 7–11 раз по сравнению с классическим PMF‑гироскопом того же размера.

• Измеренная константа Шупе для 10‑метрового участка tDNANF составляет 0,52 ppm/°C, что в 14,4 раза меньше, чем у контрольного PMF (7,5 ppm/°C).
• При ступенчатых температурных циклах от –40 до +60 °C и скоростях изменения 0,2–5 °C/мин максимальный температурный дрейф скорости вращения составлял от 0,0013 до 0,0353 °/ч для tDNANF‑гироскопа против 0,071 °/ч у PMF‑аналогa при 1 °C/мин.
• Итоговая термочувствительность: ~1,0–1,6×10⁻⁴ °/(ч·°C) у тDNANF, что даёт выигрыш 9,24–10,68–6,82 раза в разных диапазонах температур.

Рисунок 4 – Температурная стабильность гироскопа на волокне tDNANF по сравнению с обычным волоконно-оптическим гироскопом на волокне PMF

Итог

Авторы статьи продемонстрировали, что разработанный гироскоп на четырёхтрубном антирезонансном волокне с воздушной сердцевиной (tDNANF) впервые выводит технологию распространения излучения по воздушной сердцевине на уровень навигационного класса: при длине катушки 469 м он достигает углового случайного дрейфа 0,00383 °/√ч и нестабильности нуля 0,0017 °/ч, одновременно обеспечивая примерно десятикратное снижение тепловой чувствительности по сравнению с классическим гироскопом на PMF того же размера, что подтверждает реальную готовность полых волокон к использованию в высокоточных инерциальных системах нового поколения.

Использованные источники

Автор адаптированной статьи: Комиссаров Михаил, ведущий инженер по применению

Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.