閱讀 | 訂閱
閱讀 | 訂閱
學(xué)術(shù)論文

雷射光纖陀螺儀之前世今生

來源:激光制造商情2017-10-25 我要評論(0 )   

林主恩助理教授 (國立勤益科技大學(xué) 機械工程學(xué)系)隨著科技走向,人們對于機械控制及航天工業(yè)的話題又逐漸火熱了起來,例如:臺灣

 林主恩 助理教授 (國立勤益科技大學(xué) 機械工程學(xué)系)

 

隨著科技走向,人們對于機械控制及航天工業(yè)的話題又逐漸火熱了起來,例如:臺灣福衛(wèi)五號衛(wèi)星的發(fā)射以及北朝鮮飛彈相關(guān)議題,也成為國際間討論的議題。然而,航天工業(yè)的進展,亦是一種國力的表現(xiàn)。而今天要大家討論的是一個在機械以及光電產(chǎn)業(yè)中較為冷僻但是卻在航天工業(yè)扮演相當重要角色的題目- 雷射光纖陀螺儀。


     1817年,德國蒂賓根大學(xué)(University of Tübingen)的教授Johann Bohnenberger發(fā)表了史上第一個機械式陀螺儀,開啟了船舶導(dǎo)航的新紀元,,有別于過去的六分儀(利用星星以及太陽定位)以及指南針(利用地磁定位),人們對于船位以及航行方向可以有更精準的定位,大大增加了航行的可靠度以及安全性。圖一為建造于1914年,2010年以前號稱海上最大福音書城,當時被金氏世界紀錄認可為最老的運作中郵輪–忠仆號其導(dǎo)航之設(shè)備。

  

圖一、忠仆號其導(dǎo)航之設(shè)備。 

經(jīng)過人們對于光學(xué)以及物理學(xué)了解之后,1913年,法國物理學(xué)家Georges Sagnac提出了環(huán)形干涉儀的概念,利用左旋和右旋光線其光程差的不同,而得到位置的相關(guān)信息,相較于機械式陀螺儀,人們可以更精確的掌握船只自身的方位。然而,當時Sagnac的干涉儀體積過于龐大(圖二),對于實際應(yīng)用而言,我們還需要將其積體化。

圖二、Sagnac實驗之架構(gòu)圖[1] 

一般而言,現(xiàn)代之光學(xué)陀螺儀可以分成環(huán)形雷射陀螺儀[2][3]、干涉式光纖陀螺儀 (I-FOGs)[4][5]、共振腔式光纖陀螺儀 (R-FOGs)[6][7],以及光子晶體陀螺儀[8][9]四部分。環(huán)形雷射陀螺儀系由一個在相同光程下具兩個相反傳播方向的環(huán)形雷射組成。雖然環(huán)形雷射陀螺儀在量測上具有高靈敏度,但卻因為體積太大,很難使用于實際應(yīng)用上;此外,縮小環(huán)形雷射陀螺儀的體積也很困難[10][11]。而干涉式光纖陀螺儀(I-FOGs)是另一種使用光纖以增強Sagnac效應(yīng)的環(huán)形干涉儀,被廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航上。當I-FOGs使用于導(dǎo)航時,需用到長度1-2公里的長程光纖,然而,長光纖會因溫度變化,而造成訊號飄移,這會降低光纖陀螺儀的性能表現(xiàn) [6][12]。共振腔式陀螺儀(R-FOGs)是另一種利用被動式的環(huán)形共振腔用以取代主動式共振腔的陀螺儀。由于R-FOGs具有共振腔,所以其所需使用的光纖長度較I-FOGs短,R-FOGs的光纖長度通常只需要5-10公尺[7]。將R-FOGs與I-FOGs相比,可以發(fā)現(xiàn)前者所需使用的光纖數(shù)較少,且整體重量也較后者來得輕。隨著科技的逐年進步,光子晶體現(xiàn)已應(yīng)用在陀螺儀上,B. Z. Steinberg以光子晶體為一可增強Sagnac相位的微小共振腔,光子晶體陀螺儀具有成為積體化組件的潛力[9]。然而,雖然R-FOGs與光子晶體陀螺儀具有縮小陀螺儀尺寸的潛力在,但它們的制程成本卻不低;另一方面,現(xiàn)代的光纖陀螺儀多采用可維持極化態(tài)的光纖(PMFs) ,使用這種光纖會使制造成本提高。


為此,結(jié)合光學(xué)外差干涉技術(shù)之雷射光纖陀螺儀即應(yīng)運而生,我們研發(fā)了一外差振幅調(diào)制光纖陀螺儀,用以進行全動態(tài)偵測與利用較為便宜的單模光纖(SMFs)實現(xiàn)共光程架構(gòu)。在此外差干涉陀螺儀的研究中,我們可以消除了SMFs造成的極化旋轉(zhuǎn)角,且使用SMFs可以節(jié)省成本;此外,由于這種光學(xué)設(shè)置具有使體積縮小的優(yōu)點,所以可以應(yīng)用在實際上。

圖三、全動態(tài)范圍共光程外差平衡偵測式陀螺儀之光學(xué)架構(gòu) 

我們假設(shè)噪聲比為10-6,雷射波長為1550奈米,SMF長度為250公尺,而環(huán)形光纖的半徑是3.5公分。在此條件下,陀螺儀的零偏穩(wěn)定度[注一]為0.872 deg/hr,我們可視具有此量級的陀螺儀為戰(zhàn)術(shù)級 (tactical grade)[注二][20]。和傳統(tǒng)型態(tài)的光纖陀螺儀相比,我們所需的光纖長度只需原來的1/4,相同的重量也會是傳統(tǒng)光纖陀螺儀的1/4,這意味著,利用此新型陀螺儀,我們可以有更多的空間酬載更多的設(shè)備在現(xiàn)今的航空器中。

此外差光纖陀螺儀可以提供全動態(tài)范圍的共光程架構(gòu)和Sagnac相位量測,而和傳統(tǒng)的光纖陀螺儀相比,我們是第一個提出全動態(tài)范圍外差光纖陀螺儀的團隊。其中,共光程架構(gòu)的特點可以改善傳統(tǒng)外差式I-FOGs的缺點[19],我們在計算中,SMFs造成的極化旋轉(zhuǎn)和共同噪聲可以被消除。然而,在SMF總光旋轉(zhuǎn)角為90?的情況下,通過SMF的雷射光會完全回到雷射源,這種情形會降低光學(xué)陀螺儀的信噪比,所以SMF的長度必須特別考慮;此外,為了校準相位,我們也必須量測得到入射偏振態(tài)的橢圓率;另外,SMFs的拍頻長度(beat length)也是重要的參數(shù)。一般而言,SMF的拍頻長度(beat length)的量級在公分等級,這表示光纖長度精準度的量級必須在公分以下。

在實際應(yīng)用上,這個共光程外差平衡感測光纖陀螺儀可以被設(shè)計在芯片上;另一方面,使用SMFs也可以有效降低實驗成本。如圖二所示,我們將積體光學(xué)極化旋轉(zhuǎn)器[21]、偏振片[22]和偏振分光器[23]結(jié)合在沿Z傳播的Y切向鋰酸鈮晶體上,以建立一芯片式的雙頻外差光纖陀螺儀。由于SMFs具有短的拍頻長度(beat length),為了控制為一定值,所以必須特別注意SMFs的裝置過程與溫度控制。我們也可預(yù)期將我們的概念與高質(zhì)量因子的共振腔兩者結(jié)合,可以制作出一外差式R-FOG[24],這類的外差式R-FOG具有重量輕、低成本,以及高性能導(dǎo)航工具的潛力。

展望未來,隨著人類對于太空探索以及國防產(chǎn)業(yè)的需求也越來越高,未來在航天議題的產(chǎn)業(yè)也隨之熱絡(luò)起來。希望在此波議題的帶領(lǐng)下,能有更多的廠商進入相關(guān)航天及國防產(chǎn)業(yè)的議題,提升技術(shù)能量。 

參考數(shù)據(jù)

[1]  略

[2]   S. Ezekiel and S. R. Balsamo, “Passive ring resonator laser gyroscope,” Appl. Phys. Lett. 30, pp. 478-480, 1977.

[3]   W. W. Chow, J. Gea-Banacloche, and L. M. Pedrotti, V. E. Sanders, W. Schleich, and M. O. Scully, “The ring laser gyro,” Rev. Mod. Phys. 57, pp. 61-103, 1985.

[4]   H. C. Lefèvre, “Fundamentals of the interferometric fiber-optic gyroscope,” Opt. Rev. 4, pp. 20-27, 1997.

[5]   V. Vail and R. W. Shorthill, “Fiber ring interferometer,” Appl. Opt. 15, pp. 1099-1100, 1976.

[6]   Z. H. Xie, Z.A. Jiang, S. S. Jian, and W. B. Tao, “Theoretical study on resonance characteristics of fiber optic ring resonator in fiber-optical ring resonator gyroscope,” Proc. SPIE 3552, pp. 267-271, 1998.

[7]   X. L. Zhang, H. L. Ma, Z. H. Jin, and C. Ding, “Open-loop operation experiments in a resonator ?ber-optic gyro using the phase modulation spectroscopy technique,” Appl. Opt. 45, pp. 7961-7965, 2006.

[8]   B. Z. Steinberg, “Rotating photonic crystals: A medium for compact optical gyroscopes,” Phys. Rev. E. 71, 056621, 2005.

[9]   B. Z. Steinberg and A. Boag, “Aplitting of microcavity degenerate modes in rotating photonic crystals - the miniature optical gyroscopes,” J. Opt. Soc. Am. B. 24, pp. 142-151, 2007.

[10] F. Zarinetchi, S. P. Smith, and S. Ezekiel, “Simulated Brillouin fiber-optic laser gyroscope,” Opt. Lett. 15, pp. 229-231, 1991.

[11] J. Killpatrick, “The laser gyro,” IEEE Spectrum 4, pp. 44-54, 1967.

[12] K. Hotate, and M. Harumoto, “Resonator fiber optic gyro using digital serrodyne modulation,” J. Lightwave Technol. 15, pp. 466-473, 1997.

[13] S. M. F. Nee, C. J. Yu, J. S. Wu, and H. S. Huang, C. E. Lin, and C. Chou, “Heterodyne linear polarization modulation ellipsometer,” Opt. Express 16, pp. 4286-4295, 2008.

[14] C. Koch, “Measurement of ultrasonic pressure by heterodyne interferometry with a fiber-tip sensor,” Appl. Opt. 38, pp. 2812-2819, 1999.

[15] B. Sepulveda, A. Calle, L. M. Lechuga, and G. Armelles, “Highly sensitive detection of biomolecules with the magneto-optic surface-pasmon-resonance sensor,” Opt. Lett. 31, pp.1085-1087, 2006.

[16] K. Hotate, N. Okuma, M. Higashiguchi, and N. Niwa, “Rotation detection by optical heterodyne fiber gyro with frequency output,” Opt. Lett. 7, pp. 331-333, 1982.

[17] A. D. Kersey, A. C. Lewin, and D. A. Jackson, “Pseudo-heterodyne detection scheme for the fiber gyroscope,” Electron. Lett. 20, pp. 368-370, 1984.

[18] H. Koseki and Y. Ohtsuka, “Fiber-optic heterodyne gyroscope using two optical beams with orthogonally polarized components,” Opt. Lett. 13, pp. 785-787, 1988.

[19] H. Lefevre, The fiber-optic gyroscope, Artech House, Inc., Chap. 10, pp. 147-157, 1993.

[20] K. Kai, W. Zhang, W. Chen, K. Li, F. Dai, F. Cui, X. Wu, G. Ma and Q. Xiao, “The development of micro-gyroscope technology,” J. Micromech. Microeng. 19, 113001, 2009.

[21] A. V. Tsarev, “New compact polarization rotator in anisotropic LiNbO3 graded-index waveguide,” Opt. Exp. 16, pp. 1653-1658, 2008.

[22] T. Findakly, B. Chen, and D. Booher, “Single-mode integrated-optical polarizers in LiNbO3 and glass waveguide,” Opt. Lett. 8, pp. 641-643, 1983.

[23] K. G. Han, S. Kim, D. H. kim, J. C. Jo, and S. S. Choi, “Ti:LiNbO3 polarization splitters using an asymmetric branching waveguide,” Opt. Lett. 16, pp. 1086-1088, 1991.

[24] W. Y. Chiu, T. W. Huang, Y. H. Wu, Y. J. Chan, C. H. Hou, H. T. Chien, C. C. Chen, “A photonic crystal ring resonator formed by SOI nano-rods,” Opt. Exp. 15, pp. 15500-15506, 2007.

 

[注一]:零偏穩(wěn)定度是當一個雷射光纖陀螺儀在靜止時量到的相位,理論上應(yīng)該要為零,但實際上由于電子噪聲等因素,造成儀器會讀到相位值。所以我們在評估相關(guān)雷射光纖陀螺儀的性能時,零偏穩(wěn)定度是一個相當重要的指針,其單位為deg/hr(簡而言之,就是一小時之內(nèi),相位漂移多少度)。

 

[注二]:根據(jù)零偏穩(wěn)定度的大小,一般而言,我們可分為導(dǎo)航級、戰(zhàn)略級以及慣性級三種陀螺儀。

轉(zhuǎn)載請注明出處。

雷射光纖陀螺儀
免責聲明

① 凡本網(wǎng)未注明其他出處的作品,版權(quán)均屬于激光制造網(wǎng),未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用。獲本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使 用,并注明"來源:激光制造網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)責任。
② 凡本網(wǎng)注明其他來源的作品及圖片,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀點和對其真實性負責,版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。
③ 任何單位或個人認為本網(wǎng)內(nèi)容可能涉嫌侵犯其合法權(quán)益,請及時向本網(wǎng)提出書面權(quán)利通知,并提供身份證明、權(quán)屬證明、具體鏈接(URL)及詳細侵權(quán)情況證明。本網(wǎng)在收到上述法律文件后,將會依法盡快移除相關(guān)涉嫌侵權(quán)的內(nèi)容。

網(wǎng)友點評
0相關(guān)評論
精彩導(dǎo)讀