Esta dissertacao contem um trabalho desenvolvido para obtencao de um deslocador de frequencias por efeito acusto-optica em fibra optica bimodal, com largura de faixa acústica adequada para aplicacao em giroscopios a fibra optica. Sao estudados e medidos parametros pra projeto do transdutor piezoeletrico em PZT. Sao desenvolvidos um modelo e o programa de calculo da funcao de transferencia do guia de ondas acústicas conico que amplifica as oscilacoes do PZT. E realizado um estudo da largura de faixa acústica do acoplamento entre modos na fibra optica. Sao relatados os resultados de medidas de caracterizacao em termos de largura de faixa acústica e eficiencia de um deslocador de frequencias construido (composto de um transdutor piezoeletrico com PZT, um guiade ondas acústicas conico de aluminio e fibra optica bimodal com nucleo eliptico e secao transversal em D). Neste dispositivo foi conseguido 100% de eficiencia, nas frequencias de 1.6 MHz e 1.8 MHz, largura de faixa de 30 kHz, com 400 mW de potencia eletrica.

A realização de giroscópios interferométricos a fibra óptica de alta performance necessita do emprego de técnicas de redução das instabilidades dos fatores de escala, a fim de manter o erro de medida abaixo da tolerância especificada. No presente trabalho, são estudadas as causas de instabilidade do fator de escala efetivo, e alguns métodos de redução do erro são apresentados. São implementados dois sistemas de estabilização do fator de escala, um baseado na medida direta e outro na medida indireta do espectro da fonte óptica, obtendo-se uma flutuação menor que 200 ppm, com deriva termica de +8,7 ppm/oC em ambos os casos.

Sistemas interferométricos a fibra óptica têm sido largamente empregados como sensores de alta precisão. Este trabalho propõe técnicas que simultaneamente reduzem a deriva e eliminam o desvanecimento do sinal em giroscópio a fibra óptica convencional operando em regime monomodo. A análise teórica do funcionamento do sistema é apresentada, e os resultados experimentais indicam uma redução da deriva por um fator de 103 para uma topologia otimizada do circuito óptico, que leva em conta as características da fonte óptica e da fibra utilizada.

O desafio que incentivou a elaboração desta tese de mestrado foi a necessidade de se expandir a faixa dinâmica de giroscópios a fibra óptica operando em malha aberta. Como ocorre em todo interferômetro, o sinal óptico de saída desse sensor é proporcional ao cosseno da diferença de fase total experimentada por dois feixes de luz que se interferem. Uma modulação de fase óptica não-recíproca normalmente é adicionada de sorte que, após um processamento de sinal adequado, obtenha-se um sinal elétrico proporcional à taxa de rotação (em módulo e em sentido). Este trabalho propõe uma nova técnica de tratamento de sinal, baseada em uma modulação de fase óptica não-recíproca utilizando como sinal modulante a soma de dois sinais senoidais de freqüências de razão 3:1, e em um processamento adequado do sinal óptico de saída, de modo que seja possível percorrer franjas de interferência sem que se incorra em ambigüidades, e ainda preserve a sua resolução em toda a faixa de medidas. A expansão da faixa dinâmica fica limitada apenas pelo comprimento de coerência da fonte de luz utilizada. Pelo fato de se utilizar dois sinais senoidais com freqüências próximas para modular a luz do interferômetro, é possível utilizar-se o tradicional modulador de fase a PZT. Resultados interessantes também surgem quando se procura utilizar a soma de duas ondas quadradas na modulação, sendo necessário neste caso dispor de um modulador eletro-óptico. Foram realizadas análises teóricas, simulações e medidas experimentais a fim de verificar a validade desta nova técnica proposta e os resultados foram bastante satisfatórios, tendo sido possível, num primeiro ensaio, expandir o fundo de escala de um determinado giroscópio a fibra óptica de 10/s para mais de 2000/s.

Apresenta-se neste trabalho os resultados da síntese de filtros digitais para demodular sinais de saída de sensores interferométricos quando estes utilizam modulação de fase óptica. A técnica proposta é baseada nas funções utilizadas para análise de wavelets, muito empregadas para analisar variações localizadas no tempo, redução de ruído e compactação de imagens, mas pouco exploradas na aplicação em sensores inerciais, neste caso em particular, em um Giroscópio a Fibra Óptica (GFO). Para aplicação em sistemas de navegação precisos, um GFO deve ser capaz de medir taxas de rotação muito baixas. Quando se utiliza modulação em fase, esta informação é proporcional à amplitude das harmônicas do sinal, sendo de interesse, principalmente, a primeira e a segunda harmônicas do sinal, onde a amplitude da primeira harmônica, geralmente, é muito menor que a amplitude da segunda. Deste modo, o problema passa a ser medir harmônicas de baixíssima amplitude na presença de outras com amplitude elevada. Técnicas de demodulação analógica em malha aberta (open-loop) são usualmente empregadas, mas estas técnicas são sensíveis às variações de parâmetros ambientais, ruído eletrônico e da precisão dos componentes. Neste trabalho, mostra-se o uso de um filtro digital baseado na função wavelet de Morlet, comparado às técnicas supra-mencionadas, abordando os procedimentos para medir o menor valor de amplitude possível. Os efeitos conjuntos de fatores relevantes, como a presença de harmônicos com amplitudes superiores à amplitude sendo medida, o efeito do ruído de banda estreita, o efeito do erro associado ao processo de quantização e a influência do número finito de amostras tomadas do sinal sob análise foram, à medida do possível, minimizados. Para tal, um estudo foi realizado utilizando modelamento das fontes de erro e o levantamento de resultados por simulação. Ainda para dar suporte ao entendimento destes resultados, desenvolveu-se uma teoria específica, permitindo o estabelecimento de parâmetros ótimos para obter a melhor relação sinal-ruído na demodulação do sinal do sensor. Por último, foram realizados ensaios experimentais utilizando um processador DSP (Digital Signal Processor) de alto desempenho. Neste trabalho, o sinal do GFO foi simulado por um conjunto de equipamentos para que fosse possível prever e configurar todos os parâmetros do sinal, eliminando os erros intrínsecos do GFO, como flutuação do fator de escala e isolando os erros provenientes do processamento daqueles causados pela construção do GFO. O resultado deste estudo descreve as vantagens do processamento proposto, bem como as limitações deste método, apontando as implicações para aplicações em sensores interferométricos, em especial para o GFO.

Apresenta-se um estudo sobre o uso de técnicas de processamento digital de sinais para analisar circuitos ópticos interferométricos de tipo Sagnac e Mach-Zehnder. Os circuitos ópticos investigados utilizam um modulador de fase óptica em um dos seus braços interferométricos o qual proporciona o controle de suas funções de transferências visando aplicações em giroscópio a fibra óptica, GFO, e analisador de circuitos ópticos. No caso do GFO ênfase especial é dedicada à configuração tipo malha aberta com entrada e saída comum e dois tipos de sinais moduladores foram empregados: a modulação harmônica simples e a modulação harmônica secundária. As implicações da escolha de uma destas modulações na largura de faixa do circuito de detecção óptica são investigados. Já no caso do circuito interferom''etrico baseado na configuração de tipo Mach-Zehnder o tipo de modulação empregada é a dente-de-serra uma vez que esta modulação permite realizar a supressão de uma banda espectral lateral do sinal de saída do interferômetro e conseqüentemente permite utilizar este tipo de interferômetro para caracterizar a função de transferência de um dispositivo óptico, isto é, o interferômetro desempenha a função de um analisador de circuitos ópticos. Na aplicação em GFO tem-se como objetivo determinar a variação de fase de um sinal óptico gerada por uma rotação do interferômetro com relação a um referencial inercial. A análise da fase é realizada através da aplicação do algoritmo de divisão de harmônicos ao sinal de saída do interferômetro. Os vários harmônicos necessários neste algoritmo são determinados através da transformada de Fourier do sinal de saída do interferômetro, para este efeito é utilizado o algoritmo de Goertzel. Como o cálculo dos harmônicos é realizado de forma digital o sinal de saída do interferômetro é quantizado e processado digitalmente, desta forma os erros decorrentes da quantização são analisados, utilizando a teoria estatística do processo de quantização. No caso do processamento do sinal quantizado são analisados os erros decorrentes da implementação do algoritmo de Goertzel em aritmética de ponto fixo. O desvio padrão do valor médio da fase foi analisado levando em consideração o ruído shot de natureza quântica e o ruído de quantização inerente ao processamento digital. Os resultados numéricos obtidos por simulações corfirmam que dependendo do número de bits utilizado na quantização o fator limitante na resolução de GFO será o ruído shot de natureza quântica , assim é possível obter GFO em malha aberta com desempenho comparável àquele obtido em configuração tipo malha fechada. O processamento digital também foi utilizado para analisar a amplitude e a fase do sinal óptico na saída do analisador de circuitos ópticos que emprega modulação tipo dente-de-serra. Com este tipo de modulação analisou-se também a influência do ruído shot de natureza quântica e do ruído de quantização em função do número de bits. Os resultados obtidos mostram que o erro de fase cometido utilizando 14 bits na quantização é menor a 0.0039o na fase, e menor a 0.7 10-5 na amplitude apresentando concordância satisfatória com dados disponíveis na literatura.

Este trabalho estuda uma nova técnica para demodulação de sinal de giroscópio a fibra óptica (GFO), baseada nas características da dependência temporal do sinal de saída em relação à velocidade angular. Esta técnica permite transformar o problema de se detectar a diferença de fase de Sagnac, que é proporcional à velocidade de rotação a que é submetido o giroscópio, na medida de diferença de intervalos de tempos determinados pelos pontos de cruzamento de zero do sinal. Um método de demodulação analógica do sinal foi desenvolvido e permitiu a implementação de um circuito demodulador simples e de baixo custo utilizado para equipar o primeiro protótipo de GFO autocontido do Brasil, desenvolvido no Instituto de Estudos Avançados de Centro Técnico Aeroespacial. São apresentados resultados comparativos com a técnica de demodulação usual, que utiliza amplificadores tipo Lock-in, que mostram a capacidade de se medir diferenças de fase de Sagnac menores que 10 mrad, as quais representam rotações menores que 1o/h para o protótipo implementado. São apresentados também resultados de ensaio em vôo realizado em helicóptero da Força Aérea Brasileira que revelam um desempenho superior do GFO em relação ao girômetro mecânico de aferição, pertencente à instrumentação de ensaio da aeronave.

Após anos de pesquisa tornou-se possível construir Giroscópios a Fibra Óptica (GFO) com baixa deriva ("bias drift") e baixo coeficiente de ruído ("random walk"). Melhorias na relação sinal/ruído na detecção podem ser obtidas acoplando-se tanta potência quanto seja possível ao circuito óptico do GFO. O ruído de intensidade da fonte luminosa torna-se o componente majoritário de ruído na detecção quando a potência óptica que atinge o fotodetector é maior que algumas dezenas de microwatts, o que se tornou possível com a utilização de diodos superluminescentes (SLD) mais potentes, fontes luminosas superfluorescentes a fibra (SFS), ou ainda diodos laser multimodo. Este trabalho analisa as causas e experimenta um esquema de processamento de sinal que seja capaz de promover a redução do ruído de intensidade da fonte luminosa em torno da freqüência própria do Giroscópio a Fibra Óptica birrefringente, freqüência esta onde ocorre a demodulação do sinal. Desta forma conseguiu-se obter uma melhoria na relação sinal/ruído de 6,6 dB na detecção através de uma redução de 20,4dB na potência de ruído associada ao ruído de intensidade da fonte luminosa.

Projetos de sensores embarcados para a área aeroespacial freqüentemente são especificados tendo mente restrições de espaço e de consumo de potência, uso em ambiente hostil, e também a disponibilidade e confiabilidade dos componentes para integrar um sistema embarcado. Mais do que isso, a necessidade de serem processadas diversas funções de controle, demodulação/processamento de sinal, monitoração e registro, todas elas em tempo real, pode levar a um conflito com as exigências das severas especificações técnicas. A integração desejada fica normalmente a cargo do computador de bordo ou, para não haver sobrecarga do mesmo, a cargo de subsistemas locais microprocessados. O presente trabalho aborda o problema de gerenciamento de funções que é exigido de um bloco girométrico de três eixos tipo strap-down, usado para determinar a atitude de veículos em vôo, com relação a um referencial fixo na superfície da Terra. E centra no caso particular de girômetros a fibra óptica, que possuem componentes ópticos e a fibra óptica, eletrônica analógica e digital própria, interfaces e mecânica fina de sustentação do conjunto. A relevância de tal dispositivo reside na impossibilidade de se fazer navegação precisa de um veículo por meios inerciais sem um conjunto girométrico de alta precisão. Para isso, o controle dos parâmetros ópticos e eletrônicos em tempo real é vital, e também o é a geração de sinais de modulação para a fase óptica e o posterior processamento de sinal dos fotodetectores, de modo a se extrair a taxa de rotação a que o veículo está sendo submetido na sua trajetória. Além disso, a monitoração e o registro de variáveis vitais permitem cumprir o ciclo de maturação desta tecnologia sensível durante ensaios em vôo. O presente trabalho apresenta o estudo e a implementação de redes de microcontroladores de pequeno tamanho para a execução destas funções, utilizando uma topologia especial para reduzir o tamanho de circuito e dos barramentos, analógico e digital, com o benefício da redundância que tal implementação permite. Para tal, discute-se inicialmente os pontos técnicos importantes de hardware e de programação demonstrando as dificuldades de implementação em um sistema monoprocessado. Posteriormente mostra-se a solução empregada utilizando rede de microcontroladores, descrevendo as tarefas dos seus diversos integrantes, bem como os resultados obtidos. E, por último, são apresentadas as considerações finais sobre o tema abordado nesta tese.