RU2512599C1

RU2512599C1 - Method of improving accuracy of closed-loop fibre-optic gyroscope

Info

Publication number: RU2512599C1
Application number: RU2012145075/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Курбатов; Роман Александрович Курбатов
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-04-10

Abstract

FIELD: physics, optics.

SUBSTANCE: invention relates to fibre optics and can be used in designing fibre-optic gyroscopes and other interferometric physical quantity sensors using single-mode light guides. High accuracy of the fibre-optic gyroscope is achieved by improving stability of the scaling factor. Stability of the scaling factor is achieved by setting up a second feedback loop which increases control speed to achieve stability thereof when the fibre-optic gyroscope is exposed to external destabilising factors.

EFFECT: high accuracy of fibre-optic gyroscopes.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in the design of fiber-optic gyroscopes and other sensors of physical quantities based on single-mode optical fibers.

Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе волоконный кольцевой интерферометр (ВКИ) и электронный блок обработки информации. ВКИ содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности излучения, интегрально-оптическую схему (далее по тексту - ИОС), многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. ИОС содержит в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. К выходным канальным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов чувствительной катушки гироскопа.The fiber optic gyroscope (hereinafter referred to as FOG) contains a fiber ring interferometer (FRI) and an electronic information processing unit. The FRI contains a source of optical radiation, a fiber divider of radiation power, an integrated optical circuit (hereinafter - IOS), a multi-turn sensitive coil and a photodetector. IOS contains in its composition a Y-divider of the power of optical radiation based on polarizing channel waveguides and a phase modulator located on the output arms of the Y-divider. Channel waveguides of the Y-divider are formed in a lithium niobate substrate using proton-exchange technology, which allows the waveguides to acquire polarizing properties. To the output channel waveguides of the Y-divider, the ends of the optical fibers of the sensitive gyro coil are docked.

На фотоприемнике ВКИ наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:An interference pattern is formed on the FRI photodetector, formed by two optical beams that have passed the sensitive coil of the gyroscope in two mutually opposite directions. When the ring interferometer rotates between these two beams, due to the Sagnac effect, a phase difference arises, which is expressed as follows:

ϕ_s=[4πRL/λc]×Ωϕ _s = [4πRL / λc] × Ω

где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;where R is the radius of the sensitive coil of the gyroscope;

L - длина световода катушки;L is the fiber length of the coil;

λ - центральная длина волны излучения источника;λ is the central wavelength of the radiation source;

с - скорость света в вакууме;c is the speed of light in vacuum;

Ω - угловая скорость вращения гироскопа.Ω is the angular velocity of rotation of the gyroscope.

Таким образом, на фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в виде:Thus, the optical radiation power at the photodetector can be represented as:

Р_Ф=1/2Р₀(1+cosϕ_s)F _F = 1 / 2P ₀ (1 + cosφ _s)

где Р₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.where P ₀ is the power of the rays interfering at the photodetector.

Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание составляет величину:To increase the sensitivity of VOG near zero angular velocities, auxiliary phase modulation is used. To achieve the effect of phase modulation of rays in a ring interferometer using a phase-modulated IOS, the time delay of the fronts of rays interfering on the photodetector is used when passing through the phase modulator of the IOS. This time lag amounts to:

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.where n ₀ is the refractive index of the material of the fiber of the sensitive coil.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения, следующих с частотой 1/2τ, ток фотоприемника можно представить в виде:When applying voltage pulses to the phase modulator that follow with a frequency of 1 / 2τ, the photodetector current can be represented as:

I_ф=Р₀η_ф[1+cosϕ_m·cosϕ_s±sinϕ_m·sinϕ_s],I _f = P ₀ η _f [1 + cosϕ _m · cosϕ _s ± sinϕ _m · sinϕ _s ],

где η_ф - токовая чувствительность фотоприемника;where η _f is the current sensitivity of the photodetector;

ϕ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.ϕ _m is the amplitude of the auxiliary phase modulation.

Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в оптоэлектронной схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз лучей, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее разность фаз Саньяка пилообразное ступенчатое напряжение [1]. В результате выражение для мощности оптических лучей на фотоприемника приобретает следующий вид:To ensure a large dynamic range of measuring angular velocities and to obtain a high linearity of the FOG output characteristic in the optoelectronic information processing circuit, the so-called compensation method for reading the phase difference of the rays is used, the essence of which is that a compensating phase difference is supplied to the phase modulator along with the voltage of the auxiliary phase modulation Sagnac sawtooth step voltage [1]. As a result, the expression for the power of optical rays at the photodetector takes the following form:

I_ф=Р₀η_ф{1+cosϕ_m·cos[ϕ_s-φ_К]±sinϕ_m·sin[ϕ_s-ϕ_к]}I _f = P ₀ η _f {1 + cosϕ _m · cos [ϕ _s -φ _K ] ± sinϕ _m · sin [ϕ _s -ϕ _k ]}

где φ_К - сдвиг фаз, вносимый пилообразным напряжением для компенсации разности фаз Саньяка.where φ _K is the phase shift introduced by the sawtooth voltage to compensate for the Sagnac phase difference.

Учитывая, что в режиме компенсации ϕ_s-φ_к≈0, тогда ток фотоприемника можно представить в виде:Given that in the compensation mode ϕ _s -φ _to ≈0, then the photodetector current can be represented in the form:

I_ф=Р₀η_ф{1+cosϕ_m±sinϕ_m·sin[ϕ_s-φ_к]}I _f = P ₀ η _f {1 + cosϕ _m ± sinϕ _m · sin [ϕ _s -φ _к ]}

Точность ВОГ определяется также и стабильностью масштабного коэффициента. Для выходного сигнала гироскопа, работающего по компенсационной схеме в режиме замкнутой петли обратной связи, справедливо следующее соотношение [1]:The accuracy of the FOG is also determined by the stability of the scale factor. For the output signal of the gyroscope operating according to the compensation scheme in the closed feedback loop mode, the following relation is valid [1]:

$f_{n} (t) = \frac{4 π R L}{λ c} \cdot \frac{1}{η U_{П} τ_{c m}} Ω (t),$

f_{n} (t) = \frac{four π R L}{λ c} \cdot \frac{one}{η U_{P} τ_{c m}} Ω (t),

где f_n(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;where f _n (t) is the frequency of the compensating phase saw;

Ω(t) - угловая скорость вращения гироскопа;Ω (t) is the angular velocity of rotation of the gyroscope;

η - эффективность фазового модулятора;η is the phase modulator efficiency;

U_П - амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения;U _P - the amplitude of the sawtooth step voltage;

τ_cm - длительность ступеньки пилообразного напряжения.τ _cm is the duration of the sawtooth step.

Из этого выражения следует, что масштабным коэффициентом ВОГ в этом случае является величина:From this expression it follows that the scale factor of VOG in this case is the value:

МК=4πRL/(λc×ηU_пτ_ст)MK = 4πRL / (λc × ηU _p τ _st )

Если выбрать τ_cm=τ и обеспечить ηU_П=2π, то выражение для масштабного коэффициента гироскопа приобретает следующий вид:If we choose τ _cm = τ and provide ηU _П = 2π, then the expression for the scale factor of the gyroscope takes the following form:

МК=2R/λn₀ MK = 2R / λn ₀

По порядку величины на стабильность масштабного коэффициента наибольшее влияние оказывает величина ηU_П из-за большой нестабильности эффективности η фазового модулятора. Поэтому с целью стабилизации этой величины, а в конечном счете, и стабилизации масштабного коэффициента в схеме обработки информации с замкнутой петлей обратной связи по измерению угловой скорости проводят регулировку амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения с целью стабилизации величины U_Пη на уровне 2π радиан при любых изменениях эффективности фазового модулятора η [1]. При сбросе пилообразного ступенчатого напряжения со своего максимального значения до минимального при невыполнении условия U_пη=2π радиан, на фотоприемнике образуется на время τ паразитный оптический импульс, который дестабилизирует работу электронной схемы. С помощью электронной схемы этот импульс выделяется и затем путем изменения амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения устраняется.In order of magnitude, the stability of the scale factor is most affected by ηU _П due to the large instability of the efficiency η of the phase modulator. Therefore, in order to stabilize this value, and ultimately stabilize the scale factor in the information processing circuit with a closed feedback loop for measuring the angular velocity, the amplitude of the sawtooth step voltage is adjusted to stabilize the value of U _П η at 2π radians with any changes in efficiency phase modulator η [1]. When the sawtooth step voltage is reset from its maximum value to the minimum when the condition is not met, U _p η = 2π radians, a parasitic optical pulse is generated at the photodetector for a time τ, which destabilizes the operation of the electronic circuit. Using an electronic circuit, this pulse is extracted and then eliminated by changing the amplitude of the sawtooth step voltage.

Недостатком известного способа поддержки сброса максимального значения пилообразного напряжения до своего минимального значения с обеспечением разности фаз лучей, равной U_пη=2π радиан, что является условием стабилизации масштабного коэффициента ВОГ, является то, что моменты времени появления паразитных импульсов на фотоприемнике зависят от угловой скорости. При малых угловых скоростях время развертки пилообразного ступенчатого напряжения достаточно большое. Таким образом, временной отрезок между появлениями паразитных импульсов является также достаточно большим и поэтому это может привести к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ на длительное время.A disadvantage of the known method of supporting the reset of the maximum value of the sawtooth voltage to its minimum value with a phase difference of rays equal to U _p η = 2π radians, which is a condition for stabilization of the FOG scale factor, is that the times of occurrence of spurious pulses on the photodetector depend on the angular velocity . At low angular velocities, the sweep time of the sawtooth step voltage is quite large. Thus, the time interval between the occurrence of spurious pulses is also quite large, and therefore this can lead to instability of the FOG scale factor for a long time.

Целью настоящего изобретения является повышение точности ВОГ.The aim of the present invention is to improve the accuracy of VOG.

Указанная цель достигается тем, что для регулирования разности фаз между лучами кольцевого интерферометра при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения формируют на фотоприемнике сигнал рассогласования с помощью вспомогательной фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра, разность фаз которых представляет собой периодическую импульсную последовательность с амплитудами ±[π±Δ] радиан, причем Δ=π/2ⁿ, где n=1, 2, 3…, при этом разность фаз лучей кольцевого интерферометра при сбросе максимального значения пилообразного ступенчатого напряжения до своего минимального значения обеспечивают с помощью второго контура обратной связи, в состав которого входят дополнительный демодулятор сигнала рассогласования и регулятор амплитуды импульсов вспомогательной фазовой модуляции, с помощью которого обеспечивают отсутствие сигнала рассогласования на выходе дополнительного демодулятора, причем амплитуду ступенчатого пилообразного напряжения определяют по величине напряжения вспомогательной фазовой модуляции при отсутствии сигнала рассогласования на выходе дополнительного демодулятора путем ее масштабирования.This goal is achieved by the fact that to regulate the phase difference between the rays of the ring interferometer when the stepped sawtooth voltage is reset, a mismatch signal is generated on the photodetector using auxiliary phase modulation of the rays of the ring interferometer, the phase difference of which is a periodic pulse sequence with amplitudes ± [π ± Δ] rad and Δ = π / 2 ⁿ , where n = 1, 2, 3 ..., while the phase difference of the rays of the ring interferometer when resetting the maximum sawtooth value in steps voltage to its minimum value is provided using the second feedback loop, which includes an additional demodulator of the error signal and the pulse amplitude regulator of the auxiliary phase modulation, with which they ensure the absence of the error signal at the output of the additional demodulator, and the amplitude of the step-like sawtooth voltage is determined by auxiliary phase modulation voltage in the absence of an error signal at the output real demodulator by scaling it.

Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается путем повышения стабильности масштабного коэффициента. Стабильность масштабного коэффициента достигается за счет организации второго контура обратной связи, который повышает быстродействие регулирования для достижения его стабильности при воздействии на волоконно-оптический гироскоп внешних дестабилизирующих факторов.Improving the accuracy of a fiber-optic gyroscope is achieved by increasing the stability of the scale factor. The stability of the scale factor is achieved by organizing a second feedback loop, which increases the speed of regulation to achieve its stability when exposed to external destabilizing factors on the fiber-optic gyroscope.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг.1 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа с закрытым контуром. На Фиг.2 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа с контуром обратной связи для стабилизации амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. На Фиг.3 приведены напряжение вспомогательной фазовой модуляции и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования волоконно-оптического гироскопа.Figure 1 shows the structural diagram of a fiber optic gyro with a closed loop. Figure 2 shows the structural diagram of a fiber optic gyroscope with a feedback loop to stabilize the amplitude of the auxiliary phase modulation. Figure 3 shows the voltage of the auxiliary phase modulation and the law of variation of the phase difference of the rays of the ring interferometer fiber optic gyroscope. Figure 4 shows the formation of the rotation signal of a fiber optic gyroscope. Figure 5 shows the formation of the error signal of the fiber optic gyroscope.

Излучение от источника 1 (Фиг.1) [1] поступает на первый вход волоконного делителя излучения 2. С выхода делителя излучение поступает на вход интегрально-оптической схемы (ИОС) 3. ИОС содержит в своем составе Y-делитель излучения, который сформирован в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, и два фазовых модулятора, которые сформированы на выходных плечах Y-делителя излучения. Канальные волноводы Y-делителя являются поляризующими, и поэтому ИОС является многофункциональным элементом, который содержит в своем составе Y-делитель, поляризатор и два фазовых модулятора. Y-делитель делит оптический луч, поступающий на вход ИОС, на два луча одинаковой интенсивности, которые проходят световод чувствительной катушки 4 в двух взаимно противоположных направлениях. Затем, пройдя чувствительную катушку, лучи снова поступают на Y-делитель и объединяются им. Объединенный луч проходит волоконный делитель и со второго его входа поступает на площадку фотоприемника 5, где и образует интерференционную картину. Ток фотоприемника усиливается усилителем 6, напряжение после которого затем поступает на вход синхронного детектора (демодулятора) 7. Для увеличения чувствительности волоконно-оптического гироскопа используется вспомогательная фазовая модуляция, напряжение которой формируется генератором 8. Напряжение вспомогательной фазовой модуляции через сумматор 9 подается на фазовые модуляторы ИОС и на опорное плечо демодулятора. Выход демодулятора соединен с входом регулятора 10, который регулирует величину ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения, формируемого генератором 11. Пилообразное ступенчатое напряжение с выхода генератора через сумматор подается также на электроды фазовых модуляторов ИОС. Регулятор автоматически изменяет величину ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения таким образом, чтобы на выходе демодулятора сигнал вращения был равен нулю. Это происходит тогда, когда разность фаз между лучами ВКИ, возникающая за счет эффекта Саньяка (сигнал вращения), компенсируется разностью фаз между лучами, которая возникает при подаче на фазовые модуляторы ИОС пилообразного ступенчатого напряжения. С помощью этого закрытого контура обратной связи осуществляется измерение угловой скорости вращения гироскопа, таким образом, величина ступеньки пилообразного напряжения является выходной информацией волоконно-оптического гироскопа. Далее, как отмечалось выше, для стабилизации масштабного коэффициента необходимо, чтобы при сбросе максимального значения пилообразного напряжения до своего минимального значения (амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения) разность фаз между лучами ВКИ была равна U_пη=2π радиан. Если это условие не выполняется, то на выходе синхронного детектора формируется импульс напряжения, который выделяется с помощью устройства 12 и который затем поступает на вход регулятора 13. С помощью регулятора изменяется амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения таким образом, чтобы на выходе синхронного детектора импульса напряжения при сбросе пилообразного ступенчатого напряжения не наблюдалось. При малых угловых скоростях развертка пилообразного ступенчатого напряжения высокоточного ВОГ до своего максимального значения происходит достаточно длительное время и поэтому информация о точности поддержания амплитуды пилообразного напряжения поступает также недостаточно быстро, что может привести к ошибкам измерения угловой скорости.The radiation from the source 1 (Figure 1) [1] goes to the first input of the fiber radiation divider 2. From the output of the divider, the radiation goes to the input of the integrated optical circuit (IOS) 3. The IOS contains a Y-radiation divider, which is formed in lithium niobate substrate using proton-exchange technology, and two phase modulators, which are formed on the output arms of the Y-radiation divider. Channel waveguides of the Y-divider are polarizing, and therefore, the IOS is a multifunctional element that contains a Y-divider, a polarizer and two phase modulators. The Y-divider divides the optical beam entering the IOS input into two rays of the same intensity, which pass through the fiber of the sensitive coil 4 in two mutually opposite directions. Then, having passed the sensitive coil, the rays again arrive at the Y-divider and are combined by it. The combined beam passes through the fiber divider and from its second input enters the site of the photodetector 5, where it forms an interference pattern. The current of the photodetector is amplified by amplifier 6, the voltage after which is then fed to the input of the synchronous detector (demodulator) 7. To increase the sensitivity of the fiber-optic gyroscope, auxiliary phase modulation is used, the voltage of which is generated by the generator 8. The voltage of the auxiliary phase modulation through the adder 9 is supplied to the phase-modulated IOS and on the support arm of the demodulator. The output of the demodulator is connected to the input of the regulator 10, which controls the step size of the sawtooth step voltage generated by the generator 11. The sawtooth step voltage from the output of the generator through the adder is also supplied to the electrodes of the phase-modulating IOS. The controller automatically changes the step value of the sawtooth step voltage so that the rotation signal at the output of the demodulator is zero. This occurs when the phase difference between the FRI beams, arising due to the Sagnac effect (rotation signal), is compensated by the phase difference between the beams, which occurs when a sawtooth step voltage is applied to the phase-modulated IOS. Using this closed feedback loop, the angular velocity of rotation of the gyroscope is measured, thus, the value of the ramp voltage step is the output information of the fiber-optic gyroscope. Further, as noted above, to stabilize the scale factor, it is necessary that, when the maximum value of the sawtooth voltage is reset to its minimum value (amplitude of the sawtooth step voltage), the phase difference between the FRI beams is equal to U _p η = 2π radians. If this condition is not met, then a voltage pulse is generated at the output of the synchronous detector, which is extracted using the device 12 and then fed to the input of the regulator 13. The amplitude of the sawtooth step voltage is changed with the help of the controller so that the output of the synchronous voltage pulse detector when reset sawtooth step voltage was not observed. At low angular velocities, the sweep of the sawtooth step voltage of the high-precision FOG to its maximum value takes a sufficiently long time, and therefore information about the accuracy of maintaining the amplitude of the sawtooth voltage is also not fast enough, which can lead to errors in the measurement of angular velocity.

На Фиг.2 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа со вторым контуром обратной связи для стабилизации амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. Сигнал с выхода фотоприемника усиливается усилителем тока фотоприемника, напряжение с выхода которого поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 14 (АЦП), далее сигнал одновременно поступает на входы двух демодуляторов 15, 16 цифровой платы обработки информации. Цифровая плата обработки информации строится либо на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), либо на базе микропроцессора. Сигнал с первого демодулятора сигнала вращения поступает на вход регулятора 17, а сигнал со второго демодулятора сигнала рассогласования поступает на второй регулятор 18. Первый регулятор изменяет величину ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения, формируемого генератором 19, а второй регулятор изменяет амплитуду напряжения вспомогательной фазовой модуляции, формируемого генератором 20. Далее с помощью устройства 21 производится масштабирование амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения по напряжению фазовой модуляции для обеспечения стабильности масштабного коэффициента ВОГ. Пилообразное ступенчатое напряжение и напряжение вспомогательной фазовой модуляции через сумматор 22, цифроаналоговый преобразователь 23 (ЦАП) и операционный усилитель 24 подается на электроды фазовых модуляторов ИОС для осуществления модуляции лучей ВКИ и компенсации между лучами ВКИ разности фаз Саньяка.Figure 2 shows the structural diagram of a fiber optic gyroscope with a second feedback loop to stabilize the amplitude of the auxiliary phase modulation. The signal from the output of the photodetector is amplified by the current amplifier of the photodetector, the voltage from the output of which is supplied to the input of the analog-to-digital converter 14 (ADC), then the signal is simultaneously fed to the inputs of two demodulators 15, 16 of the digital information processing board. A digital information processing board is built either on the basis of a programmable logic integrated circuit (FPGA) or on the basis of a microprocessor. The signal from the first demodulator of the rotation signal is fed to the input of the regulator 17, and the signal from the second demodulator of the mismatch signal is supplied to the second regulator 18. The first regulator changes the step level of the sawtooth step voltage generated by the generator 19, and the second regulator changes the voltage amplitude of the auxiliary phase modulation generated by the generator 20. Next, using the device 21, the amplitude of the sawtooth step voltage is scaled with respect to the phase modulation voltage for ensure stability FOG scale factor. A sawtooth step voltage and auxiliary phase modulation voltage through an adder 22, a digital-to-analog converter 23 (DAC), and an operational amplifier 24 are supplied to the electrodes of the IOS phase modulators to modulate the FRI beams and compensate between the FRI beams of the Sagnac phase difference.

На Фиг.3 в качестве примера показаны один из возможных вариантов напряжения вспомогательной фазовой модуляции 25 и закон изменения разности фаз 26 лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Закон изменения разности фаз лучей ВКИ представляет собой импульсную последовательность с амплитудами ±(π-Δ) и ±(π+Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ, а n=1, 2, 3…. На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. При наличии угловой скорости вращения кривая разности фаз в зависимости от знака угловой скорости смещается относительно кривой косинуса 27 вправо или влево (один из двух возможных вариантов смещения показан пунктирными линиями) и в результате на фотоприемнике формируется сигнал вращения 28. Амплитуда сигнала вращения пропорциональна величине угловой скорости, а при изменении знака угловой скорости фаза сигнала вращения изменяется на 180 градусов. Сигнал вращения с выхода усилителя тока фотоприемника через АЦП поступает на вход первого демодулятора (Фиг.2), на выходе которого выделяется сигнал, пропорциональный его амплитуде. Этот сигнал с помощью первого регулятора изменяет величину ступеньки пилообразного напряжения с целью обнуления сигнала на выходе первого демодулятора. Сигнал на выходе первого демодулятора можно представить в виде:Figure 3 shows, by way of example, one of the possible variants of the auxiliary phase modulation voltage 25 and the law of variation of the phase difference 26 of the rays of the ring interferometer of a fiber-optic gyroscope. The law of variation of the phase difference of the FRI rays is a pulse sequence with amplitudes ± (π-Δ) and ± (π + Δ) radians, where Δ = π / 2 ⁿ , and n = 1, 2, 3 .... Figure 4 shows the formation of the rotation signal of a fiber optic gyroscope. If there is an angular velocity of rotation, the phase difference curve, depending on the sign of the angular velocity, is shifted to the right or left relative to the cosine curve 27 (one of the two possible displacement options is shown by dashed lines) and as a result, the rotation signal 28 is generated on the photodetector. The amplitude of the rotation signal is proportional to the angular velocity , and when the sign of the angular velocity changes, the phase of the rotation signal changes by 180 degrees. The rotation signal from the output of the current amplifier of the photodetector through the ADC is fed to the input of the first demodulator (Figure 2), the output of which is allocated a signal proportional to its amplitude. This signal with the help of the first regulator changes the value of the ramp voltage step in order to zero the signal at the output of the first demodulator. The signal at the output of the first demodulator can be represented as:

U_сд=P₀η_фG₀×sinϕ_m·sin[ϕ_s-φ_к],U _sd = P ₀ η _f G ₀ × sinϕ _m · sin [ϕ _s −φ _k ],

где G₀ - коэффициент усиления усилителя тока фотоприемника.where G ₀ is the gain of the current amplifier of the photodetector.

Величина ступеньки пилообразного напряжения определяет величину φ_к. Код напряжения ступеньки является выходной информацией об измеряемой угловой скорости.The value of the sawtooth step determines the value of φ _k . The step voltage code is the output information about the measured angular velocity.

На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования волоконно-оптического гироскопа. Известно, что наибольший вклад в нестабильность масштабного коэффициента гироскопа вносит нестабильность эффективности фазового модулятора интегрально-оптической схемы [1]. При изменении эффективности фазового модулятора амплитуды импульсов разности фаз синхронно либо уменьшаются, либо увеличиваются в зависимости от знака изменения эффективности (увеличение эффективности приводит к увеличению амплитуды импульсов разности фаз, что и показано пунктирными линиями 29, Фиг.5). В случае, когда последовательность импульсов разности фаз содержит импульсы с амплитудами ±(π-Δ) и ±(π+Δ) радиан, то на кривой косинуса имеются четыре рабочие точки, которые должны располагаться на одной прямой линии. При изменении эффективности фазового модулятора на фотоприемнике формируется сигнал рассогласования 30 из-за разнонаправленного смещения рабочих точек ±(π-Δ) и рабочих точек ±(π+Δ) радиан относительно прямой линии. Таким образом, появление сигнала рассогласования вызывается смещением рабочих точек относительно прямой линии на косинусной прямой. При использовании модуляции, показанной на Фиг.3, частота сигнала вращения составляет величину 1/6τ, где τ - время пробега лучей по световоду чувствительной катушки ВКИ. При длине световода чувствительной катушки порядка 500 м частота сигнала вращения составит 66,6 кГц. Сигнал рассогласования имеет удвоенную частоту по сравнения с сигналом вращения, таким образом, имеет стабильную частоту порядка 132 кГц. Сигнал рассогласования используется для организации второго контура обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента. С этой целью в цифровой части электронной схемы он выделяется с помощью дополнительного демодулятора (второго демодулятора), на выходе которого выделяется амплитуда сигнала рассогласования. Сигнал с выхода второго демодулятора поступает на вход второго регулятора, который изменяет амплитуду фазовой модуляции лучей ВКИ путем изменения амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции. Амплитуда напряжения фазовой модуляции изменяется до тех пор, пока сигнал на выходе второго демодулятора не обратится в ноль, что означает отсутствие сигнала рассогласования. Таким образом, имеется в наличии второй контур обратной связи по стабилизации амплитуды фазовой модуляции. Затем напряжение амплитуды фазовой модуляции соответствующим образом автоматически масштабируется для установления амплитуды развертки ступенчатого пилообразного напряжения, использующегося для компенсации разности фаз Саньяка, до своего максимального значения и при сбросе которого между лучами ВКИ вносится разность фаз, равная 2π радиан. Из вышесказанного следует, что второй закрытый контур обратной связи по устранению сигнала рассогласования является контуром для стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Сигнал рассогласования является достаточно высокочастотным сигналом и независящим от угловой скорости. Поэтому при малых угловых скоростях не возникает проблем с быстродействием подстройки амплитуды пилообразного напряжения и в силу этого значительно снижается ошибка по поддержанию стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа во всем диапазоне измерения угловых скоростей.Figure 5 shows the formation of the error signal of the fiber optic gyroscope. It is known that the greatest contribution to the instability of the scale factor of the gyroscope is made by the instability of the efficiency of the phase modulator of the integrated optical circuit [1]. When changing the efficiency of the phase modulator, the amplitudes of the pulses of the phase difference synchronously either decrease or increase depending on the sign of the change in efficiency (an increase in the efficiency leads to an increase in the amplitude of the pulses of the phase difference, as shown by dashed lines 29, Fig. 5). In the case when the sequence of pulses of the phase difference contains pulses with amplitudes of ± (π-Δ) and ± (π + Δ) radians, then there are four operating points on the cosine curve that should be located on one straight line. When changing the efficiency of the phase modulator at the photodetector, a mismatch signal 30 is generated due to the bi-directional displacement of the operating points ± (π-Δ) and operating points ± (π + Δ) radians relative to a straight line. Thus, the appearance of the mismatch signal is caused by the displacement of the operating points relative to the straight line on the cosine line. When using the modulation shown in Fig. 3, the frequency of the rotation signal is 1 / 6τ, where τ is the travel time of the rays along the fiber of the sensitive FRI coil. With a fiber length of the sensitive coil of the order of 500 m, the frequency of the rotation signal will be 66.6 kHz. The mismatch signal has a double frequency in comparison with the rotation signal, thus it has a stable frequency of the order of 132 kHz. The mismatch signal is used to organize a second feedback loop to stabilize the scale factor. For this purpose, it is allocated in the digital part of the electronic circuit using an additional demodulator (second demodulator), the output of which is the amplitude of the error signal. The signal from the output of the second demodulator is fed to the input of the second controller, which changes the amplitude of the phase modulation of the FRI rays by changing the voltage amplitude of the auxiliary phase modulation. The amplitude of the phase modulation voltage changes until the signal at the output of the second demodulator vanishes, which means that there is no mismatch signal. Thus, there is a second feedback loop for stabilizing the amplitude of the phase modulation. Then, the voltage of the amplitude of the phase modulation is accordingly automatically scaled to establish the sweep amplitude of the step-like sawtooth voltage used to compensate for the Sagnac phase difference to its maximum value and when it is reset, a phase difference of 2π radians is introduced between the FRI beams. From the foregoing, it follows that the second closed feedback loop to eliminate the mismatch signal is a loop for stabilizing the scale factor of the fiber optic gyroscope. The mismatch signal is a fairly high frequency signal and independent of angular velocity. Therefore, at low angular velocities there are no problems with the speed of tuning the amplitude of the sawtooth voltage, and because of this, the error in maintaining the stability of the scale factor of a fiber-optic gyroscope in the entire range of angular velocity measurements is significantly reduced.

ЛитератураLiterature

1. G.A.Pavlath, "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v.2837, 1996, pp.46-60.1. G. A. Pavlath, "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v. 2837, 1996, pp. 46-60.

2. А.М.Курбатов, Р.А.Курбатов. «Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов». №2, 2012 г. «Гироскопия и навигация».2. A.M. Kurbatov, R.A. Kurbatov. "Ways to improve the accuracy of fiber optic gyroscopes." No. 2, 2012. “Gyroscopy and navigation”.

Claims

A method for improving the accuracy of a closed-loop fiber-optic gyroscope containing a fiber ring interferometer and an electronic information processing unit with an auxiliary phase modulation voltage generator of the ring interferometer, a rotation signal demodulator, a step-like sawtooth voltage generator that is fed to the phase modulators of the integrated optical circuit of a fiber ring interferometer to compensate for the Sagnac phase difference and magnitude regulator voltage step of the sawtooth voltage, while to stabilize the scale factor of the gyroscope when resetting the maximum value of the sawtooth voltage to its minimum value, a phase difference between the beams of the interferometer is equal to 2π radians, characterized in that for regulating the phase difference between the beams of the ring interferometer when the step-like sawtooth voltage is reset form a mismatch signal on the photodetector by phase modulation of the rays of the ring interferometer, the phase difference which are formed by a periodic pulse sequence with amplitudes ± [π ± Δ] radians, with Δ = π / 2 ⁿ , where n = 1, 2, 3 ..., the phase difference of the rays of the ring interferometer when resetting the maximum value of the sawtooth step voltage to its minimum the values are formed using the second feedback loop to a zero value of the error signal at the output of the additional demodulator, and the amplitude of the step-like sawtooth voltage is determined by the voltage of the auxiliary phase modulation and at a zero value of the error signal at the output of the additional demodulator.