ITMC20120038A1 - Giroscopio in fibra ottica con polarizzatore distribuito - Google Patents

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ITMC20120038A1
ITMC20120038A1 IT000038A ITMC20120038A ITMC20120038A1 IT MC20120038 A1 ITMC20120038 A1 IT MC20120038A1 IT 000038 A IT000038 A IT 000038A IT MC20120038 A ITMC20120038 A IT MC20120038A IT MC20120038 A1 ITMC20120038 A1 IT MC20120038A1
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IT
Italy
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fiber
fog
optical
polarization
performance
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Application number
IT000038A
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English (en)
Inventor
Michael Perlmutter
Andrea Pizzarulli
Original Assignee
Civitanavi Systems Di Andrea Pizzar Ulli
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers

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Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: Giroscopio in fibra ottica con polarizzatore distribuito
Testo della descrizione
Sempre maggiore interesse rivestono i sensori inerziali giroscopici allo stato solido compatti e ad alte prestazioni. In particolare in sistemi satellitari in orbita giroscopi per stabilizzazione con elevate prestazioni sono richieste congiuntamente alla leggerezza e compattezza. Stessa considerazione per sistemi di stabilizzazione o di navigazione inerziale per aerei. Mentre sensori inerziali accelerometrici allo stato solido hanno raggiunte prestazioni elevate in tecnologie compatte tipo MEMS (Micro Electrical Mechanical Systems), i sensori giroscopici in tale tecnologia MEMS non hanno raggiunto una maturità adeguata per garantire elevate prestazione di stabilità del bias e di rumore. Viceversa sistemi HRG (Hemispherical Ronator Gyro) possono raggiungere prestazioni elevate con elevata compattezza, ma ad un elevato costo. Anche giroscopi a fibra ottica (FOG - Fiber Optic Gyroscope) hanno buone prestazioni, ma la precisione del sensore e proporzionale alla lunghezza di fibra utilizzata e al suo diametro, avendo pertanto limitazioni nel caso di sistemi molto compatti e ad alte prestazioni.
L’invenzione in oggetto riguarda in particolare sensori FOG allo stato solido. In particolare ci si riferisce a tecniche per migliorare le prestazione del sistema giroscopico (100) di modificando opportunamente la bobina in fibra ottica (101).
Le limitazioni principali delle soluzioni finora proposte sono le seguenti:
1) Per avere FOG con alta stabilità di bias (grado inerziale) occorre avere elevate lunghezze di fibra ottica nella bobina, che si traduce in alto costo e elevate dimensioni
2) Per avere un FOG ad alte prestazione occorre a avere un circuito integrato ottico multifunzionale (MIOC) di niobato di litio, che si traduce in alto costo
3) Per avere un FOG ad alte prestazione occorre usare una fibra a mantenimento di polarizzazione, che si traduce in alto costo
4) Per avere un FOG ad alte prestazione occorre a avere una sorgente a larga spettro ottico, che si traduce in alto costo
Si propone un avvolgimento in fibra ottica in cui la fibra singolo modo (eventualmente a mantenimento di polarizzazione) intervallata da spezzoni di fibra polarizzante. Tipicamente tale fibra polarizzante ha fortissime attenuazioni ed e’ molto costosa e non può’ essere utilizzata per fare avvolgimenti in fibra ottica. Viceversa usata a spezzoni da 1 a 3 metri di lunghezza alternata a fibra singolo modo a basso costo può’ aumentare le prestazioni del sensore FOG.
Una configurazione tipica di un FOG a loop chiuso e’ rappresentata in figura 1. Tipicamente per sensori di grado inerziale vengono usate fibre a mantenimento di polarizzazione di lunghezza da 500metri a 3km. La lunghezza della fibra non solo garantisce una stabilità del bias maggiore, ma anche un fattore di scala maggiore ed una maggiore sensibilità del sistema.
E’ quindi importante mantenere una lunghezza di fibra elevata per fattore di scala, sensibilità e stabilità del bias.
L’errore medi di fase di un giroscopio a fibra ottica e’ dato dalla seguente formula σΔφε=ε<2>ήί/(Ν)<"2>dove ε<2>è il rapporto di estinzione di intensità dovuto al polarizzatore, h e’ l’estinzione di polarizzazione della fibra a mantenimento di polarizzazione, L e’ la lunghezza della fibra della bobina e N e’ il numero di segmenti elementari di lunghezza pari alla lunghezza di depolarizzazione, che dipende dalla larghezza spettrale della sorgente ottica (piu’ la sorgente e’ larga in spettro e piu’ N e’ grande).
Tipicamente il h e’ di 20dB/Km e lunghezze di polarizzazioni con sorgenti a largo spettro sono tipicamente di 10cm. Quindi ad esempio per una bobina di un km con N=10<4>e’ necessario un polarizzatore con ε<2>di 30dB per avere un errore di bias inferiore a 10<"7>rad.
Si evince dalla formula che per avere una stabilità del bias contenuta bisogna agire sul rapporto hL o su N.
A parità di estinzione di polarizzazione B<2>SUI polarizzatore e’ possibile aumentare i 20dB/Km giuntando alla fibra della bobina (201) spezzoni di fibra polarizzatore (200) come in figura 2. La lunghezza della fibra polarizzante la frequenza degli spezzoni dipende dalle prestazioni che si vuole raggiungere. In questo modo dopo lo spezzone di fibra polarizzante (ad esempio 5metri) si possono avere estinzioni di polarizzazione migliori di 30dB.
La Figura 1 rappresenta un tipico FOG in loop chiuso in cui una sorgente a largo spettro (103) un accoppiatore ottico 50%/50% (102) che manda il segnale sia al circuito ottico multifunzionale MIOC (106) e al fotodiodo di feedback. Il MIOC (106) divide in segnale ottico in due segnali contropropaganti all'interno della bobina (101). Il circuito mixed-mode piu’ FPGA (102) chiude il loop agendo sul modulatore di fase del MIOC (106).
La Figura 2 rappresenta la bobina in fibra ottica (101) formata da fibra singolo modo (201) e fibra polarizzante (200).
La Figura 3 rappresenta un FOG in loop chiuso con bobina in fibra intervallata da fibra polarizzatore.
I vantaggi della soluzione proposta rispetto agli schemi tradizionali sono i seguenti:
1 ) Prestazioni migliori della bobina a parità di altri componenti ottici
2) Rilassamento dei componenti critici quali MIOC (106) o fibra a mantenimento di polarizzazione usata per l'avvolgimento (201)
3) Possibilità di usare fibra a singolo modo non a mantenimento di polarizzazione per realizzare l’avvolgimento (101)
4) Possibilità’ di usare sorgenti ottiche a minor spettro ottico e quindi a piu’ alta coerenza potendo abbassare il valore di N

Claims (4)

  1. Rivendicazioni 1) Metodo in grado di aumentare le prestazioni di un giroscopio in fibra ottica (FOG) in termini si estinzione di polarizzazione e quindi di stabilità del bias basato sull'integrazione di spezzoni di fibra polarizzate di opportuna lunghezza ed intervallati di opportuna distanza della fibra a mantenimento di polarizzazione usata per l'avvolgimento del FOG.
  2. 2) Metodo in accordo alla rivendicazione 1 in cui la fibra utilizzata per l’avvolgimento in fibra ottica del FOG e’ singolo modo ma non a mantenimento di polarizzazione.
  3. 3) Metodo in accordo alla rivendicazione 1 e 2 in cui non viene usato un circuito ottico multifunzionale MIOC (106) ma un semplice accoppiatore ottico più polarizzatore più modulatore di fase per realizzare un FOG a loop chiuso.
  4. 4) Metodo in accordo alla rivendicazione 1 , 2 e 3 in cui la sorgente ottica utilizzata per alimentare l’interferometro Sagnac ha uno spettro relativamente stretto (inferiore a 5nm) rispetto alle sorgenti a bassa coerenza tipicamente utilizzate per i FOG
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6108086A (en) * 1999-03-04 2000-08-22 Litton Systems, Inc. System and method of stabilizing the scale factor shift in fiber optic gyroscopes using a spectral monitor array
EP2169350A2 (en) * 2008-09-24 2010-03-31 Honeywell International Inc. Bias-reduced fiber optic gyroscope
EP2189754A2 (en) * 2008-11-25 2010-05-26 Honeywell International Inc. Rfog with reduced polarization mode induced bias error

Patent Citations (3)

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