RU2098762C1 - Fiber-optical gyro - Google Patents
Fiber-optical gyro Download PDFInfo
- Publication number
- RU2098762C1 RU2098762C1 RU95109968/28A RU95109968A RU2098762C1 RU 2098762 C1 RU2098762 C1 RU 2098762C1 RU 95109968/28 A RU95109968/28 A RU 95109968/28A RU 95109968 A RU95109968 A RU 95109968A RU 2098762 C1 RU2098762 C1 RU 2098762C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- beam splitter
- anisotropic
- depolarizer
- circuit
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам, известным как волоконные гироскопы, и может быть использовано для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых эти гороскопы располагаются. В качестве таких объектов могут быть роботы, электрокары, автомобили, корабли, самолеты ракеты и т.д. The invention relates to measuring technique, namely, devices known as fiber gyroscopes, and can be used to measure the speed of rotation or the angle of rotation of the objects on which these horoscopes are located. Such objects can include robots, electric cars, cars, ships, rocket planes, etc.
Известна конструкция волоконно-оптического гироскопа (ВОГ), позволяющая достаточно точно определить параметры вращения движущегося объекта [1]
Эта конструкция содержит соединенные последовательно суперлюминесцентный источник излучения, первый светоделитель, поляризатор, второй светоделитель и волоконный контур, намотанный на катушку. Концы контура соединены с выходными концами второго светоделителя. На одном из концов контура установлен фазовый модулятор, который создает фазовую модуляцию встречных волн с разностью фаз, определяемой запаздыванием моментов прохождения модулятора встречными волнами. Все элементы данной конструкции выполнены из анизотропного волокна. Полезный сигнал гироскопа невзаимная разность фаз, обусловленная вращением, и наблюдается с выхода первого светоделителя с помощью фотоприемника, фототок которого пропорционален интенсивности сигнала на первой гармонике частоты модуляции. Использование в данной конструкции поляризатора и только анизотропного волокна позволяет получить предельную чувствительность на уровне 10-1 10-2 град/ч и величину дрейфа выходного сигнала не более 0,1 град/ч. Такие высокие точности, как правило, не требуются для ориентационных гироскопов.The known design of a fiber optic gyroscope (FOG), which allows you to accurately determine the rotation parameters of a moving object [1]
This design comprises a superluminescent radiation source connected in series, a first beam splitter, a polarizer, a second beam splitter and a fiber loop wound on a coil. The ends of the circuit are connected to the output ends of the second beam splitter. At one end of the circuit, a phase modulator is installed, which creates a phase modulation of counterpropagating waves with a phase difference determined by the delay in the moments of passage of the modulator by counterpropagating waves. All elements of this design are made of anisotropic fiber. The useful gyro signal is a nonreciprocal phase difference due to rotation, and is observed from the output of the first beam splitter using a photodetector, the photocurrent of which is proportional to the signal intensity at the first harmonic of the modulation frequency. The use of a polarizer and only anisotropic fiber in this design makes it possible to obtain the ultimate sensitivity at the level of 10 -1 10 -2 deg / h and the magnitude of the drift of the output signal no more than 0.1 deg / h. Such high accuracy, as a rule, is not required for orientation gyroscopes.
Недостатком данной конструкции является ее высокая стоимость, что обусловлено использованием только анизотропного волокна в контуре, анизотропных элементов и главным образом дорогостоящего волоконного поляризатора с коэффициентом экстинкции не менее 40 дБ, выполненного из специального дихроичного волокна. Размещение поляризатора в схеме требует дополнительных стыковых соединений. The disadvantage of this design is its high cost, which is due to the use of anisotropic fiber in the loop, anisotropic elements and mainly an expensive fiber polarizer with an extinction coefficient of at least 40 dB made of a special dichroic fiber. Placing a polarizer in a circuit requires additional butt joints.
Более простым по конструкции и более дешевым является ВОГ без поляризатора на изотропном волокне [2]
Такой гироскоп содержит соединенные последовательно суперлюминесцентный излучатель, волоконный деполяризатор Лио, первый и второй светоделители и волоконный контур, соединенный с выходными концами второго светоделителя. На одном из концов волоконного контура установлен фазовый модулятор. Все элементы данной конструкции, кроме деполяризатора, изготовлены из изотропного волокна. Волоконный деполяризатор Лио выполнен как обычно из двух отрезков анизотропного волокна с соотношением длин отрезков 1 2, соединенных таким образом, что их оси анизотропии развернуты относительно друг друга на 45o. Длина l1 меньшего (первого) отрезка выбирается из условия l1 ≥ λ2/ΔλΔn где Δλ и λ ширина линии и длина волны суперлюминесцентного излучателя, Dn разность показателей преломления материала первого отрезка волокна для двух осей анизотропии. Полезный сигнал гироскопа, несущий информацию о вращении, снимается как и в предыдущем устройстве, с первого светоделителя с помощью фотодетектора. Эксперименты с этим гироскопом показали наличие дрейфа выходного сигнала на уровне 14 град/ч в узком температурном интервале, соответствующем лишь лабораторным условиям. Для практического применения ориентационного гироскопа необходимо обеспечить приемлемую величину дрейфа (не более 10 град/ч) выходного сигнала в более широком температурном интервале (-40oC +60oC).VOG without a polarizer on an isotropic fiber is simpler in design and cheaper [2]
Such a gyroscope comprises a superluminescent emitter connected in series, a Lio fiber depolarizer, a first and second beam splitter, and a fiber circuit connected to the output ends of the second beam splitter. A phase modulator is installed at one end of the fiber circuit. All elements of this design, except for the depolarizer, are made of isotropic fiber. Fiber depolarizer Lio is made as usual of two segments of anisotropic fiber with a ratio of lengths of segments 1 2 connected in such a way that their axis of anisotropy are rotated relative to each other by 45 o . The length l 1 of the smaller (first) segment is selected from the condition l 1 ≥ λ 2 / ΔλΔn where Δλ and λ are the line width and wavelength of the superluminescent emitter, Dn is the difference in refractive indices of the material of the first fiber segment for the two anisotropy axes. The useful signal of the gyroscope, which carries information about the rotation, is removed, as in the previous device, from the first beam splitter using a photodetector. Experiments with this gyroscope showed the presence of an output signal drift of 14 deg / h in a narrow temperature range corresponding only to laboratory conditions. For the practical use of the orientation gyroscope, it is necessary to provide an acceptable drift value (not more than 10 deg / h) of the output signal in a wider temperature range (-40 o C +60 o C).
Недостатком известного гироскопа является достаточно высокий дрейф выходного сигнала и низкая чувствительность, что обусловлено связью волн двух ортогональных поляризаций, распространяющихся в гироскопе, которая может возникать как в самом изотропном волоконном контуре, так и в местах стыковки элементов конструкции при их произвольной ориентации. A disadvantage of the known gyroscope is the rather high drift of the output signal and low sensitivity, which is due to the coupling of the waves of two orthogonal polarizations propagating in the gyroscope, which can occur both in the very isotropic fiber circuit and at the junctions of structural elements with their arbitrary orientation.
Техническим результатом изобретения является снижение дрейфа выходного сигнала гироскопа и повышение его чувствительности при уменьшении числа стыковых соединений. The technical result of the invention is to reduce the drift of the output signal of the gyroscope and increase its sensitivity while reducing the number of butt joints.
Указанный результат достигается тем, что гироскоп содержит суперлюминесцентный излучатель, первый волоконный светоделитель, с которого снимается сигнал гироскопа, второй волоконный светоделитель, волоконный деполяризатор, состоящий из двух отрезков анизотропного волокна, и волоконный контур, на одном из концов которого установлен фазовый модулятор, волоконный контур выполнен анизотропным, второй светоделитель выполнен из анизотропного волокна, деполяризатор типа Лио, длины отрезков которого соотносятся как 1: n, где n ≥ 2,5, расположен между указанными светоделителями, второй отрезок деполяризатора сформирован из входного конца второго светоделителя, волоконный же контур соединен с выходными концами второго светоделителя таким образом, что их оптические оси совпадают. This result is achieved by the fact that the gyroscope contains a superluminescent emitter, a first fiber beam splitter from which the gyro signal is taken, a second fiber beam splitter, a fiber depolarizer consisting of two segments of anisotropic fiber, and a fiber circuit, at one end of which a phase modulator, a fiber circuit made anisotropic, the second beam splitter is made of anisotropic fiber, a Lio-type depolarizer, the lengths of the segments of which are related as 1: n, where n ≥ 2.5, is located between the said beam splitters, the second segment of the depolarizer is formed from the input end of the second beam splitter, while the fiber circuit is connected to the output ends of the second beam splitter so that their optical axes coincide.
В частном случае при выполнении первого светоделителя из изотропного волокна деполяризатор типа Лио формируется из дополнительно введенного отрезка анизотропного волокна в качестве первого отрезка и входного конца второго светоделителя в качестве второго отрезка. In a particular case, when the first beam splitter is made of isotropic fiber, a Lio-type depolarizer is formed from an additionally inserted segment of anisotropic fiber as the first segment and the input end of the second beam splitter as the second segment.
В другом частном случае при выполнении первого светоделителя из анизотропного волокна деполяризатор типа Лио формируется из концов светоделителей, соотношения длин которых необходимо установить 1: n, где n ≥ 2,5. In another particular case, when the first beam splitter is made of anisotropic fiber, a Lyo-type depolarizer is formed from the ends of the beam splitters, the length ratios of which must be set to 1: n, where n ≥ 2.5.
Целесообразно анизотропный волоконный контур выполнить из изотропного волокна, при этом необходимая анизотропия контура создается за счет наведенного двойного лучепреломления при намотке изотропного волокна радиуса r на катушку с радиусом R, удовлетворяющим соотношению 
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого волоконного гироскопа. The drawing shows a block diagram of the proposed fiber gyroscope.
ВОГ содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель 1, первый волоконный светоделитель 2, волоконный деполяризатор 3 типа Лио, второй волоконный светоделитель 4 и волоконный анизотропный контур 5, на одном из концов которого расположен фазовый модулятор 6. Светоделитель 4 выполнен из анизотропного волокна. Деполяризатор 3 выбран с соотношением длин первого и второго отрезков 1n, где n ≥ 2,5. Второй отрезок деполяризатора 3 сформирован из входного конца светоделителя 4, выходные концы которого соединены с концами волоконного контура 5 таким образом, что их оптические оси совпадают. Светоделитель 2 может быть выполнен как из изотропного волокна, так и из более дорогого анизотропного волокна, при этом первый отрезок деполяризатора 3 типа Лио выполняется по разному. В первом случае, когда светоделитель 2 выполнен из изотропного волокна, первый отрезок деполяризатора 3 формируется из специально дополнительно введенного отрезка анизотропного деполяризатора 3 таким образом, что их оси анизотропии развернуты относительно друг друга на 45o, а длины отрезков выбираются в соотношении 1 n, где n ≥ 2,5. Во втором случае, когда светоделитель 2 выполнен из анизотропного волокна, первый отрезок деполяризатора 3 формируется из одного из выходных концов светоделителя 2, а второй отрезок так же, как в первом случае. Анизотропный волоконный контур 5 может быть выполнен как из анизотропного волокна, так и из изотропного волокна. В последнем случае должно быть выполнено соотношение между радиусами r оптического волокна и R катушка, на которую наматывается волокно для формирования волоконного контура 5:
При выполнении этого соотношения в контуре 5, выполненном из изотропного волокна, возникает наведенное двойное лучепреломление, т.е. наведенная анизотропия. Регистрация выходного сигнала гироскопа осуществляется с помощью фотоприемника 7, подсоединенного к торцу свободного входного конца светоделителя 2.VOG contains a serially connected superluminescent emitter 1, a first fiber beam splitter 2, a fiber Lio type depolarizer 3, a second fiber beam splitter 4, and an anisotropic fiber circuit 5, at one end of which a phase modulator 6 is located. The beam splitter 4 is made of anisotropic fiber. Depolarizer 3 is selected with a ratio of the lengths of the first and second segments 1n, where n ≥ 2.5. The second segment of the depolarizer 3 is formed from the input end of the beam splitter 4, the output ends of which are connected to the ends of the fiber circuit 5 so that their optical axes coincide. The beam splitter 2 can be made both from an isotropic fiber and from a more expensive anisotropic fiber, while the first segment of the Lio type depolarizer 3 is performed differently. In the first case, when the beam splitter 2 is made of isotropic fiber, the first segment of the depolarizer 3 is formed from a specially introduced segment of the anisotropic depolarizer 3 so that their anisotropy axes are rotated relative to each other by 45 o , and the lengths of the segments are selected in the ratio 1 n, where n ≥ 2.5. In the second case, when the beam splitter 2 is made of anisotropic fiber, the first segment of the depolarizer 3 is formed from one of the output ends of the beam splitter 2, and the second segment is the same as in the first case. The anisotropic fiber circuit 5 can be made of either an anisotropic fiber or an isotropic fiber. In the latter case, the ratio between the radii r of the optical fiber and the R coil on which the fiber is wound to form the fiber circuit 5 must be satisfied:
When this relation is fulfilled, in the loop 5 made of isotropic fiber, induced birefringence arises, i.e. induced anisotropy. Registration of the output signal of the gyroscope is carried out using a photodetector 7 connected to the end of the free input end of the beam splitter 2.
Волоконный гироскоп работает следующим образом. Fiber gyroscope works as follows.
Частично поляризованное излучение с выхода суперлюминесцентного излучателя 1 попадает на первый светоделитель 2, в котором его мощность делится пополам и излучение поступает на два выходных конца делителя 2. С одного из выходных концов делителя 2 излучение поступает на деполяризатор 3 типа Лио, на выходе которого образуются две взаимно перпендикулярные некоррелированные компоненты излучения одинаковой интенсивности. Благодаря тому, что второй отрезок деполяризатора 3 сформирован из входного конца второго светоделителя 4, выполненного из анизотропного волокна, оси анизотропии деполяризатора 3 и делителя 4 съюстированы, и поэтому обе взаимно перпендикулярные компоненты излучения Es и Ep проходят светоделитель 4, оставаясь равными друг другу по интенсивности и некоррелированными. При этом каждая из них делителем 4 делится по мощности пополам и направляется в два выходных конца делителя 4, оптические оси которых съюстированы с входными концами волоконного анизотропного контура 5. Затем излучение с одного выходного конца делителя 4 в виде двух взаимно перпендикулярных и некоррелированных компонент Es и Ep переходит в контур 5 и распространяется в нем в одном направлении, например, по часовой стрелке. Одновременно с этим процессом излучение с другого выходного конца делителя 4 также в виде двух взаимно перпендикулярных и некоррелированных компонент Es и Ep переходит в контур 5 и распространяется в нем в обратном направлении т.е. против часовой стрелки. При этом благодаря юстировке концов контура 5 с выходными концами делителя 4 две некоррелированные и равные компоненты поля Es и Ep с первого выходного конца делителя 4, пройдя контур 5 по часовой стрелке, поступают во второй выходной конец делителя 4, оставаясь равными и некоррелированными. А идущие им навстречу со второго выходного конца делителя 4 две некоррелированные и равные компоненты Es и Ep, проходящие контур 5 против часовой стрелки, поступают на первый выходной конец делителя 4, также оставаясь равными и некоррелированными.Partially polarized radiation from the output of the superluminescent emitter 1 enters the first beam splitter 2, in which its power is divided in half and the radiation is transmitted to the two output ends of the divider 2. From one of the output ends of the divider 2, the radiation enters the Lio type depolarizer 3, at the output of which two mutually perpendicular uncorrelated radiation components of the same intensity. Due to the fact that the second segment of the depolarizer 3 is formed from the input end of the second beam splitter 4 made of anisotropic fiber, the anisotropy axis of the depolarizer 3 and the divider 4 are aligned, and therefore both mutually perpendicular components of the radiation E s and E p pass the beam splitter 4, remaining equal to each other in intensity and uncorrelated. In this case, each of them with a divider 4 is divided by power in half and sent to two output ends of the divider 4, the optical axes of which are aligned with the input ends of the fiber anisotropic circuit 5. Then the radiation from one output end of the divider 4 in the form of two mutually perpendicular and uncorrelated components E s and E p goes into circuit 5 and propagates in it in one direction, for example, clockwise. Simultaneously with this process, the radiation from the other output end of the divider 4 also in the form of two mutually perpendicular and uncorrelated components E s and E p passes to circuit 5 and propagates in it in the opposite direction i.e. counterclock-wise. In this case, due to the alignment of the ends of circuit 5 with the output ends of the divider 4, two uncorrelated and equal field components E s and E p from the first output end of the divider 4, passing the circuit 5 clockwise, enter the second output end of the divider 4, remaining equal and uncorrelated. And the two uncorrelated and equal components E s and E p going through the circuit 5 counterclockwise to them coming from the second output end of the divider 4 come to the first output end of the divider 4, also remaining equal and uncorrelated.
Таким образом, в одном гироскопе реализуются два независимых гироскопических канала, каждый для компоненты поля со своей поляризацией S или P, и тем самым исключаются условия ля возникновения паразитного сигнала, обусловленного перекачкой энергии излучения из одного гироскопического канала в другой, что имеет место в аналоге и прототипе. В делителе 4 две компоненты излучения одной поляризации как S, так и P, прошедшие контур 5 во встречных направлениях, интерферируют, и сигнал интерференции, несущий информацию о вращении контура 5, каждой поляризации проходит теперь уже в обратном направлении через деполяризатор 3 и поступает на свободный конец делителя 2, где регистрируется фотодетектором 7. Использование деполяризатора 3 типа Лио с соотношением длин отрезков 1 2,5, а не просто деполяризатора Лио, как в прототипе, позволяет при обратном прохождении излучения через деполяризатор 3 предотвратить появление дополнительных интерференционных составляющих на выходе гироскопа, кроме тех полезных интерференционных сигналов, которые сформировались в светоделителе 4. Таким образом на фотодетекторе 7 происходит суммирование двух независимых интерференционных сигналов, несущих информацию о вращении волоконного контура 5. Thus, two independent gyroscopic channels are implemented in one gyroscope, each for a field component with its own polarization S or P, and thereby exclude the conditions for the occurrence of a spurious signal due to the transfer of radiation energy from one gyroscopic channel to another, which takes place in the analogue and prototype. In divider 4, two radiation components of the same polarization, both S and P, which have passed loop 5 in the opposite directions, interfere, and the interference signal, which carries information about the rotation of loop 5, each polarization now passes in the opposite direction through depolarizer 3 and goes to free the end of the divider 2, where it is detected by the photodetector 7. The use of a Lio type depolarizer 3 with a segment length ratio of 1, 2.5, and not just a Lio depolarizer, as in the prototype, allows for the reverse passage of radiation through the depolarization p 3 to prevent the appearance of additional interference components at the output of the gyroscope, in addition to those useful interference signals that were formed in the beam splitter 4. Thus, the photodetector 7 sums up two independent interference signals that carry information about the rotation of the fiber circuit 5.
В примере конкретной реализации предлагаемой конструкции получена чувствительность устройства ≈ 1 град/ч в полосе частот 1 Гц. Дрейф выходного сигнала не превышает 5 град/ч. In an example of a specific implementation of the proposed design, the sensitivity of the device is ≈ 1 deg / h in a frequency band of 1 Hz. The drift of the output signal does not exceed 5 deg / h.
Claims (4)
где коэффициент Сз 1,34 • 106 рад/м;
Dl и λ - ширина линии и длина волны суперлюминесцентного излучателя;
L длина волокна, намотанного на катушку.4. The gyroscope according to claim 1, characterized in that the anisotropic fiber circuit is made of isotropic fiber, while the anisotropy of the circuit is created due to induced birefringence when winding an isotropic fiber of radius r onto a coil with a radius R that satisfies the ratio
where the coefficient C s of 1.34 • 10 6 rad / m;
Dl and λ are the line width and wavelength of the superluminescent emitter;
L is the length of the fiber wound around the spool.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95109968/28A RU2098762C1 (en) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Fiber-optical gyro |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95109968/28A RU2098762C1 (en) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Fiber-optical gyro |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU95109968A RU95109968A (en) | 1997-04-27 |
| RU2098762C1 true RU2098762C1 (en) | 1997-12-10 |
Family
ID=20168892
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU95109968/28A RU2098762C1 (en) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Fiber-optical gyro |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2098762C1 (en) |
-
1995
- 1995-06-14 RU RU95109968/28A patent/RU2098762C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. R.P.Moeller, W.K.Burns, N.S.Frigo, Open-Loor Output and Scale Factor Stability in a Fiber-Optic Gyroscope. - Journal of Light Mave Technology, v. 7, No. 2, 1989, p. 262 - 269. 2. S.Tai, K.Kojma, S.Noda, K.Kyuma, K.Hamanaka, T.Nakayama. All-fibre gyroscope using depolarised, superluminescent diode. Electronics Letters, v. 22, No. 10, 1986, p. 546 - 547. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU95109968A (en) | 1997-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5153676A (en) | Apparatus and method for reducing phase errors in an interferometer | |
| CN108534798B (en) | Polarization nonreciprocal error elimination method in dual-polarization fiber-optic gyroscope and dual-polarization fiber-optic gyroscope | |
| US5371595A (en) | Fiber-optic gyroscope using single birefringent material for depolarizer | |
| EP0262825B1 (en) | Fiber optic rotation sensor utilizing high birefringence fiber and having reduced intensity type phase errors | |
| EP0434767B1 (en) | Passive ring resonator gyro with polarization rotating ring path | |
| EP0522843B1 (en) | Fiber-optic gyroscope | |
| US5074665A (en) | Fiber optic gyroscope using dual-section counter-wound coil | |
| US5136667A (en) | Fiber optic gyro | |
| EP0075013B1 (en) | Fiber optic rotation sensor | |
| EP0078931A1 (en) | Angular rate sensor | |
| EP0462360A1 (en) | Compound fiber-optic gyroscope using frequency discrimination | |
| US7147388B2 (en) | Method for fabrication of an all fiber polarization retardation device | |
| JPH08226822A (en) | Optical fiber gyro and optical integrated circuit | |
| RU2098762C1 (en) | Fiber-optical gyro | |
| US5120130A (en) | Apparatus and method for reducing phase errors in an interferometer | |
| US5285257A (en) | Optic rotation sensing apparatus and related method including providing synchronous detection at a phase at which the AM noise is minimized | |
| RU2122179C1 (en) | Fibre-optical gyro | |
| JPS6221016A (en) | Optical fiber gyroscope | |
| JP2002054933A (en) | Optical fiber gyro | |
| JP2751599B2 (en) | Hikaribaiyairo | |
| RU2117252C1 (en) | Device measuring total vector of angular velocity of moving object | |
| EP0501002B1 (en) | Optic rotation sensing apparatus and related method | |
| JP2514530B2 (en) | Fiber optic gyro | |
| JP2571870B2 (en) | Hikaribaiyairo | |
| JP2591852B2 (en) | Hikaribaiyairo |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050615 |