RU2246097C2

RU2246097C2 - Method of phase modulation in ringular interferometer of fiber-optic gyro

Info

Publication number: RU2246097C2
Application number: RU2002124759/28A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Андреев (RU); А.Г. Андреев; В.С. Ермаков (RU); В.С. Ермаков; А.М. Курбатов (RU); А.М. Курбатов
Original assignee: Открытое акционерное общество Пермская научно-производственная приборостроительная компания
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2005-02-10
Also published as: RU2002124759A

Abstract

FIELD: methods of phase modulation.

SUBSTANCE: method is based upon applying step sawtooth voltage to wideband phase modulator. Sawtooth voltage is specified with of numbers of m, n and k. Duration of each step equals to path time of light beam along light-guide of sensitive coil of gyro used to perform modulation of phase difference of beams of ringular interferometer. It is presented in form of pulse sequence with period of T₀. During first half-period of the sequence the phase difference pulses have like number of alternating pulses with amplitudes of -(π-Δ) radians and +(π+Δ) radians. During second half-period the pulses have like number of alternating pulses with amplitudes of -(π+Δ) and +(π-Δ) radians correspondingly. Values of m and n are chosen from set of any positive integer non-zero numbers. Value of Δ is chosen within range of values from 0,05π radians≤ Δ ≤0,95π radians.

EFFECT: improved sensitivity of fiber-optic gyro; improved stability of scale factor.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in the design of fiber-optic gyroscopes and other fiber sensors of physical quantities based on a ring fiber-optic interferometer.

Волоконно-оптический гироскоп содержит в своем составе кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Кольцевой интерферометр содержит источник оптического излучения, первый волоконный разветвитель, поляризатор, второй волоконный разветвитель, широкополосный фазовый модулятор и волоконную чувствительную катушку. Луч света от источника оптического излучения поступает вначале на вход первого волоконного разветвителя, делится им на два луча, один из которых поступает на вход поляризатора, ось пропускания которого совпадает с одной из двух осей двулучепреломления световода второго разветвителя, сохраняющего за счет наведенного в нем двулучепреломления состояние поляризации оптического излучения. Луч света вторым разветвителем делится на два луча одинаковой интенсивности. Эти два луча проходят затем в двух взаимно противоположных направлениях фазовый модулятор и световод чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа. Пройдя фазовый модулятор и чувствительную катушку, лучи снова поступают на второй разветвитель и смешиваются им. Два смешанных луча проходят в обратном направлении поляризатор, первый волоконный разветвитель и попадают на фотоприемник, образуя на нем интерференционную картину.The fiber optic gyroscope contains a ring interferometer and an electronic information processing unit. The ring interferometer comprises an optical radiation source, a first fiber splitter, a polarizer, a second fiber splitter, a broadband phase modulator and a fiber sensitive coil. The light beam from the optical radiation source first enters the input of the first fiber splitter, it is divided into two beams, one of which goes to the input of the polarizer, the transmission axis of which coincides with one of the two birefringence axes of the fiber of the second splitter, which preserves the state due to the birefringence induced in it polarization of optical radiation. The light beam of the second splitter is divided into two rays of the same intensity. These two beams then pass in two opposite directions of the phase modulator and the optical fiber of the sensitive coil of the fiber-optic gyroscope. Having passed the phase modulator and the sensitive coil, the rays again enter the second splitter and mix with it. Two mixed beams pass in the opposite direction of the polarizer, the first fiber splitter and fall on the photodetector, forming an interference pattern on it.

Мощность оптического излучения на фотоприемнике можно представить следующим образом:The optical radiation power at the photodetector can be represented as follows:

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей;where P ₀ is the power of the rays interfering at the photodetector;

φ _S - разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, вызванная эффектом Саньяка.φ _S is the phase difference between the beams of the ring interferometer caused by the Sagnac effect.

Для разности фаз Саньяка между лучами кольцевого интерферометра справедливо следующее соотношение:For the Sagnac phase difference between the beams of the ring interferometer, the following relation is valid:

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

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

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

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

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

Наиболее распространенным способом обработки сигнала фотоприемника кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа является компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка, который заключается во введении в оптическую схему кольцевого интерферометра так называемого элемента оптической обратной связи, с помощью которого и осуществляется обнуление разности фаз Саньяка. В самом общем виде электронный блок обработки информации содержит [1] демодулятор, генератор вспомогательной фазовой модуляции, фильтр, на вход которого поступает сигнал с демодулятора, после фильтра сигнал поступает на усилитель и далее на блок управления элементом оптической обратной связи. Выходом гироскопа служит сигнал, поступающий с блока управления на элемент оптической обратной связи.The most common method for processing the signal of the photodetector of a ring interferometer of a fiber-optic gyroscope is the compensation method of reading the Sagnac phase difference, which consists in introducing the so-called optical feedback element into the optical circuit of the ring interferometer, with which the Sagnac phase difference is zeroed. In its most general form, the electronic information processing unit contains [1] a demodulator, an auxiliary phase modulation generator, a filter, the input of which receives a signal from the demodulator, after the filter, the signal goes to the amplifier and then to the optical feedback element control unit. The output of the gyroscope is the signal from the control unit to the optical feedback element.

Для повышения чувствительности кольцевого интерферометра гироскопа к вращению используется вспомогательная модуляция разности фаз лучей кольцевого интерферометра. Классическим способом введения фазовой модуляции лучей является подача на фазовый модулятор импульсов напряжения, следующих с частотой f₀=(1/2τ ), где τ - время пробега светового луча по световоду чувствительной катушки гироскопа. В этом случае на выходе демодулятора наблюдается сигнал вида:To increase the sensitivity of the gyro ring interferometer to rotation, auxiliary modulation of the phase difference of the rays of the ring interferometer is used. A classical way of introducing phase modulation of rays is to apply voltage pulses to the phase modulator, followed by a frequency f ₀ = (1 / 2τ), where τ is the travel time of the light beam through the fiber of the sensitive gyro coil. In this case, a signal of the form is observed at the output of the demodulator:

где G_дем- коэффициент усиления демодулятора;where G _dem is the gain of the demodulator;

Ф_М - амплитуда фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра;F _M - the amplitude of the phase modulation of the rays of the ring interferometer;

φ _f(t) - разность фаз лучей кольцевого интерферометра, вносимая элементом оптической обратной связи.φ _f (t) is the phase difference of the rays of the ring interferometer introduced by the optical feedback element.

Наиболее часто в качестве элемента оптической обратной связи используется широкополосный интегрально-оптический фазовый модулятор, а сигнал, поступающий на него с блока управления, представляет из себя цифровую ступенчатую пилу, формируемую с помощью специального генератора напряжения. Напряжение в виде ступенчатой пилы, подаваемое на фазовый модулятор, имеет пиковое значение напряжения U_П, частоту f(t), высоту каждой ступеньки по напряжению U_сm и длительность каждой ступеньки τ , выбираемой равной времени пробега светового луча по световоду чувствительной катушки гироскопа. В этом случае для компенсирующей разность фаз Саньяка разности фаз φ _f(t) и величины масштабного коэффициента гироскопа справедливы соотношения:Most often, a broadband integrated optical-phase modulator is used as an element of optical feedback, and the signal supplied to it from the control unit is a digital step saw formed using a special voltage generator. The voltage in the form of a step saw supplied to the phase modulator has a peak voltage U _P , frequency f (t), the height of each step in voltage U _cm and the duration of each step τ, chosen equal to the travel time of the light beam through the light guide of the sensitive gyro coil. In this case, for the phase difference φ _f (t) compensating for the Sagnac phase difference and the gyroscope scale factor, the relations

где η - эффективность фазового модулятора;where η is the efficiency of the phase modulator;

n - показатель преломления материала световода.n is the refractive index of the fiber material.

Стабильность масштабного коэффициента, как видно из выражения (5), зависит от произведения U_Пη . Дело в том, что при воздействии на волоконно-оптический гироскоп внешних дестабилизирующих факторов, например изменений температуры окружающей среды, изменяется эффективность фазового модулятора и произведение U_Пη ≠ 2π радиан. При достижении ступенчатым пилообразным напряжением своего пикового значения должен происходить сброс напряжения до некоторого уровня. Величина сброса напряжения должна точно соответствовать величине изменения фазы лучей, равной 2π радиан, в противном случае возникают ошибки в определении угловой скорости. Для поддержания произведения U_Пη =2π радиан в электронном блоке обработки информации предусматривается второй контур обратной связи. Для организации второй петли обратной связи в электронном блоке обработки информации используется, как правило, более сложная форма напряжения вспомогательной фазовой модуляции. Одним из основных условий к способу фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра гироскопа является то, что он должен обеспечивать амплитуду вспомогательной фазовой модуляции в широком диапазоне от π /2 радиан до 0,95π радиан. Дело в том, что в волоконно-оптических гироскопах среднего класса точности используются источники излучения с выходной мощностью на конце отрезка одномодового световода ~500 мкВт с относительной шириной линии излучения (Δ λ /λ )~25· 10^-3 и уровень чувствительности гироскопа в этом случае определяется уровнем дробовых шумов фотопрнемннка и тепловыми шумами предварительного усилителя фотоприемника. Выражение для минимально-обнаруживаемой скорости вращения по уровню дробовых и тепловых шумов имеют следующий вид:The stability of the scale factor, as can be seen from expression (5), depends on the product U _P η. The fact is that when a fiber-optic gyroscope is exposed to external destabilizing factors, for example, changes in the ambient temperature, the phase modulator efficiency and the product U _П η ≠ 2π radians change. When the stepped sawtooth voltage reaches its peak value, a voltage drop should occur to a certain level. The magnitude of the voltage drop must exactly match the magnitude of the phase change of the rays, equal to 2π radians, otherwise errors occur in determining the angular velocity. To maintain the product U _P η = 2π radians, a second feedback loop is provided in the electronic information processing unit. To organize the second feedback loop in the electronic information processing unit, as a rule, a more complex form of auxiliary phase modulation voltage is used. One of the main conditions for the method of phase modulation of the rays of the gyroscope ring interferometer is that it should provide the amplitude of the auxiliary phase modulation in a wide range from π / 2 radians to 0.95π radians. The fact is that medium-class fiber-optic gyroscopes use radiation sources with an output power at the end of a single-mode fiber segment ~ 500 μW with a relative radiation line width (Δ λ / λ) ~ 25 · 10 ^-3 and the sensitivity level of the gyroscope in this case is determined by the level of shot noise of the photo receiver and the thermal noise of the pre-amplifier of the photodetector. The expression for the minimum detectable rotation speed in terms of shot and thermal noise is as follows:

где h - постоянная Планка;where h is Planck's constant;

k - постоянная Больцмана;k is the Boltzmann constant;

Т - температура в градусах Кельвина;T is the temperature in degrees Kelvin;

R_н - нагрузочное сопротивление предусилителя фотоприемника;R _n - load resistance of the preamplifier of the photodetector;

е - заряд электрона;e is the electron charge;

I_T - темновой ток фотоприемника;I _T is the dark current of the photodetector;

В - полоса пропускания схемы обработки информации с фотоприемника кольцевого интерферометра.B is the bandwidth of the circuit for processing information from the photodetector of a ring interferometer.

Как видно из выражений (6) и (7) при выборе амплитуды Ф_Mвспомогательной фазовой модуляции больше 0,5π радиан, чувствительность гироскопа по уровню дробовых шумов возрастает, а чувствительность по уровню тепловых шумов ухудшается. На практике в этих случаях амплитуда вспомогательной фазовой модуляции должна выбираться в районе 0,5π радиан.As can be seen from expressions (6) and (7), when the amplitude Φ _{M of the} auxiliary phase modulation is selected is greater than 0.5π radians, the gyro sensitivity in terms of shot noise increases, and the sensitivity in terms of thermal noise deteriorates. In practice, in these cases, the amplitude of the auxiliary phase modulation should be chosen in the region of 0.5π radians.

В высокоточных волоконно-оптических гироскопах используются источники оптического излучения с высокой выходной мощностью ~5↔ 10 мВт и в этом случае чувствительность волоконно-оптического гироскопа определяется уровнем шумов источника излучения:High-precision fiber-optic gyroscopes use optical radiation sources with a high output power of ~ 5 × 10 mW, and in this case, the sensitivity of a fiber-optic gyroscope is determined by the noise level of the radiation source:

где Δ λ - ширина линии излучения источника.where Δ λ is the width of the radiation line of the source.

При достаточно высокой мощности источника излучения уровень дробовых и тепловых шумов более чем на порядок меньше шумов источника излучения и поэтому увеличение амплитуды вспомогательной фазовой модуляции является достаточно эффективным средством увеличения чувствительности волоконно-оптического гироскопа. Только за счет увеличения амплитуды вспомогательной фазовой модуляции с 0,5π радиан до 0,9π радиан удается повысить чувствительность гироскопа в 6.3 раза.With a sufficiently high power of the radiation source, the level of shot and thermal noise is more than an order of magnitude lower than the noise of the radiation source, and therefore, increasing the amplitude of the auxiliary phase modulation is a rather effective means of increasing the sensitivity of a fiber-optic gyroscope. Only by increasing the amplitude of the auxiliary phase modulation from 0.5π radians to 0.9π radians does one manage to increase the gyro sensitivity 6.3 times.

Как отмечалось выше, для организации второго контура обратной связи в электронном блоке обработки информации для стабилизации произведения U_Пη на уровне 2π радиан для вспомогательной фазовой модуляции используется напряжение усложненной формы, для получения сигнала рассогласования, выделяемого вторым демодулятором.As noted above, to organize the second feedback loop in the electronic information processing unit to stabilize the product U _P η at 2π radians for the auxiliary phase modulation, a voltage of a complicated form is used to obtain the error signal emitted by the second demodulator.

Известен способ [1] вспомогательной фазовой модуляции с помощью импульсов положительной и отрицательной полярности с частотой f₀=(1/2τ ) и с помощью которых осуществляется вспомогательная фазовая модуляция с амплитудой π /2 радиан (импульсы положительной полярности) и 3π /2 рад (импульсы отрицательной полярности). Разность амплитуд положительных и отрицательных импульсов соответствует таким образом напряжению, вносящему с помощью фазового модулятора сдвиг фаз лучей, равный 2π радиан. При несоответствии разности напряжений импульсов положительной полярности и импульсов отрицательной полярности напряжению, вносящему сдвиг фаз 2π радиан, на выходе второго демодулятора появляется сигнал рассогласования. В этом случае происходит изменение амплитуды напряжения импульсов положительной и отрицательной полярности таким образом, чтобы сигнал рассогласования на выходе второго демодулятора обращался в нуль. В таком установившемся режиме разность амплитуд напряжений импульсов положительной и отрицательной полярности точно соответствует напряжению U_2π, которое с помощью фазового модулятора вносит сдвиг фаз лучей кольцевого интерферометра, равный 2π радиан. Напряжение U_2πиспользуется для определения зоны сброса заднего фронта компенсирующей фазовой пилы. В установившемся режиме вспомогательной фазовой модуляции рабочие точки кольцевого интерферометра находятся симметрично относительно точек ±π кривой косинуса разности фаз лучей (соотношение (1)). При импульсах напряжения положительной полярности рабочие точки находятся в точках ±(π /2) радиан косинусной кривой, при импульсах отрицательной полярности они находятся в точках

радиан косинусной кривой. При нарушении симметрии расположения рабочих точек относительно точек ±π радиан появляется сигнал рассогласования на выходе второго демодулятора. Недостатком известного способа фазовой модуляции является то, что частота полезного сигнала о вращении является достаточно высокой, что, в конечном счете, приводит к увеличению габаритов электронного блока и энергопотребления. Другим недостатком известного способа является то, что сигнал вспомогательной фазовой модуляции, поступающий на фазовый модулятор, имеет ту же частоту и вид, что и полезный сигнал, несущий информацию о вращении. В результате в электронном блоке возникают перекрестные электронные помехи, которые приводят к ошибкам в измерении угловой скорости и возникновению зоны нечувствительности гироскопа при малых угловых скоростях. При использовании в высокоточных гироскопах, где используются источники оптического излучения с большой выходной мощностью, амплитуда вспомогательной фазовой модуляции ±(π /2) радиан и

радиан не является оптимальной для получения максимальной чувствительности гироскопа. В работе [2] предложена фазовая модуляция импульсами положительной и отрицательной полярности ступенчатой формы. Это позволяет снизить частоту обработки сигнала о вращении, что является несомненно положительным моментом. Рабочие точки гироскопа в этом случае также располагаются симметрично относительно точек ±π радиан косинусной кривой интенсивности лучей на фотоприемнике в зависимости от разности фаз между ними, но отличие от предыдущего случая предложено выбирать амплитуду фазовой модуляции в виде ±(π -Δ ) радиан и

, величина Δ выбирается в диапазоне 0,05π радиан ≤ Δ ≤ 0,95π радиан, что позволяет увеличить чувствительность волоконно-оптического гироскопа при использовании в нем источников оптического излучения с большой выходной мощностью. При любом выборе Δ в указанном выше диапазоне разность напряжений ступенчатого импульса положительной полярности и импульса отрицательной полярности равна 2π n радиан, где n - количество ступенек в импульсах напряжения фазовой модуляции и может быть использовано при определении зоны сброса заднего фронта компенсирующей фазовой пилы. Но предложенный способ фазовой модуляции не решает проблемы возникновения в электронном тракте перекрестных помех, приводящих к ошибкам в определении угловой скорости и зоне нечувствительности в гироскопе при малых угловых скоростях.The known method [1] of auxiliary phase modulation using pulses of positive and negative polarity with a frequency f ₀ = (1 / 2τ) and with the help of which auxiliary phase modulation with an amplitude of π / 2 radians (pulses of positive polarity) and 3π / 2 rad ( pulses of negative polarity). The difference between the amplitudes of the positive and negative pulses thus corresponds to the voltage introducing, using a phase modulator, a phase shift of the rays equal to 2π radians. If the voltage difference between the pulses of positive polarity and the pulses of negative polarity does not match the voltage introducing a phase shift of 2π radians, an error signal appears at the output of the second demodulator. In this case, the amplitude of the voltage pulses of positive and negative polarity changes so that the error signal at the output of the second demodulator vanishes. In this steady state, the difference in the amplitudes of the voltage pulses of positive and negative polarity exactly corresponds to the voltage U _2π , which, using a phase modulator, introduces a phase shift of the rays of the ring interferometer equal to 2π radians. The voltage U _{2π is} used to determine the reset zone of the trailing edge of the compensating phase saw. In the steady state mode of auxiliary phase modulation, the operating points of the ring interferometer are located symmetrically with respect to the points ± π of the cosine curve of the ray phase difference (relation (1)). With voltage pulses of positive polarity, the operating points are at points ± (π / 2) of the radian of the cosine curve, with voltage pulses of negative polarity they are at points

radian of the cosine curve. If the symmetry of the location of the operating points relative to the points ± π radians is violated, a mismatch signal appears at the output of the second demodulator. A disadvantage of the known method of phase modulation is that the frequency of the useful rotation signal is high enough, which, ultimately, leads to an increase in the dimensions of the electronic unit and power consumption. Another disadvantage of the known method is that the auxiliary phase modulation signal supplied to the phase modulator has the same frequency and shape as the useful signal carrying rotation information. As a result, cross electronic interference occurs in the electronic unit, which leads to errors in measuring the angular velocity and the appearance of a dead zone of the gyro at small angular velocities. When used in high-precision gyroscopes, where optical radiation sources with a large output power are used, the amplitude of auxiliary phase modulation is ± (π / 2) radians and

the radian is not optimal for maximizing the gyro sensitivity. In [2], phase modulation by pulses of positive and negative polarity of a stepped form was proposed. This allows you to reduce the frequency of processing the rotation signal, which is undoubtedly a positive point. In this case, the operating points of the gyroscope are also located symmetrically with respect to the points ± π of the radian of the cosine curve of the beam intensity at the photodetector depending on the phase difference between them, but it is proposed to choose the phase modulation amplitude in the form of ± (π -Δ) radian and

, the Δ value is selected in the range of 0.05π radians ≤ Δ ≤ 0.95π radians, which makes it possible to increase the sensitivity of a fiber-optic gyroscope when using optical radiation sources with a large output power in it. With any choice of Δ in the above range, the voltage difference between the step pulse of positive polarity and the pulse of negative polarity is 2π n radians, where n is the number of steps in the phase modulation voltage pulses and can be used to determine the reset zone of the trailing edge of the compensating phase saw. But the proposed method of phase modulation does not solve the problem of the occurrence of crosstalk in the electronic path leading to errors in determining the angular velocity and deadband in the gyroscope at low angular velocities.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу фазовой модуляции является способ фазовой модуляции, описанный в [3]. Фазовая модуляция осуществляется с помощью ступенчатых пилообразных импульсов с длительностью каждой ступеньки, равной времени пробега светового луча по световоду чувствительной катушки гироскопа. Период следования ступенчатых импульсов составляет T₀, в первую половину которого импульсы по переднему фронту имеют n ступенек, а по заднему - m ступенек, а во вторую половину периода T₀импульсы зеркально отображаются. Количество импульсов на периоде T₀составляет величину 2k, где k - любое целое положительное число больше единицы. С помощью этих импульсов разность фаз лучей кольцевого интерферометра представляет собой импульсную последовательность с периодом Т₀, в первую половину которого одинаковое количество чередующихся импульсов с амплитудами разности фаз -(π -Δ ) радиан и +(π +Δ ) радиан, а во второй половине периода содержится также одинаковое количество чередующихся импульсов с амплитудами разности фаз -(π +Δ ) радиан и +(π -Δ ) радиан. Во вторую часть периода t₀импульсы разности фаз также представляют собой зеркальное отображение импульсов разности фаз первой половины периода T₀, как и импульсы ступенчатого пилообразного напряжения, с помощью которых осуществляется фазовая модуляция. Известный способ [3] решает проблему устранения перекрестных помех в электронном блоке обработки информации, так как сигнал, несущий информацию о вращении, имеет частоту f_c=1/T₀ и при детектировании напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, ошибки в определении угловой скорости не возникает и, следовательно, также отсутствует зона нечувствительности гироскопа при малых угловых скоростях. Частота обработки сигнала вращения может быть выбрана любой путем изменения количества импульсов 2k на периоде T₀ модуляции.The closest in technical essence to the proposed method of phase modulation is the phase modulation method described in [3]. Phase modulation is carried out using stepwise sawtooth pulses with a duration of each step equal to the travel time of the light beam through the fiber of the sensitive coil of the gyroscope. The step-by-step period is T ₀ , in the first half of which the pulses have n steps on the leading edge, and m steps on the trailing edge, and the pulses are mirrored in the second half of the period T ₀ . The number of pulses in the period T ₀ is 2k, where k is any positive integer greater than one. Using these pulses, the phase difference of the rays of the ring interferometer is a pulse sequence with a period of T ₀ , in the first half of which the same number of alternating pulses with amplitudes of the phase difference are (π -Δ) radians and + (π + Δ) radians, and in the second half The period also contains the same number of alternating pulses with amplitudes of the phase difference - (π + Δ) radians and + (π -Δ) radians. In the second part of the period t _0, the phase difference pulses also represent a mirror image of the phase difference pulses of the first half of the period T ₀ , as well as pulses of a step-like sawtooth voltage, with which phase modulation is carried out. The known method [3] solves the problem of eliminating crosstalk in the electronic information processing unit, since the signal carrying the rotation information has a frequency f _c = 1 / T ₀ and when detecting the voltage supplied to the phase modulator, there are no errors in determining the angular velocity there arises and, therefore, there is also no dead zone of the gyro at small angular velocities. The frequency of processing the rotation signal can be selected by any means by changing the number of pulses 2k on the modulation period T ₀ .

Недостатком известного способа [3] фазовой модуляции является относительно небольшая амплитуда вспомогательной фазовой модуляции, что не позволяет достигать максимальной чувствительности волоконно-оптического гироскопа в случае использования источников оптического излучения с большой выходной мощностью. Амплитуда вспомогательной фазовой модуляции равна 2nπ /(n+m) радиан и максимальное ее значение 2π /3 достигается при n=2, m=1. Другим недостатком известного способа фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра является то, что импульсы напряжения, которые подаются на фазовый модулятор, не содержат в явном виде напряжения U_2π, при подаче которого на фазовый модулятор фаза лучей изменится на 2π радиан, что существенно усложняет задачу определения пределов сброса заднего фронта компенсирующей фазовой пилы. Эта информация в известном способе может быть получена, но при усложнении электронной схемы обработки информации волоконно-оптического гироскопа.The disadvantage of this method [3] of phase modulation is the relatively small amplitude of the auxiliary phase modulation, which does not allow to achieve maximum sensitivity of the fiber-optic gyroscope in the case of using sources of optical radiation with high output power. The amplitude of the auxiliary phase modulation is 2nπ / (n + m) radians and its maximum value 2π / 3 is achieved at n = 2, m = 1. Another disadvantage of the known method of phase modulation of the rays of the ring interferometer is that the voltage pulses that are applied to the phase modulator do not explicitly contain the voltage U _2π , when applied to the phase modulator, the phase of the rays changes by 2π radians, which significantly complicates the task of determining the limits resetting the trailing edge of the compensating phase saw. This information in the known method can be obtained, but with the complication of the electronic circuitry for processing information of a fiber-optic gyroscope.

Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности волоконно-оптического гироскопа и увеличение стабильности его масштабного коэффициента.The aim of the present invention is to increase the sensitivity of a fiber optic gyroscope and increase the stability of its scale factor.

Указанная цель достигается тем, что значения m и n выбирают из ряда любых целых положительных ненулевых чисел; величину (выбирают в диапазоне значений 0,05π радиан ≤ Δ ≤ 0,95π радиан, в том числе

может принимать дискретный ряд значенийThis goal is achieved by the fact that the values of m and n are selected from a series of any integer positive nonzero numbers; value (choose in the range of 0.05π radians ≤ Δ ≤ 0.95π radians, including

can take a discrete series of values

но при этом k≥ 2.but at the same time k≥ 2.

Увеличение чувствительности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет увеличения амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, которая позволяет снизить влияние шумов источника оптического излучения на чувствительность гироскопа. Увеличение стабильности масштабного коэффициента достигается за счет того, что при выборе Δ =(k(n-m)-n+2)/(k(n+m)-n)· π радиан, причем k≥ 2, разность максимального напряжения и минимального уровня напряжения в импульсной последовательности напряжения, которое используется для фазовой модуляции, соответствует напряжению U_2πи может быть использована для определения пределов сброса заднего фронта компенсирующей фазовой пилы.An increase in the sensitivity of a fiber-optic gyroscope is achieved by increasing the amplitude of the auxiliary phase modulation, which allows one to reduce the influence of noise of the optical radiation source on the sensitivity of the gyroscope. An increase in the stability of the scale factor is achieved due to the fact that, when choosing Δ = (k (nm) -n + 2) / (k (n + m) -n) · π radians, and k≥ 2, the difference between the maximum voltage and the minimum level voltage in the pulse sequence of the voltage, which is used for phase modulation, corresponds to the voltage U _2π and can be used to determine the limits of resetting the trailing edge of the compensating phase saw.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На фиг.2 показан пример осуществления вспомогательной фазовой модуляции ступенчатыми импульсами напряжения с параметрами n=2, m=1, k=3. На фиг.3 показан пример осуществления вспомогательной фазовой модуляции с параметрами n=1, m=1, k=3 импульсами, амплитуда которых изменяется в пределах напряжения U_2πи соответствующий этому напряжению, поданному на фазовый модулятор, закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра. На фиг.4 показан принцип формирования полезного сигнала вращения гироскопа. На фиг.5 показан принцип формирования сигнала рассогласования, который выделяется вторым демодулятором.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the structural diagram of a fiber optic gyroscope. Figure 2 shows an example of the implementation of auxiliary phase modulation by step voltage pulses with parameters n = 2, m = 1, k = 3. Figure 3 shows an example of the implementation of auxiliary phase modulation with parameters n = 1, m = 1, k = 3 pulses, the amplitude of which varies within the voltage U _2π and corresponding to this voltage applied to the phase modulator, the law of phase difference of the rays of the ring interferometer . Figure 4 shows the principle of generating a useful gyroscope rotation signal. Figure 5 shows the principle of the formation of the error signal, which is allocated by the second demodulator.

Волоконно-оптический гироскоп (фиг.1) содержит кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Кольцевой интерферометр состоит из источника излучения 1, первого волоконного разветвителя 2, многофункциональной интегрально-оптической схемы 3, волоконной чувствительной катушки 4, фотоприемника 5 и предусилителя тока фотоприемника 6. В волоконно-оптических гироскопах среднего класса точности в качестве источника излучения используются суперлюминесцентные полупроводниковые диоды, состыкованные с отрезком одномодового световода. В высокоточных гироскопах в качестве источника излучения получили наибольшее распространение волоконные флюоресцентные источники оптического излучения на основе активированных световодов. Основными достоинствами таких источников являются высокая стабильность длины волны излучения и большая выходная мощность. Большая выходная мощность необходима для получения максимальной чувствительности к вращению гироскопа, а высокая стабильность длины волны обеспечивает высокую стабильность масштабного коэффициента.Fiber optic gyroscope (figure 1) contains a ring interferometer and an electronic information processing unit. The ring interferometer consists of a radiation source 1, a first fiber coupler 2, a multifunctional integrated optical-optical circuit 3, a fiber sensitive coil 4, a photodetector 5 and a current preamplifier of a photodetector 6. In medium-accuracy fiber-optic gyroscopes, superluminescent semiconductor diodes are used as a radiation source, docked with a single-mode fiber segment. In high-precision gyroscopes, fiber fluorescent optical radiation sources based on activated optical fibers are most widely used as a radiation source. The main advantages of such sources are high radiation wavelength stability and high output power. A large output power is required to obtain maximum sensitivity to gyroscope rotation, and high wavelength stability provides high stability of the scale factor.

Первый волоконный разветвитель изготавливается с использованием двух отрезков одномодовых световодов по стандартной тянуто-сплавной технологии. Многофункциональная интегрально-оптическая схема содержит в своем составе Y-разветвитель, канальные волноводы которого выполняются в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии. Канальные волноводы, сформированные по протонно-обменной технологии, являются однополяризационными. На выходных плечах Y-делителя формируются два фазовых модулятора путем нанесения по обе стороны канальных волноводов металлических электродов, два из которых обычно объединяются проводником [4]. При подаче на электроды электрического напряжения в материале канальных волноводов возникает электрическое поле, под воздействием которого изменяется показатель преломления канального волновода, так как ниобат лития обладает электрооптическим эффектом. При изменении показателя преломления материала канального волновода происходит изменение фазы оптического луча, проходящего но канальному волноводу. Объединение электродов производится для уменьшения влияния паразитной модуляции мощности проходящих по канальным волноводам оптических лучей на сигнал волоконно-оптического гироскопа. Таким образом, многофункциональная интегрально-оптическая схема объединяет в себе функции поляризатора, второго делителя оптической мощности в кольцевом интерферометре и широкополосного фазового модулятора. Волоконная чувствительная катушка содержит световод, сохраняющий линейное состояние поляризации излучения, длина которого зависит от класса точности волоконно-оптического гироскопа. Световод катушки обычно наматывается на несущий каркас, который обеспечивает строгую ориентацию оси чувствительности гироскопа и пропитывается специальным компаундом для повышения устойчивости световода в смысле возникновения в нем фазовой невзаимности лучей в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов. В качестве фотоприемника используются p-i-n-фотодиоды, обладающие достаточно высокой чувствительностью, малой емкостью и малым темновым током.The first fiber splitter is manufactured using two segments of single-mode optical fibers using standard pull-alloy technology. The multifunctional integrated optical circuit contains a Y-coupler, the channel waveguides of which are implemented in a lithium niobate substrate using proton-exchange technology. Channel waveguides formed by proton-exchange technology are unipolar. Two phase modulators are formed on the output arms of the Y-divider by applying metal electrodes on both sides of the channel waveguides, two of which are usually combined by a conductor [4]. When an electric voltage is applied to the electrodes in the material of the channel waveguides, an electric field appears, under the influence of which the refractive index of the channel waveguide changes, since lithium niobate has an electro-optical effect. When the refractive index of the material of the channel waveguide changes, the phase of the optical beam passing through the channel waveguide changes. The combination of the electrodes is performed to reduce the influence of spurious modulation of the power of the optical rays passing through the channel waveguides on the signal of the fiber-optic gyroscope. Thus, the multifunctional integrated optical circuit combines the functions of a polarizer, a second optical power divider in a ring interferometer, and a broadband phase modulator. The fiber sensitive coil contains a fiber that maintains a linear state of radiation polarization, the length of which depends on the accuracy class of the fiber-optic gyroscope. The coil’s fiber is usually wound around a supporting frame, which provides a strict orientation of the gyro sensitivity axis and is impregnated with a special compound to increase the fiber’s stability in the sense of phase nonreciprocity of rays in it under the influence of external destabilizing factors. As the photodetector, p-i-n-photodiodes are used, which have a sufficiently high sensitivity, low capacitance, and low dark current.

На электроды интегрально-оптического фазового модулятора подается импульсное напряжение, вырабатываемое генератором 7, сигнал вращения гироскопа выделяется демодулятором 8. При изменении эффективности фазового модулятора при воздействии дестабилизирующих факторов демодулятор 9 выделяет сигнал рассогласования, которым с помощью блока управления 10 происходит подстройка параметров импульсов напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа.The electrodes of the integrated optical phase modulator are supplied with the pulse voltage generated by the generator 7, the gyroscope rotation signal is emitted by the demodulator 8. When the phase modulator is changed by the influence of destabilizing factors, the demodulator 9 emits a mismatch signal, which, using the control unit 10, adjusts the parameters of the voltage pulses, with by means of which auxiliary phase modulation of the rays of the ring interferometer of a fiber optic gyroscope is carried out na.

Для компенсации разности фаз Саньяка используется пилообразное ступенчатое напряжение, вырабатываемое генератором 11. Частота пилообразного ступенчатого напряжения управляется с помощью блока управления 12 выходным напряжением первого демодулятора. Выходным сигналом гироскопа является частота ступенчатого пилообразного напряжения. Таким образом, в электронном блоке обработки информации предусмотрено две петли обратной связи, первая из которых осуществляет подстройку частоты ступенчатого пилообразного напряжения, а вторая петля обратной связи подстраивает параметры импульсного напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция в кольцевом интерферометре гироскопа. Подстройка параметров напряжения фазовой модуляции необходима для получения информации о величине напряжения, вносящего изменение фазы лучей на 2π радиан, которое используется для определения зоны сброса заднего фронта ступенчатого пилообразного напряжения, с помощью которого осуществляется компенсация разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре гироскопа.To compensate for the Sagnac phase difference, a sawtooth step voltage generated by the generator 11 is used. The frequency of the sawtooth step voltage is controlled by the control unit 12 of the output voltage of the first demodulator. The output signal of the gyroscope is the frequency of the step-like sawtooth voltage. Thus, in the electronic information processing unit, two feedback loops are provided, the first of which adjusts the frequency of the step-like sawtooth voltage, and the second feedback loop adjusts the parameters of the pulse voltage, with which auxiliary phase modulation is performed in the gyro ring interferometer. The adjustment of the phase modulation voltage parameters is necessary to obtain information about the voltage value introducing a change in the phase of the rays by 2π radians, which is used to determine the relief zone of the trailing edge of the stepped sawtooth voltage, with which the Sagnac phase difference is compensated in the gyro ring interferometer.

На фиг.2 показана в качестве примера последовательность ступенчатых пилообразных импульсов напряжения, с помощью которых осуществляется фазовая модуляция лучей кольцевого интерферометра. Период следования импульсов T₀. В первую половину периода формируется последовательность из k импульсов (k=3), каждый из которых содержит по переднему фронту n ступенек (n=2), а по заднему - m ступенек (m=1). Во вторую половину периода T₀ эти импульсы зеркально отражены. Кривой 14 описывается закон модуляции разности фаз лучей кольцевого интерферометра при подаче на фазовый модулятор вышеуказанной последовательности ступенчатых пилообразных импульсов напряжения. Перепад напряжения в ступеньках по переднему фронту импульсов вносит разность фаз лучей

радиан, а перепад напряжения в ступеньках по заднему фронту импульсов вносит разность фаз лучей ±(π +Δ ) радиан. Величина

может выбираться в диапазоне 0,05π радиан ≤ Δ ≤ 0.95π радиан по тем или иным соображениям. Величина Δ ≥ 0,95π выбираться, очевидно, не может из соображений практически полной потери чувствительности гироскопа к вращению. Величина Δ ≤ 0,05π радиан выбираться не может из тех же соображений, приведенных выше. Выбор Δ ≥ 0,05π радиан (например, в диапазоне амплитуд вспомогательной фазовой модуляции Ф_M=0,8π ↔ 0,95π радиан) оправдан тем, что при использовании в высокоточных гироскопах источников оптического излучения с высокой выходной мощностью удается значительно увеличить чувствительность гироскопа за счет уменьшения влияния на чувствительность шумов источника излучения.Figure 2 shows as an example a sequence of step-like sawtooth voltage pulses with which phase modulation of the rays of the ring interferometer is carried out. The pulse repetition period T ₀ . In the first half of the period, a sequence of k pulses (k = 3) is formed, each of which contains n steps along the leading edge (n = 2), and m steps along the trailing edge (m = 1). In the second half of the period T _0, these pulses are mirrored. Curve 14 describes the law of modulation of the phase difference of the rays of the ring interferometer when applying to the phase modulator the above sequence of stepwise sawtooth voltage pulses. The voltage drop in the steps along the leading edge of the pulses introduces the phase difference of the rays

radian, and the voltage drop in the steps along the trailing edge of the pulses makes the phase difference of the rays ± (π + Δ) radians. Value

can be selected in the range of 0.05π radians ≤ Δ ≤ 0.95π radians for one reason or another. Obviously, Δ ≥ 0.95π cannot be selected for reasons of the almost complete loss of rotation sensitivity of the gyroscope. The value Δ ≤ 0.05π radians cannot be selected from the same considerations given above. The choice of Δ ≥ 0.05π radians (for example, in the range of amplitudes of auxiliary phase modulation Φ _M = 0.8π ↔ 0.95π radians) is justified by the fact that when using optical radiation sources with high output power in high-precision gyroscopes, it is possible to significantly increase the gyro sensitivity for by reducing the effect on the sensitivity of the noise of the radiation source.

Для стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа необходимо иметь информацию о величине напряжения U_2π, при подаче которого на фазовый модулятор фаза лучей кольцевого интерферометра изменяется на 2π радиан. Это напряжение используется для определения пределов сброса заднего фронта ступенчатого пилообразного напряжения, использующегося для компенсации разности фаз Саньяка. Информацию о величине U_2πможно получить в явном виде, если параметры импульсной последовательности напряжения, использующегося для фазовой модуляции в кольцевом интерферометре гироскопа, будут удовлетворять следующему уравнению:To stabilize the scale factor of a fiber-optic gyroscope, it is necessary to have information about the voltage U _2π , when applied to a phase modulator, the phase of the rays of the ring interferometer changes by 2π radians. This voltage is used to determine the relief limits of the trailing edge of the stepped sawtooth voltage used to compensate for the Sagnac phase difference. Information on the value of U _2π can be obtained explicitly if the parameters of the pulse sequence of the voltage used for phase modulation in the ring gyroscope interferometer satisfy the following equation:

После преобразования этого уравнения для величины

можно получить следующее соотношение:After converting this equation to a quantity

you can get the following ratio:

При выборе Δ согласно уравнению (10), пределы напряжения, в которых изменяются уровни импульсов фазовой модуляции, будут соответствовать напряжению U_2π. На фиг.3 показана импульсная последовательность напряжения фазовой модуляции 15 и закон изменения разности фаз 16, которая удовлетворяет уравнению (9) при m=1, n=1, k=3. В этом случае осуществляется вспомогательная фазовая модуляция с амплитудой Ф_M=0.8π радиан. Получение в явном виде величины напряжения U_2πвозможно, как это следует из анализа уравнения (9), только когда параметр k≥ 2.When choosing Δ according to equation (10), the voltage limits in which the levels of the phase modulation pulses change will correspond to the voltage U _2π . Figure 3 shows the pulse sequence of the phase modulation voltage 15 and the law of variation of the phase difference 16, which satisfies equation (9) with m = 1, n = 1, k = 3. In this case, auxiliary phase modulation is carried out with an amplitude Φ _M = 0.8π radians. Obtaining explicitly the voltage value U _{2π is} possible, as follows from the analysis of equation (9), only when the parameter k≥ 2.

На фиг.4 показан принцип формирования сигнала вращения 17 на фотоприемнике, интенсивность излучения на котором в зависимости от разности фаз лучей кольцевого интерферометра изменяется по косинусоидальному закону 18. Частота полезного сигнала вращения удовлетворяет соотношению:Figure 4 shows the principle of generating a rotation signal 17 at the photodetector, the radiation intensity on which, depending on the phase difference of the rays of the ring interferometer, varies according to the cosine law 18. The frequency of the useful rotation signal satisfies the relation:

В установившемся режиме рабочие точки гироскопа располагаются на косинусной кривой разности фаз симметрично относительно точек ±π радиан, то есть π ±Δ радиан и -π ±Δ радиан, в этом случае при нулевой разности фаз между лучами кольцевого интерферометра, которая наблюдается либо при отсутствии вращения, либо при компенсации разности фаз Саньяка ступенчатой фазовой пилой, на фотоприемнике наблюдается постоянный уровень засветки, который определяется выражениемIn the steady state, the operating points of the gyroscope are located on the cosine curve of the phase difference symmetrically with respect to the points ± π radians, that is, π ± Δ radians and -π ± Δ radians, in this case, with a zero phase difference between the rays of the ring interferometer, which is observed either in the absence of rotation or when compensating for the Sagnac phase difference by a step phase saw, a constant illumination level is observed on the photodetector, which is determined by the expression

Р_Ф=Р₀[1+cos(± (π -Δ ))]=P₀[1+cos(± (π +Δ ))]R _F = R ₀ [1 + cos (± (π -Δ) )] = P ₀ [1 + cos (± (π + Δ ))]

При воздействии на фазовый модулятор внешних дестабилизирующих факторов, например, изменений температуры окружающей среды, эффективность фазового модулятора может измениться. В этом случае нарушается симметричность расположения рабочих точек гироскопа относительно ±π радиан и на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования (фиг.5). Пунктирная линия 20 на кривой разности фаз в этом случае свидетельствует об увеличении эффективности фазового модулятора. При уменьшении эффективности фазового модулятора импульсы сигнала рассогласования меняют свою полярность. Частота сигнала рассогласования выражается следующим образом:Under the influence of external destabilizing factors on the phase modulator, for example, changes in the ambient temperature, the efficiency of the phase modulator may change. In this case, the symmetry of the arrangement of the working points of the gyroscope with respect to ± π radians is violated and a mismatch signal appears on the photodetector (Fig. 5). The dashed line 20 on the phase difference curve in this case indicates an increase in the efficiency of the phase modulator. When the efficiency of the phase modulator decreases, the pulses of the error signal change their polarity. The frequency of the error signal is expressed as follows:

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] George A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v.2837 pp. 46-60, 1996.[1] George A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v. 2837 pp. 46-60, 1996.

[2] Курбатов А.М. "Способ вспомогательной фазовой модуляции кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа". Заявка №98120880, приоритет 20.11.1998, патент РФ N 2157962.[2] Kurbatov A.M. "The method of auxiliary phase modulation of the ring interferometer of a fiber optic gyroscope." Application No. 98120880, priority 20.11.1998, RF patent N 2157962.

[3] Курбатов А.М. "Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа". Патент РФ №2130587, заявка №96108070, приоритет 18.04.1996.[3] Kurbatov A.M. "The method of processing the signal of the ring interferometer fiber optic gyroscope." RF patent No. 2130587, application No. 96108070, priority 04/18/1996.

[4] Курбатов А.М. "Способ компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа", патент РФ N 2146807, заявка N 98103976 от 02.03.1998 г.[4] Kurbatov A.M. "A method of compensating for the Sagnac phase difference in a ring interferometer of a fiber-optic gyroscope", RF patent N 2146807, application N 98103976 dated 02.03.1998

Claims

The method of phase modulation in the ring interferometer of a fiber-optic gyroscope, which consists in applying a step-like sawtooth voltage to a broadband phase modulator, characterized by a set of numbers m, n, k,

where n is the number of steps in the first half of the period T ₀ following the step pulses,

m is the number of steps in the second half of the period T ₀ following the step pulses,

2k - the number of pulses in the period T ₀ ,

and with the duration of each step equal to the travel time of the light beam through the fiber of the sensitive coil of the gyroscope, with which the phase difference of the rays of the ring interferometer is modulated in the form of a pulse sequence with a period T ₀ , in the first half-cycle of which the phase difference pulses have the same number of alternating pulses with amplitudes - (π-Δ) radian and + (π + Δ) radian, and in the second half-cycle - the same number of alternating pulses with amplitudes - (π + Δ) radian and + (π-Δ) radian, characterized in that Achen m and n are selected from any of a number of positive non-zero numbers; Δ value is chosen in the range of 0.05π radians ≤Δ≤0.95π radians, including Δ can take a discrete series of values

radian, but k ≥ 2.