RU2497077C1 - Fibre-optic angular speed metre - Google Patents
Fibre-optic angular speed metre Download PDFInfo
- Publication number
- RU2497077C1 RU2497077C1 RU2012118302/28A RU2012118302A RU2497077C1 RU 2497077 C1 RU2497077 C1 RU 2497077C1 RU 2012118302/28 A RU2012118302/28 A RU 2012118302/28A RU 2012118302 A RU2012118302 A RU 2012118302A RU 2497077 C1 RU2497077 C1 RU 2497077C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- outputs
- splitter
- phase
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к гироскопической и контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости (ВОИУС).The present invention relates to gyroscopic and instrumentation and can be used in the development of fiber-optic angular velocity meters (VOIUS).
Измерительный канал аналогичного ВОИУС описан в книге: А.Г. Шереметьев. Волоконно-оптический гироскоп. М., Радио и связь, 1987, стр.40-43, 120-147.The measuring channel of a similar VOIUS is described in the book: A.G. Sheremetyev. Fiber optic gyroscope. M., Radio and Communications, 1987, pp. 40-43, 120-147.
Все волоконные ВОИУС, выполненные по схеме минимальной структуры, при наличии вспомогательной и компенсирующей обратной связи, на основе встроенного волоконно-оптического фазового модулятора, должны обеспечивать низкий уровень случайного дрейфа, высокую чувствительность и линейность выходной характеристики ВОИУС.All fiber WOIUS, made according to the minimal structure scheme, in the presence of auxiliary and compensating feedback, based on the built-in fiber-optic phase modulator, should provide a low level of random drift, high sensitivity and linearity of the output characteristic of WOIUS.
Однако уровень случайного дрейфа, чувствительность, стабильность и линейность масштабного коэффициента ВОИУС зависит от температуры, габаритно-массовых характеристик и диапазона измеряемой скорости. В этих случаях снижение случайного дрейфа осуществимо, например, путем стабилизации оптических характеристик источника излучения. Улучшению чувствительности, стабильности и линейности масштабного коэффициента измерительных каналов ВОИУС могут способствовать некоторые схемотехнические решения, реализованные при разработке устройств преобразования и выделения оптического сигнала поступившего на фотоприемник.However, the level of random drift, sensitivity, stability and linearity of the VOIUS scale factor depends on temperature, overall mass characteristics and the range of the measured speed. In these cases, a decrease in random drift is feasible, for example, by stabilizing the optical characteristics of the radiation source. Improving the sensitivity, stability, and linearity of the scale factor of the measuring channels of VOIUS can be facilitated by some circuitry solutions implemented in the development of devices for converting and isolating the optical signal received at the photodetector.
Известен малогабаритный трехосный волоконно-оптический измеритель угловой скорости (патент №2142118 от 29.06.1998 г.).Known small-sized triaxial fiber-optic meter of angular velocity (patent No. 2142118 from 06.29.1998).
Основным недостатком ВОИУС, описанного в патенте №2142118, является низкая надежность и высокая себестоимость при многоканальном исполнении измерителя на основе оптических интегральных схем.The main disadvantage of the VOIUS described in patent No. 2142118 is its low reliability and high cost in multi-channel design of the meter based on optical integrated circuits.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявленному техническому решению является волоконно-оптический измеритель угловой скорости (патент №2112927 от 03.08.1994 г.).The closest analogue in the set of essential features to the claimed technical solution is a fiber-optic angular velocity meter (patent No. 2112927 from 03.08.1994).
Данный волоконно-оптический измеритель угловой скорости содержит последовательно оптически связанные источник излучения, деполяризатор, устройство расщепления-соединения излучения и измерительный волоконный контур, а также фазовый модулятор вспомогательной модуляции, фазовый модулятор компенсирующей модуляции, первый и второй фотоприемные модули, устройство преобразования и выделения сигнала, вход которого соединен с выходом первого фотоприемного модуля, волоконный контур выполнен из одножильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушки с симметричной намоткой относительно середины общей длины, фазовые модуляторы выполнены на концах измерительного волоконного контура путем намотки световода на середину пьезокерамических преобразователей со скруткой каждого витка на π рад, устройство расщепления-соединения излучения выполнено в виде последовательно оптически связанных входного разветвителя, поляризатора и контурного разветвителя, из двухжильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации, источник излучения выполнен в виде широкополосного суперлюминесцентного диода, оптически связанного через деполяризатор с входным разветвителем, второй выход которого оптически связан через фотодиод второго фотоприемного модуля с входом источника излучения, а третий - с фотодиодом первого фотоприемного модуля с дифференциальным выходом, устройство преобразования и выделения сигнала содержит последовательно соединенные дифференциальные полосовые усилители с разделительными конденсаторами на дифференциальных выходах, фазочувствительный выпрямитель и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом измерителя, а также источник вторичного питания, усилитель-преобразователь синусоидального напряжения высокой частоты, усилитель-преобразователь синусоидального напряжения низкой частоты и многоканальный формирователь синхронизирующих импульсов, при этом фазочувствительный выпрямитель выполнен по схеме двойного синхронного детектирования и содержит суммирующий интегратор с подключенными к его входам двумя синхронными детекторами, каждый усилитель-преобразователь синусоидального напряжения содержит цепь из последовательно соединенных интегратора, один из входов которого является входом усилителя-преобразователя, модулятора и полосового усилителя, выход которого является выходом усилителя-преобразователя, охваченную отрицательной обратной связью, включающей выпрямитель, причем выходы формирователя синхронизирующих импульсов соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, синхронных детекторов фазочувствительного выпрямителя, модуляторов и выпрямителей усилителей-преобразователей синусоидального напряжения высокой и низкой частоты, выходы которых соединены с фазовыми модуляторами вспомогательной и компенсирующей модуляции соответственно, а вход усилителя преобразователя синусоидального напряжения низкой частоты соединен с вторым выходом фазочувствительного выпрямителя, при этом синхронизирующие импульсы на управляющих входах фазочувствительного выпрямителя имеют длительность менее полупериода и сдвинуты относительно друг друга на нечетное число полупериодов частоты модулирующего сигнала фазового модулятора вспомогательной модуляции, а частота модулирующего сигнала фазового модулятора компенсирующей модуляции много меньше и кратна частоте модулирующего сигнала фазового модулятора вспомогательной модуляции.This fiber-optic angular velocity meter contains sequentially optically coupled radiation source, a depolarizer, a radiation splitting-connection device and a measuring fiber circuit, as well as an auxiliary modulation phase modulator, compensating modulation phase modulator, first and second photodetector modules, a signal conversion and isolation device, the input of which is connected to the output of the first photodetector module, the fiber circuit is made of single-core anisotropic single-mode light with the conservation of polarization in the form of a coil with symmetrical winding relative to the middle of the total length, phase modulators are made at the ends of the measuring fiber circuit by winding the fiber into the middle of the piezoelectric transducers with twist of each turn by π rad, the radiation splitting-connection device is made in the form of sequentially optically connected input a splitter, a polarizer and a contour splitter, from a two-wire anisotropic single-mode fiber with preservation of polarization, The radiation nickel is made in the form of a broadband superluminescent diode optically coupled through a depolarizer to an input splitter, the second output of which is optically coupled through a photodiode of the second photodetector module to the input of the radiation source, and the third to the photodiode of the first photodetector module with differential output, the signal conversion and isolation device contains series-connected differential strip amplifiers with isolation capacitors at the differential outputs, phase detector a rectifier and an analog-to-digital converter, the output of which is the output of the meter, as well as a secondary power source, a high-frequency sinusoidal voltage converter, a low-frequency sinusoidal voltage amplifier and a multi-channel synchronizing pulse shaper, while the phase-sensitive rectifier is made according to a double synchronous circuit detection and contains a summing integrator with two synchronous detectors connected to its inputs, each amplifier The sinusoidal voltage spruce converter comprises a circuit from a series-connected integrator, one of the inputs of which is the input of the amplifier-converter, modulator and strip amplifier, the output of which is the output of the amplifier-converter, covered by negative feedback including a rectifier, and the outputs of the generator of synchronizing pulses are connected to control inputs of an analog-to-digital converter, synchronous detectors of a phase-sensitive rectifier, modulators and rectifier amplifiers-converters of high and low frequency sinusoidal voltage, the outputs of which are connected to the phase modulators of auxiliary and compensating modulation, respectively, and the input of the amplifier of the low frequency sinusoidal voltage converter is connected to the second output of the phase-sensitive rectifier, while the synchronizing pulses at the control inputs of the phase-sensitive rectifier have a duration of less than half-periods and are shifted relative to each other by an odd number of half-periods of frequency the modulating signal of the phase modulator of the auxiliary modulation, and the frequency of the modulating signal of the phase modulator of the compensating modulation is much less and a multiple of the frequency of the modulating signal of the phase modulator of the auxiliary modulation.
Основным недостатком описанного ВОИУС являются повышенное энергопотребление при многоканальном исполнении бесплатформенного инерциального блока на волоконно-оптических гироскопах, а также недопустимый уровень нелинейности и температурной нестабильности масштабного коэффициента.The main disadvantage of the described VOIUS is the increased energy consumption during multi-channel execution of the strapdown inertial unit on fiber-optic gyroscopes, as well as an unacceptable level of non-linearity and temperature instability of the scale factor.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергопотребления ВОИУС, а также снижение погрешности масштабного коэффициента с сохранением дрейфа на уровне 1 град/ч при низкой себестоимости.The objective of the invention is to reduce the energy consumption of VOIUS, as well as reducing the error of the scale factor while maintaining the drift at the level of 1 deg / h at low cost.
Сущность изобретения заключается в том, что волоконно-оптический измеритель угловой скорости, содержащий два усилителя-преобразователя (УП1 и УП2), формирователь синхронизирующих импульсов (ФСИ), волоконный контур, два фазовых модулятора, установленных на концах волоконного контура, последовательно и оптически связанные входной разветвитель, поляризатор и контурный разветвитель, двумя выходами оптически связанный с концами волоконного контура, деполяризатор, приемный модуль (ПМ), источник излучения, выход которого оптически связан через деполяризатор с первым входом входного разветвителя, фотоприемный модуль (ФПМ), своим фотодиодом оптически связанный со вторым выходом входного разветвителя, фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), входами связанный с соответствующими выходами ФПМ, а выходом связанный с входом УП2, выходы ФСИ соединены с соответствующими управляющими входами УП1, УП2 и ФЧВ, согласно изобретению, введен коммутатор, входами связанный соответственно с выходами УП1 и УП2, при этом ПМ выходом связан с входом источника излучения имеющего встроенный фотодиод, выходом связанный с входом ПМ, управляющий вход которого соединен с ФСИ, третий управляющий вход УП2 связан с ФСИ, выходы коммутатора соединены соответственно с обоими выводами встречно-параллельного соединения фазовых модуляторов, управляющий вход коммутатора соединен с ФСИ.The essence of the invention lies in the fact that the fiber-optic angular velocity meter, containing two amplifier transducers (UP1 and UP2), a synchronization pulse shaper (PSI), a fiber circuit, two phase modulators mounted on the ends of the fiber circuit, are serially and optically connected to the input a splitter, a polarizer and a contour splitter, with two outputs optically coupled to the ends of the fiber circuit, a depolarizer, a receiving module (PM), a radiation source whose output is optically coupled through h depolarizer with the first input of the input splitter, a photodetector module (FPM), optically coupled by its photodiode to the second output of the input splitter, a phase-sensitive rectifier (PCF), inputs connected to the corresponding outputs of the FPM, and the output connected to input UP2, the outputs of the FSI are connected to the corresponding control according to the invention, a switch is introduced by the inputs UP1, UP2 and the PCF, the inputs are connected respectively to the outputs of UP1 and UP2, while the PM output is connected to the input of a radiation source having a built-in photodiode, Odom connected to the input of the PM, the control input of which is connected to SIF, the third control input connected with UP2 SIF, the switch outputs connected respectively to both terminals antiparallel compound phase modulators, a switch control input coupled to the SIF.
Предлагаемое изобретение поясняется схемами, приведенными на Фиг.1÷8.The invention is illustrated by the schemes shown in figure 1 ÷ 8.
На Фиг.1 приведена структурная схема ВОИУС при многоканальном использовании, каждый канал которого включает оптическую цепь, содержащую, соединенные путем сварки С1÷С6, источник излучения 1 с встроенным фотодиодом, деполяризатор 2, входной разветвитель 3, поляризатор 4, контурный разветвитель 5, измерительный волоконный контур 6 с фазовыми модуляторами 7 и 8, и управляемый приемный модуль 9, а также, устройство преобразования и выделения оптического сигнала, содержащее фотоприемный модуль 10, фазочувствительный выпрямитель 11, усилитель-преобразователь 12 пилообразного напряжения компенсирующей фазовой модуляции, коммутатор 13. В ВОИУС также входят: усилитель-преобразователь 15 синусоидального напряжения вспомогательной фазовой модуляции и формирователь синхронизирующих импульсов 16. Источник вторичного питания 14 (не входит в состав ВОИУС) предназначен для питания элементов.Figure 1 shows the structural diagram of VOIUS for multi-channel use, each channel of which includes an optical circuit containing, connected by welding C1 ÷ C6, a
В каждом канале предлагаемого ВОИУС в качестве источника излучения 1 со встроенным фотодиодом типа ФД-271 используется суперлюминисцентный диод (СЛД) типа ИЛПН-330-1ж, характеризующийся достаточно высокой оптической мощностью, вводимой в отрезок одномодового волокна, и приемлемым соотношением сигнал/шум за счет уменьшения уровня шумов, связанных с обратным рэлеевским рассеянием и эффектом Керра.In each channel of the proposed VOIUS, a super-luminescent diode (SLD) of the ILPN-330-1zh type is used as a
Деполяризатор вводится в оптическую цепь для снижения дрейфа выходного сигнала ВОИУС путем сварки C1 с выходным торцем СЛД и сварки С2 со входом входного разветвителя. Деполяризатор изготовлен их двух отрезков анизотропного световода.The depolarizer is introduced into the optical circuit to reduce the drift of the VOIUS output signal by welding C 1 with the output end of the SLD and welding C 2 with the input of the input splitter. The depolarizer is made of two pieces of anisotropic fiber.
Между входным разветвителем изготовленным из одномодового изотропного световода и контурным разветвителем, изготовленным из одномодового анизотропного световода типа D- волокно, вводится путем сварки С3 и С4 поляризатор. Поляризатор выполнен из отрезка с большим двулучепреломлением одножильного одномодового анизотропного световода.Between an input splitter made of a single-mode isotropic optical fiber and a contour splitter made of a single-mode anisotropic fiber of the D-fiber type, a C 3 and C 4 polarizer is introduced by welding. The polarizer is made of a segment with large birefringence of a single-core single-mode anisotropic fiber.
Измерительный волоконный контур соединен с выходами контурного разветвителя 5 через фазовые модуляторы 7 и 8, сформированные на выводных концах контура 6. Модуляторы, выполнены путем намотки световода анизотропного на пьезокерамические цилиндрические преобразователи.The measuring fiber circuit is connected to the outputs of the contour splitter 5 through
На Фиг.2 представлен приемный модуль (ПМ), выполненный в виде последовательно соединенных усилителя У1 с дифференциальным входом, являющимся первым входом ПМ, суммирующего усилителя У2 (подключенного инвертирующим входом) и усилителя мощности УЗ (на базе эмиттерного повторителя по схеме Дарлингтона), выходом соединенного с катодом источника излучения 1, анод которого соединен через резистор R10 с инвертирующим входом усилителя У2, а через эталонный резистор R11 с общей шиной. Источник излучения 1 соединен через встроенный фотодиод (преобразующий излучение в электрический сигнал) с первым входом ПМ, который управляющим входом соединен с соответствующим выходом формирователя синхронизирующих импульсов (ФСИ). Инвертирующий вход усилителя У2 через резистор R8 соединен с входом питания ПМ и с отсекающей цепочкой из параллельно соединенных конденсатора С и стабилитрона VD1. Резистор R8 шунтируется низкоомным резистором R9 через ключ 1к, управляющий вход которого является управляющим входом ПМ.Figure 2 shows the receiving module (PM), made in the form of series-connected amplifier U1 with a differential input, which is the first input of the PM, summing amplifier U2 (connected by an inverting input) and power amplifier UZ (based on the emitter follower according to Darlington's circuit), output connected to the cathode of the
На Фиг.3 приведена схема фотоприемного модуля (ФПМ), содержащая цепь из фотодиода с обратно приложенным напряжением смещения и двух полосовых усилителей, выполненных по дифференциальной схеме с разделительным конденсатором на симметричных входах и выходах. Фотодиод типа ФД-2 оптически связан через многомодовый световод со вторым выходом входного разветвителя.Figure 3 shows a diagram of a photodetector module (FPM) containing a circuit of a photodiode with a bias voltage applied back and two strip amplifiers made according to a differential circuit with an isolation capacitor at symmetrical inputs and outputs. A photodiode of type FD-2 is optically coupled through a multimode fiber to the second output of the input splitter.
На Фиг.4 приведена схема фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ), содержащая суммирующий интегратор У1, два синхронных детектора Д1 и Д2 на основе ключей 1к и 2к, управляющие входы которых являются соответственно первым и вторым управляющими входами ФЧВ, и запоминающих конденсаторов C1 и С2. Выборка-хранение сигналов с симметричных выходов ФПМ осуществляется детекторами Д1 и Д2 управляемыми синхроимпульсами Ф5 и Ф6. Сигналы UД1 и UД2 с выхода повторителей П1 и П2 суммируются на У1.Figure 4 shows a phase-sensitive rectifier (PCF) containing a summing integrator U1, two synchronous detectors D1 and D2 based on keys 1k and 2k, the control inputs of which are the first and second control inputs of the PCF, and storage capacitors C 1 and C 2 . Sampling and storage of signals from the FPM symmetric outputs is carried out by detectors D1 and D2 controlled by clock pulses F5 and F6. The signals U D1 and U D2 from the output of repeaters P1 and P2 are summed to U1.
На Фиг.5 приведена принципиальная схема усилителя-преобразователя пилообразного напряжения компенсирующей фазовой модуляции (УП2) и коммутатора. УП2 содержит цепь из последовательно соединенных суммирующего интегратора на основе операционного усилителя У2, инвертирующий вход (является входом УП2) которого через резистор R2 соединен с выходом ФЧВ, первого ключа 1к, управляющий вход которого является первым управляющим входом УП2, сглаживающей RC-цепочки и интегро-дифференцирующего звена, содержащего операционный усилитель У3 в не инвертирующем включении с конденсатором в обратной связи (обратная связь: выход У3-конденсатор-инвертирующий вход У3), шунтируемым вторым ключом 2к (шунтирующая цепь и ее связь: выход У3-ключ 2к-резистор R-8-инвертирующий вход У3), управляющий вход которого является вторым управляющим входом УП2. Выход УЗ подключен через третий ключ 3к, управляющий вход которого является третьим управляющим входом УП2, к запоминающей RC-цепочке, выходом подключенной к неинверсному входу термокомпенсирующего усилителя У1, выход которого подключен к инверсному входу У2. Период следования синхроимпульсов на управляющих входах УП2 равен интервалу следования синхроимпульсов на управляющих входах синхронных детекторов ФЧВ, а длительность заряда конденсатора более времени обхода светом измерительного контура.Figure 5 shows a schematic diagram of an amplifier-converter sawtooth voltage compensating phase modulation (UP2) and the switch. UP2 contains a chain of series-connected summing integrator based on the operational amplifier U2, the inverting input (which is the input of UP2) through the resistor R2 is connected to the output of the PCF, the first key 1k, the control input of which is the first control input of the UP2, smoothing the RC-circuit and a differentiating element containing an operational amplifier U3 in a non-inverting connection with a capacitor in feedback (feedback: output U3-capacitor-inverting input U3), shunted by a second key 2k (I bypass main circuit and its connection: output U3-key 2k-resistor R-8-inverting input U3), the control input of which is the second control input UP2. The US output is connected through the third key 3k, the control input of which is the third control input of UP2, to the RC memory circuit, the output connected to the non-inverse input of the temperature compensating amplifier U1, the output of which is connected to the inverse input of U2. The repetition period of the clock pulses on the control inputs of UP2 is equal to the spacing of the clock pulses on the control inputs of the synchronous PSF detectors, and the duration of the capacitor charge is longer than the time taken to bypass the light of the measuring circuit.
Коммутатор, содержит ключи 4к и 5к, управляющие входы которых объединены в управляющий вход коммутатора, соединенным с девятым выходом ФСИ. Ключи обеспечивают соединение либо первого входа, либо второго входа со вторым выходом коммутатора. Первый выход коммутатора не коммутируется и постоянно соединен с первым входом коммутатора. Коммутатор первым и вторым входами соединен соответственно с выходами УП2 и УП1, а первым и вторым выходами соединен соответственно с первым и вторым выводами встречно-параллельного соединения первого и второго фазовых модуляторов (при встречно-параллельном соединении фазовые модуляторы работают в противофазе). Синхроимпульсы Ф9 имеют суммарную длительность (суммарная длительность равна длительности одного Ф9 умноженной на число используемых каналов) равную интервалу следования синхроимпульсов Ф5 и Ф6 на управляющих входах синхронных детекторов Д1 и Д2 ФЧВ.The switch contains keys 4k and 5k, the control inputs of which are combined into the control input of the switch connected to the ninth output of the FSI. The keys provide a connection to either the first input or the second input with the second output of the switch. The first output of the switch is not switched and is constantly connected to the first input of the switch. The switch with the first and second inputs is connected respectively to the outputs of UP2 and UP1, and the first and second outputs are connected, respectively, with the first and second outputs of the on-parallel connection of the first and second phase modulators (when counter-parallel connection, the phase modulators work in antiphase). The F9 clock pulses have a total duration (the total duration is equal to the duration of one F9 times the number of channels used) equal to the interval of the F5 and F6 clock pulses at the control inputs of the synchronous detectors D1 and D2 of the PCF.
На Фиг.6 приведена принципиальная схема усилителя-преобразователя 15 синусоидального напряжения вспомогательной фазовой модуляции (УП1), содержащая цепь из последовательно соединенных суммирующего интегратора У2, на инвертирующий вход которого подается напряжение с источника питания 14, модулятора на основе ключа 1к, управляющий вход которого является первым управляющим входом УП1, первого и второго полосовых усилителей УЗ и У4. Выход У4 является выходом УП1. Цепь охвачена отрицательной обратной связью, содержащей последовательно соединенные выпрямитель на основе запоминающего конденсатора С1 и ключа 2к, управляющий вход которого является вторым управляющим входом УП1, и повторитель У1 на основе операционного усилителя в не инвертирующем включении, выходом соединенный с вторым входом усилителя У2.Figure 6 shows a schematic diagram of an amplifier-
На Фиг.7 приведена функциональная схема ФСИ в виде цепи из последовательно соединенных кварцевого модулятора, делителя частоты и логического устройства формирования управляющих синхроимпульсов, соединенных с управляющими входами УП1 и функциональными узлами многоканального устройства преобразования и выделения сигнала, при этом:Figure 7 shows the functional diagram of the FSI in the form of a chain of series-connected quartz modulator, a frequency divider and a logic device for generating control clock pulses connected to the control inputs UP1 and functional units of a multi-channel signal conversion and isolation device, while:
Ф1 - синхроимпульс типа «меандр» скважностью 2 на первом управляющем входе УП1 с частотой сигнала вспомогательной фазовой модуляции;F1 - a clock signal of the “meander” type with a duty cycle of 2 at the first control input UP1 with the signal frequency of the auxiliary phase modulation;
Ф2 - синхроимпульс на втором управляющем входе УП1 длительностью «лог.0» не более полупериода и частотой, кратной частоте модулирующего сигнала вспомогательной фазовой модуляции;Ф2 - a sync pulse at the second control input UP1 with a “log.0” duration of no more than a half-cycle and a frequency that is a multiple of the frequency of the modulating signal of the auxiliary phase modulation;
Ф3 - синхроимпульс на первом управляющем входе УП2, длительностью «лог.0», более времени обхода светом измерительного контура с момента заряда конденсатора С4 в УП2;F3 - clock on the first control input UP2, duration "log.0", more than the time bypassing the light of the measuring circuit from the moment of charging the capacitor C 4 in UP2;
Ф4 - синхроимпульс на втором управляющем входе УП2, длительностью «лог.1», с момента заряда до момента разряда конденсатора С4 в УП2;F4 - clock on the second control input UP2, duration "log.1", from the moment of charge to the moment of discharge of the capacitor C 4 in UP2;
Ф5, Ф6 - синхроимпульсы, на первом и втором управляющих входах ФЧВ, длительностью «лог.0» менее полупериода сигнала вспомогательной фазовой модуляции и сдвинутые относительно друг друга на нечетное число полупериодов этого сигнала. Момент формирования синхроимпульсов соответствует экстремуму сигнала с ФПМ;F5, F6 - clock pulses at the first and second control inputs of the PCF, the duration of "log.0" is less than a half-period of the auxiliary phase modulation signal and shifted relative to each other by an odd number of half-periods of this signal. The moment of formation of the sync pulses corresponds to the extremum of the signal with the FPM;
Ф7 - синхроимпульс на управляющем входе ПМ типа «меандр» скважностью не менее числа измерительных каналов, частотой много меньше и кратной частоте сигнала вспомогательной фазовой модуляции;F7 - a sync pulse at the control input of the PM type “meander” with a duty cycle of at least the number of measuring channels, a frequency much less and a multiple of the frequency of the auxiliary phase modulation signal;
Ф8 - синхроимпульс на третьем управляющем входе УП2, длительностью «лог.0», не более интервала между моментами окончания заряда и начала разряда конденсатора С4 в УП2;Ф8 - a sync pulse at the third control input UP2, duration “log.0”, no more than the interval between the moments of the end of charge and the beginning of discharge of capacitor C 4 in UP2;
Ф9 - синхроимпульс на управляющем входе коммутатора типа «меандр» скважностью, равной числу измерительных каналов, с периодом следования «лог.1», равным интервалу следования синхроимпульсов на управляющих входах ФЧВ.Ф9 - a sync pulse at the control input of a meander switch with a duty cycle equal to the number of measuring channels with a repetition period of “log.1” equal to the interval of repetition of clock pulses at the control inputs of the PCF.
Измерение угловой скорости по оси чувствительности измерительного канала осуществляется путем формирования в оптической цепи фазовых сдвигов встречных излучений (фазы Саньяка, фазовых сдвигов вспомогательной и компенсирующей модуляции), интерференции и преобразования приращения интенсивности излучения в аналоговый сигнал величиной, пропорциональной скорости по оси чувствительности, и знаком, соответствующим направлению движения.The angular velocity along the sensitivity axis of the measuring channel is measured by generating phase shifts of counterpropagating radiation (Sagnac phase, auxiliary and compensating modulation phase shifts) in the optical circuit, interference and converting the radiation intensity increment into an analog signal with a value proportional to the velocity along the sensitivity axis, and sign corresponding to the direction of movement.
Пусть с момента tо на управляющие входы УП1 с выхода ФСИ подаются импульсы Ф1 и Ф2 частотой кратной частоте импульсов Ф1, при этом на выходе УП1 формируется синусоидальный сигнал Uв вспомогательной фазовой модуляции. С момента t1 при подаче импульса Ф9 на управляющий вход коммутатора, выход УП1, через замкнутый контакт 5 к и фазовые модуляторы, соединяется с выходом УП2. Тем самым на фазовые модуляторы подается сигнал Uв.Let from the moment t о the control inputs of UP1 from the output of the FSI give pulses F1 and Ф2 with a frequency of a multiple frequency of pulses F1, while the output of UP1 generates a sinusoidal signal U in the auxiliary phase modulation. From the moment t 1, when the impulse F9 is applied to the control input of the switch, the output of UP1, through a closed contact 5 k and phase modulators, is connected to the output of UP2. Thus, on the phase modulator supplied signal U in.
С момента t2 на управляющий вход ПМ подается импульс Ф7 (Ф7 подается через интервал равный периоду следования Ф5 и Ф6, длительность Ф7 не более длительности Ф9), и тем самым на источник 1 подается питание. Излучение источника 1 через встроенный фотодиод преобразуется в электрический сигнал, который подается на вход ПМ, выходом соединенного с входом источника 1 и, тем самым, стабилизируется мощность излучения.From time t 2 , the impulse F7 is applied to the control input of the PM (F7 is supplied at an interval equal to the following period of F5 and F6, the duration of F7 is no more than the duration of F9), and thereby power is supplied to
Излучение источника через деполяризатор поступает на входной разветвитель, с выхода которого проходит поляризатор и расщепляется контурным разветвителем на два равных по интенсивности излучения, вводимые с противоположных концов в измерительный контур. При модуляции излучения на входе и выходе контура с учетом времени обхода контура, равного полупериоду Uв формируется разность фаз вспомогательной модуляции. При наличии скорости с момента t3 разность фаз содержит фазу Саньяка. Преобразование суммарной разности фаз в электрический сигнал осуществляется ФПМ, с симметричных выходов которого осуществляется "выборка-хранение" сигнала детекторами 1К и 2К ФЧВ при подаче с момента t4 на его управляющие входы импульсов Ф5 и Ф6. На выходе У1 ФЧВ, через несколько циклов подачи импульса Ф7 на управляющий вход ПМ, формируется сигнал Uвых уровнем пропорциональный измеряемой скорости. Сформированный сигнал оцифровывается и с учетом знака передается в компьютер для вычисления скорости.The radiation from the source through the depolarizer enters the input splitter, from the output of which the polarizer passes and is split by a contour splitter into two radiation equal in intensity, introduced from opposite ends into the measuring circuit. When radiation is modulated at the input and output of the circuit, taking into account the round-trip time equal to the half-period U in , the phase difference of the auxiliary modulation is formed. If there is speed from time t 3, the phase difference contains the Sagnac phase. The conversion of the total phase difference into an electrical signal is carried out by the FPM, from the symmetric outputs of which the signal is "sampled-stored" by the
Преобразование сигнала с У1 ФЧВ осуществляется УП2, формирующим трапецеидальный сигнал Uг с амплитудой и наклоном, определяемым скоростью. При подаче с момента t5 на управляющие входы УП2 импульсов Ф3 и Ф4 заряжается конденсатор С4 до момента t6. При подаче в момент t7 импульса Ф8 на ключ 3К осуществляется выборка-хранение сигнала Uг, в момент t8 конденсатор С4 разряжается. На инвертирующем входе усилителя У2 осуществляется сравнение сигнала Uoс с выхода У1 (Фиг.5) с сигналом Uвых.The signal is converted from U1 of the PCF to UP2, which forms a trapezoidal signal U g with amplitude and slope determined by speed. When applying from the moment t 5 to the control inputs UP2 of pulses F3 and F4, the capacitor C 4 is charged until the moment t 6 . When a pulse F8 is applied to the 3K switch at time t 7, the signal U g is sampled and stored, at time t 8, the capacitor C 4 is discharged. At the inverting input of the amplifier U2, the signal U oc is output from the output U1 (Figure 5) with the signal U o .
Заявленный измеритель угловой скорости, при использовании нескольких измерительных каналов с произвольно расположенными осями чувствительности, может быть использован для построения бескарданной инерциальной навигационной системы. Трехосные системы имеют как правило, ортогональную ориентацию осей чувствительности измерительных каналов. В системах с числом каналов >3 ориентация осей чувствительности может быть неортогональной. При использовании гексады измерителей они располагаются через 60° на пирамиде с углом полураствора ≈55°. В этом случае определение положения объекта в инерциальном пространстве осуществляется с помощью бортового компьютера, обрабатывающего поступающую информацию с каналов измерителя по известным алгоритмам пересчета в базовый трехгранник с помощью матрицы направляющих косинусов. При этом аналоговые выходные сигналы ВОИУС для ввода в бортовой компьютер должны быть преобразованы в цифровую форму. Многоканальность измерителей нужна для обеспечения работоспособности при отказе каналов (до 3-х каналов при использовании гексады).The claimed angular velocity meter, when using several measuring channels with arbitrarily located sensitivity axes, can be used to build a gimballess inertial navigation system. Triaxial systems usually have an orthogonal orientation of the sensitivity axes of the measuring channels. In systems with a channel number> 3, the orientation of the sensitivity axes may be non-orthogonal. When using the hexade meters, they are located at 60 ° on the pyramid with a half-angle of ≈55 °. In this case, the position of the object in the inertial space is determined using the on-board computer that processes the incoming information from the meter’s channels according to well-known algorithms for converting to the basic trihedron using the matrix of guiding cosines. In this case, the analog output signals of VOIUS for input into the on-board computer must be converted to digital form. Multichannel meters are needed to ensure operability in case of channel failure (up to 3 channels when using a hexade).
При многоканальном исполнении, измеритель содержит п измерительных каналов с произвольно заданными осями чувствительности, при этом, каждый канал содержит источник излучения, деполяризатор, входной разветвитель, поляризатор, контурный разветвитель, фазовые модуляторы, волоконный контур, приемный модуль, ФПМ, ФЧВ, УП2 и коммутатор; ФСИ выполнен n-канальным (имеет несколько групп выходов относящихся к соответствующим каналам), обеспечивая смещение по времени управляющих импульсов относительно каждого канала и подачу соответствующих управляющих импульсов на каждый измерительный канал, а выход УП1 связан со вторыми входами каждого коммутатора. Время, необходимое для формирования выходного сигнала измерительного канала мало по сравнению со временем, за которое значение скорости по условию принято считать изменившимся.In multi-channel design, the meter contains n measuring channels with arbitrarily set sensitivity axes, each channel containing a radiation source, a depolarizer, an input splitter, a polarizer, a loop splitter, phase modulators, a fiber loop, a receiving module, FPM, PSF, UP2 and a switch ; The FSI is made n-channel (has several groups of outputs related to the corresponding channels), providing a time offset of the control pulses relative to each channel and the supply of the corresponding control pulses to each measuring channel, and the output UP1 is connected to the second inputs of each switch. The time required for the formation of the output signal of the measuring channel is small compared with the time for which the value of the speed is assumed to be changed.
Технический результат изобретения заключается в снижении энергопотребления и температуры источника излучения путем прерывания напряжения питания, а также в снижении погрешности масштабного коэффициента путем применения квазитрапециедальной формы напряжения компенсирующей фазовой модуляции. При этом снижается себестоимость путем применения фазовых модуляторов на основе пьезокерамических преобразователей и повышается надежность при многоканальном исполнении ВОИУС с неортогональной ориентацией осей чувствительности малогабаритных волоконных контуров.The technical result of the invention is to reduce the power consumption and temperature of the radiation source by interrupting the supply voltage, as well as to reduce the error of the scale factor by applying a quasi-trapezial form of voltage compensating phase modulation. At the same time, the cost is reduced through the use of phase modulators based on piezoceramic transducers and the reliability is increased with the multi-channel VOIUS design with non-orthogonal orientation of the sensitivity axes of small fiber circuits.
Таким образом, заявлен волоконно-оптический измеритель угловой скорости, содержащий первый и второй усилители-преобразователи (УП1 и УП2), формирователь синхронизирующих импульсов (ФСИ), волоконный контур, первый и второй фазовые модуляторы, установленные на концах волоконного контура, оптически связанные входной разветвитель, поляризатор, входом связанный с первым выходом входного разветвителя, и контурный разветвитель, входом связанный с выходом поляризатора, а двумя выходами оптически связанный с концами волоконного контура, деполяризатор, приемный модуль (ПМ), источник излучения, выход которого оптически связан через деполяризатор с первым входом входного разветвителя, фотоприемный модуль (ФПМ), своим фотодиодом оптически связанный со вторым выходом входного разветвителя, фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), первым и вторым входами связанный соответственно с первым и вторым выходами ФПМ, а выходом связанный с входом УП2, с первого по шестой выходы ФСИ соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами УП1, УП2 и ФЧВ, вход УП1 связан с выходом источника питания. Отличительная особенность устройства заключается в том, что введен коммутатор, первым и вторым входом связанный соответственно с выходами УП1 и УП2, при этом ПМ выходом связан с входом источника излучения, который через встроенный фотодиод связан с первым входом ПМ, управляющий вход которого, соединен с седьмым выходом ФСИ, восьмой выход ФСИ соединен с третьим управляющим входом УП2, первый и второй выходы коммутатора соединены соответственно с первым и вторым выводами встречно-параллельного соединения первого и второго фазовых модуляторов, управляющий вход коммутатора соединен с девятым выходом ФСИ.Thus, a fiber-optic angular velocity meter is claimed, comprising first and second amplifier converters (UP1 and UP2), a synchronization pulse shaper (PSI), a fiber circuit, a first and second phase modulators mounted at the ends of the fiber circuit, optically coupled input splitter , a polarizer connected by an input to the first output of the input splitter, and a loop splitter connected by an input to the output of the polarizer, and two outputs optically connected to the ends of the fiber circuit, depot an isolator, a receiving module (PM), a radiation source whose output is optically coupled through a depolarizer to the first input of the input splitter, a photodetector module (FPM), optically coupled by its photodiode to the second output of the input splitter, a phase-sensitive rectifier (PSF), coupled to the first and second inputs respectively, with the first and second outputs of the FPM, and the output connected with input UP2, from the first to the sixth outputs of the FSI are connected respectively to the first and second control inputs UP1, UP2 and PSF, input UP1 is connected to the output source power. A distinctive feature of the device is that a switch is introduced, the first and second input connected respectively to the outputs of UP1 and UP2, while the PM output is connected to the input of the radiation source, which is connected via the built-in photodiode to the first input of the PM, the control input of which is connected to the seventh FSI output, the eighth FSI output is connected to the third control input UP2, the first and second outputs of the switch are connected respectively to the first and second outputs of the anti-parallel connection of the first and second phase modulo s, the switch control input coupled to an output of the ninth SIF.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012118302/28A RU2497077C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Fibre-optic angular speed metre |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012118302/28A RU2497077C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Fibre-optic angular speed metre |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2497077C1 true RU2497077C1 (en) | 2013-10-27 |
Family
ID=49446813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012118302/28A RU2497077C1 (en) | 2012-05-03 | 2012-05-03 | Fibre-optic angular speed metre |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2497077C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626553C1 (en) * | 2016-05-19 | 2017-07-28 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Band amplifier |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0502196A1 (en) * | 1990-08-31 | 1992-09-09 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Optical interference angular velocity meter |
| GB2257513A (en) * | 1991-06-25 | 1993-01-13 | Hitachi Cable | Fiber-optic gyroscope |
| RU2112927C1 (en) * | 1994-08-03 | 1998-06-10 | Производственное объединение "Корпус" | Fibre-optical meter of angular velocity |
| RU2142118C1 (en) * | 1998-06-29 | 1999-11-27 | Производственное объединение "Корпус" | Small-sized three-axes fiber-optical meter of angular velocity |
| RU2227272C2 (en) * | 2002-07-17 | 2004-04-20 | ФГУП ПО "Корпус" | Wide-range fiber-optical meter of angular velocity |
| RU2286581C2 (en) * | 2003-11-18 | 2006-10-27 | ОАО "Уральский приборостроительный завод" | Highly stable angular-rate sensor |
-
2012
- 2012-05-03 RU RU2012118302/28A patent/RU2497077C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0502196A1 (en) * | 1990-08-31 | 1992-09-09 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Optical interference angular velocity meter |
| GB2257513A (en) * | 1991-06-25 | 1993-01-13 | Hitachi Cable | Fiber-optic gyroscope |
| RU2112927C1 (en) * | 1994-08-03 | 1998-06-10 | Производственное объединение "Корпус" | Fibre-optical meter of angular velocity |
| RU2142118C1 (en) * | 1998-06-29 | 1999-11-27 | Производственное объединение "Корпус" | Small-sized three-axes fiber-optical meter of angular velocity |
| RU2227272C2 (en) * | 2002-07-17 | 2004-04-20 | ФГУП ПО "Корпус" | Wide-range fiber-optical meter of angular velocity |
| RU2286581C2 (en) * | 2003-11-18 | 2006-10-27 | ОАО "Уральский приборостроительный завод" | Highly stable angular-rate sensor |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626553C1 (en) * | 2016-05-19 | 2017-07-28 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Band amplifier |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPS6129715A (en) | Device for measuring irreversible phase shift generated in closed loop interferometer | |
| JP5362180B2 (en) | Asynchronous demodulation of fiber optic gyroscope | |
| EP1780506A2 (en) | Interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) using Modulation Technique for real-time calibration of wavelength reference under harsh environment | |
| US5719674A (en) | Process for measuring rotation speeds about several axes, and a multiplexed multi-axial gyrofiber allowing this measurement | |
| Clivati et al. | A large area fiber optic gyroscope on multiplexed fiber network | |
| JP2016535249A (en) | Dynamic monitoring and derivation of interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) instantaneous zero rotational speed voltage under uniform influence of rotational speed | |
| CN101246009B (en) | Digital closed-loop optic fiber gyroscope accidental modulating method based on four-state markov chain | |
| RU2497077C1 (en) | Fibre-optic angular speed metre | |
| CN103105177A (en) | Low-cost method for measuring eigenfrequency of fiber-optic gyroscope | |
| CN103267521A (en) | Method for detecting angular velocity through adopting one-loop two-way bidirectional resonant optical microwaves | |
| CN112797973A (en) | Device and method for improving stability of fiber-optic gyroscope | |
| CN88102068A (en) | Realize that in the Sai Shi interferometer Faraday effect is in order to measure a kind of device of electric current | |
| US5018860A (en) | Fiber optic gyroscope balanced plural serrodyne generators combined signal phase difference control | |
| US8077321B1 (en) | System to reduce gyroscopic errors with limited power supply quality in a fiber optic gyroscope | |
| RU2227272C2 (en) | Wide-range fiber-optical meter of angular velocity | |
| US6211982B1 (en) | Remote sensor with waveguide optics telemetry | |
| RU2112927C1 (en) | Fibre-optical meter of angular velocity | |
| WO2017185226A1 (en) | High-sensitivity fiber-optic current sensing device based on circulation loop | |
| Li et al. | Depolarized FOG with Birefringent Modulation and Its Application in Rotational Seismic Observation | |
| RU2142118C1 (en) | Small-sized three-axes fiber-optical meter of angular velocity | |
| Youmans et al. | Design and performance of a fiber optic gyroscope using integrated optics | |
| CN102944232A (en) | On-line alignment device and on-line alignment method of fiber-optic gyroscope modulating voltage | |
| CN204631101U (en) | A kind of optical-fibre voltage sensor-based system | |
| Chen et al. | A Giant Fiber-Optic Gyroscope with Ultra-Low Bias Instability | |
| Hu et al. | Compact Resonant Fiber-Optic Gyroscope with a Broadband Light Source |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 30-2013 FOR TAG: (72) |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170504 |