RU2547888C1

RU2547888C1 - Method of angular speed determination

Info

Publication number: RU2547888C1
Application number: RU2013155058/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Юрьевич Венедиктов; Юрий Владимирович Филатов; Егор Вадимович Шалымов
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-04-10

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: two beams of coherent optical radiation are created. Each beam is additionally divided to two parts. Using the ring interferometer intensity and phase of only one part of each beam are measured. Input of the measuring beams in the interferometer resonator is performed in mutually opposite directions. Part of first beam passed through the interferometer and rest initial part of the same beam are directed to the first photocell. Part of second beam passed through the interferometer and rest part of the same beam are directed to the second photocell. The angular speed is determined as per difference of natural frequencies of the interferometer resonator for waves bypassing it in mutually opposite directions.

EFFECT: possibility of the angular speed determination upon absence of losses in the ring interferometer resonator or during their compensation.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости, использующим эффект Саньяка, и может быть использовано для измерения угловых скоростей движущихся объектов, например автомобилей, пешеходов и беспилотных летательных аппаратов.The invention relates to the field of measurement technology, and in particular to devices for measuring angular velocity using the Sagnac effect, and can be used to measure the angular velocities of moving objects, such as cars, pedestrians and unmanned aerial vehicles.

Известен способ определения угловой скорости (патент US 5325174) путем формирования двух пучков когерентного оптического излучения П1 и П2 с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучков с помощью кольцевого интерферометра, ввод измерительных пучков в резонатор которого во взаимно противоположных направлениях осуществляют с помощью одной петли оптической связи, а их вывод с помощью другой петли оптической связи, с последующим направлением пучков на фотоприемники ФП1 и ФП2 соответственно, измерения интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники ФП1 и ФП2, определения разности собственных частот резонатора кольцевого интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям, пропорциональной угловой скорости кольцевого интерферометра и определения угловой скорости по величине разности собственных частот.A known method for determining the angular velocity (patent US 5325174) by forming two beams of coherent optical radiation P1 and P2 with a controlled radiation frequency, changing the parameters of the beams using a ring interferometer, the input of the measuring beams into the resonator of which in mutually opposite directions is carried out using one optical communication loop , and their output using another optical communication loop, followed by the direction of the beams to the photodetectors FP1 and FP2, respectively, measuring the intensity of the optical and radiation directed to the photodetectors FP1 and FP2, determining the difference in eigenfrequencies of the resonator of the ring interferometer for waves bypassing it in mutually opposite directions, proportional to the angular velocity of the ring interferometer and determining the angular velocity from the value of the difference in eigenfrequencies.

Недостатком такого способа определения угловой скорости является наличие дополнительной петли оптической связи для вывода измерительных пучков из резонатора кольцевого интерферометра.The disadvantage of this method of determining the angular velocity is the presence of an additional optical communication loop for outputting the measuring beams from the resonator of the ring interferometer.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ определения угловой скорости (патент US 5141315) путем формирования двух пучков когерентного оптического излучения П1 и П2 с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучков с помощью кольцевого интерферометра, ввод измерительных пучков в резонатор которого во взаимно противоположных направлениях и их вывод осуществляют с помощью одной и той же петли оптической связи, с последующим направлением пучков на фотоприемники ФП1 и ФП2 соответственно, измерения интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники ФП1 и ФП2, определения разности собственных частот резонатора кольцевого интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям, пропорциональной угловой скорости кольцевого интерферометра и определения угловой скорости по величине разности собственных частот.The closest set of essential features to the proposed one is the method of determining the angular velocity (patent US 5141315) by forming two beams of coherent optical radiation P1 and P2 with a controlled radiation frequency, changing the parameters of the beams using a ring interferometer, the input of the measuring beams into the resonator of which are mutually opposite directions and their output is carried out using the same optical communication loop, followed by the direction of the beams to the photodetectors FP1 and FP2, respectively of measuring the intensity of the optical radiation directed onto photodetectors OP1 and OP2, the difference determining the natural frequencies of the resonator for a ring interferometer wave bypassing it in mutually opposite directions, proportional to the angular velocity of the ring interferometer and determining the angular velocity of the frequency difference value of its own.

Недостатком такого способа измерения угловой скорости является невозможность определения угловой скорости при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации, что обусловлено отсутствием зависимости интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники ФП1 и ФП2, от его частоты при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации.The disadvantage of this method of measuring the angular velocity is the impossibility of determining the angular velocity in the absence of losses in the resonator of the ring interferometer or when they are compensated, due to the lack of dependence of the intensity of the optical radiation directed to the photodetectors FP1 and FP2 on its frequency in the absence of losses in the resonator of the ring interferometer or at their compensation.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа определения угловой скорости, позволяющего определять ее при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации.The problem solved by the invention is the development of a method for determining the angular velocity, which allows to determine it in the absence of losses in the resonator of the ring interferometer or with their compensation.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, также как и в известном, угловую скорость определяют путем формирования первого и второго пучков когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучков с помощью кольцевого интерферометра, ввод измерительных пучков в резонатор кольцевого интерферометра во взаимно противоположных направлениях и их вывод осуществляют с помощью одной и той же петли оптической связи, с последующим направлением пучков на первый и второй фотоприемники соответственно, измерения интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники, определения разности собственных частот резонатора кольцевого интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям, и определения угловой скорости по величине разности собственных частот. Но в отличие от известного в предлагаемом способе каждый исходный пучок делят на два пучка и с помощью кольцевого интерферометра изменяют параметры только одной из частей каждого исходного пучка, а на каждый фотоприемник направляют часть пучка, прошедшую через интерферометр и оставшуюся часть исходного пучка.The problem is solved due to the fact that in the proposed method, as well as in the known one, the angular velocity is determined by forming the first and second beams of coherent optical radiation with a controlled radiation frequency, changing the parameters of the beams using a ring interferometer, introducing measuring beams into the resonator of a ring interferometer in mutually opposite directions and their output is carried out using the same optical communication loop, followed by the direction of the beams to the first and second photoprots receivers, respectively, measuring the intensity of optical radiation directed to photodetectors, determining the difference in eigenfrequencies of the resonator of a ring interferometer for waves bypassing it in mutually opposite directions, and determining the angular velocity from the value of the difference in eigenfrequencies. But unlike the known method, each source beam is divided into two beams and, using a ring interferometer, the parameters of only one of the parts of each source beam are changed, and a part of the beam passed through the interferometer and the rest of the original beam are directed to each photodetector.

Достигаемым техническим результатом является возможность определения угловой скорости при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации.Achievable technical result is the ability to determine the angular velocity in the absence of losses in the resonator of the ring interferometer or with their compensation.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 представлена схема устройства, в основе работы которого лежит предложенный способ измерения угловой скорости,figure 1 presents a diagram of a device based on the proposed method for measuring angular velocity,

на фиг.2 представлен график, иллюстрирующий зависимость интенсивности излучения падающего на фотоприемник 6 от его частоты,figure 2 presents a graph illustrating the dependence of the intensity of the radiation incident on the photodetector 6 from its frequency,

на фиг.3 представлен график, иллюстрирующий зависимость интенсивности излучения, падающего на фотоприемник 8 от его частоты.figure 3 presents a graph illustrating the dependence of the intensity of the radiation incident on the photodetector 8 from its frequency.

Рассмотрим предлагаемый способ на примере работы устройства его реализующего. Устройство схематично изображено на фиг.1. Оно состоит из лазера 7, оптических ответвителей 2, 5, 7 и 9, фазовых модуляторов 3 и 4, фотоприемников 6 и 8 и кольцевого интерферометра 10, соединенных между собой оптическими волноводами, и вычислительной системы 11. Оптические элементы рассматриваемого устройства могут быть выполнены в виде единой интегрально-оптической схемы. Использование технологии интегральной оптики позволяет уменьшить габаритные размеры и стоимость устройства. Лазер 1 является источником монохроматического когерентного излучения. В качестве лазера 1 может использоваться полупроводниковый лазер. Излучение лазера делится оптическим ответвителем 2 на два пучка П1 и П2. Оптимальным, с точки зрения точности определения угловой скорости, является деление лазерного излучения на два пучка равной интенсивности. В качестве ответвителя 2 может использоваться Y-образный ответвитель. Затем пучки П1 и П2 проходят через фазовые модуляторы 3 и 4 соответственно. Фазовые модуляторы изменяют частоту проходящих через них пучков. Управление фазовыми модуляторами осуществляется вычислительной системой 11. В данном устройстве происходит периодическое изменение частоты по линейному закону. В качестве фазовых модуляторов могут использоваться модуляторы, работающие на основе эффекта Поккельса. Полученные частотно модулированные пучки делят при помощи оптических ответвителей 5 и 7 соответственно. Пучок П1 делят на два пучка П11 и П12, а пучок П2 делят на два пучка П21 и П22. Оптимальным, с точки зрения точности определения угловой скорости, является деление пучков П1 и П2 на пучки равной интенсивности. В качестве ответвителей 5 и 7 могут использоваться Х-образные ответвители, состоящие из двух туннельно-связанных оптических волноводов (расположенных достаточно близко друг к другу, так что световая энергия перекачивается из одного в другой). Затем с помощью кольцевого интерферометра 10 изменяют параметры (интенсивность и фазу) пучков П11 и П21. Ввод измерительных пучков в резонатор этого интерферометра и их вывод осуществляют с помощью одной и той же петли оптической связи. Петля оптической связи может представляет собой направленный оптический ответвитель 9. Оптимальным, с точки зрения точности определения угловой скорости, является оптический ответвитель с коэффициентом в единицы процентов. На фотоприемник 6 направляют пучки П11 и П12, а на фотоприемник 8 пучки П21 и П22. В качестве фотоприемников могут использоваться PIN фотодиоды. Измеряют интенсивность оптического излучения, направленного на фотоприемники 6 и 8. Зависимость интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники 6 и 8 (I₆ и I₈ соответственно), от его частоты наблюдается даже при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации (см. фиг 2 и 3). Собственным частотам резонатора для волн, обходящих его по и против часовой стрелки (f_m,_cw и f_m,ccw соответственно), соответствуют минимумы интенсивности оптического излучения (см. фиг 2 и 3). По минимумам сигналов с фотоприемников вычислительная система 11 определяет собственные частоты, а затем их разность Δf. Известно, что разность собственных частот резонатора кольцевого интерферометра пропорциональна его угловой скорости [Passive fiber-optic ring resonator for rotation sensing / R.E. Meyer, S. Ezekiel, D.W. Stowe and V.J. Tekippe // OPTICS LETTERS / Vol.8, No.12 / December 1983 / p.644]:Consider the proposed method as an example of the operation of a device implementing it. The device is schematically depicted in figure 1. It consists of a laser 7, optical couplers 2, 5, 7 and 9, phase modulators 3 and 4, photodetectors 6 and 8 and a ring interferometer 10 interconnected by optical waveguides, and a computer system 11. The optical elements of the device in question can be made as a single integrated optical circuit. The use of integrated optics technology allows to reduce the overall dimensions and cost of the device. Laser 1 is a source of monochromatic coherent radiation. As the laser 1, a semiconductor laser can be used. The laser radiation is divided by an optical coupler 2 into two beams P1 and P2. Optimal, in terms of the accuracy of determining the angular velocity, is the division of laser radiation into two beams of equal intensity. As a coupler 2, a Y-shaped coupler may be used. Then the beams P1 and P2 pass through phase modulators 3 and 4, respectively. Phase modulators change the frequency of the beams passing through them. The control of phase modulators is carried out by computing system 11. In this device, a periodic change in frequency occurs according to a linear law. As phase modulators, modulators based on the Pockels effect can be used. The obtained frequency modulated beams are divided using optical couplers 5 and 7, respectively. The bundle P1 is divided into two bundles P11 and P12, and the bundle P2 is divided into two bundles P21 and P22. Optimal, in terms of the accuracy of determining the angular velocity, is the division of the beams P1 and P2 into beams of equal intensity. As couplers 5 and 7, X-shaped couplers consisting of two tunnel-coupled optical waveguides (located close enough to each other so that light energy is pumped from one to the other) can be used. Then, using the ring interferometer 10, the parameters (intensity and phase) of the beams P11 and P21 are changed. The input of the measuring beams into the resonator of this interferometer and their output is carried out using the same optical communication loop. The optical coupling loop may be a directional optical coupler 9. Optimal, from the point of view of the accuracy of determining the angular velocity, is an optical coupler with a coefficient of units of percent. Beams P11 and P12 are directed to the photodetector 6, and beams P21 and P22 to the photodetector 8. As photodetectors, PIN photodiodes can be used. The intensity of optical radiation directed to photodetectors 6 and 8 is measured. The dependence of the intensity of optical radiation directed to photodetectors 6 and 8 (I ₆ and I _8, respectively) on its frequency is observed even if there is no loss in the resonator of the ring interferometer or when they are compensated (see Fig. 2 and 3). The eigenfrequencies of the resonator for waves traveling around it clockwise and counterclockwise (f _m , _cw and f _{m, ccw,} respectively) correspond to minima of the intensity of optical radiation (see FIGS. 2 and 3). At the minimum of the signals from the photodetectors, the computing system 11 determines the eigenfrequencies, and then their difference Δf. It is known that the difference in eigenfrequencies of the resonator of a ring interferometer is proportional to its angular velocity [Passive fiber-optic ring resonator for rotation sensing / RE Meyer, S. Ezekiel, DW Stowe and VJ Tekippe // OPTICS LETTERS / Vol.8, No.12 / December 1983 / p.644]:

$Δ f = \frac{4 A}{λ P} Ω$

,

Δ f = \frac{four A}{λ P} Ω

,

где А - площадь, охватываемая контуром резонатора, λ - длина волны, Р - периметр резонатора, Ω - угловая скорость. По величине разности собственных частот вычислительная система определяет угловую скорость.where A is the area covered by the resonator circuit, λ is the wavelength, P is the perimeter of the resonator, and Ω is the angular velocity. The magnitude of the difference in natural frequencies of the computing system determines the angular velocity.

Таким образом описание способа доказывает достижение технического результата - возможность определения угловой скорости при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации.Thus, the description of the method proves the achievement of the technical result - the ability to determine the angular velocity in the absence of losses in the resonator of the ring interferometer or in their compensation.

Claims

The method of determining the angular velocity by forming the first and second beams of coherent optical radiation with a controlled radiation frequency, changing the parameters of the beams using a ring interferometer, introducing the measuring beams into the resonator of the ring interferometer in mutually opposite directions and their output is carried out using the same optical communication loop , followed by the direction of the beams to the first and second photodetectors, respectively, measuring the intensity of the optical radiation directed photodetectors, determining the difference in eigenfrequencies of the resonator of a ring interferometer for waves bypassing it in mutually opposite directions, and determining the angular velocity from the value of the difference in eigenfrequencies, characterized in that each source beam is further divided into two beams and only parameters are changed using a ring interferometer one of the parts of each source beam, and a part of the beam passing through the interferometer and the rest of the source beam are directed to each photodetector.