RU2620933C1

RU2620933C1 - Fiber optic gyroscope with a large dynamic range of measurement of angular speeds

Info

Publication number: RU2620933C1
Application number: RU2016134632A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Курбатов; Роман Александрович Курбатов
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2017-05-30

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: fiber optic gyroscope is a fiber ring interferometer consisting of a sensitive coil and an electronic information processing unit formed by an analog block and a digital electronics unit. The digital electronics unit includes an analog-to-digital converter, a programmable logic integrated circuit and a digital-to-analog converter, as well as the first and second feedback loops. And in the digital block the algorithm of auxiliary phase modulation between optical beams of the ring interferometer is realised, and the feedback loops provide linearity of the output characteristic. Auxiliary phase modulation is performed by changing the auxiliary modulation voltage codes in the digital unit. Using stepwise sawtoothed voltage to compensate for the Sagnac phase difference with phase amplitude of 2π radians.

EFFECT: expansion of dynamic range measurement of angular speeds of the fiber optic gyroscope.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in the design of fiber-optic gyroscopes and other sensors of physical quantities based on single-mode optical fibers.

Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе оптический блок, который представляет собой волоконный кольцевой интерферометр (ВКИ) и электронный блок обработки информации. Оптический блок содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности излучения, интегрально-оптическую схему (далее по тексту - ИОС), многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. ИОС содержит в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. На выходных канальных волноводах располагается фазовый модулятор оптических лучей, проходящих по канальным волноводам. Фазовый модулятор представляет собой металлические электроды, нанесенные по обе стороны канальных волноводов. При подаче на электроды электрического напряжения за счет электрооптического эффекта в материале канальных волноводов изменяется показатель преломления, что приводит к эффекту фазовой модуляции оптических лучей, распространяющихся по канальным волноводам. К выходным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов чувствительной катушки гироскопа.The fiber-optic gyroscope (hereinafter referred to as FOG) contains an optical unit, which is a fiber ring interferometer (FRI) and an electronic information processing unit. The optical unit contains an optical radiation source, a fiber radiation power divider, an integrated optical circuit (hereinafter - IOS), a multi-turn sensitive coil and a photodetector. IOS contains in its composition a Y-divider of the power of optical radiation based on polarizing channel waveguides and a phase modulator located on the output arms of the Y-divider. Channel waveguides of the Y-divider are formed in a lithium niobate substrate using proton-exchange technology, which allows the waveguides to acquire polarizing properties. On the output channel waveguides is a phase modulator of optical rays passing through the channel waveguides. The phase modulator is a metal electrode deposited on both sides of the channel waveguides. When an electric voltage is applied to the electrodes due to the electro-optical effect in the material of the channel waveguides, the refractive index changes, which leads to the effect of phase modulation of the optical rays propagating along the channel waveguides. The ends of the optical fibers of the sensitive gyro coil are docked to the output waveguides of the Y-divider.

На фотоприемнике ВКИ наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно-противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:An interference pattern is formed at the FRI photodetector, formed by two optical beams that have passed the sensitive coil of the gyroscope in two mutually opposite directions. When the ring interferometer rotates between these two beams, due to the Sagnac effect, a phase difference arises, which is expressed as follows:

Φ_c=[4πRL/λc]×Ω,Φ _c = [4πRL / λc] × Ω,

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

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

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

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

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

Таким образом, на фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в видеThus, the optical radiation power at the photodetector can be represented as

,

где Р₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.where P ₀ is the power of the rays interfering at the photodetector.

Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС, используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание равно времени пробега световых лучей ВКИ по световоду чувствительной катушки и составляет величинуTo increase the sensitivity of VOG near zero angular velocities, auxiliary phase modulation is used. To achieve the effect of phase modulation of rays in a ring interferometer using an IOS phase modulator, we use the time delay of the ray fronts interfering on the photodetector while passing through the IOS phase modulator. This time delay is equal to the travel time of the FRI light rays along the fiber of the sensitive coil and is

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.where n ₀ is the refractive index of the material of the fiber of the sensitive coil.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения, следующих с частотой 1/2τ и вносящими разность фаз между лучами ВКИ в виде импульсной последовательности с амплитудами ±π/2 радиан и ±3π/2 радиан [1, 2], ток фотоприемника можно представить в виде:When voltage pulses are applied to the phase modulator that follow with a frequency of 1 / 2τ and introduce the phase difference between the FRI beams in the form of a pulse sequence with amplitudes of ± π / 2 radians and ± 3π / 2 radians [1, 2], the photodetector current can be represented as :

,

где η_ф - токовая чувствительность фотоприемника.where η _f is the current sensitivity of the photodetector.

Далее сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя тока фотоприемника, на выходе которого присутствует напряжение, пропорциональное величинеNext, the signal from the photodetector is fed to the input of the photodetector current amplifier, at the output of which there is a voltage proportional to

,

где R_н - сопротивление нагрузки усилителя тока фотоприемника.where R _n - load resistance of the current amplifier of the photodetector.

В работе [1] предложен способ линеаризации выходной характеристики ВОГ. На фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) подается ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка. Работа ВОГ подробно описана в [2]. С помощью ступенчатого пилообразного напряжения (СПН), подаваемого на фазовый модулятор, вносится управляемая разность фаз между лучами ВКИ, с помощью которой осуществляется компенсация разности фаз Саньяка. С этой целью организуется первый закрытый контур обратной связи (ВОГ с закрытым контуром обратной связи ОС-1) по обнулению сигнала на выходе синхронного детектора сигнала вращения гироскопа. Сигнал на выходе синхронного детектора автоматически обнуляется за счет подбора величины ступеньки СПН. За счет этого выходная характеристика ВОГ становится линейной. Сигнал на выходе усилителя тока фотоприемника в этом случае можно представить в видеIn [1], a method for linearizing the output characteristic of VOG is proposed. At the same time as the auxiliary phase modulation voltage (VFM), a step-like sawtooth voltage is applied to the phase modulator to compensate for the Sagnac phase difference. The work of VOG is described in detail in [2]. Using a step-like sawtooth voltage (SPN) supplied to the phase modulator, a controlled phase difference between the FRI beams is introduced, with which the Sagnac phase difference is compensated. To this end, the first closed feedback loop (FOG with a closed feedback loop OS-1) is organized to reset the signal at the output of the synchronous gyro rotation signal detector. The signal at the output of the synchronous detector is automatically reset by selecting the value of the STS step. Due to this, the output characteristic of the VOG becomes linear. The signal at the output of the photodetector current amplifier in this case can be represented as

,

где Ψ_к - регулируемая разность фаз, которая вносится между лучами ВКИ с помощью СПН при подаче его на фазовый модулятор. where Ψ _k is the adjustable phase difference, which is introduced between the FRI beams using the SPN when applying it to the phase modulator.

Величина разности фаз лучей Ψ_к определяется напряжением одной ступеньки СПН умноженной на эффективность фазового модулятора. Для компенсации разности фаз Саньяка период СПН должен быть бесконечным, что на практике обеспечить невозможно. Для обеспечения конечного периода СПН необходимо производить периодические сбросы СПН, используя свойство периодичности функции синуса. В этой ситуации амплитуда СПН растет во времени до тех пор, пока фаза лучей кольцевого интерферометра с помощью фазового модулятора ИОС не изменится на 2π радиан. В этом случае для разности фаз лучей кольцевого интерферометра должно быть справедливо следующее соотношение:The magnitude of the phase difference of the rays Ψ _k is determined by the voltage of one step of the SPN multiplied by the efficiency of the phase modulator. To compensate for the Sagnac phase difference, the SPN period must be infinite, which in practice cannot be ensured. To ensure the final period of SPN, it is necessary to periodically discharge SPN using the periodicity property of the sine function. In this situation, the amplitude of the SPD increases in time until the phase of the beams of the ring interferometer with the help of the phase modulator of the IOS changes by 2π radians. In this case, for the phase difference of the rays of the ring interferometer, the following relation should be true:

Δϕ=(2π-ψ_к+Φ_с)=(Φ_с-ψ_к).Δϕ = (2π-ψ _k + Φ _s ) = (Φ _s -ψ _k ).

Для выполнения приведенных соотношений необходимо, чтобы сброс СПН производится при достижении его амплитуды U_к, при которой выполняется равенство U_к×η=2π радиан, где η - эффективность фазового модулятора ИОС до уровня, когда фаза лучей кольцевого интерферометра изменяется на величину ψ_к. Для частоты СПН в этом случае справедливо следующее соотношение:To fulfill the above relations, it is necessary that the SPN is reset when its amplitude U _{к is reached} , at which the equality U _к × η = 2π radians is satisfied, where η is the efficiency of the phase IOS modulator to the level when the phase of the rays of the ring interferometer changes by ψ _к . For the frequency of SPN in this case, the following relation is true:

где τ_ст - длительность ступеньки СПН; Ω(t) - угловая скорость вращения.where τ _article - the duration of the steps SPN; Ω (t) is the angular velocity of rotation.

Из приведенного соотношения для частоты СПН следует, что масштабный коэффициент ВОГ зависит от эффективности фазового модулятора, которая имеет большую температурную зависимость. Поэтому при изменении температуры окружающей среды необходимо стабилизировать величину U_к×η на уровне 2π радиан. В дальнейшем эту величину будем называть фазовой амплитудой СПН. Масштабный коэффициент ВОГ стабилизируется за счет регулировки амплитуды СПН. Амплитуда СПН регулируется путем выделения сигнала рассогласования, частота которого равна частоте СПН. Сигнал рассогласования появляется на фотоприемнике при изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС. Во время части периода СПН осуществляется вспомогательная фазовая модуляция (ВФМ) с амплитудами +/- π/2 радиан, а во время остальной части периода СПН с амплитудами -/+ 3π/2 радиан и поэтому суммарный размах амплитуд ВФМ в течение одного периода СПН должен быть равен 2π радиан, то есть должен быть равен фазовой амплитуде СПН. При изменении эффективности фазовых модуляторов фазовая амплитуда СПН становится отличной от 2π радиан и на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования (CP) на частоте СПН, который выделяется вторым детектором. При изменении фазовой амплитуды СПН с помощью регулятора обнуляется CP на выходе второго детектора. Таким образом организовывается второй контур обратной связи (контур ОС-2). В этом случае для частоты СПН справедливо следующее соотношение:From the above relation for the SPN frequency, it follows that the scaling coefficient of the VOG depends on the efficiency of the phase modulator, which has a large temperature dependence. Therefore, when the ambient temperature changes, it is necessary to stabilize the value of U _к × η at the level of 2π radians. In the future, this quantity will be called the phase amplitude of the SPN. The FOG scale factor is stabilized by adjusting the amplitude of the SPN. The amplitude of the SPN is regulated by isolating the error signal, the frequency of which is equal to the frequency of the SPN. The mismatch signal appears on the photodetector when the efficiency of the phase modulators of the IOS changes. During the part of the SPN period, auxiliary phase modulation (WFM) is performed with amplitudes of +/- π / 2 radians, and during the rest of the period of SPN with amplitudes - / + 3π / 2 radians, and therefore the total amplitude amplitude of the WFM during one SPN period should be equal to 2π radians, that is, it must be equal to the phase amplitude of the SPN. When the efficiency of the phase modulators changes, the phase amplitude of the SPD becomes different from 2π radians and a mismatch signal (CP) appears on the photodetector at the SPN frequency, which is emitted by the second detector. When changing the phase amplitude of the SPN using the regulator, the CP at the output of the second detector is reset. In this way, a second feedback loop (OS-2 loop) is organized. In this case, for the frequency of SPN the following relation is true:

f_n(t)=[2R/λn₀]×Ω(t).f _n (t) = [2R / λn ₀ ] × Ω (t).

В результате работы контура ОС-2 масштабный коэффициент ВОГ не зависит от изменений эффективности фазовых модуляторов ИОС.As a result of the operation of the OS-2 circuit, the VOG scale factor does not depend on changes in the efficiency of the phase-modulated IOS.

Так как частота CP зависит от частоты СПН (а фактически от угловой скорости), то это создает определенные сложности при работе контура ОС-1. При изменении параметров напряжения ВФМ при малых угловых скоростях наблюдается неустойчивая работа контура ОС-1, следствием чего является образование у ВОГ зоны нечувствительности при измерениях в области малых угловых скоростей. Если определить динамический диапазон измерения угловых скоростей ВОГ как отношение максимальной измеряемой угловой скорости к минимальному ее значению, то наличие зоны нечувствительности приводит к сужению динамического диапазона измерения угловых скоростей гироскопа. Кроме того, при малых угловых скоростях частота CP достаточно невысокая и поэтому быстродействия контура ОС-2 может быть недостаточно для надежной стабилизации масштабного коэффициента ВОГ, что в конечном счете может привести к снижению точности ВОГ при достаточно быстрых изменениях эффективности фазовых модуляторов ИОС.Since the CP frequency depends on the frequency of the SPN (and actually on the angular velocity), this creates certain difficulties when operating the OS-1 circuit. When the WFM voltage parameters are changed at low angular velocities, an unstable operation of the OS-1 circuit is observed, which results in the formation of a dead zone in the FOG during measurements in the region of low angular velocities. If we define the dynamic range of measurement of the angular velocity of the VOG as the ratio of the maximum measured angular velocity to its minimum value, then the presence of a dead zone leads to a narrowing of the dynamic range of measurement of the angular velocity of the gyroscope. In addition, at low angular velocities, the CP frequency is rather low and, therefore, the speed of the OS-2 circuit may not be sufficient for reliable stabilization of the FOG scale factor, which may ultimately lead to a decrease in FOG accuracy with sufficiently rapid changes in the efficiency of the phase-modulated IOS.

Известен ВОГ, в котором для стабилизации масштабного коэффициента [3, 4, 5] ВФМ осуществляется с амплитудами ±(π±Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ, где n=1, 2, 3…. Сигнал на фотоприемнике в режиме разомкнутого контура ОС-1 можно представить в виде:FOG is known, in which, to stabilize the scale factor [3, 4, 5], the WFM is performed with amplitudes ± (π ± Δ) radians, where Δ = π / 2 ⁿ , where n = 1, 2, 3 .... The signal at the photodetector in the open-loop mode OS-1 can be represented as:

.

Сигнал на фотоприемнике содержит СВ, CP и их постоянную составляющую. СВ выделяется первым детектором и с помощью СПН обнуляется (контур ОС-1). При изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС на фотоприемнике наблюдается СР. CP выделяется с помощью второго детектора и обнуляется путем изменения амплитуд ВФМ (контур ОС-2). CP имеет постоянную, достаточно высокую частоту, которая сравнима с частотой СВ, и поэтому контур ОС-2 имеет высокое быстродействие, которое позволяет с высокой эффективностью добиваться стабилизации масштабного коэффициента ВОГ при измерении малых угловых скоростей.The signal at the photodetector contains CB, CP and their constant component. CB is highlighted by the first detector and is reset to zero using the SPN (loop OS-1). With a change in the efficiency of the phase modulators of the IOS at the photodetector, SR is observed. CP is allocated using the second detector and is reset by changing the amplitudes of the WFM (OS-2 circuit). CP has a constant, sufficiently high frequency, which is comparable to the SW frequency, and therefore the OS-2 circuit has a high speed, which allows high-efficiency stabilization of the FOG coefficient when measuring small angular velocities.

Для устранения зоны нечувствительности гироскопа при измерении малых угловых скоростей формируется напряжение ВФМ с постоянной во времени фазой, что позволяет обеспечить стабильную во времени разность фаз оптических лучей в кольцевом интерферометре ВОГ. Стабильная во времени разность фаз позволяет, в свою очередь, достигнуть устойчивости работы контура ОС-1 [6] и устранить зону нечувствительности ВОГ. Параметр Δ ВФМ с помощью выбора кодов выходного цифроаналогового преобразователя (ЦАП) подбирается таким образом, чтобы напряжение старшего разряда ЦАП, при подаче которого на фазовый модулятор ИОС фаза лучей кольцевого интерферометра ϕ_л изменялась на π радиан. При таком выборе параметра Δ и при напряжении старшего разряда ЦАП, изменяющим с помощью фазового модулятора фазу ϕ_л оптических лучей на π радиан, стабильную во времени разность фаз оптических лучей и СПН с фазовой амплитудой 2π радиан сформировать невозможно. Поэтому для компенсации разности фаз Саньяка используется СПН с фазовой амплитудой 2Δ радиан, которая также позволяет сохранять неизменной постоянную составляющую сигналов СВ и CP при сбросе СПН, как и СПН с фазовой амплитудой 2π радиан. Но в этом случае сброс СПН необходимо проводить в определенные полупериоды СВ. Предположим что используется для компенсации разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой +2Δ радиан. Для сброса СПН необходимо использовать полупериод СВ, в котором разность фаз лучей, которая формируется напряжением ВФМ, должна иметь значения +(π-Δ) и -π+Δ) и в этом случае постоянная составляющая сигналов СВ и CP остается неизменной при сбросе СПН в любой из этих τ-интервалов СВ (τ - время пробега лучей по световоду чувствительной катушки). Но в момент сброса СПН на каком-то τ-м интервале СВ угловая скорость меняет свой знак. Это приводит к частичной потере информации при измерении угловой скорости при детектировании первым детектором, но при условии, что полупериод СВ имеет более трех τ-интервалов, полной потери информации не происходит. Таким образом, при формировании разности фаз лучей с постоянными во времени параметрами для устранения зоны нечувствительности фазовая амплитуда СПН меньше 2π радиан, что приводит к уменьшению диапазона измерения угловых скоростей ВОГ. В данном случае сужение динамического диапазона измерения угловых скоростей происходит из-за снижения значения максимально измеряемой угловой скорости.To eliminate the dead zone of the gyroscope when measuring small angular velocities, a VFM voltage with a time-constant phase is formed, which allows a phase difference of optical rays to be stable in time in the FOG ring interferometer. The time-stable phase difference allows, in turn, to achieve the stability of the operation of the OS-1 circuit [6] and eliminate the dead zone of VOG. Using the selection of codes for the output digital-to-analog converter (DAC), the Δ VFM parameter is selected in such a way that the voltage of the high-order digit of the DAC, when it is applied to the IOS phase modulator, the phase of the rays of the ring interferometer ϕ _l changes to π radians. With this choice of the Δ parameter and with a high-voltage voltage of the DAC, which changes the phase ϕ _{l of} optical rays by π radian using a phase modulator, it is impossible to form a time-stable phase difference between optical rays and SPN with a phase amplitude of 2π radians. Therefore, to compensate for the Sagnac phase difference, an SPN with a phase amplitude of 2Δ radians is used, which also allows you to keep the constant component of the CB and CP signals unchanged when resetting the SPN, as well as an SPN with a phase amplitude of 2π radians. But in this case, the discharge of SPN must be carried out at certain half-periods of CB. Suppose that it is used to compensate for the phase difference Sagnac SPN with a phase amplitude of + 2Δ radians. To reset the STD, it is necessary to use the CB half-cycle in which the phase difference of the rays, which is formed by the voltage of the WFM, must have the values + (π-Δ) and -π + Δ) and in this case the constant component of the ST and CP signals remains unchanged when the STD is reset to any of these τ-intervals of CB (τ is the travel time of the rays along the fiber of the sensing coil). But at the moment of the SPN discharge, at some τth interval of the NE, the angular velocity changes its sign. This leads to a partial loss of information when measuring the angular velocity during detection by the first detector, but provided that the CB half-period has more than three τ-intervals, complete loss of information does not occur. Thus, when the phase difference of the rays with time-constant parameters is formed to eliminate the deadband, the phase amplitude of the SPD is less than 2π radians, which leads to a decrease in the range of measurement of the angular velocity of the FOG. In this case, the narrowing of the dynamic range of measurement of angular velocities occurs due to a decrease in the value of the maximum measurable angular velocity.

Целью настоящего изобретения является расширение динамического диапазона измерения угловых скоростей волоконно-оптического гироскопа.The aim of the present invention is to expand the dynamic range of measurement of angular velocities of a fiber optic gyroscope.

Указанная цель достигается тем, что обеспечивают стабильность во времени разности фаз вспомогательной фазовой модуляции между оптическими лучами в кольцевом интерферометре гироскопа путем изменения кодов напряжения вспомогательной фазовой модуляции в цифровом блоке, при этом коды изменяют так чтобы при подаче напряжения старшего разряда цифроаналогового преобразователя на фазовый модулятор интегрально-оптической схемы кольцевого интерферометра изменение фазы лучей ϕ_л удовлетворяла условию ϕ_л≥[(π+Δ)/2+π] радиан, при этом используют ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка с фазовой амплитудой 2π радиан.This goal is achieved in that they provide stability over time of the phase difference of the auxiliary phase modulation between the optical beams in the ring gyroscope interferometer by changing the codes of the voltage of the auxiliary phase modulation in the digital unit, while the codes are changed so that when the high voltage of the digital-to-analog converter is applied to the phase modulator integrally -optical ring interferometer phase change circuit rays φ satisfies the condition φ _l _l ≥ [(π + Δ) / 2 + π] radians, thus using t stepwise ramp voltage to compensate for the Sagnac phase difference with the phase amplitude 2π radians.

Волоконно-оптический гироскоп отличается тем, что для увеличения максимально измеряемой угловой скорости волоконно-оптического гироскопа в алгоритме обработки информации используют счетчик числа переходов при изменении величины разности фаз Саньяка ±πn радиан, где число переходов n=0, 1, 2, 3, … .A fiber-optic gyroscope is characterized in that in order to increase the maximum measured angular velocity of a fiber-optic gyroscope, the information processing algorithm uses a counter of the number of transitions when the Sagnac phase difference changes ± πn radians, where the number of transitions is n = 0, 1, 2, 3, ... .

Волоконно-оптический гироскоп отличается также тем, что диапазон измерения угловых скоростей разбивают на два поддиапазона, в первом из которых компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют с помощью ступенчатого пилообразного напряжения с фазовой амплитудой 2Δ радиан, а во втором поддиапазоне с помощью пилообразного ступенчатого напряжения с фазовой амплитудой 2π радиан.The fiber-optic gyroscope is also characterized in that the angular velocity measurement range is divided into two subranges, in the first of which the Sagnac phase difference is compensated using a step-like sawtooth voltage with a phase amplitude of 2Δ radians, and in the second subband using a sawtooth step-like voltage with a phase amplitude 2π rad.

Увеличение динамического диапазона измерения угловых скоростей волоконно-оптического гироскопа достигается за счет устранения зоны нечувствительности при компенсации разности фаз Саньяка с помощью СПН с фазовой амплитудой 2π радиан и увеличения максимальной измеряемой угловой скорости путем использования счетчика переходов при компенсации разности фаз Саньяка через каждые π радиан.An increase in the dynamic range of measuring the angular velocities of a fiber-optic gyroscope is achieved by eliminating the dead zone when compensating for the Sagnac phase difference using a SPN with a phase amplitude of 2π radians and increasing the maximum measured angular velocity by using a transition counter to compensate for the Sagnac phase difference after every π radians.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с большим диапазоном измерения угловых скоростей. На Фиг. 2 - суммарное напряжение ВФМ и СПН, претерпевающее автоматический сброс в моменты времени, когда оно начинает вносить разность фаз более 2π рад. На Фиг. 3 показаны рабочие точки волоконно-оптического гироскопа с большим диапазоном измерения угловых скоростей. На Фиг. 4 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с высокой чувствительностью. На Фиг. 5 показано формирование сигнала на фотоприемнике волоконно-оптического гироскопа с большой чувствительностью к вращению. На Фиг. 6 показаны рабочие точки волоконно-оптического гироскопа на кривой косинуса в отсутствие работы и при работе второго контура обратной связи (ОС-2).The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a block diagram of a fiber optic gyroscope with a large range of angular velocity measurements. In FIG. 2 - the total voltage of the VFM and SPN, which undergoes an automatic reset at times when it begins to introduce a phase difference of more than 2π rad. In FIG. 3 shows the operating points of a fiber optic gyroscope with a large range of angular velocity measurements. In FIG. 4 shows a block diagram of a high-sensitivity fiber optic gyroscope. In FIG. Figure 5 shows the signal formation at the photodetector of a fiber-optic gyroscope with great sensitivity to rotation. In FIG. 6 shows the operating points of the fiber-optic gyroscope on the cosine curve in the absence of work and during the operation of the second feedback loop (OS-2).

На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с большим диапазоном измерения угловых скоростей [1, 2]. Излучение от источника 1 поступает на вход волоконного разветвителя излучения 2. Излучение с выхода разветвителя затем поступает на вход интегрально-оптической схемы (ИОС) 3. ИОС содержит в своем составе Y-разветвитель излучения на основе канальных волноводов, сформированных в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет получать волноводы, обладающие поляризующими свойствами. На выходных плечах Y-разветвителя сформирован фазовый модулятор путем нанесения металлических электродов по обе стороны от канальных волноводов. При подаче на электроды электрического напряжения в области канальных волноводов возникает электрическое поле. При наличии напряженности электрического поля в ниобате лития изменяются его электрооптические коэффициенты и фаза оптических лучей, распространяющихся по волноводу также изменяется. Далее входное излучение делится на два луча одинаковой интенсивности, которые, в свою очередь, поступают в световод чувствительной катушки 4 и распространяются по нему в двух взаимно-противоположных направлениях. Таким образом, один луч проходит световод чувствительной катушки по часовой стрелке, а второй луч - против часовой стрелки. В результате между ними возникает разность фаз Саньяка при вращении чувствительной катушки. Далее эти два луча, прошедшие чувствительную катушку, объединяются Y-разветвителем в один луч, который через волоконный разветвитель поступает на фотоприемник 5. На площадке фотоприемника наблюдается интерференционная картина лучей, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно-противоположных направлениях. Сигнал с выхода фотоприемника поступает на вход дифференциального усилителя тока фотоприемника 6. Далее сигнал с выхода усилителя поступает на вход цифроаналогового преобразователя 7, с выхода которого он проступает на вход цифрового блока сервисной электроники 8. Цифровой блок выполняется либо на основе микропроцессора либо на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). В цифровом блоке организованы два контура обратной связи. Первый контур обратной связи (ОС-1) предназначен для линеаризации выходной характеристики ВОГ. Он содержит детектор СВ 9, регулятор (РЕП) 10 величины ступеньки СПН и генератор СПН 11. Второй контур обратной связи содержит детектор CP 12, регулятор 13 (РЕГ2) и генератор кода напряжения ВФМ. Коды с генераторов СПН и напряжения ВФМ поступают на вход сумматора 15, далее объединенный код СПН и напряжения ВФМ поступают на вход ЦАП 16. Напряжение с выхода ЦАП поступает на вход операционного усилителя 17, напряжение с выхода которого поступает на электроды фазового модулятора ИОС. С помощью изменения величины ступеньки СПН код на выходе первого детектора обнуляется и таким образом код ступеньки СПН является мерой угловой скорости. В волоконно-оптическом гироскопе [1, 2] используется ВФМ с амплитудами ±π/2 радиан и ±3/2π радиан. В результате на фотоприемнике сигнал имеет три составляющие: СВ, CP и их постоянную составляющую. Постоянная составляющая сигналов на выходе дифференциального усилителя компенсируется с помощью подачи на его второй вход постоянного напряжения с выхода низкочастотного фильтра 18. В качестве низкочастотного фильтра используется интегратор. Период ВФМ связан с периодом СПН. Часть периода СПН ВФМ осуществляется с амплитудами ±π/2 радиан, а оставшаяся его часть с амплитудами ±3/2π радиан. На Фиг. 2 показано суммарное напряжение ВФМ и СПН, претерпевающее автоматический сброс в моменты времени, когда оно начинает вносить разность фаз более 2π рад 19 [1, 2]. При изменении эффективности фазового модулятора при изменении температуры окружающей среды фазовая амплитуда СПН становится отличной от 2π радиан и масштабный коэффициент ВОГ также изменяется, т.е. он становится зависимым от температуры. При изменении эффективности фазового модулятора на выходе второго детектора появляется CP, период которого равен периоду СПН. Таким образом, период CP является функцией угловой скорости. При появлении CP РЕГ2 изменяет опорный ток ЦАП с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнала) и обнуляет CP на выходе второго детектора и таким образом формируется контур ОС-2, предназначенный для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ. Максимальное значение угловой скорости, которое можно измерить определяется фазовой амплитудой СПН. СПН может содержать для компенсации разности фаз Саньяка не менее двух ступенек, таким образом, максимальная компенсируемая разность фаз Саньяка составляет величину π радиан. Для расширения диапазона измерения угловых скоростей, то есть для компенсации разности фаз Саньяка более чем π радиан, можно воспользоваться периодичностью функции синуса, показанной на Фиг. 3. При достижении разности фаз Саньяка от 0 радиан (в отсутствии вращения, рабочей точкой гироскопа в этом случае является 0) до ±π радиан СВ равен нулю и поэтому при дальнейшем возрастании разности фаз Саньяка рабочая точка с начальной рабочей точки Φ_с=0 радиан по мере увеличения угловой скорости вращения переходит в рабочие точки Φ_с=±nπ радиан 40, где n=1, 2, 3,…, в которых сигнал ВОГ равен нулю без процедуры компенсации разности фаз Саньяка с помощью СПН. В каждой новой рабочей точке направление компенсации разности фаз Саньяка (направление компенсации определяется наклоном фронта СПН, то есть наклон фронта либо возрастающий, либо убывающий) определяется с помощью знака функции синуса при изменении разности фаз Саньяка в ту или другую сторону в окрестности любой из рабочих точек. Таким образом, возможно увеличение максимального значения измеряемой угловой скорости и динамического диапазона измерения в целом путем реализации в алгоритме обработки информации счетчика переходов изменения разности фаз Саньяка через каждые ±π радиан. В этом случае максимальное измеряемое значение диапазона измерения угловых скоростей будет определяться длиной когерентности оптического излучения источника. В предложенном способе обработки информации [1, 2] параметры разности фаз ВФМ обладают нестабильными параметрами во времени и поэтому ВОГ имеет зону нечувствительности в районе нулевых угловых скоростей. Наличие зоны нечувствительности сужает динамический диапазон измерения угловых скоростей.In FIG. 1 shows a block diagram of a fiber optic gyroscope with a large range of angular velocity measurements [1, 2]. The radiation from source 1 goes to the input of the fiber splitter 2. The radiation from the output of the splitter then goes to the input of the integrated optical circuit (IOS) 3. The IOS contains a Y-splitter based on channel waveguides formed in the proton lithium niobate substrate -exchange technology, which allows you to get waveguides with polarizing properties. A phase modulator is formed on the output arms of the Y-coupler by depositing metal electrodes on both sides of the channel waveguides. When an electric voltage is applied to the electrodes, an electric field arises in the region of the channel waveguides. In the presence of an electric field in lithium niobate, its electro-optical coefficients change and the phase of the optical rays propagating along the waveguide also changes. Further, the input radiation is divided into two rays of the same intensity, which, in turn, enter the fiber of the sensitive coil 4 and propagate through it in two mutually opposite directions. Thus, one beam passes the light guide of the sensitive coil clockwise, and the second beam counterclockwise. As a result, a Sagnac phase difference arises between them during rotation of the sensitive coil. Further, these two beams that have passed through the sensitive coil are combined by a Y-splitter into one beam that enters the photodetector 5 through the fiber splitter. At the site of the photodetector, an interference pattern is observed of the rays that passed the sensitive coil in two opposite directions. The signal from the output of the photodetector goes to the input of the differential current amplifier of the photodetector 6. Next, the signal from the output of the amplifier goes to the input of the digital-to-analog converter 7, from the output of which it goes to the input of the digital block of service electronics 8. The digital block is either based on a microprocessor or based on a programmable logic integrated circuit (FPGA). The digital block has two feedback loops. The first feedback loop (OS-1) is intended to linearize the output characteristic of the VOG. It contains a detector CB 9, a regulator (REP) 10 of the SPN step value and an SPN 11 generator. The second feedback loop contains a CP 12 detector, a regulator 13 (REG2) and a VFM voltage code generator. Codes from the SPN generators and the VFM voltage are fed to the input of the adder 15, then the combined SPN code and the VFM voltage are fed to the input of the DAC 16. The voltage from the DAC output is fed to the input of the operational amplifier 17, the voltage from the output of which is supplied to the electrodes of the IOS phase modulator. By changing the value of the STS step, the code at the output of the first detector is reset to zero and thus the STP step code is a measure of the angular velocity. A fiber-optic gyroscope [1, 2] uses a VFM with amplitudes of ± π / 2 radians and ± 3 / 2π radians. As a result, the signal at the photodetector has three components: CB, CP, and their constant component. The constant component of the signals at the output of the differential amplifier is compensated by applying a constant voltage to the second input from the output of the low-pass filter 18. An integrator is used as a low-pass filter. The period of the WFM is associated with the period of SPN. Part of the period of the SPF VFM is carried out with amplitudes ± π / 2 radians, and the remaining part with amplitudes ± 3 / 2π radians. In FIG. Figure 2 shows the total voltage of the WFM and SPN, which undergoes an automatic reset at times when it begins to introduce a phase difference of more than 2π rad 19 [1, 2]. With a change in the efficiency of the phase modulator with a change in the ambient temperature, the phase amplitude of the SPN becomes different from 2π radians and the scale factor of the FOG also changes, i.e. it becomes temperature dependent. When the efficiency of the phase modulator changes, a CP appears at the output of the second detector, the period of which is equal to the period of the STD. Thus, the period CP is a function of angular velocity. When CP appears, REG2 changes the DAC reference current using a pulse-width modulated signal (PWM signal) and resets the CP to the output of the second detector, and thus, an OS-2 loop is formed to stabilize the FOG scale factor. The maximum value of the angular velocity that can be measured is determined by the phase amplitude of the SPN. SPN can contain at least two steps to compensate for the Sagnac phase difference, so the maximum compensated Sagnac phase difference is π radians. To expand the range of measurement of angular velocities, that is, to compensate for the Sagnac phase difference by more than π radians, one can use the periodicity of the sine function shown in FIG. 3. When the Sagnac phase difference reaches from 0 radians (in the absence of rotation, the working point of the gyroscope in this case is 0) to ± π, the CB radian is equal to zero and therefore, with a further increase in the Sagnac phase difference, the working point from the initial operating point Φ _c = 0 radians as the angular velocity of rotation increases, it passes to the operating points Φ _c = ± nπ radian 40, where n = 1, 2, 3, ..., in which the FOG signal is equal to zero without the Sagnac phase difference compensation procedure using the SPN. At each new operating point, the direction of compensation of the Sagnac phase difference (the direction of compensation is determined by the inclination of the STS front, i.e., the front slope is either increasing or decreasing) is determined by the sign of the sine function when the Sagnac phase difference changes in one direction or another in the vicinity of any of the operating points . Thus, it is possible to increase the maximum value of the measured angular velocity and the dynamic range of measurement as a whole by implementing in the information processing algorithm a counter of transitions of the Sagnac phase difference change every ± π radians. In this case, the maximum measured value of the angular velocity measurement range will be determined by the coherence length of the optical radiation of the source. In the proposed information processing method [1, 2], the WFM phase difference parameters have unstable parameters in time and therefore the FOG has a deadband in the region of zero angular velocities. The presence of a dead zone narrows the dynamic range of measurement of angular velocities.

На Фиг. 4 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с высокой чувствительностью к вращению. В гироскопе используется ВФМ с амплитудами ±[π±Δ] радиан и второй контур обратной связи ОС-2, который включает в свой состав второй детектор 22, регулятор 23, который управляет опорным током ЦАП и генератор кода напряжения ВФМ 24. Для компенсации постоянной составляющей тока фотоприемника используется третий контур обратной связи (контур ОС-3), в состав которого входит третий детектор 25, формирующий код постоянной составляющей сигнала на выходе АЦП. Третий детектор выделяет сумму сигналов на двух полупериодах СВ. Код с выхода третьего детектора поступает на вход третьего регулятора (РЕГ3) 26. Для компенсации постоянной составляющей в цифровом блоке формируется ячейка постоянного кода 27, который затем поступает на вход второго ЦАП 28. Регулятор РЕГ3 управляет опорным током второго ЦАП таким образом, чтобы код на выходе третьего детектора поддерживался равным нулю. На Фиг. 5 показано формирование сигнала на фотоприемнике волоконно-оптического гироскопа с большой чувствительностью к вращению. Генератор кода ВФМ вместе с ЦАП и операционным усилителем формируют напряжение ВФМ 29, которое подается с выхода операционного усилителя на электроды фазовых модуляторов ИОС. Фазовый модулятор ИОС вносит между лучами кольцевого интерферометра разность фаз 30. Интенсивность излучения на фотоприемнике является функцией косинуса 31 от разности фаз ВФМ и постоянного фазового смещения между лучами 32, которое вызывается эффектом Саньяка. В результате на фотоприемнике появляется сигнал вида 33. При изменении эффективности фазовых модуляторов изменяется амплитуда ВФМ. Изменение амплитуды ВФМ 34 приводит к образованию на фотоприемнике CP 35. При наличии вращения гироскопа и изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС на фотоприемнике присутствует комплексный сигнал, который имеет три составляющих, а именно сигналы СВ 36, CP 37 и их постоянную составляющую 38. CP имеет постоянную частоту и не зависит от частоты СПН, то есть частота CP не зависит от угловой скорости вращения. Наличие CP на выходе второго детектора свидетельствует об изменении масштабного коэффициента гироскопа, так как изменилась эффективность фазовых модуляторов ИОС. При выборе параметра Δ ВФМ из ряда Δ=π/2ⁿ радиан, где n=1, 2, 3…, для устранения зоны нечувствительности формируется напряжение ВФМ со стабильными во времени параметрами, а компенсация разности фаз Саньяка в этом случае осуществляется СПН с фазовой амплитудой 2Δ радиан. Напряжение старшего разряда ЦАП при этом соответствует значению, при котором фазовым модулятором ИОС фаза оптических лучей ϕ_л изменяется на π радиан. При такой цене старшего разряда для обеспечения большого диапазона измерения угловых скоростей невозможна компенсация разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой 2π радиан. Таким образом, в гироскопе данного типа устраняется зона нечувствительности, что расширяет динамический диапазон измерения угловых скоростей, но он ограничивается верхним значением измеряемой угловой скорости, так как отсутствует возможность компенсации разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой 2π радиан.In FIG. 4 shows a block diagram of a fiber optic gyro with high sensitivity to rotation. The gyroscope uses a VFM with amplitudes ± [π ± Δ] radians and a second feedback loop OS-2, which includes a second detector 22, a regulator 23, which controls the DAC reference current and a VFM voltage code generator 24. To compensate for the DC component the photodetector current, a third feedback loop (OS-3 loop) is used, which includes a third detector 25, which generates a code for the DC component of the signal at the ADC output. The third detector selects the sum of the signals at two half-cycles of the CB. The code from the output of the third detector is fed to the input of the third regulator (REG3) 26. To compensate for the DC component, a constant code cell 27 is formed in the digital unit, which is then fed to the input of the second DAC 28. The REG3 regulator controls the reference current of the second DAC so that the code on the output of the third detector was maintained equal to zero. In FIG. Figure 5 shows the signal formation at the photodetector of a fiber-optic gyroscope with great sensitivity to rotation. The VFM code generator, together with the DAC and the operational amplifier, generates the VFM 29 voltage, which is supplied from the output of the operational amplifier to the electrodes of the phase-modulated IOS. An IOS phase modulator introduces a phase difference 30 between the beams of the ring interferometer. The radiation intensity at the photodetector is a function of cosine 31 from the phase difference of the WFM and the constant phase displacement between the beams 32, which is caused by the Sagnac effect. As a result, a signal of the form 33 appears on the photodetector. As the phase modulator efficiency changes, the amplitude of the WFM changes. A change in the amplitude of the WFM 34 leads to the formation of a CP 35 on the photodetector. In the presence of gyroscope rotation and a change in the efficiency of phase IOS modulators, a complex signal is present on the photodetector, which has three components, namely CB 36, CP 37 signals and their constant component 38. CP has a constant frequency and does not depend on the frequency of the SPN, that is, the frequency CP is independent of the angular velocity of rotation. The presence of CP at the output of the second detector indicates a change in the scale factor of the gyroscope, since the efficiency of the phase modulators of the IOS has changed. When the Δ WFM parameter is selected from the series Δ = π / 2 ⁿ radians, where n = 1, 2, 3 ..., to eliminate the dead zone, the WFM voltage with time-stable parameters is formed, and in this case, the Sagnac phase difference is compensated by a phase-coupled detector amplitude 2Δ radians. The voltage of the high-order DAC in this case corresponds to the value at which the phase of the optical rays ϕ _l changes by the phase modulator of the IOS by π radian. At such a high-order price, to ensure a large range of angular velocity measurements, it is impossible to compensate for the Sagnac SPN phase difference with a phase amplitude of 2π radians. Thus, a dead zone is eliminated in this type of gyroscope, which extends the dynamic range of angular velocity measurements, but it is limited to the upper value of the measured angular velocity, since there is no way to compensate for the Sagnac phase difference of the SPN with a phase amplitude of 2π radians.

Для получения возможности компенсации разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой 2π радиан необходимо увеличивать цену старшего разряда ЦАП, то есть с помощью старшего разряда ЦАП фазовый модулятор ИОС должен сдвигать фазу оптических лучей ϕ_л более чем на π радиан. Это возможно при условии работы контура ОС-2 при произвольном выборе кода амплитуд напряжения ВФМ. На Фиг. 6 показаны рабочие точки волоконно-оптического гироскопа на кривой функции косинуса в отсутствие работы и при работе второго контура обратной связи (ОС-2). При произвольном выборе кодов амплитуд ВФМ ±(π-Δ) и ±(π+Δ) радиан при неработающем контуре ОС-2 рабочие точки располагаются в точках 39, 40. При работе контура ОС-2 рабочие точки перемещаются в точки 41, 42 и они размещаются за счет подбора напряжения старшего разряда U_ЦАП с помощью изменения опорного тока ЦАП на прямой 43, определяющей постоянную составляющую СВ и СР. В этом случае должны быть справедливы следующие исходные уравнения:In order to be able to compensate for the phase difference of the Sagnac SPN with a phase amplitude of 2π radians, it is necessary to increase the price of the high-order DAC, that is, using the high-order DAC, the phase IOS modulator must shift the phase of the optical rays ϕ _{l by} more than π radians. This is possible under the condition that the OS-2 circuit operates with an arbitrary choice of the code for the amplitudes of the VFM voltage. In FIG. 6 shows the operating points of the fiber-optic gyroscope on the curve of the cosine function in the absence of work and during the operation of the second feedback loop (OS-2). With an arbitrary choice of the WFM amplitude codes ± (π-Δ) and ± (π + Δ) radians with an idle OS-2 circuit, the operating points are located at points 39, 40. When the OS-2 circuit is operating, the operating points move to points 41, 42 and they are placed by selecting the highest voltage U of the _DAC by changing the reference current of the DAC to line 43, which determines the DC component of the CB and SR. In this case, the following initial equations should be valid:

[К^-/К₀]×U_ЦАП×η=(π-Δ),[K ^- / K ₀ ] × U _DAC × η = (π-Δ),

2U_ЦАП×η≥(3π+Δ),2U _DAC × η≥ (3π + Δ),

где К₀ - код старшего разряда ЦАП;where K ₀ is the DAC senior code;

К^- - код амплитуды ВФМ (π-Δ) радиан;K ^- is the amplitude code of the WFM (π-Δ) radian;

η - эффективность фазового модулятора ИОС.η is the efficiency of the phase modulator of the IOS.

Второе уравнение определяет напряжение старшего разряда ЦАП, при котором при стабильных во времени фазы напряжения ВФМ может быть сформировано для компенсации разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой, равной 2π радиан.The second equation determines the voltage of the high-order DAC, at which, at a time-stable phase, the WFM voltage can be formed to compensate for the Sagnac phase difference of the SPN with a phase amplitude of 2π radians.

Если использовать К^- как параметр, то справедливы следующие соотношения, вытекающие из приведенных выше уравнений:If K ^{is used} as a parameter, then the following relations are valid, resulting from the above equations:

Δ=π-[К₀/К^-]×[U_ЦАП×η],Δ = π- [K ₀ / K ^- ] × [U _DAC × η],

К⁺=К^-[(1+Δ)/(1-Δ)],K ⁺ = K ^- [(1 + Δ) / (1-Δ)],

U_ЦАП×η=[4πК₀]/[2К₀+К^-].U _DAC × η = [4πК ₀ ] / [2К ₀ + К ^- ].

В качестве примера для обеспечения стабильных во времени фазовых параметров напряжения ВФМ и фазовой амплитуды СПН для компенсации разности фаз Саньяка, равной 2π радиан, рассмотрим случай, когда ϕ_л=[(π+Δ)/2+π]: К₀=2¹² (4096, ЦАП имеет 12 разрядов), К^-=2048 (используется как параметр), К⁺=3072, отсюда следует что Δ=0,2π радиана, 2U_ЦАП×η=3,2π радиана, при эффективности фазового модулятора 3,0 рад/В напряжение старшего разряда ЦАП U_ЦАП=1,675 В. Максимальная фазовая амплитуда СПН для компенсации разности фаз Саньяка составит 2π радиан (код фазовой амплитуды СПН должен быть 5120) и при этом имеется возможность сформировать напряжение ВФМ со стабильными во времени фазовыми параметрами с амплитудами ±0,8π и ±1,2π. Данный гироскоп не имеет зоны нечувствительности в области малых угловых скоростей, но при этом он имеет максимально возможный диапазон измерения угловых скоростей, если использовать счет переходов через каждые π радиан, компенсируемой разности фаз Саньяка. Это позволяет значительно увеличить динамический диапазон измерения угловых скоростей. Во всех других случаях выбора К^- из разрешенного ряда для использования СПН с фазовой амплитудой 2π радиан выполняется условие ϕ_л>[(π+Δ)/2+π] радиан.As an example, to ensure the phase parameters of the WFM voltage and the phase amplitude of the SPD that are stable in time to compensate for the Sagnac phase difference of 2π radians, we consider the case when ϕ _l = [(π + Δ) / 2 + π]: K ₀ = 2 ¹² (4096, the DAC has 12 bits), K ^- = 2048 (used as a parameter), K ⁺ = 3072, which implies that Δ = 0.2π radian, 2U _DAC × η = 3.2π radian, with a phase modulator efficiency of 3, 0 rad / V high-voltage voltage of the DAC U _DAC = 1.675 V. The maximum phase amplitude of the SPD to compensate for the Sagnac phase difference is 2π radians (the code of the phase amplitude of the SPD is It should be 5120) and at the same time it is possible to generate a WFM voltage with phase-stable phase parameters with amplitudes of ± 0.8π and ± 1.2π. This gyroscope does not have a dead zone in the region of low angular velocities, but it also has the maximum possible range of angular velocity measurements if we use the count of transitions through every π radians compensated by the Sagnac phase difference. This allows you to significantly increase the dynamic range of measurement of angular velocities. In all other cases, the choice of K ^- from the allowed series for the use of SPN with a phase amplitude of 2π radians satisfies the condition ϕ _l > [(π + Δ) / 2 + π] radians.

Для расширения динамического диапазона можно использовать разбиение всего диапазона измерения угловых скоростей на два поддиапазона измерения. В первом поддиапазоне в области нулевых скоростей используется напряжение ВФМ со стабильными во времени фазовыми параметрами, а компенсация разности фаз Саньяка осуществляется с помощью СПН с фазовой амплитудой U_п×η=2Δ радиан. В этом случае максимально измеряемая угловая скорость соответствует разности фаз Саньяка, равной Δ радиан (две ступеньки СПН), что всегда меньше π радиан и поэтому счет переходов при компенсации разности фаз Саньяка через каждые π радиан для расширения диапазона измерения угловых скоростей здесь невозможен. Поэтому при достижении измерения максимально возможной угловой скорости при использовании напряжения ВФМ со стабильными во времени фазовыми параметрами необходимо проводить измерения во втором поддиапазоне угловых скоростей, в котором компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют с помощью СПН с фазовой амплитудой 2π радиан, при этом возможно использование напряжения ВФМ с изменяющейся во времени фазой и таким образом можно обеспечить максимальный динамический диапазон измерения угловых скоростей. При измерении угловой скорости в первом поддиапазоне интересен случай, когда Δ=π/3 радиан. Это связано с тем, что одним из источников появления зоны нечувствительности являются электрические наводки напряжения ВФМ с выхода усилителя ЦАП на усилитель тока фотоприемника. При детектировании наводок напряжения ВФМ на входе усилителя тока фотоприемника при параметре ВФМ Δ=π/3 радиан ошибки в измерении угловой скорости не возникает, следствием чего является отсутствие зоны нечувствительности у ВОГ из-за электрических наводок. Для обеспечения Δ=π/3 радиан необходимо, чтобы К⁺=2К^-. Например, при К^-=2048 код сброса фазовой амплитуды СПН должен составлять также 2048. В этом случае с помощью напряжения старшего разряда ЦАП, подаваемого на фазовый модулятор ИОС, фаза лучей изменяется на 4/3 π радиан.To expand the dynamic range, you can use the partition of the entire range of measurement of angular velocities into two sub-ranges of measurement. In the first subband, in the region of zero speeds, the WFM voltage with phase-stable phase parameters is used, and the Sagnac phase difference is compensated using an SPN with a phase amplitude U _p × η = 2Δ radians. In this case, the maximum measurable angular velocity corresponds to a Sagnac phase difference equal to Δ radians (two steps of the SPN), which is always less than π radians, and therefore, the transition count when compensating for the Sagnac phase difference through every π radians to expand the range of measurement of angular velocities is impossible here. Therefore, when reaching the measurement of the maximum possible angular velocity when using a WFM voltage with time-stable phase parameters, it is necessary to carry out measurements in the second sub-range of angular velocities, in which the Sagnac phase difference is compensated using an SPN with a phase amplitude of 2π radians, and it is possible to use the WFM voltage with time-varying phase and thus it is possible to provide the maximum dynamic range of measurement of angular velocities. When measuring the angular velocity in the first subband, the case when Δ = π / 3 radians is interesting. This is due to the fact that one of the sources of the dead zone is the electrical interference of the WFM voltage from the output of the DAC amplifier to the current detector of the photodetector. When detecting the pickups of the WFM voltage at the input of the photodetector current amplifier with the WFM parameter Δ = π / 3, the radian of the error in the measurement of the angular velocity does not occur, which results in the absence of a deadband in the FOG due to electrical pickups. To ensure Δ = π / 3 radians, it is necessary that K ⁺ = 2K ^- . For example, at K ^- = 2048, the phase-amplitude reset code for the SPN should also be 2048. In this case, using the voltage of the highest-order DAC supplied to the phase-modulated IOS, the phase of the rays changes by 4/3 π radians.

Литература.Literature.

1. Lefevre Н.С. et all. «Double closed-loop hybrid fiber gyroscope using digital phase ramp // Optical Fiber Sensors (OFS), 1985, San Diego, CA, January 1, Post Deadline, p. PDS7-1.1. Lefevre N.S. et all. “Double closed-loop hybrid fiber gyroscope using digital phase ramp // Optical Fiber Sensors (OFS), 1985, San Diego, CA, January 1, Post Deadline, p. PDS7-1.

2. Pavlath, G.A. Closed-loop fiber optic gyros // Proc. SPIE. 1996. v. 2837. p.46.2. Pavlath, G.A. Closed-loop fiber optic gyros // Proc. SPIE. 1996. v. 2837. p. 46.

3. A.M. Курбатов, P.A. Курбатов. «Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов» «Гироскопия и Навигация». УДК 531.383 №1(76). 2012, стр. 102÷121.3. A.M. Kurbatov, P.A. Kurbatov. "Ways to improve the accuracy of fiber-optic gyroscopes" "Gyroscopy and Navigation." UDC 531.383 No. 1 (76). 2012, p. 102 ÷ 121.

4. А.М. Курбатов. «О новых путях совершенствования волоконно-оптических гироскопов с открытым и закрытым контуром обратной связи» «Гироскопия и навигация», №1 (88), 2015.4. A.M. Kurbatov. “On new ways to improve fiber-optic gyroscopes with open and closed feedback loops” “Gyroscopy and navigation”, No. 1 (88), 2015.

5. A.M. Курбатов, Р.А. Курбатов. «Волоконно-оптический гироскоп с контуром обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента». Патент РФ №2512599 от 11.02.2014 г. Дата приоритета 24.10.2012 г.5. A.M. Kurbatov, R.A. Kurbatov. “Fiber optic gyroscope with feedback loop to stabilize the scale factor.” RF patent No. 2512599 dated 02/11/2014. Priority date 10.24.2012.

6. А.М. Курбатов. «Способ устранения зоны нечувствительности в волоконно-оптическом гироскопе». Патент РФ №2472111 от 10.01.2013 г., дата приоритета 17.06.2011 г.6. A.M. Kurbatov. "A method for eliminating the dead zone in a fiber optic gyroscope." RF patent No. 2472111 of 01/10/2013, priority date 06/17/2011

Claims

1. Fiber-optic gyroscope with a large dynamic range of measuring angular velocities, containing a fiber ring interferometer, which includes a sensitive coil, integrated optical circuit, a photodetector and an electronic information processing unit, consisting of an analog electronics unit and a digital electronics unit, which includes an analog-to-digital converter, a programmable logic integrated circuit or microprocessor, as well as a digital-to-analog converter, moreover, in a digital block an information processing algorithm is implemented that uses auxiliary phase modulation between the optical beams of a ring interferometer with a modulation depth (π ± Δ) radian, as well as the first and second feedback loops, which provide a linear output characteristic by compensating for the Sagnac phase difference using a sawtooth step voltage with a phase amplitude of 2π radians and stabilization of the scale factor of the gyroscope when changing the efficiency of the phase modulators of the integrated optical circuit, characterized in that they provide stability over time of the phase difference of the auxiliary phase modulation between the optical beams in the ring gyroscope interferometer by changing the codes of the voltage of the auxiliary phase modulation in the digital unit, while the codes are changed so that when the highest voltage of the digital-to-analog converter is applied to the phase modulator, the integral of the optical scheme of the ring interferometer, the change in the phase of the rays ϕ _l satisfies the condition ϕ _l ≥ [(π + Δ) / 2 + π] radians, while using a step saw a typical voltage to compensate for the Sagnac phase difference with a phase amplitude of 2π radians.

2. The fiber-optic gyroscope according to claim 1, characterized in that to increase the maximum measured angular velocity of the fiber-optic gyroscope in the information processing algorithm, a counter of the number of transitions is used when the Sagnac phase difference changes ± πn radians, where the number of transitions is n = 0, 1, 2, 3, ....

3. The fiber-optic gyroscope according to claim 2, characterized in that the angular velocity measurement range is divided into two subranges, in the first of which the Sagnac phase difference is compensated using a step-like sawtooth voltage with a phase amplitude of 2Δ radians, and in the second subrange, with using a sawtooth step voltage with a phase amplitude of 2π radians.