RU2734999C1 - Fiber-optic gyroscope photodetector current stabilization device - Google Patents

Fiber-optic gyroscope photodetector current stabilization device Download PDF

Info

Publication number
RU2734999C1
RU2734999C1 RU2020111898A RU2020111898A RU2734999C1 RU 2734999 C1 RU2734999 C1 RU 2734999C1 RU 2020111898 A RU2020111898 A RU 2020111898A RU 2020111898 A RU2020111898 A RU 2020111898A RU 2734999 C1 RU2734999 C1 RU 2734999C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
photodetector
fiber
current
differential amplifier
Prior art date
Application number
RU2020111898A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Михайлович Курбатов
Роман Александрович Курбатов
Андрей Михайлович Горячкин
Original Assignee
Акционерное общество "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" filed Critical Акционерное общество "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры"
Priority to RU2020111898A priority Critical patent/RU2734999C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2734999C1 publication Critical patent/RU2734999C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: fiber optics.SUBSTANCE: invention relates to fiber optics, in particular to photodetector current stabilization devices and can be used in designing fiber-optic gyroscopes and other physical quantity sensors based on single-mode fiber waveguides. An electronic feedback processing unit of the fiber-optic gyroscope is completed with an additional feedback loop, with a pass band of at least 4 kHz, which includes differential amplifier, current-to-voltage converter, output of which is connected to first input of differential amplifier, a source of stabilized reference voltage, the output of which is connected to the second input of the differential amplifier, and a regulator, the input of which is connected to the output of the differential amplifier, and the output is connected to the power supply unit of the optical radiation source.EFFECT: technical result consists in improvement of accuracy of fiber-optic gyroscope under action of external destabilizing factors due to stabilization of constant component of optical signal on photodetector.1 cl, 4 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 fibers.

Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе оптический блок и электронный блок обработки информации. Оптический блок содержит источник оптического излучения, фотоприемник и волоконный кольцевой интерферометр (далее по тексту ВКИ). В состав ВКИ входят оптический циркулятор, интегрально-оптическая схема (далее по тексту - ИОС), многовитковая чувствительная катушка. 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 канальные волноводы, сформированные в подложке ниобата лития и 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.Fiber-optic gyroscope (hereinafter referred to as FOG) contains an optical unit and an electronic information processing unit. The optical unit contains an optical radiation source, a photodetector, and a fiber ring interferometer (hereinafter referred to as VKI). The FRI includes an optical circulator, an integrated-optical circuit (hereinafter referred to as IOS), and a multi-turn sensitive coil. The IOS contains a Y-power divider of optical radiation based on polarizing channel waveguides and a phase modulator located on the output arms of the Y-divider. The channel waveguides of the Y-divider are formed in the lithium niobate substrate using the proton-exchange technology, which allows the waveguides to acquire polarizing properties. A phase modulator of optical beams passing through the channel waveguides is located on the output channel waveguides. The phase modulator consists of channel waveguides formed in a lithium niobate substrate and metal electrodes deposited on both sides of the channel waveguides. When an electric voltage is applied to the electrodes, the refractive index in the material of the channel waveguides changes due to the electro-optical effect, which leads to the effect of phase modulation of the optical rays propagating along the channel waveguides. The ends of the fibers of the sensitive gyroscope 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 observed on the FRI photodetector, formed by two optical beams that have passed the sensitive gyroscope coil 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:

Figure 00000001
Figure 00000001

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

L - длина световода катушки;L is the length of the coil light guide;

λ - средневзвешенная длина волны излучения источника;λ is the weighted average radiation wavelength of the 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 the gyroscope rotation.

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

Figure 00000002
Figure 00000002

где Р0 - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.where Р 0 is the power of beams interfering on the photodetector.

Мощность Р0 интерферирующих лучей зависит от выходной мощности источника оптического излучения. В ВОГ используются источники оптического излучения с малой длиной когерентности. Это могут быть либо суперлюминесцентные лазерные диоды (СЛД), либо эрбиевые волоконные суперлюминесцентные источники (ЭВСИ). В высокоточных ВОГ преимущественно используются ЭВСИ. В состав ЭВСИ входит эрбиевое волокно, волоконный мультиплексор и лазерный диод накачки эрбиевого волокна. Выходная мощность ЭВСИ определяется выходной мощностью лазерного диода накачки, которая в свою очередь определяется величиной тока лазерного диода накачки. Ток лазерного диода накачки обеспечивается блоком электрического питания ЭВСИ. 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 величину:The power P 0 of the interfering beams depends on the output power of the optical radiation source. The FOG uses sources of optical radiation with a short coherence length. These can be either superluminescent laser diodes (SLDs) or erbium fiber superluminescent sources (EWSS). In high-precision FOGs, EVSI are predominantly used. The EVSI includes an erbium fiber, a fiber multiplexer and a laser diode for pumping an erbium fiber. The output power of the EVSI is determined by the output power of the pump laser diode, which, in turn, is determined by the current of the pump laser diode. The pump laser diode current is provided by the EVSI power supply unit. Auxiliary phase modulation is used to increase the FOG sensitivity near zero angular velocities. To achieve the effect of phase modulation of beams in a ring interferometer using the IOS phase modulator, the time lag of the interfering beams on the photodetector is used when passing the IOS phase modulator. This time delay is equal to the travel time of the FRI light beams through the fiber of the sensitive coil and amounts to:

Figure 00000003
Figure 00000003

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

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) следующих с частотой 1/6 τ [1] ток фотоприемника можно представить в виде:When applying to the phase modulator voltage pulses of auxiliary phase modulation (APM) following with a frequency of 1/6 τ [1], the photodetector current can be represented as:

Figure 00000004
Figure 00000004

где ηф - токовая чувствительность фотоприемника;where η f - current sensitivity of the photodetector;

Δ - параметр ВФМ, определяющий ее амплитуду;Δ is the HFM parameter that determines its amplitude;

Figure 00000005
- амплитуда сигнала вращения ВОГ.
Figure 00000005
is the amplitude of the FOG rotation signal.

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

Figure 00000006
Figure 00000006

где Rн - сопротивление нагрузки усилителя тока фотоприемника;where R n - load resistance of the current amplifier of the photodetector;

Figure 00000007
- сигнал вращения ВОГ.
Figure 00000007
- FOG rotation signal.

В работе [2] 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. С помощью пилообразного напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, вносится управляемая разность фаз между лучами ВКИ, с помощью которой осуществляется компенсация разности фаз Саньяка. С этой целью организуется закрытый контур обратной связи (ВОГ с закрытым контуром обратной связи ОС-1) по обнулению сигнала на выходе демодулятора сигнала вращения гироскопа. Сигнал на выходе демодулятора сигнала вращения автоматически обнуляется за счет подбора величины ступеньки напряжения пилообразного ступенчатого напряжения (СПН). За счет этого выходная характеристика ВОГ становится линейной. Сигнал на выходе усилителя тока фотоприемника в этом случае можно представить в виде:In [2], a method for linearizing the output characteristics of the FOG is proposed. A stepped sawtooth voltage is applied to the phase modulator simultaneously with the auxiliary phase modulation (APM) voltage to compensate for the Sagnac phase difference. With the help of a sawtooth voltage applied to the phase modulator, a controlled phase difference between the FRI beams is introduced, with the help of which the Sagnac phase difference is compensated. For this purpose, a closed feedback loop (FOG with a closed feedback loop OC-1) is organized to zero the signal at the output of the gyroscope rotation signal demodulator. The signal at the output of the rotation signal demodulator is automatically zeroed due to the selection of the voltage step value of the sawtooth step voltage (SPV). Due to this, the output characteristic of the FOG becomes linear. In this case, the signal at the output of the current amplifier of the photodetector can be represented as:

Figure 00000008
Figure 00000008

Эффективность фазового модулятора ИОС имеет сильную зависимость от изменений температуры окружающей среды. Изменения эффективности фазового модулятора ИОС приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ. Для повышения стабильности масштабного коэффициента ВОГ используется второй контур обратной связи [1] (контур ОС-2), на основе второго демодулятора, выделяющего амплитуду сигнала рассогласования, который присутствует на фотоприемнике при изменении эффективности фазового модулятора. С помощью контура ОС-2 производится стабилизация параметра Δ ВФМ.The efficiency of the IOS phase modulator is strongly dependent on changes in the ambient temperature. Changes in the efficiency of the IOS phase modulator leads to instability of the FOG scale factor. To increase the stability of the FOG scale factor, a second feedback loop [1] (OC-2 loop) is used, based on the second demodulator, which selects the amplitude of the error signal that is present on the photodetector when the efficiency of the phase modulator changes. With the help of the OS-2 circuit, the parameter Δ VFM is stabilized.

На фотоприемнике, кроме сигнала вращения и сигнала рассогласования присутствует постоянная составляющая этих сигналов, амплитуды которых жестко связаны с ее величиной. Для повышения чувствительности ВОГ усилитель тока фотоприемника должен иметь большой коэффициент усиления и поэтому постоянная составляющая общего сигнала на фотоприемнике приводит усилитель в состояние насыщения. Для обеспечения работоспособности усилителя необходима компенсация постоянной составляющей сигнала на входе усилителя и как следствие на его выходе. Для компенсации постоянной составляющей сигнала на выходе усилителя организован третий контур обратной связи (контур ОС-3) на основе третьего демодулятора, который выделяет постоянную составляющую на выходе усилителя тока фотоприемника [3]. С помощью контура ОС-3 формируется напряжение, которое подается на второй вход дифференциального усилителя тока фотоприемника (на первый вход подается общий сигнал с фотоприемника, который содержит сигнал вращения, сигнал рассогласования и их постоянную составляющую) с целью обнуления на выходе усилителя постоянной составляющей общего сигнала ВОГ.On the photodetector, in addition to the rotation signal and the mismatch signal, there is a constant component of these signals, the amplitudes of which are rigidly related to its value. To increase the sensitivity of the FOG, the current amplifier of the photodetector must have a large gain, and therefore the constant component of the total signal at the photodetector brings the amplifier to a saturation state. To ensure the operability of the amplifier, it is necessary to compensate for the constant component of the signal at the input of the amplifier and, as a consequence, at its output. To compensate for the DC component of the signal at the amplifier output, a third feedback loop (OC-3 circuit) is organized on the basis of the third demodulator, which selects the DC component at the output of the photodetector current amplifier [3]. With the help of the OS-3 circuit, a voltage is formed, which is fed to the second input of the differential current amplifier of the photodetector (a common signal from the photodetector is fed to the first input, which contains a rotation signal, an error signal and their constant component) in order to zero the constant component of the total signal at the amplifier output FOG.

Считается, что в ВОГ с замкнутым контуром ОС-1 выходной сигнал не зависит от изменений постоянной составляющей оптической мощности излучения на фотоприемнике, если они происходят в небольших пределах и медленно меняются по сравнению с быстродействием контура ОС-1. Однако экспериментальные данные свидетельствуют в пользу того, что такая зависимость все же имеет место при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например, при изменении температуры окружающей среды, воздействии вибраций, радиации и т.д. Допустим, что в ВОГ имеет место некое паразитное смещение угловой скорости, которое можно ввести в правую часть уравнения для контура ОС-1[4]:It is believed that in a FOG with a closed loop OS-1, the output signal does not depend on changes in the constant component of the optical radiation power at the photodetector if they occur within small limits and change slowly compared to the speed of the OS-1 circuit. However, experimental data indicate that such a dependence still takes place under the influence of external destabilizing factors, for example, when the ambient temperature changes, vibrations, radiation, etc. Let us assume that in the FOG there is a certain parasitic displacement of the angular velocity, which can be introduced into the right side of the equation for the OS-1 circuit [4]:

Figure 00000009
Figure 00000009

где Фs (t) - разность фаз Саньяка;where Ф s (t) is the Sagnac phase difference;

Фk (t) - разность фаз компенсирующая разность фаз Саньяка, вносимая фазовым модулятором при подаче на него ступенчатого пилообразного напряжения;Ф k (t) is the phase difference compensating for the Sagnac phase difference introduced by the phase modulator when a stepped sawtooth voltage is applied to it;

G(t) - ширина полосы контура ОС-1;G (t) - bandwidth of the OS-1 contour;

t - время;t is time;

θ(t) - паразитная величина, которая определяется паразитной разностью фаз лучей в кольцевом интерферометре ВОГ, смещением на выходе усилителя тока фотоприемника, а также искажениями сигнала вращения, которые определяются несовершенствами характеристик фазового модулятора. Здесь также учитывается, что из-за изменений постоянной составляющей оптического излучения на фотоприемнике от времени зависит и ширина полосы ВОГ (G). Если эти изменения малы и медленны во времени, то для устоявшегося режима (t>>G) и постоянной угловой скорости вращения решение уравнения для контура ОС-1 выглядит следующим образом:θ (t) is a parasitic quantity, which is determined by the parasitic phase difference of the beams in the ring interferometer of the FOG, the bias at the output of the photodetector current amplifier, as well as distortions of the rotation signal, which are determined by imperfections in the characteristics of the phase modulator. It is also taken into account that, due to changes in the constant component of optical radiation at the photodetector, the FOG bandwidth (G) also depends on time. If these changes are small and slow in time, then for the steady state (t >> G) and constant angular velocity of rotation, the solution to the equation for the OS-1 contour looks like this:

Figure 00000010
Figure 00000010

Здесь все производные величины θ(t) считаются очень малыми в силу того, что она медленно зависит от времени. Также для Q(t) справедливо соотношение:Here, all derivatives of the quantity θ (t) are considered very small due to the fact that it slowly depends on time. Also for Q (t) the following relation is valid:

Figure 00000011
Figure 00000011

где P0(t) оптическая мощность на фотоприемнике, зависящая от времени;where P 0 (t) is the optical power at the photodetector, depending on time;

χ(t) - токовая чувствительность фотоприемника, зависящая от времени.χ (t) is the time-dependent current sensitivity of the photodetector.

Ошибка измерения угловой скорости зависит от изменения θ(t), A, P0(t). Паразитное смещение θ(t) минимизируется за счет устранения паразитных эффектов в оптических компонентах ВКИ. Параметр ВФМ Δ стабилизируется за счет работы контура ОС-2. Таким образом, основным недостатком известной конструкции высокоточного ВОГ является нестабильность нулевого сигнала (снижение его точности) из-за нестабильности амплитуды сигнала вращения ВОГ, которая определяется величиной Q(t)=P0(t)χ{t). Стабильность амплитуды сигнала вращения ВОГ зависит от выходной мощности источника излучения, изменений потерь оптического излучения в оптических компонентах ВКИ и при изменении токовой чувствительности фотоприемника при изменении температуры окружающей среды, а также от воздействия вибраций и воздействия радиационного облучения на источник излучения и оптические компоненты ВКИ. Основным недостатком известных схем обработки информации [4] является то, что при изменении токовой чувствительности фотоприемника, изменении потерь оптической мощности излучения в компонентах оптической схемы ВКИ при воздействии внешних дестабилизирующих факторов изменяется амплитуда сигнала вращения и как следствие это приводит к нестабильности нулевого сигнала ВОГ, то есть к ухудшению его точности.The angular velocity measurement error depends on the change in θ (t), A, P 0 (t). The parasitic displacement θ (t) is minimized by eliminating parasitic effects in the optical components of the FRI. The VFM parameter Δ is stabilized due to the operation of the OS-2 circuit. Thus, the main disadvantage of the known design of a high-precision FOG is the instability of the zero signal (a decrease in its accuracy) due to the instability of the amplitude of the FOG rotation signal, which is determined by the value Q (t) = P 0 (t) χ {t). The stability of the amplitude of the FOG rotation signal depends on the output power of the radiation source, changes in the optical radiation loss in the optical components of the FRI and upon a change in the current sensitivity of the photodetector with a change in the ambient temperature, as well as on the effect of vibrations and radiation on the radiation source and optical components of the FRI. The main disadvantage of the known information processing schemes [4] is that when the current sensitivity of the photodetector changes, the optical power loss in the components of the FRI optical circuit changes under the influence of external destabilizing factors, the amplitude of the rotation signal changes and, as a consequence, this leads to the instability of the zero signal of the FOG, then there is a deterioration in its accuracy.

Целью изобретения является повышение точности ВОГ при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.The aim of the invention is to improve the accuracy of the FOG when exposed to external destabilizing factors.

Указанная цель достигается тем, что в электронный блок обработки информации вводят четвертый контур обратной связи, с полосой пропускания не менее 4 кГц, который включает в свой состав дифференциальный усилитель, преобразователь ток-напряжение, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, источник стабилизированного опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом дифференциального усилителя, и регулятор, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход соединен с блоком электрического питания источника оптического излучения.This goal is achieved by the fact that a fourth feedback loop is introduced into the electronic information processing unit, with a bandwidth of at least 4 kHz, which includes a differential amplifier, a current-voltage converter, the output of which is connected to the first input of the differential amplifier, a source of stabilized reference voltage, the output of which is connected to the second input of the differential amplifier, and the regulator, the input of which is connected to the output of the differential amplifier, and the output is connected to the power supply unit of the optical radiation source.

Повышение точности ВОГ достигается снижением нестабильности нулевого сигнала при воздействии внешних факторов за счет стабилизации амплитуды сигнала вращения путем стабилизации постоянной составляющей оптической мощности излучения на фотоприемнике.An increase in the accuracy of the FOG is achieved by reducing the instability of the zero signal under the influence of external factors by stabilizing the amplitude of the rotation signal by stabilizing the constant component of the optical radiation power at the photodetector.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На Фиг. 2 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с тремя замкнутыми контурами обратной связи. На Фиг. 3 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа со схемой стабилизации постоянной составляющей тока фотоприемника. На Фиг. 4 показана схема регулирования тока СЛД или лазерного диода накачки ЭВСИ.The essence of the invention is illustrated by drawings. FIG. 1 shows a block diagram of a fiber optic gyroscope. FIG. 2 shows a block diagram of a fiber optic gyroscope with three closed feedback loops. FIG. 3 shows a block diagram of a fiber-optic gyroscope with a circuit for stabilizing the constant component of the photodetector current. FIG. 4 shows a circuit for regulating the current of an SLD or a laser pumping diode EVSI.

На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. ВОГ содержит источник оптического излучения 1, ВКИ 2, в состав которого входит оптический циркулятор 3, ИОС 4, чувствительная волоконная катушка 5, фотоприемник 6 и электронный блок обработки информации 7.FIG. 1 shows a block diagram of a fiber optic gyroscope. The FOG contains an optical radiation source 1, VKI 2, which includes an optical circulator 3, IOS 4, a sensitive fiber coil 5, a photodetector 6 and an electronic information processing unit 7.

На Фиг. 2 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с тремя контурами обратной связи. В качестве источника оптического излучения используется ЭВСИ. В состав ЭВСИ входит лазерный диод накачки 8, источник питания лазерного диода накачки 9, мультиплексор 10, отрезок эрбиевого волокна 11 и отражатель оптического излучения 12. Электронный блок обработки информации, поступающей с фотоприемника содержит дифференциальный усилитель тока фотоприемника 13 (далее по тексту ДУ1), аналого-цифровой преобразователь (далее по тексту АЦП) 14 и программируемую логическую интегральную схему 15 (далее по тексту ПЛИС). В ПЛИС сформирован демодулятор сигнала вращения D1 16, регулятор 17 высоты ступеньки ступенчатого пилообразного напряжения (далее по тексту СПН), генератор кода СПН18, генератор кода напряжения вспомогательной фазовой модуляции (далее по тексту ВФМ) 19, сумматор кодов СПН и ВФМ 20. Код на выходе сумматора поступает на вход цифро-аналогового преобразователя 21 (далее по тексту ЦАП1). В ПЛИС также сформирован второй демодулятор D2 22 для демодуляции сигнала рассогласования, регулятор 23 амплитуды напряжения ВФМ. Амплитуда напряжения ВФМ регулируется с помощью изменения опорного тока ЦАП1. Напряжение СПН и ВФМ усиливается операционным усилителем 24 (далее по тексту ОУ1) и поступает затем на электроды фазового модулятора ИОС. На основе демодулятора D1 организована работа замкнутого контура ОС-1, предназначенного для линеаризации выходной характеристики ВОГ. С помощью регулирования ступеньки кода СПН на выходе демодулятора D1 код поддерживается равным нулю. На основе демодулятора D2 организована работа замкнутого контура ОС-2, предназначенного для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ при изменении эффективности фазового модулятора. Код на выходе демодулятора D2 поддерживается равным нулю путем изменения амплитуды напряжения ВФМ путем регулирования опорного тока ЦАП1FIG. 2 shows a block diagram of a fiber optic gyroscope with three feedback loops. The EVSI is used as a source of optical radiation. The EVSI includes a pumping laser diode 8, a power supply for a pumping laser diode 9, a multiplexer 10, a piece of erbium fiber 11 and an optical radiation reflector 12. The electronic unit for processing information from the photodetector contains a differential current amplifier of the photodetector 13 (hereinafter referred to as DU1), an analog-to-digital converter (hereinafter referred to as ADC) 14 and a programmable logic integrated circuit 15 (hereinafter referred to as FPGA). In the FPGA, a rotational signal demodulator D 1 16, a step height regulator 17 of a step sawtooth voltage (hereinafter referred to as SPN), a code generator SPN18, a voltage code generator for auxiliary phase modulation (hereinafter referred to as VFM) 19, an adder of codes SPN and VFM 20 are formed. at the output of the adder goes to the input of the digital-to-analog converter 21 (hereinafter referred to as DAC1). The FPGA also has a second demodulator D2 22 for demodulating the error signal, a voltage amplitude regulator VFM. The VFM voltage amplitude is adjusted by changing the reference current of DAC1. The voltage of the SPN and VFM is amplified by the operational amplifier 24 (hereinafter referred to as OU1) and then fed to the electrodes of the IOS phase modulator. On the basis of the D 1 demodulator, the operation of the closed loop OS- 1 is organized, designed to linearize the output characteristics of the FOG. By adjusting the step of the SPN code at the output of the demodulator D 1, the code is kept equal to zero. On the basis of the D 2 demodulator, the operation of a closed loop OS- 2 is organized, designed to stabilize the scale factor of the FOG when the efficiency of the phase modulator changes. The code at the output of the demodulator D 2 is maintained equal to zero by changing the amplitude of the VFM voltage by adjusting the reference current of DAC1

Для компенсации постоянной составляющей на выходе дифференциального усилителя тока фотоприемника организован третий контур ОС-3 на основе третьего демодулятора D3 25, который выделяет постоянную составляющую на выходе дифференциального усилителя тока фотоприемника. В состав контура ОС-3 входит регулятор 26 ячейки регулируемого кода 27, выходной код которой поступает на вход ЦАП 28 (далее по тексту ЦПА2). Напряжение с выхода ЦАП2 подается на вход операционного усилителя 29 (далее по тексту ОУ2), а с его выхода на второй вход ДУ1. Напряжение на втором входе усилителя ДУ1 фиксируется при наличии на выходе D3 нулевого кода.To compensate for the DC component at the output of the differential current amplifier of the photodetector, a third OS-3 circuit is organized on the basis of the third demodulator D 3 25, which selects the DC component at the output of the differential current amplifier of the photodetector. The OC-3 circuit includes a regulator 26 of the adjustable code cell 27, the output code of which is fed to the input of the DAC 28 (hereinafter referred to as TsPA2). The voltage from the output of DAC2 is fed to the input of the operational amplifier 29 (hereinafter referred to as OU2), and from its output to the second input of DU1. The voltage at the second input of the amplifier DU1 is fixed when there is a zero code at the output D 3 .

На Фиг. 3 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа со схемой стабилизации постоянной составляющей тока фотоприемника. Величина оптической амплитуды сигнала вращения ВОГ жестко связана с величиной постоянной составляющей оптической мощности на фотоприемнике. Таким образом, для стабилизации амплитуды сигнала вращения достаточно добиться стабильности постоянной составляющей сигнала на фотоприемнике. В данной схеме фотоприемник соединяется с преобразователем типа ток-напряжение (далее по тексту ПТН) 30. Напряжение с ПТН поступает на первый вход второго дифференциального усилителя 31 (далее по тексту ДУ2). Второй вход ДУ2 соединен с источником стабилизированного напряжения (далее по тексту ИСН). Напряжение с выхода ДУ2 подается на вход регулятора 33 тока лазерного диода накачки ЭВСИ. На основе ДУ2 организуется четвертый контур обратной связи (контур ОС-4). Регулятор изменяет ток лазерного диода накачки ЭВСИ (с помощью источника электрического питания ЭВСИ) до тех пор, пока на выходе ДУ2 не установится нулевое напряжение. Таким образом, стабильность постоянной составляющей оптической мощности в основном зависит только от коэффициента передачи ПТН и стабильности напряжения, выдаваемого ИСН. Стабилизация постоянной составляющей оптического сигнала на фотоприемнике при использовании в качестве источника оптического излучения суперлюминисцентного лазерного диода (СЛД) производится также с помощью того же регулятора путем изменения тока потребления СЛД с помощью его источника электрического питания.FIG. 3 shows a block diagram of a fiber-optic gyroscope with a circuit for stabilizing the constant component of the photodetector current. The magnitude of the optical amplitude of the FOG rotation signal is rigidly related to the magnitude of the constant component of the optical power at the photodetector. Thus, to stabilize the amplitude of the rotation signal, it is sufficient to achieve stability of the constant component of the signal at the photodetector. In this circuit, the photodetector is connected to a current-to-voltage converter (hereinafter referred to as STP) 30. The voltage from the STP is supplied to the first input of the second differential amplifier 31 (hereinafter referred to as DU2). The second input of DU2 is connected to a stabilized voltage source (hereinafter referred to as ISN). The voltage from the DU2 output is fed to the input of the current regulator 33 of the laser pumping diode EVSI. On the basis of DU2, a fourth feedback loop is organized (loop OS-4). The regulator changes the current of the laser pumping diode EVSI (with the help of an electric power source EVSI) until zero voltage is established at the output of DU2. Thus, the stability of the constant component of the optical power mainly depends only on the transmission coefficient of the STP and the stability of the voltage provided by the ISN. The stabilization of the constant component of the optical signal at the photodetector when using a superluminescent laser diode (SLD) as a source of optical radiation is also performed using the same regulator by changing the consumption current of the SLD using its power source.

На Фиг. 4 показана схема преобразователя ток-напряжение для регулирования тока СЛД или лазерного диода накачки ЭВСИ. На выходе источника опорного напряжения 34, который используется для питания фотоприемника ВОГ устанавливается измерительный резистор 35. Выход измерительного резистора соединен с фильтром низких частот. Падение напряжения на измерительном резисторе и фильтре низких частот усиливается усилителем 37. Таким образом напряжение на выходе усилителя пропорционально среднему току фотоприемника, то есть постоянной составляющей тока фотоприемника. За счет регулирования выходной оптической мощности ЭВСИ при изменении тока лазерного диода накачки или тока СЛД происходит стабилизация величины среднего тока фотоприемника. Стабильность постоянной составляющей тока фотоприемника за счет изменения выходной мощности источника излучения достигается за счет небольшого количества электронных компонентов, входящих в состав контура ОС-4. Стабильность параметров измерительного резистора, схемы фильтра низких частот и усилителя падения напряжения на измерительном резисторе позволяют обеспечить стабильность постоянной составляющей тока фотоприемника на уровне не более 100 ррm/1°С. Стабильность постоянной составляющей сигнала на фотоприемнике зависит от полосы пропускания контура ОС-4. Предлагаемая электрическая схема контура ОС-4 должна иметь широкую полосу пропускания для устранения быстрых изменений амплитуды сигнала вращения, которые вносят существенный вклад в нестабильность нулевого сигнала ВОГ. При воздействии на ВОГ вибраций возникает паразитное смещение нулевого сигнала ВОГ, которое можно выразить следующим образом:FIG. 4 shows a circuit of a current-voltage converter for regulating the current of an SLD or a laser pumping diode EVSI. A measuring resistor 35 is installed at the output of the reference voltage source 34, which is used to power the FOG photodetector. The output of the measuring resistor is connected to a low-pass filter. The voltage drop across the measuring resistor and low-pass filter is amplified by the amplifier 37. Thus, the voltage at the amplifier output is proportional to the average current of the photodetector, that is, the constant component of the photodetector current. Due to the regulation of the output optical power of the EVSI, when the current of the pump laser diode or the SLD current is changed, the average current of the photodetector is stabilized. The stability of the constant component of the photodetector current due to a change in the output power of the radiation source is achieved due to a small number of electronic components that make up the OC-4 circuit. The stability of the parameters of the measuring resistor, the low-pass filter circuit and the voltage drop amplifier across the measuring resistor ensure the stability of the DC component of the photodetector current at a level not exceeding 100 ppm / 1 ° C. The stability of the constant component of the signal at the photodetector depends on the bandwidth of the OC-4 circuit. The proposed electrical circuit of the OS-4 circuit should have a wide bandwidth to eliminate rapid changes in the amplitude of the rotation signal, which make a significant contribution to the instability of the zero signal of the FOG. When the FOG is exposed to vibrations, a parasitic displacement of the zero signal of the FOG occurs, which can be expressed as follows:

Figure 00000012
Figure 00000012

где Ф0 - амплитуда паразитной разности фаз кольцевого интерферометра при воздействии на чувствительную катушку вибраций;where Ф 0 is the amplitude of the parasitic phase difference of the ring interferometer when exposed to the sensitive vibration coil;

МК - масштабный коэффициент кольцевого интерферометра;MK is the scale factor of the ring interferometer;

ΔР - изменения амплитуды оптического сигнала вращения;ΔР - changes in the amplitude of the optical rotation signal;

Р0 - амплитуда оптического сигнала вращения.Р 0 - the amplitude of the optical signal of rotation.

Для устранения паразитного смещения нулевого сигнала вращения при воздействии вибраций необходимо обнулить либо Ф0, либо величину ΔР. Обнуление величины ΔР осуществляется с помощью контура ОС-4.To eliminate the parasitic displacement of the zero rotation signal when exposed to vibrations, it is necessary to zero either Ф 0 or the value of ΔР. Zeroing of the ΔР value is carried out using the OS-4 circuit.

Контур обратной связи ОС-4 должен иметь полосу пропускания не менее 4 кГц, что позволит эффективно стабилизировать постоянную составляющую тока фотоприемника ВОГ при изменениях амплитуды сигнала вращения с частотой до 2 кГц. Быстрые изменения амплитуды сигнала вращения могут возникнуть при воздействии на ВОГ вибрационных нагрузок. В этом случае при использовании контура ОС-4 достигается стабильность нулевого сигнала не хуже 0,001 град/час. при воздействии вибраций с частотой до 2 кГц.The feedback loop OS-4 should have a passband of at least 4 kHz, which will effectively stabilize the DC component of the FOG photodetector when the rotation signal amplitude changes with a frequency of up to 2 kHz. Rapid changes in the amplitude of the rotation signal can occur when the FOG is subjected to vibration loads. In this case, when using the OS-4 circuit, the stability of the zero signal is not worse than 0.001 deg / h. when exposed to vibrations with a frequency of up to 2 kHz.

Литература:Literature:

[1] A.M. Курбатов, Р.А. Курбатов, A.M. Горячкин «Повышение точности волоконно-оптического гироскопа за счет подавления паразитных эффектов в интегрально-оптических фазовых модуляторах» Гироскопия и навигация. Том 27, №2(105). 2019.[1] A.M. Kurbatov, R.A. Kurbatov, A.M. Goryachkin “Improving the accuracy of a fiber-optic gyroscope by suppressing parasitic effects in integrated-optical phase modulators” Gyroscopy and navigation. Volume 27, No. 2 (105). 2019.

[2] G.A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v. 2837, 1996, pp 46-60.[2] G.A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v. 2837, 1996, pp 46-60.

[3] A.M. Курбатов, P.А. Курбатов «Способ повышение точности волоконно-оптического гироскопа при воздействии вибраций». Заявка №2016134633 приоритет от 25.08.2016 г. Патент РФ №2627020 от 02.08.2017 г. [3] A.M. Kurbatov, P.A. Kurbatov "A method for increasing the accuracy of a fiber-optic gyroscope when exposed to vibrations." Application No. 2016134633 priority dated August 25, 2016. RF patent No. 2627020 dated August 2, 2017

[4] Курбатов A.M., Курбатов Р.А. Вибрационная ошибка угловой скорости волоконно-оптического гироскопа и методы ее подавления // Радиотехника и Электроника. - 2013. - №8. - с. 842.[4] Kurbatov A.M., Kurbatov R.A. Vibration error of angular velocity of a fiber-optic gyroscope and methods of its suppression // Radiotekhnika i Elektronika. - 2013. - No. 8. - from. 842.

Claims (1)

Устройство стабилизации тока фотоприемника волоконно-оптического гироскопа, содержащего источник оптического излучения, волоконный кольцевой интерферометр, фотоприемник и электронный блок обработки информации, содержащий первый контур обратной связи для линеаризации выходной характеристики гироскопа, второй контур обратной связи для стабилизации его масштабного коэффициента и третий контур обратной связи для компенсации постоянной составляющей напряжения на выходе усилителя тока фотоприемника, отличающееся тем, что в электронный блок обработки информации вводят четвертый контур обратной связи, с полосой пропускания не менее 4 кГц, который включает в свой состав дифференциальный усилитель, преобразователь ток-напряжение, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, источник стабилизированного опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом дифференциального усилителя, и регулятор, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход соединен с блоком электрического питания источника оптического излучения.A device for stabilizing the current of the photodetector of a fiber-optic gyroscope, containing an optical radiation source, a fiber ring interferometer, a photodetector and an electronic information processing unit containing a first feedback loop for linearizing the output characteristics of the gyroscope, a second feedback loop for stabilizing its scale factor and a third feedback loop to compensate for the constant voltage component at the output of the photodetector current amplifier, characterized in that a fourth feedback loop is introduced into the electronic information processing unit, with a bandwidth of at least 4 kHz, which includes a differential amplifier, a current-voltage converter, the output of which is connected with the first input of the differential amplifier, a stabilized reference voltage source, the output of which is connected to the second input of the differential amplifier, and a regulator whose input is connected to the output of the differential amplifier, and the output connected to the power supply unit of the optical radiation source.
RU2020111898A 2020-03-24 2020-03-24 Fiber-optic gyroscope photodetector current stabilization device RU2734999C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111898A RU2734999C1 (en) 2020-03-24 2020-03-24 Fiber-optic gyroscope photodetector current stabilization device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111898A RU2734999C1 (en) 2020-03-24 2020-03-24 Fiber-optic gyroscope photodetector current stabilization device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2734999C1 true RU2734999C1 (en) 2020-10-27

Family

ID=72949111

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020111898A RU2734999C1 (en) 2020-03-24 2020-03-24 Fiber-optic gyroscope photodetector current stabilization device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2734999C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1012421A1 (en) * 1981-04-27 1983-04-15 Предприятие П/Я В-2015 Electrometric amplifier
JPS6396979A (en) * 1986-10-14 1988-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd Laser diode drive circuit
RU104731U1 (en) * 2010-11-25 2011-05-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" DEVICE FOR DETERMINING ELECTROPHYSICAL, PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES AND GAS-SENSITIVE CHARACTERISTICS OF NANOSIZED MATERIALS
RU2627020C1 (en) * 2016-08-25 2017-08-02 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" Method for improving accuracy of fiber-optic gyroscopes under vibration influence

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1012421A1 (en) * 1981-04-27 1983-04-15 Предприятие П/Я В-2015 Electrometric amplifier
JPS6396979A (en) * 1986-10-14 1988-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd Laser diode drive circuit
RU104731U1 (en) * 2010-11-25 2011-05-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" DEVICE FOR DETERMINING ELECTROPHYSICAL, PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES AND GAS-SENSITIVE CHARACTERISTICS OF NANOSIZED MATERIALS
RU2627020C1 (en) * 2016-08-25 2017-08-02 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" Method for improving accuracy of fiber-optic gyroscopes under vibration influence

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11320267B2 (en) Integrated optic wavemeter and method for fiber optic gyroscopes scale factor stabilization
US7515271B2 (en) Wavelength calibration in a fiber optic gyroscope
EP1499856B1 (en) Apparatus for dead band error suppression in fiber optic gyroscopes
US8717575B2 (en) Systems and methods for environmentally insensitive high-performance fiber-optic gyroscopes
RU2444704C1 (en) Fibre-optic gyroscope
JP2007147628A (en) Method and system for calibrating optical fiber gyroscope
Ying et al. A closed-loop RFOG based on digital serrodyne and sine modulations with two LiNbO3 phase modulators
Hu et al. Closed-loop resonant fiber-optic gyroscope with a broadband light source
JP2724915B2 (en) Interferometer signal analysis with modulation switching
RU2512599C1 (en) Method of improving accuracy of closed-loop fibre-optic gyroscope
RU2734999C1 (en) Fiber-optic gyroscope photodetector current stabilization device
RU2500989C2 (en) Electronic unit for fibre-optic gyroscope
Li et al. IFOG based on rhombic optical path difference bias configuration for high-frequency angular vibration measurement
RU2620933C1 (en) Fiber optic gyroscope with a large dynamic range of measurement of angular speeds
RU2482450C1 (en) Apparatus for testing electronic unit of fibre-optic gyroscope
US5170225A (en) Determining optical signal transit delay time in an optical interferometer
RU2566412C1 (en) Method to increase accuracy of fibre-optic gyroscope due to suppression of parasitic effects in integral-optical phase modulators
Ying et al. An open-loop RFOG based on 2nd/4th harmonic feedback technique to suppress phase modulation index’s drift
RU2627020C1 (en) Method for improving accuracy of fiber-optic gyroscopes under vibration influence
RU2246097C2 (en) Method of phase modulation in ringular interferometer of fiber-optic gyro
RU2160885C1 (en) Method of stabilization of scale factor of fiber-optical gyroscope
RU2512598C1 (en) Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope
RU2194245C2 (en) Method for carrying out optical fiber gyroscope ring interferometer beam phase modulation
RU2627015C1 (en) Way to improve the accuracy of compensation of parasitic effects in integrated-optical phase modulators of fiber-optic gyroscopes
RU2194246C1 (en) Method for processing optical fiber gyroscope ring interferometer signal