RU2751052C1

RU2751052C1 - Differential multimode fiber laser gyroscope

Info

Publication number: RU2751052C1
Application number: RU2020124046A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Константинович Сахаров
Original assignee: Акционерное общество "Центр ВОСПИ" (АО "Центр ВОСПИ")
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2021-07-07

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of laser information-measuring systems and can be used as an angular velocity sensor; it has a ring laser, consisting of a ring resonator, an optical amplifier, a phase modulator, a spectral-selective narrow-band filter and two fiber couplers for outputting waves from the resonator; a semiconductor or fiber optical amplifier is used as an optical amplifier; a long-length light guide is used as a ring resonator; the device also contains two channels for recording beats and a digital beating processing system, with the help of which the noise component is suppressed in the output signal carrying information about rotation.

EFFECT: invention can be effectively used as angular velocity sensor.

11 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использовано как датчик угловой скорости в системах навигации и управления движением различных объектов.The invention relates to the field of laser information-measuring systems and can be used as an angular velocity sensor in navigation and motion control systems of various objects.

В настоящее время оптические гироскопы почти полностью заменили механические гироскопы благодаря ряду своих преимуществ - малым габаритам и весу, низкому электропотреблению, высокой точности, быстрой готовности к работе и пр. Являясь приборами для измерения угловой скорости и основанные на эффекте Саньяка, оптические гироскопы делятся на два типа - лазерные гироскопы (ЛГ) и волоконно-оптические гироскопы (ВОГ). Отличие в том, что ЛГ относится к кольцевым лазерам, а измеряемой величиной является частота биений волн, тогда как ВОГ относятся к кольцевым интерферометрам, на вход которых подается широкополосное оптическое излучение, а измеряемой величиной является разность фаз волн на выходе.Currently, optical gyroscopes have almost completely replaced mechanical gyroscopes due to a number of their advantages - small dimensions and weight, low power consumption, high accuracy, quick readiness for operation, etc. As instruments for measuring angular velocity and based on the Sagnac effect, optical gyroscopes are divided into two type - laser gyroscopes (LG) and fiber-optic gyroscopes (FOG). The difference is that LG refers to ring lasers, and the measured value is the beat frequency of the waves, while FOGs refer to ring interferometers, the input of which is broadband optical radiation, and the measured value is the phase difference of the waves at the output.

Гироскопы обоих типов имеют близкие технические характеристики, одни и те же области применения и конкурируют друг с другом. Однако в тех случаях, когда требования наиболее строгие, используются ЛГ, так как их параметры несколько более высокие, а сами они прошли проверку, работая в составе самых ответственных устройств и систем. ВОГ проще и дешевле в изготовлении, так как в них используются сравнительно недорогие световоды и другие компоненты из большой элементной базы, общей для ВОГ и техники волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).Both types of gyroscopes have similar technical characteristics, the same fields of application and compete with each other. However, in cases where the requirements are the most stringent, LGs are used, since their parameters are somewhat higher, and they themselves have been tested, working as part of the most critical devices and systems. FOGs are simpler and cheaper to manufacture, since they use relatively inexpensive optical fibers and other components from a large element base common to FOGs and technology of fiber-optic communication lines (FOCL).

Целью настоящего изобретения является создание гироскопа, обладающего преимуществами ЛГ в технических характеристиках и одновременно более простого, дешевого в изготовлении за счет использования элементной базы ВОГ и ВОЛС, а также более долговечного и надежного как полностью твердотельного устройства.The aim of the present invention is to create a gyroscope that has the advantages of LG in technical characteristics and, at the same time, is simpler, cheaper to manufacture due to the use of the element base of FOG and FOCL, as well as more durable and reliable as a completely solid-state device.

Известно, что основными ограничениям при создании ЛГ являются явление захвата (синхронизации) частот, возникающее в результате обратного рассеяния волн, а также дрейф нуля, то есть медленно изменяющийся сигнал на выходе гироскопа в отсутствие вращения; оба фактора препятствуют измерению малых скоростей вращения, что представляет главный интерес для практики.It is known that the main limitations in the creation of LG are the phenomenon of locking (synchronization) of frequencies resulting from wave backscattering, as well as zero drift, that is, a slowly changing signal at the output of the gyroscope in the absence of rotation; both factors impede the measurement of low rotational speeds, which is of main interest for practice.

Поэтому единственным типом ЛГ, имеющим практическое применение, до сих пор остается He-Ne-ый гироскоп, уровень обратного рассеяния в котором минимальный и работа которого, тем не менее, возможна лишь с использованием частотной подставки, подавляющей захват частот. (Ароновиц Ф.В сб. «Применение лазеров». Пер.с англ. под ред. М. Росса. М. Мир. 1971).Therefore, the only type of LG that has practical application is still the He-Ne gyroscope, the level of backscattering in which is minimal and the operation of which, nevertheless, is possible only with the use of a frequency bias that suppresses frequency locking. (Aronowitz F. In collection "Application of lasers". Translated from English under the editorship of M. Ross. M. Mir. 1971).

Наиболее же эффективным средством уменьшения дрейфа нуля является использование так называемого четырехчастотного гироскопа DILAG (В. Yntema, D.С. Grant, Jr., and R.Т. Warner, "Differential Laser Gyro System", U.S. Patent 3,862,803, 1975). (B. Yntema, D.C. Grant, Jr., and R.T. Warner, "Differential Laser Gyro System", U. S. Patent 3,862,803, 1975). Гироскоп DILAG развивался во многих зарубежных фирмах, таких как Litton, Northrop и пр.; отечественными разработчиками как менее сложный вариант был предложен так называемый квазичетырехчастотный гироскоп (Голяев Ю.Д., Дмитриев В.Г., Казаков А.А. и др. "Способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом". Патент РФ №2408844, 10.01.2011 г).The most effective means of reducing zero drift is the use of the so-called DILAG four-frequency gyroscope (B. Yntema, D.C. Grant, Jr., and R.T. Warner, "Differential Laser Gyro System", U.S. Patent 3,862,803, 1975). (B. Yntema, D.C. Grant, Jr., and R.T. Warner, "Differential Laser Gyro System", U. S. Patent 3,862,803, 1975). The DILAG gyroscope has been developed in many foreign companies such as Litton, Northrop, etc .; the so-called quasi-four-frequency gyroscope was proposed by domestic developers as a less complicated option (Golyaev Yu.D., Dmitriev VG, Kazakov AA, etc. "Method for measuring angular displacements with a laser gyroscope" RF Patent No. 2408844, 10.01.2011 d).

Высокая стабильность и малый уровень дрейфа нуля в гироскопах DILAG определяется тем, что такие устройства представляют собой как бы два обычных, «двухчастотных», ЛГ с одним общим резонатором. Регистрация и обработка биений на двух выходах гироскопов DILAG позволяет взаимно компенсировать (вычесть) шумовые составляющие и усилить полезный сигнал.The high stability and low level of zero drift in DILAG gyroscopes is determined by the fact that such devices are like two conventional, "two-frequency" LGs with one common resonator. Registration and processing of beats at two outputs of DILAG gyroscopes makes it possible to mutually compensate (subtract) noise components and amplify the useful signal.

Недостатком He-Ne-ых ЛГ является трудоемкость изготовления, связанная с использованием прецизионных зеркал с высоким коэффициентом отражения, вакуумной технологии, высоковольтного питания и, в случае гироскопов DILAG, дополнительно кольцевого резонатора с неплоским контуром, режима генерации с круговой поляризацией волн, магнитооптических методов создания подставки на основе эффектов Фарадея и Зеемана и пр. Недостатком является также использование в качестве среды усиления газовой среды, неустойчивой при длительном хранении.The disadvantage of He-Ne LGs is the laboriousness of manufacturing associated with the use of precision mirrors with a high reflection coefficient, vacuum technology, high-voltage power supply and, in the case of DILAG gyroscopes, an additional ring resonator with a non-planar contour, a generation mode with circular polarization of waves, magneto-optical methods of creating supports based on the Faraday and Zeeman effects, etc. The disadvantage is also the use of a gaseous medium, which is unstable during long-term storage, as an amplification medium.

Поэтому после появления доступных для практического использования полупроводниковых оптических усилителей (ПОУ) возникло представление, что применение ПОУ в качестве среды усиления, а световодов в качестве кольцевого резонатора, могло привести к созданию ЛГ нового типа. В таком случае устройство было бы более дешевым, а твердотельное исполнение гарантировало большую надежность и долговечность. Однако все усилия создать ЛГ на основе ПОУ со сколько-нибудь приемлемыми характеристиками долго оставались неудачными, причиной чего был большой уровень обратного рассеяния в ПОУ, не позволявший использовать частотную подставку для подавления захвата частот, а также многомодовый характер генерации. В результате биения возникали лишь при большой скорости вращения, а их амплитуда была настолько малой, что биения можно было выделить из шумов лишь с помощью радиочастотного спектрометра, весьма сложного и дорого устройства.Therefore, after the appearance of semiconductor optical amplifiers (SOAs) available for practical use, the idea arose that the use of SOAs as an amplification medium, and optical fibers as a ring resonator, could lead to the creation of a new type of LG. In this case, the device would be cheaper, and the solid-state design would guarantee greater reliability and durability. However, all efforts to create a LG based on a TOC with any acceptable characteristics remained unsuccessful for a long time, the reason for which was the high level of backscattering in the TOC, which did not allow the use of frequency bias to suppress frequency lock, as well as the multimode nature of the generation. As a result, beats occurred only at high rotational speeds, and their amplitude was so small that beats could be isolated from the noise only with the help of a radio frequency spectrometer, a very complex and expensive device.

Реальная возможность создания ЛГ на основе ПОУ появилась когда был предложен и экспериментально проверен новый подход (Прокофьева Л.П., Сахаров В.К., Щербаков В.В. Полупроводниковый лазерный гироскоп с частотной подставкой. Квантовая электроника, Т.44, №4, С.362, 2001 г.). Как была показано, деструктивное действие обратного рассеяния компенсируется большой длиной кольцевого резонатора в виде световода, благодаря чему становится возможным использовать частотную подставку, причем весьма простую в реализации - создаваемую с помощью внутрирезонаторной фазовой модуляции. И что также важно, при многомодовом характере генерации амплитуда биения на выходе оказывается достаточно большой для регистрации биений обычным способом, например, с помощью осциллографа.The real possibility of creating LG based on SOA appeared when a new approach was proposed and experimentally tested (Prokofieva LP, Sakharov VK, Shcherbakov VV Semiconductor laser gyroscope with a frequency bias. Quantum Electronics, Vol. 44, No. 4 , S. 362, 2001). It was shown that the destructive effect of backscattering is compensated for by the long length of the ring resonator in the form of a fiber, which makes it possible to use a frequency bias, which is very simple to implement - created using intracavity phase modulation. And what is also important, with the multimode nature of the generation, the amplitude of the beat at the output turns out to be large enough to record beats in the usual way, for example, using an oscilloscope.

Этот подход был использован в многомодовом волоконном лазерном гироскопе, принимаемом в данном изобретении в качестве прототипа (Сахаров В.К., Многомодовый волоконный лазерный гироскоп. Патент РФ №2708700, 05.03.2018 г.). Сущность конструктивного решения прототипа состоит в следующем.This approach was used in a multimode fiber laser gyroscope, adopted in this invention as a prototype (Sakharov V.K., Multimode fiber laser gyroscope. RF Patent No. 2708700, 03/05/2018). The essence of the constructive solution of the prototype is as follows.

Устройство-прототип представляет собой кольцевой лазер, состоящий из среды усиления, кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, фазового модулятора для создания частотной подставки, спектрально-селективного узкополосного фильтра и волоконного разветвителя Х-типа, два порта которого служат для вывода части мощности излучения кольцевого лазера; прототип также включает устройство объединения выводимых из кольцевого лазера волн, фотоприемник и электронное устройство обработки биений, которое далее будем именовать как цифровое устройство обработки биений.The prototype device is a ring laser consisting of an amplification medium, a ring resonator in the form of a fiber wound into a coil, a phase modulator for creating a frequency bias, a spectrally selective narrow-band filter and an X-type fiber splitter, two ports of which are used to output part of the radiation power ring laser; The prototype also includes a device for combining the waves output from the ring laser, a photodetector and an electronic device for processing beats, which will hereinafter be referred to as a digital device for processing beats.

Предусматривается несколько вариантов выполнения прототипа - в качестве среды оптического усиления может использоваться как ПОУ, так и волоконный оптический усилитель (ВОУ); в качестве кольцевого резонатора - изотропные световоды (несохраняющие поляризацию излучения) или так называемые РМ-световоды (polarization maintaining, сохраняющие поляризацию); для сбивания волн может использоваться как отдельное устройство объединение волн, так и тот же волоконный разветвитель Х-типа, встроенный в кольцевой резонатор, для чего на торце одного из двух его выводных портов формируется диэлектрическое зеркало; периодическая (реверсивная) частотная подставка может создаваться с помощью пьезокерамического волоконного фазового модулятора или фазового электрооптического модулятора.Several variants of the prototype are envisaged - both a SOA and a fiber optical amplifier (FOA) can be used as an optical amplification medium; as a ring resonator - isotropic fibers (non-polarizing radiation) or so-called PM fibers (polarization maintaining, maintaining polarization); for knocking down waves, both a separate wave combining device and the same X-type fiber splitter built into a ring resonator can be used, for which a dielectric mirror is formed at the end of one of its two output ports; periodic (reversible) frequency bias can be created using a piezoceramic fiber phase modulator or an electro-optical phase modulator.

Основными факторами, обеспечивающими работу прототипа, как уже отмечалось, является использование твердотельной среды усиления, ПОУ или ВОУ, кольцевого резонатора в виде протяженного световода, реверсивной частотной подставки, а также цифрового устройства обработки биений. Рассмотрим работу этого устройства и факторы, определяющую метрологические характеристики прототипа.The main factors ensuring the operation of the prototype, as already noted, are the use of a solid-state amplification medium, FOC or HEU, a ring resonator in the form of an extended fiber, a reversible frequency bias, and a digital beating processing device. Let's consider the operation of this device and the factors that determine the metrological characteristics of the prototype.

На вход устройства поступает сигнал с фотоприемника в виде биений, возникающий в результате интерференция выводимых из кольцевого резонатора и сбиваемых встречных волн. На первом этапе обработки определяются частоты биений на соседних полупериодах реверсивной частотной подставки v⁺ и v^-, каждая из которых является суммой трех частот - частоты подставки v_d, саньяковской частоты v_s и шумовой частоты

:The input of the device receives a signal from the photodetector in the form of beats, resulting from the interference of the counterpropagating waves output from the ring resonator and knocked down. At the first stage of processing, the beat frequencies are determined at adjacent half-periods of the reverse frequency bias v ⁺ and v ^- , each of which is the sum of three frequencies - the _{bias frequency v d} , the Sagnac frequency v _s, and the noise frequency

:

при этом саньяковская частота v_s несет информацию о вращении:in this case, the Sagnac frequency v _s carries information about the rotation:

где Ω - скорость вращения, Μ - масштабный коэффициент,where Ω is the rotation speed, Μ is the scale factor,

R - радиус катушки, λ - длина волны излучения, n - показатель преломления световода.R is the radius of the coil, λ is the radiation wavelength, n is the refractive index of the fiber.

На следующем этапе обработки частоты v⁺ и v^- комбинируются таким образом, что одна частота вычитается из другой, в результате частота подставки исключается и формируется выходной сигнал (частота) N_out:At the next stage of processing, the frequencies v ⁺ and v ^{- are} combined in such a way that one frequency is subtracted from the other; as a result, the dithering frequency is eliminated and the output signal (frequency) N _{out is formed} :

являющийся суммой саньяковской частоты v_s и шумовой частоты

, которая определяет величину дрейфа нуля

на выходе устройства-прототипа:which is the sum of the Sagnac frequency v _s and the noise frequency

, which determines the magnitude of the zero drift

at the output of the prototype device:

Результаты испытаний прототипа показали, что его чувствительность (отношение частоты v_s к скорости вращения Ω) определяется масштабным коэффициентом (3) и она такая же высокая как чувствительность обычных («двухчастотных») He-Ne-ых гироскопов.The test results of the prototype showed that its sensitivity (the ratio of the frequency v _s to the rotation speed Ω) is determined by the scale factor (3) and it is as high as the sensitivity of conventional ("two-frequency") He-Ne gyroscopes.

Однако дрейф нуля

, составляющий около 20 град/час, оказался значительным; следовательно, пороговая чувствительность прототипа (определяемая как скорость вращения Ω, при которой частоты v_s и

на выходе устройства, равны) невысокая и поэтому прототип годен для использования как датчик вращения лишь в системах умеренной точности.However, zero drift

, amounting to about 20 deg / hour, turned out to be significant; therefore, the threshold sensitivity of the prototype (defined as the rotational speed Ω at which the frequencies v _s and

at the output of the device are equal) is low and therefore the prototype is suitable for use as a rotation sensor only in systems of moderate accuracy.

Основными причинами возникновения шумовой частоты

, а, следовательно, дрейфа нуля

, являются медленно изменяющаяся температура среды усиления и нестабильность поляризации волн в кольцевом резонаторе. Дрейф температуры среды усиления вызывает изменение показателя преломления среды усиления, что в свою очередь приводит к фазовым флуктуациям в циркулирующих волнах и, соответственно, к флуктуациям частоты биений, то есть частоты

. Деполяризация излучения также приводит к фазовым флуктуациям, но она устраняется, если в качестве кольцевого резонатора используются РМ-световоды. Естественно, кроме двух указанных дестабилизирующих факторов существуют и другие, однако их влияние менее значительное.The main causes of noise frequency

, and, therefore, zero drift

, are the slowly varying temperature of the amplification medium and the instability of the polarization of waves in the ring resonator. A drift in the temperature of the amplification medium causes a change in the refractive index of the amplification medium, which in turn leads to phase fluctuations in the circulating waves and, accordingly, to fluctuations in the beat frequency, that is, the frequency

... Depolarization of radiation also leads to phase fluctuations, but it is eliminated if PM fibers are used as a ring resonator. Naturally, in addition to the two indicated destabilizing factors, there are others, but their influence is less significant.

Наконец отметим, что уменьшить уровень дрейфа нуля в прототипе путем прямого переноса средств и способа, используемых в гироскопах DILAG, невозможно в виду существенных отличий конструкций, методов создания подставки и, главное, из-за неосуществимости «четырехчастотного» режима генерации в многомодовом ЛГ, где число частот (мод) тысячи и более.Finally, we note that it is impossible to reduce the level of zero drift in the prototype by directly transferring the means and method used in DILAG gyroscopes due to significant differences in designs, methods for creating a support, and, most importantly, because of the impracticability of a "four-frequency" generation mode in a multimode LG, where the number of frequencies (modes) is thousands and more.

Таким образом, задача создания ЛГ с техническими характеристиками, не уступающими характеристикам He-Ne-го гироскопа, но менее сложного в изготовлении и более надежного и долговечного, оставалась важной и актуальной, но нерешенной. Необходимо было изыскать средства существенно повысить технические характеристики прототипа, сохранив его преимущества в экономичности и технологичности как построенного с использование элементов, используемых в технике ВОГ и ВОЛС, а также, что не менее важно, как твердотельного устройства.Thus, the problem of creating an LG with technical characteristics that are not inferior to the characteristics of a He-Ne gyroscope, but less difficult to manufacture and more reliable and durable, remained important and urgent, but unsolved. It was necessary to find means to significantly improve the technical characteristics of the prototype, while retaining its advantages in efficiency and manufacturability as built using the elements used in FOG and FOCL technology, and also, which is no less important, as a solid-state device.

Указанная задача решена настоящим изобретением, в котором используются два выходных канала для формирования биений с различной комбинацией полезной и шумовой составляющих (соответственно, частот v_s и

) и последующая обработка биений, позволяющая путем комбинации (вычитания) биений подавить шумовую частоту

, выделить и усилить санбяковскую частоту v_s, содержащую информацию о величине и направлении скорости вращения. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и снижение дрейфа нуля ЛГ, а также повышение долговечности и надежности ЛГ в результате использования твердотельного оптического усилителя.This problem is solved by the present invention, which uses two output channels to generate beats with different combinations of useful and noise components (respectively, frequencies v _s and

) and subsequent processing of the beats, which makes it possible to suppress the noise frequency by a combination (subtraction) of beats

, select and enhance the Sanbyakov frequency v _s , which contains information on the magnitude and direction of the rotation speed. The technical result of the invention is to increase the sensitivity and reduce the zero drift of the LG, as well as increase the durability and reliability of the LG as a result of using a solid-state optical amplifier.

Заявляемое устройство, дифференциальный многомодовый волоконный лазерный гироскоп, содержит кольцевой лазер, состоящий из кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, оптического усилителя, фазового модулятора, спектрально-селективный узкополосного фильтра и двух волоконных разветвителей Х-типа, встроенных двумя портами в кольцевой резонатор, и использующих два других порта для вывода двух пар встречных волн, два устройства объединения выводимых волн, два фотоприемных устройства, два радиочастотных фильтра нижних частот и цифровое устройство обработки биений.The inventive device, a differential multimode fiber laser gyroscope, contains a ring laser consisting of a ring resonator in the form of a fiber wound into a coil, an optical amplifier, a phase modulator, a spectrally selective narrow-band filter and two X-type fiber splitters built into the ring resonator with two ports, and using two other ports to output two pairs of counterpropagating waves, two output combiners, two photodetectors, two RF low pass filters, and a digital beat processor.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению оптический усилитель и фазовый модулятор были расположены рядом друг с другом, а разветвители Х-типа, используемые для вывода излучения, расположены по обе стороны от них.It is advisable that according to the present invention, the optical amplifier and the phase modulator are located adjacent to each other, and the X-type couplers used for outputting the radiation are located on either side of them.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению волоконные разветвители Х-типа, каждый, дополнительно выполняли роль устройства объединения выводимой пары волн, для чего на одном из двух выходных портов каждого волоконного разветвителя Х-типа смонтировано зеркало.It is advisable that according to the present invention the X-type fiber splitters each additionally act as a device for combining the output pair of waves, for which a mirror is mounted on one of the two output ports of each X-type fiber splitter.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению цифровое устройство обработки биений включало генератор сигналов фазовой модуляции, аналого-цифровой преобразователь фототока и вычислительное устройство, выполняющее обработку биений двух пар выводимых волн.Suitably, according to the present invention, the digital beating processing device includes a phase modulation signal generator, a photocurrent analog-to-digital converter, and a computing device for processing the beats of the two pairs of output waves.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению генератор сигналов фазовой модуляции использовался для подачи на фазовый модулятор сигналов, создающих знакопеременную частотную подставку.It is advisable that according to the present invention, the phase modulation signal generator is used to feed the phase modulator signals that create an alternating frequency bias.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению частота отсечки радиочастотных фильтров низкой частоты была ниже частоты межмодовых биений Δv=c/Ln, где с - скорость света, L - длина кольцевого резонатора в виде световода и n - показатель преломления световода.It is advisable that according to the present invention the cutoff frequency of low-frequency RF filters is lower than the intermode beat frequency Δv = c / Ln, where c is the speed of light, L is the length of the ring resonator in the form of a fiber, and n is the refractive index of the fiber.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению в качестве оптического усилителя использовался полупроводниковый оптический усилитель.It is expedient that a semiconductor optical amplifier is used as the optical amplifier according to the present invention.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению в качестве оптического усилителя использовался волоконный оптический усилитель, активированный ионами редкоземельного металла.It is advisable that according to the present invention, a rare-earth ion doped fiber optical amplifier is used as an optical amplifier.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению в качестве фазового модулятора использовался электрооптический фазовый модулятор.It is advisable that according to the present invention an electro-optical phase modulator is used as the phase modulator.

Целесообразно, чтобы согласно настоящему изобретению в качестве фазового модулятора использовался волоконный пьезокерамический фазовый модулятор.It is advisable that according to the present invention a piezoceramic fiber phase modulator is used as the phase modulator.

Изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:The invention is illustrated by drawings, which show:

Фиг. 1 - схема устройства с использованием полупроводникового оптического усилителя;FIG. 1 is a diagram of a device using a semiconductor optical amplifier;

Фиг. 2 - схема устройства с использованием волоконного оптического усилителя;FIG. 2 is a schematic diagram of a device using a fiber optical amplifier;

Фиг.3 - схема устройства, в котором объединение выводимых волн производится с помощью разветвителей Х-типа с диэлектрическим зеркалом на торце одного из выводов.Fig. 3 is a diagram of a device in which the combination of the output waves is performed using X-type splitters with a dielectric mirror at the end of one of the leads.

На Фиг. 1 приведена схема дифференциального многомодового волоконного лазерного гироскопа 10 с использованием полупроводникового оптического усилителя (ПОУ).FIG. 1 shows a diagram of a differential multimode fiber laser gyroscope 10 using a semiconductor optical amplifier (SOA).

Устройство 10 содержит кольцевой лазер 1, включающий ПОУ 2, кольцевой резонатор в виде смотанного в многовитковую катушку РМ-световода большой длины 3, электрооптический фазовый модулятор 4, спектрально-селективный узкополосный фильтр 5, волоконные разветвители Х-типа 6 и 7, устройства объединения выводимых волн, в качестве которых выступают волоконные разветвители 19 и 21, фотоприемники 11 и 12, радиочастотные фильтры нижних частот 13 и 14; устройство 10 включает также цифровое устройство обработки биений 15, состоящее из генератора сигналов фазовой модуляции 16, АЦП 17 и цифрового вычислительного устройства 18.Device 10 contains a ring laser 1, which includes a SOA 2, a ring resonator in the form of a long-length PM fiber 3 coiled into a multi-turn coil, an electro-optical phase modulator 4, a spectral-selective narrow-band filter 5, X-type fiber splitters 6 and 7, devices for combining output waves, which are fiber splitters 19 and 21, photodetectors 11 and 12, radio frequency low-pass filters 13 and 14; device 10 also includes a digital beat processing device 15, consisting of a phase modulation signal generator 16, an ADC 17 and a digital computing device 18.

В качестве ПОУ 2 используется лазерная структура InGaAsP/InP длиной 1.2 мм с рабочей длиной волны в диапазоне 1.55 мкм.As SOA 2, an InGaAsP / InP laser structure with a length of 1.2 mm and an operating wavelength in the range of 1.55 mm is used.

Кольцевой резонатор представляет собой РМ-световода 3 длиной L=500 м, смотанный на катушку с радиусом R=5 см. Большая длина кольцевого резонатора уменьшает ширину зоны захвата до 2-5 кГц, позволяя использовать частотную подставку, а РМ-световоды (сохраняющие поляризацию волн, циркулирующих в кольцевом резонаторе) обеспечивают стабильность выходного сигнала.The ring resonator is a PM fiber 3 with a length of L = 500 m, wound onto a coil with a radius of R = 5 cm.The large length of the ring resonator reduces the width of the capture zone to 2-5 kHz, allowing the use of a frequency bias, while PM fibers (preserving polarization waves circulating in the ring resonator) ensure the stability of the output signal.

Кольцевой резонатор значительной длины определяет многомодовый характер генерации, однако в данном случае это не является ограничением, так как благодаря ряду факторов - малой спектральной ширине мод, участвующих в генерации, однородного характера спектрального уширения и др. - амплитуда биения на выходе достаточно большая для регистрации.A ring resonator of considerable length determines the multimode nature of lasing, but in this case this is not a limitation, since due to a number of factors - the small spectral width of the modes involved in lasing, the homogeneous nature of the spectral broadening, etc. - the beat amplitude at the output is large enough for registration.

Фазовый электрооптический модулятор 4 представляет собой планарную структуру на кристалле ниобата лития, LiNbO₃. Знакопеременная частотная подставка создается при подаче на фазовый модулятор 4 от генератора сигналов фазовой модуляции 16 напряжения синусоидальной или треугольной формы частотой 1,7-2,5 кГц и амплитудой 100 В.Phase electro-optic modulator 4 is a planar structure on a lithium niobate crystal, LiNbO ₃ . An alternating frequency bias is created when a sinusoidal or triangular voltage with a frequency of 1.7-2.5 kHz and an amplitude of 100 V is applied to the phase modulator 4 from the phase modulation signal generator 16.

Спектрально-селективный узкополосного фильтра 5 с полосой пропускания Δλ≈1 нм ограничивает ширину оптического спектра генерируемого излучения. Волоконные разветвители Х-типа 6 и 7, сохраняющие поляризацию волн на всех своих выводах, выполняют вывод части - не более 5% - мощности волн циркулирующих в кольцевом лазере навстречу друг другу. Волоконные разветвители 19 и 21, также сохраняющие поляризацию, объединяют и направляют выводимые волны к фотоприемным устройствам 11 и 12.Spectral-selective narrow-band filter 5 with a passband of Δλ≈1 nm limits the width of the optical spectrum of the generated radiation. Fiber splitters X-type 6 and 7, preserving the polarization of the waves at all their terminals, output part - no more than 5% - of the power of the waves circulating in the ring laser towards each other. Fiber couplers 19 and 21, also maintaining polarization, combine and direct the output waves to the photodetectors 11 and 12.

Сигналы с фотоприемников 11 и 12 пропускается через радиочастотные фильтры нижних частот 13 и 14, частота отсечки которых около 100 кГц, что ниже частоты межмодовых биений 408 кГц. Таким образом, фильтры нижних частот 13 и 14 подавляют межмодовые биения, которые в отсутствие фильтров могли быть источником дополнительных шумовых помех.Signals from photodetectors 11 and 12 are passed through RF low-pass filters 13 and 14, the cutoff frequency of which is about 100 kHz, which is lower than the intermode beat frequency of 408 kHz. Thus, low-pass filters 13 and 14 suppress intermode beats, which, in the absence of filters, could be a source of additional noise interference.

Возможность уменьшения дрейфа нуля

возникающего из-за температурной нестабильности среды усиления, определяется механизмом возникновения шумовой частоты

, идентичного механизму, создающему частотную подставку. Оба возникают в результате динамики возбуждающих сигналов и разного времени пробега волн от места возбуждения до места вывода и интерференции волн; при этом в одном случае возбуждающим сигналом является фазовая модуляция, в другом - флуктуации температуры среды усиления.Ability to reduce zero drift

arising due to the temperature instability of the amplification medium, is determined by the mechanism of the occurrence of the noise frequency

, which is identical to the mechanism that creates the frequency bias. Both arise as a result of the dynamics of the exciting signals and the different travel times of the waves from the point of excitation to the point of output and interference of the waves; in this case, in one case, the exciting signal is phase modulation, in the other, fluctuations in the temperature of the amplification medium.

Покажем, как использование двух каналов вывода встречных волн, размещаемых по разные стороны от ПОУ и фазового модулятора, позволяет компенсировать температурные флуктуации, возникающие в оптическом усилителе и, соответственно, подавить вызываемый этими флуктуациями дрейф нуля в выходном сигнале.Let us show how the use of two channels for the output of counterpropagating waves, located on opposite sides of the SOA and the phase modulator, makes it possible to compensate for temperature fluctuations arising in the optical amplifier and, accordingly, suppress the zero drift in the output signal caused by these fluctuations.

Пусть на фазовый модулятор подается периодический сигнал U_fm(t) с частотой

в виде равнобедренного треугольника, создающий фазовую модуляцию Φ(t) треугольной формы с амплитудой Ф₀, что, в свою очередь, приводит к созданию реверсивной подставки в виде меандра. Предположим, что температура ПОУ медленно изменяется, монотонно возрастая и внося в обе пробегающие волны одну и ту же фазу δ_Ν. Не учитывая детали работы разветвителей 6 и 7, полагаем, что вывод волн из кольцевого резонатора производится в точках «1» и «2», находящихся в центре, соответственно, разветвителей 6 и 7. Ради простоты полагаем также, что пути пробега выводимых волн от места вывода до фотоприемника равные.Let a periodic signal U _fm (t) with a frequency

in the form of an isosceles triangle, creating a phase modulation Φ (t) of a triangular shape with an amplitude Ф ₀ , which, in turn, leads to the creation of a reversible bias in the form of a meander. Let us assume that the temperature of the TOC changes slowly, monotonically increasing and introducing the same phase δ _Ν into both traveling waves. Not taking into account the details of the operation of

splitters

6 and 7, we assume that the wave output from the ring resonator is performed at points “1” and “2” located in the center of

splitters

6 and 7, respectively. For simplicity, we also assume that the paths of the output waves from the places of output to the photodetector are equal.

Известно, что при внутрирезонаторной модуляции частота биений выводимых встречных волн E_cw и E_ccw (распространяющихся по ходу часовой стрелки и против, clockwise and counterclockwise waves), определяется отношением, в знаменателе которого время циркуляции волн по длине кольцевого резонатора τ=Ln/c, а в числителе - разность фаз встречных волн в точках вывода в рассматриваемый момент (Сахаров В.К. Квантовая электроника, т.46, №6, С.567, 2016 г.). В нашем случае разность фаз в числителе является суммой разностей фаз, возникающих в результате динамики нескольких процессов - знакопеременной фазовой модуляции (фазы Ф_cw, и Ф_ccw), температурных нестабильностей (фазы

и

) и эффекта Саньяка (фазы

и

):It is known that with intracavity modulation, the beat frequency of the outputted counterpropagating waves E _cw and E _ccw (propagating clockwise and counterclockwise waves) is determined by the ratio, in the denominator of which the wave circulation time along the length of the ring resonator τ = Ln / s, and in the numerator - the phase difference of counterpropagating waves at the output points at the moment under consideration (Sakharov V.K. Quantum electronics, vol. 46, No. 6, P.567, 2016). In our case, the phase difference in the numerator is the sum of the phase differences arising as a result of the dynamics of several processes - alternating phase modulation (phases Ф _cw, and Ф _ccw ), temperature instabilities (phases

and

) and the Sagnac effect (phases

and

):

где модуль означает, что реально измеряемая частота имеет положительное значение.where modulus means that the actually measured frequency has a positive value.

Разности фаз модуляции Ф_cw и Ф_ccw и фазовых флуктуаций

и

зависят от положения места вывода и, соответственно, от задержки времен пробега встречных волн от модулятора и ПОУ к этим точкам и характера возбуждающих сигналов - возрастают они или убывают. Разность саньяковских фаз

и

не зависит от положения точек вывода, так как эти фазы равны по абсолютной величине и имеют противоположные знаки, т.е.

.Phase differences of modulation Ф _cw and Ф _ccw and phase fluctuations

and

depend on the position of the exit point and, accordingly, on the delay in the travel times of counterpropagating waves from the modulator and SOA to these points and on the nature of the exciting signals - they increase or decrease. Sagnac phase difference

and

does not depend on the position of the output points, since these phases are equal in absolute value and have opposite signs, i.e.

...

Каждой паре фаз отвечает своя частота, поэтому сигналы на выходах «1» и «2» определяются тремя частотами - частотой подставки v_d, саньяковской частотой v_s и шумовой частотой

:Each pair of phases has its own frequency, so the signals at outputs "1" and "2" are determined by three frequencies - the dither frequency v _d , the Sagnac frequency v _s and the noise frequency

:

где Δτ - разность времен пробега встречных волн от модулятора до точки вывод.where Δτ is the difference in travel times of counterpropagating waves from the modulator to the outlet point.

Определяя частоту биений на выходе в точке «1», будем иметь в виду, что частота подставки v_d, как правило, на несколько порядков выше, чем частоты v_N и v_s. На интервале возрастания сигнала модуляции разности фаз (Фcw-Фccw) и

имеют положительные значения, так как волна E_cw от ПОУ прибегает к точке «1» быстрее, чем волна E_ccw; тогда частота биений выводимых волн при возрастании сигнала модуляции естьDetermining the beat frequency at the output at point "1", we will keep in mind that the dithering frequency v _d , as a rule, is several orders of magnitude higher than the frequencies v _N and v _s . In the interval of increasing modulation signal of the phase difference (Фcw-Фccw) and

have positive values, since the E _cw wave from the SOA comes to point "1" faster than the E _ccw wave; then the beat frequency of the output waves with increasing modulation signal is

где знак перед частотой v_s определяется саньяковской разностью фаз

, которая ради определенности здесь также положительная.where the sign in front of the frequency v _s is determined by the Sagnac phase difference

, which for the sake of definiteness is also positive here.

На интервале убывания сигнала модуляции разность фаз (Ф_cw-Φ_ccw) отрицательная, так как теперь до точки «1» быстрее прибегает волна E_ccw, а разности фаз

и

остаются положительными, и так как частота биений

должна иметь положительное значение, тоIn the interval of decreasing modulation signal, the phase difference (Ф _cw _{-Φ ccw} ) is negative, since now the wave E _{ccw runs} up to point "1" faster, and the phase difference

and

remain positive, and since the beat frequency

must be positive, then

Продолжая аналогичным образом, нетрудно определить частоту биений выводимых волн в точке «2» на двух соседних интервалах подставки:Continuing in the same way, it is easy to determine the beat frequency of the output waves at point "2" on two adjacent bias intervals:

В результате частоты биений в точках «1» и «2» на соседних интервалах подставки есть

и

. Вычислительное устройство 18, входящее в состав цифрового устройства обработки биений 15, вычитая в каждой паре одну частоту из другой и исключая таким образом частоту подставки v_d, формирует два сигнала:As a result, the beat frequency at points "1" and "2" on adjacent bias intervals is

and

... The computing device 18, which is part of the digital device for processing beats 15, subtracting one frequency from the other in each pair and thus excluding the dithering frequency v _d , generates two signals:

Как можно видеть, сигнал Ν₁ является суммой полезного сигнала и шума, а сигнал Ν₂ - их разностью.As you can see, signal ₁ is the sum of the useful signal and noise, and signal Ν ₂ is their difference.

Далее вычислительное устройство 18 производит следующую операцию - вычитает сигнал Ν₂ из сигнала Ν₁, исключая таким образом шумовую составляющую

в формируемом выходном сигнале (частоте):Further, the computing device 18 performs the following operation - subtracts the signal Ν ₂ from the signal Ν ₁ , thus eliminating the noise component

in the generated output signal (frequency):

Сравнивая (4) и (12), можно сделать вывод, что чувствительность устройства 10 в два раза выше, чем чувствительность прототипа, и что выходной сигнал N_out не содержит шумовой составляющей, являющихся основной причиной дрейфа нуля. Следовательно, уменьшается величина дрейфа нудя

и, соответственно, увеличивается пороговая чувствительность.Comparing (4) and (12), it can be concluded that the sensitivity of the device 10 is two times higher than the sensitivity of the prototype, and that the output signal N _out does not contain the noise component, which is the main reason for the zero drift. Consequently, the magnitude of the nudya drift decreases.

and, accordingly, the threshold sensitivity increases.

Отметим, что в реальном устройстве, выполненном согласно настоящему изобретению, кроме температурных флуктуаций в ПОУ существуют и другие флуктуации, однако их воздействие существенно слабее и они будут подавлены также полностью или частично. Например, нестабильность температуры световода, образующего кольцевой резонатор, принципиально вносит свой вклад в шумовую частоту

: Однако это проявится одинаковым образом в сигналах N₁ и N₂ и поэтому операция вычитания (12) обнулит данные шумы.Note that in a real device made according to the present invention, in addition to temperature fluctuations in the SOA, there are other fluctuations, but their effect is much weaker and they will also be completely or partially suppressed. For example, the temperature instability of a fiber forming a ring resonator fundamentally contributes to the noise frequency

: However, this will appear in the same way in signals N ₁ and N ₂ and therefore the subtraction operation (12) will zero these noises.

На Фиг. 2 приведена схема дифференциального многомодового волоконного лазерного гироскопа 20 с использованием волоконного оптического усилителя (ВОУ), отличающегося от устройства 10 лишь заменой оптического усилителя - вместо ПОУ 2 теперь используется ВОУ 24.FIG. 2 shows a diagram of a differential multimode fiber laser gyroscope 20 using a fiber optical amplifier (FOA), which differs from device 10 only by replacing the optical amplifier - instead of SOU 2, FOU 24 is now used.

ВОУ 24 включает среду усиления в виде активированного ионами эрбия Er+ одномодового световода 25 длиной не более 20 см, лазер накачки 26 и оптический мультиплексор 27, с помощью которого волна накачки вводится в среду усиления. Длина волны циркулирующих в кольцевом лазере волн лежит также в диапазоне 1.55 мкм, длина волны излучения лазера накачки 0.98 мкм.The HEU 24 includes an amplification medium in the form of a single-mode fiber 25 with a length not exceeding 20 cm, activated by Er + ions, a pump laser 26 and an optical multiplexer 27, with which the pump wave is introduced into the amplification medium. The wavelength of the waves circulating in the ring laser is also in the range of 1.55 mm, the wavelength of the pump laser is 0.98 mm.

Устройство 20 также обеспечивает снижение дрейфа нуля и повышение чувствительности, так как на всех стадиях работы, кроме оптического усиления волн, его работа аналогична работе устройства 10. Преимущество устройства 20 в том, что в ВОУ в современной технике используются гораздо шире, чем ПОУ. Следовательно, данный вариант может быть более экономичным.The device 20 also provides a decrease in zero drift and an increase in sensitivity, since at all stages of operation, except for optical amplification of waves, its operation is similar to that of device 10. The advantage of device 20 is that HEU is used in modern technology much more widely than FOCs. Therefore, this option may be more economical.

На Фиг. 3 схема дифференциального многомодового волоконного лазерного гироскопа 30, в котором объединение выводимых волн производится с помощью разветвителей Х-типа с диэлектрическим зеркалом на торце одного из двух выводов.FIG. 3 is a diagram of a differential multimode fiber laser gyroscope 30, in which the output waves are combined using X-type splitters with a dielectric mirror at the end of one of the two leads.

Данное устройство отличается от устройства 10 отсутствием разветвителей 19 и 21, функцию которых - объединение выводимых волн - выполняют разветвители 6 и 7, на торцы одно из портов которых напылены диэлектрические зеркала 8 и 9 с коэффициентом отражения 100% для рабочей длины волны.This device differs from device 10 by the absence of splitters 19 and 21, the function of which is to combine the output waves - splitters 6 and 7 perform, on the ends of one of the ports of which dielectric mirrors 8 and 9 are sprayed with a reflection coefficient of 100% for the operating wavelength.

Объединение выводимых пар волн происходит в силу известных свойств симметрии коэффициентов передачи волоконных разветвителей Х-типа, благодаря которым выводимая волна (мощностью 5%), отразившись от зеркала и пройдя в обратном направлении через тот же разветвитель, почти полностью (5%⋅0,95=4,75%) перейдет на другой вывод разветвителя. Таким образом, на выводе разветвителя, подключенному к фотоприемному устройству, окажутся две волны, в результате интерференции которых возникнут биения.The combining of the output pairs of waves occurs due to the well-known symmetry properties of the transmission coefficients of X-type fiber splitters, due to which the output wave (5% power), reflected from the mirror and passing in the opposite direction through the same splitter, almost completely (5% ⋅0.95 = 4.75%) will go to the other splitter pin. Thus, at the splitter output connected to the photodetector, there will be two waves, as a result of the interference of which beats will occur.

Преимущество данного варианта заключается в том, что стоимость одного разветвителя с зеркалом меньше, чем стоимость двух разветвителей, используемых для вывода волн из кольцевого резонатора и объединения. В остальной части работа устройства 30, а также характер генерируемого излучения аналогичны работе и характеру излучения в устройства 10; выходной сигнал в устройстве 30 также определяется выражением (12).The advantage of this option is that the cost of one splitter with a mirror is less than the cost of two splitters used to output the waves from the ring resonator and combine. In the rest, the operation of the device 30, as well as the nature of the generated radiation, is similar to the operation and the nature of the radiation in the device 10; the output signal in device 30 is also determined by expression (12).

Во всех трех рассмотренных выше вариантах реализации заявляемого устройства вместо электрооптического фазового модулятора может использоваться волоконный пьезомеханический фазовый модулятор, представляющий собой пьезокерамический цилиндра, на боковую поверхность которого намотан РМ-световод небольшой длины, порядка 10 м.In all three of the above embodiments of the proposed device, instead of an electro-optical phase modulator, a fiber piezomechanical phase modulator can be used, which is a piezoceramic cylinder, on the side surface of which a PM-fiber of a small length, about 10 m, is wound.

Подводя итог, отметим, что существенно отличаясь от гироскопов DILAG по конструкции, характеру генерируемого излучения и способу создания частотной подставки, заявляемое устройство позволяет также, как DILAG, существенно снизить дрейф нуля и повысить чувствительность. В свою очередь это позволит снизить уровень минимально измеряемой скорости вращения и повысить точность измерений. Использование твердотельных оптических усилителей, ПОУ или ВОУ, принадлежащих элементной базы современных систем ВОЛС, позволит увеличить долговечность, надежность, экономичность и технологичность ЛГ.To summarize, we note that significantly differing from DILAG gyroscopes in design, the nature of the generated radiation and the method of creating a frequency bias, the claimed device allows, like DILAG, to significantly reduce the zero drift and increase the sensitivity. In turn, this will reduce the level of the minimum measured rotation speed and increase the measurement accuracy. The use of solid-state optical amplifiers, SOA or HEU, belonging to the element base of modern fiber-optic communication systems, will increase the durability, reliability, efficiency and manufacturability of the LG.

Заявляемое устройство может найти применение в навигации и автоматическом управлении движением, в системах индикации поворотов транспортных средств, стабилизации антенн и телеобъективов в направлении движущихся объектов, в робототехнике и многих других устройствах и системах.The claimed device can be used in navigation and automatic traffic control, in systems for indicating the turns of vehicles, stabilizing antennas and telephoto lenses in the direction of moving objects, in robotics and many other devices and systems.

Claims

1. Differential multimode fiber laser gyroscope, including a ring laser, consisting of a ring resonator in the form of a fiber wound into a coil, an optical amplifier, a phase modulator, a spectral-selective narrow-band filter and an X-type splitter built in two ports into the ring resonator and using the other two a port for outputting a pair of counterpropagating waves, a device for combining output waves, a photodetector for recording the beats of the output waves, and a digital device for processing beats, characterized in that the ring laser includes a second X-type splitter built into the ring resonator with two ports and using two other ports for the output of the second pair of waves, a second device for combining the pair of output waves, a second photodetector for recording the beatings of the second pair of output waves and two radio frequency low-pass filters.

2. The laser gyroscope of claim. 1, characterized in that the optical amplifier and the phase modulator are located next to each other, and the X-type splitters used to output radiation are located on either side of them.

3. The laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the X-type fiber splitters each additionally act as a device for combining the output pair of waves, for which a mirror is mounted on one of the two output ports of each X-type fiber splitter.

4. A laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the digital beating processing device includes a phase modulation signal generator, an analog-to-digital photocurrent converter and a computing device that processes the beats of two pairs of output waves.

5. The laser gyroscope according to claim 4, characterized in that the phase modulation signal generator is used to supply signals to the phase modulator that create an alternating frequency bias.

6. Laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the cutoff frequency of the low-pass radio-frequency filters is lower than the intermode beat frequency Δv = c / Ln, where c is the speed of light in a void, L is the length of the ring resonator, n is the refractive index of the ring resonator light guide ...

7. A laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the first and second fiber combiners are used as devices for combining a pair of output waves, each of which is built between an X-type fiber splitter and a radio frequency low-pass filter.

8. The laser gyroscope according to claim 1, characterized in that a semiconductor optical amplifier is used as the optical amplifier.

9. A laser gyroscope according to claim 1, characterized in that a fiber optical amplifier, activated by ions of a rare earth metal and having a limited length, is used as the optical amplifier.

10. Laser gyroscope according to claim 1, characterized in that an electro-optical phase modulator is used as the phase modulator.

11. The laser gyroscope according to claim 1, characterized in that a fiber piezoceramic phase modulator is used as the phase modulator.