RU2795737C1 - Fiber optic angular rate sensor - Google Patents
Fiber optic angular rate sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2795737C1 RU2795737C1 RU2022124290A RU2022124290A RU2795737C1 RU 2795737 C1 RU2795737 C1 RU 2795737C1 RU 2022124290 A RU2022124290 A RU 2022124290A RU 2022124290 A RU2022124290 A RU 2022124290A RU 2795737 C1 RU2795737 C1 RU 2795737C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- fiber
- sensitive element
- input
- optic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптических измерений, а именно, к волоконно-оптическим устройствам для измерения угловой скорости с использованием гироскопических эффектов.The invention relates to the field of optical measurements, namely, to fiber-optic devices for measuring angular velocity using gyroscopic effects.
Измерение угловой скорости традиционно производится датчиками угловой скорости (ДУС) разного типа гироскопов, в том числе волоконно-оптическим гироскопом (ВОГ), в котором чувствительным элементом (ЧЭ) является интерферометр Саньяка (ИС). Величина случайной разности фаз встречных лучей в ИС определяет уровень дрейфа ДУС, тем самым, снижает точность измерения угловой скорости. Это особенно актуально для навигации при длительном непрерывном периоде эксплуатации ВОГ из-за с накопления случайной ошибки в показаниях гироскопа, особенно в верхних и нижних широтах Земли.Angular velocity measurement is traditionally performed by angular velocity sensors (ARS) of various types of gyroscopes, including a fiber-optic gyroscope (FOG), in which the sensitive element (SE) is a Sagnac interferometer (IS). The value of the random phase difference of the opposing beams in the IS determines the level of drift of the ARS, thereby reducing the accuracy of measuring the angular velocity. This is especially important for navigation during a long continuous period of FOG operation due to the accumulation of a random error in the gyroscope readings, especially in the upper and lower latitudes of the Earth.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик угловой скорости, содержащий источник лазерного излучения чувствительный элемент, содержащий два узла входа/выхода и расположенные между ними два оптических волновода, которые работают на эффекте Саньяка, а также блок обработки сигнала с двумя фотодетекторами, в котором первый узел входа/выхода чувствительного элемента соединен с первым выходом источника излучения и первым фотодетектором, а второй узел входа/выхода чувствительного элемента соединен со вторым выходом источника излучения и вторым фотодетектором (см. публикацию WO 2018222768, кл. G01C 19/72, опубл. 06.12.2018). В известном устройстве указанные волноводы выполнены в виде интегрально-оптических кольцевых резонаторов. Среди недостатков следует отметить измерение в разные моменты времени, при этом для повышения точности требуется высокая частота переключения, что наводит дополнительную помеху (ошибку) и снижает точность измерения. Недостатками известного устройства являются сложность изготовления, требующая применения модулятора, переключения оптических потоков, двух фотодетекторов, и относительно невысокая точность результатов.The closest in technical essence to the proposed invention is an angular velocity sensor containing a laser radiation source, a sensitive element containing two input / output nodes and two optical waveguides located between them, which operate on the Sagnac effect, as well as a signal processing unit with two photodetectors, in in which the first input/output node of the sensing element is connected to the first output of the radiation source and the first photodetector, and the second input/output node of the sensing element is connected to the second output of the radiation source and the second photodetector (see publication WO 2018222768, class G01C 19/72, publ. 06.12.2018). In the known device, these waveguides are made in the form of integrated optical ring resonators. Among the shortcomings, one should note the measurement at different points in time, while a high switching frequency is required to improve the accuracy, which induces additional noise (error) and reduces the measurement accuracy. The disadvantages of the known device are the complexity of manufacturing, requiring the use of a modulator, switching optical flows, two photodetectors, and relatively low accuracy of the results.
Технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и создание простого устройства ДУС с эффективной компенсацией дрейфа - случайной составляющей угловой скорости, например, из-за температурного влияния и других факторов, не связанных с вращением устройства. Технический результат заключается в повышении точности измерения угловой скорости, который достигается более простой конструкцией ДУС.The technical problem is to eliminate the above disadvantages and create a simple CRS device with effective drift compensation - a random component of the angular velocity, for example, due to temperature effects and other factors not related to the rotation of the device. The technical result consists in increasing the accuracy of measuring the angular velocity, which is achieved by a simpler design of the CRS.
В части устройства поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике угловой скорости, содержащем источник лазерного излучения, чувствительный элемент, содержащий два узла интерференции с двумя входами и расположенные между ними две волоконно-оптических катушки, которые работают на эффекте Саньяка; и блок обработки сигнала, в отличие от прототипа с одним фотодетектором, в котором первый узел интерференции чувствительного элемента соединен с первым входом делителя 2×2 (два вход два выхода), а второй узел интерференции чувствительного элемента соединен источника излучения и вторым входом оптического делителя 2×2 (два входа два выхода), чувствительный элемент сформирован как интерферометр Маха-Цандера, в плечи которого включены указанные оптические волноводы, при этом плечи интерферометра отличаются по длине не более, чем на длину когерентности источника излучения, а указанные оптические волноводы выполнены в виде волоконно-оптических катушек, причем начало первой катушки соединено с первым выводом первого узла интерференции чувствительного элемента, а ее конец - с первым выводом второго узла интерференции чувствительного элемента; начало второй катушки соединено со вторым выводом второго узла интерференции чувствительного элемента, а ее конец - со вторым выводом первого узла интерференции чувствительного элемента. Первый и второй узел интерференции выполнены, например, - в виде разветвителей Y-типа, соединенного катушками с одной стороны и делителем 2×2 (два входа два выхода) с другой стороны, первый узел интерференции имеет электроды. Все соединения выполнены с постоянным соединением, не требуют переключения оптического потока.In terms of the device, the problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the fiber-optic sensor of the angular velocity containing the source of laser radiation, the sensitive element contains two interference nodes with two inputs and two fiber-optic coils located between them, which operate on the Sagnac effect; and a signal processing unit, in contrast to the prototype with one photodetector, in which the first interference node of the sensitive element is connected to the first input of the 2 × 2 divider (two inputs two outputs), and the second interference node of the sensitive element is connected to the radiation source and the second input of the
На фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого датчика угловой скорости.In FIG. 1 shows the optical diagram of the proposed angular velocity sensor.
Предлагаемый волоконно-оптический ДУС состоит из одного источника когерентного лазерного излучения (ЛИ) 1, чувствительного элемента (ЧЭ) с двумя входами-выходами А и В, расположенными под 180 градусов относительно друг друга, двумя узлами интерференции (УИ) 3,6, двумя волоконно-оптическими катушками (ОК) 4,5. Первый вывод УИ 3 ЧЭ 5, соединен с началом ОК 4, а первый вывод УИ 6 с концом ОК 4. Второй вывод УИ 6 ЧЭ 5, соединен с началом ОК 5, а второй вывод УИ 6 с концом ОК 5.The proposed fiber-optic CRS consists of one source of coherent laser radiation (LI) 1, a sensitive element (SE) with two inputs-outputs A and B located at 180 degrees relative to each other, two interference nodes (UI) 3.6, two fiber optic coils (OK) 4.5. The first output of UI 3
Чувствительный элемент сформирован как интерферометр Маха-Цандера с двумя входами/выходами, в плечи которого включены ОК 4, 5. Под началом катушки понимается начало намотки катушек в одном направлении намотки, например, по часовой стрелке. Для обеспечения интерференции плечи интерферометра отличаются по длине не более, чем на длину когерентности ЛИ1. ЛИ 1 через делитель 2×2 (два входа два выхода) (Д) 2 соединен со входом УИ 3 и УИ 6. Второй выход Д 2 соединен с фотодетектором (ФД) 7, с выходом, который соединен с блоком обработки (БО) и управления 8, с которого на электроды УИ 3 подается напряжение рабочей точки. При необходимости УИ 6 также может иметь электроды для формирования исходной рабочей точки.The sensitive element is formed as a Mach-Zehnder interferometer with two inputs/outputs, in the arms of which
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.
Когерентный лазерный луч от ЛИ 1 непрерывно направляют на первый вывод Д 2, после деления два луча поступают на входы/выходы А и В ЧЭ, потом на входы/выходы УИ 3 и УИ 6. После прохождения по плечам интерферометров МАХА-Цандера, выполненных в виде волокно-оптических катушек ОК, 4-й и 5-й лучи, при вращении, пропорционально величине угловой скорости, набирают приращения фаз Саньяка, которые определяют уровень оптической мощности после интерференции в УИ 3 и УИ 6. Далее эти оптические лучи суммируются на Д 2 и преобразуются в электрический вид на ФД 7. Далее поступают на обработку в БО 8. С БО 8 на электроды УМ 3 подается напряжение рабочей точки для обеспечения интерференции.A coherent laser beam from
В результате предлагаемого соединения оптических элементов составляющие угловой скорости (оптической мощности), вызванные вращением ВОГ, на входе/выходе А и В ЧЭ равны, а приращение угловых скоростей (оптической мощности), вызванное дрейфом, имеет разные знаки, поскольку входы/выходы А и В расположены под углом 180 градусов относительно друг друга. Это позволяет определить угловую скорость с эффективной компенсацией значения дрейфа. Угловая скорость на выходе УИ 3 состоит их двух составляющих и определяется формулой:As a result of the proposed connection of optical elements, the components of the angular velocity (optical power) caused by the rotation of the FOG at the input/output A and B of the SE are equal, and the increment of angular velocities (optical power) caused by drift has different signs, since the inputs/outputs A and B are located at an angle of 180 degrees relative to each other. This makes it possible to determine the angular velocity with effective compensation of the drift value. The angular velocity at the output of the
где ω1 - угловая скорость на входе/выходе А ЧЭ;where ω 1 - angular velocity at the inlet/outlet A SE;
ω1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на входе/выходе А ЧЭ;ω 1.1 - component of the angular velocity without drift at the input/output of A SE;
ωд1 - дрейф на входе/выходе А ЧЭ.ωd 1 - drift at the input/output А SE.
Для УИ 6 будет определяться угловая скорость в противоположном направлении:For
где ω2 - угловая скорость на входе/выходе В ЧЭ;where ω 2 - angular velocity at the inlet/outlet of the SE;
ω1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на входе/выходе В ЧЭ;ω1.1 - component of the angular velocity without drift at the input/output of the SE;
ωд2 - дрейф на входе/выходе В ЧЭ.ω d2 - drift at the input/output V SE.
В результате в Д 2 обеспечивается сложение оптических лучей с выходов А и В ЧЭ, сложение формул (1) и (2):As a result,
где ωк - угловая скорость с компенсацией дрейфа;where ω to - angular velocity with drift compensation;
ω1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на входе/выходе А ЧЭ;ω 1.1 - component of the angular velocity without drift at the input/output of A SE;
ω1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на входе/выходе В ЧЭ;ω 1.1 - component of the angular velocity without drift at the input/output of the SE;
ωд1 - дрейф на вход/выходе А ЧЭ;ω d1 - drift at the input / output A SE;
ωд2 -дрейф на входе/выходе В ЧЭ.ω d2 - drift at the input/output in SE.
В результате на выходе ФД 7 электрическая мощность будет соответствовать удвоенной угловой скорости, а эффективная компенсация дрейфа достигается после усреднения результатов суммирования в БО8.As a result, at the output of
Предлагаемое техническое решение позволяет проводить непрерывное измерение угловой скорости в реальном масштабе времени с эффективной компенсацией мгновенных значений величины дрейфа, без переключения оптических лучей, с использованием одного ФД, что обеспечивает более высокую точность.The proposed solution allows continuous measurement of the angular velocity in real time with effective compensation of the instantaneous values of the drift, without switching optical beams, using a single PD, which ensures higher accuracy.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2795737C1 true RU2795737C1 (en) | 2023-05-11 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2000543C1 (en) * | 1992-03-11 | 1993-09-07 | Логозинский В.Н. | Fiber-optic gyroscope |
RU2122179C1 (en) * | 1996-07-05 | 1998-11-20 | Институт прикладной физики РАН | Fibre-optical gyro |
CN1307404C (en) * | 2003-01-28 | 2007-03-28 | 电子科技大学 | Interference type optical fiber gyroscope based on MZ interference principle |
WO2018222768A1 (en) * | 2017-05-30 | 2018-12-06 | California Institute Of Technology | Integrated optical gyroscope with noise cancellation |
RU2743815C1 (en) * | 2020-03-24 | 2021-02-26 | Акционерное общество "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Ring interferometer of fiber optical gyroscope |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2000543C1 (en) * | 1992-03-11 | 1993-09-07 | Логозинский В.Н. | Fiber-optic gyroscope |
RU2122179C1 (en) * | 1996-07-05 | 1998-11-20 | Институт прикладной физики РАН | Fibre-optical gyro |
CN1307404C (en) * | 2003-01-28 | 2007-03-28 | 电子科技大学 | Interference type optical fiber gyroscope based on MZ interference principle |
WO2018222768A1 (en) * | 2017-05-30 | 2018-12-06 | California Institute Of Technology | Integrated optical gyroscope with noise cancellation |
RU2743815C1 (en) * | 2020-03-24 | 2021-02-26 | Акционерное общество "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Ring interferometer of fiber optical gyroscope |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2021135171A1 (en) | Multi-phase modulation and demodulation-based fiber-optic gyroscope multi-closed-loop method | |
US5926275A (en) | Vibration error reduction servo for a fiber optic gyroscope | |
EP1044354B1 (en) | Fiber optic gyroscope | |
US9857176B2 (en) | Dynamically monitoring the instantaneous zero rotation rate voltage of interferometric fiber optic gyroscope (IFOG) | |
EP0532679A1 (en) | Modulation frequency control in a fiber optic rotation sensor. | |
JPS6060513A (en) | Optical-fiber gyroscope and method of changing phase of said gyroscope into zero | |
US5923424A (en) | Fiber optic gyroscope vibration error compensator | |
EP3859272B1 (en) | Calibration circuit to mitigate fiber-optic gyroscope (fog) bias error | |
EP0683889A1 (en) | Control of spectral shift errors | |
JP2724915B2 (en) | Interferometer signal analysis with modulation switching | |
RU2795737C1 (en) | Fiber optic angular rate sensor | |
US20030169428A1 (en) | Saw tooth bias modulation and loop closure for an interferometric fiber optic gyroscope | |
RU2482450C1 (en) | Apparatus for testing electronic unit of fibre-optic gyroscope | |
Babu et al. | Digital signal processing scheme for open loop and closed loop IFOG using MATLAB/SIMULINK | |
RU2791671C1 (en) | Fiber optic angular velocity sensor and method for measuring angular velocity | |
RU2793727C1 (en) | Angular rate sensor | |
RU2194245C2 (en) | Method for carrying out optical fiber gyroscope ring interferometer beam phase modulation | |
RU2160885C1 (en) | Method of stabilization of scale factor of fiber-optical gyroscope | |
RU2523759C1 (en) | Angular velocity range extension for open-circuit fibre-optic gyro | |
Li et al. | Four-state modulation in fiber optic gyro | |
RU2160886C1 (en) | Procedure of processing of information of fiber-optical gyroscope | |
RU2815704C1 (en) | Fibre optical angular velocity sensor without modulator | |
US6243167B1 (en) | Multimode fiber optic gyroscope | |
RU2815205C1 (en) | Photonic ars on ring optical resonator | |
RU222939U1 (en) | Fiber Optic Angular Velocity Sensor |