RU2795737C1 - Fiber optic angular rate sensor - Google Patents

Fiber optic angular rate sensor Download PDF

Info

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
Application number
RU2022124290A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Константинович Струк
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания"
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" filed Critical Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания"
Application granted granted Critical
Publication of RU2795737C1 publication Critical patent/RU2795737C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: optical measurements.
SUBSTANCE: fiber-optic devices for measuring angular rate using sensors with the Sagnac effect. The fiber-optic angular rate sensor contains a laser radiation source, a sensitive element with two inputs/outputs, and a signal processing unit with two photodetectors. Each input/output assembly is connected to a radiation source and its own photodetector. In this case, the sensitive element is implemented as two counter-directional Mach–Zehnder interferometers, each of which operates on the basis of the same two fiber-optic coils wound in series at least partially around a common axis.
EFFECT: increased accuracy of measuring the angular velocity due to the effective compensation of the drift of the fiber-optic sensing element.
1 cl, 1 dwg

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 optical divider 2 ×2 (two inputs, two outputs), the sensitive element is formed as a Mach-Zehnder interferometer, the arms of which include the specified optical waveguides, while the arms of the interferometer differ in length by no more than the coherence length of the radiation source, and the specified optical waveguides are made in the form fiber optic coils, and the beginning of the first coil is connected to the first output of the first interference node of the sensing element, and its end is connected to the first output of the second interference node of the sensing element; the beginning of the second coil is connected to the second terminal of the second interference node of the sensing element, and its end is connected to the second terminal of the first interference node of the sensing element. The first and second interference nodes are made, for example, in the form of Y-type splitters connected by coils on one side and a 2×2 divider (two inputs two outputs) on the other side, the first interference node has electrodes. All connections are made with a permanent connection, do not require optical flow switching.

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 SE 5 is connected to the beginning of OK 4, and the first output of UI 6 to the end of OK 4. The second output of UI 6 SE 5 is connected to the beginning of OK 5, and the second output of UI 6 to the end of OK 5.

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 OK 4, 5 are included. By the beginning of the coil, we mean the beginning of the winding of the coils in one winding direction, for example, clockwise. To ensure interference, the arms of the interferometer differ in length by no more than the LI1 coherence length. LI 1 through a 2 × 2 divider (two inputs two outputs) (D) 2 is connected to the input of UI 3 and UI 6. The second output D 2 is connected to a photodetector (PD) 7, with an output that is connected to a processing unit (BO) and control 8, from which the operating point voltage is applied to the electrodes UI 3. If necessary, UI 6 can also have electrodes to form the initial operating point.

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 LI 1 is continuously directed to the first output D 2, after division, two beams enter the inputs/outputs A and B of the SE, then to the inputs/outputs UI 3 and UI 6. After passing through the arms of the MAHA-Zander interferometers, made in in the form of optical fiber coils OK, the 4th and 5th beams, during rotation, in proportion to the magnitude of the angular velocity, gain Sagnac phase increments, which determine the level of optical power after interference in UI 3 and UI 6. Further, these optical beams are summed up on D 2 and are converted into an electrical form on the PD 7. Then they are processed in the BO 8. From the BO 8, the voltage of the operating point is applied to the electrodes of the PA 3 to provide interference.

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 ID 3 consists of two components and is determined by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

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 ID 6, the angular velocity in the opposite direction will be determined:

Figure 00000002
Figure 00000002

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, D 2 provides the addition of optical beams from the outputs A and B of the SE, the addition of formulas (1) and (2):

Figure 00000003
Figure 00000003

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 PD 7, the electric power will correspond to twice the angular velocity, and effective drift compensation is achieved after averaging the summation results in BO8.

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)

Волоконно-оптический датчик угловой скорости, содержащий источник лазерного излучения, чувствительный элемент, построенный на основе интерферометра Маха-Цандера, содержащий два узла интерференции, каждый из которых содержит оптический вход и выход, и расположенные между ними два оптических волновода, которые работают на эффекте Саньяка, отличающийся тем, что в плечах чувствительного элемента указанные оптические волноводы выполнены в виде волоконно-оптических катушек, причем начало первой катушки соединено с первым выводом первого узла интерференции, а ее конец - с первым выводом второго узла интерференции чувствительного элемента; начало второй катушки соединено со вторым входом второго узла интерференции чувствительного элемента, а ее конец - со вторым выводом первого узла интерференции чувствительного элемента, оптический делитель 2×2, имеющий два входа и два выхода, один фотодетектор, соединенный своим входом со входом оптического делителя, а выходом - с блоком обработки и управления, который своим выходом соединен с элементами первого узла интерференции.Fiber-optic angular velocity sensor containing a laser radiation source, a sensitive element based on a Mach-Zehnder interferometer, containing two interference nodes, each of which contains an optical input and output, and two optical waveguides located between them, which operate on the Sagnac effect , characterized in that in the shoulders of the sensitive element, these optical waveguides are made in the form of fiber-optic coils, and the beginning of the first coil is connected to the first output of the first interference node, and its end is connected to the first output of the second interference node of the sensitive element; the beginning of the second coil is connected to the second input of the second interference node of the sensitive element, and its end is connected to the second output of the first node of the interference of the sensitive element, an optical divider 2×2, having two inputs and two outputs, one photodetector connected by its input to the input of the optical divider, and the output - with the processing and control unit, which is connected with its output to the elements of the first interference node.
RU2022124290A 2022-09-13 Fiber optic angular rate sensor RU2795737C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2795737C1 true RU2795737C1 (en) 2023-05-11

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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