RU2815704C1

RU2815704C1 - Fibre optical angular velocity sensor without modulator

Info

Publication number: RU2815704C1
Application number: RU2023118190A
Authority: RU
Inventors: Валерий Константинович Струк
Original assignee: ПАО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания"
Filing date: 2023-07-10
Publication date: 2024-03-20

Abstract

FIELD: optical measurements.

SUBSTANCE: invention related to devices for measuring angular velocity using gyroscopic effects and methods for their operation. An angular velocity sensor without a modulator, containing a radiation source, an optical waveguide sensitive to the Sagnac effect, an interference unit, a processing unit, characterized in that the interference unit consists of four 1×2 optical dividers, having one input, two outputs, input of the first optical divider 1×2 and the input of the second optical divider 1×2 are connected, respectively, to the input and output of an optical waveguide sensitive to the Sagnac effect, the first output of the first optical divider 1×2 and the second output of the second optical divider 1×2 are connected, respectively, to the second and the first output of the fourth optical divider 1×2, and the second output of the first divider 1×2 and the first output of the second optical divider 1×2 are connected, respectively, to the second and first output of the third optical divider 1×2, the fourth optical divider 1×2 having one input and two outputs, has electrodes.

EFFECT: reducing the overall characteristics of the product and reducing electricity consumption.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к устройствам для измерения угловой скорости с использованием гироскопических эффектов и к способам их работы.The invention relates to the field of optical measurements, namely to devices for measuring angular velocity using gyroscopic effects and methods for their operation.

В зависимости от условий эксплуатации требования к массогабаритным характеристикам, стоимости и энергопотреблению возрастают, например, при использовании автономных навигационных приборов для малых беспилотных летательных аппаратов.Depending on the operating conditions, the requirements for weight and size characteristics, cost and energy consumption increase, for example, when using autonomous navigation devices for small unmanned aerial vehicles.

Известна минимальная конфигурация волоконно-оптического датчика угловой скорости (ДУС), которая включает тот минимальный набор элементов, который позволяет создать работоспособный ДУС (см. книга Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп. Москва: Радио и связь, опубл. 1987 г.). Среди обязательных элементов конфигурация ДУС включает модулятор и демодулятор, для обеспечения работоспособности чувствительного элемента (ЧЭ). Это требует дополнительного места для размещения и увеличивает энергопотребление.The minimum configuration of a fiber-optic angular velocity sensor (ARS) is known, which includes the minimum set of elements that allows you to create an efficient ARS (see the book by Sheremetyev A.G. Fiber-optic gyroscope. Moscow: Radio and Communications, publ. 1987. ). Among the required elements, the DUS configuration includes a modulator and a demodulator to ensure the functionality of the sensitive element (SE). This requires additional space and increases power consumption.

Устранение вышеуказанных недостатков является технической проблемой. Создание простого ДУС может обеспечить использование схемы интерферометра, не требующего модулятора и демодулятора. Технический результат заключается в уменьшении габаритных характеристик изделия, снижении потребляемой электроэнергии, что актуально для работы навигационных систем для малых беспилотных аппаратов.Eliminating the above shortcomings is a technical problem. The creation of a simple DUS can provide the use of an interferometer circuit that does not require a modulator and demodulator. The technical result consists in reducing the overall characteristics of the product and reducing electricity consumption, which is important for the operation of navigation systems for small unmanned vehicles.

В части устройства поставленная проблема решается и технический результат достигается тем, что в датчике угловой скорости, содержащем источник лазерного излучения, чувствительный элемент, работающий на эффекте Саньяка, и блок обработки сигнала (БО) с фотодетектором, узел интерференции включает четыре оптических делителя (ОД) 1×2, имеющих один вход два выхода, при этом два входа первых двух ОД 1×2 соединены соответственно со входом и выходом оптического волновода, чувствительного к эффекту Саньяка, выполненного, например, в виде волоконно-оптического контура (ВК), первый выход первого ОД 1×2 и второй выход второго ОД 1×2 соединены соответственно со вторым и первым выходом четвертого оптического ОД 1×2, а второй выход первого ОД 1×2 и первый выход второго ОД 1×2 соединены соответственно со вторым и первым выходом третьего ОД 1×2. Третий ОД 1×2 имеет электроды для создания исходной разности фаз встречных лучей в ВК интерферометра Саньяка. Чувствительный элемент формирует интерференционную картину, на основе которой фотодетектор преобразует оптическую мощность в электрический сигнал для определения угловой скорости в БО.In the device part, the problem posed is solved and the technical result is achieved by the fact that in the angular velocity sensor containing a laser radiation source, a sensitive element operating on the Sagnac effect, and a signal processing unit (SP) with a photodetector, the interference unit includes four optical dividers (OD) 1×2, having one input and two outputs, with the two inputs of the first two OD 1×2 connected respectively to the input and output of an optical waveguide sensitive to the Sagnac effect, made, for example, in the form of a fiber-optic circuit (FC), the first output the first OD 1×2 and the second output of the second OD 1×2 are connected, respectively, to the second and first output of the fourth optical OD 1×2, and the second output of the first OD 1×2 and the first output of the second OD 1×2 are connected, respectively, to the second and first output third OD 1x2. The third OD 1×2 has electrodes for creating the initial phase difference of the counterpropagating beams in the VC of the Sagnac interferometer. The sensitive element forms an interference pattern, on the basis of which the photodetector converts optical power into an electrical signal to determine the angular velocity in the BO.

На фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого датчика.In fig. Figure 1 shows the optical diagram of the proposed sensor.

Предлагаемый волоконно-оптический датчик угловой скорости состоит из источника 1 когерентного лазерного излучения (ИИ) и с изолятором для гашения обратного луча, чувствительного элемента интерферометра Саньяка 2 (ЧЭ) со входом А и выходом В и БО 10 с фотодетектором 9 (ФД).The proposed fiber-optic angular velocity sensor consists of a source 1 of coherent laser radiation (IL) and an insulator for extinguishing the return beam, a sensitive element of a Sagnac interferometer 2 (SE) with input A and output B and BO 10 with a photodetector 9 (PD).

БО 10 обеспечивает преобразование оптического сигнала в электрический, математическую обработку результатов измерений и управление работой ДУС: задает рабочую точку подачей через вывод 12 потенциала на электроды 6 для работы ЧЭ 2, производит математические действия для обработки результатов измерения и вывод данных.BO 10 provides conversion of an optical signal into an electrical one, mathematical processing of measurement results and control of the operation of the DUS: it sets the operating point by applying potential through output 12 to electrodes 6 for the operation of SE 2, performs mathematical operations for processing measurement results and outputting data.

ЧЭ 2 представляет собой интерферометр Саньяка и состоит из узла интерференции 27 (УИ) и оптического волновода, выполненного, например, в виде волоконно-оптической катушки ВК 3. Вход А ЧЭ 2 соединен с выходом 25 ИИ1, а выход В ЧЭ2 соединен с ФД9. Излучение от ИИ1 подается на вход А ЧЭ2, с выхода В ЧЭ2 выводится луч после интерференции в УИ27 на ФД9, где преобразовывается в электрическую форму и подается на вход 24 БО 10. Луч от ВКЗ, который в обратном направлении поступает на ОД8, идет на выход 25 ИИ1, где гасится на изоляторе.SE 2 is a Sagnac interferometer and consists of an interference unit 27 (UI) and an optical waveguide, made, for example, in the form of a fiber-optic coil VK 3. Input A of SE 2 is connected to output 25 of II1, and output B of SE2 is connected to FD9. Radiation from II1 is supplied to input A of the SE2, from output B of the SE2 a beam is output after interference in UI27 on FD9, where it is converted into electrical form and supplied to the input 24 of BO 10. The beam from the VKZ, which in the opposite direction enters OD8, goes to the output 25 II1, where it is extinguished at the insulator.

Узел интерференции УИ 27 состоит из четырех оптических делителей 1×2, имеющих один вход два выхода: первого ОД4, второго ОД5, третьего ОД6 и четвертого ОД8.The interference unit UI 27 consists of four 1×2 optical dividers, having one input and two outputs: the first OD4, the second OD5, the third OD6 and the fourth OD8.

Вход 13 ОД4 оптического делителя 1x2, имеющего один вход два выхода, соединен со входом оптического волновода 3, чувствительного к эффекту Саньяка, вход 14 ОД5 второго оптического делителя 1×2, имеющего один вход два выхода, - с выходом ВК 3. Входом ВК 3 является начало намотки ВК 3, выходом - ее конец. Намотка ВК 3 ведется, например, по часовой стрелке. Выход 15 ОД4 соединен с выходом 21 ОД 8 четвертого оптического делителя 1×2, имеющего один вход два выхода, выход 18 ОД5 соединен с выходом 22 ОД8. Выход 16 ОД 4 соединен с выходом 19 ОД6 третьего оптического делителя 1×2, имеющего один вход два выхода, с электродами 7, выход 17 ОД5 соединен с выходом 20 ОД6. Вход 26 ОД6 соединен с выходом А ЧЭ2 и далее с 25 ИИ1, а вход 23 ОД8 соединен через выход В ЧЭ2 с ФД 9. Данное соединение формирует ЧЭ 2 как проходной интерферометр Саньяка со входом А, волоконно-оптической катушкой ВК 3, узлом интерференции УИ 27, состоящим из четырех оптических делителей 1×2, имеющих один вход два выхода ОД4, ОД5, ОД6, ОД8 и выходом В, на котором формируется интерференционная картина в зависимости от величины угловой скорости ДУС. Для формирования интерференционной картины разность длин участков соединений 15-21 и 8-22 должна быть меньше длины когерентности ИИ1. Элементы ОД4, ОД5, ОД6, ОД8, а также ВК 3 могут быть выполнены по фотонной интегрально-оптической технологии, в том числе на одном кристалле.Input 13 OD4 of the 1x2 optical divider, which has one input and two outputs, is connected to the input of the optical waveguide 3, sensitive to the Sagnac effect, input 14 OD5 of the second 1x2 optical divider, which has one input and two outputs, is connected to the output of VK 3. Input of VK 3 is the beginning of winding VK 3, the output is its end. Winding of VK 3 is carried out, for example, clockwise. Output 15 OD4 is connected to output 21 OD 8 of the fourth 1×2 optical divider, which has one input and two outputs, output 18 OD5 is connected to output 22 OD8. Output 16 OD 4 is connected to output 19 OD6 of the third 1×2 optical divider, which has one input and two outputs, with electrodes 7, output 17 OD5 is connected to output 20 OD6. Input 26 OD6 is connected to output A of ChE2 and then to 25 II1, and input 23 OD8 is connected through output B of ChE2 to FD 9. This connection forms ChE 2 as a pass-through Sagnac interferometer with input A, fiber-optic coil VK 3, and interference unit UI 27, consisting of four optical dividers 1×2, having one input, two outputs OD4, OD5, OD6, OD8 and output B, on which an interference pattern is formed depending on the value of the angular velocity of the TLS. To form an interference pattern, the difference in the lengths of sections of connections 15-21 and 8-22 must be less than the coherence length II1. Elements OD4, OD5, OD6, OD8, as well as VK 3 can be made using photonic integrated optical technology, including on a single chip.

Рассмотрим работу ДУС. Луч от источника ИИ1 с выхода 25 поступает на вход А ЧЭ2, далее на вход 26 ОД6 и, после прохождения ОД6, делится на два направления CW (выход 19 ОД6) и CCW (выход 20 ОД6). При этом, в ОД6 за счет подачи потенциала на электроды 7 от БО 10 через выход 12 между этими лучами задается исходная разность фаз (рабочая точка). CW поступает через 16 и 13 ОД4 на вход ВК3 по часовой стрелке, a CCW через 17 и 14 ОД5 на выход ВК 3 - против часовой стрелки. Вследствие эффекта Саньяка, при вращении ДУС, например, по часовой стрелке, для CW происходит положительное приращение фазы светового потока (+AY), а для встречного луча CCW - уменьшение фазы (- AY). Далее CCW проходит через 13 и 15 ОД4 и поступает на 21 ОД8, a CW проходит через 14 и 16 ОД5 и поступает на 22 ОД8. В ОД8 они интерферируют и результат интерференции через 23 ОД8 и выход В ЧЭ 2 поступает на ФД9. Далее, от ФД 9 электрический сигнал, содержащий информацию об угловой скорости, поступает на вход 24 БО 10. В БО 10 происходит обработка результатов измерения и их вывод через выход 11.Let's consider the operation of the DUS. The beam from the source II1 from output 25 enters input A of CHE2, then to input 26 OD6 and, after passing through OD6, is divided into two directions CW (output 19 OD6) and CCW (output 20 OD6). At the same time, in OD6, by applying potential to the electrodes 7 from BO 10 through output 12, the initial phase difference (operating point) is set between these beams. CW enters through 16 and 13 OD4 to the input of VK3 clockwise, and CCW through 17 and 14 OD5 to the output of VK 3 - counterclockwise. Due to the Sagnac effect, when the DLS is rotated, for example, clockwise, for CW there is a positive increase in the phase of the light flux (+AY), and for the counter beam CCW there is a decrease in phase (-AY). Next, CCW passes through 13 and 15 OD4 and arrives at 21 OD8, and CW passes through 14 and 16 OD5 and arrives at 22 OD8. In OD8 they interfere and the result of the interference through 23 OD8 and the output of B SE 2 goes to FD9. Next, from FD 9, an electrical signal containing information about the angular velocity is supplied to input 24 of BO 10. In BO 10, the measurement results are processed and output through output 11.

В результате данного решения проходной интерферометр Саньяка не требует модуляции и демодуляции, поскольку исходная заданная разность фаз между CW и CCW не компенсируется при прохождении ВКЗ и далее через ОД8, поэтому модулятор и демодулятор из состава ДУС можно исключить. Оптическая мощность, которая возвращается от ВК 3 в ОД6, поступает через 25 на изолятор ИИ1 и гасится.As a result of this solution, the Sagnac pass-through interferometer does not require modulation and demodulation, since the initial specified phase difference between CW and CCW is not compensated when passing through the VSC and further through OD8, so the modulator and demodulator can be excluded from the DUS. The optical power that returns from VK 3 to OD6 arrives through 25 to isolator II1 and is extinguished.

При использовании узкополосных ИИ с большой длиной когерентности в ОД8 возникает паразитная интерференция отраженных лучей вследствие эффекта Керра. Для снижения этого эффекта в ОД8, как показано на фиг. 2, введены электроды 27, что обеспечивает перемещение рабочей точки для отраженных потоков в нуль. Это реализовано следующим образом. За счет отражения в ВК 3 CW, имеющий, например, исходный сдвиг по фазе относительно CCW в 45 градусов, через вход 18 и выход 15 ОД4 поступает на выход 21 ОД8. А отраженный в ВКЗ CCW через вход 14 и выход 18 ОД 5 поступает на выход 22 ОД8. В этом случае CCW в ОД8 также сдвигается по фазе на 45 градусов в ОД8 за счет подачи компенсирующего потенциала на электроды, что обеспечивает разность фаз между отраженными лучами, равную нулю. Это снижает влияние паразитной интерференции отраженных лучей на результаты измерения угловой скорости. Для CW и CCW сдвиг по фазе в состоянии покоя ДУС будет равен сумме исходных сдвигов в ОД6 и ОД8, в данном случае 90 градусов.When using narrowband IRs with a long coherence length in OD8, spurious interference of reflected beams occurs due to the Kerr effect. To reduce this effect in OD8, as shown in FIG. 2, electrodes 27 are introduced, which ensures that the operating point for reflected fluxes moves to zero. This is implemented as follows. Due to reflection in VC 3, CW, which has, for example, an initial phase shift relative to CCW of 45 degrees, is supplied to output 21 OD8 through input 18 and output 15 OD4. And the CCW reflected in the VKZ through input 14 and output 18 OD 5 goes to output 22 OD8. In this case, the CCW in OD8 is also shifted in phase by 45 degrees in OD8 by applying a compensating potential to the electrodes, which ensures that the phase difference between the reflected rays is zero. This reduces the influence of spurious interference of reflected beams on the angular velocity measurement results. For CW and CCW, the phase shift at rest of the TLS will be equal to the sum of the initial shifts in OD6 and OD8, in this case 90 degrees.

Таким образом, достигнута поставленная техническая задача: предложен простой ДУС с уменьшенными габаритами и энергопотреблением за счет исключения из состава ДУС модулятора и демодулятора.Thus, the set technical task has been achieved: a simple DUS with reduced dimensions and power consumption has been proposed by eliminating the modulator and demodulator from the DUS.

Claims

An angular velocity sensor without a modulator, containing a radiation source, an optical waveguide sensitive to the Sagnac effect, an interference unit, a processing unit, characterized in that the interference unit consists of four 1×2 optical dividers, having one input, two outputs, in this case: the input of the first optical divider 1×2 and the input of the second optical divider 1×2 are connected, respectively, to the input and output of an optical waveguide sensitive to the Sagnac effect, the first output of the first optical divider 1×2 and the second output of the second optical divider 1×2 are connected, respectively, to the second and first the output of the fourth optical divider 1×2, and the second output of the first 1×2 divider and the first output of the second optical divider 1×2 are connected, respectively, to the second and first output of the third optical divider 1×2, the fourth optical divider 1×2 having one input, two outputs, has electrodes.