RU2816825C1

RU2816825C1 - Hybrid angular velocity sensor

Info

Publication number: RU2816825C1
Application number: RU2023123011A
Authority: RU
Inventors: Валерий Константинович Струк
Original assignee: Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания"
Filing date: 2023-09-04
Publication date: 2024-04-05

Abstract

FIELD: optical measurements.

SUBSTANCE: invention relates to optical measurements, to an interferometric measuring device based on fibre-optic sensitive elements for measuring angular velocity using the Sagnac effect. Hybrid angular velocity sensor comprises a radiation source, a processing unit, a photodetector, a fibre-optic Sagnac interferometer as part of an interference unit, optical waveguide and optical ring resonator, sensitive to Sagnac effect, three optical dividers 1x2, having one input and two outputs. Disclosed angular velocity sensor additionally includes an optical waveguide which is made in the form of an additional fibre-optic circuit.

EFFECT: high accuracy of measuring angular velocity.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических измерений, к интерферометрическому измерительному устройству на основе волоконно-оптических чувствительных элементов для измерения угловой скорости с использованием эффекта Саньяка. На точность измерения угловой скорости большое влияние оказывает дрейф оптического гироскопа, вызванный случайным дрожанием фазы оптического сигнала, шумами источника оптического излучения, выражающийся в уровне шумов, ограничивающих точность измерения угловой скорости.The invention relates to the field of optical measurements, to an interferometric measuring device based on fiber-optic sensitive elements for measuring angular velocity using the Sagnac effect. The accuracy of measuring angular velocity is greatly influenced by the drift of the optical gyroscope, caused by random jitter of the phase of the optical signal, noise of the optical radiation source, expressed in the level of noise that limits the accuracy of measuring angular velocity.

Основным направлением повышения чувствительности измерительных устройств на основе интерферометра Саньяка (ИС) является увеличение длины волоконно-оптического контура чувствительного элемента ИС.The main direction of increasing the sensitivity of measuring devices based on the Sagnac interferometer (IS) is to increase the length of the fiber-optic circuit of the sensitive element of the IC.

Наиболее близким по технической сущности является датчик угловой скорости (ДУС) по патенту US 2016/0025494 А1 (опубликован 28 января 2016 года). В данном ДУС применен чувствительный элемент в ИС в виде кольцевого резонатора с двумя оптическими делителями (ОД) 2x2, имеющими два входа и два выхода, которые соединяют соответственно первое и второе плечо ИС таким образом, что два оптических луча распространяются в противоположных направлениях. Это дает возможность использовать чувствительный элемент с оптическим резонатором и сократить физическую длину волоконно-оптического контура без снижения чувствительности, поскольку оптический резонатор имеет преимущество в том, что удлиняет путь лучей в ИС пропорционально Q - добротности оптического резонатора (Optical scattering noise in high Q fiber ring resonators and its effect on optoelectronic oscillator phase noise. Опубликована: OPTICS LETTERS / Vol.37, No. 4 / February 15, 2012). Таким образом, благодаря высокой добротности оптические лучи, многократно циркулируют, проходя в оптическом резонаторе путь, превышающий его физическую длину, что эквивалентно увеличению физической длины волоконно-оптического контура. Это является преимуществом чувствительного элемента с оптическим кольцевым резонатором, обеспечивающим повышение чувствительности ДУС без увеличения физической длины волокна в чувствительном элементе.The closest in technical essence is the angular velocity sensor (ARS) according to US patent 2016/0025494 A1 (published on January 28, 2016). This DUS uses a sensitive element in an IC in the form of a ring resonator with two 2x2 optical dividers (ODs), having two inputs and two outputs, which connect the first and second arms of the IC, respectively, in such a way that two optical beams propagate in opposite directions. This makes it possible to use a sensing element with an optical resonator and reduce the physical length of the fiber optic circuit without reducing sensitivity, since the optical resonator has the advantage of lengthening the path of rays in the IC in proportion to the Q factor of the optical resonator (Optical scattering noise in high Q fiber ring resonators and its effect on optoelectronic oscillator phase noise. Published: OPTICS LETTERS / Vol.37, No. 4 / February 15, 2012). Thus, due to the high quality factor, optical rays circulate repeatedly, passing through an optical resonator along a path that exceeds its physical length, which is equivalent to increasing the physical length of the fiber-optic circuit. This is an advantage of a sensing element with an optical ring resonator, which provides an increase in the sensitivity of the TLS without increasing the physical length of the fiber in the sensing element.

Однако данное увеличение эквивалентной длины в ИС за счет использования в качестве чувствительного элемента оптического кольцевого резонатора, ограничено тем, что для увеличения добротности оптического кольцевого резонатора необходимо уменьшать коэффициент деления в оптических делителях 2X2, иначе затухания, вносимые в оптический кольцевой резонатор от внешних соединений с оптическими делителями, снижают его добротность. Это уменьшение коэффициента деления ведет к потере мощности оптического излучения на выходе ИС, что приводит к снижению отношения сигнал/шум и, следовательно, к снижению чувствительности. Поэтому чувствительность оптического кольцевого резонатора имеет ограничение, которое не позволяет достичь требуемой точности ДУС.However, this increase in the equivalent length in the IC due to the use of an optical ring resonator as a sensitive element is limited by the fact that in order to increase the quality factor of the optical ring resonator it is necessary to reduce the division factor in the 2X2 optical dividers, otherwise the attenuation introduced into the optical ring resonator from external connections with optical dividers, reduce its quality factor. This reduction in the division ratio results in a loss of optical power at the IC output, resulting in a decrease in the signal-to-noise ratio and hence a decrease in sensitivity. Therefore, the sensitivity of an optical ring resonator has a limitation that does not allow achieving the required TLS accuracy.

Техническая задача стоит в создании конструкции, в которой используется преимущество чувствительного элемента в виде оптического кольцевого резонатора, при этом обеспечивается достижение требуемой точности измерения угловой скорости за счет исключения значительной потери оптической мощности.The technical challenge is to create a design that takes advantage of the sensing element in the form of an optical ring resonator, while achieving the required accuracy in measuring angular velocity by eliminating significant loss of optical power.

Технически задача решается путем создания гибридного ДУС, в котором в качестве чувствительного элемента использованы соединенные между собой оптический кольцевой резонатор и волоконно-оптический контур. В отличие от известного решения, с первым плечом интерферометра Саньяка соединен вход волоконно-оптического контура, а первый выход оптического делителя 1x2, имеющего один вход и два выхода, соединен с выходом волоконно-оптического контура. Это обеспечивает возможность применения оптического кольцевого резонатора с оптимальной добротностью и волоконно-оптического контура с необходимой длиной оптоволокна, по которым проходят встречные лучи в ИС, что позволяет сформировать чувствительный элемент без существенного снижения мощности выходного оптического сигнала, что обеспечивает достижение необходимой чувствительности ДУС.Technically, the problem is solved by creating a hybrid DUS, in which an interconnected optical ring resonator and a fiber-optic circuit are used as a sensitive element. Unlike the known solution, the input of the fiber-optic circuit is connected to the first arm of the Sagnac interferometer, and the first output of the 1x2 optical divider, which has one input and two outputs, is connected to the output of the fiber-optic circuit. This makes it possible to use an optical ring resonator with an optimal quality factor and a fiber-optic circuit with the required length of optical fiber through which counterpropagating beams pass in the IC, which makes it possible to form a sensitive element without a significant reduction in the power of the output optical signal, which ensures the achievement of the required sensitivity of the DUS.

Гибридный ДУС представлен на чертеже. Он состоит из источника излучения 1 (ИИ), который соединен с первым выходом 13, оптического делителя (ОД) 1x2, имеющего один вход и два выхода 23, второй выход которого 24 соединен с фотодетектором 2 (ФД), выход 16 ФД2 соединен с блоком управления 3 (БУ), который через 15 управляет работой интегрально-оптического фазового модулятора 4 (ФМ) с электродами 27, проводит математическую обработку результатов измерений и подает на выход 26 результат измерения. Вход 14 ОД23 соединен с ФМ4, выходы которого 11, 21 соединены соответственно с первым 28 и вторым 29 плечом ИС. Первое 28 и второе 29 плечо ИС соединены с чувствительным элементом 22 (ЧЭ), состоящим из волоконно-оптического контура 8 (ВОК), кольцевого оптического резонатора 7 (КОР), включающего два ОД5 и ОД6 1x2 и имеющих один вход два выхода, и ВОК9. Второй выход 17 ОД5 и первый выход 18 ОД 6 соединены между собой, вход 19 ОД5 соединен со входом ВОК9, вход 20 соединен с выходом ВОК9, что обеспечивает замыкание оптического резонатора. Входом и выходом ВОК являются соответственно начало и конец намотки. ВОК могут быть намотаны на одном каркасе, например, по часовой стрелке, количество витков может быть дробным.The hybrid CRS is shown in the drawing. It consists of a radiation source 1 (II), which is connected to the first output 13, an optical divider (OD) 1x2, having one input and two outputs 23, the second output 24 of which is connected to the photodetector 2 (PD), output 16 PD2 is connected to the block control 3 (CU), which through 15 controls the operation of the integrated optical phase modulator 4 (PM) with electrodes 27, carries out mathematical processing of the measurement results and supplies the measurement result to output 26. Input 14 of OD23 is connected to FM4, the outputs of which 11, 21 are connected, respectively, to the first 28 and second 29 arms of the IC. The first 28 and second 29 arms of the IC are connected to a sensitive element 22 (SE), consisting of a fiber-optic circuit 8 (FOC), a ring optical resonator 7 (ROR), including two OD5 and OD6 1x2 and having one input and two outputs, and VOK9 . The second output 17 OD5 and the first output 18 OD 6 are connected to each other, the input 19 OD5 is connected to the VOK9 input, the input 20 is connected to the VOK9 output, which ensures the closure of the optical resonator. The input and output of the FOC are the beginning and end of the winding, respectively. FOCs can be wound on one frame, for example, clockwise, the number of turns can be fractional.

Рассмотрим работу ДУС подробно.Let us consider the operation of the DUS in detail.

Излучение от ИИ1 через выход 13 ОД23 и вход 14 поступает на ФМ4, где делится на два луча CW и CCW. CW с выхода 11 ФМ4 через первое 28 плечо ИС поступает в чувствительный элемент 22 по часовой стрелке, а возвращается через второе 29 плечо ИС на выход 21 ФМ4. CCW с выхода 21 ФМ4 через второе 29 плечо ИС поступает в чувствительный элемент 22 против часовой стрелки, а возвращается через первое 11 плечо ИС на выход 11 ФМ4. CW проходит в прямом направлении через первое плечо 28 ИС на ЧЭ 22 через ВОК8 с длиной оптоволокна L и ОД 5 и поступает на КОР7. CCW проходит в прямом направлении через второе 29 плечо ИС и далее, через ОД6, поступает в КОР7.Radiation from II1 through output 13 OD23 and input 14 enters FM4, where it is divided into two beams CW and CCW. CW from output 11 FM4 through the first 28 arm of the IC enters the sensitive element 22 clockwise, and returns through the second 29 arm of the IC to output 21 FM4. CCW from output 21 FM4 through the second 29 arm of the IC enters the sensitive element 22 counterclockwise, and returns through the first 11 arm of the IC to output 11 FM4. CW passes in the forward direction through the first arm 28 of the IS on the SE 22 through VOK8 with fiber length L and OD 5 and enters KOR7. CCW passes in the forward direction through the second 29 arm of the IS and then, through OD6, enters KOR7.

Оба луча CW и CCW встречно и, вследствие оптического резонанса, многократно циркулируют в КОР7, при этом, пройденный ими путь равен эквивалентной длине, которая увеличивается пропорционально добротности КОР7:Both beams CW and CCW counter and, due to optical resonance, circulate repeatedly in the KOR7, while the path they travel is equal to the equivalent length, which increases in proportion to the quality factor of the KOR7:

L_экв - эквивалентная длина оптического кольцевого резонатора;L _eq - equivalent length of the optical ring resonator;

Q_opt - добротность оптического кольцевого резонатора;Q _opt - quality factor of the optical ring resonator;

С - скорость света;C - speed of light;

f_opt - частота оптического излучения.f _opt - frequency of optical radiation.

CW через выход 12 ОД6 возвращается через второе 29 плечо ИС на выход 21 ФМ4, CCW через выход 10 ОД5 и ВОК8 с длиной оптоволокна L, возвращается через первое 28 плечо ИС на выход 11 ФМ4. При прохождении лучами CW и CCW через ВОК8 оптическая мощность теряется незначительно в сравнении с потерями при делении на ОД5 и ОД6. При вращении ДУС, вследствие эффекта Санька, при прохождении CW и CCW КР7 и ВК8 между лучами возникает разность фаз с противоположными знаками. CW и CCW интерферируют в ФМ4 и результаты интерференционной картины через вход (14) ОД23 и выход 24 поступают на ФД2 и, после преобразования на ФД2 в электрическую форму, через вход (16) поступают на БУЗ, где происходит математическая обработка электрического сигнала и подача на выход 26. БУЗ через выход (15) подает управляющие сигналы на электроды 27 ФМ4.CW through output 12 OD6 returns through the second 29 arm of the IC to output 21 FM4, CCW through output 10 OD5 and VOK8 with fiber length L, returns through the first 28 arm of the IC to output 11 FM4. When CW and CCW beams pass through VOK8, the optical power is lost insignificantly in comparison with the losses when dividing into OD5 and OD6. When the DUS rotates, due to the Sanka effect, when CW and CCW KR7 and VK8 pass through, a phase difference with opposite signs arises between the beams. CW and CCW interfere in FM4 and the results of the interference pattern through input (14) OD23 and output 24 are supplied to FD2 and, after conversion to FD2 into electrical form, through input (16) are sent to the BUS, where mathematical processing of the electrical signal takes place and supply to output 26. The BUS, through output (15), supplies control signals to electrodes 27 FM4.

Величина разности фаз между CW и CCW в интерферометре Саньяка определяет чувствительность ДУС по формуле:The magnitude of the phase difference between CW and CCW in the Sagnac interferometer determines the sensitivity of the TLS according to the formula:

Δϕ_с- разность фаз Саньяка между CW и CCW, возникающая при вращении ДУС;Δϕ _с is the Sagnac phase difference between CW and CCW, which occurs during rotation of the DLS;

λ - длина волны оптического излучения; λ is the wavelength of optical radiation;

С - скорость света;C - speed of light;

L - длина волоконно-оптического контура ВОК8;L is the length of the VOK8 fiber optic circuit;

D - диаметр каркаса, на котором намотаны ВОК8 и КР7;D is the diameter of the frame on which VOK8 and KR7 are wound;

ω - угловая скорость ДУС.ω is the angular velocity of the DUS.

Формула (2) показывает, что включение в предлагаемую конструкцию гибридного ДУС ВОК8 с длиной L, соединенного на выходе с оптическим кольцевым резонатором КОР7 с эквивалентной длиной L_экв и первым плечом ИС на входе, увеличивает длину пути встречных лучей CW и CCW, что позволяет повысить чувствительность ДУС. В то же время, это включение ВК8 в чувствительный элемент ИС не влияет на величину выходной оптической мощности.Formula (2) shows that the inclusion in the proposed design of a hybrid VOK8 DUS with a length L, connected at the output to an optical ring resonator KOR7 with an equivalent length L _eq and the first arm of the IC at the input, increases the path length of the counterpropagating beams CW and CCW, which makes it possible to increase DUS sensitivity. At the same time, this inclusion of VK8 in the sensitive element of the IC does not affect the amount of output optical power.

В результате, предложенная конструкция позволяет использовать и преимущество оптического кольцевого резонатора, состоящее в увеличении эквивалентного пути CW и CCW, и преимущество интерференционного ДУС с волоконно-оптическим контуром, в котором увеличение чувствительности достигается увеличением длины волоконно-оптического контура без снижения выходной оптической мощности.As a result, the proposed design makes it possible to use both the advantage of an optical ring resonator, which consists in increasing the equivalent path of CW and CCW, and the advantage of an interference TLS with a fiber-optic circuit, in which an increase in sensitivity is achieved by increasing the length of the fiber-optic circuit without reducing the output optical power.

Таким образом, предлагаемое решение по построению гибридного ДУС позволяет достичь требуемой чувствительности устройства за счет использования в чувствительном элементе последовательно соединенных через оптический делитель оптического кольцевого резонатора и волокно-оптического контура, соединенного входным выводом с первым плечом интерферометра Саньяка, а выходным - с первым выходом оптического делителя 1x2, имеющего один вход два выхода.Thus, the proposed solution for constructing a hybrid TLS makes it possible to achieve the required sensitivity of the device by using in the sensitive element an optical ring resonator and a fiber-optic circuit connected in series through an optical divider, connected by the input terminal to the first arm of the Sagnac interferometer, and the output terminal to the first output of the optical 1x2 divider having one input and two outputs.

Claims

A hybrid angular velocity sensor containing a radiation source, a processing unit, a photodetector, a fiber-optic Sagnac interferometer as part of an interference unit, an optical waveguide and an optical ring resonator sensitive to the Sagnac effect, three 1x2 optical dividers having one input and two outputs, characterized by that the optical waveguide is made in the form of an additional fiber-optic circuit, and the radiation source is connected to the first output of the first 1x2 optical divider, the second output of which is connected to a photodetector, the output of which is connected to the control unit, which with its first output is connected to a phase modulator, and the second the output of the control unit is the output of the DUS with the measurement result, the input of the first 1x2 optical divider is connected to a phase modulator with electrodes, the outputs of which are connected, respectively, to the first and second arms of the Sagnac interferometer, and the first and second arms of the Sagnac interferometer are connected to a sensitive element consisting of an additional fiber - an optical circuit, a ring optical resonator, including two 1x2 optical dividers and a fiber-optic circuit, wherein the second output of the second 1x2 optical divider and the first output of the third 1x2 optical divider are interconnected, the input of the second 1x2 optical divider is connected to the first input of the fiber-optic circuit , and the second input of which is connected to the input of the third 1x2 optical divider, the input of the additional fiber-optic circuit is connected to the first arm of the Sagnac interferometer, and the output is connected to the first output of the first 1x2 optical divider, which has one input and two outputs.