RU2039934C1

RU2039934C1 - Fiber-optic gyro

Info

Publication number: RU2039934C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Владимирович Сорокин; Борис Михайлович Новожилов
Original assignee: Юрий Владимирович Сорокин; Борис Михайлович Новожилов
Priority date: 1992-05-25
Filing date: 1992-05-25
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: inertial navigation systems. SUBSTANCE: fiber-optic gyro has radiation source, beam splitter, the first sensitive element, modulator; all the units are conjugated optically. Gyro also has signal conversion system which has photodetector and system for processing signal from the photodetector. The second sensitive element is introduced into the gyro. Both sensitive elements are made in form of N layers, any of which has to be Archimedean spiral. All N layers are connected together. The first and the second sensitive elements are disposed at inverse perpendicular planes. The modulator is disposed at the cross-line of the planes. The photodetector is quadrant-position one. Outputs of the first and the third quadrants, as well as outputs II and IY have a bridge circuit connection. Output of the first sensitive element is conjugated with inputs of the first and the third quadrants. Output of the second sensitive element is conjugated optically with inputs of the second and the fourth quadrants. Number of N layers is chosen from N=1, 2, 3, 4.n series. EFFECT: improved reliability of operation; improved efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к инерциальным системам навигации и квантовой электроники и может быть использовано в авиации, космонавтике, судовождении и народном хозяйстве для точного определения угловой скорости и координат объекта. The invention relates to inertial navigation systems and quantum electronics and can be used in aviation, astronautics, navigation and the national economy to accurately determine the angular velocity and coordinates of the object.

Известен лазерный гирометр, содержащий источник излучения, чувствительный элемент-катушку со световодом, устройство ввода-вывода излучения, систему преобразования сигнала с чувствительного элемента, включающую фотоприемник, систему обработки сигнала с фотоприемника [1]
Недостатком является измерение угловой скорости в одной плоскости и ограничение чувствительности из-за ухудшения свойств волоконного световодоа при увеличении размеров контура, а также использование волокна только в катушке, приводящее к увеличению размеров устройства.A known laser gyrometer containing a radiation source, a sensing coil element with a light guide, a radiation input-output device, a signal conversion system from a sensing element including a photodetector, a signal processing system from a photodetector [1]
The disadvantage is the measurement of the angular velocity in one plane and the limitation of sensitivity due to the deterioration of the properties of the fiber waveguide with an increase in the size of the circuit, as well as the use of fiber only in the coil, which leads to an increase in the size of the device.

В качестве прототипа выбран волоконно-оптический гироскоп, содержащий оптически связанные источник излучения, светоделитель, чувствительный элемент на основе оптического волокна с устройствами ввода-вывода излучения и модулятором, а также систему преобразования сигнала с чувствительного элемента, включающую фотоприемник, систему обработки сигнала с фотоприемника. As a prototype, a fiber-optic gyroscope was selected containing optically coupled radiation source, a beam splitter, an optical fiber-based sensor with radiation input-output devices and a modulator, as well as a signal conversion system from the sensor, including a photodetector, and a signal processing system from a photodetector.

Недостатком является измерение угловой скорости только в одной плоскости, большие размеры катушки и ограничение чувствительности из-за ухудшения свойств оптического волокна при увеличении размеров катушки контура гироскопа. The disadvantage is the measurement of the angular velocity in only one plane, the large dimensions of the coil and the limitation of sensitivity due to the deterioration of the properties of the optical fiber with an increase in the size of the coil of the gyro loop.

Целью изобретения является измерения угловой скорости в двух плоскостях, повышение чувствительности и уменьшение размеров катушки гироскопа. The aim of the invention is to measure the angular velocity in two planes, increasing the sensitivity and reducing the size of the gyro coil.

Для достижения цели в известный волоконно-оптический гироскоп, содержащий оптически сопряженные источник излучения, светоделитель, первый чувствительный элемент, выполненный на основе оптического волокна, и модулятор, а также систему преобразования сигнала, поступающего с первого чувствительного элемента, содержащую фотоприемник и систему обработки сигнала с фотоприемника, введен второй чувствительный элемент, при этом каждый из чувствительных элементов выполнен в виде N слоев, каждый из которых представляет собой Архимедову спираль, причем все N слоев связаны последовательно друг с другом, первый и второй чувствительные элементы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, а модулятор расположен на линии пересечения взаимно перпендикулярных плоскостей и соединен с выходами первого и второго чувствительных элементов, фотоприемник выполнен квадрантным, причем выходы первого и третьего квадрантов, а также второго и четвертого квадрантов соединены по мостовой схеме, выход первого чувствительного элемента оптически сопряжен с входами первого и третьего квадрантов, выход второго чувствительного элемента оптически сопряжен с входами второго и четвертого квадрантов, а число слоев выбрано из ряда N=1, 2, 3, 4, n. To achieve the goal of a known fiber-optic gyroscope containing an optically coupled radiation source, a beam splitter, a first sensor made on the basis of an optical fiber and a modulator, as well as a system for converting a signal from the first sensor containing a photodetector and a signal processing system with photodetector, a second sensitive element is introduced, each of the sensitive elements being made in the form of N layers, each of which represents an Archimedean spiral moreover, all N layers are connected in series with each other, the first and second sensitive elements are located in mutually perpendicular planes, and the modulator is located on the intersection line of mutually perpendicular planes and connected to the outputs of the first and second sensitive elements, the photodetector is made quadrant, and the outputs of the first and third quadrants, as well as the second and fourth quadrants are connected by a bridge circuit, the output of the first sensitive element is optically coupled to the inputs of the first and third qua welts, the output of the second sensing element optically coupled to inputs of the second and fourth quadrants, and the number of layers is selected from a number N = 1, 2, 3, 4, n.

Физико-математическое обоснование функционирования данного гироскопа имеет следующий вид. The physical and mathematical substantiation of the functioning of this gyroscope has the following form.

Функционирование лазерного и волоконно-оптического гироскопа основано на эффекте Саньяка. В петле из волокнa, которая является основной для гироскопа, происходит набег фазы F_с во вращающемся волоконном контуре для встречных пучков излучения.The operation of the laser and fiber-optic gyroscope is based on the Sagnac effect. In the fiber loop, which is the main one for the gyroscope, phase F _c incurses in the rotating fiber circuit for oncoming radiation beams.

Формула для набега фазы Саньяка выглядит следующим образом:
ΑF_c

где L длина волокна;
R радиус витка контура;
N число витков;
S_в площадь витка контура;
Ω частота вращения;
с скорость света;
λ длина волны излучения.The formula for the Sagnac phase raid is as follows:
ΑF _c

where L is the length of the fiber;
R is the radius of the loop;
N is the number of turns;
S _{in the} area of the loop;
Ω speed;
with the speed of light;
λ radiation wavelength.

Отсюда можно видеть, что для увеличения Δ F_c, т.е. увеличения чувствительности, необходимо увеличение L и R. Увеличение L возможно до определенных пределов, связанных с затуханием в световоде и дополнительными потерями на изгибе волокна и потерями в соединениях элементов, поэтому обычно ограничено длиной в 1 км. Ограничение R связано со сжатием волокна между витками, наматываемыми с определенным натягом (усилием) и, соответственно, возникающими при этом дополнительными потерями в волокне.From here it can be seen that, to increase Δ F _c , i.e. To increase the sensitivity, an increase in L and R is necessary. An increase in L is possible up to certain limits associated with attenuation in the fiber and additional losses in the fiber bend and losses in the connections of the elements, therefore it is usually limited to a length of 1 km. The limitation of R is associated with the compression of the fiber between the coils, wound with a certain interference (force) and, accordingly, resulting in this additional losses in the fiber.

При новом типе намотки в виде слоя Архимедовых спиралей увеличивается чувствительность гироскопа за счет уменьшения потерь в волокне, связанных со сжатием и деформацией, а также происходит эффективное использование площади контура. With a new type of winding in the form of a layer of Archimedean spirals, the sensitivity of the gyroscope increases due to the reduction of losses in the fiber associated with compression and deformation, as well as the effective use of the contour area.

Обычно чувствительные элементы гироскопа выполнены в виде катушки и внешние размеры гироскопа определяются ее размерами, т.е. диаметром и высотой, а для гироскопа, выполненного на основе чувствительных элементов из спиралей Архимеда, размеры определяются в основном только их диаметром из-за малости высоты N слоем спиралей. Для примера определим высоту чувствительных элементов для обычного контура и на основе Архимедовых спиралей. Так, для чувствительного элемента с длиной волокна 1000 м и диаметром 10 см в случае катушки получается высота контура, определяемая из соотношений:
число витков в контуре:
N

3120 витков
сечение кольцевого контура:
S 3120

23,4 мм²
тогда высота намотанного контура:
H=(23,4 мм²)^0,5=4,8 мм
Для чувствительного контура из Архимедовых спиралей высота намотанного контура определяется из соотношений:
M

12,4 шт
тогда высота чувствительного элемента:
H=12,4˙ 0,1 мм=1,24 мм.Typically, the sensitive elements of the gyroscope are made in the form of a coil and the external dimensions of the gyroscope are determined by its dimensions, i.e. diameter and height, and for a gyroscope made on the basis of sensitive elements from Archimedes spirals, the sizes are determined mainly by their diameter due to the small height N by the layer of spirals. For example, we determine the height of the sensing elements for a conventional circuit and based on Archimedean spirals. So, for a sensitive element with a fiber length of 1000 m and a diameter of 10 cm in the case of a coil, the contour height is obtained, determined from the relations:
number of turns in the circuit:
N

3120 turns
ring contour section:
S 3120

23.4 mm ²
then the height of the wound path:
H = (23.4 mm ² ) ^0.5 = 4.8 mm
For a sensitive contour from Archimedean spirals, the height of the wound contour is determined from the relations:
M

12.4 pcs
then the height of the sensor:
H = 12.4˙ 0.1 mm = 1.24 mm.

Таким образом, чувствительный элемент из Архимедовых спиралей имеет меньшую высоту и позволяет выполнить гироскоп более компактным. Thus, the sensitive element from Archimedean spirals has a lower height and allows you to make the gyroscope more compact.

Кроме того, более плотное заполнение волокном контура позволяет повысить коэффициент заполнения и при тех же размерах разместить более длинное волокно, что приведет к увеличению чувствительности гироскопа. In addition, a more dense filling of the loop fiber allows you to increase the fill factor and at the same size to place a longer fiber, which will increase the sensitivity of the gyroscope.

Таким образом, видно преимущество в размерах Архимедовой спирали, имеющей компактное расположение, а возможность не ограничиваться в диаметре и в длине волокна позволяет увеличить чувствительность гироскопа. Связь между спиралями, составляющими чувствительный элемент, может быть различной, может быть параллельное и смешанное соединение, а также соединение через различные оптические элементы. Thus, one can see an advantage in the size of the Archimedean spiral, which has a compact arrangement, and the ability to not be limited in diameter and in the length of the fiber can increase the sensitivity of the gyroscope. The connection between the spirals that make up the sensitive element can be different, there can be a parallel and mixed connection, as well as connection through various optical elements.

Для гироскопа, осуществляющего измерения в двух плоскостях, используются два таких чувствительных элемента, расположенных в плоскостях, строго ориентированных перпендикулярно друг другу. Для съема информации с волокон используется квадратный фотоприемник, обладающий чувствительностью к направлению движения интерференционной картины через его поверхность, т.е. дифференциального типа. Производится ориентация излучения, исходящего из апертуры волокна, параллельно диагоналям приемника. Возможно использование смесителей и вывод на один фотоприемник, тогда направление вращения определяется из сопоставления сигналов от двух чувствительных элементов. For a gyroscope performing measurements in two planes, two such sensitive elements are used, located in planes strictly oriented perpendicular to each other. To remove information from the fibers, a square photodetector is used, which is sensitive to the direction of movement of the interference pattern through its surface, i.e. differential type. The radiation emanating from the fiber aperture is oriented parallel to the diagonals of the receiver. It is possible to use mixers and output to a single photodetector, then the direction of rotation is determined from a comparison of signals from two sensitive elements.

При ориентации волокон засветка интерференционной картиной чувствительных элементов фотоприемника в перпендикулярном направлении приводит к равным сигналам с элементов, которые на мостовой схеме вычитаются, т.е. сигнал поступает только от переменной засветки элементов. When the fibers are oriented, exposure to the interference pattern of the sensitive elements of the photodetector in the perpendicular direction leads to equal signals from the elements that are subtracted on the bridge circuit, i.e. the signal comes only from the variable illumination of the elements.

Необходимость создания подобных гироскопов подтверждается тем, что в настоящее время освоено производство однокоординатных волоконно-оптических гироскопов, что не позволяет производить достаточно точную навигацию, для которой используются в основном двухкоординатные гироскопы. The need to create such gyroscopes is confirmed by the fact that currently the production of single-axis fiber-optic gyroscopes has been mastered, which does not allow for sufficiently accurate navigation, for which two-coordinate gyroscopes are mainly used.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства. In FIG. 1 shows a block diagram of a device.

Устройство содержит источник 1 излучения, светоделитель 2, модулятор 3, оптическое волокно 4, два чувствительных элемента, состоящих из связанных Архимедовых спиралей из оптического волокна 51 и 52 квадрантный фотоприемник 6, две мостовые схемы 7, схему 8 обработки сигнала, устройства 9 ввода-вывода излучения. The device contains a radiation source 1, a beam splitter 2, a modulator 3, an optical fiber 4, two sensing elements consisting of coupled Archimedean spirals made of optical fiber 51 and 52, a quadrant photodetector 6, two bridge circuits 7, a signal processing circuit 8, and input-output devices 9 radiation.

На фиг. 2 представлена схема расположения квадрантного фотоприемника, где обозначено: 10 диагонали квадрантного фотоприемника, 11 интерференционные полосы, образованные излучением на поверхности элементов фотоприемника. In FIG. 2 shows the arrangement of a quadrant photodetector, where it is indicated: 10 diagonals of a quadrant photodetector, 11 interference fringes formed by radiation on the surface of the elements of the photodetector.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения блока 7-мостовой схемы. In FIG. 3 shows an embodiment of a 7-bridge circuit unit.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Излучение от светолюминесцентного, в том числе лазерного, диода 1 поступает через светоделитель 2 и устройство ввода излучения в начало Архимедовых спиралей 51 и 52 через модулятор 3 в их конец. Модулятор 3 может быть фазовым, частотным или поляризационным. Radiation from a photoluminescent, including laser, diode 1 is supplied through a beam splitter 2 and a radiation input device to the beginning of Archimedean spirals 51 and 52 through a modulator 3 to their end. Modulator 3 may be phase, frequency or polarization.

В одном направлении излучение промодулировано перед входом в волокно, а в другом направлении излучение модулируется после прохода спиралей. Разность фаз из-за задержки в волокне выделяется на фотоприемнике в виде интерференционных полос, перемещающихся при возникновении вращения контура. In one direction, the radiation is modulated before entering the fiber, and in the other direction, the radiation is modulated after the spirals pass. The phase difference due to the delay in the fiber is highlighted on the photodetector in the form of interference strips that move when a rotation of the loop occurs.

Излучение проходит в спирали по встречным направлениям, из-за вращения происходит сдвиг частоты излучения и, выходя из спиралей, оно попадает через устройство вывода излучения на квадрантный фотоприемник. Устройство 9 вывода излучения, так же как и ввода, представляет собой волоконные ответвители. Архимедовы спирали 5₁ и 5₂ расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, на линии пересечения которых производится ввод и вывод излучения из спиралей для уменьшения паразитного фона от подводящих световодов и располагается модулятор, общий для двух контуров.The radiation passes in spirals in opposite directions, due to rotation, the radiation frequency shifts and, leaving the spirals, it enters the radiation detector through a quadrant photodetector. The radiation output device 9, as well as the input, is a fiber coupler. Archimedean spirals 5 ₁ and 5 ₂ are located in mutually perpendicular planes, on the line of intersection of which radiation is input and output from the spirals to reduce the parasitic background from the input optical fibers and a modulator is located that is common for two circuits.

Вывод излучения на квадрантный фотоприемник (см. фиг. 2) производится по его диагоналям 10, соответствующим ортогональным координатным осям X, Y гироскопа. Излучение образует интерференционные полосы 11 на поверхности элементов фотоприемника, движущиеся в направлении, параллельном диагоналям. При одновременной засветке двух элементов их сигналы вычитаются (см. фиг. 3) на мостовой схеме 7 и полезного сигнала нет, проходит лишь переменный сигнал. The output of radiation to a quadrant photodetector (see Fig. 2) is made along its diagonals 10 corresponding to the orthogonal coordinate axes X, Y of the gyroscope. The radiation forms interference fringes 11 on the surface of the photodetector elements, moving in a direction parallel to the diagonals. With the simultaneous illumination of two elements, their signals are subtracted (see Fig. 3) on the bridge circuit 7 and there is no useful signal, only an alternating signal passes.

Этот сигнал поступает на схему обработки, где определяются направление вращения, угловая скорость вращения спиралей (объекта). Схема обработки может представлять собой счетчик импульсов от бегущей интерференционной картины и умножитель на коэффициент, соответствующий переводу сигналов в угловую скорость вращения. Направление вращения определяется из анализа сигналов от двух диагонально расположенных элементов фотоприемника и сигналов от двух ортогонально расположенных чувствительных элементов. Тип волокна определяется требуемой чувствительностью прибора. This signal goes to the processing circuit, where the direction of rotation, the angular velocity of rotation of the spirals (object) are determined. The processing circuit may be a counter of pulses from a traveling interference pattern and a multiplier by a coefficient corresponding to the conversion of signals to angular rotation speed. The direction of rotation is determined from the analysis of signals from two diagonally located elements of the photodetector and signals from two orthogonally located sensitive elements. The type of fiber is determined by the required sensitivity of the device.

Claims

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП, содержащий оптически сопряженные источник излучения, светоделитель, первый чувствительный элемент, выполненный на основе оптического волокна, и модулятор, а также систему преобразования сигнала, поступающего с первого чувствительного элемента, содержащую фотоприемник и систему обработки сигнала с фотоприемника, отличающийся тем, что введен второй чувствительный элемент, при этом каждый из чувствительных элементов выполнен в виде N слоев, каждый из которых представляет собой Архимедову спираль, причем все N слоев соединены последовательно друг с другом, первый и второй чувствительные элементы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, а модулятор расположен на линии пересечения взаимно перпендикулярных плоскостей и соединен с выходами первого и второго чувствительных элементов, фотоприемник выполнен квадрантным, причем выходы первого и третьего квадрантов, а также второго и четвертого квадрантов соединены по мостовой схеме, выход первого чувствительного элемента оптически сопряжен с входами первого и третьего квадрантов, выход второго чувствительного элемента оптически сопряжен с входами второго и четвертого квадрантов, а число слоев N выбрано из ряда N 1,2,3,4 n. FIBER OPTICAL GYROSCOPE containing an optically coupled radiation source, a beam splitter, a first sensitive element made on the basis of an optical fiber and a modulator, as well as a system for converting a signal from the first sensitive element containing a photodetector and a signal processing system from a photodetector, characterized in that the second sensitive element is introduced, each of the sensitive elements being made in the form of N layers, each of which represents an Archimedean spiral, and in e N layers are connected in series with each other, the first and second sensitive elements are located in mutually perpendicular planes, and the modulator is located on the intersection line of mutually perpendicular planes and connected to the outputs of the first and second sensitive elements, the photodetector is made quadrant, and the outputs of the first and third quadrants, as well as the second and fourth quadrants are connected by a bridge circuit, the output of the first sensitive element is optically coupled to the inputs of the first and third quadrants, the output of the second sensitive element is optically coupled to the inputs of the second and fourth quadrants, and the number of layers N is selected from the row N 1,2,3,4 n.