RU2512598C1 - Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, optics.

SUBSTANCE: invention relates to fibre optics and can be used in designing fibre-optic gyroscopes. The gyroscope includes two feedback loops, the first of which is used to provide linearity of the output characteristic via Sagnac phase difference compensation by applying stepped saw-tooth voltage to phase modulators of an integrated optical system. The second feedback loop is used to provide scaling coefficient stability by stabilising the auxiliary phase modulation amplitude. The code of the output signal of the gyroscope is corrected using the code of the amplitude of the auxiliary phase modulation voltage. Efficiency of phase modulators of the integrated optical circuit is stabilised by stabilising temperature. The code of the output signal of the gyroscope is corrected by scaling changes in the code of the amplitude of the auxiliary phase modulation voltage based on changes in the code of the output signal of the gyroscope.

EFFECT: high accuracy of the gyroscope by reducing the precision readiness time by correcting the output characteristic thereof.

2 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in the design of fiber-optic gyroscopes and other sensors of physical quantities based on single-mode optical fibers.

Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе волоконный кольцевой интерферометр (ВКИ) и электронный блок обработки информации. ВКИ содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности излучения, интегрально-оптическую схему (далее по тексту - ИОС), многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. ИОС содержит в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. К выходным канальным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов чувствительной катушки гироскопа.The fiber optic gyroscope (hereinafter referred to as FOG) contains a fiber ring interferometer (FRI) and an electronic information processing unit. The FRI contains a source of optical radiation, a fiber divider of radiation power, an integrated optical circuit (hereinafter - IOS), a multi-turn sensitive coil and a photodetector. IOS contains in its composition a Y-divider of the power of optical radiation based on polarizing channel waveguides and a phase modulator located on the output arms of the Y-divider. Channel waveguides of the Y-divider are formed in a lithium niobate substrate using proton-exchange technology, which allows the waveguides to acquire polarizing properties. To the output channel waveguides of the Y-divider, the ends of the optical fibers of the sensitive gyro coil are docked.

На фотоприемнике ВКИ наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно-противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:An interference pattern is formed at the FRI photodetector, formed by two optical beams that have passed the sensitive coil of the gyroscope in two mutually opposite directions. When the ring interferometer rotates between these two beams, due to the Sagnac effect, a phase difference arises, which is expressed as follows:

ϕ_S=[4πRL/λc]×Ω,ϕ _S = [4πRL / λc] × Ω,

где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;where R is the radius of the sensitive coil of the gyroscope;

L - длина световода катушки;L is the fiber length of the coil;

λ - центральная длина волны излучения источника;λ is the central wavelength of the radiation source;

с - скорость света в вакууме;c is the speed of light in vacuum;

Ω - угловая скорость вращения гироскопа.Ω is the angular velocity of rotation of the gyroscope.

Таким образом, на фотоприемнике интенсивность оптического излучения можно представить в видеThus, at the photodetector, the intensity of optical radiation can be represented as

I_Φ=1/2P₀(1+cosϕ_S),I _Φ = 1 / 2P ₀ (1 + cosϕ _S ),

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей. Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание составляет величинуwhere P ₀ is the power of the rays interfering at the photodetector. To increase the sensitivity of VOG near zero angular velocities, auxiliary phase modulation is used. To achieve the effect of phase modulation of rays in a ring interferometer using a phase-modulated IOS, the time delay of the fronts of rays interfering on the photodetector is used when passing through the phase modulator of the IOS. This time delay amounts to

$$\tau =\frac{L{n}_0}{c}$$

$$\tau =\frac{L{n}_0}{c}$$

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.where n ₀ is the refractive index of the material of the fiber of the sensitive coil.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения следующих с частотой 1/2τ, ток фотоприемника можно представить в видеWhen applying voltage pulses of the following with a frequency of 1 / 2τ to the phase modulator, the photodetector current can be represented as

I_ф=P₀η_ф[1+cosϕ_m·cosϕ_S±sinϕ_m·sinϕ_S],I _f = P ₀ η _f [1 + cosϕ _m · cosϕ _S ± sinϕ _m · sinϕ _S ],

η_ф - токовая чувствительность фотоприемника,η _f - current sensitivity of the photodetector,

ϕ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.ϕ _m is the amplitude of the auxiliary phase modulation.

Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в оптоэлектронной схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз лучей, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее разность фаз Саньяка пилообразное ступенчатое напряжение [1]. В результате выражение для тока фотоприемника приобретает следующий вид:To ensure a large dynamic range of measuring angular velocities and to obtain a high linearity of the FOG output characteristic in the optoelectronic information processing circuit, the so-called compensation method for reading the phase difference of the rays is used, the essence of which is that a compensating phase difference is supplied to the phase modulator along with the voltage of the auxiliary phase modulation Sagnac sawtooth step voltage [1]. As a result, the expression for the photodetector current takes the following form:

I_ф=P₀η_ф{1+cosϕ_m·cos[ϕ_S-ϕ_K)±sinϕ_m·sin[ϕ_S-ϕ_K]},I _f = P ₀ η _f {1 + cosϕ _m · cos [ϕ _S -ϕ _K) ± sinϕ _m · sin [ϕ _S -ϕ _K ]},

где φ_K - сдвиг фаз, вносимый пилообразным напряжением для компенсации разности фаз Саньяка.where φ _K is the phase shift introduced by the sawtooth voltage to compensate for the Sagnac phase difference.

Учитывая, что в режиме компенсации ϕ_S-ϕ_K≈0, и тогда ток фотоприемника можно представить в видеConsidering that in the compensation mode ϕ _S -ϕ _K ≈ 0, and then the photodetector current can be represented as

I_ф=Р₀η_ф{1+соsϕ_m±sinϕ_m·sin[ϕ_S-ϕ_K]}I _f = P ₀ η _f {1 + cosϕ _m ± sinϕ _m · sin [ϕ _S −ϕ _K ]}

Точность ВОГ определяется также и стабильностью масштабного коэффициента. Для выходного сигнала гироскопа, работающего по компенсационной схеме в режиме замкнутой петли обратной связи, справедливо следующее соотношение [1]:The accuracy of the FOG is also determined by the stability of the scale factor. For the output signal of the gyroscope operating according to the compensation scheme in the closed feedback loop mode, the following relation is valid [1]:

$$f_n(t)=\frac{4\pi RL}{\lambda c}\cdot \frac{1}{\eta U_{П}{\tau }_{ст}}\Omega (t)$$

$$f_n(t)=\frac{\mathrm{four}\pi RL}{\lambda c}\cdot \frac{\mathrm{one}}{\eta U_P{\tau }_{\mathrm{from}t}}\Omega (t)$$

где f_n(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;where f _n (t) is the frequency of the compensating phase saw;

Ω(t) - угловая скорость вращения гироскопа;Ω (t) is the angular velocity of rotation of the gyroscope;

η - эффективность фазового модулятора;η is the phase modulator efficiency;

U_П - пиковое значение напряжения компенсирующей пилы;U _P - peak voltage value of the compensating saw;

τ_ст - длительность ступеньки компенсирующей пилы.τ _article - the duration of the steps of the compensating saw.

Из этого выражения следует, что масштабным коэффициентом ВОГ в этом случае является величинаFrom this expression it follows that the scale factor of VOG in this case is the quantity

МК=4πRL/(λc×ηU_пτ_ст).MK = 4πRL / (λc × ηU _p τ _st ).

Если выбрать τ_ст=τ и обеспечить ηU_П=2π, то выражение дляIf we choose τ _article = τ and provide ηU _П = 2π, then the expression for

масштабного коэффициента гироскопа приобретает следующий вид:the scale factor of the gyroscope takes the following form:

МК=2R/λn₀.MK = 2R / λn ₀ .

По порядку величины на стабильность масштабного коэффициента наибольшее влияние оказывает величина ηU_П из-за большой нестабильности эффективности η фазового модулятора. Поэтому с целью стабилизации этой величины, а в конечном счете, и стабилизации масштабного коэффициента, в схеме обработки информации с замкнутой петлей обратной связи организуется второй контур обратной связи, который позволяет стабилизировать величину U_Пη на уровне 2π радиан при любых изменениях эффективности фазового модулятора η [1]. При изменении эффективности фазового модулятора ИОС при сбросе максимального значения ступенчатого пилообразного напряжения до своего минимального значения на фотоприемнике формируется паразитный оптический импульс, длительностью τ [1]. Путем изменения амплитуды развертки пилообразного ступенчатого напряжения добиваются исчезновения этого импульса, что означает, что ηU_П=2π радиан, и таким образом происходит стабилизация масштабного коэффициента.In order of magnitude, the stability of the scale factor is most affected by ηU _П due to the large instability of the efficiency η of the phase modulator. Therefore, in order to stabilize this quantity, and ultimately stabilize the scale factor, a second feedback loop is organized in the information processing circuit with a closed feedback loop, which allows us to stabilize the value of U _P η at 2π radians for any changes in the efficiency of the phase modulator η [one]. When the efficiency of the IOS phase modulator changes when the maximum value of the step-like sawtooth voltage is reset to its minimum value, a spurious optical pulse with a duration of τ is formed on the photodetector [1]. By changing the sweep amplitude of the sawtooth step voltage, this pulse disappears, which means that ηU _П = 2π radian, and thus stabilization of the scale factor occurs.

Другим способом стабилизации масштабного коэффициента является стабилизация амплитуды вспомогательной модуляции (ВФМ). Используется ВФМ, при которой разность фаз лучей волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) ВОГ представляет собой последовательность прямоугольный импульсов длительностью каждого кратной τ и амплитудами (π±Δ), где Δ=π/2ⁿ, при этом n=1, 2, 3…. При изменении эффективности фазовых модуляторов η на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования [2]. Сигнал рассогласования выделяется с помощью второго синхронного детектора (демодулятор сигнала рассогласования). Выход демодулятора сигнала рассогласования соединен с регулятором (интегратором), который управляет амплитудой напряжения ВФМ. С помощью регулятора сигнал на выходе демодулятора обращается в ноль, что означает, что стабильность амплитуды ВФМ восстановлена. После этого производится масштабирование напряжения ВФМ с целью определения напряжения развертки пилообразного ступенчатого напряжения U_П, при котором ηU_П=2π радиан. Таким образом, стабилизация масштабного коэффициента ВОГ происходит через стабилизацию амплитуды ВФМ.Another way to stabilize the scale factor is to stabilize the amplitude of the auxiliary modulation (WFM). The WFM is used, in which the phase difference of the rays of the fiber circular interferometer (FRI) FOG is a sequence of rectangular pulses of duration multiple of τ and amplitudes (π ± Δ), where Δ = π / 2 ⁿ , with n = 1, 2, 3 ... . When the efficiency of the phase modulators η changes, a mismatch signal appears on the photodetector [2]. The mismatch signal is extracted using a second synchronous detector (mismatch signal demodulator). The output of the demodulator of the error signal is connected to a controller (integrator), which controls the amplitude of the voltage of the WFM. Using the regulator, the signal at the output of the demodulator becomes zero, which means that the stability of the amplitude of the WFM is restored. After that, the WFM voltage is scaled to determine the sweep voltage of the sawtooth step voltage U _P , at which ηU _P = 2π radian. Thus, the stabilization of the scale FOG coefficient occurs through stabilization of the amplitude of the WFM.

Одной из основных проблем волоконно-оптического гироскопа является обеспечение малого времени точностной готовности при его «холодном» включении. Начальный дрейф выходного сигнала ВОГ связан с изменениями амплитуды сигнала вращения, несущего информацию об угловой скорости [1]. Но дрейф выходного сигнала ВОГ связан также и с изменениями паразитного начального смещения, возникающего на выходе демодулятора сигнала вращения.One of the main problems of a fiber-optic gyroscope is to ensure a short accuracy readiness time when it is turned on “cold”. The initial drift of the VOG output signal is associated with changes in the amplitude of the rotation signal that carries information about the angular velocity [1]. But the drift of the VOG output signal is also associated with changes in the parasitic initial bias that occurs at the output of the rotation signal demodulator.

Целью настоящего изобретения является увеличение точности волоконно-оптического гироскопа за счет уменьшения его времени точностной готовности.The aim of the present invention is to increase the accuracy of a fiber optic gyroscope by reducing its accuracy readiness time.

Указанная цель достигается тем, что код выходного сигнала гироскопа корректируют с помощью кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции, при этом обеспечивают стабильность эффективности фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы путем стабилизации его температуры, а также при проведении коррекции кода выходного сигнала гироскопа используют операцию масштабирования изменений кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции по изменениям кода выходного сигнала гироскопа.This goal is achieved by the fact that the output signal code of the gyroscope is corrected using the voltage amplitude code of the auxiliary phase modulation, while ensuring the stability of the efficiency of the phase modulators of the integrated optical circuit by stabilizing its temperature, and also when scaling the code output signal of the gyroscope, the operation of scaling code changes is used the voltage amplitude of the auxiliary phase modulation by changes in the code of the output signal of the gyroscope.

2. Способ уменьшения времени точностной готовности волоконно-оптического гироскопа по п.1, отличающийся тем, что при изменении температуры фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы проводят дополнительное масштабирование кода напряжения вспомогательной фазовой модуляции, при этом используют показания термодатчика, измеряющего температуру фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы.2. The method for reducing the accuracy readiness time of a fiber-optic gyroscope according to claim 1, characterized in that when the temperature of the phase modulators of the integrated optical circuit is changed, the voltage code of the auxiliary phase modulation is further scaled, while the readings of a temperature sensor measuring the temperature of the phase modulators of the integrated optical circuit.

Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет уменьшения времени точностной готовности прибора при его «холодном» включении. Уменьшение времени готовности прибора достигается за счет уменьшения паразитного смещения нулевого сигнала гироскопа с помощью математической коррекции его выходной характеристики по изменению кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции.Improving the accuracy of a fiber-optic gyroscope is achieved by reducing the accuracy readiness time of the device when it is “cold” turned on. The reduction of the instrument readiness time is achieved by reducing the parasitic bias of the zero signal of the gyroscope by mathematical correction of its output characteristic by changing the code of the voltage amplitude of the auxiliary phase modulation.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена функциональная схема волоконно-оптического гироскопа с двумя контурами обратной связи. На Фиг.2 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.3 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.4 показано формирование сигнала рассогласования волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.5 показана структура общего сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.6 показан дрейф выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа и кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения в течение 12 часов. На Фиг.7 показана вариация Аллана выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Максимальный дрейф составил 0,038 град/час, минимальный дрейф 0,0126 град/час, спектральная плотность шума 0,0024 град/час^1/2. На Фиг.8 показаны графики нескорректированного и скорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа с использованием для коррекции кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения. На Фиг.9 показана вариация Аллана скорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Максимальный дрейф составил 0,0108 град/час, минимальный дрейф 0,0066 град/час, спектральная плотность шума 0,0024 град/час^1/2. На Фиг.10 показаны графики скорректированного и нескорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа в течение первых 15 минут.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a functional diagram of a fiber optic gyro with two feedback loops. Figure 2 shows the voltage of the auxiliary phase modulation and the law of change of the phase difference of the rays of the ring interferometer fiber optic gyroscope. Figure 3 shows the formation of the rotation signal of a fiber optic gyroscope. Figure 4 shows the formation of the error signal of the fiber optic gyroscope. Figure 5 shows the structure of the common signal at the output of the current amplifier of the photodetector of a fiber optic gyroscope. Figure 6 shows the drift of the output signal of the fiber optic gyroscope and the amplitude code of the stepped sawtooth voltage for 12 hours. Figure 7 shows the Allan variation of the output of a fiber optic gyroscope. The maximum drift was 0.038 deg / h, the minimum drift was 0.0126 deg / h, the noise spectral density was 0.0024 deg / h ^1/2 . On Fig shows graphs of unadjusted and adjusted drift of the output signal of a fiber optic gyroscope using a step-like sawtooth voltage amplitude for correcting the code. Figure 9 shows the Allan variation of the corrected drift of the output signal of a fiber optic gyroscope. The maximum drift was 0.0108 deg / h, the minimum drift was 0.0066 deg / h, the noise spectral density was 0.0024 deg / h ^1/2 . Figure 10 shows graphs of the adjusted and uncorrected drift of the output signal of the fiber optic gyroscope during the first 15 minutes.

На Фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. Она содержит источник излучения 1, трехпортовый делитель оптического луча 2, интегрально-оптическую схему 3, волоконную чувствительную катушку 4. В качестве источника излучения обычно используется эрбиевый волоконный суперлюминесцентный источник с малой длиной когерентности излучения для минимизации поляризационной ошибки в волоконном кольцевом интерферометре (ВКИ). Трехпортовый делитель оптического излучения может представлять из себя либо волоконный сплавной разветвитель, либо волоконный циркулятор оптического излучения. Интегрально-оптическая схема содержит в своем составе Y-делитель оптического излучения и сформированные на выходных плечах Y-делителя два фазовых модулятора. Волоконная чувствительная катушка в зависимости от точности ВОГ содержит от нескольких сотен метров до нескольких километров волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Луч света от источника излучения поступает на первый вход делителя излучения, затем поступает на вход Y-разветвителя интегрально-оптической схемы (ИОС) и делится на два луча, которые проходят световод чувствительной катушки в двух взаимопротивоположных направлениях, после этого эти два луча объединяются Y-разветвителем ИОС в один луч, далее проходя трехпортовый делитель, луч попадает на площадку фотоприемника 5, где и образуют интерференционную картину. Ток фотоприемника усиливается усилителем 6. Далее сигнал с выхода усилителя тока фотоприемника поступает на первый вход дифференциального усилителя 7. На второй вход дифференциального усилителя поступает сигнал постоянной составляющей общего сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника, выделяемой с помощью фильтра низкой частоты 8. В качестве фильтра низкой частоты обычно используется интегратор. Таким образом, дифференциальный усилитель усиливает только переменную составляющую общего сигнала. Переменная составляющая сигнала содержит пички напряжения, которые возникают в структуре общего сигнала из-за конечной полосы пропускания электронного тракта. Пички удаляются с помощью электронного ключа 9. С выхода электронного ключа сигнал поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 10 и далее на вход цифровой части обрабатывающей электроники. Цифровая часть электроники строится либо на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), либо на базе микропроцессора. Сигнал с выхода АЦП поступает на входы двух синхронных детекторов (демодуляторов) 11, 12, которые выделяют сигналы вращения и рассогласования соответственно. Сигнал с первого демодулятора, выделяющего амплитуду сигнала вращения, поступает на вход регулятора 13, который формирует код напряжения ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения, вырабатываемого генератором 14. С помощью пилообразного ступенчатого напряжения осуществляется компенсация разности фаз Саньяка между лучами ВКИ. Сигнал после второго демодулятора, выделяющего амплитуду напряжения сигнала рассогласования, также поступает на вход регулятора 15, который осуществляет регулирование кода амплитуды напряжения ВФМ, вырабатываемого генератором 16. На выходе второго демодулятора путем изменения кода амплитуды напряжения ВФМ стабилизируется амплитуда фазовой модуляции между лучами ВКИ. Условием стабильности амплитуды фазовой модуляции является отсутствие сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора. Далее сигналы с выходов генератора ступенчатого пилообразного напряжения и генератора напряжения ВФМ поступают на вход сумматора 17, а с его выхода - на вход аналого-цифрового преобразователя (ЦАП) 18. С выхода ЦАП ступенчатое пилообразное напряжение и напряжение фазовой модуляции через масштабирующий усилитель 19 поступают на электроды фазовых модуляторов ИОС. На Фиг.2 показано напряжение фазовой модуляции 20, которое подается на электроды фазовых модуляторов ИОС, при этом разность фаз лучей ВКИ изменяется по закону 21. Длительность каждой ступеньки напряжения фазовой модуляции равна времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки ВКИ τ. Величина Δ выбирается из ряда π/2ⁿ, где n=1, 2, 3….Figure 1 shows the structural diagram of a fiber optic gyroscope. It contains a radiation source 1, a three-port optical beam splitter 2, an integrated optical circuit 3, and a fiber sensitive coil 4. An erbium-doped superluminescent source with a short radiation coherence is usually used as a radiation source to minimize polarization error in a fiber ring interferometer (FRI). The three-port optical radiation splitter can be either a fiber alloy splitter or a fiber optical radiation circulator. The integrated optical circuit contains a Y-divider of optical radiation and two phase modulators formed on the output arms of the Y-divider. The fiber sensitive coil, depending on the accuracy of the FOG, contains from several hundred meters to several kilometers of fiber, which preserves the polarization of radiation. The light beam from the radiation source enters the first input of the radiation divider, then it enters the input of the Y-splitter of the integrated optical circuit (IOS) and is divided into two beams that pass through the fiber of the sensitive coil in two opposite directions, after which these two beams are combined Y- IOS splitter in one beam, then passing a three-port splitter, the beam hits the site of the photodetector 5, where they form the interference pattern. The current of the photodetector is amplified by amplifier 6. Next, the signal from the output of the current amplifier of the photodetector is fed to the first input of the differential amplifier 7. The second input of the differential amplifier receives the signal of the constant component of the common signal at the output of the current amplifier of the photodetector, extracted using a low-pass filter 8. As a low-pass filter Frequency commonly used integrator. Thus, the differential amplifier amplifies only the variable component of the overall signal. The variable component of the signal contains voltage peaks that occur in the structure of the overall signal due to the finite bandwidth of the electronic path. The spikes are removed using the electronic key 9. From the output of the electronic key, the signal goes to the input of the digital-to-analog converter (DAC) 10 and then to the input of the digital part of the processing electronics. The digital part of electronics is built either on the basis of a programmable logic integrated circuit (FPGA), or on the basis of a microprocessor. The signal from the ADC output is fed to the inputs of two synchronous detectors (demodulators) 11, 12, which emit rotation and misalignment signals, respectively. The signal from the first demodulator that selects the amplitude of the rotation signal is fed to the input of the regulator 13, which generates the voltage code of the step of the sawtooth step voltage generated by the generator 14. Using the sawtooth step voltage, the Sagnac phase difference between the FRI beams is compensated. The signal after the second demodulator, which allocates the amplitude of the voltage of the error signal, also enters the input of the controller 15, which regulates the code of the amplitude of the WFM voltage generated by the generator 16. At the output of the second demodulator, by changing the code of the amplitude of the voltage of the WFM, the phase modulation amplitude between the FRI beams is stabilized. The condition for the stability of the amplitude of the phase modulation is the absence of a mismatch signal at the output of the second demodulator. Further, the signals from the outputs of the step-like sawtooth voltage generator and the VFM voltage generator are fed to the input of the adder 17, and from its output, to the input of an analog-to-digital converter (DAC) 18. From the output of the DAC, the step-like sawtooth voltage and phase modulation voltage are fed through a scaling amplifier 19 to electrodes of phase modulators IOS. Figure 2 shows the voltage of the phase modulation 20, which is supplied to the electrodes of the phase modulators of the IOS, while the phase difference of the FRI beams varies according to the law 21. The duration of each step of the voltage of the phase modulation is equal to the travel time of the rays along the fiber of the sensitive FRI coil τ. The value Δ is selected from the series π / 2 ⁿ , where n = 1, 2, 3 ....

На Фиг.3 показано формирование сигнала вращения ВОГ. Изменения интенсивности излучения на фотоприемнике описываются косинусной кривой 22. Наличие вращения гироскопа приводит в зависимости от знака скорости вращении к смещению кривой разности фаз между лучами ВКИ относительно кривой косинуса. Пунктирные линии 23 показывают смещение кривой разности фаз Саньяка между лучами ВКИ относительно косинусной кривой, в результате на фотоприемнике присутствует сигнал 24, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения. Амплитуда сигнала вращения выделяется на выходе первого демодулятора. Далее с помощью регулятора подбирается соответствующая величина ступеньки пилообразного напряжения, с помощью которой сигнал на выходе демодулятора обнуляется. Первый демодулятор сигнала вращения входит в состав первого контура обратной связи ВОГ, с помощью которого измеряется угловая скорость вращения. С помощью компенсации разности фаз Саньяка пилообразным ступенчатым напряжением при замыкании первого контура обратной связи [1] достигается линейность выходной характеристики гироскопа в широком диапазоне измерения угловых скоростей.Figure 3 shows the formation of the rotation signal VOG. Changes in the radiation intensity at the photodetector are described by a cosine curve 22. The presence of a gyroscope rotation, depending on the sign of the rotation speed, leads to a shift of the phase difference curve between the FRI rays relative to the cosine curve. The dashed lines 23 show the shift of the Sagnac phase difference curve between the FRI rays relative to the cosine curve, resulting in a signal 24 present at the photodetector whose amplitude is proportional to the angular velocity of rotation. The amplitude of the rotation signal is allocated at the output of the first demodulator. Then, using the regulator, the corresponding value of the sawtooth voltage step is selected, with which the signal at the output of the demodulator is reset. The first rotation signal demodulator is part of the first FOG feedback loop, with which the angular velocity of rotation is measured. By compensating for the Sagnac phase difference with a sawtooth step voltage when closing the first feedback loop [1], the linearity of the gyroscope output characteristic is achieved in a wide range of angular velocity measurements.

На Фиг.4 показано формирование сигнала рассогласования. Сигнал рассогласования образуется на фотоприемнике тогда, когда изменяется эффективность фазовых модуляторов ИОС. В этом случае изменение эффективности фазовой модуляции показано пунктирными линиями 25. Таким образом, на фотоприемнике формируется сигнал рассогласования 26. Амплитуда сигнала рассогласования выделяется с помощью второго демодулятора. С помощью второго регулятора изменяется амплитуда напряжения ВФМ таким образом, чтобы сигнал на выходе второго демодулятора был равен нулю. Далее с помощью пересчета кода амплитуды напряжения фазовой модуляции определяется амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения для того, чтобы разность фаз между лучами ВКИ вносимая фазовыми модуляторами при минимальном значении пилообразного ступенчатого напряжения и его максимальным значением была, например, 2π радиан [1]. Это необходимо, чтобы при сбросе максимального значения пилообразного ступенчатого напряжения до его минимального значения (сброс пилообразного напряжения) не возникало на фотоприемнике изменений оптической мощности. Разность фаз лучей кольцевого интерферометра при сбросе пилообразного напряжения может принимать и другие значения [2]. Таким образом, второй демодулятор сигнала рассогласования входит во второй контур обратной связи, который предназначен для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ [1]. На Фиг.5 представлена структура общего сигнала на фотоприемнике, который содержит сигнал вращения 27, сигнал рассогласования 28 и их постоянную составляющую 29.Figure 4 shows the formation of the error signal. The mismatch signal is generated on the photodetector when the efficiency of the phase-modulated IOS changes. In this case, the change in the phase modulation efficiency is shown by dashed lines 25. Thus, a mismatch signal 26 is generated at the photodetector. The amplitude of the mismatch signal is extracted using the second demodulator. Using the second regulator, the amplitude of the VFM voltage is changed so that the signal at the output of the second demodulator is zero. Then, using the code conversion of the amplitude amplitude of the phase modulation voltage, the amplitude of the sawtooth step voltage is determined so that the phase difference between the FRI beams introduced by the phase modulators with the minimum value of the sawtooth step voltage and its maximum value is, for example, 2π radian [1]. This is necessary so that when resetting the maximum value of the sawtooth step voltage to its minimum value (resetting the sawtooth voltage), no changes in optical power occur on the photodetector. The phase difference of the rays of the ring interferometer during the discharge of the sawtooth voltage can take other values [2]. Thus, the second mismatch signal demodulator is included in the second feedback loop, which is designed to stabilize the FOG scale factor [1]. Figure 5 presents the structure of the common signal at the photodetector, which contains the rotation signal 27, the error signal 28 and their constant component 29.

На Фиг.6 представлен график 12-часового дрейфа выходного сигнала ВОГ 30 и кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения 31, которое используется для компенсации разности фаз Саньяка между лучами ВКИ ВОГ. По вертикальной оси графика показана измеряемая проекция угловой скорости вращения Земли в град/час. На графике видно, что при «холодном» включении прибора наблюдается медленный дрейф выходного сигнала гироскопа в течение трех часов, а затем выход на стабильный режим измерения в течение 9 часов проекции угловой скорости Земли. В данном случае временем точностной готовности ВОГ следует считать первые 3 часа, что во многих случаях применений ВОГа является совершенно неприемлемым. Известно, что возможной причиной начального дрейфа выходного сигнала ВОГ являются изменения амплитуды сигнала вращения и наличие паразитного смещения нуля на выходе демодулятора сигнала вращения. Выражение для ошибки компенсации разности фаз Саньяка можно в этом случае представить в видеFigure 6 presents a graph of the 12-hour drift of the output signal of the VOG 30 and the amplitude code of the sawtooth step voltage 31, which is used to compensate for the Sagnac phase difference between the rays of the FRI VOG. The vertical axis of the graph shows the measured projection of the angular velocity of the Earth's rotation in degrees / hour. The graph shows that when the instrument is turned on “cold”, a slow drift of the gyroscope output signal is observed for three hours, and then a stable measurement mode is reached within 9 hours of the projection of the angular velocity of the Earth. In this case, the first 3 hours should be considered the time of the accuracy of VOG readiness, which in many cases of VOG applications is completely unacceptable. It is known that a possible cause of the initial drift of the FOG output signal is changes in the amplitude of the rotation signal and the presence of a stray zero offset at the output of the rotation signal demodulator. In this case, the expression for the error of compensation of the Sagnac phase difference compensation can be represented as

Ψ_к=Φ_с-θ₁/I₀η_фGsinφ_м,Ψ _k = Φ _s -θ ₁ / I ₀ η _f Gsinφ _m ,

где θ₁ - паразитное смещение нуля на выходе демодулятора сигнала вращения, Φ_с - разность фаз Саньяка, θ₁, I₀η_фGsinφм - амплитуда сигнала вращения, где I₀ - интенсивность интерферирующих лучей на фотоприемнике, η_ф - токовая чувствительность фотоприемника, G - коэффициент усиления усилителя тока фотоприемника и дифференциального усилителя, φ_м - амплитуда ВФМ лучей ВКИ. На Фиг.7 представлена вариация Аллана 32 дрейфа выходного сигнала ВОГ. Из этого графика следует, что минимальный дрейф выходного сигнала составляет величину 0,0126 град/час, характер шума «белый», спектральная плотность шума составляет величину 0024 град/час^1/2. Указанный выше механизм приводит также и к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ через паразитное начальное смещение нуля 62 на выходе демодулятора сигнала рассогласования. Таким образом, причиной возникновения дрейфа выходного сигнала ВОГ при его включении являются изменения паразитного смещения нуля на выходе демодуляторов θ₁ и θ₂ и изменения амплитуд сигналов вращения и рассогласования. Выражение для ошибки поддержания амплитуды компенсирующего разность фаз Саньяка пилообразного ступенчатого напряжения ΔU_к на модуляторе на необходимом уровне при наличии паразитного смещения θ₂ на выходе демодулятора сигнала рассогласования может быть представлено в видеwhere θ ₁ is the spurious zero offset at the output of the rotation signal demodulator, Φ _c is the Sagnac phase difference, θ ₁ , I ₀ η _f Gsinφm is the amplitude of the rotation signal, where I ₀ is the intensity of the interfering rays at the photodetector, η _f is the current sensitivity of the photodetector, G is the gain of the current amplifier of the photodetector and differential amplifier, φ _m is the amplitude of the WFM of the FRI rays. 7 shows a variation of Allan 32 drift of the VOG output signal. From this graph it follows that the minimum drift of the output signal is 0.0126 deg / h, the noise pattern is “white”, the noise spectral density is 0024 deg / h ^1/2 . The above mechanism also leads to instability of the FOG scale factor through a parasitic initial zero offset of 62 at the output of the mismatch signal demodulator. Thus, the cause of the drift of the VOG output signal when it is turned on is a change in the stray zero offset at the output of the demodulators θ ₁ and θ ₂ and changes in the amplitudes of the rotation and mismatch signals. The expression for the error in maintaining the amplitude of the Sanyak phase difference compensating sawtooth step voltage ΔU _k on the modulator at the required level in the presence of a stray bias θ ₂ at the output of the mismatch signal demodulator can be represented as

ΔU_к=θ₂/I₀η_фGsinφ_мη₀,ΔU _k = θ ₂ / I ₀ η _f Gsinφ _m η ₀ ,

где η₀ - эффективность рад/В фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы;where η ₀ is the efficiency of rad / V phase modulators of the integrated optical circuit;

I₀η_фGsinφ_м - амплитуда сигнала рассогласования.I ₀ η _f Gsinφ _m is the amplitude of the error signal.

Как видно на графике, код выходного сигнала ВОГ и код амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения коррелируют друг с другом. Это ожидаемый результат, так как амплитуды сигналов вращения и рассогласования изменяются синхронно, а паразитные смещения нуля на выходах демодуляторов этих сигналов также могут быть жестко связаны. Исходя из этого, была проведена математическая коррекция выходной характеристики ВОГ с помощью кода напряжения на фазовых модуляторах ИОС при соответствующей операции его масштабирования. Операция масштабирования кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения заключается в следующем. Определяется максимальное изменение кода выходного сигнала прибора при его «холодном» включении и также определяется максимальное изменение кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения на модуляторе. После этого определяется соответствующий коэффициент пересчета изменения кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения в изменение кода выходного сигнала гироскопа и далее этот коэффициент используется для коррекции выходного сигнала ВОГ путем вычитания отмасштабированного кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения из кода выходного сигнала гироскопа. На Фиг.8 показаны графики скорректированного дрейфа выходного сигнала ВОГ 33 и нескорректированного дрейфа, наложенных друг на друга. Прямая 34 характеризует среднее значение выходного сигнала в течение последних 9 часов его дрейфа. На Фиг.9 показана вариация Аллана скорректированного дрейфа выходного сигнала ВОГ 35. Минимальное значение дрейфа составило величину 0,0066 град/час, характер шума остался «белым» и спектральная плотность шума составила величину 0,0024 град/час. Из графика скорректированного дрейфа видно, что при коррекции выходной характеристики время выхода на стабильный режим (время точностной готовности) значительно сократилось. На Фиг.10 показаны графики нескорректированного 36 и скорректированного дрейфа 37 в течение первых 15 минут. Из графиков видно, что время точностной готовности ВОГ сократилось с 3 часов до 3,5 минут. Приведенное выше описание коррекции выходной характеристики с помощью масштабированного кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения справедливо, если величина эффективности фазовых модуляторов ИОС является стабильной. В этом случае необходимо температуру ИОС поддерживать неизменной, например, с помощью системы термостабилизации. В случае, если термостабилизация ИОС не может быть осуществлена, код амплитуды ступенчатого напряжения может быть дополнительно отмасштабирован с помощью измерения температуры ИОС с помощью термодатчика. Известно, что электрооптические коэффициенты ниобата лития, являющегося подложкой ИОС и определяющие эффективность фазовых модуляторов, имеют линейную зависимость от температуры. В этом случае код пилообразного ступенчатого напряжения ΔU_к при изменении температуры фазовых модуляторов ИОС дополнительно масштабируется по изменению температуры следующим образом:As can be seen in the graph, the VOG output signal code and the amplitude code of the step-like sawtooth voltage correlate with each other. This is the expected result, since the amplitudes of the rotation and mismatch signals change synchronously, and the stray zero offsets at the outputs of the demodulators of these signals can also be rigidly coupled. Based on this, a mathematical correction of the FOG output characteristic was carried out using the voltage code on the phase modulators of the IOS with the corresponding operation of its scaling. The operation of scaling the amplitude code of the sawtooth step voltage is as follows. The maximum change in the code of the output signal of the device when it is “cold” turned on is determined, and the maximum change in the code of the amplitude of the step-like sawtooth voltage on the modulator is also determined. After that, the corresponding coefficient for converting the change of the amplitude code of the sawtooth step voltage to the change of the output code of the gyroscope is determined and then this coefficient is used to correct the output signal of the FOG by subtracting the scaled code of the amplitude of the step-like sawtooth voltage from the code of the output signal of the gyroscope. On Fig shows graphs of the corrected drift of the output signal of the VOG 33 and the uncorrected drift superimposed on each other. Line 34 characterizes the average value of the output signal during the last 9 hours of its drift. Figure 9 shows the Allan variation of the corrected drift of the VOG 35 output signal. The minimum drift value was 0.0066 deg / h, the noise pattern remained “white” and the noise spectral density was 0.0024 deg / h. It can be seen from the graph of the corrected drift that when the output characteristic is corrected, the time to reach the stable mode (accuracy readiness time) is significantly reduced. Figure 10 shows graphs of uncorrected 36 and adjusted drift 37 during the first 15 minutes. From the graphs it can be seen that the accuracy of the readiness of the VOG was reduced from 3 hours to 3.5 minutes. The above description of the correction of the output characteristic using the scaled code of the amplitude of the step-like sawtooth voltage is valid if the efficiency value of the phase-modulated IOS is stable. In this case, it is necessary to maintain the IOS temperature unchanged, for example, using a thermal stabilization system. If the thermal stabilization of the IOS cannot be carried out, the step voltage amplitude code can be further scaled by measuring the IOS temperature using a temperature sensor. It is known that the electro-optical coefficients of lithium niobate, which is the IOS substrate and determining the efficiency of phase modulators, have a linear temperature dependence. In this case, the sawtooth step voltage code ΔU _k when changing the temperature of the phase-modulated IOS is further scaled by the temperature change as follows:

ΔU_к=θ₂/I₀η_фGsinφ_мη(Т₀),ΔU _k = θ ₂ / I ₀ η _f Gsinφ _m η (T ₀ ),

η(Т₀)=η(Т)-α(Т-Т₀),η (T ₀ ) = η (T) -α (T-T ₀ ),

где Т - текущее значение температуры ИОС, измеряемое термодатчиком; α - температурный коэффициент изменения эффективности фазовых модуляторов; Т₀ - температура фазовых модуляторов ИОС, при которой производилось первоначальное масштабирование кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения по коду выходного сигнала гироскопа, то есть по угловой скорости.where T is the current value of the IOS temperature, measured by a temperature sensor; α is the temperature coefficient of change in the efficiency of phase modulators; T ₀ is the temperature of the phase modulators of the IOS, at which the initial scaling of the amplitude code of the step-like sawtooth voltage was performed according to the output signal code of the gyroscope, that is, by the angular velocity.

ЛитератураLiterature

[1] G.A.Pavlath, "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v.2837, 1996, pp 46-60.[1] G. A. Pavlath, "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v. 2837, 1996, pp 46-60.

[2] А.М.Курбатов, Р.А.Курбатов «Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов» №2, 2012 г. «Гироскопия и навигация».[2] A.M. Kurbatov, R.A. Kurbatov “Ways to improve the accuracy of fiber-optic gyroscopes” No. 2, 2012. “Gyroscopy and navigation”.

Claims (2)

1. Способ уменьшения времени точностной готовности волоконно-оптического гироскопа, содержащего два контура обратной связи, первый из которых используется для обеспечения линейности выходной характеристики за счет компенсации разности фаз Саньяка с помощью подачи на фазовые модуляторы интегрально-оптической схемы ступенчатого пилообразного напряжения, а второй контур обратной связи используется для обеспечения стабильности масштабного коэффициента, которая достигается за счет стабилизации амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, отличающийся тем, что код выходного сигнала гироскопа корректируют с помощью кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции, при этом обеспечивают стабильность эффективности фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы путем стабилизации его температуры, а также при проведении коррекции кода выходного сигнала гироскопа используют операцию масштабирования изменений кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции по изменениям кода выходного сигнала гироскопа.1. A way to reduce the accuracy readiness time of a fiber-optic gyroscope containing two feedback loops, the first of which is used to provide linear output characteristics by compensating for the Sagnac phase difference by applying a step-like sawtooth voltage to the phase modulators of the integrated optical circuit, and the second loop feedback is used to ensure the stability of the scale factor, which is achieved by stabilizing the amplitude of the auxiliary phase module features characterized in that the output signal code of the gyroscope is corrected using the voltage amplitude code of the auxiliary phase modulation, while ensuring the stability of the efficiency of the phase modulators of the integrated optical circuit by stabilizing its temperature, and also, when changing the output signal code of the gyroscope, the operation of scaling code changes the voltage amplitude of the auxiliary phase modulation by changes in the code of the output signal of the gyroscope. 2. Способ уменьшения времени точностной готовности волоконно-оптического гироскопа по п.1, отличающийся тем, что при изменении температуры фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы проводят дополнительное масштабирование кода напряжения вспомогательной фазовой модуляции, при этом используют показания термодатчика, измеряющего температуру фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы. 2. The method for reducing the accuracy readiness time of a fiber-optic gyroscope according to claim 1, characterized in that when the temperature of the phase modulators of the integrated optical circuit is changed, the voltage code of the auxiliary phase modulation is further scaled, while the readings of a temperature sensor measuring the temperature of the phase modulators of the integrated optical circuit.

Images