RU2522147C1 - Fibre-optic gyroscope - Google Patents
Fibre-optic gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2522147C1 RU2522147C1 RU2012147956/28A RU2012147956A RU2522147C1 RU 2522147 C1 RU2522147 C1 RU 2522147C1 RU 2012147956/28 A RU2012147956/28 A RU 2012147956/28A RU 2012147956 A RU2012147956 A RU 2012147956A RU 2522147 C1 RU2522147 C1 RU 2522147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- fibre
- input
- fiber
- length
- Prior art date
Links
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике разработки гироскопов, основанных на использовании эффекта Саньяка, и может быть применено при изготовлении волоконно-оптических гироскопов (ВОГ).The invention relates to techniques for the development of gyroscopes based on the use of the Sagnac effect, and can be used in the manufacture of fiber-optic gyroscopes (FOG).
Известен ВОГ (см., например, Optics Letters, Vol.8(10), pp.540-542, 1983, "Fiber-optic gyroscope with polarization-holding fiber), содержащий последовательно расположенные и соединенные оптическим волокном: излучающий и фотоприемный модули, первый ответвитель, поляризатор, второй ответвитель, волоконный контур и фазовый модулятор, выполненный в виде пьезокерамического элемента с зафиксированным на его поверхности отрезком оптического волокна, при этом все оптические элементы гироскопа изготавливают на основе одномодового двулучепреломляющего оптического волокна.FOG is known (see, for example, Optics Letters, Vol.8 (10), pp.540-542, 1983, "Fiber-optic gyroscope with polarization-holding fiber), containing sequentially located and connected by an optical fiber: emitting and photodetector modules , the first coupler, polarizer, the second coupler, the fiber circuit and the phase modulator, made in the form of a piezoceramic element with a piece of optical fiber fixed on its surface, while all the optical elements of the gyroscope are made on the basis of a single-mode birefringent optical fiber.
Такое устройство отличает сравнительно небольшой сдвиг и дрейф нулевого Сигнала за счет использования поляризационно-устойчивого волокна и применения пространственно-поляризационной фильтрации на входе-выходе волоконного контура. Кроме того, в данном устройстве использована модуляционная методика, позволяющая существенно снизить влияние шумов на точность измерений ВОГ. При этом модуляцию разности фаз встречных волн, распространяющихся во встречных направлениях по волоконному контуру, осуществляют за счет периодического растяжения небольшого участка волоконного контура, намотанного на пьезокерамический цилиндр, а выходной сигнал гироскопа формируют путем детектирования первой гармоники частоты фазовой модуляции в сигнале фотоприемного модуля.Such a device is distinguished by a relatively small shift and drift of the zero Signal due to the use of polarization-resistant fiber and the use of spatially polarized filtering at the input-output of the fiber circuit. In addition, this device uses a modulation technique that can significantly reduce the effect of noise on the accuracy of FOG measurements. In this case, the phase difference of the counterpropagating waves propagating in opposite directions along the fiber circuit is modulated by periodically stretching a small portion of the fiber circuit wound on the piezoceramic cylinder, and the output signal of the gyroscope is formed by detecting the first harmonic of the frequency of the phase modulation in the signal of the photodetector module.
Однако при возбуждении пьезокерамического модулятора периодическим сигналом на выходе фотоприемного устройства появляется компонента на частоте модуляции, сдвинутая по фазе на 90° по отношению к полезному сигналу (сигналу вращения).However, when a piezoelectric ceramic modulator is excited by a periodic signal, a component at the modulation frequency appears at the output of the photodetector, phase-shifted by 90 ° with respect to the useful signal (rotation signal).
Источником возникновения этой компоненты (квадратурного сигнала) является модуляция двулучепреломления волокна, намотанного на пьезокерамический цилиндр, при его растяжении, а также связь между поляризационными модами волокна на его неоднородностях. Модуляция двулучепреломления волокна приводит к модуляции интенсивности излучения после прохождения поляризатора. Глубина модуляции интенсивности зависит от ориентации поляризатора по отношению к осям двулучепреломления волокна. После синхронного детектирования квадратурный сигнал подавляется, но не полностью, что приводит к появлению сдвига нуля ВОГ.The source of this component (the quadrature signal) is the modulation of the birefringence of a fiber wound around a piezoceramic cylinder when it is stretched, as well as the relationship between the polarization modes of the fiber on its inhomogeneities. Modulation of the birefringence of the fiber modulates the radiation intensity after passing through the polarizer. The depth of intensity modulation depends on the orientation of the polarizer with respect to the axes of the birefringence of the fiber. After synchronous detection, the quadrature signal is suppressed, but not completely, which leads to the appearance of a zero-offset FOG.
Наиболее близким аналогом - прототипом является волоконно-оптический гироскоп (см., например, патент РФ №2139499 с приоритетом от 05.03.1998 г., МПК: G01C 19/72), включающий последовательно расположенные и соединенные двулучепреломляющим оптическим волокном: излучающий и фотоприемный модули, первый ответвитель, поляризатор, второй ответвитель, волоконный контур и фазовый модулятор, выполненный в виде пьезокерамического элемента с зафиксированным на его поверхности отрезком оптического волокна, при этом на поверхности пьезокерамического элемента также уложены и зафиксированы два параллельных волокна одинаковой длины, являющиеся входным и выходным отрезками петли волокна, не зафиксированной на поверхности пьезокерамического элемента, а, кроме того, в состав гироскопа введены два преобразователя (конвертера) одной поляризационной моды волокна в другую, выполненные в виде скрученных и зафиксированных утонченных участков волокна, причем один преобразователь расположен в волоконном контуре, а другой - в свободной петле фазового модулятора.The closest analogue to the prototype is a fiber-optic gyroscope (see, for example, RF patent No. 2139499 with priority dated 03/05/1998, IPC: G01C 19/72), including sequentially located and connected by a birefringent optical fiber: emitting and photodetecting modules , the first coupler, polarizer, the second coupler, the fiber circuit and the phase modulator, made in the form of a piezoceramic element with a piece of optical fiber fixed on its surface, while on the surface of the piezoceramic element t two parallel fibers of the same length are laid and fixed, which are the input and output segments of a fiber loop not fixed on the surface of the piezoceramic element, and, in addition, two transducers (converters) of one polarized fiber mode to another, made in the form of twisted fibers, are introduced into the gyroscope and fixed, refined sections of fiber, with one transducer located in the fiber circuit and the other in the free loop of the phase modulator.
Данное устройство отличает уменьшение по сравнению с другими известными ВОГ величин сдвига и дрейфа нуля, связанное с тем, что при выполнении модулятора в виде двух синхронно растягиваемых отрезков волокна одинаковой длины (бифилярная намотка), между которыми установлен преобразователь одной поляризационной моды волокна в другую, устраняют модуляцию двулучепреломления волокна в модуляторе, что приводит к существенному уменьшению квадратурного сигнала Q и соответствующей компоненты сдвига нуля ВОГ. При этом второй преобразователь мод волокна, расположенный в волоконном контуре, позволяет восстановить уровень интерференционного (полезного) сигнала, существенно уменьшаемый при использовании преобразователя мод волокна в составе фазового модулятора.This device is distinguished by a decrease in comparison with other known FOG values of the shift and zero drift, due to the fact that when the modulator is made in the form of two synchronously stretched fiber segments of the same length (bifilar winding), between which a converter of one polarizing fiber mode to another is installed, eliminate modulation of the birefringence of the fiber in the modulator, which leads to a significant decrease in the quadrature signal Q and the corresponding components of the zero-shift FOG. In this case, the second fiber mode converter located in the fiber circuit allows you to restore the level of interference (useful) signal, significantly reduced when using the fiber mode converter as part of a phase modulator.
Однако в производстве процент выхода таких ВОГ, годных по критерию начального сдвига и его стабильности, снижен из-за технологического разброса параметров гироскопа.However, in production, the percentage of yield of such FOGs that are suitable according to the criterion of the initial shift and its stability is reduced due to the technological spread of the gyroscope parameters.
Задачей изобретения является разработка волоконно-оптического гироскопа с устойчивой оптической конфигурацией, обеспечивающей максимальную степень фильтрации полезного сигнала в практических условиях ограниченного функционирования отдельных оптических компонентов ВОГ, что при наличии естественного технологического разброса параметров фильтрации увеличивает процент выхода годных ВОГ по критерию начального сдвига и его стабильности.The objective of the invention is to develop a fiber-optic gyroscope with a stable optical configuration that provides the maximum degree of filtration of the useful signal in the practical conditions of the limited functioning of individual optical components of the FOG, which, if there is a natural technological spread of the filtering parameters, increases the percentage of yield of the FOG according to the criterion of the initial shift and its stability.
Сущность изобретения состоит в том, что в волоконно-оптическом гироскопе (ВОГ), содержащем многовитковый замкнутый контур из оптического волокна (далее волоконный контур) в виде одномодового двулучепреломляющего световода, излучатель и фотоприемник, два ответвителя, поляризатор, фазовый модулятор и фазовый детектор, а также усилитель, фильтр и генератор, причем излучатель оптическим выходом через первый ответвитель соединен с первым оптическим входом-выходом поляризатора, своим вторым оптическим входом-выходом через второй ответвитель подключенного к первому соответствующему входу-выходу волоконного контура, а также соединенного через фазовый модулятор с этим ответвителем своим вторым оптическим входом-выходом, при этом первый ответвитель подключен также к оптическому входу фотоприемника, электрическим выходом через последовательно соединенные усилитель и фильтр подключенного к первому входу фазового детектора, выход которого является также выходом ВОГ, а вторым входом соединенного с выходом генератора, одновременно подключенного к электрическому входу фазового модулятора, причем излучатель и фотоприемник соединены с первым ответвителем отрезками двулучепреломляющего оптического волокна (одномодового двулучепреломляющего световода) и с помощью отрезков такого волокна подключены к поляризатору также первый и второй ответвители, при этом волоконный контур, ответвители, поляризатор и фазовый модулятор выполнены на одном отрезке волокна без стыков, причем величины длин отрезков, соединяющих поляризатор с ответвителями, выполнены отличающимися в три раза, при этом длина меньшего из этих отрезков превышает длину деполяризации волокна, но в девять раз меньше длины отрезка волокна, соединяющего излучатель с первым ответвителем.The essence of the invention lies in the fact that in a fiber optic gyroscope (FOG) containing a multi-turn closed loop of optical fiber (hereinafter referred to as a fiber loop) in the form of a single-mode birefringent fiber, a radiator and a photodetector, two couplers, a polarizer, a phase modulator and a phase detector, and also an amplifier, a filter and a generator, the emitter being connected to the first optical input-output of the polarizer by an optical output through the first coupler, and its second optical input-output through the second coupler l connected to the first corresponding input-output of the fiber circuit, and also connected through a phase modulator to this coupler with its second optical input-output, while the first coupler is also connected to the optical input of the photodetector, an electrical output through a series-connected amplifier and a filter connected to the first input phase detector, the output of which is also the VOG output, and the second input connected to the output of the generator, simultaneously connected to the electrical input of the phases modulator, wherein the emitter and photodetector are connected to the first coupler by segments of a birefringent optical fiber (single-mode birefringent fiber) and the first and second couplers are also connected to the polarizer using segments of such a fiber, while the fiber circuit, couplers, polarizer and phase modulator are made on one segment fibers without joints, and the lengths of the segments connecting the polarizer with the couplers are three times different, while the length of the smaller of these zkov depolarization exceeds the length of the fiber, but less than nine times the length of fiber segment connecting the emitter with the first coupler.
При этом длина отрезка, соединяющего поляризатор с первым ответвителем может быть или больше, или меньше длины отрезка, соединяющего поляризатор со вторым ответвителем.The length of the segment connecting the polarizer with the first coupler can be either greater or less than the length of the segment connecting the polarizer with the second coupler.
Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении возможности обеспечения максимальной степени фильтрации полезного сигнала в практических условиях ограниченного функционирования отдельных оптических компонентов ВОГ и, соответственно, в увеличении процента выхода годных (по критерию начального сдвига и его стабильности) изделий за счет локализации основных дефектов и выбора длин волокна между оптическими компонентами цельноволоконного ВОГ, при которых возникающие на дефектах вторичные волны приобретают временные задержки, превышающие время когерентности источника излучения. При этом эффективность интерференции вторичных волн с основными волнами (их взаимная когерентность) значительно уменьшается и, соответственно, уменьшается сдвиг нуля ВОГ, порожденный вторичными волнами.The technical result from the use of the invention is to provide the ability to provide the maximum degree of filtering of the useful signal in the practical conditions of the limited functioning of individual optical components of the FOG and, accordingly, to increase the percentage of yield (by the criterion of the initial shift and its stability) of the product due to the localization of the main defects and selection fiber lengths between the optical components of the whole-fiber FOG, at which the secondary waves arising on defects t time delay exceeding the coherence time of the radiation source. In this case, the interference efficiency of secondary waves with the main waves (their mutual coherence) is significantly reduced and, accordingly, the zero-harmonic shift generated by the secondary waves decreases.
Предельную точность ВОГ определяют фильтрующие характеристиками основных компонентов - поляризатора (степень подавления нерабочей поляризации) и волокна (степень сохранения поляризации на заданной длине). Эта зависимость является сложной и нелинейной комбинацией оптических параметров элементов и мест их соединений (или переходов). Неполностью отфильтрованные (подавленные) вторичные волны могут интерферировать с произвольной фазой, искажая интерференцию основных встречных волн. При детектировании это искажение соответствует сдвигу нуля ВОГ и приводит к дрейфу сигнала.The ultimate accuracy of the FOG is determined by the filtering characteristics of the main components - the polarizer (degree of suppression of non-working polarization) and fiber (degree of conservation of polarization at a given length). This dependence is a complex and non-linear combination of the optical parameters of the elements and the places of their connections (or transitions). Incompletely filtered (suppressed) secondary waves can interfere with an arbitrary phase, distorting the interference of the main counterpropagating waves. During detection, this distortion corresponds to a zero shift of the FOG and leads to a drift of the signal.
На фиг.1 приведена схема волоконно-оптического гироскопа.Figure 1 shows a diagram of a fiber optic gyroscope.
Здесь обозначено: 1 - излучатель; 2-1-й ответвитель; 3 - поляризатор; 4-2-й ответвитель; 5 - волоконный контур; 6 - фазовый модулятор; 7 - фотоприемник; 8 - заглушки (концы волокна с малым обратным отражением); 9 - усилитель; 10 - фильтр; 11 - фазовый детектор; 12 - генератор.It is indicated here: 1 - emitter; 2-1th coupler; 3 - polarizer; 4-2nd coupler; 5 - fiber circuit; 6 - phase modulator; 7 - photodetector; 8 - plugs (fiber ends with low back reflection); 9 - amplifier; 10 - filter; 11 - phase detector; 12 - generator.
Кроме того, на фиг.1 обозначениями a1, …, а7 показаны места разворотов осей двулучепреломления волокна, представляющие собой места локализации «дефектов» цельноволоконного ВОГ, а буквами X,Y,Z обозначены величины длины соответствующих отрезков волокна.In addition, in Fig. 1, the designations a1, ..., a7 show the pivot points of the birefringence axes of the fiber, which are the locations of the "defects" of the whole-fiber VOG, and the letters X, Y, Z denote the lengths of the corresponding fiber segments.
Излучатель 1 выполнен на основе полупроводникового суперлюминесцентного диода СЛД-830, а фотоприемник 7 - на основе кремниевого фотодиода SSO-PDQ-0.25-5SMD.The emitter 1 is made on the basis of the SLD-830 semiconductor superluminescent diode, and the photodetector 7 is based on the SSO-PDQ-0.25-5SMD silicon photodiode.
Оптические элементы ВОГ изготавливались из одномодового двулучепреломляющего кварцевого волокна с длиной поляризационных биений ~3мм. Длина волоконного контура 5 ВОГ составила 100 м, диаметр катушки (не пронумерована) волоконного контура 5 равен 70 мм.FOG optical elements were made of single-mode birefringent quartz fiber with a polarization beat length of ~ 3 mm. The length of the fiber circuit 5 VOG was 100 m, the diameter of the coil (not numbered) of the fiber circuit 5 is 70 mm
Фазовый модулятор 6 выполнен (см., например, патент РФ №2139499 с приоритетом от 05.03.1998 г., МПК: G01C 19/72) с пьезокерамическим цилиндром (не пронумерован) диаметром 15 мм из материала ЦТС-19.Phase modulator 6 is made (see, for example, RF patent No. 2139499 with priority dated 05.03.1998, IPC: G01C 19/72) with a piezoceramic cylinder (not numbered) with a diameter of 15 mm from ZTS-19 material.
Поляризатор 3 изготовлен на основе двулучепреломляющего монокристалла, выращенного вокруг утонченного отрезка (перетяжки) волокна.Polarizer 3 is made on the basis of a birefringent single crystal grown around a thinned segment (constriction) of the fiber.
Ответвители (2 и 4) получены путем вытяжки соприкасающихся волокон при их локальном тепловом размягчении в дуговом разряде.Taps (2 and 4) are obtained by drawing contiguous fibers during their local thermal softening in an arc discharge.
Для формирования выходного сигнала гироскопа, пропорционального скорости вращения волоконного контура путем детектирования первой гармоники частоты модуляции, в выходном сигнале фотоприемника использовались стандартные устройства, а именно широкополосный усилитель 9, узкополосный фильтр 10, фазовый детектор 11 и генератор 12. Генератор 12 вырабатывает синусоидальное напряжение для питания фазового модулятора 6, которое использовано в качестве опорного напряжения в фазовом детекторе 11 для детектирования амплитуды первой гармоники частоты модуляции в выходном сигнале фотоприемника 7 и формирования выходного сигнала ВОГ.To generate the gyroscope output signal proportional to the speed of rotation of the fiber circuit by detecting the first harmonic of the modulation frequency, standard devices were used in the output signal of the photodetector, namely, a broadband amplifier 9, a narrowband filter 10, a phase detector 11, and a generator 12. The generator 12 generates a sinusoidal voltage for supply phase modulator 6, which is used as a reference voltage in the phase detector 11 for detecting the amplitude of the first harmonic you modulation in the output signal of the detector 7 and the formation of the FOG output.
При этом соответственно использованы стандартные детектор SR830 и генератор Г3-118.In this case, the standard detector SR830 and the generator G3-118 were respectively used.
При синусоидальной модуляции сдвига фаз встречных волн волоконного контура в сигнале фотоприемника 7 возникает большая компонента на второй гармонике частоты модуляции, которая существенно затрудняет детектирование сигнала вращения - амплитуду первой гармоники частоты модуляции и для подавления которой установлен узкополосный фильтр 10.With sinusoidal modulation of the phase shift of the counterpropagating waves of the fiber circuit in the signal of the photodetector 7, a large component appears at the second harmonic of the modulation frequency, which substantially complicates the detection of the rotation signal - the amplitude of the first harmonic of the modulation frequency and for suppression of which a narrow-band filter 10 is installed.
Сигнал фотоприемника 7 перед подачей на вход детектора 11 усиливали с помощью широкополосного усилителя 9, изготовленного по стандартной схеме (см., например, В. Достал. Операционные усилители, 1985) на основе микросхемы 544УД2.The signal of the photodetector 7, before being fed to the input of the detector 11, was amplified using a broadband amplifier 9 made according to the standard scheme (see, for example, V. Dostal. Operational amplifiers, 1985) based on the 544UD2 chip.
Рассмотрим цельноволоконный ВОГ, компоненты которого (волоконный контур 5, фазовый модулятор 6, два ответвителя (соответственно 2 и 4) и поляризатор 3) изготовлены на одном отрезке двулучепреломляющего волокна (не пронумеровано). Введем следующие определения:Consider an all-fiber FOG whose components (fiber circuit 5, phase modulator 6, two couplers (2 and 4, respectively) and polarizer 3) are made on the same segment of the birefringent fiber (not numbered). We introduce the following definitions:
- рабочая (главная) поляризация - линейная поляризация волны, проходящей поляризатор без ослабления;- working (main) polarization - linear polarization of the wave passing through the polarizer without attenuation;
- нерабочая поляризация - ортогональная основной- non-working polarization - orthogonal to the main
поляризации волны, которая испытывает значительные потери (подавление) при прохождении поляризатора 3;polarization of the wave, which experiences significant losses (suppression) during the passage of the polarizer 3;
- собственные поляризации двулучепреломляющего волокна - ортогональные линейные поляризации волн, распространяющихся в волокне с сохранением линейного состояния, а различие скоростей (c/n1-с/п2) определяется величиной двулучепреломления (n1-n2), где n1,2-показатели преломления волокна для волн с собственными поляризациями;- intrinsic polarizations of the birefringent fiber — orthogonal linear polarizations of the waves propagating in the fiber with a linear state, and the speed difference (c / n1-s / n2) is determined by the birefringence (n1-n2), where n1,2 are the refractive indices of the fiber for the waves with own polarizations;
- основные волны - встречные волны, вошедшие в волоконный контур 5 в рабочей поляризации и вышедшие после его обхода в рабочей поляризации;- the main waves - counterpropagating waves that entered the fiber circuit 5 in the working polarization and left after going around in the working polarization;
- вторичные волны - встречные волны, вошедшие в волоконный конур 5 в рабочей поляризации и вышедшие после его обхода в нерабочей поляризации, а также волны, вошедшие в волоконный контур 5 в нерабочей поляризации и вышедшие после его обхода в рабочей поляризации.- secondary waves - counterpropagating waves that entered the fiber circuit 5 in the working polarization and left after it was circled in a non-working polarization, as well as the waves that entered the fiber circuit 5 in non-working polarization and left after it was circled in a working polarization.
В каждом сечении волокна встречные волны распространяются в обеих собственных поляризациях и являются суперпозицией основных и вторичных волн.In each fiber section, counterpropagating waves propagate in both their own polarizations and are a superposition of the main and secondary waves.
Сдвиг нуля ВОГ возникает при интерференции основных и вторичных волн, в то время как сигнал вращения формируется при интерференции основных волн. Для анализа интерференции вторичных и основных волн необходимо учесть все комбинации оптических путей для основных и вторичных волн (каждый отрезок двулучепреломляющего волокна длиной L содержит два оптических пути L*n1 и L*n2 различных для волн с собственными поляризациями). Волна может сменить оптический путь на дефекте или любом компоненте, который связывает собственные поляризации волокна.The zero-point shift of the FOG occurs during the interference of the main and secondary waves, while the rotation signal is formed during the interference of the main waves. To analyze the interference of the secondary and main waves, it is necessary to take into account all combinations of optical paths for the main and secondary waves (each segment of a birefringent fiber of length L contains two optical paths L * n1 and L * n2 different for waves with their own polarizations). A wave can change the optical path at a defect or any component that binds the fiber’s intrinsic polarizations.
В цельноволоконном ВОГ нет крупных дефектов вдоль длины волокна в контуре и между компонентами, поскольку сварные соединения компонентов с волокном и между собой отсутствуют. Поэтому местами связи являются компоненты, где имеет место разворот осей двулучепреломления волокна.In a whole-fiber VOG, there are no major defects along the length of the fiber in the loop and between the components, since there are no welded joints between the components and the fiber. Therefore, the bond points are the components where there is a reversal of the axes of the birefringence of the fiber.
Для рассматриваемой (фиг.1) конфигурации ВОГ - это:For the considered (figure 1) configuration of VOG is:
- излучатель 1 (главная поляризация СЛД не совпадает с осью двулучепреломления);- emitter 1 (the main polarization of the SLD does not coincide with the axis of birefringence);
- ответвитель (соответственно 2 и 4) (скрутка волокна и непараллельность осей двулучепреломления волокон, анизотропия коэффициента деления);- coupler (2 and 4, respectively) (twisting of the fiber and non-parallelism of the axes of the birefringence of the fibers, the anisotropy of the division coefficient);
- поляризатор 3 (несовпадение рабочей поляризации поляризатора и собственной поляризации волокна);- polarizer 3 (mismatch between the working polarization of the polarizer and the intrinsic polarization of the fiber);
- места (a1, …, а7) разворотов осей двулучепреломления волокна.- places (a1, ..., a7) of the turns of the axes of the birefringence of the fiber.
Одной из характеристик когерентного излучения, распространяющегося в двулучепреломляющем волокне, является т.н. «длина деполяризации». Это длина, на которой временное запаздывание волн с собственными поляризациями, превышает время когерентности источника излучения. После прохождения в волокне расстояния, превышающего длину деполяризации, изначально когерентные ортогонально поляризованные волны, становятся некогерентными. Некогерентные волны не интерферируют друг с другом ввиду хаотично меняющейся относительной фазы. Для расчета длины деполяризации (LD) используют (см., например, Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред. Э.Удда. - М.: Техносфера, 2008. - 520 с. Дополнение А, стр.476 (500)) соотношение: LD=0,5LBλ/Δλ, где LB - длина поляризационных биений (параметр, характеризующий величину двулучепреломления), λ - длина волны источника излучения, Δλ - ширина спектра излучения. (Если, например, длина волны источника излучения - 800 нм, ширина спектра излучения - 15 нм, а длина биений волокна - 3 мм (средние практические параметры), то длина деполяризации равна 8 см.)One of the characteristics of coherent radiation propagating in a birefringent fiber is the so-called. “Depolarization length”. This is the length at which the time delay of waves with intrinsic polarizations exceeds the coherence time of the radiation source. After the distance in the fiber exceeds the depolarization length, the initially coherent orthogonally polarized waves become incoherent. Incoherent waves do not interfere with each other due to a randomly changing relative phase. To calculate the length of depolarization (L D ) use (see, for example, Fiber-optic sensors. An introductory course for engineers and scientists. Edited by E. Udd. - M .: Technosphere, 2008. - 520 pp. Appendix A, p. 476 (500)) ratio: L D = 0.5L B λ / Δλ, where L B is the length of the polarization beats (a parameter characterizing the magnitude of birefringence), λ is the wavelength of the radiation source, Δλ is the width of the radiation spectrum. (If, for example, the wavelength of the radiation source is 800 nm, the width of the radiation spectrum is 15 nm, and the length of the beats of the fiber is 3 mm (average practical parameters), then the depolarization length is 8 cm.)
Принципиальной причиной сдвига и нестабильности нуля ВОГ является конечное подавление поляризатором неосновной (нерабочей) поляризации (амплитудный коэффициент пропускания волны с нерабочей поляризацией - ε, -201og(ε)= коэффициент экстинкции поляризатора в дБ, то есть поляризатору с практически достижимой экстинкцией 40 дБ соответствует ε=0.01). Волны, прошедшие поляризатор в рабочей поляризации в обоих направлениях, не создают сдвига (принцип взаимности Лоренца). Волны, прошедшие поляризатор в нерабочей поляризации (вторичные), могут интерферировать с основными волнами, создавая сдвиг. В общем случае этот сдвиг пропорционален отношению амплитуд вторичной волны к амплитуде основной волны и коэффициенту £, что для цельноволоконного ВОГ, где оси волокна и поляризатора не совпадают, может служить источником значительной ошибки, т.к. амплитуды основной и вторичной волны сопоставимы. В условиях невозможности полного подавления вторичных волн уменьшение взаимной когерентности вторичных и основных волн является одной из возможностей уменьшения сдвига и дрейфа нуля ВОГ. Заметим, что эффективная интерференция возможна, если разность оптических путей между основными и вторичными волнами на фотодетекторе меньше длины деполяризации.The principal cause of the FOG zero shift and instability is the finite suppression by the polarizer of non-basic (non-working) polarization (amplitude transmittance of a wave with non-working polarization - ε, -201og (ε) = polarizer extinction coefficient in dB, i.e., a polarizer with an achievable extinction of 40 dB corresponds to ε = 0.01). Waves that have passed the polarizer in the working polarization in both directions do not create a shift (Lorentz reciprocity principle). Waves that have passed the polarizer in non-working polarization (secondary) can interfere with the main waves, creating a shift. In the general case, this shift is proportional to the ratio of the amplitudes of the secondary wave to the amplitude of the main wave and the coefficient £, which for a whole-fiber FOG, where the axes of the fiber and the polarizer do not coincide, can serve as a source of significant error, because the amplitudes of the primary and secondary waves are comparable. Given the impossibility of completely suppressing the secondary waves, a decrease in the mutual coherence of the secondary and main waves is one of the possibilities of decreasing the FOG shift and zero drift. We note that effective interference is possible if the difference in optical paths between the main and secondary waves at the photodetector is less than the depolarization length.
Рассмотрим возможные задержки между основными и вторичными волнами на фотодетекторе для случая цельноволоконного ВОГ (фиг.1) с учетом следующих практических соотношений:Consider the possible delays between the main and secondary waves at the photodetector for the case of a whole-fiber FOG (Fig. 1), taking into account the following practical relationships:
- длина контура составляет 100 м и более,- the length of the circuit is 100 m or more,
- длина волокна между компонентами цельноволоконного ВОГ от 10 см до нескольких десятков сантиметров (определяется технологическими возможностями и конструктивными требованиями),- the fiber length between the components of the whole-fiber VOG from 10 cm to several tens of centimeters (determined by technological capabilities and design requirements),
- длина деполяризации - 8 см (см. выше).- the length of depolarization is 8 cm (see above).
При этом все возможные суммы задержек (на отрезках волокна X, Y, Z), накопленных волнами при распространении между компонентами в обоих направлениях, оказываются намного (в масштабе длины деполяризации) меньше задержки между собственными поляризациями в контуре. Поэтому взаимно когерентными потенциально могут быть только волны (основные и вторичные), которые прошли контур в одной и той же поляризации. Это, в свою очередь, означает, что для целей настоящего рассмотрения можно считать, что волоконный контур не вносит дополнительной задержки между основными и вторичными волнами.Moreover, all possible sums of delays (on X, Y, Z fiber segments) accumulated by the waves during propagation between components in both directions turn out to be much (on the scale of the depolarization length) less than the delay between intrinsic polarizations in the circuit. Therefore, only waves (primary and secondary) that have passed the circuit in the same polarization can potentially be mutually coherent. This, in turn, means that for the purposes of this review, we can assume that the fiber circuit does not introduce an additional delay between the main and secondary waves.
Для каждой из встречных волн последовательность прохождения отрезков следующая Z, Y, X, X, Y (см. фиг.1).For each of the oncoming waves, the sequence of passage of the segments is as follows Z, Y, X, X, Y (see figure 1).
В зависимости от характеристик и ориентации оптических компонентов на каждом из этих отрезков волны могут приобретать разные задержки.Depending on the characteristics and orientation of the optical components, each of these segments of the wave can acquire different delays.
Для анализа важны возможные разности задержек встречных волн: если разность задержек превышает длину когерентности - то вторичные волны, прошедшие поляризатор при развороте осей двулучепреломления волокна на входе и выходе оптических компонентов ВОГ, не интерферируют с основными волнами и не порождают ложный сигнал вращения. Если разность задержек меньше длины когерентности, то возникает ложный сигнал, пропорциональный амплитуде вторичных интерферирующих волн (первый порядок по ε).For the analysis, possible differences in the delays of counterpropagating waves are important: if the difference in delays exceeds the coherence length, then the secondary waves that passed the polarizer when the birefringence axes of the fiber are rotated at the input and output of the optical components of the FOG do not interfere with the main waves and do not generate a false rotation signal. If the delay difference is less than the coherence length, then a spurious signal occurs, proportional to the amplitude of the secondary interfering waves (first order in ε).
Две конфигурации, эквивалентные с точки зрения подавления интерференции вторичных встречных волн (сдвига нуля), можно представить следующим образом:Two configurations equivalent in terms of suppressing the interference of secondary counterpropagating waves (zero shift) can be represented as follows:
1) Y=3X, Z=9X, где X> длины деполяризации;1) Y = 3X, Z = 9X, where X> depolarization lengths;
2) X=3Y, Z=9Y, где Y> длины деполяризации.2) X = 3Y, Z = 9Y, where Y> the length of the depolarization.
При указанном соотношении отрезков все возможные разности путей кратны минимальному отрезку из набора. Таким образом, если длина минимального из отрезков X (или Y) превышает длину деполяризации волокна (для практических целей рекомендуется двукратное превышение, т.к. взаимная когерентность уменьшается почти в 10 раз (е2)), то обеспечивается подавление интерференции вторичных волн с основными волнами и, соответственно, отсутствие ложного сигнала (сдвига нуля).Given the ratio of the segments, all possible path differences are multiples of the minimum segment from the set. Thus, if the length of the smallest of the X (or Y) segments exceeds the fiber depolarization length (for practical purposes, a double excess is recommended, since the mutual coherence decreases by almost 10 times (e 2 )), then the interference of secondary waves with the main ones is suppressed waves and, accordingly, the absence of a false signal (zero shift).
Анализируя последовательность прохождения межкомпонентных отрезков встречными волнами {Z, Y, X, X, Y}, можно видеть что фазовый набег на отрезке Z может быть скомпенсирован набегами на последовательности отрезков {Y, X, X, Y}, а фазовый набег на отрезке Y может быть скомпенсирован набегами на последовательности отрезков {X, X}. Таким образом, максимальный набег на последовательности отрезков {X, X} может составить 2Х и можно исключить возможность промежуточной компенсации на участке {X, X, Y}, выбирая длину отрезка Y, равной 3Х. Аналогичным образом, учитывая, что Y=3X и максимальный набег на последовательности отрезков {Y, X, X, Y} может составить 8Х(3Х+Х+Х+3Х), можно исключить возможность итоговой компенсации на участке {Z, Y, X, X, Y}, выбирая длину отрезка Z равной 9Х. Отметим, что отрезки X и Y -взаимозаменяемы в этих рассуждениях.Analyzing the sequence of passage of the inter-component segments by the opposing waves {Z, Y, X, X, Y}, we can see that the phase incursion on the segment Z can be compensated by the incursions on the sequence of the segments {Y, X, X, Y}, and the phase incursion on the segment Y can be compensated by raids on the sequence of segments {X, X}. Thus, the maximum incursion on the sequence of segments {X, X} can be 2X and the possibility of intermediate compensation in the segment {X, X, Y} can be excluded by choosing the length of the segment Y equal to 3X. Similarly, taking into account that Y = 3X and the maximum incursion on the sequence of segments {Y, X, X, Y} can be 8X (3X + X + X + 3X), we can exclude the possibility of total compensation in the area {Z, Y, X , X, Y}, choosing the length of the segment Z equal to 9X. Note that the segments X and Y are interchangeable in these arguments.
Приведенные выше соображения и выводы подтверждают модельные численные расчеты амплитудных и фазовых параметров встречных волн, основанные на использовании матриц Джонса (см., например, Шерклифф У. Поляризованный свет, пер. с англ., М, 1965), описывающих трансформацию встречных волн в местах межполяризационной связи a1, …, а7 (см. фиг.1) и на отрезках двулучепреломляющего волокна X, Y, Z с учетом усреднения по спектру излучения.The above considerations and conclusions confirm the model numerical calculations of the amplitude and phase parameters of counterpropagating waves, based on the use of Jones matrices (see, for example, Sherkliff U. Polarized light, transl. From English, M, 1965), describing the transformation of counterpropagating waves in places interpolarization communication a1, ..., a7 (see figure 1) and on segments of birefringent fibers X, Y, Z, taking into account averaging over the radiation spectrum.
Предлагаемая конфигурация ВОГ обеспечивает отсутствие у вторичных встречных волн, прошедших по разным путям (т.е. невзаимных), задержек по отношению к основным волнам меньше длины когерентности излучателя.The proposed FOG configuration ensures that the secondary counterpropagating waves traveling along different paths (i.e., nonreciprocal) have no delays with respect to the main waves less than the coherence length of the emitter.
Устройство (ВОГ) работает следующим образом: Световой сигнал от излучателя 1 входит в одномодовое двулучепреломляющее волокно, проходит первый ответвитель 2 и поляризатор 3, а вторым ответвителем 4 делится на две волны, распространяющиеся во встречных направлениях по волоконному контуру 5 и фазовому модулятору 6. После обхода волоконного контура 5 встречные волны смешиваются вторым ответвителем 4, интерферируют и вновь проходят поляризатор 3 и первый ответвитель 2, который направляет часть излучения (сигнал интерференции) на фотоприемник 7. "Заглушки" 8, которыми заканчиваются свободные концы волокна ответвителей (2 и 4), предотвращают обратное отражение волны от торцов волокна.The device (FOG) operates as follows: The light signal from the emitter 1 enters a single-mode birefringent fiber, the first coupler 2 and the polarizer 3 pass, and the second coupler 4 is divided into two waves propagating in opposite directions along the fiber circuit 5 and phase modulator 6. After bypassing the fiber circuit 5, the opposing waves are mixed by the second coupler 4, the polarizer 3 and the first coupler 2 interfere and pass again, which directs part of the radiation (interference signal) to the photodetector 7. " End caps "8, which end the free ends of the fiber couplers (2 and 4), prevent the back reflection of the wave from the ends of the fiber.
Генератор 12 задает синусоидальное напряжение для питания фазового модулятора 6 и одновременно служащее опорным напряжением в фазовом детекторе 11 для детектирования амплитуды первой гармоники частоты модуляции в выходном сигнале фотоприемника 7 и формировании выходного сигнала ВОГ, пропорционального скорости его вращения.The generator 12 sets a sinusoidal voltage to power the phase modulator 6 and at the same time serves as a reference voltage in the phase detector 11 for detecting the amplitude of the first harmonic of the modulation frequency in the output signal of the photodetector 7 and generating the output signal of the FOG proportional to its rotation speed.
Для подавления сигнала на второй гармонике частоты модуляции, возникающей при синусоидальной модуляции сдвига фаз встречных волн волоконного контура 5 в сигнале фотоприемника 7 и существенно затрудняющей детектирование сигнала вращения - амплитуду первой гармоники частоты модуляции, используют узкополосный фильтр 10.To suppress the signal at the second harmonic of the modulation frequency that occurs during sinusoidal modulation of the phase shift of the counterpropagating waves of the fiber circuit 5 in the signal of the photodetector 7 and significantly complicates the detection of the rotation signal - the amplitude of the first harmonic of the modulation frequency, use a narrow-band filter 10.
Поляризатор 3 обеспечивает поляризационную фильтрацию на входе и выходе волоконного контура 5 для улучшения взаимности оптических путей встречных волн с целью уменьшения сдвигов фаз между ними, не связанных с вращением.Polarizer 3 provides polarization filtering at the input and output of the fiber circuit 5 to improve the reciprocity of the optical paths of the oncoming waves in order to reduce phase shifts between them, not related to rotation.
Пьезокерамический фазовый модулятор 6 используют для повышения чувствительности ВОГ. При его питании переменным напряжением от генератора 12 создается дополнительный сдвиг фаз за счет периодического растяжения участка волоконного контура.Piezoceramic phase modulator 6 is used to increase the sensitivity of VOG. When it is supplied with alternating voltage from the generator 12, an additional phase shift is created due to the periodic extension of the fiber circuit section.
Для апробации предлагаемого изобретения были собраны два варианта ВОГ (ВОГ1 и ВОГ2). Длины отрезков волокна между компонентами у ВОГ1 удовлетворяли условию: Y=3X, Z=9X, где Х=170 мм (~2LD), а у ВОГ2 все длины отрезков между компонентами были примерно одинаковы и равны 200 мм.To test the invention, two VOG variants (VOG1 and VOG2) were assembled. The lengths of the fiber segments between the components in VOG1 satisfy the condition: Y = 3X, Z = 9X, where X = 170 mm (~ 2L D ), and in VOG2 all the lengths of the segments between the components were approximately the same and equal to 200 mm.
При изготовлении ВОГ1 учитывалось, что разброс длин участков X, Y, Z может привести к разбросу разностей фазовых набегов вторичных волн, а следовательно, возможно появление разностных набегов, меньших длины деполяризации излучения в волокне, что в свою очередь приведет к возникновению ложного сигнала (сдвига нуля) ВОП. Для того, чтобы этого гарантированно не произошло, сумма допусков для отрезков X, Y, Z не должна превышать длины деполяризации излучения в волокне. Для длины деполяризации ~10 см получаем оценку для точности определения длин участков волокна X, Y, Z - ~1-2 см. Такая точность определения участков волокна X, Y, Z и была реализована при изготовлении ВОГ1. Длина меньшего отрезка волокна между оптическими компонентами составляла ~ 20 см.In the manufacture of FOG1, it was taken into account that the spread in the lengths of the X, Y, Z sections can lead to a spread in the differences of the phase incursions of the secondary waves, and therefore, difference incursions shorter than the depolarization length of the radiation in the fiber may occur, which in turn will lead to a false signal (shift zero) GP. In order to prevent this from happening, the sum of the tolerances for segments X, Y, Z should not exceed the length of the depolarization of radiation in the fiber. For a depolarization length of ~ 10 cm, we obtain an estimate for the accuracy of determining the lengths of X, Y, Z fiber sections - ~ 1-2 cm. This accuracy of determining the X, Y, Z fiber sections was realized in the manufacture of VOG1. The length of a smaller length of fiber between the optical components was ~ 20 cm.
При измерении дрейфа нуля (изменения выходного сигнала в отсутствии вращения) для ВОГ1 и ВОГ2 в диапазоне температур +20°С…+50°С были получены следующие максимальные значения изменения (дрейфа) нуля: 3°/час - для ВОП, и 25 7 час - для ВОГ2. Таким образом, по сравнению с прототипом дрейф нуля снижен почти в десять раз за счет использования конфигурации ВОГ с предложенным фиксированным соотношением длин отрезков волокна между оптическими компонентами.When measuring zero drift (changes in the output signal in the absence of rotation) for VOG1 and VOG2 in the temperature range + 20 ° С ... + 50 ° С, the following maximum values of zero change (drift) were obtained: 3 ° / hour for VOP, and 25 7 hour - for VOG2. Thus, in comparison with the prototype, zero drift is reduced by almost ten times due to the use of the VOG configuration with the proposed fixed ratio of the lengths of fiber segments between the optical components.
Claims (1)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012147956/28A RU2522147C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Fibre-optic gyroscope |
| EP13855634.5A EP2921821B1 (en) | 2012-11-13 | 2013-10-25 | Fibre optic gyroscope |
| PCT/RU2013/000948 WO2014077735A1 (en) | 2012-11-13 | 2013-10-25 | Fibre optic gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012147956/28A RU2522147C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Fibre-optic gyroscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012147956A RU2012147956A (en) | 2014-05-27 |
| RU2522147C1 true RU2522147C1 (en) | 2014-07-10 |
Family
ID=50774929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012147956/28A RU2522147C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Fibre-optic gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2522147C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626228C1 (en) * | 2016-04-01 | 2017-07-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Method of improving accuracy of fibre-optic gyroscope with closed loop |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993024807A1 (en) * | 1992-05-29 | 1993-12-09 | Honeywell Inc. | Configuration control of mode coupling errors |
| WO1995014907A1 (en) * | 1993-11-24 | 1995-06-01 | Honeywell Inc. | Reduction of optical noise |
| RU2139499C1 (en) * | 1998-03-05 | 1999-10-10 | Логозинский Валерий Николаевич | Fiber-optical gyroscope |
| US6351310B1 (en) * | 1996-04-19 | 2002-02-26 | Kvh Industries, Inc. | Reduced minimum configuration interferometric fiber optic gyroscope with simplified signal processing electronics |
-
2012
- 2012-11-13 RU RU2012147956/28A patent/RU2522147C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993024807A1 (en) * | 1992-05-29 | 1993-12-09 | Honeywell Inc. | Configuration control of mode coupling errors |
| WO1995014907A1 (en) * | 1993-11-24 | 1995-06-01 | Honeywell Inc. | Reduction of optical noise |
| US6351310B1 (en) * | 1996-04-19 | 2002-02-26 | Kvh Industries, Inc. | Reduced minimum configuration interferometric fiber optic gyroscope with simplified signal processing electronics |
| RU2139499C1 (en) * | 1998-03-05 | 1999-10-10 | Логозинский Валерий Николаевич | Fiber-optical gyroscope |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2626228C1 (en) * | 2016-04-01 | 2017-07-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Method of improving accuracy of fibre-optic gyroscope with closed loop |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012147956A (en) | 2014-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2345561C (en) | Fiber-optic current sensor | |
| JPS63317713A (en) | Sagnac type optical fiber interferometer | |
| CN101886925B (en) | Multi-wavelength interference type optical fiber gyro based on carrier modulation | |
| JP2863009B2 (en) | Reduction of Kerr effect error of resonator optical fiber gyroscope | |
| US6014217A (en) | Fiber optic gyroscope scattering error reduction | |
| RU2444704C1 (en) | Fibre-optic gyroscope | |
| US11549812B2 (en) | Compact optical-fibre Sagnac interferometer | |
| CN101261127A (en) | MZ resonance interference principle optical fiber gyro | |
| CN106062506B (en) | Interferometric sensor | |
| JP2015230163A (en) | Optical voltage measurement device | |
| CN104677296A (en) | System for measurement of displacement through self-mixing interference fusion of beat waves and single waves of fiber laser | |
| RU126452U1 (en) | FIBER OPTICAL GYROSCOPE | |
| JP2017015576A (en) | Sagnac interference type optical current sensor and method for processing signal of the same | |
| RU2522147C1 (en) | Fibre-optic gyroscope | |
| WO2014077735A1 (en) | Fibre optic gyroscope | |
| JP2014149190A (en) | Measuring device, measuring method, light source device, and article manufacturing method | |
| CN109579821A (en) | A kind of fibre optic gyroscope based on dual wavelength multiplexing structure | |
| RU2762530C1 (en) | Interferometric fiber-optic gyroscope | |
| RU2764704C1 (en) | Fibre-optic gyroscope | |
| US20150131102A1 (en) | Interferometric measurement system with optical fibre and inertial guidance or navigation system including such an interferometric measurement system | |
| RU2783470C1 (en) | Fibre-optic gyroscope | |
| RU2570096C1 (en) | Method to reject ring resonators of laser gyroscopes | |
| RU2682981C1 (en) | Demodulation method of fiber optic current sensor signal | |
| CN109323690A (en) | A kind of method that the full reciprocity bi-directional light of polarization-maintaining carries microwave resonance system and its detects angular speed | |
| KR20110039808A (en) | Magnetometer using an opto-electronic oscillator |