RU2527141C1 - Method of expanding measurement range of angular velocities of closed feedback loop fibre-optic gyroscope - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method includes performing modulation with amplitude of 0, ±π rad and generating initial phase shift between beams of a fibre ring interferometer (FRI), which is equal to ±π/2 rad, using stepped triangular sawtooth voltage. When changing the Sagnac phase difference by changing the frequency of the stepped sawtooth voltage and changing polarity of connection of electrodes of the phase modulator of the FRI, the phase difference of the beams thereof assumes the following discrete series of values: Φ_s+Ψ_stv=±2(n+1)/2×π rad, where n=0, 1, 2, …, Φ_s is the Sagnac phase difference, and Ψ_stv is the phase difference of the FRI beams by applying a stepped triangular sawtooth voltage across the phase modulator.

EFFECT: wider measurement range of angular velocities of a closed feedback loop fibre-optic gyroscope.

7 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. На выходных канальных волноводах располагается фазовый модулятор оптических лучей, проходящих по канальным волноводам. Фазовый модулятор представляет собой металлические электроды, нанесенные по обе стороны канальных волноводов. При подаче на электроды электрического напряжения за счет электрооптического эффекта в материале канальных волноводов изменяется показатель преломления, что приводит к эффекту фазовой модуляции оптических лучей, распространяющихся по канальным волноводам. К выходным 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. On the output channel waveguides is a phase modulator of optical rays passing through the channel waveguides. The phase modulator is a metal electrode deposited on both sides of the channel waveguides. When an electric voltage is applied to the electrodes due to the electro-optical effect in the material of the channel waveguides, the refractive index changes, which leads to the effect of phase modulation of the optical rays propagating along the channel waveguides. The ends of the optical fibers of the sensitive gyro coil are docked to the output waveguides of the Y-divider.

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 on 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:

Ф_c=[4πRL/λc]×Ω,Φ _c = [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 мощность оптического излучения можно представить в видеThus, the optical radiation power at the photodetector can be represented as

Р_ф=½Р₀(1+cosΩ_c),P _f = ½P ₀ (1 + cosΩ _c ),

где Р₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.where P ₀ is the power of the rays interfering at the photodetector.

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 равно времени пробега световых лучей ВКИ по световоду чувствительной катушки и составляет величинуTo 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 an IOS phase modulator, we use the time delay of the ray fronts interfering on the photodetector while passing through the IOS phase modulator. This time delay is equal to the travel time of the FRI light rays along the fiber of the sensitive coil and is

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

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

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 и вносящих разность фаз между лучами ВКИ в виде импульсной последовательности с амплитудами ±π/2 радиан ±3π/2 радиан, ток фотоприемника можно представить в видеWhen applying voltage pulses to the phase modulator that follow with a frequency of 1 / 2τ and introduce the phase difference between the FRI beams in the form of a pulse sequence with amplitudes ± π / 2 radians ± 3π / 2 radians, the photodetector current can be represented as

I_Ф=½Р₀η_ф(1+cosθ_мcosФ_c+sinθ_мsinФ_c),I _Ф = ½Р ₀ η _ф (1 + cosθ _m cosФ _c + sinθ _m sinФ _c ),

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

θ_м - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.θ _m is the amplitude of the auxiliary phase modulation.

Далее сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя тока фотоприемника, на выходе которого присутствует напряжение, пропорциональное величинеNext, the signal from the photodetector is fed to the input of the photodetector current amplifier, at the output of which there is a voltage proportional to

U=½Р₀η_фR_H(1+cosθ_мcosФ_c+sinθ_мsinФ_c),U = ½P ₀ η _f R _H (1 + cosθ _m cos _{c c} + sinθ _m sin _{c c} ),

где R_н - сопротивление нагрузки усилителя тока фотоприемника.where R _n - load resistance of the current amplifier of the photodetector.

В работе [1] предложен способ линеаризации выходной характеристики ВОГ. На фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка. Работа ВОГ подробно описана в [2]. С помощью пилообразного напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, вносится управляемая разность фаз между лучами ВКИ, с помощью которой осуществляется компенсация разности фаз Санька. С этой целью организуется закрытый контур обратной связи (ВОГ с закрытым контуром обратной связи) по обнулению сигнала на выходе синхронного детектора сигнала вращения гироскопа. Сигнал на выходе синхронного детектора автоматически обнуляется за счет подбора величины ступеньки напряжения ступенчатого пилообразного напряжения (СПН). За счет этого выходная характеристика ВОГ становится линейной. Сигнал на выходе усилителя тока фотоприемника в этом случае можно представить в видеIn [1], a method for linearizing the output characteristic of VOG is proposed. At the same time as the auxiliary phase modulation voltage, a step-like sawtooth voltage is applied to the phase modulator to compensate for the Sagnac phase difference. The work of VOG is described in detail in [2]. Using a sawtooth voltage supplied to the phase modulator, a controlled phase difference between the FRI beams is introduced, with which the Sanka phase difference is compensated. For this purpose, a closed feedback loop (FOG with a closed feedback loop) is organized to reset the signal at the output of the synchronous gyro rotation signal detector. The signal at the output of the synchronous detector is automatically reset by selecting the voltage step value of the step-like sawtooth voltage (SPN). Due to this, the output characteristic of the VOG becomes linear. The signal at the output of the photodetector current amplifier in this case can be represented as

U=½Р₀η_ФR_н[±sinθ_м(Ф_с-Ψ_к)],U = ½P ₀ η _Ф R _n [± sinθ _m (Ф _с -Ψ _к )],

где Ψ_к - регулируемая разность фаз, которая вносится между лучами ВКИ с помощью СПН при подаче его на фазовый модулятор.where Ψ _k is the adjustable phase difference, which is introduced between the FRI beams using the SPN when applying it to the phase modulator.

Для частоты СПН в этом случае справедливо следующее соотношение:For the frequency of SPN in this case, the following relation is true:

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

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

где R - радиус чувствительной катушки, L - длина световода чувствительной катушки, λ - длина волны излучения источника, с - скорость света в вакууме, η - эффективность фазового модулятора, U_п - амплитуда СПН, τ_ст - время пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки, Ω(t) - угловая скорость вращения.where R is the radius of the sensitive coil, L is the fiber length of the sensitive coil, λ is the radiation wavelength of the source, s is the speed of light in vacuum, η is the efficiency of the phase modulator, U _p is the amplitude of the SPN, τ _st is the travel time of the light rays along the sensitive fiber coils, Ω (t) is the angular velocity of rotation.

Масштабный коэффициент ВОГ стабилизируется за счет обеспечения амплитуды СПН, которая при подаче на фазовый модулятор изменяет фазу лучей ВКИ на 2 π радиан. Амплитуда СПН регулируется путем выделения импульса засветки фотоприемника при сбросе напряжения СПН и последующего его обнуления путем регулировки амплитуды СПН. В этом случае для частоты СПН справедливо следующее соотношение:The FOG scale factor is stabilized by providing the amplitude of the SPD, which, when applied to the phase modulator, changes the phase of the FRI beams by 2 π radians. The amplitude of the SPN is regulated by isolating the pulse of illumination of the photodetector when resetting the voltage of the SPN and then resetting it by adjusting the amplitude of the SPN. In this case, for the frequency of SPN the following relation is true:

f_n(t)=[2R/λn]×Ω(t),f _n (t) = [2R / λn] × Ω (t),

где n - показатель преломления материала световода.where n is the refractive index of the fiber material.

Таким образом, масштабный коэффициент ВОГ не зависит от эффективности фазового модулятора, которая имеет большую нестабильность при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. 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 необходимо обеспечить амплитуду СПН, которая вносит между лучами ВКИ разность фаз, равную 2π радиан. Если это условие не выполняется, то при сбросе СПН на фотоприемнике появляется импульс света, который затем усиливается усилителем тока фотоприемника. Затем амплитуда СПН изменяется таким образом, чтобы при сбросе СПН на фотоприемнике импульсы света не возникали [1]. При малых угловых скоростях информация по подстройке амплитуды СПН поступает достаточно редко, так как период СПН зависит от угловой скорости, и поэтому известный способ стабилизации масштабного коэффициента не обеспечивает при малых угловых скоростях необходимой его стабильности.Thus, the FOG scale factor does not depend on the efficiency of the phase modulator, which has great instability when exposed to external destabilizing factors. 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 value, and ultimately stabilize the scale factor, in the information processing scheme with a closed feedback loop, it is necessary to ensure the amplitude of the SPD, which introduces a phase difference between the FRI rays equal to 2π radians. If this condition is not met, then when the SPN is reset, a light pulse appears on the photodetector, which is then amplified by the current amplifier of the photodetector. Then, the amplitude of the SPD is changed so that when pulsing the SPT at the photodetector, light pulses do not occur [1]. At low angular velocities, information on adjusting the amplitude of the SPN is rarely received, since the period of the SPN depends on the angular velocity, and therefore the known method of stabilization of the scale factor does not provide the necessary stability at small angular velocities.

Известен способ стабилизации масштабного коэффициента [3] за счет организации второго контура обратной связи. Для этого с помощью дополнительного второго демодулятора выделяется сигнал рассогласования, который формируется на фотоприемнике при изменении эффективности фазового модулятора ИОС ВКИ. Далее сигнал с выхода второго демодулятора поступает на второй регулятор, который стабилизирует амплитуду вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) с помощью второго регулятора путем изменения напряжения ВФМ. Стабилизация амплитуды ВФМ достигается при нулевом уровне сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора. Сигнал рассогласования является высокочастотным и не зависит от угловой скорости. Таким образом достигается повышение стабильности масштабного коэффициента гироскопа даже при малых угловых скоростях за счет повышения быстродействия второго контура обратной связи. Код амплитуды СПН связан с кодом амплитуды напряжения ВФМ жестким числовым соотношением и поэтому устанавливается автоматически.A known method of stabilization of the scale factor [3] due to the organization of the second feedback loop. To do this, using an additional second demodulator, a mismatch signal is generated, which is generated on the photodetector when the efficiency of the phase modulator of the IOS FRI changes. Next, the signal from the output of the second demodulator enters the second regulator, which stabilizes the amplitude of the auxiliary phase modulation (VFM) using the second regulator by changing the voltage of the VFM. The stabilization of the amplitude of the WFM is achieved at a zero level of the error signal at the output of the second demodulator. The error signal is high-frequency and does not depend on the angular velocity. Thus, an increase in the stability of the scale factor of the gyroscope is achieved even at low angular velocities by increasing the speed of the second feedback loop. The SPN amplitude code is connected to the VFM voltage amplitude code by a hard numerical ratio and therefore is set automatically.

В работе [5] рассматривается использование СПН треугольной формы. При использовании операции переключения полярности электродов фазового модулятора в моменты минимального и максимального значений напряжения (максимальный уровень треугольного СПН при подаче на фазовый модулятор изменяет фазу лучей ВКИ на я радиан) треугольное СНП трансформируется в СПН либо только с возрастающими, либо только с убывающими фронтами и с амплитудой, изменяющей фазу лучей ВКИ на 2π радиан.In [5], the use of triangular-shaped SPNs is considered. When using the operation of switching the polarity of the electrodes of the phase modulator at the times of the minimum and maximum voltage values (the maximum level of a triangular SPN when applied to a phase modulator changes the phase of the FRI rays to the n radian), the triangular SNP is transformed into a SPN either with increasing or only with decreasing fronts and with an amplitude that changes the phase of the FRI rays by 2π radians.

Недостатком известной схемы [1, 2] является наличие у ВОГ зоны нечувствительности, которая определяется электрическими наводками, паразитным интерферометром Майкельсона, возникающим из-за обратных отражений в ИОС [4], и нестабильностью временных параметров напряжения вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ). Нестабильность временных параметров заключается в основном в нестабильности фазы напряжения ВФМ.A disadvantage of the known circuit [1, 2] is the presence of a deadband in the VOG, which is determined by electrical pickups, a spurious Michelson interferometer arising due to back reflections in the IOS [4], and the instability of the time parameters of the auxiliary phase modulation voltage (VFM). The instability of the time parameters lies mainly in the instability of the phase of the voltage of the WFM.

Известен способ устранения зоны нечувствительности ВОГ [4, 6, 7]. ВФМ осуществляется в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудами ±(π+Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ, а n=1, 2, 3, …. Форма напряжения ВФМ такова, что даже при наличии электрических наводок паразитный сигнал на частоте сигнала вращения ВОГ на выходе его демодулятора отсутствует. При модуляции лучей паразитного интерферометра Майкельсона при подаче на модулятор напряжения ВФМ паразитный сигнал на частоте сигнала вращения также не возникает. Но основным фактором отсутствия зоны нечувствительности является формирование напряжения ВФМ со стабильными во времени параметрами. Под неизменными во времени параметрами подразумевается временная стабильность фазы напряжения ВФМ. Но это возможно, если амплитуда СПН такова, что при подаче ее на фазовый модулятор фаза лучей ВКИ изменяется не на 2я радиан. Разность фаз меду лучами ВКИ при сбросе максимального СПН может принимать два значения, а именно $${\Psi }_{п}^1=2\Delta$$

радиан и $${\Psi }_{п}^2=(2\pi -2\Delta )$$

радиан. При использовании СПН с амплитудой $${\Psi }_{п}^1=2\Delta$$

радиан сброс максимального напряжения СПН необходимо производить в течение отрицательного полупериода сигнала вращения при положительной угловой скорости и в течение положительного полупериода сигнала вращения при отрицательной угловой скорости. При использовании этого вида СПН максимальный диапазон компенсации разности фаз Саньяка составляет Δ радиан, что приводит к сужению диапазона измеряемых угловых скоростей по сравнению с ВОГ, предложенным в [1, 2]. Таким образом, при устранении зоны нечувствительности ВОГ происходит сужение диапазона измеряемых угловых скоростей, что является недостатком ВОГ, предложенного в [3, 4]. Максимальный диапазон измеряемых угловых скоростей достигается при Δ=π/2 радиан, при этом амплитуда периодической последовательности импульсов ВФМ составляет ±π/2 радиан и ±3π/2 радиан. Для устранения зоны нечувствительности ВОГ в этом случае величина $${\Psi }_{п}^1=\pi$$

радиан, что не дает возможности обеспечить временную стабильность фазы импульсной последовательности ВФМ. Для устранения этого недостатка используется СПН треугольной формы с амплитудой $${\Psi }_{п}^1=\pi /2$$

радиан, при этом необходимо использовать смену полярности подключения электродов фазового модулятора. Но даже в этом случае максимальный диапазон компенсируемой разности фаз Саньяка Ф_с составляет величину ±π/4 радиан [5].A known method of eliminating the dead zone of VOG [4, 6, 7]. The WFM is carried out in the form of a periodic sequence of rectangular pulses with amplitudes ± (π + Δ) radians and ± (π + Δ) radians, where Δ = π / 2 ⁿ and n = 1, 2, 3, .... The voltage waveform of the VFM is such that even if there is electrical interference, there is no spurious signal at the frequency of the VOG rotation signal at the output of its demodulator. When the rays of the parasitic Michelson interferometer are modulated when a WFM voltage is applied to the modulator, a parasitic signal also does not occur at the frequency of the rotation signal. But the main factor in the absence of a dead zone is the formation of a WFM voltage with time-stable parameters. By parameters that are constant over time are meant the temporary stability of the phase of the WFM voltage. But this is possible if the amplitude of the SPN is such that when it is applied to the phase modulator, the phase of the FRI rays does not change by the 2nd radian. The phase difference between the FRI rays when resetting the maximum SPN can take two values, namely $${\Psi }_P^{\mathrm{one}}=2\Delta$$

radian and $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\Psi \; P"\; filenames="00000013.png,00000014.png"\; state="\{\{state\}\}">\Psi \; </figure-callout>}}_P^{}=(2\pi -2\Delta )$$

radian. When using SPN with amplitude $${\Psi }_P^{\mathrm{one}}=2\Delta$$

radians, the reset of the maximum voltage of the SPN must be performed during the negative half-cycle of the rotation signal at a positive angular velocity and during the positive half-cycle of the rotation signal at a negative angular velocity. When using this type of SPN, the maximum compensation range for the Sagnac phase difference is Δ radian, which leads to a narrowing of the range of measured angular velocities in comparison with the FOG proposed in [1, 2]. Thus, when the VOG deadband is eliminated, the range of measured angular velocities narrows, which is a drawback of the VOG proposed in [3, 4]. The maximum range of measured angular velocities is achieved at Δ = π / 2 radians, while the amplitude of the periodic sequence of WFM pulses is ± π / 2 radians and ± 3π / 2 radians. To eliminate the dead zone of VOG in this case, the value $${\Psi }_P^{\mathrm{one}}=\pi$$

radian, which makes it impossible to provide temporary phase stability of the pulse sequence of the WFM. To eliminate this drawback, a triangular-shaped SPN with amplitude $${\Psi }_P^{\mathrm{one}}=\pi /2$$

radian, it is necessary to use a change in the polarity of the electrodes of the phase modulator. But even in this case, the maximum range of the compensated phase difference Sagnac Ф _с is ± π / 4 radians [5].

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона измеряемых угловых скоростей ВОГ, у которого устранена зона нечувствительности.The aim of the present invention is to expand the range of measured angular velocities of the VOG, which eliminated the dead zone.

Указанная цель достигается тем, что разность фаз между лучами кольцевого интерферометра модулируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со стабильной во времени фазой и с амплитудами импульсов 0, ±π радиан, при этом обеспечивают путем изменения частоты треугольного ступенчатого пилообразного напряжения выполнение для суммарной разности фаз лучей ВКИ равенство Ф_с+Ψ_спн=±2(n+1)/2×π радиан, где n=0, 1, 2 …, Ψ_спн - разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, вносимая при подаче на его фазовый модулятор треугольного ступенчатого напряжения.This goal is achieved by the fact that the phase difference between the beams of the ring interferometer is modulated in the form of a periodic sequence of rectangular pulses with a phase stable in time and with pulse amplitudes of 0, ± π radians, while ensuring the total difference of the phases of the rays by changing the frequency of the triangular step-like sawtooth voltage FRI equality _with F + Ψ _SPN = ± 2 (n + 1) / 2 × π radians, where n = 0, 1, 2, ..., Ψ _SPN - the phase difference between the beams of a ring interferometer, with the feed introduced on its phase modulator treug ceiling elements stepwise voltage.

Расширение диапазона измерения угловых скоростей достигается за счет использования модуляции с амплитудой 0, ±π радиан и формирования начального фазового сдвига между лучами ВКИ, равного ±π/2 радиан, с помощью ступенчатого пилообразного напряжения (СПН) треугольной формы. При изменении разности фаз Саньяка путем изменения частоты СПН и смены полярности подключения электродов фазового модулятора волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) разность фаз его лучей принимает следующий дискретный ряд значений: Ф_с+Ψ_спн=±2(n+1)/2×π с (радиан), где n=0, 1, 2, …, Ф_с - разность фаз Саньяка, а Ψ_спн=разность фаз лучей ВКИ за счет подачи на фазовый модулятор СНП треугольной формы.The extension of the angular velocity measurement range is achieved through the use of modulation with an amplitude of 0, ± π radians and the formation of an initial phase shift between the FRI beams equal to ± π / 2 radians using a triangular sawtooth voltage (SPS) of a triangular shape. When changing the Sagnac phase difference by changing the frequency of the SPN and changing the polarity of the electrodes of the phase modulator of the fiber ring interferometer (FRI), the phase difference of its rays takes the following discrete series of values: Ф _s + Ψ _spn = ± 2 (n + 1) / 2 × π s (radian), where n = 0, 1, 2, ..., Ф _с is the Sagnac phase difference, and Ψ _spn = the phase difference of the FRI rays due to the supply of a triangular shape to the phase modulator of the SIC.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа с закрытыми контурами обратной связи. На Фиг.2 показано напряжение ВФМ и разность фаз лучей ВКИ. На Фиг.3 показано СПН треугольной формы для формирования разности фаз лучей ВКИ ±π/2 радиан. На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения на фотоприемнике. На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования на фотоприемнике. На Фиг.6 показано формирование сигнала паразитного интерферометра Майкельсона на фотоприемнике. На Фиг.7 показано изменение фазы лучей ВКИ для приведения рабочей точки ВОГ в точки с разностью фаз лучей (2n+1)π/2 радиан.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the structural diagram of a fiber optic gyroscope with closed feedback loops. Figure 2 shows the voltage of the WFM and the phase difference of the FRI rays. Figure 3 shows the triangular shape SPN for the formation of the phase difference of the FRI rays ± π / 2 radians. Figure 4 shows the formation of the rotation signal at the photodetector. Figure 5 shows the formation of the error signal at the photodetector. Figure 6 shows the signal generation of the spurious Michelson interferometer at the photodetector. Figure 7 shows the phase change of the FRI rays to bring the FOG operating point to points with the phase difference of the rays (2n + 1) π / 2 radians.

ВКИ ВОГ содержит источник оптического излучения 1 (Фиг.1) с малой длиной когерентности, делитель оптических лучей 2, ИОС 3, волоконную чувствительную катушку 4 и фотоприемник 5. ИОС содержит Y-разветвитель оптических лучей и два фазовых модулятора, сформированных на выходных плечах Y-делителя с помощью нанесения на подложку металлических электродов. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ИОС из ниобата лития по протонно-обменной технологии и поэтому обладают поляризующими свойствами. Таким образом, ИОС представляет собой многофункциональный элемент, содержащий в своем составе поляризатор, делитель оптических лучей и два фазовых модулятора. Луч света после делителя оптических лучей поступает на вход ИОС и делится Y-делителем на два луча, которые проходят чувствительную катушку по и против часовой стрелки и снова объединяются Y-делителем в один луч, который через делитель оптических лучей попадает на площадку фотоприемника. Мощность оптического излучения на фотоприемнике можно представить в следующем виде:The FRI VOG contains an optical radiation source 1 (FIG. 1) with a short coherence length, an optical beam splitter 2, an IOS 3, a fiber sensitive coil 4, and a photodetector 5. The IOS contains a Y-splitter of optical rays and two phase modulators formed on the output arms Y -divider by applying metal electrodes to the substrate. Channel waveguides of the Y-divider are formed in the IOS substrate from lithium niobate using the proton-exchange technology and therefore have polarizing properties. Thus, the IOS is a multifunctional element containing a polarizer, an optical beam splitter and two phase modulators. The light beam after the optical beam divider enters the IOS input and is divided into two beams by the Y-divider, which pass the sensing coil clockwise and counterclockwise and are again combined by the Y-divider into one beam, which, through the optical beams divider, enters the photodetector area. The optical radiation power at the photodetector can be represented as follows:

Р_ф=½Р₀[1+соsФ_с].P _Φ = ½P ₀ [1 + cos Φ _c ].

Далее сигнал поступает на вход усилителя тока фотоприемника 6 и далее на один из двух входов дифференциального усилителя 7. На второй его вход поступает сигнал с фильтра низкой частоты (интегратора) 8, который на выходе дифференциального усилителя устраняет постоянную составляющую сигнала на фотоприемнике с целью обеспечения большого усиления переменной составляющей сигнала на фотоприемнике. Далее сигнал с выхода дифференциального усилителя поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9 и далее на вход платы цифровой обработки информации 10. Сигнал после АЦП поступает на вход синхронного детектора (демодулятора) сигнала вращения ВОГ 11, далее сигнал с выхода демодулятора поступает на вход регулятора 12 величины ступеньки напряжения СПН. Управляющий сигнал с регулятора поступает на вход генератора треугольного СПН 13. Сигнал после АЦП поступает также на второй демодулятор 14 сигнала рассогласования, после которого он поступает на вход второго регулятора15. Второй регулятор управляет величиной амплитуды напряжения ВФМ, которое формируется генератором 16. Напряжение с генератора напряжения ВФМ и СПН поступают на вход сумматора 17, после которого суммарное напряжение поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 18 и далее через масштабирующий операционный усилитель 19 на электроды фазовых модуляторов ИОС. Демодулятор сигнала вращения гироскопа, первый регулятор напряжения ступеньки СПН, генератор СНП входят в состав первого контура обратной связи ВОГ по занулению сигнала вращения на выходе его демодулятора путем автоматического подбора ступеньки СПН с помощью регулятора. Сигнал на входе демодулятора сигнала вращения можно представить в видеNext, the signal is fed to the input of the current amplifier of the photodetector 6 and then to one of the two inputs of the differential amplifier 7. At its second input, a signal is received from a low-pass filter (integrator) 8, which eliminates the constant component of the signal at the photodetector at the output of the differential amplifier to ensure large gaining the variable component of the signal at the photodetector. Next, the signal from the output of the differential amplifier goes to the input of an analog-to-digital converter (ADC) 9 and then to the input of the digital information processing board 10. The signal after the ADC goes to the input of the synchronous detector (demodulator) of the VOG 11 rotation signal, then the signal from the output of the demodulator goes to input of the regulator 12 magnitude of the voltage step SPN. The control signal from the controller is fed to the input of the triangular SPN generator 13. The signal after the ADC is also fed to the second mismatch signal demodulator 14, after which it is fed to the input of the second controller15. The second regulator controls the magnitude of the amplitude of the VFM voltage, which is generated by the generator 16. The voltage from the voltage generator of the VFM and SPN is fed to the input of the adder 17, after which the total voltage is fed to the input of the digital-to-analog converter (DAC) 18 and then through the scaling operational amplifier 19 to the electrodes of the phase modulators IOS. The gyroscope rotation signal demodulator, the first voltage regulator of the SPN step, the SPS generator are part of the first VOG feedback loop for the rotation signal to be zero at the output of its demodulator by automatically selecting the SPN step using the regulator. The signal at the input of the rotation signal demodulator can be represented as

$${\text{U}}_{\text{д}}^{\text{1}}==\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.P_o{\eta }_{ф}{G}_0[1+\cos {\theta }_{м}+\sin {\theta }_{м}+\sin ({Ф}_{с}-{\Psi }_{спн})]$$

$${\text{U}}_{\text{d}}^{\text{one}}==\raisebox{1ex}{$\mathrm{one}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.P_o{\eta }_f{G}_0[\mathrm{one}+\cos {\theta }_m+\sin {\theta }_m+\sin (F_{\mathrm{from}}-{\Psi }_{\mathrm{from}Pn})]$$

где G₀ - коэффициент усиления тока фотоприемника.where G ₀ is the gain of the photodetector current.

Код напряжение ступеньки СПН является выходной информацией ВОГ. С помощью первого контура обратной связи реализуется компенсационный метод считывания разности фаз лучей ВКИ, который позволяет линеаризовать выходную характеристику ВОГ.The voltage code of the SPN step is the output of the VOG. Using the first feedback loop, a compensation method is implemented for reading the phase difference of the FRI rays, which allows linearizing the output characteristic of the FOG.

Демодулятор сигнала рассогласования, второй регулятор амплитуды напряжения ВФМ и генератор напряжения ВФМ входят в состав второго контура обратной связи, который обеспечивает обнуление сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора путем изменения с помощью регулятора амплитуды напряжения ВФМ. С помощью второго контура обратной связи стабилизируется амплитуда ВФМ и, как следствие, также и амплитуда СПН. Таким образом, с помощью второго контура обратной связи достигается повышение стабильности масштабного коэффициента ВОГ.The mismatch signal demodulator, the second VFM voltage amplitude regulator and the VFM voltage generator are part of the second feedback loop, which provides zeroing the mismatch signal at the output of the second demodulator by changing the VFM voltage amplitude using the regulator. Using the second feedback loop, the amplitude of the WFM is stabilized, and, as a consequence, the amplitude of the SPN as well. Thus, using the second feedback loop, an increase in the stability of the FOG scale factor is achieved.

На Фиг.2 показано напряжение ВФМ 20 и разность фаз между лучами ВКИ 21. Период следования импульсов напряжения составляет 4τ, где τ - время, равное времени пробега световых волн по чувствительной катушке ВКИ. Разность фаз лучей ВКИ при ВФМ представляет собой периодическую последовательность импульсов с амплитудами 0, ±π радиан и постоянной во времени фазой.Figure 2 shows the voltage of the VFM 20 and the phase difference between the beams of the FRI 21. The period of the voltage pulses is 4τ, where τ is the time equal to the travel time of the light waves along the sensitive coil of the FRI. The phase difference of the FRI rays during WFM is a periodic sequence of pulses with amplitudes of 0, ± π radians and a phase constant in time.

На Фиг.3 показано СНП треугольной формы для формирования разности фаз лучей ВКИ ±π/2 радиан. Напряжение 24 имеет амплитуду, при подаче которого на фазовый модулятор ИОС между лучами ВКИ вносится разность фаз π/2 радиан. Если в моменты времени 22, 23 (напряжение имеет максимальное значение) изменять полярность подключения электродов фазового модулятора ИОС, а в моменты времени 24 (напряжение имеет минимальное значение) восстанавливать полярность подключения электродов, то изменение разности фаз лучей кольцевого интерферометра будет происходить по закону, показанному кривой 25. Это связано с тем, что при изменении направления напряженности электрического поля в канальном волноводе фазового модулятора, что связано с изменением полярности подключения его электродов, сдвиг фазы луча меняет свой знак. Таким образом, с помощью приведенного выше СПН и операции смены полярности подключения электродов между лучами ВКИ вносится постоянный сдвиг разности фаз, равный π/2 радиан. При изменении полярности подключения электродов фазового модулятора МОС в моменты времени, когда амплитуда СПН имеет минимальное значение, восстановление полярности подключения электродов, когда амплитуда СПН имеет максимальное значение, закон изменения фазы лучей ВКИ имеет вид 26. При этом между лучами ВКИ вносится постоянный сдвиг фаз, равный -π/2 радиан.Figure 3 shows the triangular-shaped SNP for the formation of the phase difference of the FRI rays ± π / 2 radians. The voltage 24 has an amplitude, upon supply of which a phase difference π / 2 radians is introduced between the FRI beams on the IOS phase modulator. If, at time moments 22, 23 (voltage has a maximum value), the polarity of the connection of the electrodes of the IOS phase modulator is changed, and at time 24 (voltage has a minimum value), the polarity of the connection of the electrodes is restored, then the phase difference of the rays of the ring interferometer will change according to the law shown curve 25. This is due to the fact that when changing the direction of the electric field in the channel waveguide of the phase modulator, which is associated with a change in the polarity of the connection of its electric electrodes, the phase shift of the beam changes its sign. Thus, using the above SPN and the operation of changing the polarity of connecting the electrodes between the FRI beams, a constant shift of the phase difference equal to π / 2 radians is introduced. When changing the polarity of connecting the electrodes of the MOS phase modulator at times when the amplitude of the SPD has a minimum value, restoring the polarity of connecting the electrodes when the amplitude of the SPV has the maximum value, the law of phase change of the FRI rays looks like 26. In this case, a constant phase shift is introduced between the FRI beams, equal to -π / 2 radians.

На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения на фотоприемнике. Сигнал формируется при наложении на кривую косинуса 27 разности фаз лучей ВКИ, вносимой с помощью подачи на фазовый модулятор ИОС напряжения ВФМ и СПН треугольной формы, которое вносит постоянный сдвиг разности фаз, равный π/2 радиан. Разность фаз Саньяка показана пунктирной линией 28. В результате на фотоприемнике формируется сигнал вращения 29. Таким образом, сигнал на входе демодулятора сигнала вращения можно представить в видеFigure 4 shows the formation of the rotation signal at the photodetector. The signal is generated when the phase difference of the FRI rays is applied to the cosine curve 27, introduced by applying a triangular wave voltage to the phase-modulated IOS modulator, which introduces a constant phase difference shift equal to π / 2 radians. The Sagnac phase difference is shown by dashed line 28. As a result, a rotation signal 29 is generated on the photodetector. Thus, the signal at the input of the rotation signal demodulator can be represented as

$${\text{U}}_{\text{д}}^{\text{1}}==\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.P_o{\eta }_{ф}{G}_0[1\pm \sin {Ф}_{с}]$$

$${\text{U}}_{\text{d}}^{\text{one}}==\raisebox{1ex}{$\mathrm{one}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.P_o{\eta }_f{G}_0[\mathrm{one}\pm \sin F_{\mathrm{from}}]$$

Стабильность начального смещения разности фаз лучей ВКИ π/2 радиан обеспечивается за счет работы второго контура обратной связи.The stability of the initial shift of the phase difference of the FRI rays π / 2 radians is ensured by the operation of the second feedback loop.

На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования на фотоприемнике. Пунктирной линией 30 показано изменение эффективности фазовых модуляторов ИОС, при этом на фотоприемнике формируется сигнал рассогласования 31. При отсутствии вращения сигнал рассогласования на входе второго демодулятора условно можно представить в видеFigure 5 shows the formation of the error signal at the photodetector. The dashed line 30 shows the change in the efficiency of the phase modulators of the IOS, and a mismatch signal 31 is generated on the photodetector. In the absence of rotation, the mismatch signal at the input of the second demodulator can be conditionally represented as

$${\text{U}}_{\text{д}}^{\text{2}}==\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.P_o{\eta }_{ф}{G}_0[1\pm \sin (U_{\pi }\Delta \eta ]$$

$${\text{<figure-callout id="2" label="U d" filenames="00000013.png,00000014.png" state="{{state}}">U </figure-callout>}}_{\text{d}}^{}==\raisebox{1ex}{$\mathrm{one}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.P_o{\eta }_f{G}_0[\mathrm{one}\pm \sin (U_{\pi }\Delta \eta ]$$

где Δη - изменение эффективности фазовых модуляторов ИОС, U_π - напряжение, при подаче которого на электроды фазовых модуляторов ИОС фаза оптических лучей изменяется на π радиан. Как можно видеть, при детектировании сигнала вращения ошибка из-за влияния сигнала рассогласования отсутствует и, наоборот, детектирование сигнала рассогласования не содержит ошибки из-за влияния сигнала вращения.where Δη is the change in the efficiency of the IOS phase modulators, U _π is the voltage when applying to the electrodes of the IOS phase modulators the phase of the optical rays changes to π radian. As you can see, when detecting a rotation signal, there is no error due to the influence of the error signal, and, conversely, detection of the error signal does not contain errors due to the influence of the rotation signal.

В известных ВОГ [1, 2] отмечается существование зоны нечувствительности. Как отмечалось ранее, помимо нестабильности фазы напряжения ВФМ она может возникать и из-за электрических наводок от напряжения ВФМ, подаваемого на электроды фазовых модуляторов ИОС, и от существования паразитного интерферометра Майкельсона. Напряжение ВФМ имеет такую форму, что при детектировании на частоте сигналов вращения и рассогласования ошибок в демодуляции эти сигналы не возникают. In the well-known FOGs [1, 2], the existence of a dead zone is noted. As noted earlier, in addition to the instability of the WFM voltage phase, it can also arise due to electrical pickups from the WFM voltage supplied to the electrodes of the IOS phase modulators and from the existence of a spurious Michelson interferometer. The voltage of the VFM has such a shape that when signals are detected at the frequency of rotation signals and the error mismatch in demodulation, these signals do not occur.

На Фиг.6 показано формирование сигнала паразитного интерферометра Майкельсона на фотоприемнике. Паразитный интерферометр Майкельсона возникает из-за обратных отражений излучения в канальных волноводах фазовых модуляторов ИОС. При использовании предлагаемого напряжения ВФМ сигнал паразитного интерферометра имеет вид 32 и при детектировании этого сигнала на частоте сигнала вращения, а также на частоте сигнала рассогласования он обращается в нуль и зона нечувствительности ВОГ не возникает.Figure 6 shows the signal generation of the spurious Michelson interferometer at the photodetector. The Michelson spurious interferometer arises from the back reflections of radiation in the channel waveguides of the phase modulators of the IOS. Using the proposed WFM voltage, the signal of the parasitic interferometer has the form 32, and when this signal is detected at the frequency of the rotation signal, as well as at the frequency of the mismatch signal, it vanishes and the FOG deadband does not occur.

На Фиг.7 показано изменение фазы лучей ВКИ для приведения рабочей точки ВОГ в точки с суммарной разностью фаз лучей ВКИ (2n+1)×π/2 радиан. В этих точках, как было показано выше на выходе демодулятора сигнала вращения, он имеет нулевое значение, что позволяет реализовать компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка. Например, при нарастании положительной угловой скорости разность фаз Саньяка начинает возрастать. В этом случае автоматически изменяется частота треугольного СПН 33 с максимального своего значения до минимального. Максимальное значение частоты треугольного СПН составляет величину 1/4τ, а минимальное определяется емкостью программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Далее выбирается соответствующий режим изменения полярности подключения электродов для того чтобы внести между лучами ВКИ положительную разность фаз с целью приведения суммарной разности фаз, т.е.разности фаз Саньяка и разности фаз, вносимой СПН к разности фаз лучей, равной π/2 радиан. При Ф_с=π/2 радиан частота пилы имеет минимально возможное значение. При превышении разности фаз Саньяка Ф_с≥π/2 радиан режим переключения полярности электродов изменяется таким образом, чтобы наклон пилообразного закона изменения фазы лучей ВКИ изменился на противоположный 34, 35 и частота СПН начала возрастать, при этом разность фаз за счет СПН имеет отрицательное значение. При максимальном значении частоты СПН разность фаз Саньяка Ф_с=π радиан. При дальнейшем увеличении разности фаз Саньяка вновь изменяется режим переключения полярности электродов, но СПН имеет при этом максимальную частоту. Это дает возможность перевести рабочую точку ВОГ в точку с суммарной разностью фаз лучей ВКИ, равной 3π/2 радиан. Далее процесс изменения частоты треугольного СПН подобен тому, как изменялась разность фаз Саньяка в диапазоне от 0 до π радиан. При использовании рабочей точки 3π/2 радиан измеряется компенсационным методом изменение разности фаз Саньяка в диапазоне от π до 2π радиан. Таким образом, при использовании рабочих точек с суммарной разностью фаз лучей ВКИ ±(2π+1)×π/2 радиан обеспечивается измерение угловых скоростей в большом диапазоне, который фактически ограничивается только длиной когерентности источника излучения.Figure 7 shows the phase change of the FRI rays to bring the FOG operating point to points with the total phase difference of the FRI rays (2n + 1) × π / 2 radians. At these points, as was shown above at the output of the demodulator of the rotation signal, it has a zero value, which makes it possible to implement the compensation method of reading the Sagnac phase difference. For example, as the positive angular velocity increases, the Sagnac phase difference begins to increase. In this case, the frequency of the triangular SPN 33 automatically changes from its maximum value to the minimum. The maximum value of the frequency of a triangular SPN is 1 / 4τ, and the minimum is determined by the capacity of the programmable logic integrated circuit (FPGA). Next, the corresponding mode of changing the polarity of the connection of the electrodes is selected in order to introduce a positive phase difference between the FRI beams in order to bring the total phase difference, i.e., the Sagnac phase difference and the phase difference introduced by the SPD to the phase difference of the rays equal to π / 2 radians. With Ф _с = π / 2 radians, the saw frequency has the lowest possible value. When exceeding the Sagnac phase difference F _with ≥π / 2 radians electrode polarity switching mode is changed so that the slope of the sawtooth law FRI ray phase change changed to the other 34, 35 and SPN frequency began to increase, and the phase difference due to the SPN is negative . At the maximum value of the SPN frequency, the Sagnac phase difference Φ _s = π radians. With a further increase in the Sagnac phase difference, the mode of switching the polarity of the electrodes again changes, but the SPN at the same time has a maximum frequency. This makes it possible to translate the VOG working point to a point with a total phase difference of FRI rays equal to 3π / 2 radians. Further, the process of changing the frequency of a triangular SPN is similar to how the Sagnac phase difference changed in the range from 0 to π radians. When using an operating point of 3π / 2 radians, the compensation method changes the Sagnac phase difference in the range from π to 2π radians. Thus, when operating points with a total phase difference of FRI rays of ± (2π + 1) × π / 2 radians are used, angular velocities are measured in a wide range, which is actually limited only by the coherence length of the radiation source.

Claims (1)

Способ расширения диапазона измеряемых угловых скоростей в волоконно-оптическом гироскопе с закрытыми контурами обратной связи, в котором используется напряжение вспомогательной фазовой модуляции со стабильными во времени параметрами, а также для компенсации разности фаз Саньяка Ф_с ступенчатое пилообразное напряжение треугольной формы с длительностью каждой ступеньки, равной времени пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа, и с амплитудой напряжения, при подаче которого на фазовый модулятор кольцевого интерферометра фаза лучей, распространяющихся по чувствительной катушке, изменяется на π радиан, при этом осуществляется смена полярности подключения электродов фазового модулятора, отличающийся тем, что разность фаз между лучами кольцевого интерферометра модулируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со стабильной во времени фазой и с амплитудами импульсов 0, ±π радиан, при этом обеспечивают путем изменения частоты треугольного ступенчатого пилообразного напряжения выполнение для суммарной разности фаз лучей волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) равенство Ф_с+Ψ_спн=±2(n+1)/2×π радиан, где n=0,1,2…, Ψ_спн - разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, вносимая при подаче на его фазовый модулятор треугольного ступенчатого напряжения. A method of expanding the range of measured angular velocities in a fiber-optic gyroscope with closed feedback loops, in which the auxiliary phase modulation voltage with time-stable parameters is used, as well as to compensate for the Sagnac Ф phase difference _{with a} triangular sawtooth voltage _{with a} step length of each step equal to the travel time of light rays through the fiber of the sensitive coil of the ring interferometer of a fiber-optic gyroscope, and with a voltage amplitude, and applying it to the phase modulator of the ring interferometer, the phase of the rays propagating through the sensitive coil changes by π radian, and the polarity of the electrodes of the phase modulator is changed, characterized in that the phase difference between the rays of the ring interferometer is modulated in the form of a periodic sequence of rectangular pulses with a stable in time phase and with pulse amplitudes of 0, ± π radians, while providing by changing the frequency of a triangular step sawtooth voltage of execution for the total phase difference beams fiber ring interferometer (FRI) _with the equality F + Ψ _SPN = ± 2 (n + 1) / 2 × π radians, where n = 0,1,2 ..., Ψ _SPN - the phase difference between rays of the ring interferometer introduced when a triangular step voltage is applied to its phase modulator.

Images