RU2793727C1 - Angular rate sensor - Google Patents

Abstract

FIELD: optical measurements.

SUBSTANCE: fiber-optic devices for measuring angular rate using sensors with the Sagnac effect. The fiber-optic angular rate sensor contains a laser radiation source, a sensitive element with two inputs/outputs, and a signal processing unit with two photodetectors. Each input/output assembly is connected to a radiation source and its own photodetector. In this case, the sensitive element is implemented as two counter-directional Sagnac interferometers, each of which operates on the basis of the same two fiber-optic coils, closed to each other, wound in series at least partially around a common axis.

EFFECT: accuracy of measuring the angular rate by compensating for the drift of the fiber-optic sensing element.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно, к волоконно-оптическим устройствам для измерения угловой скорости с использованием эффекта Саньяка.The invention relates to the field of optical measurements, namely, to fiber-optic devices for measuring angular velocity using the Sagnac effect.

Измерение угловой скорости традиционно производится датчиками угловой скорости (ДУС) разного типа гироскопов, в том числе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), в котором чувствительным элементом (ЧЭ) является интерферометр Саньяка (ИС).Measurement of angular velocity is traditionally performed by angular velocity sensors (ARS) of various types of gyroscopes, including fiber-optic gyroscopes (FOG), in which the sensitive element (SE) is a Sagnac interferometer (IS).

Из достигнутого технического уровня известна конструкция волоконно-оптического гироскопа на основе «минимальной» схемы интерферометра Саньяка, содержащий волоконно-оптический контур (ВОК) и узел интерференции. Обладая хорошей чувствительностью ДУС ВОГ в то же время имеет постоянный случайный дрейф угловой скорости, который снижает точность измерения. Это особенно актуально для навигации при длительном непрерывном периоде эксплуатации ВОГ, а также в верхних и нижних широтах Земли.From the achieved technical level, the design of a fiber-optic gyroscope based on the "minimal" Sagnac interferometer circuit, containing a fiber-optic circuit (FOC) and an interference node, is known. Having good sensitivity of the FOG CRS, at the same time it has a constant random drift of the angular velocity, which reduces the measurement accuracy. This is especially important for navigation during a long continuous period of FOG operation, as well as in the upper and lower latitudes of the Earth.

Технической проблемой является устранение вышеуказанного недостатка и создание устройства ВОГ с эффективной компенсацией дрейфа. Технический результат заключается в повышении точности измерения угловой скорости ДУС ВОГ.The technical problem is to eliminate the above disadvantage and create a FOG device with effective drift compensation. The technical result consists in increasing the accuracy of measuring the angular velocity of the FOG VRS.

Из уровня техники известен способ определения угловой скорости и компенсации дрейфа гироскопа, в том числе ВОГ, на основе двойного гирокомпассирования [Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы: Учеб. для вузов по спец. "Гироскоп. приборы и устройства"/Д.С. Пельпор, И.А. Михалев, В.А. Бауман.; Под ред. Д.С. Пельпора. - М: Высш. шк., 1988]. В этом случае измеряется угловая скорость в исходном положении, затем производится разворот устройства на 180° в пространстве и снова измеряется угловая скорость. Способ основан на том, что дрейф в ИС, зависит от пространственной ориентации ВОГ и меняет знак при повороте на 180°, а составляющая угловой скорости, измеряемая по вектору угловой скорости вращения Земли при развороте устройства на 180°, не изменяет знак на противоположный. Это используется для определения и компенсации дрейфа.The prior art method for determining the angular velocity and compensating for the drift of the gyroscope, including FOG, based on double gyrocompass [Gyroscopic systems. Gyroscopic devices and systems: Proc. for universities on special "Gyroscope. instruments and devices" / D.S. Pelpor, I.A. Mikhalev, V.A. Bauman; Ed. D.S. Pelpore. - M: Higher. school, 1988]. In this case, the angular velocity is measured in the initial position, then the device is rotated 180° in space, and the angular velocity is measured again. The method is based on the fact that the drift in the IS depends on the spatial orientation of the FOG and changes sign when turning by 180°, and the component of the angular velocity, measured by the vector of the angular velocity of the Earth's rotation when the device is turned by 180°, does not change sign to the opposite. This is used to detect and compensate for drift.

Основными недостатками известного метода являются необходимость разворота устройства на 180°, а также невозможность компенсировать дрейф непрерывно в процессе эксплуатации гироскопа. Кроме того, дрейф измеряется в разные моменты времени и может быть определен только в определенный период времени, что снижает степень точности выходных данных.The main disadvantages of the known method are the need to rotate the device by 180°, as well as the inability to compensate for drift continuously during the operation of the gyroscope. In addition, drift is measured at different points in time and can only be determined in a certain period of time, which reduces the degree of accuracy of the output data.

Близким техническим решением является патент US 8422021 В2 (опубликован 15.10.2010 г.) в котором дрейф компенсируется за счет переключения полярности модулирующего сигнала, подаваемого на фазовый модулятор и последующим вычитанием измеренных двух значений угловой скорости друг из друга. Недостатками данного решения являются необходимость переключения полярности модулирующего напряжения, что вносит дополнительные искажения в измеряемую угловую скорость, а измерение дрейфа и угловой скорости происходит в разные моменты времени, что снижает точность измерения.A related technical solution is US 8422021 B2 (published 10/15/2010) in which the drift is compensated by switching the polarity of the modulating signal applied to the phase modulator and then subtracting the measured two values of the angular velocity from each other. The disadvantages of this solution are the need to switch the polarity of the modulating voltage, which introduces additional distortions in the measured angular velocity, and the drift and angular velocity are measured at different times, which reduces the measurement accuracy.

Также близким решением является патент US 2016/0025494 А1 (опубликован 28 января 2016 года). В нем волоконный контур Саньяка замкнут с помощью двух оптических делителей 1×2 (один вход два выхода), что формирует волоконно-оптический резонатор, и обеспечивает увеличение чувствительности за счет неоднократного прохождения луча по контуру. При использовании в данном решении оптической схемы с двумя оптическими контурами, уровни оптической мощности в контурах значительно отличаются друг от друга, поскольку лучи проходят через включенные между ними делители и при последовательном соединении волоконно-оптических катушек дрейф невозможно эффективно скомпенсировать так как метод двойного гирокомпассирования в данной конструкции применить невозможно.Also a close solution is US 2016/0025494 A1 (published January 28, 2016). In it, the Sagnac fiber circuit is closed using two 1 × 2 optical splitters (one input two outputs), which forms a fiber optic resonator and provides an increase in sensitivity due to the repeated passage of the beam along the circuit. When using an optical scheme with two optical circuits in this solution, the optical power levels in the circuits differ significantly from each other, since the beams pass through the dividers included between them, and when the fiber-optic coils are connected in series, the drift cannot be effectively compensated, since the double gyrocompassing method in this structures cannot be used.

В части устройства поставленная проблема снижения дрейфа ДУС решается, а технический результат достигается тем, что в ДУС ВОГ за счет использования двух узлов интерференции с двумя входами/выходами и двух оптических катушек (ОК), замкнутых между собой с каждой стороны с помощью двух делителей (ОД) 2×2 (два входа два выхода) сформированы два противонаправленных в пространстве ИС, которые работают одновременно и постоянно без переключений в одном волоконно-оптическом контуре (ВОК).As part of the device, the problem of reducing the drift of the CRS is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the CRS FOG due to the use of two interference nodes with two inputs / outputs and two optical coils (OC), closed to each other on each side using two dividers ( OD) 2 × 2 (two inputs two outputs) two ICs opposite in space are formed, which operate simultaneously and constantly without switching in one fiber-optic circuit (FOC).

На Фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого ДУС. На схеме для пояснения принципа работы ОК показаны раздельно. Стрелками показано направление намотки оптоволокна двух ОК.On FIG. 1 shows the optical scheme of the proposed TLS. In the diagram, to explain the principle of operation, OK are shown separately. The arrows show the direction of winding the optical fiber of two OKs.

Предлагаемый волоконно-оптический ДУС состоит из источника 1 когерентного лазерного излучения (ИИ) с двумя выходами и изоляторами для гашения обратного луча, двух оптических делителей 1×2 (один вход два выхода) (ОД) 2 и 3 через которые два луча раздельно подаются на чувствительный элемент (ЧЭ) 11 и через них же снимаются с ЧЭ и подаются для обработки сигнала на блок обработки 10 (БО). Применение ИИ1 с двумя выходами позволяет увеличить мощность, подаваемую в ЧЭ. БО10 обеспечивает преобразование оптического сигнала в электрическую форму и математическую обработку результатов измерений, управление работой ДУС.The proposed fiber-optic CRS consists of a source 1 of coherent laser radiation (II) with two outputs and insulators for damping the return beam, two optical splitters 1 × 2 (one input two outputs) (OD) 2 and 3 through which two beams are separately fed to the sensitive element (SE) 11 and through them are removed from the SE and fed for signal processing to the processing unit 10 (BO). The use of II1 with two outputs allows you to increase the power supplied to the SE. BO10 provides conversion of an optical signal into an electrical form and mathematical processing of measurement results, control of the operation of the CRS.

Между входами/выходами А и В ЧЭ расположены два узла интерференции (УИ)4 и УИ5, выполненные, например, на интегрально-оптических модуляторах (ИОМ), две отдельные многовитковые волоконно-оптические катушки ОК8 и ОК9, которые замкнуты с обоих концов между собой через ОД 2×2 (два входа два выхода) 6 и 7. ОК 8 и 9, по меньшей мере, частично намотаны последовательно вокруг общей оси в одном направлении, что обеспечивает точность измерения и работу устройства. ОК8 и ОК9 могут наматываться, например, одна на другую, с использованием квадрупольного типа намотки. В результате ОК8, ОК9, ОД6 и ОД7 образуют замкнутый ВОК, который через ОД6 соединен с УИ4 соответственно в точке d и с, а через ОД7 с УИ5 в точке е и f.Between the inputs / outputs A and B of the SE there are two interference nodes (UI) 4 and UI5, made, for example, on integrated optical modulators (IOM), two separate multi-turn fiber-optic coils OK8 and OK9, which are closed at both ends to each other through OD 2×2 (two inputs two outputs) 6 and 7. OK 8 and 9 are at least partially wound in series around a common axis in one direction, which ensures measurement accuracy and operation of the device. OK8 and OK9 can be wound, for example, one on top of the other, using a quadrupole winding type. As a result, OK8, OK9, OD6 and OD7 form a closed WOC, which is connected through OD6 to UI4, respectively, at points d and c, and through OD7 to UI5 at points e and f.

В результате такого соединения ЧЭ имеет один ВОК и сформирован в виде двух противонаправленных (развернутых на 180° относительно друг друга) ИС1 и ИС2, тк входы/выходы А и В ЧЭ, развернуты в противоположные стороны относительно друг друга.As a result of such a connection, the SE has one FOC and is formed in the form of two opposite directions (turned by 180° relative to each other) IS1 and IS2, since the inputs/outputs A and B of the SE are deployed in opposite directions relative to each other.

Рассмотрим работу устройства. На входы/выходы А и В ЧЭ от ИИ1 через ОД2 и ОД3 поступают два луча, один в УИ4 где делится на прямой (CW)1 и обратный луч (CCW)1, а второй через ОД3 в УИ5, где делится на CW2 и CCW2.Consider the operation of the device. Two beams arrive at the inputs/outputs A and B of the SE from II1 through OD2 and OD3, one to UI4 where it is divided into direct (CW)1 and reverse beam (CCW)1, and the second through OD3 to UI5, where it is divided into CW2 and CCW2 .

В ИС1 CW1 идет через УИ4 точку соединения с, ОД6, ОК9, ОД7, ОК8, ОД6, точку соединения d и на УИ4, луч CCW1 ИС1 идет в обратном направлении от УИ4, точки соединения d до точки соединения с, и в УИ4, где происходит интерференция лучей CW1 и CCW1.In IS1, CW1 goes through UI4 connection point with, OD6, OK9, OD7, OK8, OD6, connection point d and on UI4, beam CCW1 IS1 goes in the opposite direction from UI4, connection point d to connection point c, and in UI4, where CW1 and CCW1 beams interfere.

В ИС2 луч CW2 идет через УИ5 точку соединения е, ОД7, ОК9, ОД6, ОК8, ОД7, точку соединения f и поступает на УИ5, а луч CCW2 ИС2 идет в обратном направлении от точки соединения f до точки соединения е. В УИ5 происходит интерференция лучей CW2 и CCW2, независимо от ИС1. Аналогично тому, как и в обычном ИС уровни выходной мощности оптического луча для ИС1 и ИС2 зависят от величины угловой скорости устройства.In IS2, the beam CW2 goes through UI5 connection point e, OD7, OK9, OD6, OK8, OD7, connection point f and enters UI5, and the beam CCW2 IS2 goes in the opposite direction from connection point f to connection point e. Interference occurs in UI5 beams CW2 and CCW2, regardless of IS1. Just as in a conventional IC, the output power levels of the optical beam for IC1 and IC2 depend on the magnitude of the angular velocity of the device.

Оба ИС1 и ИС2 равно чувствительны к угловой скорости, работают независимо друг от друга, т.к. каждая пара лучей CW1, CCW1 и CW2, CCW2 проходит по одним и тем же оптическим элементам замкнутого ВОК. Также в силу этого, дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой. С выхода А ЧЭ оптический сигнал ИС1 через ОД2 поступает на один вход БО10, а с выхода В ЧЭ оптический сигнал от ИС2 на другой вход БО10 где происходит их преобразование и математическая обработка.Both IS1 and IS2 are equally sensitive to the angular velocity, they work independently of each other, because each pair of beams CW1, CCW1 and CW2, CCW2 passes through the same optical elements of a closed FOC. Also because of this, the drifts of IS1 and IS2 are correlated with each other. From the output A SE, the optical signal of IS1 through OD2 is fed to one input of BO10, and from the output of the BSE, the optical signal from IS2 to another input of BO10, where they are converted and mathematically processed.

Таким образом, в предлагаемой конструкции построенной на замкнутом ВОК реализованы два независимых ИС: ИС1 и ИС2.Thus, in the proposed design built on a closed FOC, two independent ISs are implemented: IS1 and IS2.

Дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой т.к. их лучи проходят по одним и тем же оптическим компонентам одного и того же замкнутого ВОК и в один и тот же момент времени. Знаки случайного приращения (уменьшения) фаз оптических лучей, вызывающих дрейф, имеют противоположные знаки, поскольку ИС1 и ИС2 развернуты на 180°.Drifts IS1 and IS2 are correlated with each other since their beams pass through the same optical components of the same closed FOC and at the same time. The signs of the random increment (decrease) of the phases of the optical beams that cause drift have opposite signs, since IS1 and IS2 are rotated by 180°.

Приращение (уменьшение) угловых скоростей в ИС1 и ИС2 при вращении ДУС, равны между собой и имеют одинаковые знаки независимо от ориентирования на плоскости, в тч на 180° относительно друг друга.The increment (decrease) of the angular velocities in IS1 and IS2 during the rotation of the ARS are equal to each other and have the same signs regardless of the orientation on the plane, including 180° relative to each other.

Эти свойства ДУС, также, как и при двойном гирокомпассировании, используются в данном техническом решении, но постоянно и без разворота ДУС.These properties of the CRS, as well as with double gyrocompassing, are used in this technical solution, but constantly and without turning the CRS.

Угловая скорость для ИС1 на А выходе ЧЭ состоит их двух составляющих и определяется формулой:The angular velocity for IS1 at the A output of the SE consists of two components and is determined by the formula:

где ω₁ - угловая скорость на выходе А ЧЭ;where ω ₁ - angular velocity at the exit A SE;

ω_1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе А ЧЭ;ω _1.1 - component of the angular velocity without drift at the output of A SE;

ω_д1 - дрейф на выходе А ЧЭ.ω _d1 - drift at the output A SE.

Для ИС2 с выхода В ЧЭ определяется угловая скорость для противонаправленной ориентации, при этом величина и знак угловой скорости останутся без изменения, а дрейф имеет противоположный знак:For IS2, the angular velocity for the opposite orientation is determined from the output of the SE, while the value and sign of the angular velocity remain unchanged, and the drift has the opposite sign:

гдеWhere

ω₂ - угловая скорость на выходе В ЧЭ;ω ₂ - angular velocity at the exit In SE;

ω_1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе В ЧЭ;ω _1.1 - component of the angular velocity without drift at the output of the SE;

- ω_д2 - дрейф на выходе В ЧЭ.- ω _d2 - drift at the output of the SE.

Выходные сигналы угловых скоростей с выходов А и В ЧЭ суммируются в БО10 и производится их математическая обработка. В результате на выходе БО10 угловая скорость будет соответствовать:The output signals of the angular velocities from the outputs A and B of the SE are summarized in BO10 and their mathematical processing is performed. As a result, at the output of BO10, the angular velocity will correspond to:

гдеWhere

Ω_к- угловая скорость с учетом компенсацииΩ _to - angular velocity, taking into account compensation

ω_1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе А ЧЭ;ω _1.1 - component of the angular velocity without drift at the output of A SE;

ω_1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе В ЧЭ;ω _1.1 - component of the angular velocity without drift at the output of the SE;

- ω_д2 -дрейф на выходе В ЧЭ;- ω _d2 - drift at the output of the SE;

ω_д1 - дрейф на выходе А ЧЭ.ω _d1 - drift at the output A SE.

Случайные составляющие угловых скоростей т.е. дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой, тк лучи проходят по одному и тому же оптоволокну замкнутого ВОК, измеряются в один и тот же момент времени на обоих ИС1 и ИС2 с выходов А и В ЧЭ, соответственно, при сложении после усреднения эффективно компенсируют друг друга, снижая общий уровень дрейфа ДУС.Random components of angular velocities i.e. drifts of IS1 and IS2 are correlated with each other, since the beams pass through the same optical fiber of a closed-loop FOC, are measured at the same time on both IS1 and IS2 from outputs A and B of the SE, respectively, when added after averaging, they effectively compensate each other , reducing the overall level of CRS drift.

Результат (3) в БО10 делится на два, либо учитывается при калибровке устройства. На выход БО10 подается значение угловой скорости с компенсированным уровнем дрейфа.The result (3) in BO10 is divided by two, or taken into account when calibrating the device. The value of the angular velocity with a compensated drift level is supplied to the output BO10.

Техническое решение обеспечивает достижение заявленного технического результата: повышает точность определения угловой скорости за счет эффективного снижения дрейфа ДУС ВОГ, не требует переключения сигнала модуляции, и компенсации дрейфа идет непрерывно в один и тот же момент времени, без прерывания эксплуатации и обязательного разворота ДУС; позволяет проводить измерение угловой скорости, без задержки, в реальном масштабе времени.The technical solution ensures the achievement of the claimed technical result: it improves the accuracy of determining the angular velocity by effectively reducing the drift of the FOG CRS, does not require switching the modulation signal, and the drift compensation occurs continuously at the same time, without interruption of operation and mandatory reversal of the CRS; allows you to measure the angular velocity, without delay, in real time.

Claims (1)

Датчик угловой скорости, состоящий из источника оптического излучения, волоконно-оптического контура, узла интерференции, оптического делителя 1x2, имеющего один вход два выхода, блока обработки, отличающийся тем, что содержит второй узел интерференции, второй оптический делитель 1x2, имеющий один вход два выхода, волоконно-оптический контур, содержащий две оптические катушки, выводы оптоволокна в каждой катушке противонаправлены друг другу, и катушки замкнуты между собой через два оптических делителя 2x2, имеющих по два входа два выхода, начало первой волоконно-оптической катушки соединено с первым выводом первого оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, а её конец с первым выводом второго оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, начало второй катушки соединено со вторым выводом второго оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, а её конец – со вторым выводом второго оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, третий и четвертый выводы первого оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, раздельно соединены с первым узлом интерференции, третий и четвертый выводы второго оптического делителя 2x2, имеющего два входа два выхода, раздельно соединены со вторым узлом интерференции.An angular velocity sensor consisting of an optical radiation source, a fiber-optic circuit, an interference unit, a 1x2 optical splitter having one input and two outputs, a processing unit, characterized in that it contains a second interference unit, a second 1x2 optical splitter having one input and two outputs , a fiber optic circuit containing two optical coils, the fiber optic leads in each coil are opposite to each other, and the coils are closed to each other through two 2x2 optical dividers with two inputs and two outputs, the beginning of the first fiber optic coil is connected to the first output of the first optical 2x2 divider having two inputs and two outputs, and its end with the first output of the second optical divider 2x2, which has two inputs and two outputs, the beginning of the second coil is connected to the second output of the second optical divider 2x2, which has two inputs and two outputs, and its end is connected to the second output of the second 2x2 optical divider having two inputs two outputs, the third and fourth outputs of the first 2x2 optical divider having two inputs two outputs are separately connected to the first interference node, the third and fourth outputs of the second 2x2 optical splitter having two inputs two outputs are separately connected to the second interference node.

Images