Волоконно-оптический гироскоп

 

Изобретение относится к области волоконной техники, а именно к приборам для измерения скорости вращения - волоконнооптическим гироскопам, и может использоваться при разработке и изготовлении ВОГ для обеспечения уменьшения сдвига нуля. снижения дрейфа нулевого сигнала и повышения стабильности масштабного коэффициента ВОГ. Это достигается введением в волоконно-оптический гироскоп, содержащий кольцевой интерферометр 2, включающий пьезокерамический фазовый модулятор 3, излучатель 1 и фотоприемное устройство 4, оптически сопряженные с интерферометром 2, и блок формирования выходного сигнала, содержащий три синхронных детектора 10, 11, 12, управляемый генератор напряжения 9, первый фазовращатель 14, два источника опорного напряжения 5 и 6 и две схемы сравнения 7 и 8, второго фазовращателя 13. При этом первый синхронный детектор 10 спужит для формирования выходного сигнала ВОГ за счет детектирования первой гармоники частоты фазовой модуляции в сигнале с фотоприемного устройства 4 Опорными сигналами для синхронных детекторов 11 и 12 служат сигналы на удвоенной частоте фазовой модуляции, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90°. При этом с синхронного детектора 11 используется для стабилизации амплитуды модуляции разности фаз встречных волн, а сигнал с блока 12 - для настройки частоты генератора 9 на резонансную частоту пьезокерэмического модулятора 3. 1 ил.

(с!) G 01 С 19/64

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

О

О

О

Г) Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5031790/22 (22) 11,03.92 (46) 07.09.93. Бюл. М 33-36 (76) Логоэинский В.Н. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП (57) Изобретение относится к области волоконной техники, а именно к приборам для измерения скорости вращения — волоконнооптическим гироскопам, и может использоваться при разработке и изготовлении ВОГ для обеспечения уменьшения сдвига нуля, снижения дрейфа нулевого сигнала и повышения стабильности масштабного коэффициента ВОГ. Это достигается введением в волоконно-оптический гироскоп, содержащий кольцевой интерферометр 2, включающий пьезокерамический фазовый модулятор 3, излучатель 1 и фотоприемное устройство 4, оптически сопряженные с интерферометром 2, и блок формирования вы„„RU„„ 2000543 С ходного сигнала, содержащий три синхронных детектора 10, 11, 12, управляемый генератор напряжения 9, первый фаэовращатель 14, два источника опорного напряжения 5 и 6 и две схемы сравнения 7 и 8, второго фазовращателя 13. При этом первый синхронный детектор 10 служит для формирования выходного сигнала ВОГ за счет детектирования первой гармоники частоты фаэовой модуляции в сигнале с фотоприемного устройства 4. Опорными сигналами для синхронных детекторов 11 и

12 служат сигналы на удвоенной частоте фазовой модуляции, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90". При этом с синхронного детектора 11 используется для стабилизации амплитуды модуляции разности фаэ встречных волн, а сигнал с блока 12 — для настройки частсФы генератора 9 на резонансную частоту пьеэокерамического модулятора 3. 1 ил.

2000543

ИзоЪретение относится к области волоконной техники, а именно к приборам для измерения скорости вращения — волоконнооптическим гироскопам (ВОГ) и может использоваться при разработке и изготовлении ВОГ.

Известен ВОГ, содержащий источник излучения, волоконный направленный ответвитель {3x3), волоконный контур и фотоприемное устройство. Обладая такими положительными качествами ВОГ, как малое время выходы на режим, высокая серийнопригодность и потенциально низкая цена, малые габариты и энергопотребление, этот гироскоп имеет ряд недостатков. Так. например, наличие 1/f шумов фотоприемника и интерференционных шумов волоконного гироскопа.

Существенное улучшение точностных характеристик достигнуто в ВОГ. содержащем излучающий модуль, фотоприемный модуль, два волоконных ответвителя, поляризатор, волоконный контур, электронный блок формирования выходного сигнала и фазовый модулятор, выполненный в виде пьезокерамического цилиндра с намотанным на его поверхность отрезком волоконного контура (такой состав оптической схемы ВОГ получил название "минимальной конфигурации"), причем все оптические элементы изготавливаются на основе одномодового волокна. Улучшение точностных характеристик такого ВОГ обусловлено применением пространственно-поляризационной фильтрации на входе-выходе волоконного контура, что позволяет значительно уменьшить сдвиг и дрейф нулевого сигнала ВОГ. Кроме того, использование модуляционной методики позволяет существенно снизить влияние различных шумов на точность измерений ВОГ. При этом модуляция разности фаз встречных волн, распространяющихся во встречных направлениях по волоконному контуру, осуществляется за счет периодического растягивания небольшого участка волоконного контура, намотанного на пьеэокерамический цилиндр. Выходной сигнал гироскопа формируется путем детектирования первой гармоники частоты фазовой модуляции в сигнале фотоприемного устройства.

При использовании фазового модулятора в ВОГ с незамкнутой петлей обратной связи {open-loop) требуется стабилизация параметров фазовой модуляции (амплитуды и фазы), так как флуктуации этих параметров влияют на точностные и эксплуатационные характеристики ВОГ. Частично эта задача решена в ВОГ, наиболее близком к данному устройству (прототипе). содержащем воло5

55 конный кольцевой интерферомегр, включающий пьезокерамический фазовый модулятор, излучатель и фотоприемное устройство, оптически сопряженные с интерферометром. два источника опорного напряжения, схему сравнения, управляемый генератор напряжения, фазовращатель. три синхронных детектора, входы которых соединены с выходом фотоприемного устройства, вход опорного напряжения первого детектора подключен к выходу фазовращателя. вход опорного напряжения второго детектора подключен к опорному выходу удвоенной основной частоты управляемого генератора напряжения, основной выход которого подключен к пьезокерамическому фаэовому модулятору и входу фазовращателя, выход второго синхронного детектора подключен к первому входу первой схемы сравнения, к второму входу которой подключен первый источник опорного напряжения, а ее выход подключен к управляющему входу генератора напряжения, а выход первого синхронного детектора является выходом гироскопа. В этом гироскопе выходной сигнал формируется за счет синхронного детектирования первой гармоники частоты модуляции в сигнале с фотоприемного устройства. Синхронные детекторы второй и четвертой гармоники служат для управления амплитудой выходного сигнала возбуждающего генератора на основной частоте с целью стабилизации амплитуды модуляции разности фаз встречных волн.

Однако при возбуждении пьеэокерамического модулятора периодическим напряжением в нем одновременно возникают различные пространственные механические колебания. Причем частоты этих колебаний могут быть близкими к частотам, кратным основной частоте возбуждения.

Наличие в спектре модуляции разности фаэ встречных волн ВОГ составляющих на этих частотах приводит к увеличению сдвига нуля ВОГ, увеличению дрейфа нулевого сигнала ВОГ и уменьшению стабильности масштабного коэффициента при внешних воздействиях. Как известно, сигнал с фотоприемного устройства ВОГ пропорционален 1+соя, где (- разность фаз встречных волн. Записывая ip в виде:

y = p+ p>costs +(pzcos2(cn (2 ) где p — разность фаз встречных волн, обусловленная вращением; p1 и <р 2 — амплитуды фазовой модуляции на основной частоте модуляции и на удвоенной.

Для амплитуды первой гармоники в сигнале с фотоприемного устройства и леем:

Ui = 2J i(p<)J >(pg)cosp o.".i.л—

2006543 — 2J I (Pt )J (tP2)S IntPt:OSO>t

Таким образол1, возбуждение второй гармоники при модуляции разности фаз встречных волн приводит к возникновению сдвига нуля ВОГ, пропорционального Yt (5

tp2) (коэффициент при cos tp) и появлению в масштабном коэффициенте (коэффициент и ри sin rp ) сомножителя, пропорционального Y< (

БОГ и его масштабного коэффициента. Кроме того. поправки к сдвигу нуля ВОГ и масштабному коэффициенту могут возникать из-за флуктуаций сдвига фаэ между сигна- 20 лом возбуждения и сигналол1 модуляции фазы волн.

Целью настоящего изобретения является уменьшение сдвига нуля ВОГ, снижение дрейфа нулевого сигнала ВОГ и повышение 25 стабильности масштабного коэффициента

ВОГ при внешних воздействиях.

Цель достигается тем, что в известный волоконно-оптический гироскоп, содер>кащий последовательно установленные и on- >О тически сопряженные излучатель, волоконный кольцевой интерферометр, включающий пьезокерамический фазовый модулятор и фотоприемное устройство, последовательно соединенные первый фазов- >5 ращатель и первый синхронный детектор, последовательно соединенные управляемый генератор напряжения и второй синхронный детектор, а также третий синхронный детектор, первую схему срав- 40 нения, первый и второй источники опорного напряжения, при этом выход фотоприемного устройства соединен с вторыми входами первого, второго и третьего синхронных детекторов, второй выход управляемого гене- 45 ратора напряжения соединен с входами первого фазовращателя и пьезокерамического фазового модулятора, выход второго синхронного детектора соединен с вторым входом первой схемы сравнения, выход 50 первого синхронного детектора является выходом устройства, введен второй фазовращатель и вторая схема сравнения, вход второго фазовращателя соединен с первым входом управляемого генератора напряжения, выход второго фаэовращателя соединен с первым входом третьего синхронного детектора, выход которого соеди ен с перBhlM входом в ооой схемы сравнения, второй вход которой соединен с Btlxogot. второ о источника опорно"o напряжения. выход второй схемы сравнения соединен с в-орин входом управляемого генератора напряжения. выход первого источника опорного напряжения соединен с первым вкодом первой схемы сравнения, выход которой соединен с первым входом управляег:.não гot tei>aтора напря>кения.

Уменьшение сдвига нуля ВОГ, снижеttие дрейфа нулевого сигнала ВОГ и повышение стабильности масштабного коэффициента ВОГ при внешних воздействиях связано с тем, что данная схема ВОГ позволяет существенно уменьшить амплитуды кратных гармоник при возбуждении пьезокерамического модулятора за счет точной настройки частоты возбуждения генератора на резонансную частоту модулятора.

При такой настройке эффективность возбуждения колебания на основной частоте по отношению к колебаниям на кратных частотах значительно возрастает, что позволяет уменьшить сдвиг нуля ВОГ и вклад параэитных гарл1оник в масштабный коэффициент

BOI.

Кроме того, при этом устраняется зависимость сдвига нуля и масштабного коэффициента ВОГ от сдвига фаз между сигналом возбуждения и сигналом модуляции фазы волны, Сдвиги фаз, вносимые модулятором для каждол из встречных волн кольцевого интерферометра можно представить в виде

p+ = у>осо${иЛ + с4)

— сдвиг фаз между сигналом возбуждения и сигналом модуляции фазы: tt> — время обхода волоконного контура интерферометра световой волной.

Разность фаз встречных волн при такой модуляции имеет вид

p = py — tp — + tp = M sin(rt>t — o>tt>2 + оо) где М = 2 tposin(o>tt>/2); p — разность фаэ встречных волн, обусловленная вращением, а сигналы первой и второй гармоник частоты л одуляции пропорциональны соответстtt e t-t t t o

Ut = I>(M)sin(p )sin(o> t — О> to/2 dt), (5)

U2 = I2(iVI)co$(

При точной настройке частоты возбуждающего генератора на резонансную частоту модулятора сдвиг фаз dt> между сигналом возбуждения и сигналом модуляции фазы равен нулю. Однако при этом сдвиг фаз между сигналом модуляции фазояой невэаимности и сигналом возбуждения равен

«t l2 (et<.4). что необходимо учитывать при

2000543

50

55 использовании сигнала второй гармоники частоты модуляции для настройки на резонанс модулятора. Среднее значение выходного сигнала третьего синхронного детектора, пропорциональное (dg — (оto/2) сравнивается с помощью второй схемы сравнения с напряжением, пропорциональным c0to/2, и сигнал рассогласования, пропорциональный do. используется для настройки на резонансную частотумодулятора.

Существенность отличий предлагаемого гироскопа состоит в том, что задача уменьшения сдвига нуля, снижения дрейфа нулевого сигнала и повышения стабильности масштабного коэффициента ВОГ при внешних воздействиях решается за счет того. что в его состав вводятся вторая схема сравнения и второй фазовращатель, вход которого подключается к опорному выходу удвоенной частоты управляемого генератора напряжения, а выход подключен к входу опорного напряжения третьего синхронного детектора, управляемый генератор напряжения имеет два управляющих входа для управления амплитудой и частотой выходного напряжения, выход первой схемы сравнения подключен к амплитудному управляющему входу генератора, выход третьего синхронного детектора подключен к первому входу второй схемы сравнения, к второму входу которой подключен второй источник опорного напряжения, а ее выход подключен к частотному управляющему входу генератора напряжения.

На чертеже представлена блок-схема волоконно-оптического гироскопа. где обозначено: излучатель 1, волоконный кольцевой интерферометр 2, пьеэокерамический фазовый модулятор 3. фотоприемное устройство 4, первый 5 и второй 6 источники опорного напряжения, первая 7 и вторая 8 схемы сравнения, управляемый генератор напряжения 9, первый 10, второй 11 и третий 12 синхронные детекторы. первый 13 и второй фаэовращатели.

Гироскоп функционирует следующим образом. Излучатель 1 возбуждает встречные волны в волоконном кольцевом интерферометре 2. в котором с помощью пьезокерамического фазового модулятора 3 создается модуляция фаэовой невэаимности встречных волн. Встречные волны после обхода волоконного контура интерферометра 2 интерферируют и попадают на фотоприемное устройство 4, сигнал с которого поступает на входы синхронных детекторов

10-12. На входы опорных напряжений детекторов 10-12 подаются соответственно сигнал возбуждения модулятора на основ5

40 ной частоте, сдвинутый с помощью фазовращателя 14 по фазе на 90" (510 (lit), сигнал на удвоенной частоте (cos2 м t) и сигнал, на удвоенной частоте. сдвинутый по фазе с помощью фаэовращателя 13 на 90" (sln2 м t).

Среднее значение сигнала на выходе синхронного детектора 10 при р «1 пропорционально угловой скорости и служит для ее определения. Среднее значение сигнала на выходе синхронного детектора 11 при этом пропорционально 12 (M). Оно сравнивается с помощью схемы сравнения 7 с напряжением на выходе источника 5. и сигнал рассогласования подается на вход для управления амплитудой выходного напряжения генератора 9. Таким образом, осуществляется стабилизация индекса модуляции M на уровне, определяемом напряжением на выходе источника 5, и устраняется влияние флуктуаций индекса на точность измерения.

Среднее значение на выходе синхронного детектора 12 при rp«1 пропорционально

2do — Quito Оно сравнивается с помощью схемы сравнения 8 с напряжением на выходе источника 6, и сигнал рассогласования подается на вход для управления частотой выходного напряжения генератора 9.

Амплитуда выходного напряжения источника 6 устанавливается так, чтобы сигнал на выходе схемы сравнения 8 был пропорционален do, что позволяет настраивать частоту модулятора (dp = О). При такой настройке эффективность возбуждения колебания на основной частоте по отношению к колебаниям на кратных частотах значительно возрастает, что позволяет уменьшить сдвиг нуля ВОГ и вклад параэитных гармоник в масштабный коэффициент ВОГ.

Кроме того, при этом устраняется также зависимость сдвига нуля и масштабного коэффициента ВОГ от сдвига фаз между сигналом возбуждения и сигналом модуляции фазы волны, Излучатель может быть выполнен на основе полупроводниковых лазерных диодов, фотоприемное устройство — на основе фотодиода, оптические элементы выполнены на базе одномодового поляризационно-устойчивого кварцевого волокна, управляемый генератор 9 напряжения выполнен двухвходовым, обеспечивающим управление амплитудой и частотой выходного сигнала.

Данный блок содержит последовательно соединенные генератор с управляемой частотой, делитель частоты на два, управляемый делитель напряжения. На выходе генератора с управляемой частотой формируется сигнал с частотой 2 и, а на выходе управляемого делителя напряжения сигнал с час2000543

Составитель М. Раевская

Тех ред М.Моргентал Корректор I M. Керцман

Редактор

Тираж Подписное

НПО "Поиск Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 1Р1

Заказ 3076 тотой в. через вход управляемого делителя напряжения обеспечивается управление амплитудой.

В данном ВОГ по сравнению с прототи- . пом сдвиг нуля снижен в четыре раза, вели- 5 чина дрейфа нуля при нагреве гироскопа от

20 до 50 С уменьшена в девять раз, а температурная стабильность масштабного коэффициента повышена на 20Я,.

Формула изобретения

Волоконно-оптический гироскоп, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные излучатель, волоконный кольцевой интерферометр, включа- 15 ющий пьезокерамический фазовый модулятор. и фотоприемное устройство, последовательно соединенные первый фазовращатель и первый синхронный детектор, последовательно соединенные управляв- 20 мый генератор напряжения и второй синхронный детектор. а также третий синхронный детектор, первую схему сравнения, первый и второй источники опорного напряжения, при этом выход фотоприемно- 25 го устройства соединен с вторыми входами первого, второго и Третьего синхронных детекторов, второй выход управляемого генератора напряжения соединен с входами первого фазовращателя и пьезокерамического фазового модулятора, выход второго синхронного детектора соединен с вторым входом первой схеМы сравлгния, выход первого синхронного детектора является выходом устройства, отличающийся тем, что введен второй фазовращэтель и вторая схема сравнения, вход второго фазовращателя соединен с первым выходом управляемого генератора напряжения, выход второго фазовращателя соединен с первым входом третьего синхронного детектора, выход которого соединен с первым входом второй схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом второго источника опорного напряжения, выход второй схемы сравнения соединен с вторым входом управляемого генератора напряжения, выход nepeoro источника опорного напряжения соединен с первым входом схемы сравнения, выход которой соединен с первым входом управляемого генератора напряжения.