RU2157962C2 - Method for supplementary phase modulation of ring interferometer of fiber-optical gyro - Google Patents
Method for supplementary phase modulation of ring interferometer of fiber-optical gyro Download PDFInfo
- Publication number
- RU2157962C2 RU2157962C2 RU98120880A RU98120880A RU2157962C2 RU 2157962 C2 RU2157962 C2 RU 2157962C2 RU 98120880 A RU98120880 A RU 98120880A RU 98120880 A RU98120880 A RU 98120880A RU 2157962 C2 RU2157962 C2 RU 2157962C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- duration
- phase modulation
- fiber
- sequence
- interferometer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 20
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000010365 information processing Effects 0.000 abstract description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 15
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 4
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 3
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании электронного блока обработки информации волоконно-оптического гироскопа, а также других датчиков физических величин на основе кольцевого интерферометра. The invention relates to the field of fiber optics and can be used in the design of an electronic unit for processing information of a fiber-optic gyroscope, as well as other sensors of physical quantities based on a ring interferometer.
Известен способ осуществления вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа [1], который решает две задачи: перевод рабочей точки интерферометра в зону повышенной чувствительности к вращению, а также стабилизации масштабного коэффициента гироскопа. There is a method of implementing auxiliary phase modulation in a ring interferometer of a fiber-optic gyroscope [1], which solves two problems: transferring the operating point of the interferometer to a zone of increased sensitivity to rotation, as well as stabilizing the scale factor of the gyroscope.
В работе [1] предлагается способ вспомогательной фазовой модуляции, с помощью которой одновременно решается задача перевода рабочей точки гироскопа в зону более высокой чувствительности, а также получения информации о величине напряжения на фазовом модуляторе, соответствующем вносимому фазовому сдвигу радиан, откуда вычисляется фазовая чувствительность модулятора в любой момент времени, что в свою очередь позволяет корректировать масштабный коэффициент гироскопа. Вспомогательная фазовая модуляция осуществляется с помощью последовательности прямоугольных импульсов, следующих с частотой fопт = с/2Ln0, где c - скорость света в вакууме, L - длина световода чувствительной катушки кольцевого интерферометра, n0 - показатель преломления материала световода. Частота fопт считается оптимальной для вспомогательной фазовой модуляции. Кроме того, в работе [1] предлагается дополнительная модуляция сигнала вспомогательной фазовой модуляции, которая заключается в том, что положительный импульс вспомогательной фазовой модуляции длительностью τ = Ln0/c, одну свою половину по длительности (1/2τ) имеет амплитуду, которая вносит фазовый сдвиг, равный 2/3π, а во вторую свою половину по длительности (1/2τ) имеет амплитуду, которая вносит фазовый сдвиг 4/3π. При такой форме напряжения, подаваемого на фазовый модулятор кольцевого интерферометра, при наличии вращения гироскопа на фотоприемнике гироскопа появляется сигнал на частоте fопт=с/2Ln0, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения гироскопа. В этом случае рабочая точка гироскопа сдвинута практически в зону максимальной чувствительности к вращению.In [1], a method of auxiliary phase modulation is proposed, which simultaneously solves the problem of transferring the operating point of the gyroscope to a zone of higher sensitivity, as well as obtaining information about the voltage on the phase modulator corresponding to the introduced phase shift of radians, from which the phase sensitivity of the modulator is calculated in any moment in time, which in turn allows you to adjust the scale factor of the gyroscope. Auxiliary phase modulation is carried out using a sequence of rectangular pulses following a frequency f opt = s / 2Ln 0 , where c is the speed of light in vacuum, L is the fiber length of the sensitive coil of the ring interferometer, n 0 is the refractive index of the fiber material. The frequency f opt is considered optimal for auxiliary phase modulation. In addition, in [1], an additional modulation of the auxiliary phase modulation signal is proposed, which consists in the fact that a positive pulse of auxiliary phase modulation of duration τ = Ln 0 / c, one of its half in duration (1 / 2τ) has an amplitude that introduces phase shift equal to 2 / 3π, and in its second half in duration (1 / 2τ) has an amplitude that introduces a phase shift of 4 / 3π. With this form of voltage applied to the phase modulator of the ring interferometer, in the presence of rotation of the gyroscope, a signal appears at the gyro photodetector at a frequency f opt = c / 2Ln 0 , the amplitude of which is proportional to the angular velocity of the gyroscope. In this case, the working point of the gyroscope is shifted practically to the zone of maximum sensitivity to rotation.
Дополнительная модуляция сигнала вспомогательной фазовой модуляции необходима для того, чтобы получать информацию о соответствии величины напряжения на фазовом модуляторе величине вносимого фазового сдвига. В рассматриваемом случае, если в силу каких-то причин, например при изменении длины волны источника излучения, фазовый сдвиг в первую половину длительности импульса не будет равен ±2/3π, а во вторую половину длительности импульса не будет естественно равен ±4/3π, то на фотоприемнике появляется сигнал, следующий с частотой f = c/Ln0 и с амплитудой, пропорциональной величине несоответствия напряжений в виде половинки импульса вносимым сдвигом фаз ±2/3π и ± 4/3π соответственно. После выделения амплитуды сигнала, следующего с частотой f = с/Ln0, производится подстройка амплитуды импульса сигнала вспомогательной фазовой модуляции до тех пор, пока амплитуда этого сигнала не обратится в нуль. В этом установившемся режиме сумма величины напряжения в первую половину импульса и величины напряжения во вторую половину импульса вспомогательной фазовой модуляции соответствует вносимому фазовому сдвигу, равному 2π радиан, что и используется для коррекции масштабного коэффициента гироскопа.Additional modulation of the auxiliary phase modulation signal is necessary in order to obtain information about the correspondence of the voltage value on the phase modulator to the value of the introduced phase shift. In the case under consideration, if for some reason, for example, when the wavelength of the radiation source changes, the phase shift in the first half of the pulse duration will not be ± 2 / 3π, and in the second half of the pulse duration it will not naturally be ± 4 / 3π, then a signal appears on the photodetector, which follows with a frequency f = c / Ln 0 and with an amplitude proportional to the voltage mismatch in the form of a half pulse introduced by a phase shift of ± 2 / 3π and ± 4 / 3π, respectively. After isolating the amplitude of the signal following with a frequency f = c / Ln 0 , the amplitude of the pulse of the auxiliary phase modulation signal is adjusted until the amplitude of this signal vanishes. In this steady state, the sum of the voltage in the first half of the pulse and the voltage in the second half of the auxiliary phase modulation pulse corresponds to an introduced phase shift of 2π radians, which is used to correct the gyroscope scale factor.
Недостатками предлагаемого способа осуществления вспомогательной фазовой модуляции являются следующие:
1. Высокая частота сигнала, несущего информацию об угловой скорости вращения гироскопа.The disadvantages of the proposed method for the implementation of auxiliary phase modulation are as follows:
1. High frequency signal carrying information about the angular velocity of rotation of the gyroscope.
2. Еще более высокая частота сигнала рассогласования величин напряжения в две половинки импульса сигнала вспомогательной фазовой модуляции, что приводит к несоответствию положения рабочих точек точкам ±2/3π и ± 4/3π.
Высокая частота рабочих сигналов приводит к ухудшению помехозащищенности схемы, что вынуждает к применению дополнительных электронных узлов, что в свою очередь ухудшает массогабаритные характеристики гироскопа. Более высокая частота рабочих сигналов требует также и элементной электронной базы с более высоким уровнем энергопотребления, что приводит к увеличению энергопотребления всего гироскопа в целом.2. An even higher frequency of the signal of the mismatch of voltage values in two halves of the pulse of the auxiliary phase modulation signal, which leads to a mismatch of the position of the operating points with the points ± 2 / 3π and ± 4 / 3π.
The high frequency of the working signals leads to a deterioration of the noise immunity of the circuit, which forces the use of additional electronic components, which in turn degrades the weight and size characteristics of the gyroscope. A higher frequency of working signals also requires an electronic base with a higher level of energy consumption, which leads to an increase in energy consumption of the entire gyroscope as a whole.
Целью настоящего изобретения является улучшение массогабаритных характеристик гироскопа и уменьшение его энергопотребления. The aim of the present invention is to improve the overall dimensions of the gyroscope and reduce its energy consumption.
Указанная цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в подаче на широкополосный фазовый модулятор напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция в виде последовательности ступенчатых импульсов, следующих с частотой, определяемой временем пробега луча по световоду чувствительной катушки интерферометра τ = Ln0/c, где L - длина световода чувствительной катушки, n0 - показатель преломления материала световода, c - скорость света в вакууме, разность фаз лучей интерферометра формируют в виде последовательности импульсов с периодом T0, который содержит два периода с длительностью каждого соответственно KT0 1 и NT0 2, где K, N - целые положительные числа, а T0 1 - отрезок времени, в течение которого осуществляют фазовую модуляцию периодически в виде импульсной последовательности с амплитудой ±(π-Δ) и длительностью одного импульса mτ, где m - целое положительное число и m = T0 1/2 τ; T0 2 - отрезок времени в течение которого осуществляют фазовую модуляцию периодически в виде импульсной последовательности с амплитудой ±(π+Δ) и длительностью nτ, где n - целое положительное число, n = T0 2/2 τ причем Δ выбирают в диапазоне 0,05π≤Δ≤0,95π радиан.This goal is achieved by the fact that according to the method, which consists in applying voltage to a broadband phase modulator, with the aid of which auxiliary phase modulation is carried out in the form of a sequence of step pulses following with a frequency determined by the beam travel time through the optical fiber of the sensitive coil of the interferometer τ = Ln 0 / c where L - length of the fiber sensing coil, n 0 - index of refraction of the fiber material, c - velocity of light in vacuum to the phase difference of the interferometer beams is formed as pos pulses edovatelnosti with period T 0, which comprises two periods with a duration of each respectively KT 0 1 and NT 0 2 where K, N - positive integers and T 0 1 - the length of time during which the phase modulating periodically in a pulse sequences with amplitude ± (π-Δ) and duration of one pulse mτ, where m is a positive integer and m = T 0 1/2 τ; T 0 2 - time during which the phase modulating periodically in a pulse train with an amplitude of ± (π + Δ) and duration nτ, where n - is a positive integer, n = T 0 2/2 τ wherein Δ is selected in the range 0 , 05π≤Δ≤0.95π radians.
Указанная цель достигается еще и тем, что согласно способу фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, заключающемуся в подаче на широкополосный фазовый модулятор напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция в виде последовательности ступенчатых импульсов, следующих с частотой, определяемой временем луча по световоду чувствительной катушки интерферометра τ = Ln0/с, где L - длина световода чувствительной катушки, n0 - показатель преломления материала световода, c - скорость света в вакууме, разность фаз лучей интерферометра формируют в виде последовательности импульсов с периодом T0, в первую половину которого формируют последовательность импульсов с амплитудой -(π-Δ) с длительностью mτ +(π+Δ) с длительностью nτ и -(π-Δ) с длительностью nτ, где n - целое положительное число и m ≥ 2n, а во вторую половину периода T0 формируют последовательность импульсов с амплитудами +(π-Δ) с длительностью mτ,-(π+Δ) с длительностью nτ и +(π-Δ) с длительностью mτ, причем
Улучшение массогабаритных характеристик гироскопа и уменьшение его энергопотребления достигается за счет снижения частоты сигнала, несущего информацию о вращении, а также частоты сигнала рассогласования уровней напряжения, которые должны соответствовать фазовым сдвигам на фазовом модуляторе ±(π-Δ) и ±(π+Δ), так как при понижении частот рабочих сигналов нет необходимости повышения помехозащищенности схемы с помощью дополнительных электронных устройств и экранов. Пониженные рабочие частоты также позволяют снизить энергопотребление электронных компонентов схемы.This goal is also achieved by the fact that according to the phase modulation method in the ring interferometer of a fiber-optic gyroscope, which consists in applying a voltage to a broadband phase modulator, with the help of which an auxiliary phase modulation is carried out in the form of a sequence of step pulses following with a frequency determined by the beam time from sensitive optical fiber coil interferometer τ = Ln 0 / c, where L - length of the fiber sensing coil, n 0 - index of refraction of the fiber material, c - MSE awn light in a vacuum, the phase difference of beams of the interferometer is formed as a sequence of pulses with period T 0 in the first half of which form the sequence of pulses with an amplitude of - (π-Δ) with a length mτ + (π + Δ) with a length nτ and - (π -Δ) with a duration nτ, where n is a positive integer and m ≥ 2n, and in the second half of the period T 0 a pulse train with amplitudes + (π-Δ) with a duration of mτ, - (π + Δ) with a duration of nτ and + (π-Δ) with duration mτ, and
Improving the weight and size characteristics of the gyroscope and reducing its energy consumption is achieved by reducing the frequency of the signal that carries rotation information, as well as the frequency of the voltage signal mismatch, which must correspond to phase shifts on the phase modulator ± (π-Δ) and ± (π + Δ), since when lowering the frequencies of the working signals there is no need to increase the noise immunity of the circuit using additional electronic devices and screens. Lower operating frequencies also reduce the power consumption of electronic circuit components.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 9. На фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На фиг. 2 показан общий вид импульсной последовательности вспомогательной фазовой модуляции и эпюры напряжения на широкополосном фазовом модуляторе, с помощью которого достигается эта вспомогательная фазовая модуляция в кольцевом интерферометре гироскопа. На фиг. 3 показан вид вспомогательной фазовой модуляции и соответствующие ей эпюры напряжения на широкополосном фазовом модуляторе при Δ = 1/3π; m = 2; n = 2; K = 2; N = 2. На фиг. 4 показан общий принцип формирования полезного сигнала, несущего информацию о вращении. На фиг. 5 показан общий принцип формирования сигнала рассогласования, когда рабочие точки гироскопа располагаются несимметрично относительно фазового сдвига в ±π радиан в кольцевом интерферометре гироскопа. На фиг. 6 показана импульсная последовательность фазовой модуляции по предлагаемому второму способу и последовательность ступенчатого напряжения, при подаче которого реализуется предлагаемая фазовая модуляция. На фиг. 7 показана соответственно последовательность ступенчатого напряжения и реализуемая с помощью его последовательность импульсов фазовой модуляции по предлагаемому способу при m = 4 и n = 2. На фиг. 8 показан общий принцип формирования сигнала, несущего информацию о вращении с помощью предлагаемой фазовой модуляции при m = 4, n = 2. На фиг. 9 показан общий принцип формирования сигнала рассогласования, когда рабочие точки гироскопа располагаются несимметрично относительно фазового сдвига в π радиан в кольцевом интерферометре с помощью фазовой модуляции по второму способу в случае, когда m = 4 и n = 2. The invention is illustrated in FIG. 1 to 9. In FIG. 1 shows a block diagram of a fiber optic gyroscope. In FIG. Figure 2 shows a general view of the pulse sequence of the auxiliary phase modulation and the voltage plot on the broadband phase modulator, with which this auxiliary phase modulation is achieved in the gyro ring interferometer. In FIG. 3 shows a view of auxiliary phase modulation and corresponding voltage plots on a broadband phase modulator at Δ = 1 / 3π; m is 2; n is 2; K = 2; N = 2. In FIG. Figure 4 shows the general principle of generating a useful signal carrying rotation information. In FIG. Figure 5 shows the general principle of generating a mismatch signal when the operating points of the gyroscope are located asymmetrically with respect to the phase shift of ± π radians in the gyroscope ring interferometer. In FIG. 6 shows a pulse sequence of phase modulation according to the proposed second method and a sequence of step voltage, upon supply of which the proposed phase modulation is implemented. In FIG. 7 shows, respectively, a sequence of step voltage and a sequence of phase modulation pulses realized by means of the proposed method with m = 4 and n = 2. FIG. 8 shows the general principle of generating a signal that carries rotation information using the proposed phase modulation for m = 4, n = 2. FIG. Figure 9 shows the general principle of generating a mismatch signal when the operating points of the gyroscope are located asymmetrically with respect to the phase shift of π radian in the ring interferometer using phase modulation in the second way in the case when m = 4 and n = 2.
Волоконно-оптический гироскоп (фиг. 1) содержит оптоволоконный кольцевой интерферометр 1, в состав которого также входит широкополосный фазовый модулятор 2, например модулятор на основе пластины ниобата лития [1, 2], и фотоприемное устройство 3. Сигнал с фотоприемного устройства 3 поступает на синхронный усилитель 4, выделяющий сигнал вращения гироскопа, и на синхронный усилитель 5, выделяющий сигнал рассогласования между уровнями напряжения на модуляторе в случае несимметричности расположения рабочих точек гироскопа относительно ±π радиан (сигнал рассогласования уровней напряжения). Генератор 6 формирует напряжение, поступающее на фазовый модулятор, с помощью которого формируется импульсная последовательность вспомогательной фазовой модуляции по предлагаемому способу, а также синхронизирующие сигналы, которые поступают на соответствующие входы синхронных усилителей 4, 5, для выделения уровней напряжения, соответствующих амплитудам сигнала, несущего информацию о вращении и амплитуде сигнала рассогласования уровней напряжения. The fiber-optic gyroscope (Fig. 1) contains a fiber
Схема управления 7 амплитудой модулирующего напряжения, формирующегося генератором 6, осуществляет подстройку уровней этого напряжения таким образом, чтобы сигнал рассогласования обращался в "0". The
Обработка сигнала волоконно-оптического гироскопа осуществляется следующим образом. Фазовый модулятор 2 вносит между лучами интерферометра вспомогательную фазовую модуляцию в виде импульсной последовательности 8 (фиг. 2) с периодом T0, который делится на 2 отрезка времени KT0 1 и NT0 2, где K, N - целые положительные числа и KT0 1 + NT0 2 = T0.The signal processing of a fiber optic gyro is as follows.
В течение первого отрезка времени КT0 1 формируется сигнал вспомогательной фазовой модуляции в виде импульсной последовательности с периодом T0 1 и уровнем вносимой фазовой модуляции ±(π-Δ) радиан, причем Δ может выбираться в широком диапазоне 0,05π≤Δ≤0,95π. Длительность каждого уровня вносимой фазовой модуляции ±(π-Δ) составляет mτ, где τ = Ln0/c - время пробега светового луча по световоду чувствительной катушки кольцевого интерферометра, причем m = T0 1/2τ.During the first time interval CT 0 1 , the auxiliary phase modulation signal is generated in the form of a pulse sequence with a period T 0 1 and the introduced phase modulation level ± (π-Δ) radian, and Δ can be selected in a wide range of 0.05π≤Δ≤0, 95π. The duration of each introduced phase modulation level ± (π-Δ) is mτ, where τ = Ln 0 / c is the travel time of the light beam through the fiber of the sensitive coil of the ring interferometer, and m = T 0 1 / 2τ.
В течение второго отрезка времени NT0 2 формируется сигнал вспомогательной фазовой модуляции в виде импульсной последовательности с периодом Т0 2 и уровнями вносимой фазовой модуляции ±(π-Δ) радиан. Длительность каждого уровня вносимой фазовой модуляции ±(π-Δ) составляет величину nτ, при этом n = T0 2/2 τ.During the second time interval NT 0 2 , an auxiliary phase modulation signal is generated in the form of a pulse sequence with a period T 0 2 and the introduced phase modulation levels ± (π-Δ) radians. The duration of each level of the phase modulation introduced by ± (π-Δ) amounts nτ, wherein n = T 0 2/2 τ.
Вспомогательная фазовая модуляция в виде импульсной последовательности 8 может быть сформирована путем подачи на фазовый модулятор 2 импульсной последовательности ступенчатого напряжения 9 с периодом T0, который также делится на два отрезка времени KT0 1 и NT0 2. В первый полупериод T0 1/2 формируются нарастающие ступеньки напряжения с количеством m + 1, с длительностью каждой ступеньки τ и перепадами уровней напряжения соседних ступенек такой величины, которые при подаче на фазовый модулятор осуществляют изменение фазы лучей на величину -(π-Δ). Во второй полупериод T0 2/2 формируются убывающие ступеньки с длительностью τ и перепадом напряжений соседних ступенек, вносящих сдвиг фаз +(π-Δ).
В течение отрезка NT0 2 формируется последовательность ступенчатого напряжения с периодом T0 2, в первый полупериод которого формируются убывающие ступеньки с количеством n+1 с длительностью каждой ступеньки τ и перепадами уровней напряжения соседних ступенек такой величины, которые при подаче на фазовый модулятор осуществляют изменение фазы лучей на величину ±(π+Δ). Во второй полупериод T0 2/2 формируют возрастающие ступеньки с длительностью τ и перепадом соседних ступенек, вносящих сдвиг фаз -(π-Δ).
Для анализа схемы обработки информации волоконно-оптическою гироскопа рассмотрим частный случай, а именно Δ = 1/3π; m = 2; n = 2; K = 2; N = 2. В этом случае последовательность ступенчатого напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, приобретает вид 10 (фиг. 3), при этом импульсная последовательность вспомогательной фазовой модуляции приобретает вид 11. На фиг. 4 показан принцип формирования сигнала, несущего информацию о вращении. При вращении кольцевого интерферометра гироскопа между его лучами возникает разность фаз Саньяка:
где ΦC - разность фаз Саньяка:
R - радиус чувствительной катушки интерферометра;
L - длина световода чувствительной катушки;
λ - длина волны источника излучения;
c - скорость света в вакууме;
Ωпр - угловая скорость вращения.Auxiliary phase modulation in the form of a
During the NT 0 2 segment, a sequence of step voltage is formed with a period T 0 2 , in the first half period of which decreasing steps are formed with the number n + 1 with a duration of each step τ and voltage drops of adjacent steps of such a magnitude that, when applied to the phase modulator, they change phase of the rays by ± (π + Δ). In the second half cycle T 0 2/2 incremental forming step with a duration τ and difference adjacent steps, introducing a phase shift - (π-Δ).
To analyze the information processing scheme of a fiber-optic gyroscope, we consider a particular case, namely Δ = 1 / 3π; m is 2; n is 2; K = 2; N = 2. In this case, the sequence of step voltage supplied to the phase modulator takes the form 10 (Fig. 3), while the pulse sequence of the auxiliary phase modulation takes the
where Φ C is the Sagnac phase difference:
R is the radius of the sensitive coil of the interferometer;
L is the fiber length of the sensitive coil;
λ is the wavelength of the radiation source;
c is the speed of light in vacuum;
Ω CR - the angular velocity of rotation.
Зависимость интенсивности излучения на фотоприемнике 3 гироскопа описывается выражением
Iф~1+cos(ΦC+Φмод),
где Φмод - фopмиpуемaя по предлагаемому способу вспомогательная фазовая модуляция II.The dependence of the radiation intensity at the
I f ~ 1 + cos (Φ C + Φ mod ),
where Φ mode is the auxiliary phase modulation II formed by the proposed method.
Графически процесс формирования сигнала можно пояснить с помощью кривой косинуса 12 (фиг. 4). При подаче импульсной последовательности II при отсутствии вращения уровень интенсивности на фотоприемнике остается неизменным. При вращении гироскопа происходит смещение модулирующего сигнала либо вправо, либо влево, в зависимости от направления вращения. При этом на фотоприемнике появляется последовательность импульсов 13 с частотой f0 и амплитудой, пропорциональной угловой скорости вращения. В данном конкретном случае частота полезного сигнала
при m = n, т.е. при этом условии частота полезного сигнала, несущего информацию о вращении, может быть существенно снижена по сравнению с оптимальной частотой fорт = с/2Ln0, которая обычно используется при обработке сигнала гироскопа.Graphically, the signal generation process can be explained using the cosine curve 12 (Fig. 4). When applying pulse sequence II in the absence of rotation, the intensity level at the photodetector remains unchanged. When the gyroscope rotates, the modulating signal shifts either to the right or to the left, depending on the direction of rotation. In this case, a sequence of
for m = n, i.e. under this condition, the frequency of the desired signal indicative of the rotation may be significantly reduced compared with the optimal frequency f = unit vector from / 2Ln 0, which is commonly used in the processing of the gyro signal.
Но в силу воздействия на фазовый модулятор, которое может изменить его эффективность, например изменение электрооптических коэффициентов под воздействием температуры окружающей среды либо длины волны оптического излучения, которое также изменяет эффективность фазового модулятора, амплитуды импульсов вспомогательной фазовой модуляции могут измениться, несмотря на то, что напряжение, подаваемое на фазовый модулятор, остается неизменным. На фиг. 5 показан общий принцип формирования сигнала рассогласования для рассматриваемого выше случая, т.е. m = 2; n = 2; K = 2; N = 2; Δ = 1/3π, когда повышается в силу каких-то внешних воздействий эффективность фазового модулятора. При увеличении амплитуд импульсов 11 вспомогательной фазовой модуляции на фотоприемнике формируется сигнал вида 14, частота следования импульсов fрасс которого в 4 раза ниже частоты полезного сигнала, несущего информацию о вращении. Для частоты сигнала рассогласования при m = n, K = N справедливо следующее соотношение:
Рассмотрим кольцевой волоконный интерферометр с длиной световода чувствительной катушки L = 103 м. Для такого интерферометра
В случае, например: m = 2, n = 2, K = 10, N = 10
f0 =fопт/2 = 50 кГц;
т. е. с помощью предлагаемой импульсной последовательности вспомогательной фазовой модуляции может быть осуществлено значительное снижение частоты полезного сигнала, несущего информацию о вращении, а также сигнала рассогласования уровней напряжения последовательности ступенчатого напряжения, подаваемого на фазовый модулятор.But due to the effect on the phase modulator, which can change its efficiency, for example, the change in electro-optical coefficients under the influence of ambient temperature or the wavelength of optical radiation, which also changes the efficiency of the phase modulator, the pulse amplitudes of the auxiliary phase modulation can change, despite the fact that the voltage applied to the phase modulator remains unchanged. In FIG. 5 shows the general principle of generating a mismatch signal for the case considered above, i.e. m is 2; n is 2; K = 2; N = 2; Δ = 1 / 3π, when the efficiency of the phase modulator increases due to some external influences. By increasing the
Consider a ring fiber interferometer with a fiber length of the sensitive coil L = 10 3 m. For such an interferometer
In the case, for example: m = 2, n = 2, K = 10, N = 10
f 0 = f opt / 2 = 50 kHz;
i.e., using the proposed pulse sequence of auxiliary phase modulation, a frequency of the useful signal carrying rotation information can be significantly reduced, as well as the voltage level matching signal of the step voltage sequence supplied to the phase modulator.
В рассматриваемом выше случае при Δ = 1/3π рабочими точками гироскопа на косинусной кривой 12 является -4,3π,-2/3π (располагающиеся симметрично относительно точки -π рад) и 2/3π, 4/3π (располагающиеся симметрично относительно π рад). Сигнал рассогласования появляется тогда, когда эта симметрия расположения рабочих точек относительно π радиан и -π радиан нарушается из-за увеличения или уменьшения амплитуды импульсов вспомогательной фазовой модуляция. При появлении сигнала рассогласования на выходе синхронного усилителя 5 он поступает на схему управления 7 амплитуды уровней пилообразного ступенчатого напряжения, подаваемого с генератора 6 на фазовый модулятор 2. Схема управления изменяет уровни пилообразного ступенчатого напряжения таким образом, чтобы сигнал рассогласования обратился в нуль. В этом случае рабочие точки гироскопа располагаются симметрично относительно точек π рад - π рад. Разность уровней напряжения ΔU на фазовом модуляторе, вносящих фазовые сдвиги 2/3π и -4/3π,, точно соответствует вносимой разности фаз 2π рад. Таким образом, эффективность фазового модулятора в данном случае точно известно, т.е. In the case considered above, for Δ = 1 / 3π, the working points of the gyroscope on the
Обычно, при обработке сигнала гироскопа используют компенсационные схемы, т.е. возникающую за счет вращения разность фаз Саньяка компенсируют с
помощью того же фазового модулятора 2 напряжением определенного уровня, зануляя тем самым сигнал на выходе синхронного усилителя 4. В этом случае справедливо соотношение
где ηэфф - эффективность фазового модулятора;
Uк - напряжение компенсации
Таким образом,
Величина ηэффλ•c/4πRL
в данном случае называется масштабным коэффициентом гироскопа и определяет в конечном счете его точностные характеристики. Как видно из выражения для масштабного коэффициента, он в значительной степени зависит от стабильности эффективности фазового модулятора, но предлагаемый способ вспомогательной фазовой модуляции позволяет иметь текущее значение эффективности фазового модулятора в любой момент времени, что позволяет повысить точность гироскопа путем постоянной коррекции значения масштабного коэффициента.
Usually, when processing the gyro signal, compensation schemes are used, i.e. The Sagnac phase difference resulting from rotation is compensated by
using the
where η eff is the efficiency of the phase modulator;
U to - compensation voltage
Thus,
The value η eff λ • c / 4πRL
in this case, it is called the scale factor of the gyroscope and ultimately determines its accuracy characteristics. As can be seen from the expression for the scale factor, it largely depends on the stability of the phase modulator efficiency, but the proposed method of auxiliary phase modulation allows you to have the current value of the phase modulator efficiency at any time, which allows to increase the gyroscope accuracy by constantly correcting the scale factor value.
При выборе Δ≤0,95π и Δ≥0,05π чувствительность кольцевого интерферометра к вращению очень быстро падает, поэтому Δ выбирают в диапазоне 0,05π≤Δ≤0,95π радиан. When choosing Δ≤0.95π and Δ≥0.05ππ, the sensitivity of the ring interferometer to rotation decreases very quickly, so Δ is chosen in the range of 0.05π≤Δ≤0.95π radians.
Обработка сигнала волоконно-оптического гироскопа по п.2 формулы производится следующим образом. Фазовый модулятор 2 вносит между лучами интерферометра вспомогательную фазовую модуляцию в виде импульсной последовательности 15 (фиг. 6) с периодом T0, в первый полупериод которой T0 2/2 формируется сигнал вспомогательной фазовой модуляции в виде трех импульсов с амплитудой первого и третьего импульсов -(π-Δ) радиан и длительностями mτ, где m - не равное нулю целое положительное число, а τ - время пробега светового луча по световоду чувствительной катушки интерферометра и с амплитудой второго импульса +(π+Δ) радиан и длительностью nτ, где n - не равное нулю целое положительное число. Во второй полупериод импульсной последовательности T0-T0/2 формируется сигнал вспомогательной фазовой модуляции также в виде трех импульсов с амплитудами первого и третьего импульсов +(π-Δ) радиан и длительностями mτ, а второй импульс имеет амплитуду -(π+Δ) радиан и длительность nτ. Такой вид вспомогательной фазовой модуляции может быть сформирован путем подачи на фазовый модулятор интерферометра напряжения в виде последовательности ступенчатых импульсов, изменяющихся по пилообразному закону 16. Длительность каждой ступеньки этой импульсной последовательности равна τ. Разность соседних уровней напряжения у этой последовательности таков, что вносится разность фаз лучей через модулятор либо (π-Δ), либо (π+Δ). Если обозначить через α количество уровней напряжения, перепады соседних уровней которых вносит разность фаз (π-Δ) радиан, то число m = α-1, a если обозначить через β количество уровней напряжения, перепады соседних уровней которых вносит разность фаз (π+Δ), то число n = β-1.
На фиг. 7 изображен частный случай, когда m = 2, а n = 2. В этом случае последовательность ступенчатых импульсов, изменяющихся по пилообразному закону, приобретает вид 17. При таких значениях m и n Δ = 1/3 радиан, т.е. импульсная последовательность фазовой модуляции 18 имеет следующие уровни: -4/3π; +4/3π; с длительностью 2π и уровни -2/3π; 2/3π радиан с длительностью 4τ..The signal processing of a fiber optic gyroscope according to
In FIG. 7 shows a special case when m = 2, and n = 2. In this case, the sequence of step pulses, changing according to the sawtooth law, takes the
На фиг. 8 показан графический процесс формирования сигнала на фотоприемнике интерферометра, несущего информацию об угловой скорости вращения гироскопа. При вращении гироскопа, приводящем к возникновению разности фаз Саньяка ΦC и смещающей импульсную последовательность 18 либо влево, либо вправо на оси кривой косинуса, на фотоприемнике появляется сигнал 19, следующий с частотой модуляции
т.е. в нашем частном случае
что приводит к значительному уменьшению частоты сигнала гироскопа.In FIG. Figure 8 shows the graphical process of signal formation on the photodetector of an interferometer that carries information about the angular velocity of rotation of the gyroscope. When the gyroscope rotates, leading to the appearance of a Sagnac phase difference Φ C and shifting the
those. in our particular case
which leads to a significant decrease in the frequency of the gyro signal.
На фиг. 9 показан графический процесс формирования сигнала рассогласования, когда рабочие точки гороскопа -4/3π и -2/3π; а также 4/3π и 2/3π располагаются несимметрично относительно точек -π радиан и π радиан соответственно. Это может произойти в случае, когда изменяется эффективность фазового модулятора или из-за длины волны источника излучения, или из-за изменения электрооптических коэффициентов материала модулятора и т.д. В этом случае все амплитуды импульсной последовательности фазовой модуляции 18 либо увеличиваются, либо уменьшаются на величину ΔΦ. В случае увеличения амплитуды импульсов на фотоприемнике появляется сигнал 20, который представляет из себя импульсный сигнал, следующими с частотой
т. е. также удается значительно снизить частоту сигнала рассогласования. Разности уровней напряжения, вносящих фазовые сдвиги +(π-Δ) и -(π+Δ) или -(π-Δ) и +(π+Δ) соответствуют вносимым фазовым сдвигам 2π радиан, что может быть использовано для определений ηэфф и для последующей корректировки масштабного коэффициента гироскопа.In FIG. 9 shows a graphical process of generating a mismatch signal when the operating points of the horoscope are -4 / 3π and -2 / 3π; as well as 4 / 3π and 2 / 3π are located asymmetrically relative to the points -π radians and π radians, respectively. This can happen when the efficiency of the phase modulator changes either due to the wavelength of the radiation source, or due to a change in the electro-optical coefficients of the modulator material, etc. In this case, all the amplitudes of the pulse sequence of the
i.e., it is also possible to significantly reduce the frequency of the error signal. Differences in voltage levels introducing phase shifts + (π-Δ) and - (π + Δ) or - (π-Δ) and + (π + Δ) correspond to introduced phase shifts of 2π radians, which can be used to determine η eff and for subsequent adjustment of the scale factor of the gyroscope.
ЛИТЕРАТУРА
[1] SPIE vol. 2292 Fiber Optic and Laser Sensors XII, pp 156 - 165, 1994 г.LITERATURE
[1] SPIE vol. 2292 Fiber Optic and Laser Sensors XII, pp 156 - 165, 1994
[2] Electrotechnology, Jannary 1989, pp 17-21. [2] Electrotechnology, Jannary 1989, pp 17-21.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98120880A RU2157962C2 (en) | 1998-11-20 | 1998-11-20 | Method for supplementary phase modulation of ring interferometer of fiber-optical gyro |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98120880A RU2157962C2 (en) | 1998-11-20 | 1998-11-20 | Method for supplementary phase modulation of ring interferometer of fiber-optical gyro |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU98120880A RU98120880A (en) | 2000-08-27 |
RU2157962C2 true RU2157962C2 (en) | 2000-10-20 |
Family
ID=20212456
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98120880A RU2157962C2 (en) | 1998-11-20 | 1998-11-20 | Method for supplementary phase modulation of ring interferometer of fiber-optical gyro |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2157962C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2627015C1 (en) * | 2016-08-25 | 2017-08-02 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Way to improve the accuracy of compensation of parasitic effects in integrated-optical phase modulators of fiber-optic gyroscopes |
-
1998
- 1998-11-20 RU RU98120880A patent/RU2157962C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
SPIE vol 2292 Fiber optic and Laser sensors XII. 1994, pp. 156-165. Electrotechnology. - 01.89. pp.17-21. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2627015C1 (en) * | 2016-08-25 | 2017-08-02 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Way to improve the accuracy of compensation of parasitic effects in integrated-optical phase modulators of fiber-optic gyroscopes |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2769924B2 (en) | Optical fiber rotation sensor | |
JP5362180B2 (en) | Asynchronous demodulation of fiber optic gyroscope | |
EP0990118B1 (en) | Vibration error reduction servo for a fiber optic gyroscope | |
US4834538A (en) | Fibre optic gyroscope with nulling feedback control loop | |
JPS6129715A (en) | Device for measuring irreversible phase shift generated in closed loop interferometer | |
EP0990117B1 (en) | Fiber optic gyroscope vibration error compensator | |
JP2002500376A (en) | Fiber optic gyroscope | |
US5018859A (en) | Fiber optic gyroscope balanced plural serrodyne modulators phase difference control | |
US4969017A (en) | Measuring device for the measurement, in a wide range, of a non-reciprocal phase shift generated in a ring interferometer, and measuring method | |
EP1476718A1 (en) | Saw tooth bias modulation and loop closure for an interferometric fiber optic gyroscope | |
RU2157962C2 (en) | Method for supplementary phase modulation of ring interferometer of fiber-optical gyro | |
US5018860A (en) | Fiber optic gyroscope balanced plural serrodyne generators combined signal phase difference control | |
RU2343417C1 (en) | Method of low-frequency phase modulation for stabilisation of scale factor of fibre gyroscope | |
RU2246097C2 (en) | Method of phase modulation in ringular interferometer of fiber-optic gyro | |
US4840489A (en) | Interferometer gyroscope having two feedback loops | |
RU2482450C1 (en) | Apparatus for testing electronic unit of fibre-optic gyroscope | |
RU2194245C2 (en) | Method for carrying out optical fiber gyroscope ring interferometer beam phase modulation | |
RU2441202C2 (en) | Method for eliminating dead zones in fibre-optic gyroscope | |
RU2160885C1 (en) | Method of stabilization of scale factor of fiber-optical gyroscope | |
RU2130587C1 (en) | Method of processing of signal of circular interferometer of fiber-optics gyroscope (versions) | |
RU2160886C1 (en) | Procedure of processing of information of fiber-optical gyroscope | |
RU2626019C1 (en) | Method of improving accuracy of fibre-optic gyroscope with closed loop | |
RU2791671C1 (en) | Fiber optic angular velocity sensor and method for measuring angular velocity | |
RU2194246C1 (en) | Method for processing optical fiber gyroscope ring interferometer signal | |
JPH04270914A (en) | Synchronous detector |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091121 |