[go: up one dir, main page]

RU2715479C1 - Method of determining transfer function of a phase modulator in a sagnac interferometer - Google Patents

Method of determining transfer function of a phase modulator in a sagnac interferometer Download PDF

Info

Publication number
RU2715479C1
RU2715479C1 RU2019107614A RU2019107614A RU2715479C1 RU 2715479 C1 RU2715479 C1 RU 2715479C1 RU 2019107614 A RU2019107614 A RU 2019107614A RU 2019107614 A RU2019107614 A RU 2019107614A RU 2715479 C1 RU2715479 C1 RU 2715479C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
transfer function
interferometer
phase modulator
phase
Prior art date
Application number
RU2019107614A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дарья Андреевна Погорелая
Михаил Андреевич Смоловик
Артем Сергеевич Алейник
Александр Николаевич Никитенко
Владимир Евгеньевич Стригалев
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО)
Priority to RU2019107614A priority Critical patent/RU2715479C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2715479C1 publication Critical patent/RU2715479C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to fiber optics. Method for determining the transfer function of a phase modulator in a Sagnac interferometer includes feeding a phase modulator electric input of a voltage control signal comprising an auxiliary meander signal, amplitude of which provides shift of the operating point of the interferometer to the linear portion of the interferometric function, and measurement of obtained signal of interferometer, which is used to determine transfer function of phase modulator. At the electric input of the phase modulator, simultaneously with the auxiliary signal, a second control signal of voltage in the form of a meander with an amplitude corresponding to the optical phase shift and with a certain period is supplied and the obtained signal of the interferometer is measured, from which the phase signal is calculated. Pulse characteristic of the phase modulator is calculated from the phase signal and, subjecting the obtained pulse characteristic to the method of identifying the transfer function, determining the desired transfer function of the phase modulator of the Sagnac interferometer.
EFFECT: high accuracy of determining the transfer function of a photomultiplier in a Sagnac interferometer.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики, в частности, к области создания волоконно-оптических датчиков физических величин, построенных по схеме интерферометра Саньяка, и может быть использовано для определения передаточной функции фазового модулятора (ФМ) в интерферометре Саньяка. Под передаточной функцией ФМ подразумевается функция преобразования электрического напряжения, приложенного к электродам ФМ, в сдвиг фазы оптического излучения, распространяющегося в ФМ. Передаточная функция ФМ определяет его амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.The invention relates to the field of fiber optics, in particular, to the field of creating fiber-optic sensors of physical quantities, constructed according to the Sagnac interferometer scheme, and can be used to determine the transfer function of the phase modulator (FM) in the Sagnac interferometer. By the transfer function of the FM is meant the function of converting the electrical voltage applied to the electrodes of the FM into a phase shift of the optical radiation propagating in the FM. The transfer function of the FM determines its amplitude-frequency and phase-frequency characteristics.

Известен способ измерения передаточной функции фазового модулятора (ФМ) в интерферометре Саньяка [Патент США №9518825, МПК G01C 19/72), дата публ. 18.09.2014]. Способ заключается в следующем: перед электрическим входом ФМ установлен цифровой фильтр, передаточная функция которого вычисляется адаптивным методом таким образом, чтобы она была обратна передаточной функции ФМ. Передаточную функцию ФМ вычисляют из передаточной функции цифрового фильтра в соответствии со следующим выражением:A known method of measuring the transfer function of a phase modulator (FM) in the Sagnac interferometer [US Patent No. 9518825, IPC G01C 19/72), date publ. 09/18/2014]. The method consists in the following: a digital filter is installed in front of the electrical input of the FM, the transfer function of which is calculated by the adaptive method so that it is inverse to the transfer function of the FM. The transfer function of the FM is calculated from the transfer function of a digital filter in accordance with the following expression:

НФМ(z)=1/НФЦ(z),H FM (z) = 1 / N FC (z),

где НФМ(z) - передаточная функция ФМ, НФЦ(z) - передаточная функция цифрового фильтра, z - комплексная переменная.where H FM (z) is the transfer function of the FM, H FC (z) is the transfer function of the digital filter, z is the complex variable.

Поскольку в известном способе ФМ в интерферометре Саньяка является частью оптической схемы волоконно-оптического гироскопа (ВОГ), в качестве сигнала ошибки для подстройки цифрового фильтра используют сигналы измерительного тракта ВОГ.Since in the known method, the FM in the Sagnac interferometer is part of the optical scheme of the fiber-optic gyroscope (FOG), the signals of the FOG measuring path are used as an error signal to fine-tune the digital filter.

Недостатками известного способа являются: необходимость больших вычислительных мощностей, осуществимость способа только в схеме обработки сигнала ВОГ и влияние на точность измерения передаточной функции ФМ параметров системы регулирования ВОГ.The disadvantages of this method are: the need for large computing power, the feasibility of the method only in the VOG signal processing scheme, and the influence on the measurement accuracy of the transfer function of the FM parameters of the VOG control system.

Известен способ измерения передаточной функции ФМ в интерферометре Саньяка, выбранный в качестве прототипа [Патент США №5504580, МПК G01C 19/72), дата публ. 30.11.1994]. Способ заключается в следующем: на электрический вход ФМ подают управляющий сигнал напряжения, представляющий собой меандр, амплитуда которого обеспечивает фазовый сдвиг рабочей точки интерферометра Саньяка на ±π/2 радиан, с периодическим сбросом управляющего напряжения, амплитуда которого соответствует фазовому сдвигу оптического сигнала на 2π радиан, причем частота сбросов во много раз меньше частоты меандра. Между выходом драйвера ФМ и электрическим входом ФМ устанавливают аналоговый фильтр, представляющий собой резистивно-емкостную схему, причем подбор номиналов емкости и сопротивления производится таким образом, чтобы отклик интерферометра Саньяка на управляющий сигнал напряжения представлял собой безынерционный процесс. Передаточная функция аналогового фильтра может быть вычислена исходя из подобранных номиналов резистивно-емкостной схемы, а передаточную функцию ФМ вычисляют из передаточной функции аналогового фильтра в соответствии со следующим выражением:A known method of measuring the transfer function of the FM in the Sagnac interferometer, selected as a prototype [US Patent No. 5504580, IPC G01C 19/72), date publ. November 30, 1994]. The method consists in the following: a voltage control signal is applied to the FM electrical input, which is a meander whose amplitude provides a phase shift of the operating point of the Sagnac interferometer by ± π / 2 radians, with a periodic reset of the control voltage, the amplitude of which corresponds to a phase shift of the optical signal by 2π radians , and the frequency of discharges is many times less than the frequency of the meander. Between the FM driver output and the FM electrical input, an analog filter is installed, which is a resistive-capacitive circuit, and the capacitance and resistance values are selected so that the response of the Sagnac interferometer to the control voltage signal is an inertialess process. The transfer function of the analog filter can be calculated based on the selected values of the resistive-capacitive circuit, and the transfer function of the FM is calculated from the transfer function of the analog filter in accordance with the following expression:

НФМ(z)=1/НФА(z),H FM (z) = 1 / N FA (z),

где НФА(z) - передаточная функция аналогового фильтра.where N FA (z) is the transfer function of the analog filter.

Недостатками известного способа являются: осуществление настройки аналогового фильтра в ручном режиме путем подбора номиналов сопротивления и емкости аналоговых компонентов, в качестве передаточной функции ФМ принята функция, имеющая один нуль и один полюс, что уменьшает точность измерения передаточной функции аналогового фильтра и, соответственно, передаточной функции ФМ.The disadvantages of this method are: the adjustment of the analog filter in manual mode by selecting the nominal values of the resistance and capacitance of the analog components, as the transfer function of the FM adopted a function having one zero and one pole, which reduces the accuracy of the measurement of the transfer function of the analog filter and, accordingly, the transfer function Fm.

Способ решает задачу повышения точности определения передаточной функции ФМ в интерферометре Саньяка.The method solves the problem of increasing the accuracy of determining the transfer function of the FM in the Sagnac interferometer.

Поставленная задача решается следующим образом. Способ определения передаточной функции ФМ в интерферометре Саньяка включает подачу на электрический вход фазового модулятора управляющего сигнала напряжения, содержащего вспомогательный сигнал в форме меандра, амплитуда которого обеспечивает сдвиг рабочей точки интерферометра на линейный участок интерферометрической функции, и измерение полученного сигнала интерферометра, который используют для определения передаточной функции фазового модулятора. Новым является то, что на электрический вход фазового модулятора одновременно со вспомогательным сигналом подают второй управляющий сигнал напряжения в форме меандра с амплитудой, соответствующей оптическому сдвигу фаз Δϕ1=Nπ (где N=1,2,3…) и с периодом Т >> τ, где τ - время обхода оптическим сигналом волоконно-оптического контура интерферометра Саньяка, и измеряют полученный сигнал интерферометра Sинт из которого рассчитывают фазовый сигнал

Figure 00000001
где
Figure 00000002
где
Figure 00000003
- среднее значение сигнала
Figure 00000004
K=Т/τ - количество отсчетов длительностью τ в периоде T сигнала Sинт, k=[1…K/2] - порядковый номер отсчета сигнала
Figure 00000005
N - количество периодов T в сигнале Sинт,
Figure 00000006
=[1…N]- порядковый номер периода, причем Ф[1]=2Δϕ1, а из фазового сигнала Ф рассчитывают импульсную характеристику фазового модулятора SФМ, согласно выражению
Figure 00000007
и, подвергая полученную импульсную характеристику методу идентификации передаточной функции, определяют искомую передаточную функцию фазового модулятора интерферометра Саньяка.The problem is solved as follows. The method for determining the transfer function of the FM in the Sagnac interferometer includes applying to the electrical input of the phase modulator a control voltage signal containing an auxiliary signal in the form of a meander, the amplitude of which provides a shift of the operating point of the interferometer by a linear portion of the interferometric function, and measuring the received signal of the interferometer, which is used to determine the transfer phase modulator functions. New is that the second voltage control signal in the form of a meander with an amplitude corresponding to the optical phase shift Δϕ 1 = Nπ (where N = 1,2,3 ...) and with a period T >> is fed to the electrical input of the phase modulator simultaneously with an auxiliary signal τ, where τ is the time of the optical signal bypassing the fiber-optic circuit of the Sagnac interferometer, and the received signal of the interferometer S int is measured from which the phase signal is calculated
Figure 00000001
Where
Figure 00000002
Where
Figure 00000003
- average signal value
Figure 00000004
K = T / τ - the number of samples of duration τ in the period T of the signal S int , k = [1 ... K / 2] - the serial number of the signal sample
Figure 00000005
N is the number of periods T in the signal S int ,
Figure 00000006
= [1 ... N] is the sequence number of the period, with Ф [1] = 2Δϕ 1 , and from the phase signal Ф the impulse response of the phase modulator S FM is calculated, according to the expression
Figure 00000007
and, subjecting the obtained impulse response to the identification function of the transfer function, determine the desired transfer function of the phase modulator of the Sagnac interferometer.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. На ФМ подают сигнал модуляции специальной формы, представляющий сумму двух сигналов: первый сигнал M1 представляет собой меандр с амплитудой, соответствующей оптическому сдвигу фаз Δϕ1=Nπ (где N=1,2,3…), и с периодом Т, где Т/2 - время, достаточное для получения передаточной функции, причем Т >> τ, где τ - время обхода оптическим сигналом волоконно-оптического контура интерферометра Саньяка; второй вспомогательный сигнал M2 представляет собой меандр с амплитудой, соответствующей оптическому сдвигу фаз Δϕ2=π/4 с периодом 2τ.The essence of the invention is illustrated as follows. A special modulation signal is applied to the FM, representing the sum of two signals: the first signal M 1 is a meander with an amplitude corresponding to the optical phase shift Δϕ 1 = Nπ (where N = 1,2,3 ...), and with a period T, where T / 2 is the time sufficient to obtain the transfer function, and T >> τ, where τ is the time of the optical signal bypassing the fiber-optic circuit of the Sagnac interferometer; the second auxiliary signal M 2 is a meander with an amplitude corresponding to the optical phase shift Δϕ 2 = π / 4 with a period of 2τ.

Половина периода сигнала М1 длительностью Т/2 представляет собой ступенчатое воздействие с амплитудой 2Δϕ1, функция которого в z-пространстве выражается следующим образом:Half of the period of a signal M 1 of duration T / 2 is a stepwise action with an amplitude of 2Δϕ 1 , whose function in z-space is expressed as follows:

Figure 00000008
Figure 00000008

Учитывая, что волоконный контур интерферометра Саньяка задерживает распространяющийся по нему оптический сигнал на время τ, передаточную функцию волоконного контура НВК можно представить как линию задержки, и выразить ее следующим образом:Given that the fiber circuit of the Sagnac interferometer delays the optical signal propagating through it for a time τ, the transfer function of the fiber circuit H VK can be represented as a delay line, and expressed as follows:

Figure 00000009
Figure 00000009

Учитывая (1), (2) и передаточную функцию ФМ НФМ, фазовый сдвиг интерферометра Саньяка ΔϕИС1 при подаче на ФМ сигнала М1 выражается следующим образом:Given (1), (2) and the transfer function of the FM N FM , the phase shift of the Sagnac interferometer Δϕ IS1 when applying the M 1 signal to the FM is expressed as follows:

Figure 00000010
Figure 00000010

Согласно (3) ΔϕИС1 является реакцией ФМ на дельта-функцию с амплитудой 2Δϕ1. Таким образом, при подаче на электроды ФМ интерферометра Саньяка ступенчатого воздействия, результирующая разность фаз интерферометра Саньяка представляет собой импульсную характеристику ФМ, что обусловлено компенсационным характером интерферометра Саньяка: ступенчатое изменение сигнала модуляции вызывает ненулевую разность фаз интерферометра Саньяка только в течение времени τ после скачка сигнала модуляции.According to (3), Δϕ IS1 is the FM response to the delta function with an amplitude of 2Δϕ 1 . Thus, when a step effect is applied to the FM electrodes of the Sagnac interferometer, the resulting phase difference of the Sagnac interferometer is the impulse response of the FM, which is due to the compensatory nature of the Sagnac interferometer: a stepwise change in the modulation signal causes a non-zero phase difference of the Sagnac interferometer only during the time τ after the jump of the modulation signal .

Однако, поскольку интерферометр Саньяка характеризуется малой чувствительностью при нахождении рабочей точки в области вершины косинусоидальной интерферометрической зависимости, то в сигнал модуляции добавляют вспомогательный меандр М2 с периодом 2τ и амплитудой, обеспечивающей смещение рабочей точки интерферометра на наиболее чувствительный участок косинусоидального интерферометрического отклика - в точку квадратуры.However, since the Sagnac interferometer is characterized by low sensitivity when the operating point is located in the region of the apex of the cosine interferometric dependence, an auxiliary meander M 2 with a period of 2τ and amplitude is added to the modulation signal, which ensures the displacement of the operating point of the interferometer by the most sensitive part of the cosine sinusoidal interferometric response - to the quadrature point .

Прямоугольный смещающий сигнал М2 выражается в z-пространстве следующим образом:The rectangular bias signal M 2 is expressed in z-space as follows:

Figure 00000011
Figure 00000011

Учитывая (2) и (4), фазовый сдвиг интерферометра Саньяка ΔϕИС2 при подаче на ФМ сигнала М2 выражается следующим образом:Given (2) and (4), the phase shift of the Sagnac interferometer Δϕ IS2 when the FM signal M 2 is applied is expressed as follows:

Figure 00000012
Figure 00000012

Ввиду того, что выражение (5) содержит только одну гармонику, соответствующую частоте меандра М2, передаточную функцию НФМ на данной частоте можно принять равной единице. С учетом такого допущения, выражение (5) преобразуется следующим образом:Due to the fact that expression (5) contains only one harmonic corresponding to the frequency of the meander M 2 , the transfer function H FM at a given frequency can be taken equal to unity. Given this assumption, expression (5) is transformed as follows:

Figure 00000013
Figure 00000013

Согласно (6) ΔϕИС2 представляет собой меандр с амплитудой π/2.According to (6), Δϕ IS2 is a meander with amplitude π / 2.

Согласно заявляемому способу, на сдвиг фаз интерферометра Саньяка ΔϕИС оказывают влияние: сигнал модуляции (М12), передаточная функция волоконного контура интерферометра Саньяка НВК, а также передаточная функция ФМ НФМ. Таким образом, с учетом (3) и (6) фазовый сдвиг интерферометра Саньяка при подаче на ФМ сигнала (М12) выражается следующим образом:According to the claimed method, the phase shift of the Sagnac interferometer Δϕ of the IC is affected by the modulation signal (M 1 + M 2 ), the transfer function of the fiber circuit of the Sagnac interferometer N VK , as well as the transfer function of the FM N FM . Thus, taking into account (3) and (6), the phase shift of the Sagnac interferometer when a signal is fed to the FM (M 1 + M 2 ) is expressed as follows:

Figure 00000014
Figure 00000014

Первое слагаемое выражения (7) представляет собой импульсную характеристику ФМ, а второе слагаемое выражения (7) не содержит информацию о передаточной функции ФМ, и служит в качестве вспомогательного сигнала для смещения рабочей точки интерферометра Саньяка на линейный участок косинусоидального интерферометрического отклика, и демодулируется в соответствии с алгоритмом демодуляции, сущность которого поясняется следующим:The first term of expression (7) is the impulse response of the FM, and the second term of expression (7) does not contain information about the transfer function of the FM, and serves as an auxiliary signal for shifting the operating point of the Sagnac interferometer to a linear portion of the cosine interferometric response, and is demodulated in accordance with a demodulation algorithm, the essence of which is illustrated by the following:

1) Зарегистрированный выходной сигнал интерферометра, Sинт, усредняют по времени Т, где Т - период сигнала модуляции М1, для уменьшения случайной погрешности измерения. Для дальнейших операций используют сигнал

Figure 00000015
равный половине полученного усредненного сигнала длительностью Т/2, соответствующий ступенчатому воздействию сигнала М1. Преобразованный таким образом сигнал интерферометра имеет вид:1) The recorded output signal of the interferometer, S int , is averaged over time T, where T is the period of the modulation signal M 1 , to reduce the random measurement error. For further operations use a signal
Figure 00000015
equal to half the received average signal of duration T / 2, corresponding to the stepwise effect of the signal M 1 . The interferometer signal thus transformed has the form:

Figure 00000016
Figure 00000016

где K=T/τ - количество отсчетов длительностью τ в периоде T сигнала SИНТ, k=[1…K/2] - порядковый номер отсчета сигнала

Figure 00000017
N - количество периодов T в сигнале SИНТ,
Figure 00000006
=[1…N] - порядковый номер периода.where K = T / τ is the number of samples of duration τ in the period T of the signal S INT , k = [1 ... K / 2] is the serial number of the signal sample
Figure 00000017
N is the number of periods T in the signal S INT ,
Figure 00000006
= [1 ... N] - serial number of the period.

2) Интерферометрический отклик интерферометра Саньяка,

Figure 00000018
имеет косинусоидальную зависимость и, при подаче на ФМ сигнала (М12), выражается как:2) Interferometric response of the Sagnac interferometer,
Figure 00000018
has a cosine dependence and, when a signal is applied to the FM (M 1 + M 2 ), it is expressed as:

Figure 00000019
Figure 00000019

где I1, I2 - интенсивности интерферирующих оптических сигналов, ΔϕE - фазовый сдвиг интерферометра Саньяка, вызванный внешними воздействиями на волоконный контур интерферометра.where I 1 , I 2 are the intensities of the interfering optical signals, Δϕ E is the phase shift of the Sagnac interferometer caused by external influences on the fiber circuit of the interferometer.

Учитывая I1 и I2 в выражении (8), полученную выборку данных

Figure 00000020
нормируют на среднее значение и вычитают постоянную составляющую. Поскольку вычитание постоянной составляющей производят после указанной нормировки, то это равносильно вычитанию единицы из нормированного значения.Given I 1 and I 2 in expression (8), the resulting data sample
Figure 00000020
normalize to the average value and subtract the constant component. Since the subtraction of the constant component is performed after the specified normalization, this is equivalent to subtracting the unit from the normalized value.

Ввиду косинусоидальной зависимости интерферометрического отклика (8) производят линеаризацию отклика. Для этого из полученных данных вычисляют функцию Arccos, а поскольку в соответствии с выражением (7) второе слагаемое ΔϕИС смещает рабочую точку интерферометра на π/2 радиан, то дополнительно вычитают π/2. Принимая во внимание известное равенство

Figure 00000021
текущий шаг демодуляции может быть также реализован вычислением функции Arcsin от полученных данных. Рассчитанный таким образом фазовый сигнал Ф, содержащий информацию о передаточной функции ФМ, имеет вид:In view of the cosine dependence of the interferometric response (8), the response is linearized. For this, the Arccos function is calculated from the obtained data, and since, in accordance with expression (7), the second term Δϕ of the IC shifts the operating point of the interferometer by π / 2 radians, π / 2 is additionally subtracted. Given the well-known equality
Figure 00000021
the current demodulation step can also be implemented by calculating the Arcsin function of the received data. The phase signal Ф calculated in this way, containing information on the transfer function of the FM, has the form:

Figure 00000022
Figure 00000022

где

Figure 00000023
- среднее значение сигнала
Figure 00000024
Where
Figure 00000023
- average signal value
Figure 00000024

3) Поскольку функция интерференции периодична с периодом 2π, необходимо восстановить фазовый сдвиг первой точки отклика интерферометра, который в соответствии с сигналом модуляции М1 кратен 2π и составляет величину 2Δϕ1. Соответственно, первой точке полученных данных присваивают значение 2Δϕ1:3) Since the interference function is periodic with a period of 2π, it is necessary to restore the phase shift of the first response point of the interferometer, which, in accordance with the modulation signal M 1, is a multiple of 2π and amounts to 2Δϕ 1 . Accordingly, the first point of the obtained data is assigned the value 2Δϕ 1 :

Ф[1]=2Δϕ1.Ф [1] = 2Δϕ 1 .

4) Вспомогательный сигнал модуляции М2 представляет собой меандр с периодом 2τ, смещающий рабочую точку интерферометра Саньяка в точки ±π/2, в которых функция косинуса имеет различный характер - в одном случае убывающий, а в другом возрастающий. Поэтому вследствие фазового сдвига интерферометра, вызванного передаточной функцией ФМ и внешними воздействиями на волоконный контур интерферометра, четные и нечетные отсчеты выборки данных смещены относительно нулевого значения с разным знаком. Таким образом, следующим шагом алгоритма демодуляции берут абсолютные значения выборки данных - |Ф|.4) The auxiliary signal of modulation M 2 is a meander with a period of 2τ, which shifts the operating point of the Sagnac interferometer to the points ± π / 2, in which the cosine function has a different character - in one case it decreases and increases in the other. Therefore, due to the phase shift of the interferometer caused by the transfer function of the FM and external influences on the fiber circuit of the interferometer, the even and odd samples of the data sample are shifted relative to the zero value with a different sign. Thus, the next step in the demodulation algorithm is the absolute values of the data sample - | Ф |.

При воздействии на волоконный контур интерферометра Саньяка различных внешних факторов, таких как угловое вращение или магнитное поле, возникает наведенный фазовый сдвиг, пропорциональный величине данного воздействия ΔϕE в выражении (8). При измерении передаточной функции ФМ в интерферометре Саньяка такие воздействия на волоконный контур должны оставаться постоянными в течение всего измерения. Для исключения влияния ΔϕE на результаты измерения передаточной характеристики ФМ производят вычитание постоянной составляющей, обусловленной ΔϕE, получая тем самым реакцию ФМ на импульсное воздействие.When various external factors, such as angular rotation or a magnetic field, act on a fiber circuit of a Sagnac interferometer, an induced phase shift occurs, which is proportional to the value of this action Δϕ E in expression (8). When measuring the transfer function of the FM in a Sagnac interferometer, such effects on the fiber circuit must remain constant throughout the entire measurement. To exclude the influence of Δϕ E on the measurement results of the FM transfer characteristic, the constant component due to Δϕ E is subtracted, thereby obtaining the FM response to the pulsed effect.

Полученную реакцию ФМ на импульсное воздействие амплитудой 2Δϕ1 нормируют на величину 2Δϕ1, тем самым получая импульсную характеристику ФМ, SФМ, - реакцию на единичное импульсное воздействие:The resulting FM response to a pulsed action with an amplitude of 2Δϕ 1 is normalized to 2Δϕ 1 , thereby obtaining a pulsed FM response, S FM , is a response to a single pulsed effect:

Figure 00000025
Figure 00000025

5) Полученную импульсную характеристику ФМ подвергают одному из известных методов идентификации передаточной функции, например, методу авторегрессии, определяя тем самым искомую передаточную функцию ФМ.5) The obtained impulse response of the FM is subjected to one of the known methods for identifying the transfer function, for example, the autoregressive method, thereby determining the desired transfer function of the FM.

Чем больше порядок передаточной функции, тем точнее она определяет динамические свойства объекта, в данном случае ФМ интерферометра Саньяка. Следовательно, под точностью способа определения передаточной функции подразумевают порядок передаточной функции, с точностью до которого способ позволяет ее определить. В сравнении с прототипом, где передаточная функция ФМ определяется с точностью до первого порядка, ввиду ограничения, накладываемого количеством используемых компонентов аналогового фильтра, заявляемый способ позволяет определять искомую передаточную функцию ФМ с точностью до более высокого порядка, ввиду того, что ее определение производят по импульсной характеристике ФМ, полученной в цифровом виде с высоким разрешением. Таким образом, в заявляемом способе точность определения передаточной функции ФМ в интерферометре Саньяка определяется разрешающей способностью измерительной системы, используемой для получения импульсной характеристики ФМ, и выбранным методом идентификации передаточной функции.The greater the order of the transfer function, the more accurately it determines the dynamic properties of the object, in this case, the Sagnac interferometer. Therefore, by the accuracy of the method for determining the transfer function is meant the order of the transfer function, to the accuracy of which the method allows to determine it. In comparison with the prototype, where the transfer function of the FM is determined to the first order, due to the limitation imposed by the number of used components of the analog filter, the inventive method allows to determine the desired transfer function of the FM with an accuracy of a higher order, due to the fact that it is determined by the pulse FM characteristics obtained in digital form with high resolution. Thus, in the claimed method, the accuracy of determining the transfer function of the FM in the Sagnac interferometer is determined by the resolution of the measuring system used to obtain the impulse response of the FM, and the selected method of identifying the transfer function.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами.The essence of the proposed method is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 показана структурная схема интерферометра Саньяка, дополненного блоком модуляции/демодуляции для измерения передаточной функции ФМ.In FIG. 1 shows a block diagram of a Sagnac interferometer supplemented with a modulation / demodulation unit for measuring the transfer function of the FM.

На Фиг. 2 показаны а) сигнал модуляции, подаваемый на электрический вход ФМ; б) идеальный фазовый сдвиг интерферометра Саньяка для описанного сигнала модуляции; в) фазовый сигнал Ф, рассчитанный из измеренноого сигнала интерферометра и содержащий информацию об импульсной характеристике ФМ; г) импульсная характеристика ФМ интерферометра Саньяка SФМ, полученная описанным способом.In FIG. 2 shows a) a modulation signal supplied to the FM electrical input; b) the ideal phase shift of the Sagnac interferometer for the described modulation signal; c) phase signal Ф calculated from the measured signal of the interferometer and containing information about the impulse response of the FM; d) the impulse response of the FM Sagnac S FM interferometer obtained by the described method.

Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг. 1. Устройство содержит источник оптического излучения 1, оптический X-разветвитель 2, оптический разветвитель 3 (X или Y типа), фазовый модулятор (ФМ) 4 и волоконный контур 5, которые вместе образуют интерферометр Саньяка или кольцевой интерферометр. Цепь регистрации оптического сигнала содержит фотоприемное устройство 6 и электрическую схему усиления 7. Блок модуляции/демодуляции 8 реализует алгоритм демодуляции сигнала, полученного от усилителя 7, и формирует сигнал модуляции, поступающий в электрическую схему усиления 9, с выхода которой сигнал подается на электрический вход ФМ 4. ФМ 4 может быть объединен с оптическим разветвителем 3 в единую многофункциональную интегрально-оптическую схему.The inventive method can be carried out using the device shown in FIG. 1. The device contains an optical radiation source 1, an optical X-coupler 2, an optical coupler 3 (X or Y type), a phase modulator (FM) 4 and a fiber circuit 5, which together form a Sagnac interferometer or a ring interferometer. The optical signal registration circuit contains a photodetector 6 and an amplification circuit 7. The modulation / demodulation unit 8 implements a demodulation algorithm for the signal received from the amplifier 7 and generates a modulation signal supplied to the amplification circuit 9, from the output of which the signal is supplied to the FM input 4. FM 4 can be combined with an optical splitter 3 into a single multifunctional integrated optical circuit.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Оптическое излучение от источника 1 поступает на вход Х-разветвителя 2 и далее на вход разветвителя 3, который обеспечивает разделение входящего излучения на два оптических пучка равной интенсивности, каждый из которых обходит волоконный контур 5 во встречных направлениях, а также модулируется по фазе при прохождении ФМ 4. Далее оба луча вновь объединяются в разветвителе 3, суммарный оптический пучок проходит через Х-разветвитель 2, после чего поступает на фотоприемное устройство 6, регистрирующее интерферометрический отклик интерферометра Саньяка, Sинт. Ток фотоприемного устройства 6 усиливается схемой усиления 7, сигнал с выхода которой попадает в блок модуляции/демодуляции 8, где зарегистрированный интерферометрический отклик подвергается описанному алгоритму демодуляции. Блок модуляции/демодуляции 8 формирует сигнал модуляции, представляющий сумму двух сигналов: меандра M1 (с амплитудой, соответствующей оптическому сдвигу фаз Δϕ1=Nπ (где N=1,2,3…), и с периодом Т, где Т/2 - время, достаточное для получения передаточной функции, причем Т >> τ, где τ - время обхода оптическим сигналом волоконного контура 5) и меандра М2 с амплитудой, соответствующей оптическому сдвигу фаз Δϕ2=π/4, и с периодом 2τ. Далее сформированный сигнал модуляции проходит через электрическую схему усиления 9 и попадает на электрический вход ФМ 4.The inventive method is as follows. The optical radiation from the source 1 is fed to the input of the X-splitter 2 and then to the input of the splitter 3, which ensures the separation of the incoming radiation into two optical beams of equal intensity, each of which bypasses the fiber circuit 5 in opposite directions, and is also phase modulated when passing through the FM 4. Next, both beams are again combined in the splitter 3, the total optical beam passes through the X-splitter 2, and then enters the photodetector 6, which records the interferometric response of the interferometer a Sagnac, S int . The current of the photodetector 6 is amplified by the amplification circuit 7, the output signal of which falls into the modulation / demodulation unit 8, where the recorded interferometric response is subjected to the described demodulation algorithm. The modulation / demodulation unit 8 generates a modulation signal representing the sum of two signals: the meander M 1 (with an amplitude corresponding to the optical phase shift Δϕ 1 = Nπ (where N = 1,2,3 ...), and with a period T, where T / 2 is the time sufficient to obtain the transfer function, and T >> τ, where τ is the time taken by the optical signal to traverse the fiber circuit 5) and the meander М 2 with an amplitude corresponding to the optical phase shift Δϕ 2 = π / 4 and with a period of 2τ. Next, the generated modulation signal passes through the amplification circuit 9 and enters the electrical input FM 4.

В результате описанного алгоритма демодуляции блок модуляции/демодуляции 8 вычисляет искомую передаточную функцию ФМ, НФМ.As a result of the described demodulation algorithm, the modulation / demodulation unit 8 calculates the desired transfer function FM, N FM .

В качестве конкретного примера предлагается способ измерения передаточной функции ФМ интерферометра Саньяка, в котором в качестве ФМ и оптического X-разветвителя (поз. 3 и 4 на фиг. 1) выступает многофункциональная интегрально-оптическая схема (МИОС), выполненная на основе монокристаллической пластины ниобата лития (LiNbO3) х-среза, канальные волноводы которой выполнены по технологии диффузии титана. В качестве источника оптического излучения выступает эрбиевый волоконный суперлюминесцентный источник с центральной длиной волны 1550 нм. В качестве оптического разветвителя (поз. 2 на фиг. 1) выступает волоконный Х-разветвитель с коэффициентом деления 50/50. Интерференционный оптический отклик с волоконно-оптического Х-разветвителя 2 поступает на фотоприемное устройство, в качестве которого выступает фотодиод PDI-80, и электрическую схему усиления, основанную на трансимпедансном усилителе ADA4817. Алгоритм демодуляции зарегистрированного интерферометрического отклика реализован в блоке модуляции/демодуляции, который представляет собой совокупность аналого-цифрового преобразователя с разрешением 18 бит, который преобразует аналоговый электрический сигнал с фотоприемного устройства и усилителя в цифровую форму, программируемой логической интегральной схемы, в которой реализованы алгоритмы демодуляции и формирования сигнала модуляции, а также цифро-аналогового преобразователя с разрешением 20 бит, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый электрический сигнал, который подается на вход электрической схемы усиления, с выхода которой поступает на электрический вход ФМ.As a specific example, we propose a method for measuring the transfer function of an FM Sagnac interferometer, in which a multifunctional integrated-optical circuit (MIOS) made on the basis of a single-crystal niobate plate acts as an FM and an optical X-coupler (items 3 and 4 in FIG. 1) lithium (LiNbO 3 ) x-cut, the channel waveguides of which are made using titanium diffusion technology. An erbium fiber superluminescent source with a central wavelength of 1550 nm acts as a source of optical radiation. As an optical splitter (pos. 2 in Fig. 1), a fiber X-splitter with a division ratio of 50/50 acts. The interference optical response from the fiber optic X-splitter 2 is fed to a photodetector, which is a PDI-80 photodiode, and an amplification circuit based on the ADA4817 transimpedance amplifier. The algorithm for demodulating the recorded interferometric response is implemented in a modulation / demodulation unit, which is a combination of an analog-to-digital converter with a resolution of 18 bits, which converts an analog electrical signal from a photodetector and amplifier into digital form, a programmable logic integrated circuit, in which demodulation algorithms and generating a modulation signal, as well as a digital-to-analog converter with a resolution of 20 bits, which converts digitally th signal into an analog electric signal, which is fed to the input of the amplification electric circuit, the output of which is fed to the FM electrical input.

На фиг. 2. показаны сигналы, полученные экспериментальным путем в соответствии с предложенным способом. На основе импульсной характеристики (фиг. 2, г) с помощью авторегрессионного метода была вычислена передаточная функция ФМ. Полученная передаточная функция ФМ, используемого в измерениях, представленных на фиг. 2, имеет вид фильтра нижних частот шестого порядка:In FIG. 2. shows the signals obtained experimentally in accordance with the proposed method. Based on the impulse response (Fig. 2, d) using the autoregressive method, the transfer function of the FM was calculated. The resulting transfer function of the FM used in the measurements shown in FIG. 2, has the form of a sixth order low pass filter:

Figure 00000026
Figure 00000026

Таким образом, заявляемый способ позволяет определять передаточную функцию ФМ в интерферометре Саньяка с повышенной точностью.Thus, the inventive method allows to determine the transfer function of the FM in the Sagnac interferometer with increased accuracy.

Claims (1)

Способ определения передаточной функции фазового модулятора в интерферометре Саньяка, включающий подачу на электрический вход фазового модулятора управляющего сигнала напряжения, содержащего вспомогательный сигнал в форме меандра, амплитуда которого обеспечивает сдвиг рабочей точки интерферометра на линейный участок интерферометрической функции, и измерение полученного сигнала интерферометра, который используют для определения передаточной функции фазового модулятора, отличающийся тем, что на электрический вход фазового модулятора одновременно со вспомогательным сигналом подают второй управляющий сигнал напряжения в форме меандра с амплитудой, соответствующей оптическому сдвигу фаз Δϕ1=Nπ (где N=1,2,3…), и с периодом Т >> τ, где τ - время обхода оптическим сигналом волоконно-оптического контура интерферометра Саньяка, и измеряют полученный сигнал интерферометра Sинт, по которому рассчитывают фазовый сигнал
Figure 00000027
где
Figure 00000028
где
Figure 00000029
- среднее значение сигнала
Figure 00000030
K=T/τ - количество отсчетов длительностью τ в периоде T сигнала Sинт, k=(1…K/2] - порядковый номер отсчета сигнала
Figure 00000031
N - количество периодов Т в сигнале Sинт,
Figure 00000032
=[1…N] - порядковый номер периода, причем Ф[1]=2Δϕ1, а из фазового сигнала Ф рассчитывают импульсную характеристику фазового модулятора SФМ согласно выражению
Figure 00000033
и, подвергая полученную импульсную характеристику методу идентификации передаточной функции, определяют искомую передаточную функцию фазового модулятора интерферометра Саньяка.
A method for determining the transfer function of a phase modulator in a Sagnac interferometer, comprising applying to the electrical input of the phase modulator a control voltage signal containing an auxiliary signal in the form of a meander whose amplitude provides a shift of the operating point of the interferometer by a linear portion of the interferometric function, and measuring the received signal of the interferometer, which is used for determining the transfer function of the phase modulator, characterized in that the electrical input of the phase module simultaneously with the auxiliary signal, the second voltage control signal is supplied in the form of a meander with an amplitude corresponding to the optical phase shift Δϕ 1 = Nπ (where N = 1,2,3 ...), and with a period T >> τ, where τ is the optical bypass time the signal of the fiber-optic circuit of the Sagnac interferometer, and measure the received signal of the interferometer S int , which is used to calculate the phase signal
Figure 00000027
Where
Figure 00000028
Where
Figure 00000029
- average signal value
Figure 00000030
K = T / τ - the number of samples of duration τ in the period T of the signal S int , k = (1 ... K / 2] - the serial number of the signal sample
Figure 00000031
N is the number of periods T in the signal S int ,
Figure 00000032
= [1 ... N] is the sequence number of the period, and Ф [1] = 2Δϕ 1 , and from the phase signal Ф the impulse response of the phase modulator S FM is calculated according to the expression
Figure 00000033
and, exposing the obtained impulse response to the identification function of the transfer function, determine the desired transfer function of the phase modulator of the Sagnac interferometer.
RU2019107614A 2019-03-15 2019-03-15 Method of determining transfer function of a phase modulator in a sagnac interferometer RU2715479C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019107614A RU2715479C1 (en) 2019-03-15 2019-03-15 Method of determining transfer function of a phase modulator in a sagnac interferometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019107614A RU2715479C1 (en) 2019-03-15 2019-03-15 Method of determining transfer function of a phase modulator in a sagnac interferometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2715479C1 true RU2715479C1 (en) 2020-02-28

Family

ID=69768129

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019107614A RU2715479C1 (en) 2019-03-15 2019-03-15 Method of determining transfer function of a phase modulator in a sagnac interferometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2715479C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504580A (en) * 1994-11-30 1996-04-02 Alliedsignal Inc. Tuned integrated optic modulator on a fiber optic gyroscope
US9518825B2 (en) * 2013-03-12 2016-12-13 Northrop Grumman Litef Gmbh Suppression of lock-in effect due to a MIOC frequency response in a fiber-optic Sagnac interferometer
RU2622278C2 (en) * 2013-05-02 2017-06-13 Хэллибертон Энерджи Сервисиз, Инк. Device and method of impulses determination, using the sagnac interferometer in the telemetry system with high speed of data transmission
RU2016116474A (en) * 2016-04-27 2017-11-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" A method of increasing the accuracy of a fiber optic gyroscope by suppressing spurious effects in integrated optical phase modulators

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504580A (en) * 1994-11-30 1996-04-02 Alliedsignal Inc. Tuned integrated optic modulator on a fiber optic gyroscope
US9518825B2 (en) * 2013-03-12 2016-12-13 Northrop Grumman Litef Gmbh Suppression of lock-in effect due to a MIOC frequency response in a fiber-optic Sagnac interferometer
RU2622278C2 (en) * 2013-05-02 2017-06-13 Хэллибертон Энерджи Сервисиз, Инк. Device and method of impulses determination, using the sagnac interferometer in the telemetry system with high speed of data transmission
RU2016116474A (en) * 2016-04-27 2017-11-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" A method of increasing the accuracy of a fiber optic gyroscope by suppressing spurious effects in integrated optical phase modulators

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5362180B2 (en) Asynchronous demodulation of fiber optic gyroscope
JP4034847B2 (en) Method and apparatus for suppressing cross coupling in a fiber optic gyroscope employing overmodulation
EP1627204B1 (en) Eigen frequency detector for sagnac interferometers
US10578436B2 (en) Measuring system and gyrometer comprising such a system
JPH05272982A (en) Method and device for measuring rotation speed
US7505139B2 (en) Signal processing for a Sagnac interferometer
EP0393987A2 (en) Ring resonator gyro
JP3441169B2 (en) Synchronous signal detector
EP0431474B1 (en) Fiber optic gyro
RU2715479C1 (en) Method of determining transfer function of a phase modulator in a sagnac interferometer
RU2566412C1 (en) Method to increase accuracy of fibre-optic gyroscope due to suppression of parasitic effects in integral-optical phase modulators
JP3307723B2 (en) Phase difference detection method, phase difference detection circuit, and phase difference detection device
RU2246097C2 (en) Method of phase modulation in ringular interferometer of fiber-optic gyro
AU2018377066B2 (en) A system for interrogating an interferometer, an interferometric system and a method for interrogating an interferometer
GB2228319A (en) A ring resonator gyro
RU2441202C2 (en) Method for eliminating dead zones in fibre-optic gyroscope
US5345307A (en) Linear phase ramp type fiber optic gyro having ramp reset and reset connection signals
RU2160886C1 (en) Procedure of processing of information of fiber-optical gyroscope
RU2160885C1 (en) Method of stabilization of scale factor of fiber-optical gyroscope
JP2021081334A (en) Optical fiber gyro, control method therefor and control device
RU2626019C1 (en) Method of improving accuracy of fibre-optic gyroscope with closed loop
RU2523759C1 (en) Angular velocity range extension for open-circuit fibre-optic gyro
JP7380382B2 (en) range finder
RU2194246C1 (en) Method for processing optical fiber gyroscope ring interferometer signal
RU2512598C1 (en) Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope