Датчик угловой скорости
ANGULAR RATE SENSOR

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно, к волоконно-оптическим устройствам для измерения угловой скорости с использованием эффекта Саньяка.
Измерение угловой скорости традиционно производится датчиками угловой скорости (ДУС) разного типа гироскопов, в том числе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), в котором чувствительным элементом (ЧЭ) является интерферометр Саньяка (ИС).
Из достигнутого технического уровня известна конструкция волоконно-оптического гироскопа на основе «минимальной» схемы интерферометра Саньяка, содержащий волоконно-оптический контур (ВОК) и узел интерференции. Обладая хорошей чувствительностью ДУС ВОГ в то же время имеет постоянный случайный дрейф угловой скорости, который снижает точность измерения. Это особенно актуально для навигации при длительном непрерывном периоде эксплуатации ВОГ, а также в верхних и нижних широтах Земли.
Технической проблемой является устранение вышеуказанного недостатка и создание устройства ВОГ с эффективной компенсацией дрейфа. Технический результат заключается в повышении точности измерения угловой скорости ДУС ВОГ.
Из уровня техники известен способ определения угловой скорости и компенсации дрейфа гироскопа, в том числе ВОГ, на основе двойного гирокомпассирования [Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы: Учеб. для вузов по спец. "Гироскоп. приборы и устройства"/Д.С. Пельпор, И.А. Михалев, В.А. Бауман.; Под ред. Д.С. Пельпора. - М: Высш. шк., 1988]. В этом случае измеряется угловая скорость в исходном положении, затем производится разворот устройства на 180° в пространстве и снова измеряется угловая скорость. Способ основан на том, что дрейф в ИС, зависит от пространственной ориентации ВОГ и меняет знак при повороте на 180°, а составляющая угловой скорости, измеряемая по вектору угловой скорости вращения Земли при развороте устройства на 180°, не изменяет знак на противоположный. Это используется для определения и компенсации дрейфа.
Основными недостатками известного метода являются необходимость разворота устройства на 180°, а также невозможность компенсировать дрейф непрерывно в процессе эксплуатации гироскопа. Кроме того, дрейф измеряется в разные моменты времени и может быть определен только в определенный период времени, что снижает степень точности выходных данных.
Близким техническим решением является патент US 8422021 В2 (опубликован 15.10.2010 г.) в котором дрейф компенсируется за счет переключения полярности модулирующего сигнала, подаваемого на фазовый модулятор и последующим вычитанием измеренных двух значений угловой скорости друг из друга. Недостатками данного решения являются необходимость переключения полярности модулирующего напряжения, что вносит дополнительные искажения в измеряемую угловую скорость, а измерение дрейфа и угловой скорости происходит в разные моменты времени, что снижает точность измерения.
Также близким решением является патент US 2016/0025494 А1 (опубликован 28 января 2016 года). В нем волоконный контур Саньяка замкнут с помощью двух оптических делителей 1×2 (один вход два выхода), что формирует волоконно-оптический резонатор, и обеспечивает увеличение чувствительности за счет неоднократного прохождения луча по контуру. При использовании в данном решении оптической схемы с двумя оптическими контурами, уровни оптической мощности в контурах значительно отличаются друг от друга, поскольку лучи проходят через включенные между ними делители и при последовательном соединении волоконно-оптических катушек дрейф невозможно эффективно скомпенсировать так как метод двойного гирокомпассирования в данной конструкции применить невозможно.
В части устройства поставленная проблема снижения дрейфа ДУС решается, а технический результат достигается тем, что в ДУС ВОГ за счет использования двух узлов интерференции с двумя входами/выходами и двух оптических катушек (ОК), замкнутых между собой с каждой стороны с помощью двух делителей (ОД) 2×2 (два входа два выхода) сформированы два противонаправленных в пространстве ИС, которые работают одновременно и постоянно без переключений в одном волоконно-оптическом контуре (ВОК).
На Фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого ДУС. На схеме для пояснения принципа работы ОК показаны раздельно. Стрелками показано направление намотки оптоволокна двух ОК.
Предлагаемый волоконно-оптический ДУС состоит из источника 1 когерентного лазерного излучения (ИИ) с двумя выходами и изоляторами для гашения обратного луча, двух оптических делителей 1×2 (один вход два выхода) (ОД) 2 и 3 через которые два луча раздельно подаются на чувствительный элемент (ЧЭ) 11 и через них же снимаются с ЧЭ и подаются для обработки сигнала на блок обработки 10 (БО). Применение ИИ1 с двумя выходами позволяет увеличить мощность, подаваемую в ЧЭ. БО10 обеспечивает преобразование оптического сигнала в электрическую форму и математическую обработку результатов измерений, управление работой ДУС.
Между входами/выходами А и В ЧЭ расположены два узла интерференции (УИ)4 и УИ5, выполненные, например, на интегрально-оптических модуляторах (ИОМ), две отдельные многовитковые волоконно-оптические катушки ОК8 и ОК9, которые замкнуты с обоих концов между собой через ОД 2×2 (два входа два выхода) 6 и 7. ОК 8 и 9, по меньшей мере, частично намотаны последовательно вокруг общей оси в одном направлении, что обеспечивает точность измерения и работу устройства. ОК8 и ОК9 могут наматываться, например, одна на другую, с использованием квадрупольного типа намотки. В результате ОК8, ОК9, ОД6 и ОД7 образуют замкнутый ВОК, который через ОД6 соединен с УИ4 соответственно в точке d и с, а через ОД7 с УИ5 в точке е и f.
В результате такого соединения ЧЭ имеет один ВОК и сформирован в виде двух противонаправленных (развернутых на 180° относительно друг друга) ИС1 и ИС2, тк входы/выходы А и В ЧЭ, развернуты в противоположные стороны относительно друг друга.
Рассмотрим работу устройства. На входы/выходы А и В ЧЭ от ИИ1 через ОД2 и ОД3 поступают два луча, один в УИ4 где делится на прямой (CW)1 и обратный луч (CCW)1, а второй через ОД3 в УИ5, где делится на CW2 и CCW2.
В ИС1 CW1 идет через УИ4 точку соединения с, ОД6, ОК9, ОД7, ОК8, ОД6, точку соединения d и на УИ4, луч CCW1 ИС1 идет в обратном направлении от УИ4, точки соединения d до точки соединения с, и в УИ4, где происходит интерференция лучей CW1 и CCW1.
В ИС2 луч CW2 идет через УИ5 точку соединения е, ОД7, ОК9, ОД6, ОК8, ОД7, точку соединения f и поступает на УИ5, а луч CCW2 ИС2 идет в обратном направлении от точки соединения f до точки соединения е. В УИ5 происходит интерференция лучей CW2 и CCW2, независимо от ИС1. Аналогично тому, как и в обычном ИС уровни выходной мощности оптического луча для ИС1 и ИС2 зависят от величины угловой скорости устройства.
Оба ИС1 и ИС2 равно чувствительны к угловой скорости, работают независимо друг от друга, т.к. каждая пара лучей CW1, CCW1 и CW2, CCW2 проходит по одним и тем же оптическим элементам замкнутого ВОК. Также в силу этого, дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой. С выхода А ЧЭ оптический сигнал ИС1 через ОД2 поступает на один вход БО10, а с выхода В ЧЭ оптический сигнал от ИС2 на другой вход БО10 где происходит их преобразование и математическая обработка.
Таким образом, в предлагаемой конструкции построенной на замкнутом ВОК реализованы два независимых ИС: ИС1 и ИС2.
Дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой т.к. их лучи проходят по одним и тем же оптическим компонентам одного и того же замкнутого ВОК и в один и тот же момент времени. Знаки случайного приращения (уменьшения) фаз оптических лучей, вызывающих дрейф, имеют противоположные знаки, поскольку ИС1 и ИС2 развернуты на 180°.
Приращение (уменьшение) угловых скоростей в ИС1 и ИС2 при вращении ДУС, равны между собой и имеют одинаковые знаки независимо от ориентирования на плоскости, в тч на 180° относительно друг друга.
Эти свойства ДУС, также, как и при двойном гирокомпассировании, используются в данном техническом решении, но постоянно и без разворота ДУС.
Угловая скорость для ИС1 на А выходе ЧЭ состоит их двух составляющих и определяется формулой:
1
где ω - угловая скорость на выходе А ЧЭ;
1.1
ω - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе А ЧЭ;
д1
ω- дрейф на выходе А ЧЭ.
Для ИС2 с выхода В ЧЭ определяется угловая скорость для противонаправленной ориентации, при этом величина и знак угловой скорости останутся без изменения, а дрейф имеет противоположный знак:
где
2
ω - угловая скорость на выходе В ЧЭ;
1.1
ω - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе В ЧЭ;
д2
- ω - дрейф на выходе В ЧЭ.
Выходные сигналы угловых скоростей с выходов А и В ЧЭ суммируются в БО10 и производится их математическая обработка. В результате на выходе БО10 угловая скорость будет соответствовать:
где
к
Ω- угловая скорость с учетом компенсации
1.1
ω - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе А ЧЭ;
1.1
ω - составляющая угловой скорости без дрейфа на выходе В ЧЭ;
д2
- ω -дрейф на выходе В ЧЭ;
д1
ω - дрейф на выходе А ЧЭ.
Случайные составляющие угловых скоростей т.е. дрейфы ИС1 и ИС2 коррелированы между собой, тк лучи проходят по одному и тому же оптоволокну замкнутого ВОК, измеряются в один и тот же момент времени на обоих ИС1 и ИС2 с выходов А и В ЧЭ, соответственно, при сложении после усреднения эффективно компенсируют друг друга, снижая общий уровень дрейфа ДУС.
Результат (3) в БО10 делится на два, либо учитывается при калибровке устройства. На выход БО10 подается значение угловой скорости с компенсированным уровнем дрейфа.
Техническое решение обеспечивает достижение заявленного технического результата: повышает точность определения угловой скорости за счет эффективного снижения дрейфа ДУС ВОГ, не требует переключения сигнала модуляции, и компенсации дрейфа идет непрерывно в один и тот же момент времени, без прерывания эксплуатации и обязательного разворота ДУС; позволяет проводить измерение угловой скорости, без задержки, в реальном масштабе времени.