СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
METHOD OF ANGULAR SPEED DETERMINATION

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости, использующим эффект Саньяка, и может быть использовано для измерения угловых скоростей движущихся объектов, например автомобилей, пешеходов и беспилотных летательных аппаратов.
Известен способ определения угловой скорости (патент US 5325174) путем формирования двух пучков когерентного оптического излучения П1 и П2 с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучков с помощью кольцевого интерферометра, ввод измерительных пучков в резонатор которого во взаимно противоположных направлениях осуществляют с помощью одной петли оптической связи, а их вывод с помощью другой петли оптической связи, с последующим направлением пучков на фотоприемники ФП1 и ФП2 соответственно, измерения интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники ФП1 и ФП2, определения разности собственных частот резонатора кольцевого интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям, пропорциональной угловой скорости кольцевого интерферометра и определения угловой скорости по величине разности собственных частот.
Недостатком такого способа определения угловой скорости является наличие дополнительной петли оптической связи для вывода измерительных пучков из резонатора кольцевого интерферометра.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ определения угловой скорости (патент US 5141315) путем формирования двух пучков когерентного оптического излучения П1 и П2 с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучков с помощью кольцевого интерферометра, ввод измерительных пучков в резонатор которого во взаимно противоположных направлениях и их вывод осуществляют с помощью одной и той же петли оптической связи, с последующим направлением пучков на фотоприемники ФП1 и ФП2 соответственно, измерения интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники ФП1 и ФП2, определения разности собственных частот резонатора кольцевого интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям, пропорциональной угловой скорости кольцевого интерферометра и определения угловой скорости по величине разности собственных частот.
Недостатком такого способа измерения угловой скорости является невозможность определения угловой скорости при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации, что обусловлено отсутствием зависимости интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники ФП1 и ФП2, от его частоты при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации.
Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа определения угловой скорости, позволяющего определять ее при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, также как и в известном, угловую скорость определяют путем формирования первого и второго пучков когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения, изменения параметров пучков с помощью кольцевого интерферометра, ввод измерительных пучков в резонатор кольцевого интерферометра во взаимно противоположных направлениях и их вывод осуществляют с помощью одной и той же петли оптической связи, с последующим направлением пучков на первый и второй фотоприемники соответственно, измерения интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники, определения разности собственных частот резонатора кольцевого интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям, и определения угловой скорости по величине разности собственных частот. Но в отличие от известного в предлагаемом способе каждый исходный пучок делят на два пучка и с помощью кольцевого интерферометра изменяют параметры только одной из частей каждого исходного пучка, а на каждый фотоприемник направляют часть пучка, прошедшую через интерферометр и оставшуюся часть исходного пучка.
Достигаемым техническим результатом является возможность определения угловой скорости при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлена схема устройства, в основе работы которого лежит предложенный способ измерения угловой скорости,
на фиг.2 представлен график, иллюстрирующий зависимость интенсивности излучения падающего на фотоприемник 6 от его частоты,
на фиг.3 представлен график, иллюстрирующий зависимость интенсивности излучения, падающего на фотоприемник 8 от его частоты.
6
8
m
cw
m,ccw
Рассмотрим предлагаемый способ на примере работы устройства его реализующего. Устройство схематично изображено на фиг.1. Оно состоит из лазера 7, оптических ответвителей 2, 5, 7 и 9, фазовых модуляторов 3 и 4, фотоприемников 6 и 8 и кольцевого интерферометра 10, соединенных между собой оптическими волноводами, и вычислительной системы 11. Оптические элементы рассматриваемого устройства могут быть выполнены в виде единой интегрально-оптической схемы. Использование технологии интегральной оптики позволяет уменьшить габаритные размеры и стоимость устройства. Лазер 1 является источником монохроматического когерентного излучения. В качестве лазера 1 может использоваться полупроводниковый лазер. Излучение лазера делится оптическим ответвителем 2 на два пучка П1 и П2. Оптимальным, с точки зрения точности определения угловой скорости, является деление лазерного излучения на два пучка равной интенсивности. В качестве ответвителя 2 может использоваться Y-образный ответвитель. Затем пучки П1 и П2 проходят через фазовые модуляторы 3 и 4 соответственно. Фазовые модуляторы изменяют частоту проходящих через них пучков. Управление фазовыми модуляторами осуществляется вычислительной системой 11. В данном устройстве происходит периодическое изменение частоты по линейному закону. В качестве фазовых модуляторов могут использоваться модуляторы, работающие на основе эффекта Поккельса. Полученные частотно модулированные пучки делят при помощи оптических ответвителей 5 и 7 соответственно. Пучок П1 делят на два пучка П11 и П12, а пучок П2 делят на два пучка П21 и П22. Оптимальным, с точки зрения точности определения угловой скорости, является деление пучков П1 и П2 на пучки равной интенсивности. В качестве ответвителей 5 и 7 могут использоваться Х-образные ответвители, состоящие из двух туннельно-связанных оптических волноводов (расположенных достаточно близко друг к другу, так что световая энергия перекачивается из одного в другой). Затем с помощью кольцевого интерферометра 10 изменяют параметры (интенсивность и фазу) пучков П11 и П21. Ввод измерительных пучков в резонатор этого интерферометра и их вывод осуществляют с помощью одной и той же петли оптической связи. Петля оптической связи может представляет собой направленный оптический ответвитель 9. Оптимальным, с точки зрения точности определения угловой скорости, является оптический ответвитель с коэффициентом в единицы процентов. На фотоприемник 6 направляют пучки П11 и П12, а на фотоприемник 8 пучки П21 и П22. В качестве фотоприемников могут использоваться PIN фотодиоды. Измеряют интенсивность оптического излучения, направленного на фотоприемники 6 и 8. Зависимость интенсивности оптического излучения, направленного на фотоприемники 6 и 8 (I и I соответственно), от его частоты наблюдается даже при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации (см. фиг 2 и 3). Собственным частотам резонатора для волн, обходящих его по и против часовой стрелки (f, и f соответственно), соответствуют минимумы интенсивности оптического излучения (см. фиг 2 и 3). По минимумам сигналов с фотоприемников вычислительная система 11 определяет собственные частоты, а затем их разность Δf. Известно, что разность собственных частот резонатора кольцевого интерферометра пропорциональна его угловой скорости [Passive fiber-optic ring resonator for rotation sensing / R.E. Meyer, S. Ezekiel, D.W. Stowe and V.J. Tekippe // OPTICS LETTERS / Vol.8, No.12 / December 1983 / p.644]:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>A</mi></mrow><mrow><mi>λ</mi><mi>P</mi></mrow></mfrac><mi>Ω</mi></mrow>
,
где А - площадь, охватываемая контуром резонатора, λ - длина волны, Р - периметр резонатора, Ω - угловая скорость. По величине разности собственных частот вычислительная система определяет угловую скорость.
Таким образом описание способа доказывает достижение технического результата - возможность определения угловой скорости при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации.