Волоконно-оптический датчик угловой скорости
FIBER OPTIC ANGULAR RATE SENSOR

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно, к волоконно-оптическим устройствам для измерения угловой скорости с использованием гироскопических эффектов.
Измерение угловой скорости традиционно производится датчиками угловой скорости (ДУС) разного типа гироскопов, в том числе волоконно-оптическим гироскопом (ВОГ), в котором чувствительным элементом (ЧЭ) является интерферометр Саньяка (ИС). Величина случайной разности фаз встречных лучей в ИС определяет уровень дрейфа ДУС, тем самым, снижает точность измерения угловой скорости. Это особенно актуально для навигации при длительном непрерывном периоде эксплуатации ВОГ из-за с накопления случайной ошибки в показаниях гироскопа, особенно в верхних и нижних широтах Земли.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик угловой скорости, содержащий источник лазерного излучения чувствительный элемент, содержащий два узла входа/выхода и расположенные между ними два оптических волновода, которые работают на эффекте Саньяка, а также блок обработки сигнала с двумя фотодетекторами, в котором первый узел входа/выхода чувствительного элемента соединен с первым выходом источника излучения и первым фотодетектором, а второй узел входа/выхода чувствительного элемента соединен со вторым выходом источника излучения и вторым фотодетектором (см. публикацию WO 2018222768, кл. G01C 19/72, опубл. 06.12.2018). В известном устройстве указанные волноводы выполнены в виде интегрально-оптических кольцевых резонаторов. Среди недостатков следует отметить измерение в разные моменты времени, при этом для повышения точности требуется высокая частота переключения, что наводит дополнительную помеху (ошибку) и снижает точность измерения. Недостатками известного устройства являются сложность изготовления, требующая применения модулятора, переключения оптических потоков, двух фотодетекторов, и относительно невысокая точность результатов.
Технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и создание простого устройства ДУС с эффективной компенсацией дрейфа - случайной составляющей угловой скорости, например, из-за температурного влияния и других факторов, не связанных с вращением устройства. Технический результат заключается в повышении точности измерения угловой скорости, который достигается более простой конструкцией ДУС.
В части устройства поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике угловой скорости, содержащем источник лазерного излучения, чувствительный элемент, содержащий два узла интерференции с двумя входами и расположенные между ними две волоконно-оптических катушки, которые работают на эффекте Саньяка; и блок обработки сигнала, в отличие от прототипа с одним фотодетектором, в котором первый узел интерференции чувствительного элемента соединен с первым входом делителя 2×2 (два вход два выхода), а второй узел интерференции чувствительного элемента соединен источника излучения и вторым входом оптического делителя 2×2 (два входа два выхода), чувствительный элемент сформирован как интерферометр Маха-Цандера, в плечи которого включены указанные оптические волноводы, при этом плечи интерферометра отличаются по длине не более, чем на длину когерентности источника излучения, а указанные оптические волноводы выполнены в виде волоконно-оптических катушек, причем начало первой катушки соединено с первым выводом первого узла интерференции чувствительного элемента, а ее конец - с первым выводом второго узла интерференции чувствительного элемента; начало второй катушки соединено со вторым выводом второго узла интерференции чувствительного элемента, а ее конец - со вторым выводом первого узла интерференции чувствительного элемента. Первый и второй узел интерференции выполнены, например, - в виде разветвителей Y-типа, соединенного катушками с одной стороны и делителем 2×2 (два входа два выхода) с другой стороны, первый узел интерференции имеет электроды. Все соединения выполнены с постоянным соединением, не требуют переключения оптического потока.
На фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого датчика угловой скорости.
Предлагаемый волоконно-оптический ДУС состоит из одного источника когерентного лазерного излучения (ЛИ) 1, чувствительного элемента (ЧЭ) с двумя входами-выходами А и В, расположенными под 180 градусов относительно друг друга, двумя узлами интерференции (УИ) 3,6, двумя волоконно-оптическими катушками (ОК) 4,5. Первый вывод УИ 3 ЧЭ 5, соединен с началом ОК 4, а первый вывод УИ 6 с концом ОК 4. Второй вывод УИ 6 ЧЭ 5, соединен с началом ОК 5, а второй вывод УИ 6 с концом ОК 5.
Чувствительный элемент сформирован как интерферометр Маха-Цандера с двумя входами/выходами, в плечи которого включены ОК 4, 5. Под началом катушки понимается начало намотки катушек в одном направлении намотки, например, по часовой стрелке. Для обеспечения интерференции плечи интерферометра отличаются по длине не более, чем на длину когерентности ЛИ1. ЛИ 1 через делитель 2×2 (два входа два выхода) (Д) 2 соединен со входом УИ 3 и УИ 6. Второй выход Д 2 соединен с фотодетектором (ФД) 7, с выходом, который соединен с блоком обработки (БО) и управления 8, с которого на электроды УИ 3 подается напряжение рабочей точки. При необходимости УИ 6 также может иметь электроды для формирования исходной рабочей точки.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Когерентный лазерный луч от ЛИ 1 непрерывно направляют на первый вывод Д 2, после деления два луча поступают на входы/выходы А и В ЧЭ, потом на входы/выходы УИ 3 и УИ 6. После прохождения по плечам интерферометров МАХА-Цандера, выполненных в виде волокно-оптических катушек ОК, 4-й и 5-й лучи, при вращении, пропорционально величине угловой скорости, набирают приращения фаз Саньяка, которые определяют уровень оптической мощности после интерференции в УИ 3 и УИ 6. Далее эти оптические лучи суммируются на Д 2 и преобразуются в электрический вид на ФД 7. Далее поступают на обработку в БО 8. С БО 8 на электроды УМ 3 подается напряжение рабочей точки для обеспечения интерференции.
В результате предлагаемого соединения оптических элементов составляющие угловой скорости (оптической мощности), вызванные вращением ВОГ, на входе/выходе А и В ЧЭ равны, а приращение угловых скоростей (оптической мощности), вызванное дрейфом, имеет разные знаки, поскольку входы/выходы А и В расположены под углом 180 градусов относительно друг друга. Это позволяет определить угловую скорость с эффективной компенсацией значения дрейфа. Угловая скорость на выходе УИ 3 состоит их двух составляющих и определяется формулой:
1
где ω - угловая скорость на входе/выходе А ЧЭ;
1.1
ω - составляющая угловой скорости без дрейфа на входе/выходе А ЧЭ;
1
ωд - дрейф на входе/выходе А ЧЭ.
Для УИ 6 будет определяться угловая скорость в противоположном направлении:
2
где ω - угловая скорость на входе/выходе В ЧЭ;
ω1.1 - составляющая угловой скорости без дрейфа на входе/выходе В ЧЭ;
д2
ω - дрейф на входе/выходе В ЧЭ.
В результате в Д 2 обеспечивается сложение оптических лучей с выходов А и В ЧЭ, сложение формул (1) и (2):
к
где ω - угловая скорость с компенсацией дрейфа;
1.1
ω - составляющая угловой скорости без дрейфа на входе/выходе А ЧЭ;
1.1
ω - составляющая угловой скорости без дрейфа на входе/выходе В ЧЭ;
д1
ω - дрейф на вход/выходе А ЧЭ;
д2
ω -дрейф на входе/выходе В ЧЭ.
В результате на выходе ФД 7 электрическая мощность будет соответствовать удвоенной угловой скорости, а эффективная компенсация дрейфа достигается после усреднения результатов суммирования в БО8.
Предлагаемое техническое решение позволяет проводить непрерывное измерение угловой скорости в реальном масштабе времени с эффективной компенсацией мгновенных значений величины дрейфа, без переключения оптических лучей, с использованием одного ФД, что обеспечивает более высокую точность.