Волоконно-оптический гироскоп

20005 09) 01 С 19/6 оссийской Фед м и товарным Комитет по патен рации акам 9 Кв в.,") САНИЕ ИЗОБРЕТЕ АТЕНТУ И Г ми и а- и- с(57) Изобретение относится к области волоконной техники, а именно к приборам дляизмерения скорости вращения - волоконнооптическим гироскопам, и может использоваться при разработке и изготовлении ВОГдля обеспечения уменьшения сдвига нуля,снижения дрейфа нулевого сигнала и повышения стабильности масштабного коэффициента ВОГ, Это достигается введением вволоконно-оптический гироскоп, содержащий кольцевой интерферометр 2, включающий пьезокерамический фазовыймодулятор 3, излучатель 1 и фотоприемноеустройство 4, оптически сопряженные с интерферометром 2, и блок формирования выходного сигнала, содержащий три синхронных детектора 10, 11, 12, управляемый генератор напряжения 9, первый фазовращатель 14, два источника опорного напряжения 5 и 6 и две схемы сравнения 7 и 8, второго фазовращателя 13. При этом первый синхронный детектор 10 служит для формирования выходного сигнала ВОГ за счет детектирования первой гармоники частоты фаэовой модуляции в сигнале с фотоприемного устройства 4. Опорны сигналами для синхронных детекторов 11 12 служат сигналы на удвоенной частоте ф зовой модуляции, сдвинутые друг относ тельно друга по фазе на 90". При этом синхронного детектора 11 используется для стабилизации амплитуды модуляции разности фаэ встречных волн, а сигнал с блока 12 - для настройки частсФы генератора 9 на резонансную частоту пьеэокерамического модулятора 3, 1 ил.ИзоЪретение относится к области волоконной техники, а именно к приборам для измерения скорости вращения - волоконнооптическим гироскопам (ВОГ) и может использоваться при разработке и изготовлении ВОГ,Известен ВОГ, содержащий источник излучения, волоконный направленный ответвитель (ЗхЗ), волоконный контур и фотоприемное устройство. Обладая такими положительными качествами ВОГ, как малое время выходы на режим, высокая серийнопригодность и потенциально низкая цена, малые габариты и энергопотребление, этот гироскоп имеет ряд недостатков, Так. например, наличие 1/ шумов фотоприемника и интерференционных шумов волоконного гироскопа.Существенное улучшение точностных характеристик достигнуто в ВОГ. содержащем излучающий модуль, фотоприемный модуль, два волоконных ответвителя, поляризатор, волоконный контур, электронный блок формирования выходного сигнала и фазовый модулятор, выполненный в виде пьезокерамического цилиндра с намотанным на его поверхность отрезком волоконного контура (такой состав оптической схемы ВОГ получил название "минимальной конфигурации"), причем все оптические элементы изготавливаются на основе одномодового волокна. Улучшение точностных характеристик такого ВОГ обусловлено применением пространственно-поляризационной фильтрации на входе-выходе волоконного контура, что позволяет значительно уменьшить сдвиг и дрейф нулевого сигнала ВОГ. Кроме того, использование модуляционной методики позволяет существенно снизить влияние различных шумов на точность измерений ВОГ, При этом модуляция разности фаз встречных волн, распространяющихся во встречных направлениях по волоконному контуру, осуществляется за счет периодического растягивания небольшого участка волоконного контура, намотанного на пьеэокерамический цилиндр. Выходной сигнал гироскопа формируется путем детектирования первой гармоники частоты фазовой модуляции в сигнале фотоприемного устройства,При использовании фазового модулятора в ВОГ с незамкнутой петлей обратной связи (ореп-)оор) требуется стабилизация параметров фазовой модуляции (амплитуды и фазы), так как флуктуации этих параметров влияют на точностные и эксплуатационные характеристики ВОГ. Частично эта задача решена в ВОГ, наиболее близком к данному устройству (прототипе). содержащем воло 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 конный кольцевой интерферомегр, включающий пьезокерамический фазовый модулятор, излучатель и фотоприемное устройство, оптически сопряженные с интерферометром. два источника опорного напряжения, схему сравнения, управляемый генератор напряжения, фазовращатель. три синхронных детектора, входы которых соединены с выходом фотоприемного устройства, вход опорного напряжения первого детектора подключен к выходу фазовращателя, вход опорного напряжения второго детектора подключен к опорному выходу удвоенной основной частоты управляемого генератора напряжения, основной выход которого подключен к пьезокерамическому фаэовому модулятору и входу фазовращателя, выход второго синхронного детектора подключен к первому входу первой схемы сравнения, к второму входу которой подключен первый источник опорного напряжения, а ее выход подключен к управляющему входу генератора напряжения, а выход первого синхронного детектора является выходом гироскопа. В этом гироскопе выходной сигнал формируется за счет синхронного детектирования первой гармоники частоты модуляции в сигнале с фотоприемного устройства, Синхронные детекторы второй и четвертой гармоники служат для управления амплитудой выходного сигнала возбуждающего генератора на основной частоте с целью стабилизации амплитуды модуляции разности фаз встречных волн.Однако при возбуждении пьеэокерамического модулятора периодическим напряжением в нем одновременно возникают различные пространственные механические колебания. Причем частоты этих колебаний могут быть близкими к частотам, кратным основной частоте возбуждения, Наличие в спектре модуляции разности фаэ встречных волн ВОГ составляющих на этих частотах приводит к увеличению сдвига нуля ВОГ, увеличению дрейфа нулевого сиг 1 юла ВОГ и уменьшению стабильности масштабного коэффициента при внешних воздействиях. Как известно, сигнал с фотоприемного устройства ВОГ пропорционален 1+соир, где р- разность фаз встречных волн. Записывая р в виде:р = р + р 1 соим + дсо з 2 гм ( 2 ) где гр - разность фаз встреч н ы х волн, обусловленная вращением; р 1 ир р - амплитуды фазовой модуляции на основной частоте модуляции и на удвоенной.Для амплитуды первой гармоники в сигнале с фотоприемного устройства илеем:О 1 = 231(р 1)31(р)соусе."нл -- 2.11(/1)3 о/г ) япф/со яоЛТаким образол 1, возбуждение второйгармоники при модуляции разности фдзвстречных волн приводит к оозникнооениюсдоига нуля ВОГ, пропорционального У ( 5у 2) (коэффициент при сов р) и появлению омасштабном коэффициенте (коэффициентпри ви у ) сомножителя, пропорционального Уо (р г). Аналогичным образом проявляется влияние других кратных гармоник, В Опроцессе эксплуатации ВОГ могут иэменягься условия возбуждения колебаний нэкратных частотах о л 1 одуляторе, что приведет к изменению амплитуд фдзовой модуляции на соотоетствующих частотах, 15следооательно, и к изменению сдвига нуляБОГ и его масштдбного коэффициента, Кроме того, поправки к сдвигу нуля ВОГ и масштабному коэффициенту могут возникатьиз-за флуктуаций сдвига фдэ между сигналом возбуждения и сигналол 1 модуляции фазы волн.Целью настоящего изобретения является уменьшение сдвига нуля ВОГ, снижениедрейфа нулевого сигнала ВОГ и повышение 25стабильности масштабного коэффициентаВОГ при внешних ооэдейстоиях,Цель достигается тем, что в известныйволоконно-оптический гироскоп, содеркащий последовательно установленные и оптически сопряженные излучатель,волоконный кольцевой интерферометр,включающий пьезокерамический фазовыймодулятор и фотоприемное устройстоо, последовательно соединенные первый фазовращатель и первый синхронный детектор,последовательно соединенные управляемый генератор напряжения и второй синхронный детектор, а также третийсинхронный детектор, первую схему сраонения, первый и второй источники опорногонапряжения, при этом выход фотоприемного устройства соединен с вторыми входамипервого, второго и третьего синхронных детекторов, второй выход управляемого генератора напряжения соединен с входамипервого фазовращателя и пьезокерамического фазового модулятора, выход второгосинхронного детектора соединен с вторымвходом первой схемы сравнения, выход 50первого синхронного детектора являетсявыходом устройства, введен второй фдзовращатель и вторая схема сравнения, входвторого фдзоврдщателя соединен с первымвходом управляемого генератора ндпряжения, выход второго фдэовращателя саерлнен с первым входом третьего синхронногодетектора, выход которого соеди ен с первым входом варой схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходок; второо источника опорнога напряжения. вьход второй схемы сравнения соединен со-орым входом управляемого генераторанапряжения, выход первого источникаопорного напряжения соединен с первымвходом первой схемы сравнения, выход которой соединен с первым входом управляемого генератора напряжения.Уменьшение сдвига нуля ВОГ, снижение дрейфа нулевого сигнала ВОГ и повышение стабильности масштабногокоэффициента ВОГ при внешних воздействиях Связано с тем, что данная схема ВОГпозволяет существенно уменьшить амплитуды кратных гармоник при возбуждениипьезокердл 1 ическога модулятора за счет точной настройки частоты возбуждения генератора на резонансную частоту модулятора,При такой настройке эффективность возбуждения колебания на основной частоте поотношению к колебаниям на кратных частотах значительно возрастает, что позволяетуменьшить сдвиг нуля ВОГ и вклад параэитных гарл 1 оник в масштабный коэффициентВО.Кроме того, при этом устраняется зависимость сдвига нуля и масштабного коэффициента ВОГ от сдвига фаз между сигналомвозбуждения и сигналом модуляции фазыволны,Сдвиги фаз, вносимые модулятором,для кдждол из встречных волн кольцевогоинтерферометра можно представить в виде/ - = уосов(оКт - то) + дс ),где / - ал 1 плитуда модуляции фазы; бо -сдоиг фаз между сигналом возбуждения исигналом модуляции фазы: со - время обхода волоконного контура интерферометрасветовой волной.Разность фаз встречных волн при такой модуляции имеет видд = /+ - ф/ - + ф = Мя 1 п(йл - Оло + бо)где М = 2 р Ози( в 1/2); р - разность фаэвстречных волн, обусловленная вращением,д сигналы первой и второй гармоник частоты л 1 одуляции пропорциональны соответственноО = 1(М)зп(р )вп(о 1 - О то/2 + бо), (5)Ог = г(М)сов(р ) сов(2 в т - в т, + 2 бо), (6)При точной настройке частоты возбуждающего генератора на резонансную частоту модулятора сдвиг фаз бо между сигналомвозбуждения и сигналом модуляции фазыравен нулю. Однако при этом сдвиг фазмежду сигналом модуляции фазояай невэаиглности и сигналом возбуждения равенло/2 (см,4). что необходимо учи 1 иодть при45 50 55 использовании сигнала второй гармоники частоты модуляции для настройки на резонанс модулятора, Среднее значение выходного сигнала третьего синхронного детектора, пропорциональное (бо - вто/2) сравнивается с помощью второй схемы сравнения с напряжением, пропорциональным это/2, и сигнал рассогласования, пропорциональный бо, используется для настройки на резонансную частоту модулятора.Существенность отличий предлагаемого гироскопа состоит в том, что задача уменьшения сдвига нуля, снижения дрейфа нулевого сигнала и повышения стабильности масштабного коэффициента ВОГ при внешних воздействиях решается за счет того. что в его состав вводятся вторая схема сравнения и второй фазоеращатель, вход которого подключается к опорному выходу удвоенной частоты управляемого генератора напряжения, а выход подключен к входу опорного напряжения третьего синхронного детектора, управляемый генератор напряжения имеет два управляющих входа для управления амплитудой и частотой выходного напряжения, выход первой схемы сравнения подключен к амплитудному управляющему входу генератора, выход третьего синхронного детектора подключен к первому входу второй схемы сравнения, к второму входу которой подключен второй источник опорного напряжения, а ее выход подключен к частотному управляющему входу генератора напряжения,На чертеже представлена блок-схема волоконно-оптического гироскопа, где обозначено: излучатель 1, волоконный кольцевой интерферометр 2, пьеэокерамический фазовый модулятор 3. фотоприемное устройство 4, первый 5 и второй 6 источники опорного напряжения, первая 7 и вторая 8 схемы сравнения, управляемый генератор напряжения 9, первый 10, второй 11 и третий 12 синхронные детекторы, первый 13 и второй фаэовращатели.Гироскоп функционирует следующим образом. Излучатель 1 возбуждает встречные волны в волоконном кольцевом интерферометре 2. в котором с помощью пьезокерамического фазового модулятора 3 создается модуляция фаэовой невэаимности встречных волн. Встречные волны после обхода волоконного контура интерферометра 2 интерферируют и попадают на фотоприемное устройство 4, сигнал с которого поступает на входы синхронных детекторов 10-12. На входы опорных напряжений детекторов 10-12 подаются соответственно сигнал возбуждения модулятора на основ 5 10 15 20 25 30 35 40 ной частоте, сдвинутый с помощью фазовращателя 14 по фазе на 90" (з и ол), сигнал на удвоенной частоте (соз 2 иф т) и сигнал, на удвоенной частоте. сдвинутый по фазе с помощью фаэовращателя 13 на 90" (зп 2 м т). Среднее значение сигнала на выходе синхронного детектора 10 при р 1 пропорционально угловой скорости и служит для ее определения. Среднее значение сигнала на выходе синхронного детектора 11 при этом пропорционально 12 (М). Оно сравнивается с помощью схемы сравнения 7 с напряжением на выходе источника 5. и сигнал рассогласования подается на вход для управления амплитудой выходного напряжения генератора 9. Таким образом, осуществляется стабилизация индекса модуляции М на уровне, определяемом напряжением на выходе источника 5, и устраняется влияние флуктуаций индекса на точность измерения. Среднее значение на выходе синхронного детектора 12 при ук1 пропорционально 2 бо - вто. Оно сравнивается с помощью схемы сравнения 8 с напряжением на выходе источника 6, и сигнал рассогласования подается на вход для управления частотой выходного напряжения генератора 9,Амплитуда выходного напряжения источника 6 устанавливается так, чтобы сигнал на выходе схемы сравнения 8 был пропорционален Оо, что позволяет настраивать частоту модулятора (бо = О). При такой настройке эффективность возбуждения колебания на основной частоте по отношению к колебаниям на кратных частотах значительно возрастает, что позволяет уменьшить сдвиг нуля ВОГ и вклад параэитных гармоник в масштабный коэффициент ВОГ, Кроме того, при этом устраняется также зависимость сдвига нуля и масштабного коэффициента ВОГ от сдвига фаз между сигналом возбуждения и сигналом модуляции фазы волны,Излучатель может быть выполнен на основе полупроводниковых лазерных диодов, фотоприемное устройство - на основе фото- диода, оптические элементы выполнены на базе одномодового поляризационно-устойчивого кварцевого волокна, управляемый генератор 9 напряжения выполнен двухвходовым, обеспечивающим управление амплитудой и частотой выходного сигнала. Данный блок содержит последовательно соединенные генератор с управляемой частотой, делитель частоты на два, управляемый делитель напряжения. На выходе генератора с управляемой частотой формируется сигнал с частотой 2 о), а на выходе управляемого делителя напряжения сигнал с час2000543 10 Составитель М. РаевскаяТехред М.Моргентал КорректорМ, Керцман Редактор Тираж Подписное НПО "ПоискРоспатента 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Р 1Заказ 3076 тотой со, через вход управляемого делителя напряжения обеспечивается управление амплитудой.В данном ВОГ по сравнению с прототи- . пом сдвиг нуля снижен в четыре раза, вели чина дрейфа нуля при нагреве гироскопа от 20 до 50 С уменьшена в девять раз, а температурная стабильность масштабного коэффициента повышена на 20 Я,. Формула изобретенияВолоконно-оптический гироскоп, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные излучатель, волоконный кольцевой интерферометр, включа ющий пьезокерамический фазовый модулятор, и фотоприемное устройство, последовательно соединенные первый фазовращатель и первый синхронный детектор, последовательно соединенные управляе мый генератор напряжения и второй синхронный детектор, а также третий синхронный детектор, первую схему сравнения, первый и второй источники опорного напряжения, при этом выход фотоприемно го устройства соединен с вторыми входами первого, второго и Третьего синхронных детекторов, второй выход управляемого генератора напряжения соединен с входами первого фазовращателя и пьеэокерамического фазового модулятора, выход второго синхронного детектора соединен с вторым входом первой схеМы сравлгния, выход первого синхронного детектора является выходом устройства, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что введен второй фазовращэтель и вторая схема сравнения, вход второго фазовращателя соединен с первым выходом управляемого генератора напряжения, выход второго фазовращателя соединен с первым входом третьего синхронного детектора, выход которого соединен с первым входом второй схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом второго источника опорного напряжения, выход второй схемы сравнения соединен с вторым входом управляемого генератора напряжения, выход первого источника опорного напряжения соединен с первым входом схемы сравнения, выход которой соединен с первым входом управляемого генератора напряжения.