RU2512598C1 - Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope - Google Patents
Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2512598C1 RU2512598C1 RU2012145073/28A RU2012145073A RU2512598C1 RU 2512598 C1 RU2512598 C1 RU 2512598C1 RU 2012145073/28 A RU2012145073/28 A RU 2012145073/28A RU 2012145073 A RU2012145073 A RU 2012145073A RU 2512598 C1 RU2512598 C1 RU 2512598C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- code
- gyroscope
- amplitude
- voltage
- output signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.The invention relates to the field of fiber optics and can be used in the design of fiber-optic gyroscopes and other sensors of physical quantities based on single-mode optical fibers.
Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе волоконный кольцевой интерферометр (ВКИ) и электронный блок обработки информации. ВКИ содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности излучения, интегрально-оптическую схему (далее по тексту - ИОС), многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. ИОС содержит в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. К выходным канальным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов чувствительной катушки гироскопа.The fiber optic gyroscope (hereinafter referred to as FOG) contains a fiber ring interferometer (FRI) and an electronic information processing unit. The FRI contains a source of optical radiation, a fiber divider of radiation power, an integrated optical circuit (hereinafter - IOS), a multi-turn sensitive coil and a photodetector. IOS contains in its composition a Y-divider of the power of optical radiation based on polarizing channel waveguides and a phase modulator located on the output arms of the Y-divider. Channel waveguides of the Y-divider are formed in a lithium niobate substrate using proton-exchange technology, which allows the waveguides to acquire polarizing properties. To the output channel waveguides of the Y-divider, the ends of the optical fibers of the sensitive gyro coil are docked.
На фотоприемнике ВКИ наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно-противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:An interference pattern is formed at the FRI photodetector, formed by two optical beams that have passed the sensitive coil of the gyroscope in two mutually opposite directions. When the ring interferometer rotates between these two beams, due to the Sagnac effect, a phase difference arises, which is expressed as follows:
ϕS=[4πRL/λc]×Ω,ϕ S = [4πRL / λc] × Ω,
где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;where R is the radius of the sensitive coil of the gyroscope;
L - длина световода катушки;L is the fiber length of the coil;
λ - центральная длина волны излучения источника;λ is the central wavelength of the radiation source;
с - скорость света в вакууме;c is the speed of light in vacuum;
Ω - угловая скорость вращения гироскопа.Ω is the angular velocity of rotation of the gyroscope.
Таким образом, на фотоприемнике интенсивность оптического излучения можно представить в видеThus, at the photodetector, the intensity of optical radiation can be represented as
IΦ=1/2P0(1+cosϕS),I Φ = 1 / 2P 0 (1 + cosϕ S ),
где P0 - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей. Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание составляет величинуwhere P 0 is the power of the rays interfering at the photodetector. To increase the sensitivity of VOG near zero angular velocities, auxiliary phase modulation is used. To achieve the effect of phase modulation of rays in a ring interferometer using a phase-modulated IOS, the time delay of the fronts of rays interfering on the photodetector is used when passing through the phase modulator of the IOS. This time delay amounts to
где n0 - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.where n 0 is the refractive index of the material of the fiber of the sensitive coil.
При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения следующих с частотой 1/2τ, ток фотоприемника можно представить в видеWhen applying voltage pulses of the following with a frequency of 1 / 2τ to the phase modulator, the photodetector current can be represented as
Iф=P0ηф[1+cosϕm·cosϕS±sinϕm·sinϕS],I f = P 0 η f [1 + cosϕ m · cosϕ S ± sinϕ m · sinϕ S ],
ηф - токовая чувствительность фотоприемника,η f - current sensitivity of the photodetector,
ϕm - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.ϕ m is the amplitude of the auxiliary phase modulation.
Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в оптоэлектронной схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз лучей, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее разность фаз Саньяка пилообразное ступенчатое напряжение [1]. В результате выражение для тока фотоприемника приобретает следующий вид:To ensure a large dynamic range of measuring angular velocities and to obtain a high linearity of the FOG output characteristic in the optoelectronic information processing circuit, the so-called compensation method for reading the phase difference of the rays is used, the essence of which is that a compensating phase difference is supplied to the phase modulator along with the voltage of the auxiliary phase modulation Sagnac sawtooth step voltage [1]. As a result, the expression for the photodetector current takes the following form:
Iф=P0ηф{1+cosϕm·cos[ϕS-ϕK)±sinϕm·sin[ϕS-ϕK]},I f = P 0 η f {1 + cosϕ m · cos [ϕ S -ϕ K) ± sinϕ m · sin [ϕ S -ϕ K ]},
где φK - сдвиг фаз, вносимый пилообразным напряжением для компенсации разности фаз Саньяка.where φ K is the phase shift introduced by the sawtooth voltage to compensate for the Sagnac phase difference.
Учитывая, что в режиме компенсации ϕS-ϕK≈0, и тогда ток фотоприемника можно представить в видеConsidering that in the compensation mode ϕ S -ϕ K ≈ 0, and then the photodetector current can be represented as
Iф=Р0ηф{1+соsϕm±sinϕm·sin[ϕS-ϕK]}I f = P 0 η f {1 + cosϕ m ± sinϕ m · sin [ϕ S −ϕ K ]}
Точность ВОГ определяется также и стабильностью масштабного коэффициента. Для выходного сигнала гироскопа, работающего по компенсационной схеме в режиме замкнутой петли обратной связи, справедливо следующее соотношение [1]:The accuracy of the FOG is also determined by the stability of the scale factor. For the output signal of the gyroscope operating according to the compensation scheme in the closed feedback loop mode, the following relation is valid [1]:
где fn(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;where f n (t) is the frequency of the compensating phase saw;
Ω(t) - угловая скорость вращения гироскопа;Ω (t) is the angular velocity of rotation of the gyroscope;
η - эффективность фазового модулятора;η is the phase modulator efficiency;
UП - пиковое значение напряжения компенсирующей пилы;U P - peak voltage value of the compensating saw;
τст - длительность ступеньки компенсирующей пилы.τ article - the duration of the steps of the compensating saw.
Из этого выражения следует, что масштабным коэффициентом ВОГ в этом случае является величинаFrom this expression it follows that the scale factor of VOG in this case is the quantity
МК=4πRL/(λc×ηUпτст).MK = 4πRL / (λc × ηU p τ st ).
Если выбрать τст=τ и обеспечить ηUП=2π, то выражение дляIf we choose τ article = τ and provide ηU П = 2π, then the expression for
масштабного коэффициента гироскопа приобретает следующий вид:the scale factor of the gyroscope takes the following form:
МК=2R/λn0.MK = 2R / λn 0 .
По порядку величины на стабильность масштабного коэффициента наибольшее влияние оказывает величина ηUП из-за большой нестабильности эффективности η фазового модулятора. Поэтому с целью стабилизации этой величины, а в конечном счете, и стабилизации масштабного коэффициента, в схеме обработки информации с замкнутой петлей обратной связи организуется второй контур обратной связи, который позволяет стабилизировать величину UПη на уровне 2π радиан при любых изменениях эффективности фазового модулятора η [1]. При изменении эффективности фазового модулятора ИОС при сбросе максимального значения ступенчатого пилообразного напряжения до своего минимального значения на фотоприемнике формируется паразитный оптический импульс, длительностью τ [1]. Путем изменения амплитуды развертки пилообразного ступенчатого напряжения добиваются исчезновения этого импульса, что означает, что ηUП=2π радиан, и таким образом происходит стабилизация масштабного коэффициента.In order of magnitude, the stability of the scale factor is most affected by ηU П due to the large instability of the efficiency η of the phase modulator. Therefore, in order to stabilize this quantity, and ultimately stabilize the scale factor, a second feedback loop is organized in the information processing circuit with a closed feedback loop, which allows us to stabilize the value of U P η at 2π radians for any changes in the efficiency of the phase modulator η [one]. When the efficiency of the IOS phase modulator changes when the maximum value of the step-like sawtooth voltage is reset to its minimum value, a spurious optical pulse with a duration of τ is formed on the photodetector [1]. By changing the sweep amplitude of the sawtooth step voltage, this pulse disappears, which means that ηU П = 2π radian, and thus stabilization of the scale factor occurs.
Другим способом стабилизации масштабного коэффициента является стабилизация амплитуды вспомогательной модуляции (ВФМ). Используется ВФМ, при которой разность фаз лучей волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) ВОГ представляет собой последовательность прямоугольный импульсов длительностью каждого кратной τ и амплитудами (π±Δ), где Δ=π/2n, при этом n=1, 2, 3…. При изменении эффективности фазовых модуляторов η на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования [2]. Сигнал рассогласования выделяется с помощью второго синхронного детектора (демодулятор сигнала рассогласования). Выход демодулятора сигнала рассогласования соединен с регулятором (интегратором), который управляет амплитудой напряжения ВФМ. С помощью регулятора сигнал на выходе демодулятора обращается в ноль, что означает, что стабильность амплитуды ВФМ восстановлена. После этого производится масштабирование напряжения ВФМ с целью определения напряжения развертки пилообразного ступенчатого напряжения UП, при котором ηUП=2π радиан. Таким образом, стабилизация масштабного коэффициента ВОГ происходит через стабилизацию амплитуды ВФМ.Another way to stabilize the scale factor is to stabilize the amplitude of the auxiliary modulation (WFM). The WFM is used, in which the phase difference of the rays of the fiber circular interferometer (FRI) FOG is a sequence of rectangular pulses of duration multiple of τ and amplitudes (π ± Δ), where Δ = π / 2 n , with n = 1, 2, 3 ... . When the efficiency of the phase modulators η changes, a mismatch signal appears on the photodetector [2]. The mismatch signal is extracted using a second synchronous detector (mismatch signal demodulator). The output of the demodulator of the error signal is connected to a controller (integrator), which controls the amplitude of the voltage of the WFM. Using the regulator, the signal at the output of the demodulator becomes zero, which means that the stability of the amplitude of the WFM is restored. After that, the WFM voltage is scaled to determine the sweep voltage of the sawtooth step voltage U P , at which ηU P = 2π radian. Thus, the stabilization of the scale FOG coefficient occurs through stabilization of the amplitude of the WFM.
Одной из основных проблем волоконно-оптического гироскопа является обеспечение малого времени точностной готовности при его «холодном» включении. Начальный дрейф выходного сигнала ВОГ связан с изменениями амплитуды сигнала вращения, несущего информацию об угловой скорости [1]. Но дрейф выходного сигнала ВОГ связан также и с изменениями паразитного начального смещения, возникающего на выходе демодулятора сигнала вращения.One of the main problems of a fiber-optic gyroscope is to ensure a short accuracy readiness time when it is turned on “cold”. The initial drift of the VOG output signal is associated with changes in the amplitude of the rotation signal that carries information about the angular velocity [1]. But the drift of the VOG output signal is also associated with changes in the parasitic initial bias that occurs at the output of the rotation signal demodulator.
Целью настоящего изобретения является увеличение точности волоконно-оптического гироскопа за счет уменьшения его времени точностной готовности.The aim of the present invention is to increase the accuracy of a fiber optic gyroscope by reducing its accuracy readiness time.
Указанная цель достигается тем, что код выходного сигнала гироскопа корректируют с помощью кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции, при этом обеспечивают стабильность эффективности фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы путем стабилизации его температуры, а также при проведении коррекции кода выходного сигнала гироскопа используют операцию масштабирования изменений кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции по изменениям кода выходного сигнала гироскопа.This goal is achieved by the fact that the output signal code of the gyroscope is corrected using the voltage amplitude code of the auxiliary phase modulation, while ensuring the stability of the efficiency of the phase modulators of the integrated optical circuit by stabilizing its temperature, and also when scaling the code output signal of the gyroscope, the operation of scaling code changes is used the voltage amplitude of the auxiliary phase modulation by changes in the code of the output signal of the gyroscope.
2. Способ уменьшения времени точностной готовности волоконно-оптического гироскопа по п.1, отличающийся тем, что при изменении температуры фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы проводят дополнительное масштабирование кода напряжения вспомогательной фазовой модуляции, при этом используют показания термодатчика, измеряющего температуру фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы.2. The method for reducing the accuracy readiness time of a fiber-optic gyroscope according to
Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет уменьшения времени точностной готовности прибора при его «холодном» включении. Уменьшение времени готовности прибора достигается за счет уменьшения паразитного смещения нулевого сигнала гироскопа с помощью математической коррекции его выходной характеристики по изменению кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции.Improving the accuracy of a fiber-optic gyroscope is achieved by reducing the accuracy readiness time of the device when it is “cold” turned on. The reduction of the instrument readiness time is achieved by reducing the parasitic bias of the zero signal of the gyroscope by mathematical correction of its output characteristic by changing the code of the voltage amplitude of the auxiliary phase modulation.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена функциональная схема волоконно-оптического гироскопа с двумя контурами обратной связи. На Фиг.2 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.3 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.4 показано формирование сигнала рассогласования волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.5 показана структура общего сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.6 показан дрейф выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа и кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения в течение 12 часов. На Фиг.7 показана вариация Аллана выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Максимальный дрейф составил 0,038 град/час, минимальный дрейф 0,0126 град/час, спектральная плотность шума 0,0024 град/час1/2. На Фиг.8 показаны графики нескорректированного и скорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа с использованием для коррекции кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения. На Фиг.9 показана вариация Аллана скорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Максимальный дрейф составил 0,0108 град/час, минимальный дрейф 0,0066 град/час, спектральная плотность шума 0,0024 град/час1/2. На Фиг.10 показаны графики скорректированного и нескорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа в течение первых 15 минут.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a functional diagram of a fiber optic gyro with two feedback loops. Figure 2 shows the voltage of the auxiliary phase modulation and the law of change of the phase difference of the rays of the ring interferometer fiber optic gyroscope. Figure 3 shows the formation of the rotation signal of a fiber optic gyroscope. Figure 4 shows the formation of the error signal of the fiber optic gyroscope. Figure 5 shows the structure of the common signal at the output of the current amplifier of the photodetector of a fiber optic gyroscope. Figure 6 shows the drift of the output signal of the fiber optic gyroscope and the amplitude code of the stepped sawtooth voltage for 12 hours. Figure 7 shows the Allan variation of the output of a fiber optic gyroscope. The maximum drift was 0.038 deg / h, the minimum drift was 0.0126 deg / h, the noise spectral density was 0.0024 deg / h 1/2 . On Fig shows graphs of unadjusted and adjusted drift of the output signal of a fiber optic gyroscope using a step-like sawtooth voltage amplitude for correcting the code. Figure 9 shows the Allan variation of the corrected drift of the output signal of a fiber optic gyroscope. The maximum drift was 0.0108 deg / h, the minimum drift was 0.0066 deg / h, the noise spectral density was 0.0024 deg / h 1/2 . Figure 10 shows graphs of the adjusted and uncorrected drift of the output signal of the fiber optic gyroscope during the first 15 minutes.
На Фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. Она содержит источник излучения 1, трехпортовый делитель оптического луча 2, интегрально-оптическую схему 3, волоконную чувствительную катушку 4. В качестве источника излучения обычно используется эрбиевый волоконный суперлюминесцентный источник с малой длиной когерентности излучения для минимизации поляризационной ошибки в волоконном кольцевом интерферометре (ВКИ). Трехпортовый делитель оптического излучения может представлять из себя либо волоконный сплавной разветвитель, либо волоконный циркулятор оптического излучения. Интегрально-оптическая схема содержит в своем составе Y-делитель оптического излучения и сформированные на выходных плечах Y-делителя два фазовых модулятора. Волоконная чувствительная катушка в зависимости от точности ВОГ содержит от нескольких сотен метров до нескольких километров волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Луч света от источника излучения поступает на первый вход делителя излучения, затем поступает на вход Y-разветвителя интегрально-оптической схемы (ИОС) и делится на два луча, которые проходят световод чувствительной катушки в двух взаимопротивоположных направлениях, после этого эти два луча объединяются Y-разветвителем ИОС в один луч, далее проходя трехпортовый делитель, луч попадает на площадку фотоприемника 5, где и образуют интерференционную картину. Ток фотоприемника усиливается усилителем 6. Далее сигнал с выхода усилителя тока фотоприемника поступает на первый вход дифференциального усилителя 7. На второй вход дифференциального усилителя поступает сигнал постоянной составляющей общего сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника, выделяемой с помощью фильтра низкой частоты 8. В качестве фильтра низкой частоты обычно используется интегратор. Таким образом, дифференциальный усилитель усиливает только переменную составляющую общего сигнала. Переменная составляющая сигнала содержит пички напряжения, которые возникают в структуре общего сигнала из-за конечной полосы пропускания электронного тракта. Пички удаляются с помощью электронного ключа 9. С выхода электронного ключа сигнал поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 10 и далее на вход цифровой части обрабатывающей электроники. Цифровая часть электроники строится либо на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), либо на базе микропроцессора. Сигнал с выхода АЦП поступает на входы двух синхронных детекторов (демодуляторов) 11, 12, которые выделяют сигналы вращения и рассогласования соответственно. Сигнал с первого демодулятора, выделяющего амплитуду сигнала вращения, поступает на вход регулятора 13, который формирует код напряжения ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения, вырабатываемого генератором 14. С помощью пилообразного ступенчатого напряжения осуществляется компенсация разности фаз Саньяка между лучами ВКИ. Сигнал после второго демодулятора, выделяющего амплитуду напряжения сигнала рассогласования, также поступает на вход регулятора 15, который осуществляет регулирование кода амплитуды напряжения ВФМ, вырабатываемого генератором 16. На выходе второго демодулятора путем изменения кода амплитуды напряжения ВФМ стабилизируется амплитуда фазовой модуляции между лучами ВКИ. Условием стабильности амплитуды фазовой модуляции является отсутствие сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора. Далее сигналы с выходов генератора ступенчатого пилообразного напряжения и генератора напряжения ВФМ поступают на вход сумматора 17, а с его выхода - на вход аналого-цифрового преобразователя (ЦАП) 18. С выхода ЦАП ступенчатое пилообразное напряжение и напряжение фазовой модуляции через масштабирующий усилитель 19 поступают на электроды фазовых модуляторов ИОС. На Фиг.2 показано напряжение фазовой модуляции 20, которое подается на электроды фазовых модуляторов ИОС, при этом разность фаз лучей ВКИ изменяется по закону 21. Длительность каждой ступеньки напряжения фазовой модуляции равна времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки ВКИ τ. Величина Δ выбирается из ряда π/2n, где n=1, 2, 3….Figure 1 shows the structural diagram of a fiber optic gyroscope. It contains a
На Фиг.3 показано формирование сигнала вращения ВОГ. Изменения интенсивности излучения на фотоприемнике описываются косинусной кривой 22. Наличие вращения гироскопа приводит в зависимости от знака скорости вращении к смещению кривой разности фаз между лучами ВКИ относительно кривой косинуса. Пунктирные линии 23 показывают смещение кривой разности фаз Саньяка между лучами ВКИ относительно косинусной кривой, в результате на фотоприемнике присутствует сигнал 24, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения. Амплитуда сигнала вращения выделяется на выходе первого демодулятора. Далее с помощью регулятора подбирается соответствующая величина ступеньки пилообразного напряжения, с помощью которой сигнал на выходе демодулятора обнуляется. Первый демодулятор сигнала вращения входит в состав первого контура обратной связи ВОГ, с помощью которого измеряется угловая скорость вращения. С помощью компенсации разности фаз Саньяка пилообразным ступенчатым напряжением при замыкании первого контура обратной связи [1] достигается линейность выходной характеристики гироскопа в широком диапазоне измерения угловых скоростей.Figure 3 shows the formation of the rotation signal VOG. Changes in the radiation intensity at the photodetector are described by a
На Фиг.4 показано формирование сигнала рассогласования. Сигнал рассогласования образуется на фотоприемнике тогда, когда изменяется эффективность фазовых модуляторов ИОС. В этом случае изменение эффективности фазовой модуляции показано пунктирными линиями 25. Таким образом, на фотоприемнике формируется сигнал рассогласования 26. Амплитуда сигнала рассогласования выделяется с помощью второго демодулятора. С помощью второго регулятора изменяется амплитуда напряжения ВФМ таким образом, чтобы сигнал на выходе второго демодулятора был равен нулю. Далее с помощью пересчета кода амплитуды напряжения фазовой модуляции определяется амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения для того, чтобы разность фаз между лучами ВКИ вносимая фазовыми модуляторами при минимальном значении пилообразного ступенчатого напряжения и его максимальным значением была, например, 2π радиан [1]. Это необходимо, чтобы при сбросе максимального значения пилообразного ступенчатого напряжения до его минимального значения (сброс пилообразного напряжения) не возникало на фотоприемнике изменений оптической мощности. Разность фаз лучей кольцевого интерферометра при сбросе пилообразного напряжения может принимать и другие значения [2]. Таким образом, второй демодулятор сигнала рассогласования входит во второй контур обратной связи, который предназначен для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ [1]. На Фиг.5 представлена структура общего сигнала на фотоприемнике, который содержит сигнал вращения 27, сигнал рассогласования 28 и их постоянную составляющую 29.Figure 4 shows the formation of the error signal. The mismatch signal is generated on the photodetector when the efficiency of the phase-modulated IOS changes. In this case, the change in the phase modulation efficiency is shown by dashed
На Фиг.6 представлен график 12-часового дрейфа выходного сигнала ВОГ 30 и кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения 31, которое используется для компенсации разности фаз Саньяка между лучами ВКИ ВОГ. По вертикальной оси графика показана измеряемая проекция угловой скорости вращения Земли в град/час. На графике видно, что при «холодном» включении прибора наблюдается медленный дрейф выходного сигнала гироскопа в течение трех часов, а затем выход на стабильный режим измерения в течение 9 часов проекции угловой скорости Земли. В данном случае временем точностной готовности ВОГ следует считать первые 3 часа, что во многих случаях применений ВОГа является совершенно неприемлемым. Известно, что возможной причиной начального дрейфа выходного сигнала ВОГ являются изменения амплитуды сигнала вращения и наличие паразитного смещения нуля на выходе демодулятора сигнала вращения. Выражение для ошибки компенсации разности фаз Саньяка можно в этом случае представить в видеFigure 6 presents a graph of the 12-hour drift of the output signal of the
Ψк=Φс-θ1/I0ηфGsinφм,Ψ k = Φ s -θ 1 / I 0 η f Gsinφ m ,
где θ1 - паразитное смещение нуля на выходе демодулятора сигнала вращения, Φс - разность фаз Саньяка, θ1, I0ηфGsinφм - амплитуда сигнала вращения, где I0 - интенсивность интерферирующих лучей на фотоприемнике, ηф - токовая чувствительность фотоприемника, G - коэффициент усиления усилителя тока фотоприемника и дифференциального усилителя, φм - амплитуда ВФМ лучей ВКИ. На Фиг.7 представлена вариация Аллана 32 дрейфа выходного сигнала ВОГ. Из этого графика следует, что минимальный дрейф выходного сигнала составляет величину 0,0126 град/час, характер шума «белый», спектральная плотность шума составляет величину 0024 град/час1/2. Указанный выше механизм приводит также и к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ через паразитное начальное смещение нуля 62 на выходе демодулятора сигнала рассогласования. Таким образом, причиной возникновения дрейфа выходного сигнала ВОГ при его включении являются изменения паразитного смещения нуля на выходе демодуляторов θ1 и θ2 и изменения амплитуд сигналов вращения и рассогласования. Выражение для ошибки поддержания амплитуды компенсирующего разность фаз Саньяка пилообразного ступенчатого напряжения ΔUк на модуляторе на необходимом уровне при наличии паразитного смещения θ2 на выходе демодулятора сигнала рассогласования может быть представлено в видеwhere θ 1 is the spurious zero offset at the output of the rotation signal demodulator, Φ c is the Sagnac phase difference, θ 1 , I 0 η f Gsinφm is the amplitude of the rotation signal, where I 0 is the intensity of the interfering rays at the photodetector, η f is the current sensitivity of the photodetector, G is the gain of the current amplifier of the photodetector and differential amplifier, φ m is the amplitude of the WFM of the FRI rays. 7 shows a variation of
ΔUк=θ2/I0ηфGsinφмη0,ΔU k = θ 2 / I 0 η f Gsinφ m η 0 ,
где η0 - эффективность рад/В фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы;where η 0 is the efficiency of rad / V phase modulators of the integrated optical circuit;
I0ηфGsinφм - амплитуда сигнала рассогласования.I 0 η f Gsinφ m is the amplitude of the error signal.
Как видно на графике, код выходного сигнала ВОГ и код амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения коррелируют друг с другом. Это ожидаемый результат, так как амплитуды сигналов вращения и рассогласования изменяются синхронно, а паразитные смещения нуля на выходах демодуляторов этих сигналов также могут быть жестко связаны. Исходя из этого, была проведена математическая коррекция выходной характеристики ВОГ с помощью кода напряжения на фазовых модуляторах ИОС при соответствующей операции его масштабирования. Операция масштабирования кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения заключается в следующем. Определяется максимальное изменение кода выходного сигнала прибора при его «холодном» включении и также определяется максимальное изменение кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения на модуляторе. После этого определяется соответствующий коэффициент пересчета изменения кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения в изменение кода выходного сигнала гироскопа и далее этот коэффициент используется для коррекции выходного сигнала ВОГ путем вычитания отмасштабированного кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения из кода выходного сигнала гироскопа. На Фиг.8 показаны графики скорректированного дрейфа выходного сигнала ВОГ 33 и нескорректированного дрейфа, наложенных друг на друга. Прямая 34 характеризует среднее значение выходного сигнала в течение последних 9 часов его дрейфа. На Фиг.9 показана вариация Аллана скорректированного дрейфа выходного сигнала ВОГ 35. Минимальное значение дрейфа составило величину 0,0066 град/час, характер шума остался «белым» и спектральная плотность шума составила величину 0,0024 град/час. Из графика скорректированного дрейфа видно, что при коррекции выходной характеристики время выхода на стабильный режим (время точностной готовности) значительно сократилось. На Фиг.10 показаны графики нескорректированного 36 и скорректированного дрейфа 37 в течение первых 15 минут. Из графиков видно, что время точностной готовности ВОГ сократилось с 3 часов до 3,5 минут. Приведенное выше описание коррекции выходной характеристики с помощью масштабированного кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения справедливо, если величина эффективности фазовых модуляторов ИОС является стабильной. В этом случае необходимо температуру ИОС поддерживать неизменной, например, с помощью системы термостабилизации. В случае, если термостабилизация ИОС не может быть осуществлена, код амплитуды ступенчатого напряжения может быть дополнительно отмасштабирован с помощью измерения температуры ИОС с помощью термодатчика. Известно, что электрооптические коэффициенты ниобата лития, являющегося подложкой ИОС и определяющие эффективность фазовых модуляторов, имеют линейную зависимость от температуры. В этом случае код пилообразного ступенчатого напряжения ΔUк при изменении температуры фазовых модуляторов ИОС дополнительно масштабируется по изменению температуры следующим образом:As can be seen in the graph, the VOG output signal code and the amplitude code of the step-like sawtooth voltage correlate with each other. This is the expected result, since the amplitudes of the rotation and mismatch signals change synchronously, and the stray zero offsets at the outputs of the demodulators of these signals can also be rigidly coupled. Based on this, a mathematical correction of the FOG output characteristic was carried out using the voltage code on the phase modulators of the IOS with the corresponding operation of its scaling. The operation of scaling the amplitude code of the sawtooth step voltage is as follows. The maximum change in the code of the output signal of the device when it is “cold” turned on is determined, and the maximum change in the code of the amplitude of the step-like sawtooth voltage on the modulator is also determined. After that, the corresponding coefficient for converting the change of the amplitude code of the sawtooth step voltage to the change of the output code of the gyroscope is determined and then this coefficient is used to correct the output signal of the FOG by subtracting the scaled code of the amplitude of the step-like sawtooth voltage from the code of the output signal of the gyroscope. On Fig shows graphs of the corrected drift of the output signal of the
ΔUк=θ2/I0ηфGsinφмη(Т0),ΔU k = θ 2 / I 0 η f Gsinφ m η (T 0 ),
η(Т0)=η(Т)-α(Т-Т0),η (T 0 ) = η (T) -α (T-T 0 ),
где Т - текущее значение температуры ИОС, измеряемое термодатчиком; α - температурный коэффициент изменения эффективности фазовых модуляторов; Т0 - температура фазовых модуляторов ИОС, при которой производилось первоначальное масштабирование кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения по коду выходного сигнала гироскопа, то есть по угловой скорости.where T is the current value of the IOS temperature, measured by a temperature sensor; α is the temperature coefficient of change in the efficiency of phase modulators; T 0 is the temperature of the phase modulators of the IOS, at which the initial scaling of the amplitude code of the step-like sawtooth voltage was performed according to the output signal code of the gyroscope, that is, by the angular velocity.
ЛитератураLiterature
[1] G.A.Pavlath, "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v.2837, 1996, pp 46-60.[1] G. A. Pavlath, "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v. 2837, 1996, pp 46-60.
[2] А.М.Курбатов, Р.А.Курбатов «Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов» №2, 2012 г. «Гироскопия и навигация».[2] A.M. Kurbatov, R.A. Kurbatov “Ways to improve the accuracy of fiber-optic gyroscopes” No. 2, 2012. “Gyroscopy and navigation”.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012145073/28A RU2512598C1 (en) | 2012-10-24 | 2012-10-24 | Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012145073/28A RU2512598C1 (en) | 2012-10-24 | 2012-10-24 | Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2512598C1 true RU2512598C1 (en) | 2014-04-10 |
Family
ID=50438750
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012145073/28A RU2512598C1 (en) | 2012-10-24 | 2012-10-24 | Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2512598C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2620933C1 (en) * | 2016-08-25 | 2017-05-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Fiber optic gyroscope with a large dynamic range of measurement of angular speeds |
RU2815704C1 (en) * | 2023-07-10 | 2024-03-20 | ПАО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" | Fibre optical angular velocity sensor without modulator |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5473430A (en) * | 1993-02-17 | 1995-12-05 | Litef Gmbh | Method for compensating light source wavelength variability in a rotation rate measuring closed-loop fiber optic Sagnac interferometer |
RU2160886C1 (en) * | 1999-11-02 | 2000-12-20 | Открытое акционерное общество Пермская научно-производственная приборостроительная компания | Procedure of processing of information of fiber-optical gyroscope |
US7336364B2 (en) * | 2005-11-29 | 2008-02-26 | Honeywell International, Inc. | Minimal bias switching for fiber optic gyroscopes |
CN101408425A (en) * | 2008-11-21 | 2009-04-15 | 中国航天时代电子公司 | Method for tracking optical fiber gyroscope eigenfrequency |
-
2012
- 2012-10-24 RU RU2012145073/28A patent/RU2512598C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5473430A (en) * | 1993-02-17 | 1995-12-05 | Litef Gmbh | Method for compensating light source wavelength variability in a rotation rate measuring closed-loop fiber optic Sagnac interferometer |
RU2160886C1 (en) * | 1999-11-02 | 2000-12-20 | Открытое акционерное общество Пермская научно-производственная приборостроительная компания | Procedure of processing of information of fiber-optical gyroscope |
US7336364B2 (en) * | 2005-11-29 | 2008-02-26 | Honeywell International, Inc. | Minimal bias switching for fiber optic gyroscopes |
CN101408425A (en) * | 2008-11-21 | 2009-04-15 | 中国航天时代电子公司 | Method for tracking optical fiber gyroscope eigenfrequency |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2620933C1 (en) * | 2016-08-25 | 2017-05-30 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Fiber optic gyroscope with a large dynamic range of measurement of angular speeds |
RU2815704C1 (en) * | 2023-07-10 | 2024-03-20 | ПАО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" | Fibre optical angular velocity sensor without modulator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7515271B2 (en) | Wavelength calibration in a fiber optic gyroscope | |
US11320267B2 (en) | Integrated optic wavemeter and method for fiber optic gyroscopes scale factor stabilization | |
JP5362180B2 (en) | Asynchronous demodulation of fiber optic gyroscope | |
US9291458B2 (en) | Fiber-optic measurement device, gyrometer, and navigation and inertial-stabilization system | |
RU2512599C1 (en) | Method of improving accuracy of closed-loop fibre-optic gyroscope | |
Celikel et al. | Establishment of all digital closed-loop interferometric fiber-optic gyroscope and scale factor comparison for open-loop and all digital closed-loop configurations | |
RU2500989C2 (en) | Electronic unit for fibre-optic gyroscope | |
JPH04130212A (en) | Optical fiber interferometer for measurement of rotational speed | |
RU2512598C1 (en) | Method of reducing precision readiness time of fibre-optic gyroscope | |
RU2482450C1 (en) | Apparatus for testing electronic unit of fibre-optic gyroscope | |
RU2343417C1 (en) | Method of low-frequency phase modulation for stabilisation of scale factor of fibre gyroscope | |
RU2566412C1 (en) | Method to increase accuracy of fibre-optic gyroscope due to suppression of parasitic effects in integral-optical phase modulators | |
RU2620933C1 (en) | Fiber optic gyroscope with a large dynamic range of measurement of angular speeds | |
RU2532997C2 (en) | Stabilised solid-state laser gyroscope | |
RU2246097C2 (en) | Method of phase modulation in ringular interferometer of fiber-optic gyro | |
Chen et al. | A phase modulation method for improving the scale factor stability of fiber-optic gyroscope | |
RU2194245C2 (en) | Method for carrying out optical fiber gyroscope ring interferometer beam phase modulation | |
Ying et al. | An open-loop RFOG based on 2nd/4th harmonic feedback technique to suppress phase modulation index’s drift | |
RU2441202C2 (en) | Method for eliminating dead zones in fibre-optic gyroscope | |
Kurbatov | New methods to improve the performance of open and closed loop fiber-optic gyros | |
RU2627020C1 (en) | Method for improving accuracy of fiber-optic gyroscopes under vibration influence | |
RU2160885C1 (en) | Method of stabilization of scale factor of fiber-optical gyroscope | |
RU2627015C1 (en) | Way to improve the accuracy of compensation of parasitic effects in integrated-optical phase modulators of fiber-optic gyroscopes | |
Moslehi et al. | Low-cost and compact fiber-optic gyroscope with long-term stability | |
Korkishko et al. | High-precision fiber optical gyro with extended dynamical range |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20200826 |