УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНОГО ВЕКТОРА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА Российский патент 1998 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано при конструировании трехосного волоконно-оптического гироскопа, использующегося для измерения полного вектора угловой скорости.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является устройство измерения полного вектора угловой скорости. В известном устройстве оптическое излучение от источника поступает на первый вход первого делителя оптической мощности с коэффициентом деления мощности 1: 1, далее излучение с первого выхода первого делителя поступает на первый вход второго делителя. Со второго выхода первого делителя 50% мощности излучения источника теряется и далее не используется. Далее первый выход делителя соединяется с первым входом третьего делителя, выход которого соединяется с первым входом четвертого делителя. Второй выход второго делителя соединяется с первым входом пятого делителя оптической мощности, а первый выход пятого делителя соединяется с первым входом шестого делителя оптической мощности. Первая волоконная катушка с фазовым модулятором соединяется с вторым выходом третьего делителя и с вторым выходом пятого делителя. Вторая волоконная катушка с вторым фазовым модулятором соединяется с первым выходом четвертого делителя оптической мощности и с первым выходом шестого делителя оптической мощности. Третья волоконная катушка с третьим фазовым модулятором соединена с вторым выходом четвертого делителя оптической мощности и с вторым выходом шестого делителя оптической мощности. Далее шесть оптических лучей, пройдя катушки в двух взаимно-противоположных направлениях, каждый теряет 50% своей мощности при обратном прохождении шестого, пятого, четвертого и третьего делителей оптической мощности и далее эта мощность не используется. Шесть лучей при прохождении волоконных катушек снова попадают на выходы второго делителя оптической мощности и проходят его в обратном направлении и смешиваются. Далее смешанные лучи проходят входы второго делителя оптической мощности и с второго входа второго делителя оптической мощности снова теряют 50% своей мощности, которая также не используется. Остальные 50% оптической мощности шести лучей, прошедших попарно в двух взаимно-противоположных направлениях волоконные чувствительные катушки, проходят поляризатор и через первый делитель оптической мощности попадают на фотоприемник, на котором и образуют интерференционную картину трех независимых пар лучей, прошедших волоконные катушки в двух взаимно-противоположных направлениях.

Основными недостатками оптической схемы известного устройства измерения полного вектора угловой скорости являются:
1. большое количество делителей оптической мощности, что увеличивает габаритно-весовые характеристики устройства и вносит дополнительные потери оптической мощности;
2. неэффективное использование оптическое мощности источника излучения, которое выражается в потере 50% оптической мощности после первого делителя, а затем и еще в потере 50% мощности каждого из шести оптических лучей, прошедших чувствительные катушки при прохождении третьего, четвертого, пятого и шестого делителей оптической мощности.

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности измерения полного вектора угловой скорости с более эффективным использованием оптической мощности источника излучения. Указанная цель достигается тем, что в устройстве измерения полного вектора угловой скорости движущегося объекта, содержащем источник излучения, пять делителей оптической мощности, поляризатор, фотоприемник, три фазовых модулятора, три волоконно-оптических катушки, оси чувствительности которых взаимно-ортогональны, причем источник излучения соединен с первым входом первого делителя оптической мощности, первый выход которого соединен с поляризатором, а второй вход - с фотоприемником, выход поляризатора соединен с первым входом второго делителя оптической мощности, выход каждого модулятора соединен с одним из двух концов соответствующей волоконно-оптической катушки, дополнительно введены два поляризатора, второй выход первого делителя оптической мощности соединен с первым входом третьего делителя оптической мощности, второй вход которого соединен с фотоприемником, а первый выход третьего делителя оптической мощности соединен с входом второго поляризатора, выход которого соединен с первым входом четвертого делителя оптической мощности, один выход четвертого делителя оптической мощности соединен с входом второго фазового модулятора, а другой с вторым концом второй волоконно-оптической катушки, второй выход третьего делителя оптической мощности соединен с входом третьего поляризатора, выход которого соединен с первым входом пятого делителя оптической мощности, один выход пятого делителя оптической мощности соединен с входом третьего фазового модулятора, а другой - с вторым концом третьей волоконно-оптической катушки, один выход второго делителя оптической мощности соединен с входом первого фазового модулятора, а другой - с вторым концом первой волоконно-оптической катушки, при этом коэффициент деления первого делителя оптической мощности равен 1:2, а третьего делителя оптической мощности 1:1.

Более эффективное использование оптической мощности источника излучения достигается в предлагаемой оптической схеме за счет того, что устраняется потеря 50% оптической мощности источника после первого делителя прототипа, а также и еще 50% оставшейся мощности каждого из шести оптических лучей, прошедших волоконные катушки попарно в двух взаимно-противоположных направлениях на делителях оптической мощности прототипа при выходе из волоконных катушек перед смешением. Кроме того, предлагаемая схема имеет в своем составе 5 делителей оптической мощности, а схема прототипа - шесть делителей, в результате чего в предлагаемой схеме уменьшаются потери оптической мощности при прохождении делителей оптической мощности. Предлагаемая оптическая схема имеет по крайней мере меньшие потери оптической мощности на 6 дБ, т.е. по использованию оптической мощности источника предлагаемая схема эффективнее по крайней мере в 4 раза, за счет чего чувствительность каждого из трех волоконно-оптических гироскопов, составляющих измеритель полного вектора угловой скорости, повышается в 2 раза.

На фиг. 1 приведена оптическая схема предлагаемого устройства измерения полного вектора угловой скорости; на фиг. 2 - один из примеров практической реализации оптической схемы предлагаемого устройства; на фиг. 3 - структурная схема устройства измерения полного вектора угловой схемы; на фиг. 4 - диаграмма работы гироскопа.

Предлагаемое устройство имеет следующую конструкцию (фиг. 1). Источник излучения 1, имеющий выход, соединен с первым входом делителя оптической мощности 2, второй вход его соединен с фотоприемником 3, первый выход которого соединен с входом поляризатора 4, выход поляризатора 4 соединен с первым входом делителя оптической мощности 5. Первый выход делителя 5 соединен с входом фазового модулятора 6, выход которого соединен с одним из двух концов волоконной чувствительной катушки 7. Второй выходной конец делителя 5 соединен с вторым световодным концом волоконно-оптической катушки 7. Второй входной конец делителя 5 остается свободным (делитель 5 может иметь, например, и один вход).

Второй выходной конец делителя 2 соединен с первым входным концом третьего делителя оптической мощности 8. Первый выходной конец делителя 8 соединен с входом поляризатора 9, выходной конец которого соединен с первым входом делителя оптической мощности 10.. Первый выходной конец делителя 10 соединен с входным концом фазового модулятора 11, выход которого соединен с одним из двух световодных концов волоконно-оптической катушки 12. Второй выходной конец делителя 10 соединен с вторым световодным концом волоконно-оптической катушки 12. Второй выходной конец делителя 10 остается свободным (делитель 10 может иметь, например, и один входной конец).

Второй выходной конец делителя 8 соединен с входом поляризатора 13, выход которого соединен с первым входом делителя 14 оптической мощности. Первый выход делителя 14 соединен с входом фазового модулятора 15, выход которого соединен с одним из двух световодных концов волоконно-оптической катушки 16. Второй выход делителя 14 соединен с вторым световодным концом катушки 16. Второй входной конец делителя 14 остается свободным (делитель 14 может иметь, например, и один входной конец).

Первый входной конец делителя 2 и второй входной конец делителя 8 сведены вместе и соединены с фотоприемником 3, выход которого соединен (фиг. 3) с входом предварительного усилителя 17, выход 17 соединен одновременно с входом синхронного усилителя 18, входом синхронного усилителя 19 и с входом синхронного усилителя 20.

Выход генератора 21 возбуждения фазового модулятора 6 соединен с опорным плечом синхронного усилителя 18 и с управляющим входом модулятора 6. Выход генератора 22 соединен с опорным плечом синхронного усилителя 19 и управляющим входом модулятора 11. Выход генератора 23 соединен с опорным плечом синхронного усилителя 20 и управляющим входом модулятора 15. На выходе синхронного усилителя 18 присутствует сигнал, пропорциональный проекции полного вектора угловой скорости на ось чувствительности катушки 7 (ось Х), на выходе синхронного усилителя 19 присутствует сигнал, пропорциональный проекции полного вектора угловой скорости на ось чувствительности катушки 12 (ось Y), на выходе синхронного усилителя 20 присутствует сигнал, пропорциональный проекции полного вектора угловой скорости на ось чувствительности катушки 16 (ось Z).

Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг. 1).

Излучение от источника 1 поступает на первый вход делителя оптической мощности 2. Делитель 2 делит оптический луч на два оптических луча, первый из которых с первого выхода делителя 2 поступает на вход поляризатора 4, после прохождения поляризатора 4 луч поступает на первый вход делителя оптической мощности лучей 5. Делитель оптической мощности лучей 5 делит поступивший луч также на два луча одинаковой оптической мощности, первый из которых с первого выхода делителя 5 поступает на вход фазового модулятора 6 и далее поступает на вход одного из двух концов волоконно-оптической катушки 7. Второй луч с второго выхода делителя оптической мощности 5 поступает на вход второго конца волоконно-оптической катушки 7.

Второй луч с второго выхода делителя оптической мощности 2 поступает на первый вход делителя оптической мощности 8, который делит его на два луча одинаковой оптической мощности. Первый луч после делителя 8 с первого его выхода поступает на вход поляризатора 9 и, пройдя его, поступает на первый вход делителя оптической мощности 10, который в свою очередь делит этот луч на два луча одинаковой оптической мощности, один из которых поступает на вход модулятора 11 и далее на вход одного из двух концов волоконно-оптической катушки 12. Второй луч после делителя 10 с второго его выхода поступает на второй вход волоконно-оптической катушки 12.

Второй оптический луч с второго выхода делителя оптической мощности 8 поступает на вход поляризатора 13 и далее на первый вход делителя оптической мощности 14, который делит этот луч на два луча одинаковой оптической мощности. Один из этих лучей с первого выхода делителя 14 поступает на вход модулятора 15 и далее на один из двух концов волоконно-оптической катушки 16. Второй луч с второго выхода делителя 14 поступает на второй вход волоконно-оптической катушки 16.

Таким образом на входы волоконно-оптических катушек 7, 12, 16 поступают шесть оптических лучей, которые попарно проходят их в двух взаимно-противоположных направлениях и попарно же, поступая на выходы делителей оптической мощности 5, 10, 14, смешиваются ими. Пары смешанных лучей, прошедших волоконно-оптические катушки в двух взаимно-противоположных направлениях, поступают соответственно на выходы поляризаторов 4,9,13 и далее, пройдя делители 2 и 8, делятся пополам по мощности. Одна часть мощности трех пар смешанных лучей поступает с первого входа делителя 2 на источник 1, а вторая часть с второго входа делителя 8 и второго входа делителя 2 (второй вход делителя 8 и второй вход делителя 2 объединены) поступает на вход фотоприемника 3.

На управляющий вход модулятора 6 (фиг. 3) с выхода генератора 21 подается сигнал вспомогательной фазовой модуляции. Частота вспомогательной фазовой модуляции должна удовлетворять следующему условию:

где
τ₁ - время пробега лучей по световоду чувствительной катушки 7;
L₁ - длина световода чувствительной катушки Z1;
C - скорость света в вакууме;
n - показатель преломления материала световода.

При использовании в качестве фазового модулятора 6 широкополосного модулятора, выполненного, например, на основе подложки из ниобита лития, вспомогательная фазовая модуляция осуществляется по прямоугольному закону, при этом вводится периодическое изменение разности фаз лучей, прошедших чувствительную катушек в двух взаимно-противоположных направлениях, с амплитудой с частотой [2]. Диаграмма, поясняющая работу гироскопа в этом случае, показана на фиг. 4. Из фиг. 4 видно, что при отсутствии вращения на фотоприемнике 3 присутствует сигнал, состоящий из очень коротких пиков, следующих с частотой и не имеет составляющих на частоте вспомогательной модуляции . При появлении вращения на фотоприемнике 3 появляется последовательность прямоугольных импульсов с частотой и амплитудой пропорциональной φ1c

, где φ1c - разность фаз, возникающая между двумя лучами, прошедшими чувствительную катушку 7 в двух взаимно-противоположных направлениях. Величина φ1c выражается формулой Саньяка:

где
R₁ - радиус намотки чувствительной катушки 7;
L₁ - длина световода, намотанного в катушку 7;
λ - длина волны источника излучения;
C - скорость света в вакууме;
Ωxвр - проекция полного вектора угловой скорости на ось чувствительной катушки 7.

Фазовый модулятор 11 возбуждается генератором 22 последовательностью прямоугольных импульсов с частотой , где C - скорость света в вакууме, L₂ - длина световода, намотанного в катушку 12. При наличии вращения на фотоприемнике 3 присутствует последовательность прямоугольных импульсов с частотой и амплитудой пропорциональной разности фаз φ2c

, которая выражается формулой Саньяка следующим образом:

где
R₂ - радиус намотки световода на катушки 12;
Ωyвр - проекция полного вектора угловой скорости на ось чувствительности волоконной катушки 12.

Фазовый модулятор 15 возбуждается генератором 23 последовательностью прямоугольных импульсов с частотой , где L₃ - длина световода, намотанного в чувствительную катушку 16; n - показатель преломления материала световода.

При наличии вращения на фотоприемнике 3 присутствует последовательность прямоугольных импульсов с частотой и амплитудой пропорциональной разности фаз φ3c

, которая выражается формулой Саньяка следующим образом:

где
R₃ - радиус намотки световода чувствительной катушки 16;
Ωzвр - проекция полного вектора угловой скорости на ось чувствительности волоконной катушки 16.

Таким образом на фотоприемнике 3 присутствуют одновременно сигналы, которые несут информацию о трех проекциях (оси чувствительности катушек 7, 12, 16 составляют прямоугольную систему координат) полного вектора угловой скорости и поэтому, измеряя в любой момент времени одновременно значения проекций угловой скорости на оси чувствительности катушек 7, 12, 16, можно иметь информацию о полном векторе угловой скорости движения объекта в любой фиксированный момент времени.

Информация о каждой из трех проекций угловой скорости выделяется с помощью трех синхронных усилителей 18 - 20, которые выделяют амплитуды, которые пропорциональны φ1c

;φ2c;φ3c на частотах fопт1;fопт2;fопт3/ соответственно, поэтому очень важно, чтобы частоты не попадали в полосу пропускания соседних синхронных усилителей. Подбор частот fопт1;fопт2;fопт3 осуществляется путем подбора длины световодов L₁; L₂; L₃ в чувствительных катушках 7, 12, 16.

Одной из важнейших характеристик волоконно-оптического гироскопа является величина его масштабного коэффициента . Для удобства обработки информации гироскопов необходимо, чтобы их масштабные коэффициенты были равны друг другу, т.е.

.

Откуда следует условие на радиусы намотки световодов чувствительных катушек, а именно:
R₁L₁ = R₂L₂ = R₃L₃
Длины световодов L₁, L₂, L₃, подбираются из условия, которое обеспечивает достаточное разнесение оптимальных частот вспомогательной фазовой модуляции fопт1

;fопт2;fопт3 , осуществляемой фазовыми модуляторами 6, 11, 15, таким образом, чтобы они не попадали в полосу пропускания двух других синхронных усилителей, а именно сигнал на частоте fопт1не попадал в полосу попадания 19 и 20, сигнал на частоте fопт2 не попадал в полосу пропускания 18 и 20, сигнал на частоте fопт3 не попадал в полосу пропускания 18 и 19.

При осуществлении вспомогательной фазовой модуляции на частотах fопт1

;fопт2;fопт3 сигналы на выходе синхронных усилителей 18 - 20 пропорциональны величинам:

где
Ωxвр,Ωyвр;Ωzвр - - проекция полного вектора угловой скорости движения объекта на оси чувствительности катушек 7, 12, 16, которые образуют прямоугольную систему координат.

Таким образом на выходе синхронных усилителей 18 - 20 присутствует информация о величинах Ωxвр

,Ωyвр;Ωzвр , которой оказывается достаточно для определения полного вектора угловой скорости движения объекта, на котором установлено предлагаемое устройство, в любой момент времени.

Для обеспечения одинаковой чувствительности к угловой скорости всех трех осей волоконно-оптического гироскопа необходимо обеспечить одинаковую мощность всех шести лучей, прошедших волоконно-оптические катушки. Для этого необходимо, чтобы делитель оптической мощности 2 делил оптическую мощность луча, поступающую с источника 1 с коэффициентом 1:2, т.е. мощность луча с второго выхода делителя 2 должна быть больше мощности луча с первого выхода в 2 раза. Также для обеспечения одинаковости по мощности шести попарно интерферирующих лучей необходимо, чтобы коэффициент деления мощности делителя 8 был равен 1:1, т.е. луч, поступающий на первый вход делителя 8, делился на два луча одинаковой интенсивности, которые присутствуют на первом и втором выходах делителя 8.

Оптический луч с источника 1, пройдя оптическую схему предлагаемого устройства измерения полного вектора угловой скорости, претерпевает потери оптической мощности 6 дБ, т.е. предлагаемая оптическая схема позволяет иметь выигрыш по мощности в 4 раза, что соответствует повышению чувствительности гироскопа в 2 раза. Кроме того, оптическая схема прототипа имеет в своем составе 6 делителей оптической мощности, а предлагаемая схема - 5 делителей, поэтому потери оптической мощности интерферирующих лучей при двойном прохождении (туда-обратно) в предлагаемой оптической схеме будут меньше, чем в оптической схеме прототипа.

Наиболее предпочтительным воплощением оптической схемы предлагаемого устройства измерения полного вектора угловой скорости является пример, приведенный на фиг. 2. В этой схеме применены три интегрально-оптических чипа, которые объединяют в себе функции поляризатора, делителя оптической мощности и фазового модулятора. Интегрально-оптический чип представляет собой подложку ниобата лития, со сформированной на ней по протонобменной технологии волноводной структурой у разветвителя 2. Волноводы, сформированные по протонобменной технологии, обладают поляризующим свойством. При нанесении на выходные концы у разветвителя системы металлических электродов и подачи на них электрического напряжения можно осуществлять фазовую модуляцию оптических лучей за счет электрооптического эффекта, которым обладает ниобат лития.

Таким образом первый интегрально-оптический чип объединяет в своем составе поляризатор 4, делитель оптической мощности 5 и фазовый модулятор 6. Второй интегрально-оптический чип объединяет в своем составе поляризатор 9, делитель оптической мощности 10 и фазовый модулятор 11. Третий интегрально-оптический чип объединяет в своем составе поляризатор 13, делитель оптической мощности 14 и фазовый модулятор 15.

Литература
1. ЕР N 0388499, кл. G 01 B 19/72, 1990 г.

2. Optic Lett, v 7, 1982, pp. 563-565е

Устройство содержит источник излучения, пять делителей оптической мощности, три фазовых модулятора, три волоконно-оптических катушки, три поляризатора и фотоприемник. Оси чувствительности волоконно-оптических катушек взаимно-ортогональны. Коэффициент деления делителя оптической мощности, вход которого соединен с источником излучения, равен 1 : 2. Делитель оптической мощности, вход которого соединен с выходом первого делителя, имеет коэффициент деления 1 : 1. Оптическая схема устройства обеспечивает эффективное использование оптической мощности, что приводит к повышению чувствительности устройства. 4 ил.

Устройство измерения полного вектора угловой скорости движущегося объекта, содержащее источник излучения, пять делителей оптической мощности, поляризатор, фотоприемник, три фазовых модулятора, три волоконно-оптические катушки, оси чувствительности которых взаимно ортогональны, причем источник излучения соединен с первым входом первого делителя оптической мощности, первый выход которого соединен с поляризатором, а второй вход - с фотоприемником, выход поляризатора соединен с первым входом второго делителя оптической мощности, выход каждого фазового модулятора соединен с одним из двух концов соответствующей волоконно-оптической катушки, отличающееся тем, что в него дополнительно введены два поляризатора, второй выход первого делителя оптической мощности соединен с первым входом третьего делителя оптической мощности, второй вход которого соединен с фотоприемником, а первый выход третьего делителя оптической мощности соединен с входом второго поляризатора, выход которого соединен с первым входом четвертого делителя оптической мощности, один выход которого соединен с входом второго фазового модулятора, а другой - с вторым концом второй волоконно-оптической катушки, второй выход третьего делителя оптической мощности соединен с входом третьего поляризатора, выход которого соединен с первым входом пятого делителя оптической мощности, один выход пятого делителя оптической мощности соединен с входом третьего фазового модулятора, а другой - с вторым концом третьей волоконно-оптической катушки, один выход второго делителя оптической мощности соединен с входом первого фазового модулятора, а другой - с вторым концом первой волоконно-оптической катушки, при этом коэффициент деления первого делителя оптической мощности равен 1:2, а третьего делителя оптической мощности 1:1.