ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ БЕЗ МОДУЛЯТОРА Российский патент 2024 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к устройствам для измерения угловой скорости с использованием гироскопических эффектов и к способам их работы.

В зависимости от условий эксплуатации требования к массогабаритным характеристикам, стоимости и энергопотреблению возрастают, например, при использовании автономных навигационных приборов для малых беспилотных летательных аппаратов.

Известна минимальная конфигурация волоконно-оптического датчика угловой скорости (ДУС), которая включает тот минимальный набор элементов, который позволяет создать работоспособный ДУС (см. книга Шереметьев А.Г. Волоконно-оптический гироскоп. Москва: Радио и связь, опубл. 1987 г.). Среди обязательных элементов конфигурация ДУС включает модулятор и демодулятор, для обеспечения работоспособности чувствительного элемента (ЧЭ). Это требует дополнительного места для размещения и увеличивает энергопотребление.

Устранение вышеуказанных недостатков является технической проблемой. Создание простого ДУС может обеспечить использование схемы интерферометра, не требующего модулятора и демодулятора. Технический результат заключается в уменьшении габаритных характеристик изделия, снижении потребляемой электроэнергии, что актуально для работы навигационных систем для малых беспилотных аппаратов.

В части устройства поставленная проблема решается и технический результат достигается тем, что в датчике угловой скорости, содержащем источник лазерного излучения, чувствительный элемент, работающий на эффекте Саньяка, и блок обработки сигнала (БО) с фотодетектором, узел интерференции включает четыре оптических делителя (ОД) 1×2, имеющих один вход два выхода, при этом два входа первых двух ОД 1×2 соединены соответственно со входом и выходом оптического волновода, чувствительного к эффекту Саньяка, выполненного, например, в виде волоконно-оптического контура (ВК), первый выход первого ОД 1×2 и второй выход второго ОД 1×2 соединены соответственно со вторым и первым выходом четвертого оптического ОД 1×2, а второй выход первого ОД 1×2 и первый выход второго ОД 1×2 соединены соответственно со вторым и первым выходом третьего ОД 1×2. Третий ОД 1×2 имеет электроды для создания исходной разности фаз встречных лучей в ВК интерферометра Саньяка. Чувствительный элемент формирует интерференционную картину, на основе которой фотодетектор преобразует оптическую мощность в электрический сигнал для определения угловой скорости в БО.

На фиг. 1 представлена оптическая схема предлагаемого датчика.

Предлагаемый волоконно-оптический датчик угловой скорости состоит из источника 1 когерентного лазерного излучения (ИИ) и с изолятором для гашения обратного луча, чувствительного элемента интерферометра Саньяка 2 (ЧЭ) со входом А и выходом В и БО 10 с фотодетектором 9 (ФД).

БО 10 обеспечивает преобразование оптического сигнала в электрический, математическую обработку результатов измерений и управление работой ДУС: задает рабочую точку подачей через вывод 12 потенциала на электроды 6 для работы ЧЭ 2, производит математические действия для обработки результатов измерения и вывод данных.

ЧЭ 2 представляет собой интерферометр Саньяка и состоит из узла интерференции 27 (УИ) и оптического волновода, выполненного, например, в виде волоконно-оптической катушки ВК 3. Вход А ЧЭ 2 соединен с выходом 25 ИИ1, а выход В ЧЭ2 соединен с ФД9. Излучение от ИИ1 подается на вход А ЧЭ2, с выхода В ЧЭ2 выводится луч после интерференции в УИ27 на ФД9, где преобразовывается в электрическую форму и подается на вход 24 БО 10. Луч от ВКЗ, который в обратном направлении поступает на ОД8, идет на выход 25 ИИ1, где гасится на изоляторе.

Узел интерференции УИ 27 состоит из четырех оптических делителей 1×2, имеющих один вход два выхода: первого ОД4, второго ОД5, третьего ОД6 и четвертого ОД8.

Вход 13 ОД4 оптического делителя 1x2, имеющего один вход два выхода, соединен со входом оптического волновода 3, чувствительного к эффекту Саньяка, вход 14 ОД5 второго оптического делителя 1×2, имеющего один вход два выхода, - с выходом ВК 3. Входом ВК 3 является начало намотки ВК 3, выходом - ее конец. Намотка ВК 3 ведется, например, по часовой стрелке. Выход 15 ОД4 соединен с выходом 21 ОД 8 четвертого оптического делителя 1×2, имеющего один вход два выхода, выход 18 ОД5 соединен с выходом 22 ОД8. Выход 16 ОД 4 соединен с выходом 19 ОД6 третьего оптического делителя 1×2, имеющего один вход два выхода, с электродами 7, выход 17 ОД5 соединен с выходом 20 ОД6. Вход 26 ОД6 соединен с выходом А ЧЭ2 и далее с 25 ИИ1, а вход 23 ОД8 соединен через выход В ЧЭ2 с ФД 9. Данное соединение формирует ЧЭ 2 как проходной интерферометр Саньяка со входом А, волоконно-оптической катушкой ВК 3, узлом интерференции УИ 27, состоящим из четырех оптических делителей 1×2, имеющих один вход два выхода ОД4, ОД5, ОД6, ОД8 и выходом В, на котором формируется интерференционная картина в зависимости от величины угловой скорости ДУС. Для формирования интерференционной картины разность длин участков соединений 15-21 и 8-22 должна быть меньше длины когерентности ИИ1. Элементы ОД4, ОД5, ОД6, ОД8, а также ВК 3 могут быть выполнены по фотонной интегрально-оптической технологии, в том числе на одном кристалле.

Рассмотрим работу ДУС. Луч от источника ИИ1 с выхода 25 поступает на вход А ЧЭ2, далее на вход 26 ОД6 и, после прохождения ОД6, делится на два направления CW (выход 19 ОД6) и CCW (выход 20 ОД6). При этом, в ОД6 за счет подачи потенциала на электроды 7 от БО 10 через выход 12 между этими лучами задается исходная разность фаз (рабочая точка). CW поступает через 16 и 13 ОД4 на вход ВК3 по часовой стрелке, a CCW через 17 и 14 ОД5 на выход ВК 3 - против часовой стрелки. Вследствие эффекта Саньяка, при вращении ДУС, например, по часовой стрелке, для CW происходит положительное приращение фазы светового потока (+AY), а для встречного луча CCW - уменьшение фазы (- AY). Далее CCW проходит через 13 и 15 ОД4 и поступает на 21 ОД8, a CW проходит через 14 и 16 ОД5 и поступает на 22 ОД8. В ОД8 они интерферируют и результат интерференции через 23 ОД8 и выход В ЧЭ 2 поступает на ФД9. Далее, от ФД 9 электрический сигнал, содержащий информацию об угловой скорости, поступает на вход 24 БО 10. В БО 10 происходит обработка результатов измерения и их вывод через выход 11.

В результате данного решения проходной интерферометр Саньяка не требует модуляции и демодуляции, поскольку исходная заданная разность фаз между CW и CCW не компенсируется при прохождении ВКЗ и далее через ОД8, поэтому модулятор и демодулятор из состава ДУС можно исключить. Оптическая мощность, которая возвращается от ВК 3 в ОД6, поступает через 25 на изолятор ИИ1 и гасится.

При использовании узкополосных ИИ с большой длиной когерентности в ОД8 возникает паразитная интерференция отраженных лучей вследствие эффекта Керра. Для снижения этого эффекта в ОД8, как показано на фиг. 2, введены электроды 27, что обеспечивает перемещение рабочей точки для отраженных потоков в нуль. Это реализовано следующим образом. За счет отражения в ВК 3 CW, имеющий, например, исходный сдвиг по фазе относительно CCW в 45 градусов, через вход 18 и выход 15 ОД4 поступает на выход 21 ОД8. А отраженный в ВКЗ CCW через вход 14 и выход 18 ОД 5 поступает на выход 22 ОД8. В этом случае CCW в ОД8 также сдвигается по фазе на 45 градусов в ОД8 за счет подачи компенсирующего потенциала на электроды, что обеспечивает разность фаз между отраженными лучами, равную нулю. Это снижает влияние паразитной интерференции отраженных лучей на результаты измерения угловой скорости. Для CW и CCW сдвиг по фазе в состоянии покоя ДУС будет равен сумме исходных сдвигов в ОД6 и ОД8, в данном случае 90 градусов.

Таким образом, достигнута поставленная техническая задача: предложен простой ДУС с уменьшенными габаритами и энергопотреблением за счет исключения из состава ДУС модулятора и демодулятора.

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к устройствам для измерения угловой скорости с использованием гироскопических эффектов и к способам их работы. Датчик угловой скорости без модулятора, содержащий источник излучения, оптический волновод, чувствительный к эффекту Саньяка, узел интерференции, блок обработки, отличается тем, что узел интерференции состоит из четырех оптических делителей 1×2, имеющих один вход, два выхода, при этом: вход первого оптического делителя 1×2 и вход второго оптического делителя 1×2 соединены соответственно со входом и выходом оптического волновода, чувствительного к эффекту Саньяка, первый выход первого оптического делителя 1×2 и второй выход второго оптического делителя 1×2 соединены соответственно со вторым и первым выходом четвертого оптического делителя 1×2, а второй выход первого делителя 1×2 и первый выход второго оптического делителя 1×2 соединены соответственно со вторым и первым выходом третьего оптического делителя 1×2, четвертый оптический делитель 1×2, имеющий один вход, два выхода, имеет электроды. Технический результат заключается в уменьшении габаритных характеристик изделия, снижении потребляемой электроэнергии. 2 ил.

Датчик угловой скорости без модулятора, содержащий источник излучения, оптический волновод, чувствительный к эффекту Саньяка, узел интерференции, блок обработки, отличающийся тем, что узел интерференции состоит из четырех оптических делителей 1×2, имеющих один вход два выхода, при этом: вход первого оптического делителя 1×2 и вход второго оптического делителя 1×2 соединены соответственно со входом и выходом оптического волновода, чувствительного к эффекту Саньяка, первый выход первого оптического делителя 1×2 и второй выход второго оптического делителя 1×2 соединены соответственно со вторым и первым выходом четвертого оптического делителя 1×2, а второй выход первого делителя 1×2 и первый выход второго оптического делителя 1×2 соединены соответственно со вторым и первым выходом третьего оптического делителя 1×2, четвертый оптический делитель 1×2, имеющий один вход, два выхода, имеет электроды.