Гибридный датчик угловой скорости Российский патент 2024 года по МПК G01C19/64 G01C23/00 

Изобретение относится к области оптических измерений, к интерферометрическому измерительному устройству на основе волоконно-оптических чувствительных элементов для измерения угловой скорости с использованием эффекта Саньяка. На точность измерения угловой скорости большое влияние оказывает дрейф оптического гироскопа, вызванный случайным дрожанием фазы оптического сигнала, шумами источника оптического излучения, выражающийся в уровне шумов, ограничивающих точность измерения угловой скорости.

Основным направлением повышения чувствительности измерительных устройств на основе интерферометра Саньяка (ИС) является увеличение длины волоконно-оптического контура чувствительного элемента ИС.

Наиболее близким по технической сущности является датчик угловой скорости (ДУС) по патенту US 2016/0025494 А1 (опубликован 28 января 2016 года). В данном ДУС применен чувствительный элемент в ИС в виде кольцевого резонатора с двумя оптическими делителями (ОД) 2x2, имеющими два входа и два выхода, которые соединяют соответственно первое и второе плечо ИС таким образом, что два оптических луча распространяются в противоположных направлениях. Это дает возможность использовать чувствительный элемент с оптическим резонатором и сократить физическую длину волоконно-оптического контура без снижения чувствительности, поскольку оптический резонатор имеет преимущество в том, что удлиняет путь лучей в ИС пропорционально Q - добротности оптического резонатора (Optical scattering noise in high Q fiber ring resonators and its effect on optoelectronic oscillator phase noise. Опубликована: OPTICS LETTERS / Vol.37, No. 4 / February 15, 2012). Таким образом, благодаря высокой добротности оптические лучи, многократно циркулируют, проходя в оптическом резонаторе путь, превышающий его физическую длину, что эквивалентно увеличению физической длины волоконно-оптического контура. Это является преимуществом чувствительного элемента с оптическим кольцевым резонатором, обеспечивающим повышение чувствительности ДУС без увеличения физической длины волокна в чувствительном элементе.

Однако данное увеличение эквивалентной длины в ИС за счет использования в качестве чувствительного элемента оптического кольцевого резонатора, ограничено тем, что для увеличения добротности оптического кольцевого резонатора необходимо уменьшать коэффициент деления в оптических делителях 2X2, иначе затухания, вносимые в оптический кольцевой резонатор от внешних соединений с оптическими делителями, снижают его добротность. Это уменьшение коэффициента деления ведет к потере мощности оптического излучения на выходе ИС, что приводит к снижению отношения сигнал/шум и, следовательно, к снижению чувствительности. Поэтому чувствительность оптического кольцевого резонатора имеет ограничение, которое не позволяет достичь требуемой точности ДУС.

Техническая задача стоит в создании конструкции, в которой используется преимущество чувствительного элемента в виде оптического кольцевого резонатора, при этом обеспечивается достижение требуемой точности измерения угловой скорости за счет исключения значительной потери оптической мощности.

Технически задача решается путем создания гибридного ДУС, в котором в качестве чувствительного элемента использованы соединенные между собой оптический кольцевой резонатор и волоконно-оптический контур. В отличие от известного решения, с первым плечом интерферометра Саньяка соединен вход волоконно-оптического контура, а первый выход оптического делителя 1x2, имеющего один вход и два выхода, соединен с выходом волоконно-оптического контура. Это обеспечивает возможность применения оптического кольцевого резонатора с оптимальной добротностью и волоконно-оптического контура с необходимой длиной оптоволокна, по которым проходят встречные лучи в ИС, что позволяет сформировать чувствительный элемент без существенного снижения мощности выходного оптического сигнала, что обеспечивает достижение необходимой чувствительности ДУС.

Гибридный ДУС представлен на чертеже. Он состоит из источника излучения 1 (ИИ), который соединен с первым выходом 13, оптического делителя (ОД) 1x2, имеющего один вход и два выхода 23, второй выход которого 24 соединен с фотодетектором 2 (ФД), выход 16 ФД2 соединен с блоком управления 3 (БУ), который через 15 управляет работой интегрально-оптического фазового модулятора 4 (ФМ) с электродами 27, проводит математическую обработку результатов измерений и подает на выход 26 результат измерения. Вход 14 ОД23 соединен с ФМ4, выходы которого 11, 21 соединены соответственно с первым 28 и вторым 29 плечом ИС. Первое 28 и второе 29 плечо ИС соединены с чувствительным элементом 22 (ЧЭ), состоящим из волоконно-оптического контура 8 (ВОК), кольцевого оптического резонатора 7 (КОР), включающего два ОД5 и ОД6 1x2 и имеющих один вход два выхода, и ВОК9. Второй выход 17 ОД5 и первый выход 18 ОД 6 соединены между собой, вход 19 ОД5 соединен со входом ВОК9, вход 20 соединен с выходом ВОК9, что обеспечивает замыкание оптического резонатора. Входом и выходом ВОК являются соответственно начало и конец намотки. ВОК могут быть намотаны на одном каркасе, например, по часовой стрелке, количество витков может быть дробным.

Рассмотрим работу ДУС подробно.

Излучение от ИИ1 через выход 13 ОД23 и вход 14 поступает на ФМ4, где делится на два луча CW и CCW. CW с выхода 11 ФМ4 через первое 28 плечо ИС поступает в чувствительный элемент 22 по часовой стрелке, а возвращается через второе 29 плечо ИС на выход 21 ФМ4. CCW с выхода 21 ФМ4 через второе 29 плечо ИС поступает в чувствительный элемент 22 против часовой стрелки, а возвращается через первое 11 плечо ИС на выход 11 ФМ4. CW проходит в прямом направлении через первое плечо 28 ИС на ЧЭ 22 через ВОК8 с длиной оптоволокна L и ОД 5 и поступает на КОР7. CCW проходит в прямом направлении через второе 29 плечо ИС и далее, через ОД6, поступает в КОР7.

Оба луча CW и CCW встречно и, вследствие оптического резонанса, многократно циркулируют в КОР7, при этом, пройденный ими путь равен эквивалентной длине, которая увеличивается пропорционально добротности КОР7:

L_экв - эквивалентная длина оптического кольцевого резонатора;

Q_opt - добротность оптического кольцевого резонатора;

С - скорость света;

f_opt - частота оптического излучения.

CW через выход 12 ОД6 возвращается через второе 29 плечо ИС на выход 21 ФМ4, CCW через выход 10 ОД5 и ВОК8 с длиной оптоволокна L, возвращается через первое 28 плечо ИС на выход 11 ФМ4. При прохождении лучами CW и CCW через ВОК8 оптическая мощность теряется незначительно в сравнении с потерями при делении на ОД5 и ОД6. При вращении ДУС, вследствие эффекта Санька, при прохождении CW и CCW КР7 и ВК8 между лучами возникает разность фаз с противоположными знаками. CW и CCW интерферируют в ФМ4 и результаты интерференционной картины через вход (14) ОД23 и выход 24 поступают на ФД2 и, после преобразования на ФД2 в электрическую форму, через вход (16) поступают на БУЗ, где происходит математическая обработка электрического сигнала и подача на выход 26. БУЗ через выход (15) подает управляющие сигналы на электроды 27 ФМ4.

Величина разности фаз между CW и CCW в интерферометре Саньяка определяет чувствительность ДУС по формуле:

Δϕ_с - разность фаз Саньяка между CW и CCW, возникающая при вращении ДУС;

λ - длина волны оптического излучения;

С - скорость света;

L - длина волоконно-оптического контура ВОК8;

L_экв - эквивалентная длина оптического кольцевого резонатора;

D - диаметр каркаса, на котором намотаны ВОК8 и КР7;

ω - угловая скорость ДУС.

Формула (2) показывает, что включение в предлагаемую конструкцию гибридного ДУС ВОК8 с длиной L, соединенного на выходе с оптическим кольцевым резонатором КОР7 с эквивалентной длиной L_экв и первым плечом ИС на входе, увеличивает длину пути встречных лучей CW и CCW, что позволяет повысить чувствительность ДУС. В то же время, это включение ВК8 в чувствительный элемент ИС не влияет на величину выходной оптической мощности.

В результате, предложенная конструкция позволяет использовать и преимущество оптического кольцевого резонатора, состоящее в увеличении эквивалентного пути CW и CCW, и преимущество интерференционного ДУС с волоконно-оптическим контуром, в котором увеличение чувствительности достигается увеличением длины волоконно-оптического контура без снижения выходной оптической мощности.

Таким образом, предлагаемое решение по построению гибридного ДУС позволяет достичь требуемой чувствительности устройства за счет использования в чувствительном элементе последовательно соединенных через оптический делитель оптического кольцевого резонатора и волокно-оптического контура, соединенного входным выводом с первым плечом интерферометра Саньяка, а выходным - с первым выходом оптического делителя 1x2, имеющего один вход два выхода.

Изобретение относится к области оптических измерений, к интерферометрическому измерительному устройству на основе волоконно-оптических чувствительных элементов для измерения угловой скорости с использованием эффекта Саньяка. Гибридный датчик угловой скорости содержит источник излучения, блок обработки, фотодетектор, волоконно-оптический интерферометр Саньяка в составе узла интерференции, оптический волновод и оптический кольцевой резонатор, чувствительные к эффекту Саньяка, три оптических делителя 1x2, имеющих один вход и два выхода. При этом в заявленный датчик угловой скорости дополнительно введен оптический волновод, который выполнен в виде дополнительного волоконно-оптического контура. Технический результат – повышение точности измерения угловой скорости. 1 ил.

Гибридный датчик угловой скорости, содержащий источник излучения, блок обработки, фотодетектор, волоконно-оптический интерферометр Саньяка в составе узла интерференции, оптический волновод и оптический кольцевой резонатор, чувствительные к эффекту Саньяка, три оптических делителя 1x2, имеющих один вход и два выхода, отличающийся тем, что оптический волновод выполнен в виде дополнительного волоконно-оптического контура, причем источник излучения соединен с первым выходом первого оптического делителя 1х2, второй выход которого соединен с фотодетектором, выход которого соединен с блоком управления, который своим первым выходом соединен с фазовым модулятором, а второй выход блока управления является выходом ДУС с результатом измерения, вход первого оптического делителя 1х2 соединен с фазовым модулятором с электродами, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым плечом интерферометра Саньяка, а первое и второе плечо интерферометра Саньяка соединены с чувствительным элементом, состоящим из дополнительного волоконно-оптического контура, кольцевого оптического резонатора, включающего два оптических делителя 1x2 и волоконно-оптический контур, причем второй выход второго оптического делителя 1х2 и первый выход третьего оптического делителя 1х2 соединены между собой, вход второго оптического делителя 1х2 соединен с первым входом волоконно-оптического контура, а второй вход которого соединен с входом третьего оптического делителя 1х2, вход дополнительного волоконно-оптического контура соединен с первым плечом интерферометра Саньяка, а выход - с первым выходом первого оптического делителя 1x2, имеющего один вход и два выхода.