Оптическая схема устройства ввода-вывода измерителя вектора угловой скорости на основе волоконно-оптических гироскопов

Оптическая схема, отличающаяся тем, что в ней не используют циркуляторы и присоединенные к ним фотоприемники, а вместо делителя 1×2 используют делитель 2×2 с коэффициентом деления 67%/33%, первый вход которого соединен с первым выходом первого делителя 2×2 с коэффициентом деления 50%/50%, второй его вход соединен с фотоприемником, при этом первый его выход соединен с кольцевым интерферометром первого волоконно-оптического гироскопа, а первый и второй выходы второго делителя 2×2 соединены с кольцевыми интерферометрами второго и третьего волоконно-оптических гироскопов соответственно.

Оптическая схема устройства ввода-вывода измерителя вектора угловой скорости на основе волоконно-оптических гироскопов, отличающаяся тем, что схема содержит два делителя 1×2 с коэффициентом деления 50%/50%, четыре делителя 2×2 с коэффициентом деления входной мощности 50%/50% и четыре циркулятора, причем первый вход первого делителя 1×2 соединен с выходом первого источника оптического излучения, а вход второго делителя 1×2 соединен с выходом второго источника оптического излучения. Первый выход первого делителя 1×2 соединен с первым входом первого из четырех делителей 2×2, а второй его выход соединен с первым входом второго из четырех делителей 2×2, при этом первый выход второго делителя 1×2 соединен с первым входом третьего из четырех делителей, а второй его выход - с первым входом четвертого из четырех делителей 2×2, причем первый выход первого делителя соединен с первым входом первого циркулятора, второй вход циркулятора соединен с первым фотоприемником, а его выход соединен с входом волоконного кольцевого интерферометра первого волоконно-оптического гироскопа, первый выход второго делителя соединен с первым входом второго циркулятора, второй вход циркулятора соединен со вторым фотоприемником, а его выход соединен с входом волоконного кольцевого интерферометра второго волоконно-оптического гироскопа, первый выход третьего делителя соединен с первым входом третьего циркулятора, второй вход циркулятора соединен с третьим фотоприемником, а его выход соединен с входом волоконного кольцевого интерферометра третьего волоконно-оптического гироскопа, первый выход четвертого делителя соединен с входом четвертого циркулятора, второй вход циркулятора соединен с четвертым фотоприемником, а его выход соединен с входом волоконного кольцевого интерферометра четвертого волоконно-оптического гироскопа, при этом второй выход первого делителя соединен со вторым входом четвертого делителя, второй выход второго делителя соединен со вторым входом третьего делителя, второй выход третьего делителя соединен со вторым входом второго делителя, а второй выход четвертого делителя соединен со вторым входом первого делителя.

Оптическая схема, отличающаяся тем, что в ней дополнительно используется делитель 2×2, первый вход которого соединен с выходом первого источника оптического излучения, а второй вход соединен с выходом второго источника оптического излучения, при этом первый выход делителя соединен с входом первого делителя 1×2, а второй его выход соединен со входом второго делителя 1×2.

Оптическая схема, отличающаяся тем, что в ней не используют циркуляторы и соединенные с ними фотоприемники, при этом вместо первого и второго делителей 1×2 используют первый и второй делители 2×2, причем второй вход первого делителя и второй вход второго делителя соединены с фотоприемниками, а первые выходы каждого из четырех делителей 2×2 соединены с входами четырех волоконных кольцевых интерферометров четырех волоконно-оптических гироскопов соответственно.

Оптическая схема, отличающаяся тем, что вместо циркуляторов используют делители оптической мощности 2×1 с коэффициентом деления 50%/50%.

Повышение надежности измерителя вектора угловой скорости достигается за счет использования второго источника оптического излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 показана схема устройства ввода-вывода измерителя вектора угловой скорости. На Фиг.2 показана оптическая схема устройства ввода-вывода трехканального измерителя вектора угловой скорости с двумя источниками излучения. На Фиг.3 показана оптическая схема устройства ввода-вывода трехканального измерителя вектора угловой скорости с использованием одного фотоприемника. На Фиг.4 показаны формы напряжения вспомогательной фазовой модуляции в трех волоконно-оптических гироскопах, обеспечивающих кратные периоды детектирования сигналов вращения. На Фиг.5 показана оптическая схема устройства ввода-вывода четырехканального измерителя вектора угловой скорости. На Фиг.6 показана оптическая схема устройства ввода-вывода четырехканального измерителя вектора угловой скорости с дополнительным делителем 2×2 на входе пассивной части схемы. На Фиг.7 показана оптическая схема устройства ввода-вывода четырехканального измерителя вектора угловой скорости с использованием двух фотоприемников. На Фиг.8 показана оптическая схема устройства ввода-вывода на основе эрбиевого суперлюминесцентного источника излучения. На Фиг.9 показана оптическая схема устройства ввода-вывода с использованием делителей 2×1 на выходе.

На Фиг.1 приведена оптическая схема устройства ввода-вывода известного трехканального устройства ввода-вывода измерителя вектора угловой скорости [2]. Функцией устройства ввода-вывода является разделение излучения одного источника на три канала, с выхода которых излучение поступает на входы интерферометров волоконно-оптических гироскопов и доставка обратно возвращающегося излучения из интерферометров на фотоприемники. Таким образом, излучение от источника 1 поступает на вход первого делителя оптического излучения 2 типа 1×2, который имеет один вход и два выхода (обозначены цифрами 1 - вход, и цифрами 2, 3 - два выхода и далее по тексту слева от элемента приведены обозначения номеров входа и справа от элемента номеров выходов из элемента, причем обозначения входов и выходов даны цифрами более мелкого шрифта). Делитель имеет коэффициент деления мощности 33%/67%, то есть на первом выходе наблюдается 33% от входной мощности, а на втором выходе 67% от входной мощности. Далее излучение со второго выхода первого делителя 1×2 поступает на первый вход второго делителя 3 также типа 1×2 с коэффициентом деления мощности 50%/50%. Излучение с первого выхода первого делителя 1×2 поступает на первый вход третьего делителя 4 типа 2×1, а излучение с первого и второго выхода второго делителя 1×2 поступает на первые входы делителей 5, 6 соответственно, которые являются делителями типа 2×1. Излучение с выходов третьего, четвертого и пятого делителей 2×1 поступает на входы 7, 8, 9 первого, второго и третьего кольцевых интерферометров волоконно-оптических гироскопов. Возвращающееся обратно излучение, несущее информацию об угловой скорости вращения, с первого, второго и третьего кольцевых интерферометров со вторых входов третьего, четвертого и пятого делителей 2×1 поступает на фотоприемники 10, 11, 12. Таким образом, первый и второй делители 1×2 осуществляют деление выходной мощности источника излучения на три равные части, а третий, четвертый и пятый делители 2×1 осуществляют ввод излучения в кольцевые интерферометры трехосного волоконно-оптического гироскопа и вывод обратно возвращающегося излучения из кольцевых интерферометров на сигнальные фотоприемники. Описанное выше устройство можно назвать устройством ввода-вывода излучения измерителя вектора угловой скорости на основе волоконно-оптических гироскопов. Недостатком описанного выше устройства является то, что при выходе из строя источника излучения выходит из строя и все устройство измерения вектора угловой скорости. Источник излучения, будучи активным элементом, является наименее надежным элементом оптической схемы устройства. Все другие элементы оптической схемы, будучи пассивными элементами (кроме фотоприемников), обладают несоизмеримо более высокой надежностью.

На Фиг.2 представлена оптическая схема устройства ввода-вывода устройства измерения вектора угловой скорости с двумя источниками излучения. Приведенная схема обладает более высокой надежностью из-за использования дополнительного источника излучения 13. Источники излучения могут работать как одновременно, так и по отдельности в случае выхода из строя одного из источников. Оптическая схема содержит два делителя оптической мощности 2×2 (делитель имеет два входа и два выхода), один делитель 1×2 (делитель имеет один вход и два выхода), три циркулятора оптического излучения (циркулятор имеет два входа и один выход) и три фотоприемника. Циркулятор работает следующим образом; при подаче излучения на первый вход оно практически без потерь наблюдается на его выходе, а при подаче излучения на выход циркулятора оно наблюдается на выходе второго входа циркулятора. Выходы источников оптического излучения соединены с первым и вторым входом соответственно первого делителя оптического излучения 14 типа 2×2 и имеющего коэффициент деления мощности по выходным каналам 50%/50% от входной мощности при подаче ее на один из двух входов делителя. Первый выход первого делителя соединен с входом делителя 15 типа 1×2 и имеющего коэффициент деления мощности по первому и второму выходным каналам 67%/33% соответственно. Второй выход делителя 1×2 соединен со вторым входом второго делителя 16, который является делителем типа 2×2. Первый вход этого делителя соединен со вторым выходом первого делителя 2×2. Первый выход делителя 1×2 соединен с первым входом циркулятора 17, а второй вход циркулятора соединен с фотоприемником 18 первого волоконно-оптического гироскопа. Выход циркулятора 19 соединен с кольцевым интерферометром первого волоконно-оптического гигроскопа. Первый выход второго делителя 2×2 соединен с первым входом циркулятора 20, второй вход циркулятора соединен с фотоприемником 21 второго волоконно-оптического гироскопа. Выход циркулятора 22 соединен с кольцевым интерферометром также второго волоконно-оптического гироскопа. Второй выход второго делителя 2×2 соединен с первым входом циркулятора 23, второй вход циркулятора соединен с фотоприемником 24 третьего волоконно-оптического гироскопа, а выход циркулятора 25 соединен с его кольцевым интерферометром.

Мощность оптического излучения на входе ВКИ первого волоконно-оптического гироскопа можно представить в виде:

где P₁ - выходная мощность первого источника излучения.

P₂ - выходная мощность второго источника излучения.

- коэффициент деления делителя 2×2 по первому выходному каналу при подаче излучения на первый или второй его вход. Например, если делитель имеет ранее упоминающийся коэффициент деления 50%/50%, то в этом случае , Коэффициент деления этого же делителя по второму выходу составит величину при коэффициенте деления делителя типа 1×2 67%/33% к^1×2=0,67, а по второму выходу . Эти общие выражения для коэффициентов деления справедливы и для делителей типа 2×1.

Мощность оптического излучения на входах интерферометров второго и третьего волоконно-оптических гироскопов может быть представлена в следующем виде:

Таким образом, при , и к^1×2=0,67 на входы кольцевых интерферометров всех трех волоконно-оптических гироскопов поступает оптическое излучение одинаковой мощности независимо от соотношения величин мощности обоих источников, то есть на каждый вход ВКИ поступает 0,333×[P₁+P₂].

На Фиг.3 показана оптическая схема устройства ввода-вывода трехканального измерителя вектора угловой скорости с использованием одного фотоприемника и без использования циркуляторов. В этой схеме вместо делителя 1×2 (Фиг.2) используется третий делитель 26 типа 2×2 с коэффициентом деления 67%/33% . Второй вход этого делителя соединен с фотоприемником 30, который является общим для всех трех волоконно-оптических гироскопов. В этом случае первый выход третьего делителя 2×2 соединен с входом 27 первого ВКИ первого волоконно-оптического гироскопа. Первый и второй выходы второго делителя 2×2 соединены с входами ВКИ 28, 29 второго и третьего волоконно-оптических гироскопов соответственно. На фотоприемнике присутствуют сигналы со всех трех гироскопов одновременно. Для исключения влияния каналов друг на друга при измерении проекций вектора угловой скорости используется напряжение вспомогательной фазовой модуляции, показанное на Фиг.4. Напряжение 31 используется в первом гироскопе, напряжение 32 используется во втором гироскопе, а напряжение 33 используется в третьем гироскопе. Напряжение вспомогательной модуляции представляет собой пилообразные ступенчатые импульсы с длительностью каждой ступеньки, равной времени пробега оптических лучей по световоду чувствительной катушки и величиной напряжения каждой ступеньки, при подаче которого на фазовый модулятор фаза лучей ВКИ изменяется на /2 радиан. При параметрах напряжения вспомогательной фазовой модуляции сигналы вращения гироскопов имеют кратные частоты и при соответствующих методах детектирования влияние гироскопических каналов, измеряющих разные проекции вектора угловой скорости друг на друга, практически полностью может быть исключено.

На Фиг.5 представлена оптическая схема устройства ввода-вывода четырехканального измерителя вектора угловой скорости. Это устройство может обеспечить работоспособность измерителя даже в том случае, когда выходит из строя любой его компонент. Это касается всех оптических компонентов, входящих в данное устройство. Таким образом, надежность измерителя вектора угловой скорости еще более повышается. Четырехканальное устройство ввода-вывода помимо двух независимых источников содержит первый 34 и второй 35 делители оптической мощности типа 1×·2, блок из четырех делителей 36, 37, 38, 39 типа 2×2, четыре циркулятора 40, 41, 42, 43 и четыре фотоприемника 44, 45, 46, 47 четырех волоконно-оптических гироскопов. Выходы циркуляторов соединены с входами 48, 49, 50, 51 ВКИ четырех гироскопов. Все делители имеют коэффициент деления 50%/50%. Вход первого делителя 1×2 соединен с выходом первого источника излучения, а вход второго делителя 1×2 соединен с выходом второго источника излучения. Первый выход первого делителя 1×2 соединен с первым входом первого делителя 2×2, второй выход первого делителя 1×2 соединен с первым входом второго делителя 2×2. Первый выход второго делителя 1×2 соединен с первым входом третьего делителя 2×2, а второй выход второго делителя 1×2 соединен с первым входом четвертого делителя 2×2. Второй выход первого делителя 2×2 соединен со вторым входом четвертого делителя, а второй выход четвертого делителя соединен со вторым входом первого делителя 2×2. Второй выход второго делителя 2×2 соединен со вторым входом третьего делителя, а второй выход третьего делителя соединен со вторым входом второго делителя 2×2. Первый выход первого делителя 2×2 соединен с первым входом первого циркулятора, второй вход которого соединен с фотоприемником первого волоконно-оптического гироскопа, а выход циркулятора соединен с входом 48 ВКИ первого волоконно-оптического гироскопа. Первый выход второго делителя 2×2 соединен с первым входом второго циркулятора, второй вход которого соединен с фотоприемником второго волоконно-оптического гироскопа, а выход циркулятора соединен со входом 49 ВКИ второго волоконно-оптического гироскопа. Первый выход третьего делителя 2×2 соединен с первым входом третьего циркулятора, второй вход которого соединен с фотоприемником третьего волоконно-оптического гироскопа, а выход циркулятора соединен с входом 50 ВКИ третьего волоконно-оптического гироскопа. Первый выход четвертого делителя 2×2 соединен с первым входом четвертого циркулятора, второй вход которого соединен с фотоприемником четвертого волоконно-оптического гироскопа, а выход циркулятора соединен с входом 51 ВКИ четвертого волоконно-оптического гироскопа. Мощность оптического излучения на выходах четырехканального устройства ввода-вывода можно представить в следующем виде:

где , , , - коэффициенты деления делителей 2×2 в прямых каналах;

, , , - коэффициенты деления делителей 2×2 в перекрестных каналах, при этом, как и ранее, , , , .

Из приведенных соотношений для выходной мощности на выходе устройства ввода-вывода следует, что при одновременной работе источников оптического излучения по всем четырем каналам оптическая мощность одинакова. Достоинством данной схемы устройства ввода-вывода является то, что даже в случае выхода из строя любого элемента схемы, оптическая мощность, по крайней мере, сохраняется на трех ее выходах. Это позволяет сохранить работоспособность всего устройства измерения вектора угловой скорости, несмотря на неравномерное распределение мощности по каналам. В этом случае необходимо добиваться идентичности сигналов вращения по работающим каналам за счет регулировки коэффициентов усиления соответствующих электронных трактов.

На Фиг.6 представлена оптическая схема четырехканального устройства ввода-вывода с дополнительным делителем 52. Первый вход дополнительного делителя 2×2 соединен с выходом первого источника оптического излучения, а второй его вход соединен с выходом второго источника оптического излучения. Первый выход дополнительного делителя соединен с входом первого делителя 1×2, а второй его выход соединен с входом второго делителя 1×2. В этом случае величины оптической мощности на выходах 53, 54, 55, 56 можно представить в виде:

В данной схеме при выходе из строя одного из источников оптического излучении обеспечивается равномерность распределения оптической мощности по каналам устройства ввода-вывода.

На Фиг.7 представлена оптическая схема четырехканального устройства ввода-вывода с использованием двух фотоприемников. В данной схеме вместо первого и второго делителей 1×2 используются первый и второй делители 57, 58 типа 2×2. Первый вход первого делителя 2×2 соединен с выходом первого источника оптического излучения, а второй его вход соединен с фотоприемником 59. Первый вход второго делителя 2×2 соединен с выходом второго источника оптического излучения, второй его вход соединен с фотоприемником 60. Первый и второй выходы первого делителя 2×2 соединены соответственно с первым входом двух из четырех делителей 2×2, первый и второй выходы второго делителя 2×2 соединены соответственно с первым входом остальных двух делителей из четырех соответственно. Первые выходы всех четырех делителей 61, 62, 63, 64 соединены с входами ВКИ четырех волоконно-оптических гироскопов соответственно. Выходы фотоприемников могут быть объединены, и суммарный сигнал подвергается дальнейшей обработке. Здесь также может быть использован частотный принцип разделения сигналов вращения с четырех волоконно-оптических гироскопов, о котором упоминалось ранее.

На Фиг.8 показана оптическая схема устройства ввода-вывода на основе эрбиевого волоконного суперлюминесцентного источника (ЭВСИ) оптического излучения. В отрезок световода с активированной световедущей жилой 65 с двух противоположных сторон через мультиплексоры 66, 67 с помощью диодов 68, 69 вводится излучение накачки с определенной длиной волны, например на длине волны излучения 980 нм. Излучение на длине волны излучения 1550 нм через отрезки одномодовых световодов 70, 71 подается соответственно на первый и второй входы делителя 2×2. В данном варианте оптической схемы ЭВСИ можно обойтись без использования на двух его выходах изоляторов оптического излучения, предохраняющих активированное волокно от воздействия обратно отраженного излучения. Роль изоляторов в данном случае выполняют циркуляторы, так как они фактически являются изоляторами излучения, распространяющегося от первого выхода изолятора на первый его вход. Приведенная схема ЭВСИ, таким образом, имеет общие оптические компоненты с волоконно-оптическими гироскопами, что позволяет снизить габариты и вес всего измерителя вектора угловой скорости в целом.

В малогабаритных устройствах измерения вектора угловой скорости использование циркуляторов оптического излучения может вызвать смещение нуля волоконно-оптических гироскопов из-за их близкого расположения к их чувствительным катушкам. Дело в том, что в состав циркуляторов входят фарадеевские ротаторы, которые выполняются на основе магнитов. Известно, что магнитное поле может вызвать смещение нуля волоконно-оптического гироскопа. Поэтому, где это необходимо, можно использовать вместо циркуляторов делители 72, 73, 74 (Фиг.9) типа 2×1, которые могут представлять собой сплавные волоконные разветвители. Вторые входы этих делителей соединены с фотоприемниками 75, 76, 77, а выходы соединены с входами 78, 79, 80 ВКИ волоконно-оптических гироскопов измерителя вектора угловой скорости.

Литература

[1] A.M.Курбатов "Устройство измерения полного вектора угловой скорости движущегося объекта". Патент РФ 2117252, заявка 96108107, приоритет изобретения 18 апреля 1996 г., зарегистрирован 10 августа 1998 г.

[2] Коркишко Ю.Н. и др. «Трехосный волоконно-оптический гироскоп для ракетно-космических применений» XIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 29-31 мая 2006 г., стр.211-218.

Формула изобретения

1. Оптическая схема устройства ввода-вывода измерителя вектора угловой скорости на основе волоконно-оптического гироскопа, содержащая источник оптического излучения, фотоприемники, делители оптической мощности излучения, соединенные с кольцевыми интерферометрами волоконно-оптических гироскопов, отличающаяся тем, что схема содержит дополнительный источник оптического излучения, выходы источников оптического излучения соединены с первым и вторым входами первого делителя излучения 2×2 с коэффициентом деления мощности источников 50%/50%, первый выход первого делителя соединен со входом делителя 1×2 с коэффициентом деления по первому выходу 67% от входной мощности, а по второму выходу 33% от входной мощности, причем первый выход делителя 1×2 соединен с первым входом первого циркулятора оптического излучения, а второй вход циркулятора соединен с первым фотоприемником, при этом выход циркулятора соединен с кольцевым интерферометром первого волоконно-оптического гироскопа, далее второй выход делителя 1×2 соединен с первым входом второго делителя оптической мощности 2×2 с коэффициентом деления мощности 50%/50%, причем второй вход второго делителя соединен со вторым выходом делителя 1×2, при этом первый выход второго делителя 2×2 соединен с первым входом второго циркулятора оптического излучения, а второй вход циркулятора соединен со вторым фотоприемником, при этом выход второго циркулятора соединен с входом кольцевого интерферометра второго волоконно-оптического гироскопа, а второй выход второго делителя соединен с первым входом третьего циркулятора оптического излучения, а второй вход третьего циркулятора соединен с третьим фотоприемником, при этом выход третьего циркулятора соединен с входом кольцевого интерферометра третьего волоконно-оптического гироскопа.

2. Оптическая схема устройства ввода-вывода измерителя вектора угловой скорости на основе волоконно-оптических гироскопов, отличающаяся тем, что схема содержит два делителя 1×2 с коэффициентом деления 50%/50%, четыре делителя 2×2 с коэффициентом деления входной мощности 50%/50% и четыре циркулятора, причем первый вход первого делителя 1×2 соединен с выходом первого источника оптического излучения, а вход второго делителя 1×2 соединен с выходом второго источника оптического излучения, далее первый выход первого делителя 1×2 соединен с первым входом первого из четырех делителей 2×2, а второй его выход соединен с первым входом второго из четырех делителей 2×2, при этом первый выход второго делителя 1×2 соединен с первым входом третьего из четырех делителей, а второй его выход с первым входом четвертого из четырех делителей 2×2, причем первый выход первого делителя соединен с первым входом первого циркулятора, второй вход циркулятора соединен с первым фотоприемником, а его выход соединен с входом кольцевого интерферометра первого волоконно-оптического гироскопа, первый выход второго делителя соединен с первым входом второго циркулятора, второй вход циркулятора соединен со вторым фотоприемником, а его выход соединен со входом кольцевого интерферометра второго волоконно-оптического гироскопа, первый выход третьего делителя соединен с первым входом третьего циркулятора, второй вход циркулятора соединен с третьим фотоприемником, а его выход соединен с входом кольцевого интерферометра третьего волоконно-оптического гироскопа, первый выход четвертого делителя соединен с входом четвертого циркулятора, второй вход циркулятора соединен с четвертым фотоприемником, а его выход соединен с входом кольцевого интерферометра четвертого волоконно-оптического гироскопа, при этом второй выход первого делителя соединен со вторым входом четвертого делителя, второй выход второго делителя соединен со вторым входом третьего делителя, второй выход третьего делителя соединен со вторым входом второго делителя, а второй выход четвертого делителя соединен со вторым входом первого делителя.

3. Оптическая схема по п.2, отличающаяся тем, что в ней дополнительно используется делитель 2×2, первый вход которого соединен с выходом первого источника оптического излучения, а второй вход соединен с выходом второго источника оптического излучения, при этом первый выход делителя соединен с входом первого делителя 1×2, а второй его выход соединен со входом второго делителя 1×2.

Имя изобретателя: Курбатов Александр Михайлович (RU), Курбатов Роман Александрович (RU)
Имя патентообладателя: Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ") (RU)
Почтовый адрес для переписки: 107996, Москва, ул. Щепкина, 42, ФГУП "ЦЭНКИ", патентный отдел
Дата начала отсчета действия патента: 13.03.2012

Разместил статью: miha111
Дата публикации:  22-01-2015, 17:15

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Имя не указано  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!