Modeling the Optical Characteristics of the Radiation Source in a Fiber-Optic Gyroscope as a Control Element in a Computing System

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Navigation systems play a critical role in the rapidly evolving transportation, satellite, and space industries. Among these, systems based on fiber-optic gyroscopes (FOGs) are of particular importance due to their reliability, simple design, high potential accuracy, and linear performance characteristics. However, to meet contemporary technological demands, it is essential to continuously enhance the precision of such systems. This study focuses on modeling the optical component of the radiation source in a fiber-optic gyroscope as a control element within a navigation computing system. The developed model enables in-depth study of the optical subsystem and provides a platform for testing methods to ensure stable performance of the radiation source under monitored parameters. The aim of the research is to develop a software model of the optical component of the FOG radiation source and to experimentally investigate the dependence of weighted average wavelength and pump power on temperature. Research objectives: 1) Conduct experimental investigation of the optical characteristics of the FOG radiation source using a physical prototype; 2) Develop a software model in the GainMaster simulation environment; 3) Conduct experimental studies using the developed software model of the FOG radiation source; 4) Compare the results obtained through simulation and full-scale experiments; 5) Draw conclusions regarding the applicability of the developed model. Methods. The study involves the creation and analysis of a model for the optical subsystem of the FOG radiation source using GainMaster software, experimental evaluation of the output characteristics, and processing of both modeling and experimental results. Results. It was determined that the GainMaster-based model could not be reliably used due to discrepancies in the mathematical representation of active fiber components. Despite this, simulations were carried out in GainMaster. Conclusion. The modeling revealed a mismatch between simulated and experimental dependencies of weighted average wavelength and power with respect to temperature, even though the absorption and luminescence parameters of the fibers were similar in value. Practical Significance. The simulation results are intended to be used for testing algorithms aimed at improving accuracy through stabilization of the radiation source's output characteristics.

About the authors

K. A. Nikitina

Perm National Research Polytechnic University; Perm Scientific and Production Instrument Company Source

Author for correspondence.
Email: vfrey@mail.ru
SPIN-code: 7987-8870

Ph.D. student at Perm National Research Polytechnic University. Research interests – stabilization of optical characteristics in fiber-optic gyroscopes. The author of 11 scientific publications.

Russian Federation, 29, Komsomolsky Prospekt, Perm, 614990; 106 25, Oktyabrya Street, Perm, 614007

V. I. Freiman

Perm National Research Polytechnic University

Email: vfrey@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8492-8065
SPIN-code: 9553-3735

Doctor of Engineering Sciences, Professor at the Department of Automation and Telemechanics of Perm National Research Polytechnic University. Research interests – design and operation of infocommunication systems and networks, error-correcting coding, and digital signal processing in communication and information control systems. The author of 210 scientific publications. 

Russian Federation, 29, Komsomolsky Prospekt, Perm, 614990

V. D. Shirinkin

Perm Scientific and Production Instrument Company Source

Email: vfrey@mail.ru
SPIN-code: 9995-4750

Research Engineer at Perm Scientific and Industrial Instrumentation Company. Research interests – stabilization of optical characteristics in fiber-optic gyroscopes. The author of 3 scientific publications. 

Russian Federation, 106 25, Oktyabrya Street, Perm, 614007

References

  1. Lefevre H.C. The fiber-optic gyroscope: challenges to become the ultimate rotation-sensing technology. Opt. Fiber Technol. 2013;19(6):828–835. doi: 10.1016/j.yofte.2013.08.007.
  2. Aleynik A.S., Kikilich N.E., Kozlov V.N. et al. High-stable erbium superluminescent fiber optical sources creation methods. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2016;16(4):593–607. (In Russ.) doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-4-593-607; EDN: WHJUVZ.
  3. Park H.G., Digonnet M., Kino G. Er-doped superfluorescent fiber source with a 0.5-ppm long-term mean-wavelength stability. Journal of Lightwave Technology. 2003;21(12):3427–3433. doi: 10.1109/JLT.2003.822539.
  4. Park H.G., Yun S.C., Jin Y.J. Er-doped superfluorescent fiber source with thermally stable mean wavelength. Journal of the Optical Society of Korea. 2009;13(2):240–244. doi: 10.3807/JOSK.2009.13.2.240.
  5. Wheeler J.M., Chamoun J.N., Dangui V. et al. Analytic method for estimating aircraft fix displacement from gyroscope’s Allan-deviation parameters. IEEE Sensors Journal. 2022;22(5):4207–4214. doi: 10.1109/JSEN.2022.3145012; EDN: CZIXTC.
  6. Wu W., Xian T., Hu G. et al. Rapid and precise compensation of scale factor in a fiber-optic gyroscope with a twin-peaks source. Optics Letters. 2020;45(11):3107–3110. doi: 10.1364/OL.386518; EDN: OLETJY.
  7. GainMaster Amplifier Design Software Manual Revision 1.1. Fibercore Limited, 2004. 63 p.
  8. Bolshtyansky M., Wysocki P., Conti N. Model of temperature dependence for gain shape of erbium-doped fiber amplifier. Journal of Lightwave Technology. 2000;18(11):1533–1540. doi: 10.1109/50.896214.
  9. Vostrikov E., Kikilich N., Zalesskaya Y. et al. Stabilisation of central wavelength of erbium-doped fibre source as part of high-accuracy FOG. IET Optoelectron. 2020;14:218–222. doi: 10.1049/iet-opt.2019.0140; EDN: CFJFHH.
  10. Wang L.A., Su C.D. Modeling of a double-pass backward Er-doped superfluorescent fiber source for fiber-optic gyroscope applications. Journal of Lightwave Technology. 1999;17(11):2307–2315.
  11. Yang Y., Li S., Yan H. et al. Low-noise closed-loop FOG driven by two broadband sources. Journal of Lightwave Technology. 2019;37(18):4555–4559. doi: 10.1109/JLT.2019.2910543.
  12. Jin Y.J. Er-doped superfluorescent fiber source with thermally stable mean wavelength. Journal of the Optical Society of Korea. 2009;13(2):240–244. doi: 10.3807/JOSK.2009.13.2.240.
  13. Yang Y., Yang F. High-performance fiber optic gyroscope with a radiation-tolerant and temperature-stable scale factor. Chinese Optics Letters. 2016;14(11). doi: 10.3788/COL201614.110605.
  14. Zhao S., Shi L., Dong S. et al. Theoretical analysis of the double-cladding erbium-ytterbium co-doped wideband superfluorescent fiber source in double-pass forward configuration. In: Yao J.-q., Chen Y.J., Lee S. (eds.) Semiconductor Lasers and Applications II. Proceedings of SPIE. 2005;5628:85–93. doi: 10.1117/12.577475.
  15. Yao J. et al. Study of wavelength temperature stability of multifunctional integrated optical chips applied on fiber optic gyroscopes. Journal of Lightwave Technology. 2018;36(23):5528–5535. doi: 10.1109/JLT.2018.2875795.
  16. Kurbatov A.M., Kurbatov R.A. Temperature characteristics of fiber-optic gyroscope sensing coils. Journal of Communications Technology and Electronics. 2013;58(7):735–742. (In Russ.) doi: 10.7868/S0033849413060107; EDN: QCMUGN.
  17. Lefevre H.C. The fiber-optic gyroscope. 2nd ed. Norwood: Artech House Publishers, 2014. 416 p.
  18. Egorov D.A., Klyuchnikova E.L. Results of comparative study of light sources for fiber optic gyroscopes. Giroskopiya i Navigatsiya. 2022;30(4):184–192. (In Russ.) doi: 10.17285/0869-7035.00111; EDN: LRVVRW.
  19. Nikiforovskii D.A., Deyneka I.G., Sharkov I.A. et al. A method for fiber optic gyroscope temperature drift compensation using correlations between the readings of the gyroscope and several temperature sensors. Giroskopiya i Navigatsiya. 2022;30(2):71–80. doi: 10.17285/0869-7035.0092; EDN: YZRBTR.
  20. Aleynik A.S., Volkovskiy S.A., Mikheev M.V. et al. Scale factor determination method of electro-optical modulator in fiber-optic gyroscope. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2016;16(3):436–444. (In Russ.) doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-3-436-444; EDN: WBZYLB.
  21. Amin M.Z., Qureshi K.K., Hossain M.M. Doping radius effects on an erbium-doped fiber amplifier. Chinese Optics Letters. 2019. doi: 10.3788/COL201917.010602.
  22. Poinsinet De Sivry-Houle M., Rodrigo Itzamna B.D., Virally S. et al. SuPyMode: an open-source library for design and optimization of fiber optic components. Opticon. 2024;3(2):242–255. doi: 10.1364/OPTCON.513562.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».