СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ РАЗНОСТИ ФАЗ САНЬЯКА В КОЛЬЦЕВОМ ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2000 года по МПК G01J9/02 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании датчиков физических величин на основе волоконных интерферометров, а также волоконно-оптических гироскопов.

Известен способ смещения [1] противоположно распространяющихся волн в волоконно-оптическом гироскопе путем детектирования в невзаимном канале интерферометра части интерференционной картины, которая соответствует фазовому различию П/2 между противоположно распространяющимися волнами.

Недостатком этого способа является ограничение таких систем по чувствительности около 10^-2 радиан из-за механической нестабильности флуктуации световой мощности.

Известен способ фазовой модуляции [1] , при котором взаимный фазовый модулятор (широкополосный интегрально-оптический) размещают асимметрично на одном конце волокна чувствительной катушки и модуляцию фазового различия получают из-за различия времени прохода между модулятором и делителем в противоположных направлениях вокруг катушки. При этом применяется прямоугольная волновая модуляция, что улучшает отношение сигнал/шум. Недостатком этой системы является изменение шумовых свойств в рабочих точках при вращении гироскопа. Эти способы характерны для гироскопов, работающих открытым контуром, где сигнал катушки модулируется, а наводимое вращением фазовое смещение извлекается из сигнала фотоэлемента путем демодуляции [2].

Однако для волоконно-оптических гироскопов преимуществом является работа "закрытым контуром", где создаваемое вращением фазовое смещение нумеруется [2] , потому что при вращении системы "открытым контуром" сигнал имеет синусоидальный отклик и зависит от многих параметров [1].

Известен способ так называемой серродинной модуляции [2], при котором возбуждают интегрально-оптический фазовый модулятор, расположенный на одном конце контура Саньяка, пилообразным напряжением от генератора, управляемого напряжением, имеющим амплитуду 2П. Получающийся в результате сигнал на чувствительном фотоэлементе имеет составляющую, которая при небольших погрешностях пропорциональна фазовому рассогласованию на катушке. Затем сигнал демодулируют в отношении модуляции прямоугольной формы волны; отфильтровывают и подают назад на генератор регулируемого напряжения. Этот генератор регулирует крутизну формы волны фазового модулятора до тех пор, пока фазовое рассогласование на катушке не аннулируется. Амплитуда этого фазового модулятора регулируется до 2П.

Этот вид модуляции требует бесконечно быстрого обратного хода и точного сброса, равного 2П радиан, чтобы обеспечить чистое однополосное смещение.

Наиболее близким является способ компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в серродинной модуляции, при котором вместо наклона волны модуляции генерируют фазовые ступеньки на одном конце катушки с длительностью, равной времени прохода через волоконный контур. Это создает фазовое различие, равное величине ступеньки между обеими противоположно распространяющимися волнами, которые испытывают модуляцию, соответственно, в начале или в конце катушки. Невзаимный фазовый сдвиг вносят в известном устройстве [1] с помощью ступенчатого пилообразного напряжения, постепенно нарастающего или постепенно убывающего, подаваемого на фазовый модулятор. Длительность одной ступеньки равна времени пробега светового луча по световоду чувствительной катушки гироскопа. Величина же ее равна напряжению, с помощью которого фазовым модулятором вносится фазовый сдвиг лучей, равны разности фаз между лучами, вызванной эффектом Саньяка. Для внесения невзаимного компенсирующего разность фаз Саньяка фазового сдвига между лучами требуется бесконечно нарастающее ступенчатое пилообразное напряжение, что практически недостижимо. Но если осуществлять сброс до нулевого уровня ступенчатого пилообразного напряжения, при котором вносится фазовым модулятором сдвиг фаз оптического луча, равный 2П радиан или -2П радиан, затем снова изменять ступенчатое напряжение по пилообразному закону с периодическим сбросом его при достижении уровня соответствующего вносимому фазовому сдвигу ± 2П, то такое напряжение будет соответствовать бесконечно нарастающему или убывающему ступенчатому напряжению, таким образом, условием поддержания на выходе синхронного детектора нулевого уровня напряжения является

Отсюда:

Основными недостатками предлагаемого способа компенсации является необходимость формирования периодического сброса пилообразного ступенчатого напряжения при достижении амплитуды изменения фазы оптических лучей ± 2П радиан. Длительность фронта сброса напряжения не равна нулю, что приводит к ухудшению точностных характеристик гироскопа. Быстрый сброс напряжения может также привести к возникновению помех, влияющих также на точностные характеристики гироскопа. Другим недостатком предлагаемого способа можно считать также то, что при обеспечении малых габаритов волоконно-оптического гироскопа приходится применять интегрально-оптические фазовые модуляторы с малой длиной электродов, что приводит к необходимости формирования пилообразного ступенчатого напряжения, соответствующего ± 2П радиан, достаточно большой величины.

Целью настоящего изобретения является исключение сброса ступенчатого пилообразного напряжения, а также уменьшение максимальной амплитуды формируемого в электронном тракте обработки информации ступенчатого пилообразного напряжения.

Указанная цель достигается тем, что ступенчатое пилообразное напряжение, подаваемое на один из двух фазовых модуляторов, вносит максимальный фазовый сдвиг каждого из двух интерферирующих лучей, равной П радиан, период же ступенчатого напряжения содержит как нарастающую последовательность ступенек до уровня напряжения, при котором вносится сдвиг фаз П радиан, так и убывающую последовательность ступенек напряжения до нулевого уровня, причем осуществляют периодическую взаимную смену подключения электродов фазового модулятора к клеммам источника ступенчатого пилообразного напряжения таким образом, что моменты времени смены подключения электродов совпадают с нулевым уровнем ступенчатого пилообразного напряжения и с отрезком времени длительности ступеньки напряжения, вносящей с помощью фазового модулятора изменение фазы каждого из оптических лучей, равной П радиан.

А также тем, что электроды фазовых модуляторов попарно соединены, причем максимальный фазовый сдвиг каждого из интерферирующих лучей, вносимый каждым из двух фазовых модуляторов, при подаче на них ступенчатого пилообразного напряжения, составляет величину П/2 радиан, при этом при изменении напряжения на модуляторах на величину ступеньки вносится изменение фазы лучей, равное φ_S/2, где φ_S - разность фаз лучей за счет эффекта Саньяка.

Исключение сброса ступенчатого пилообразного напряжения, формируемого в электронном тракте обработки информации гироскопа, происходит за счет того, что при взаимной смене подключения электродов фазового модулятора происходит смена направления напряженности электрического поля в канальном волноводе интегрально-оптического фазового модулятора при неизменной полярности напряжения, подаваемого на фазовый модулятор. Смена направления напряженности электрического поля эквивалентна в данном случае сбросу ступенчатого пилообразного напряжения, если бы оно формировалось в электронном тракте обработки информации гироскопа.

Уменьшение максимальной амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения происходит в два раза также за счет смены направления напряженности электрического поля в канальном волноводе интегрально-оптического фазового модулятора. Еще в два раза удается снизить амплитуду ступенчатого пилообразного напряжения за счет попарного соединения электродов фазовых модуляторов, располагающихся на разных концах волоконной чувствительной катушки гироскопа. Соединение проводят и таким образом, чтобы при одном и том же напряжении, подаваемом на фазовые модуляторы, векторы напряженности электрического поля в канальных волноводах модуляторов были направлены в противоположные стороны.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана оптическая схема волоконно-оптического гироскопа с устройством формирования ступенчатого пилообразного напряжения, подаваемого на электроды одного из двух фазовых модуляторов для компенсации разности фаз Саньяка. На фиг. 2 показан общий вид ступенчатого пилообразного напряжения, формируемого для компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа. На фиг. 3 показан общий вид изменения фазы оптического луча кольцевого интерферометра при смене подключения электродов фазового модулятора, а также разность фаз двух лучей, прошедших кольцевой интерферометр в двух взаимно противоположных направлениях, при смене переключения электродов в один из моментов времени, совпадающий с длительностью ступеньки напряжения, вносящей максимальный фазовый сдвиг. На фиг. 4 показан также общий вид изменения фазы оптического луча и изменение разности фаз двух лучей, но при смене переключения электродов в один из моментов времени, совпадающий с длительностью нулевого уровня напряжения ступенчатого пилообразного напряжения. На фиг. 5 показана оптическая схема волоконно-оптического гироскопа с соединенными попарно электродами двух фазовых модуляторов и устройство формирования пилообразного напряжения. На фиг. 6 показаны законы изменения фазы оптического луча и разность фаз лучей вначале при смене подключения электродов в один из моментов времени, совпадающий с отрезком времени длительности ступеньки, вносящей сдвиг фаз П/2, и то же самое при смене подключения электродов в один из моментов времени, совпадающий с длительностью нулевого уровня ступенчатого пилообразного напряжения.

Оптическая схема волоконно-оптического гироскопа, показанная на фиг. 1, содержит источник излучения 1, волоконный разветвитель 2, интегрально-оптический многофункциональный элемент 3, содержащий Y-делитель, два фазовых модулятора и волоконную чувствительную катушку 4. Оптический луч с источника излучения 1 поступает на волоконный разветвитель 2, который делит оптический луч на два луча, один из которых с одного из выходов разветвителя поступает на интегрально-оптический многофункциональный элемент 3, а другой оптический луч с другого выхода разветвителя теряется. Первый оптический луч поступает на Y-делитель оптической мощности многофункционального элемента 3, делится им на два луча равной интенсивности, каждый из которых поступает на один из двух концов волоконной чувствительной катушки 4 гироскопа. На выходных плечах Y-делителя, которые представляют собой канальные оптические волноводы, на каждом из них сформированы по два металлических электрода. При подаче, например, на одну из двух пар электродов электрического напряжения в канальном волноводе перпендикулярно оси его создается электрическое поле, направление которого определяется полярностью приложенного электрического напряжения. За счет этого поля и электрооптического эффекта, которым обладает ниобат лития (канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития), оптическая фаза проходящего по канальному волноводу луча изменяется пропорционально величине приложенного к электродам электрического напряжения, а знак изменения фазы оптического луча зависит от направления вектора напряженности электрического поля, которое определяется полярностью приложенного к электродам напряжения, таким образом, при смене полярности приложенного к электродам напряжения величина вносимого фазового сдвига оптического луча остается неизменной, но знак его при этом меняется на противоположный.

Два оптических луча, прошедших волокнистую чувствительную катушку 4 в двух взаимно противоположных направлениях, пройдя фазовые модуляторы Y-делителя, смешиваются им и поступают вновь на волоконный разветвитель, а затем на фотоприемное устройство 5. Таким образом, на фотоприемнике два луча, прошедшие волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, образуют интерференционную картину, которая может быть описана следующим выражением:
I_ф ~ 2P_o(I+cosφ_S)
где I_ф - интенсивность излучения на фотоприемнике;
P₀ - интенсивность излучения каждого из интерферирующих лучей;
φ_S - разность фаз между лучами, возникающая за счет эффекта Саньяка.

С помощью устройства 6 формируется последовательность прямоугольных импульсов напряжения с частотой следования где τ - время пробега оптического луча по световоду чувствительной катушки гироскопа, которое определяется выражением

где L - длина световода чувствительной катушки;
n - показатель преломления материала световода;
c - скорость света в вакууме.

Импульсная последовательность с устройства 6 подается на один из двух фазовых модуляторов многофункциональной интегрально-оптической схемы. Амплитуда импульса напряжения выбирается такой, что фазовый модулятор вносит изменение фазы оптического луча, равное П/2. В результате разность фаз двух оптических лучей, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, равна ± П/2 и, таким образом, на выходе синхронного детектора 7 выделяется сигнал вида
U_CD ~ 2P_osinφ_S.
Для компенсации разности фаз Саньяка устройство 7 формирует ступенчатое пилообразное напряжение с помощью источника такого напряжения 8, показанное на фиг. 2. Ступенчатое пилообразное напряжение подается на один фазовый модулятор Y-делителя и содержит сначала нарастающую по напряжению последовательность ступенек, а затем убывающую последовательность. Длительность каждой ступеньки выбирается равной а величина перепада напряжения ΔU (фиг. 2) вносит с помощью фазового модулятора изменение фазы оптического луча, равное по величине разности фаз Саньяка. Максимальный уровень напряжения U₀ (фиг. 2) в предлагаемом способе компенсации разности фаз Саньяка с помощью фазового модулятора вносит изменение фазы оптического луча, равное П радиан. В качестве примера на фиг. 3 показан принцип компенсации положительного набега разности фаз Саньяка. Для этого происходит смена подключения электродов фазового модулятора к клеммам устройства формирования ступенчатого пилообразного напряжения. Эта смена может происходить в любой из моментов времени на протяжении длительности ступеньки напряжения, вносящей максимальный фазовый сдвиг П радиан, в данном случае рассмотрим пример смены подключения электродов в момент времени, совпадающий с моментом окончания длительности этой ступеньки, а возвращение в исходное состояние в один из моментов нулевого уровня напряжения. В этом случае фазовый модулятор изменяет фазу оптического луча по закону ступенчатого пилообразного напряжения 9 (фиг. 3). В момент смены подключения электродов фазового модулятора из-за изменения направления напряженности электрического поля в канальном волноводе модулятора фаза оптического луча изменяется с +П радиан до -П +Δϕ_к радиан, т. е. суммарный перепад разности фаз составит величину 2П радиан -Δϕ_к. Закон изменения разности фаз двух интерферирующих лучей кольцевого интерферометра за счет подачи ступенчатого пилообразного напряжения на фазовый модулятор с переключением электродов в рассмотренном выше случае описывается кривой графика ϕ_м 10 (фиг. 3). Из чертежа видно, что вносится неизменная разность фаз лучей, равная -Δϕ_к, которая может скомпенсировать положительный набег фаз Саньяка.

На фиг. 4 показан принцип компенсации отрицательной разности фаз Саньяка. Для этого момент смены подключения электродов фазового модулятора к клеммам источника ступенчатого пилообразного напряжения происходит в любой из моментов длительности нулевого уровня напряжения, а возвращение в исходное состояние в момент окончания ступеньки напряжения, вносящей разность фаз оптического луча, равную П радиан. В этом случае закон изменения фазы оптического луча показан кривой ϕ_м 11 (фиг. 3), а разность фаз двух оптических лучей кольцевого интерферометра, вносимая за счет подачи на фазовый модулятор пилообразного ступенчатого напряжения, показана кривой 12, откуда следует, что вносится постоянная разность фаз +Δϕ_к, которая способна скомпенсировать отрицательную разность фаз Саньяка.

Для уменьшения максимального уровня напряжения ступеньки, вносящей сдвиг фаз оптических лучей П радиан, в 2 раза электроды фазовых модуляторов с помощью проводников 14, 15 (фиг. 5) соединяют попарно. В этом случае на электроды фазовых модуляторов подают суммарный сигнал, состоящий из напряжения вспомогательной фазовой модуляции и ступенчатого пилообразного напряжения компенсации разности фаз Саньяка. Амплитуда импульса напряжения вспомогательной фазовой модуляции вносит изменение фазы оптических лучей каждым из модуляторов, равное П/2 радиан, а максимальная амплитуда ступеньки компенсирующего ступенчатого пилообразного напряжения вносит изменение фазы оптических лучей, равное П/2 радиан. Закон смены подключения электродов фазовых модуляторов остается точно таким же, как и в рассмотренном выше случае.

На фиг. 6 показаны кривые изменения 16, 17 фазы оптического луча на первом фазовом модуляторе и на втором фазовом модуляторе при подаче на них ступенчатого пилообразного напряжения при условии, что смена подключения электродов фазовых модуляторов к клеммам устройства формирования ступенчатого пилообразного напряжения происходит в момент окончания ступеньки напряжения, вносящей каждым из фазовых модуляторов сдвиг фазы оптического луча, равный П/2, а возврат в исходное состояние во время длительности нулевого уровня пилообразного напряжения. При этом первый оптический луч, проходящий волоконную чувствительную катушку по часовой стрелке, при прохождении обоих фазовых модуляторов испытывает фазовый сдвиг, показанный кривой 18, откуда следует, что он испытывает постоянный сдвиг фазы отрицательного знака, равный по величине половине разности фаз Саньяка, т.е. величина ступеньки напряжения, формируемого устройством, при подаче ее на один из фазовых модуляторов вносит изменение фазы оптического луча, равное φ_S/2.
Второй оптический луч, проходящий волоконную чувствительную катушку против часовой стрелки, при прохождении обоих фазовых модуляторов испытывает фазовый сдвиг, показанный кривой 19, откуда следует, что он испытывает постоянный сдвиг фазы положительного знака, равный по величине половине разности фаз Саньяка, т. е. +φ_S/2. Таким образом, при соединении попарно электродов фазовых модуляторов и при смене их подключения в момент окончания ступеньки максимального уровня напряжения ступенчатого пилообразного напряжения с последующим возвратом в исходное состояние во время нулевого уровня ступенчатого пилообразного напряжения разность фаз оптических лучей, прошедших волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, равна по величине Δϕ_к = -φ_S, с помощью которой возможна компенсация положительной разности фаз Саньяка. Аналогично, в случае смены подключения соединенных попарно электродов фазовых модуляторов в один из моментов нулевого уровня ступенчатого пилообразного напряжения с последующим возвращением в исходное состояние в момент окончания максимального уровня ступеньки напряжения становится возможной компенсация отрицательной разности фаз Саньяка, соответствующей отрицательной угловой скорости вращения.

В случае попарного соединения электродов фазовых модуляторов и коммутацией в определенные моменты времени подключения электродов фазовых модуляторов к клеммам устройства формирования ступенчатого пилообразного напряжения удается в 4 раза снизить уровень максимального значения ступенчатого пилообразного напряжения.

Литература.

1. H.C. Lefevre et all "Integrated optics: a practical solution for the fiber-optic gyroscope" SPIE vol. 719 Fiber Optic Gyros: 1 oth Aniversary Conference (1986) pp. 101-102.

2. A.D.E. Brown et all. "Intermediate - grade gyrointegrates fibre optic and electronics" Electrotechnology, January 1989 pp. 17-21.

Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано при конструировании датчиков физических величин на основе волоконных интерферометров, а также волоконно-оптических гироскопов. Способ компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа заключается в подаче на широкополосные электрооптические фазовые модуляторы кольцевого интерферометра ступенчатого пилообразного напряжения с длительностью ступеньки, равной времени пробега светового луча в кольцевом интерферометре, и изменении напряжения в пределах периода от нулевого уровня до уровня, при котором фазовый сдвиг равен П радиан, и опять до нулевого уровня с циклическим чередованием изменения направления вектора напряженности электрического поля в волноводе модулятора на противоположное в моменты времени, при которых фазовый сдвиг равен П радиан или нулю путем коммутации электродов модулятора. Технический результат: исключение сброса ступенчатого пилообразного напряжения, а также уменьшение максимальной амплитуды формируемого в электронном тракте обработки информации ступенчатого пилообразного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в подаче на широкополосные электрооптические фазовые модуляторы кольцевого интерферометра ступенчатого пилообразного напряжения с длительностью ступеньки, равной времени пробега светового луча в кольцевом интерферометре, отличающийся тем, что напряжение изменяют в пределах периода от нулевого уровня до уровня, при котором фазовый сдвиг равен П радиан, и опять до нулевого уровня с циклическим чередованием изменения направления вектора напряженности электрического поля в волноводе модулятора на противоположное в моменты времени, при которых фазовый сдвиг равен П радиан или нулю путем коммутации электродов модулятора. 2. Способ компенсации по п.1, отличающийся тем, что электроды фазовых модуляторов попарно соединены, при этом максимальный фазовый сдвиг каждого из модуляторов при подаче на них ступенчатого пилообразного напряжения равен П/2, а при изменении напряжения на них на величину ступеньки вносится изменение фазы лучей, равное φ_S/2, где φ_S - разность фаз лучей за счет эффекта Саньяка.