ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 2000 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к области волоконной техники, а именно к технике волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), и может использоваться при разработке и изготовлении ВОГ.

Известен ВОГ, содержащий источник излучения, волоконный направленный ответвитель [3 х 3], волоконный контур и фотоприемное устройство (US Patent N 4440498, 1984, Optical fiber gyroscope with [3 х 3] directional coupler.). Обладая такими положительными качествами ВОГ, как малое время выхода на режим, высокая серийнопригодность и потенциально низкая цена, малые габариты и энергопотребление, этот гироскоп имеет ряд недостатков. Так, например, наличие 1/f шумов фотоприемника и интерференционных шумов волоконного гироскопа.

Существенное улучшение точностных характеристик достигнуто в ВОГ, наиболее близком к предлагаемому (прототипе), (SPIE, Vol. 2292, Fiber optic and laser sensor, 1994, pp. 166-176), на основе волоконного кольцевого интерферометра, включающего два волоконных ответвителя, поляризатор, волоконный контур, и фазовый модулятор, выполненный в виде пьезокерамического цилиндра с намотанным на его поверхность отрезком волоконного контура (такой состав оптической схемы ВОГ получил название "минимальной конфигурации"), причем все оптические элементы изготавливаются на основе одномодового волокна. Кроме того, в состав ВОГ входят излучатель и фотоприемное устройство, оптически сопряженные с интерферометром, и блок управляющей электроники.

Улучшение точностных характеристик такого ВОГ обусловлено применением пространственно-поляризационной фильтрации на входе-выходе волоконного контура, что позволяет значительно уменьшить сдвиг и дрейф нулевого сигнала ВОГ. Кроме того, использование модуляционной методики позволяет существенно снизить влияние различных шумов на точность измерений ВОГ. При этом модуляция разности фаз встречных волн, распространяющихся во встречных направлениях по волоконному контуру, осуществляется за счет периодического растягивания небольшого участка волоконного контура, намотанного на пьезокерамический цилиндр. Выходной сигнал гироскопа формируется путем детектирования первой (третьей) гармоники частоты фазовой модуляции в сигнале фотоприемного устройства.

В этом гироскопе в состав блока электроники введены цепь стабилизации выходной мощности излучателя за счет управления его током накачки и цепь стабилизации амплитуды модуляции разности фаз встречных волн за счет управления напряжением на фазовом модуляторе. Эти цепи позволяют нормировать выходной сигнал ВОГ, повышая тем самым стабильность крутизны преобразования угловой скорости в выходное напряжение.

Однако в этом гироскопе отсутствует возможность внешней диагностики, подтверждающей работоспособность ВОГ до начала измерений.

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности диагностики работоспособности ВОГ до начала измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известный волоконно-оптический гироскоп, содержащий волоконный кольцевой интерферометр, включающий пьезокерамический фазовый модулятор, излучатель и фотоприемное устройство, оптически сопряженные с волоконным кольцевым интерферометром, демодулятор, управляемый генератор напряжения, выход которого подключен ко входу опорного напряжения демодулятора, первый контроллер амплитуды, выход которого подключен ко входу излучателя, второй контроллер амплитуды, включенный между первым выходом демодулятора и входом управления генератора напряжения, фильтр низких частот, вход которого подключен к второму выходу демодулятора, а выход является выходом гироскопа, дополнительно вводятся последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор и ПИ-регулятор и последовательно соединенные измеритель тока, управляемый инвертор с двумя входами управления и управляемый усилитель, причем выход ПИ-регулятора соединен со входом первого контроллера амплитуды и со входом демодулятора, выход управляемого усилителя и выход фотоприемного устройства подключены ко входам сумматора, выход управляемого генератора напряжения соединен со входом измерителя тока, выход которого подключен ко входу пьезокерамического фазового модулятора, а вход управления усилителя объединен с одним из входов управления инвертора.

Оптическая схема предлагаемого гироскопа представлена на чертеже.

Гироскоп состоит из: волоконного кольцевого интерферометра (1), включающего два волоконных ответвителя (2), поляризатор (3), волоконный контур (4) и фазовый модулятор (5), выполненный в виде пьезокерамического цилиндра с намотанным на его поверхность отрезком волоконного контура, излучателя (6) и фотоприемного устройства (7), оптически сопряженные с интерферометром, а также блока обрабатывающей электроники.

Блок электроники включает в себя: демодулятор (8), в составе детектора переменной составляющей (9) и синхронного детектора первой гармоники частоты модуляции (10), управляемый генератор напряжения (11), два контроллера амплитуды (12, 13), фильтр низких частот (14), источник опорного напряжения (15), сумматор (16), ПИ-регулятор (17), измеритель тока (18), управляемый инвертор (19) с двумя входами управления (20, 21) и управляемый усилитель (22).

Устройство работает следующим образом. Излучение от излучателя (6) вводится в одномодовое двулучепреломляющее волокно интерферометра (1), проходит первый ответвитель (2), поляризатор (3) и вторым ответвителем (2) делится на две волны, распространяющиеся во встречных направлениях по волоконному контуру (4) и модулятору (5). После обхода волоконного контура встречные волны смешиваются вторым ответвителем, итерферируют и вновь проходят поляризатор и первый ответвитель, который направляет часть излучения (сигнал интерференции) на фотоприемное устройство (7).

Сигнал интерференции пропорционален [1+cos(F)], где F - разность фазовых набегов (сдвиг фаз) встречных волн в волоконном контуре. При вращении создается сдвиг фаз (фаза Саньяка) между встречными волнами Φ = 2πDLΩ/λc (D - диаметр катушки, L - длина волокна, λ - длина волны излучения; с - скорости света; Ω - скорость вращения вокруг нормали к плоскости контура (оси чувствительности).

Поляризатор обеспечивает поляризационную фильтрацию на входе и выходе волоконного контура для улучшения взаимности оптических путей встречных волн с целью уменьшения сдвигов фаз между ними, не связанных с вращением.

При питании пьезокерамического фазового модулятора (6) переменным (синусоидальным) напряжением на частоте основного радиального резонанса пьезокерамического цилиндра ω создается дополнительный сдвиг фаз m(t) = M•sin(ω•t) и выходной сигнал фотоприемного устройства имеет вид

В этом соотношении представлены основные составляющие сигнала фотоприемного устройства (J_n - функция Бесселя порядка n): первая гармоника частоты модуляции, вторая гармоника, постоянная составляющая. Они зависят от мощности введенного в волокно излучения (P), амплитуды модуляции (М) и угловой скорости Ω. Возбуждение фазового модулятора на частоте основного резонанса пьезокерамического цилиндра обеспечивает минимальный уровень паразитных гармоник в сигнале модуляции, что необходимо для повышения точности ВОГ.

Осуществляя синхронное детектирование первой гармоники частоты модуляции в сигнале фотоприемного модуля, при малых скоростях вращения (Φ ≪ 1, sin(Φ) ~ Φ) получаем сигнал, пропорциональный скорости вращения волоконного контура Ω:
U_out(Ω) ≈ P•J₁(M)•Ω (^**)
Для обеспечения стабильности крутизны преобразования угловой скорости в выходное напряжение обрабатывающая электроника обеспечивает стабилизацию параметров P и М.

При этом мощность P введенного в волокно излучения стабилизируется за счет управления амплитудой тока накачки излучателя (6). Для этого выходные сигналы фотоприемного устройства (7) и источника опорного напряжения (15) подаются на вход сумматора (16), выход которого подается через ПИ-регулятор (17) на вход контроллера амплитуды (13), используемого для питания излучателя. При изменении мощности излучения в волокне на входе контроллера амплитуды (13) появляется сигнал рассогласования выходного сигнала фотоприемного устройства по отношению к опорному напряжению. После выделения постоянной низкочастотной составляющей этого рассогласования путем фильтрации в контроллере амплитуды корректируется выходной ток этого контроллера, который является током питания излучателя, с целью скомпенсировать возникшее рассогласование на выходе сумматора и стабилизировать величину мощности Р.

Амплитуда модуляции разности фаз встречных волн М стабилизируется за счет управления напряжением возбуждения фазового модулятора (5). Для этого выходной сигнал фотоприемного устройства (7) после прохождения сумматора (16) и ПИ-регулятора (17) поступает на вход демодулятора (8), в котором переменная составляющая этого сигнала детектируется детектором (9). После детектирования этот сигнал поступает на вход контроллера амплитуды (12), который сравнивает его величину с требуемой и формирует сигнал управления для управляемого генератора (11), который формирует сигнал возбуждения фазового модулятора (5). При изменении амплитуды модуляции разности фаз встречных волн (индекса модуляции) изменяется величина переменной составляющей в выходном сигнале фотоприемного устройства и после детектирования этого изменения посредством описанного тракта корректируется выходное напряжение генератора (11) для обеспечения стабилизации индекса модуляции.

Проверка работоспособности ВОГ до начала измерений должна включать в себя проверку как оптической части ВОГ, так и его электронного блока. Наиболее естественным способом проверки функционирования ВОГ является создание пробного детерминированного вращения вокруг его оси чувствительности с одновременной регистрацией выходного сигнала. Однако для многих применений нет возможности создавать тестовое вращение.

Настоящим изобретением предлагается диагностировать работоспособность ВОГ по реакции его выходного сигнала на тестовый электрический сигнал, подаваемый на вход детектирующих цепей электроники и эквивалентный сигналу вращения в выходном сигнале фотоприемного устройства. В качестве тестового сигнала предлагается использовать сигнал тока возбуждения фазового модулятора, поскольку при возбуждении пьезокерамического цилиндра модулятора на частоте основного радиального резонанса сигнал тока возбуждения стабилен по величине и совпадает по частоте и фазе с сигналом первой гармоники (сигнал вращения) в выходном сигнале фотоприемного устройства. При подаче такого тестового сигнала на вход детектирующих цепей блока электроники в отсутствие вращения ВОГ на его выходе должен появиться сигнал определенной величины и полярности, что и будет служить признаком работоспособности ВОГ.

Для диагностики работоспособности ВОГ до начала измерений в его состав введены последовательно соединенные источник опорного напряжения (15), сумматор (16) и ПИ-регулятор (17) и последовательно соединенные измеритель тока (18), управляемый инвертор (19) с двумя входами управления (20, 21) и управляемый усилитель (22), причем выход ПИ-регулятора (17) соединен со входом первого контроллера амплитуды (13) и со входом демодулятора (8), выход управляемого усилителя (22) и выход фотоприемного устройства (7) подключены ко входам сумматора (16), выход управляемого генератора напряжения (11) соединен со входом измерителя тока (18), выход которого подключен ко входу пьезокерамического фазового модулятора (5), а вход управления (20) усилителя (22) объединен с одним из входов управления инвертора (19).

Когда управляющие сигналы на входах управления (20, 21) отсутствуют, гироскоп работает в обычном режиме измерения угловой скорости (сигнал на выходе усилителя (22) отсутствует) и в покое выходной сигнал ВОГ не должен превышать заданной небольшой величины. При подаче управляющего напряжения на вход C1 (20) на вход сумматора (16) поступает сигнал тока возбуждения пьезокерамического цилиндра фазового модулятора. При этом в отсутствие вращения ВОГ в сигнале на входе демодулятора (8) появляется составляющая на первой гармонике частоты модуляции определенной амплитуды (пропорциональной току пьезокерамики), которая детектируется синхронным детектором (10) и через фильтр нижних частот (14) поступает на выход ВОГ. Тот факт, что величина этого выходного сигнала ВОГ находится в требуемом диапазоне, подтверждает работоспособность как блока электроники, так и оптического блока ВОГ, а именно:
- постоянная составляющая на выходе фотоприемного устройства (7) соответствует номинальному значению, задаваемому источником опорного напряжения (15), так как в противном случае ПИ-регулятор (17) находился бы в насыщении и не пропускал сигнал первой гармоники на вход демодулятора;
- цепь фазового модулятора находится в рабочем состоянии, так как в противном случае величина тока существенно отклонялась бы от номинального значения;
- детектирующие цепи блока электроники работают нормально.

Для проверки работы детектирующих цепей электроники при смене знака вращения в состав электроники введен управляемый инвертор (19), который при подаче управляющего сигнала на вход управления (21) меняет фазу тестового сигнала тока пьезокерамики на 180^o, что эквивалентно изменению знака вращения. При этом выходной сигнал ВОГ должен изменить знак и остаться в требуемом диапазоне, что будет служить подтверждением работоспособности детектирующих цепей блока электроники при смене знака вращения.

Существенность отличий предлагаемого гироскопа состоит в том, что впервые задача обеспечения возможности диагностики работоспособности ВОГ до начала измерений решается за счет того, что в его состав дополнительно вводятся последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор и ПИ-регулятор и последовательно соединенные измеритель тока, управляемый инвертор с двумя входами управления и управляемый усилитель, причем выход ПИ-регулятора соединен со входом первого контроллера амплитуды и со входом демодулятора, выход управляемого усилителя и выход фотоприемного устройства подключены ко входам сумматора, выход управляемого генератора напряжения соединен со входом измерителя тока, выход которого подключен ко входу пьезокерамического фазового модулятора, а вход управления усилителя объединен с одним из входов управления инвертора.

Для апробации предлагаемого изобретения был собран ВОГ, блок-схема которого приведена на фиг. 1. В состав ВОГ входили: волоконный кольцевой интерферометр (1), включающий два волоконных ответвителя (2), поляризатор (3), волоконный контур (4), и фазовый модулятор (5), выполненный в виде пьезокерамического цилиндра с намотанным на его поверхность отрезком волоконного контура, излучатель (6) и фотоприемное устройство (7), оптически сопряженные с интерферометром, а также блок обрабатывающей электроники. Блок электроники включает в себя: демодулятор (8), в составе детектора переменной составляющей (9) и синхронного детектора первой гармоники частоты модуляции (10), управляемый генератор напряжения (11), два контроллера амплитуды (12, 13), фильтр низких частот (14), источник опорного напряжения (15), сумматор (16), ПИ-регулятор (17), измеритель тока (18), управляемый инвертор (19) с двумя входами управления (20, 21) и управляемый усилитель (22) с входом управления (20).

Излучательный модуль изготавливался на основе полупроводникового суперлюминесцентного диода СЛД 2-2. Фотоприемное устройство было выполнено на основе фотодиодов К-724 ПП1-2. Все оптические элементы изготавливались на базе одномодового поляризационно-устойчивого кварцевого волокна. Длина волоконных контуров составляла 100 м. Пьезокерамический цилиндр для изготовления фазового модулятора был выполнен из материала ЦТС. Диаметр цилиндра - 15 мм. Поляризаторы изготавливались на основе оптического контакта двулучепреломляющего монокристалла с перетяжкой на оптическом волокне. Волоконные ответвители изготавливались за счет вытяжки соприкасающихся волокон при их локальном тепловом размягчении. Диаметр катушки волоконного контура - 70 мм.

Все электронные блоки (детектор переменной составляющей, синхронный детектор, управляемый генератор напряжения, контроллеры амплитуды, фильтр низких частот, источник опорного напряжения, сумматор, ПИ-регулятор, измеритель тока, управляемый инвертор и управляемый усилитель) были изготовлены по стандартным схемам (В.Достал. Операционные усилители, 1985, "Мир"; У.Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника, 1982, "Мир") на основе микросхем 544УД2; 140УД17, 590КН7, 553САЗ.

Для использованных в образце ВОГ схемотехнических решений и номиналов электронных компонентов результаты тестирования покоящегося ВОГ при подаче управляющих сигналов на входы управления (20, 21), что фактически сводилось к подаче питающих напряжений на блоки управляемых усилителя и инвертора, выходное напряжение ВОГ должно было изменяться в соответствии с таблицей.

Тестирование работоспособного ВОГ в соответствии с приведенной в конце описания таблицей дало следующие значения выходного сигнала: 8 мВ, + 0.96 В, - 0.98 В, что соответствует критериям годности.

При отсоединении выхода фотоприемного устройства от входа сумматора, имитирующем отказ излучателя или обрыв волокна в оптической схеме, сигнал на выходе ВОГ при подаче сигнала управления на вход 20 не превышал 10 мВ (вместо 1 В) и служил признаком отказа ВОГ.

При разрыве цепи питания фазового модулятора выходной сигнал ВОГ в случае подачи сигнала управления на вход 20 не превышал 15 мВ, что также позволило диагностировать отказ ВОГ.

Из приведенных результатов следует, что в предлагаемом гироскопе обеспечена возможность диагностики его работоспособности до начала измерений.

Способ предназначен для использования при разработке и изготовлении волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). В волоконно-оптический гироскоп, содержащий волоконный кольцевой интерферометр, включающий пьезокерамический фазовый модулятор, излучатель и фотоприемное устройство, оптически сопряженные с интерферометром, цепи стабилизации мощности излучения в волокне и индекса фазовой модуляции, в котором выходной сигнал ВОГ формируется за счет детектирования первой гармоники частоты модуляции в выходном сигнале фотоприемного устройства, дополнительно введены измеритель тока возбуждения фазового модулятора, управляемый усилитель и управляемый инвертор с двумя входами управления, один из которых общий с входом управления усилителя. При подаче управляющих напряжений (питания) на входы управления инвертора и усилителя на вход детектирующих цепей ВОГ подается сигнал тока возбуждения модулятора и по величине выходного сигнала ВОГ судят о его работоспособности. Обеспечивается диагностика работоспособности ВОГ до начала измерений. 1 ил., 1 табл.

Волоконно-оптический гироскоп, содержащий волоконный кольцевой интерферометр, включающий пьезокерамический фазовый модулятор, излучатель и фотоприемное устройство, оптически сопряженные с волоконным кольцевым интерферометром, демодулятор, управляемый генератор напряжения, выход которого подключен ко входу опорного напряжения демодулятора, первый контроллер амплитуды, выход которого подключен ко входу излучателя, второй контроллер амплитуды, включенный между первым выходом демодулятора и входом управления генератора напряжения, фильтр низких частот, вход которого подключен к второму выходу демодулятора, а выход является выходом гироскопа, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор и ПИ-регулятор и последовательно соединенные измеритель тока, управляемый инвертор с двумя входами управления и управляемый усилитель, причем выход ПИ-регулятора соединен со входом первого контроллера амплитуды и со входом демодулятора, выход управляемого усилителя и выход фотоприемного устройства подключены ко входам сумматора, выход управляемого генератора напряжения соединен со входом измерителя тока, выход которого подключен ко входу пьезокерамического фазового модулятора, а вход управления усилителя объединен с одним из входов управления инвертора.