СПОСОБ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ЛУЧЕЙ КОЛЬЦЕВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2002 года по МПК G01B9/02 G01C19/72 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Волоконно-оптический гироскоп содержит в своем составе оптоволоконный кольцевой интерферометр с широкополосными интегрально-оптическими фазовыми модуляторами и электронный блок обработки информации. Оптоволоконный кольцевой интерферометр содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности оптического излучения, интегрально-оптическую схему на основе пластины ниобата лития, содержащую в своем составе один делитель мощности оптического излучения и два фазовых модулятора, расположенных на канальных волноводах выходных плеч Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы по протонно-обменной технологии и поэтому интегрально-оптическая схема играет и роль поляризатора, который обычно необходим при построении оптической схемы волоконно-оптического гироскопа "минимальной конфигурации". К выходным канальным волноводам Y-делителя пристыкованы два конца световода чувствительной катушки гироскопа.

На фотоприемнике кольцевого оптоволоконного интерферометра наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами вследствие эффекта Саньяка возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:

где R - радиус чувствительной волоконной катушки;
L - длина световода чувствительной волоконной катушки;
λ - центральная длина волны излучения источника;
с - скорость света в вакууме;
Ω - угловая скорость вращения кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Таким образом, на фотоприемнике интенсивность оптического излучения можно представить в виде:
I_Ф≅P₀(1+cosФ_S),
где Р₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике оптических лучей.

Из выражения для интерференционного члена на фотоприемнике следует, что интенсивность изменяется в зависимости от разности фаз Саньяка по косинусоидальному закону и поэтому при малых угловых скоростях кольцевой интерферометр имеет очень низкую чувствительность к вращению, так как производная косинуса имеет практически нулевое значение. Для повышения чувствительности волоконно-оптического гироскопа при малых угловых скоростях в кольцевом оптоволоконном интерферометре обычно используют вспомогательную фазовую модуляцию. В волоконно-оптических гироскопах используют фазовую модуляцию, вводимую с помощью фазового модулятора, расположенного на одном из концов световода чувствительной катушки, в этом случае для получения эффекта фазовой модуляции используется временное запаздывание лучей друг относительно друга при прохождении фазового модулятора. В самом деле, один из интерферирующих лучей кольцевого интерферометра проходит сначала фазовый модулятор, а затем волоконную чувствительную катушку, а второй луч проходит фазовый модулятор спустя время пробега по световоду чувствительной катушки, так как сначала он проходит чувствительную катушку, а затем фазовый модулятор. Это временное запаздывание составляет величину:

где L - длина световода чувствительной катушки гироскопа;,
n₀ - показатель преломления материала световода;
с - скорость света в вакууме.

Временное запаздывание τ интерферирующих фронтов двух лучей, проходящих волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, используется для введения эффекта вспомогательной фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра, которая позволяет повысить чувствительность волоконно-оптического гироскопа при малых угловых скоростях. Классическим способом осуществления вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа является фазовая модуляция с помощью широкополосного фазового модулятора, на который подаются импульсы напряжения, следующие с чаcтотой:
f₀ = 1/2τ.
В работе [1] рассматривается вопрос выбора оптимальной чувствительности волоконно-оптического гироскопа при малых угловых скоростях путем выбора оптимальной амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. Оптимальная амплитуда вспомогательной фазовой модуляции определяется уровнем мощности интерферирующих на фотоприемнике лучей кольцевого интерферометра. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа определяется в основном шумами трех видов, а именно уровнем дробового шума фотоприемника, тепловыми шумами предварительного усилителя фотоприемника и шумами источника оптического излучения, используемого в волоконно-оптическом гироскопе. Каждая составляющая шума может быть представлена в виде:



где ΩДРmin

, ΩЭЛЕКТРmin, ΩИЗЛmin - минимально обнаруживаемые угловые скорости в волоконно-оптическом гироскопе по уровню дробовых шумов, по уровню тепловых шумов и по уровню шумов источника излучения, соответственно;
В[Гц] - полоса пропускания электронного тракта обработки информации волоконно-оптического гироскопа;
h - постоянная Планка;
Р₀ - мощность интегрирующих на фотоприемнике лучей кольцевого интерферометра;
k - постоянная Больцмана,
Т - абсолютная температура К (Кельвина);
R_Н - нагрузочное сопротивление предварительного усилителя фотоприемника;
е - заряд электрона;
I_Т - темновой ток фотоприемника;
Δλ - ширина линии излучения источника;
Ф_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа.

Как следует из выражений, приведенных выше, чувствительность волоконно-оптического гироскопа зависит от уровня мощности интерферирующих на фотоприемнике лучей кольцевого интерферометра, ширины линии излучения источника и амплитуды вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, а также от длины волны излучения источника и от параметров чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа. Для высокоточных волоконно-оптических гироскопов в настоящее время нашли наиболее широкое применение волоконные суперфлюоресцентные широкополосные источники оптического излучения на основе активированных световодов [2], которые обладают большой выходной мощностью оптического излучения. Мощность этих источников настолько велика, что при амплитуде вспомогательной фазовой модуляции радиан, которая долгое время считалась оптимальной для волоконно-оптических гироскопов, чувствительность гироскопа определяется уровнем шумов источника излучения, который не зависит от уровня мощности лучей кольцевого интерферометра, интерферирующих на фотоприемнике, в то время как уровень дробовых шумов фотоприемника и уровень тепловых шумов предварительного усилителя с ростом мощности лучей кольцевого интерферометра быстро понижается и при определенном уровне мощности лучей становится ниже уровня шумов источника излучения и в этом случае чувствительность волоконно-оптического гироскопа ограничивается уровнем шумов источника излучения. Дальнейшее повышение чувствительности волоконно-оптического гироскопа связано с уменьшением шумов источника излучения, его можно добиться уменьшением длины когерентности излучения путем расширения спектра излучения, и подбором оптимальной амплитуды вспомогательной фазовой модуляции [1,3].

Выходная мощность волоконных источников в настоящее время достигает значений 10÷50 мВт, чего вполне достаточно для достижения чувствительности 0,01÷0,001 град/ч. Предположим, что L=1000 м; R=0,05 м; λ=1,55•10^-6 м; Δλ= 10•10^-9 м; Т=343 К; I_T=150•10^-9 А; R_H=3•10⁵ Ом, тогда выражения для составляющих шума волоконно-оптического гироскопа приобретают следующий вид:


.

В схеме обработки информации кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа наиболее часто используется компенсационный способ считывания разности фаз Саньяка, который заключается во введении между лучами кольцевого интерферометра невзаимного управляемого фазового сдвига, компенсирующего разность фаз Саньяка [4] . При введении компенсирующего фазовый сдвиг Саньяка невзаимного фазового сдвига, например, с помощью подачи на широкополосный фазовый модулятор пилообразного ступенчатого напряжения с амплитудой 2π радиан выражение для интенсивности оптического излучения на фотоприемнике можно представить в виде:
I_ф~Р₀{1+соsФ_m + sinФ_m•sin(Ф_S- Ф_К)},
где Ф_S - разность фаз Саньяка;
Ф_К - компенсирующий разность фаз Саньяка невзаимный фазовый сдвиг.

При замыкании петли обратной связи с целью обеспечения условия Ф_S=Ф_К интенсивность излучения на фотоприемнике пропорциональна величине ~ Р₀(1+соsФ_m). Отсюда следует, что при увеличении амплитуды вспомогательной фазовой модуляции Ф_m интенсивность постоянной засветки фотоприемника уменьшается, что приводит к уменьшению дробовых шумов фотоприемника и уровня шумов источника излучения. Но уровень электронных шумов при увеличении амплитуды вспомогательной фазовой модуляции наоборот возрастает. Поэтому условием выбора оптимальной амплитуды вспомогательной фазовой модуляции является выражение:
.

При выходной мощности источника излучения 10 мВт и различных уровнях потерь в оптических элементах кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа значения вспомогательной фазовой модуляции приведены в таблице 1.

В таблице 2 указаны значения чувствительности волоконно-оптического гироскопа при различных значениях амплитуды вспомогательной фазовой модуляции при времени усреднения сигнала Т_уср=100 с.

Из таблица 2 следует, что только при выборе оптимальной амплитуды вспомогательной фазовой модуляции чувствительность волоконно-оптического гироскопа можно повысить более чем в три раза.

Подбор амплитуды вспомогательной фазовой модуляции в случае использования классического способа вспомогательной фазовой модуляции с помощью прямоугольных импульсов, следующих с частотой f₀ = 1/2τ, достигается достаточно легко, но данный способ вспомогательной фазовой модуляции и его разновидности [3(п. 2 формулы), 4] обладают одним существенным недостатком. Дело в том, что форма сигнала с предварительного усилителя фотоприемника, несущего информацию о вращении, полностью совпадает с формой модулирующего напряжения, подаваемого на широкополосный фазовый модулятор, и поэтому в электронной схеме обработки информации возникают перекрестные помехи, а именно просачивание модулирующего напряжения на вход синхронного усилителя, что в конечном счете приводит к ошибке в определении угловой скорости, а также при малых угловых скоростях к возникновению зоны нечувствительности волоконно-оптического гироскопа к вращению [4].

Этот существенный недостаток вспомогательной фазовой модуляции исключается с помощью осуществления вспомогательной фазовой модуляции с помощью специально формируемой последовательности импульсов напряжения, подаваемой на широкополосный фазовый модулятор [3,5].

С помощью этой импульсной последовательности напряжения, подаваемой на широкополосный фазовый модулятор, между лучами кольцевого интерферометра формируется импульсная последовательность разности фаз лучей кольцевого интерферометра,в первый полупериорд которой формируются импульсы разности фаз с длительностью кратной времени пробега τ лучей кольцевого интерферометра по световоду чувствительной катушки, а величины амплитуд этих импульсов разности фаз представляют собой чередующуюся последовательность значений -(π+Δ) радиан и +(π+Δ) радиан, а во второй полупериод чередующаяся последовательность значений +(π+Δ) радиан и -(π+Δ) радиан. В результате этого сигнал, несущий информацию о вращении на входе синхронного усилителя, по своей форме отличается от формы напряжения, подаваемого на широкополосный фазовый модулятор, что исключает перекрестные помехи в электронной схеме обработки информации волоконно-оптического гироскопа и и в конечном счете повышает точность волоконно-оптического гироскопа.

Способ осуществления вспомогательной фазовой модуляции, описанный в [3], позволяет с помощью выбора определенных параметров последовательности ступенчатых пилообразных импульсов напряжения, подаваемых на широкополосный фазовый модулятор, выбирать практически любую частоту детектирования полезного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Амплитуда вспомогательной фазовой модуляции и частота детектирования полезного сигнала о вращении гироскопа определяются набором целых положительных чисел N, n и К, причем N≥2n. Последовательность электрических импульсов, подаваемых на широкополосный фазовый модулятор, в первый полупериод представляет собой последовательность одинаковых ступенчатых пилообразных импульсов с длительностью каждой ступеньки τ, причем их количество равно К. Число N равно количеству ступенек по переднему фронту каждого импульса, а число n равно количеству ступенек по заднему фронту каждого импульса. Во второй полупериод последовательности эти импульсы зеркально отображаются. В этом случае величина Δ, характеризующая амплитуду вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, определяется выражением.

Таким образом, можно считать, что амплитуда вспомогательной фазовой модуляции в этом случае будет равна:

Частота детектирования полезного сигнала о вращении волоконно-оптического гироскопа в этом случае равна:
.

За счет выбора числа К имеются очень широкие возможности по выбору частоты детектирования полезного сигнала о вращении волоконно-оптического гироскопа.

Рассмотренный в патенте [3] способ осуществления вспомогательной фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра позволяет выделить специальный сигнал рассогласования, наличие которого свидетельствует об изменении эффективности фазового модулятора при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Помимо шумовых факторов на точность волоконно-оптического гироскопа существенное влияние оказывает стабильность его масштабного коэффициента. В самом общем виде электронный блок обработки информации, в котором используется компенсация разности фаз Саньяка ступенчатой фазовой пилой, содержит демодулятор, генератор вспомогательной фазовой модуляции, фильтр, на вход которого поступает сигнал с демодулятора, после фильтра сигнал поступает на усилитель и далее на блок управления широкополосным фазовым модулятором. Выходом гироскопа в этом случае служит сигнал, поступающий с блока управления на фазовый модулятор, в данном случае это частота ступенчатой фазовой пилы:
,
где η - эффективность фазовой модуляции широкополосного фазового модулятора;
U_П - пиковое значение напряжения, имеющего форму ступенчатой пилы, используемой для компенсации разности фаз Саньяка;
Ω(t) - угловая скорость вращения волоконно-оптического гироскопа.

Масштабный коэффициент волоконно-оптического гироскопа выражается следующим образом:
.

Из выражения для масштабного коэффициента следует, что его стабильность в значительной степени зависит от стабильности эффективности фазовой модуляции η фазового модулятора. Одним из способов стабилизации масштабного коэффициента гироскопа является обеспечение U_П•η = 2π радиан, что и реализуется наиболее часто на практике. Стабилизацию произведений U_П•η обычно осуществляют с помощью соответствующего изменения U_П, для чего в электронном блоке обработки информации предусматривается второй контур [4] обратной связи. Стабилизация произведения и тем самым масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа заключается в правильном определении пределов сброса заднего фронта напряжения компенсирующей фазовой пилы, пределы этого сброса должны соответствовать точно изменению фазы лучей кольцевого интерферометра, равному 2π радиан. В этом случае масштабный коэффициент волоконно-оптического гироскопа принимает следующее значение:
.

В известном способе обработки информации [3] с целью определения пределов сброса напряжения компенсирующей фазовой пилы выделяют сигнал рассогласования по второму контуру обратной связи в электронном блоке обработки информации, обнуление которого с помощью изменения амплитуды импульсов вспомогательной фазовой модуляции обеспечивает симметричность расположения рабочих точек гироскопа относительно точек ±π радиан, при этом амплитуда импульсов вспомогательной фазовой модуляции несет информацию о пределах сброса пикового напряжения заднего фронта компенсирующей фазовой пилы.

Еще одним фактором, ограничивающим определение точных пределов сброса пикового напряжения компенсирующей фазовой пилы, является наличие в широкополосном интегрально-оптическом фазовом модуляторе паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при их прохождении канальных волноводов модулятора. Если в кольцевом интерферометре используется широкополосный фазовый модулятор на основе Y-делителя оптической мощности, канальные волноводы которого сформированы в подложке ниобата лития, то при подаче напряжения вспомогательной фазовой модуляции на электроды модулятора, располагающиеся на одном из двух выходных плеч Y-делителя лучи кольцевого интерферометра оказываются промодулированными по интенсивности и в результате их суммирования на фотоприемнике на нем появляется паразитный сигнал на частоте рассогласования, наличие которого свидетельствует о несимметричности расположения рабочих точек гироскопа относительно точек ±π радиан. Очевидно, что в этом случае возникает ошибка в определении пределов сброса пикового напряжения компенсирующей фазовой пилы из-за этого паразитного сигнала, вызванного наличием в интегрально-оптическом фазовом модуляторе паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими канальных волноводов фазового модулятора. Уровень паразитного сигнала модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра зависит в конечном счете от уровня постоянной засветки фотоприемника. Нестабильность амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, нестабильность выходной мощности источника излучения, нестабильность уровня потерь оптической мощности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими элементов оптической схемы кольцевого интерферометра и нестабильность коэффициента деления мощности Y-разветвителем могут привести к нестабильности уровня паразитного сигнала на частоте рассогласования и как следствие к нестабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа из-за нестабильности поддержания величины произведения U_П•η Уровень постоянной засветки фотоприемника в волоконно-оптическом гироскопе, работающем в режиме компенсации разности фаз Саньяка, может быть представлен в виде:
I_Ф~P₀(1+cosФ_m)α(1-K₀)K₀,
где Р₀ - выходная мощность излучения источника;
α - потери оптической мощности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими элементов оптической схемы;
К₀ - коэффициент деления оптической мощности Y-делителем;
Ф_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа.

Таким образом, увеличение амплитуды вспомогательной фазовой модуляции в случае использования в кольцевых интерферометрах волоконно-оптических гироскопов источников с большой выходной мощностью излучения приводит не только к увеличению чувствительности гироскопа к вращению, но и к повышению стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа.

Основным недостатком способа осуществления вспомогательной фазовой модуляции, которая может быть достигнута при указанных в описании значениях N и n, является то, что максимально возможная величина амплитуды вспомогательной фазовой модуляции составляет радиан, чего явно недостаточно для достижения максимальной чувствительности волоконно-оптического гироскопа и стабильности его масштабного коэффициента при использовании источников излучения с высокой выходной мощностью.

Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности волоконно-оптического гироскопа. Указанная цель достигается тем, что величину Δ выбирают из условия
где N, n, M - целые положительные числа, причем при М ≥ 2, N > n, а при М=1 и n ≠N, при этом информацию об угловой скорости вращения гироскопа при М ≥2 снимают на частоте

где К - целое положительное число, а при М=1 на частоте , причем числа N, n, M, K характеризуют параметры ступенчатых пилообразных импульсов напряжения, подаваемых на широкополосный фазовый модулятор.

Повышение чувствительности и точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет увеличения амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, которая позволяет, за счет уменьшения постоянной засветки фотоприемника кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа уменьшить шумы источника излучения за счет чего и достигается повышение чувствительности гироскопа. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается также за счет увеличения стабильности его масштабного коэффициента. Стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа зависит от стабильности поддержания величины произведения пикового значения амплитуды компенсирующей фазовой пилы и эффективности фазового модулятора, на которую значительное влияние оказывает уровень паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими канальных волноводов интегрально-оптического фазового модулятора. Влияние паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра на точность поддержания величины вышеуказанного произведения снижается также за счет уменьшения постоянного уровня засветки фотоприемника кольцевого интерферометра.

На фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На фиг. 2 показана последовательность модулирующих импульсов напряжения и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра при значении параметра М=1. На фиг.3 показан принцип формирования полезного сигнала вращения гироскопа. На фиг.4 показан принцип формирования сигнала рассогласования при нарушении расположения рабочих точек гироскопа относительно точек ±π радиан. На фиг. 5 показан принцип формирования паразитного сигнала модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими фазовых модуляторов. На фиг.6 показан принцип синтеза модернизируемой последовательности импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции при значении параметра М=2. На фиг.7 показана модернизированная последовательность импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции N=2, n=1, М=2, K=2. На фиг. 8 показан принцип формирования разности фаз лучей кольцевого интерферометра при использовании фазовых модуляторов на основе Y-делителя оптической мощности лучей в случае попарного соединения электродов фазовых модуляторов. На фиг.9 показан принцип формирования сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа в случае использования модернизированной последовательности импульсов напряжения для вспомогательной модуляции. На фиг.10 показан принцип формирования сигнала рассогласования при использовании модернизированной последовательности импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции.

На фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа, состоящего из оптововолоконного кольцевого интерферометра и электронного блока обработки информации, Оптоволоконный кольцевой интерферометр содержит источник оптического излучения 1, в качестве которого для достижения предельных точностей и максимальной чувствительности может быть использован волоконный флуоресцентный источник на основе активированных световодов [3]. Главными достоинствами этого источника являются его большая выходная мощность ~10÷20 мВт и достаточно высокая стабильность центральной длины волны излучения. По сравнению с полупроводниковыми суперлюминисцентными источниками излучения стабильность излучаемой центральной длины волны излучения в условиях изменения температуры окружающей среды у волоконного источника выше в 30 раз. Высокая выходная мощность позволяет достичь максимальных значений чувствительности волоконно-оптического гироскопа, а высокая стабильность длины волны позволяет повысить его масштабный коэффициент. Оптоволоконный кольцевой интерферометр содержит также фотоприемник 2, волоконный разветвитель 3, интегрально-оптическую схему 4, содержащую в своем составе Y-делитель оптической мощности и два фазовых модулятора, сформированных на выходных волноводах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя оптической мощности формируются обычно в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии. Особенностью этой технологии является то, что канальные волноводы канализируют только одно состояние поляризации излучения, что позволяет достичь необходимой стабильности кольцевого интерферометра по смещению нуля волоконно-оптического гироскопа из-за изменения передаточных поляризационных характеристик других элементов оптической схемы интерферометра. В этом случае, достаточно высокая степень деполяризации выходного излучения волоконного источника и высокая степень подавления нежелательной поляризации излучения, распространяющегося в канальных волноводах Y-делителя, обеспечивают поляризационную стабильность нуля волоконно-оптического гироскопа на уровне не хуже 0,001 град/ч. Фазовые модуляторы на выходных плечах Y-делителя оптической мощности формируются путем нанесения на подложку ниобата лития по обе стороны от канальных волноводов металлических электродов, один из которых, как правило, является общим для обоих фазовых модуляторов, а два других электрода объединяются дополнительным проводником 5. При такой схеме включения фазовых модуляторов, при подаче на них какого-либо напряжения изменение показателя преломления канальных волноводов и подложки имеют разный знак в разных фазовых модуляторах из-за того, что направление электрического поля, возникающего в этом случае в канальных волноводах двух разных фазовых модуляторов, имеет противоположное направление. К выходным концам интегрально-оптической схемы подключена волоконная чувствительная катушка 6. Таким образом, луч света от источника поступает на волоконный разветвитель, делится им на два луча одинаковой интенсивности, один из которых поступает на вход интегрально-оптической схемы, далее этот луч делится на Y-делителя на два луча одинаковой интенсивности, каждый из которых проходит сначала один фазовый модулятор, затем волоконную чувствительную катушку и второй фазовый модулятор и опять попадает на Y-делитель оптической мощности, который эти два луча одинаковой интенсивности, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, вновь объединяет в один луч, который затем поступает на волоконный разветвитель, который в свою очередь половину мощности объединенного Y-делителем луча направляет на фотоприемник. Таким образом, на фотоприемнике наблюдается интерференционная картина двух лучей, прошедших волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях:
I_ф~Р₀(1+cosФ_s);
где Р₀ - мощность оптических лучей;
Ф_s - разность фаз Саньяка.

Для повышения чувствительности волоконно-оптического гироскопа в схеме предусмотрена вспомогательная фазовая модуляция двух лучей кольцевого интерферометра. Для осуществления вспомогательной фазовой модуляции электронный блок обработки информации содержит генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции 7, а для подстройки амплитуды вспомогательной фазовой модуляции демодулятор 8. Обычно высокоточные волоконно-оптические гироскопы строятся по схеме введения управляемого фазового сдвига между лучами кольцевого интерферометра, компенсирующего разность фаз Саньяка. Для создания управляемого фазового сдвига между лучами кольцевого интерферометра на фазовые модуляторы подается пилообразное ступенчатое напряжение, которое формируется генератором ступенчатого пилообразного напряжения 9. Длительность каждой ступеньки этого напряжения равна времени пробега светового луча по световоду чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа.

Высота каждой ступеньки через фазовый модулятор преобразуется в разность фаз лучей кольцевого интерферометра, с помощью которой компенсируется разность фаз лучей, вызванная эффектом Саньяка. Ступенчатое пилообразное напряжение имеет максимальную амплитуду U_П, с помощью которой фазовый модулятор вносит изменение фазы лучей кольцевого интерферометра, равное 2π радиан. После чего происходит сброс напряжения до значения 2π-ΔU, где ΔU - высота ступеньки пилообразного напряжения. Величина масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа может быть выражена следующим образом [4]:
.

Наибольшему изменению при воздействии внешних дестабилизирующих факторов подвержена величина η и поэтому для стабилизации масштабного коэффициента необходима стабилизация в первую очередь произведения U_П•η = 2π радиан. Стабилизация величины произведения производится с помощью демодулятора 8, напряжение на выходе которого с помощью блока управления 10 производит подстройку амплитуды импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции, которая несет информацию о величине напряжения U_П на фазовом модуляторе, с помощью которого вносится изменение фазы лучей кольцевого интерферометра, равное U_П•η = 2π радиан.

Сигнал, несущий информацию о вращении волоконно-оптического гироскопа, выделяется с помощью демодулятора 11, напряжение на выходе которого через блок управления 12 изменяет частоту ступенчатого пилообразного напряжения, которая определяет величину компенсирующего фазовый сдвиг Саньяка невзаимного фазового сдвига, вносимого широкополосным фазовым модулятором. Таким образом, электронный блок обработки информации имеет две петли обратной связи, одна из которых осуществляет автоматическую компенсацию разности фаз Саньяка управляемым невзаимным фазовым сдвигом, а вторая осуществляет автоматическую подстройку уровня напряжения, при подаче которого на фазовый модулятор осуществляется фазовый сдвиг лучей кольцевого интерферометра на 2π радиан. Выходным сигналом волоконно-оптического гироскопа в этом случае является частота компенсирующей фазовой пилы [4]:

где Ω(t) - угловая скорость вращения волоконно-оптического гироскопа.

На фиг. 2 представлен пример синтеза последовательности пилообразных ступенчатых импульсов напряжения, которая используется для осуществления вспомогательной фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Данную последовательность характеризует определенный набор целых положительных чисел N, n, K. Период следования импульсов напряжения вспомогательной модуляции составляет Т_0. В первый полупериод импульсы имеют вид 13 (фиг.2), во второй полупериод вид 14, то есть импульсы во второй полупериод являются зеркальным отображением импульсов в первый полупериод Т₀/2. Набор целых положительных чисел характеризует импульсы напряжения следующим образом. Число N равно количеству ступенек по переднему фронту импульса 13, а число n - количеству ступенек по заднему фронту импульса. Число К равно количеству импульсов на каждом из полупериодов Т₀/2 последовательности. на фиг.2 также представлена последовательность импульсов разности фаз лучей кольцевого интерферометра 15, 16, 17, 18, которая вызвана фазовым модулятором волоконно-оптического гироскопа при подаче на него ступенчатых пилообразных импульсов. Последовательность импульсов разности фаз лучей кольцевого интерферометра в первый полупериод представляет собой чередующуюся последовательность импульсов с амплитудой -(π-Δ) радиан и +(π+Δ) радиан, а во второй полупериод чередующуюся последовательность импульсов +(π-Δ) радиан и -(π+Δ) радиан. В этом случае справедливо следующее уравнение:
N(π-Δ) = n(π+Δ).
Отсюда имеем следующие соотношения:



При этом целые положительные числа N, n, K могут принимать любые целые положительные, но N ≠n значения. В волоконно-оптическом гироскопе с электронным блоком обработки информации, имеющем в своем составе две петли обратной связи по компенсации разности фаз Саньяка и по стабилизации эффективности интегрально-оптического фазового модулятора, в установившемся режиме уровень постоянной засветки фотоприемника кольцевого интерферометра равен величине:
I_ф=Р₀[1+cоsФ'_m]=[1+cosФ''_m]
Из приведенных выражений следует, что с помощью выбора Ф'_m и Ф''_m соответствующим образом можно существенно снизить постоянную засветку фотоприемника.

На фиг.3 показан принцип формирования полезного сигнала вращения гироскопа. Закон изменения интенсивности излучения на фотоприемнике в зависимости от разности фаз лучей кольцевого интерферометра описывается косинусоидальной кривой 19. При рассмотренном на фиг.2 способе формирования разности фаз лучей кольцевого интерферометра и при наличии смещения разности фаз Саньяка Ф_s, показанного пунктирной линией, на фотоприемнике появляется сигнал типа 20. Частота показанного сигнала вращения, как нетрудно определить, равна следующей величине:
.

Использование рассматриваемого способа вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре позволяет значительно снизить частоту детектирования полезного сигнала, что значительно упрощает построение электронного блока обработки, снизить его габариты и, что самое важное, энергопотребление. При выборе N=3, n=2 уровень постоянной засветки фотоприемника 21 (фиг. 3) 0,19 Р₀, то есть в 5,24 раза меньше по сравнению со случаем радиан, при этом при достаточной мощности источника излучения удается повысить чувствительность волоконно-оптического гироскопа за счет подавления его шумов в 3,0 раза по сравнению со случаем радиан.

При воздействии внешних дестабилизирующих факторов. например под воздействием изменения температуры окружающей среды, изменяется эффективность интегрально-оптического фазового модулятора, что приводит к нестабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. На фиг.4 показан принцип образования сигнала рассогласования 21 на фотоприемнике кольцевого интерферометра, вызванного изменением эффективности интегрально-оптического фазового модулятора. Совершенно очевидно, что его частота определяется величиной:

Сигнал рассогласования на двух разных полупериодах Т₀/2 сдвинут по фазе по отношению к самому себе на 180^o, что несколько затрудняет его обработку по контуру обратной связи, предназначенному для стабилизации произведения U_П•η. Но, как видно из диаграммы, влияние сигнала рассогласования на смещение нуля волоконно-оптического гироскопа не сказывается, так как частота сигнала рассогласования и полезного сигнала вращения соотносятся как:
.

Таким образом, частота сигнала рассогласования всегда выше частоты детектирования полезного сигнала и более того кратна ей, что исключает влияние на смещение нуля волоконно-оптического гироскопа нестабильности эффективности фазового модулятора.

Амплитуда импульсов рассогласования в зависимости от изменения эффективности фазового модулятора может быть оценена с помощью следующего уравнения:

где G₀ - коэффициент передачи усилителя фотоприемника схемы обработки информации;
Р₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей;
Δϕ_π-Δ - прирост разности фаз лучей кольцевого интерферометра из-за эффективности фазового модулятора при подаче на него перепада напряжения U_π-Δ по переднему фронту импульса, равного одной ступеньке;
Δϕ_π+Δ - прирост разности фаз лучей кольцевого интерферометра из-за изменения эффективности фазового модулятора при подаче на него перепада напряжения U_π+Δ по заднему фронту импульса равного одной ступеньке;
γ - коэффициент передачи фотоприемника
Прирост разности фаз лучей кольцевого интерферометра может быть выражен следующим образом:
Δϕ_π-Δ = Δη•U_π-Δ,
Δϕ_π+Δ = Δη•U_π+Δ,
где Δη - изменение эффективности фазового модулятора.

При детектировании сигнала рассогласования на частоте f_РАСС его величина пропорциональна величине

где U_2π = (U_π-Δ+U_π+Δ) - напряжение, при подаче которого на фазовый модулятор, фаза лучей кольцевого интерферометра изменяется на 2π радиан;
G_D - коэффициент усиления синхронного усилителя, выделяющего напряжение U^D _РАСС на частоте сигнала рассогласования.

Известно, что в интегрально-оптических фазовых модуляторах присутствует эффект модуляции интенсивности лучей, проходящих по канальному волноводу модулятора. Обычно в кольцевых интерферометрах волоконно-оптических гироскопов используют широкополосные фазовые модуляторы на основе Y-делителя оптической мощности, канальные волноводы которого формируются по протонно-обменной технологии в подложке ниобата лития, обладающего линейным электрооптическим эффектом. Фазовые модуляторы формируются на волноводах выходных плеч Y-делителя путем нанесения на поверхность подложки системы металлических электродов, располагающихся с двух противоположных сторон канальных волноводов.

При подаче на электроды электрического напряжения в канальных волноводах возникает электрическое поле, под воздействием которого изменяется показатель преломления материала канального волновода, в силу чего происходит модуляция фазы лучей, проходящих канальные волноводы. Но при приложении электрического поля к электродам происходит изменение не только фазы лучей кольцевого интерферометра, но и их интенсивности. Этот эффект может быть вызван модуляцией разности показателей преломления материалов канального волновода и подложки, в силу чего изменяются направляющие свойства канальных волноводов модуляторов. Эффект модуляции интенсивности может также возникать и из-за изменения профиля распределения показателя преломления канального волновода при приложении к электродам электрического поля. При формировании канального волновода по протонно-обменной технологии существуют довольно значительные механические напряжения как в самом канальном волноводе, так и на границе "канальный волновод - подложка". В связи с этим канальный волновод имеет так называемый W-профиль распределения показателей преломления. Приложение электрического поля к электродам модулятора изменяет параметры этот W-профиля распределения показателей преломления, что может приводить так же к изменению направляющих свойств канальных волноводов. Обычно для уменьшения амплитуд модулирующих и компенсирующих фазу Саньяка напряжений, а также для устранения паразитного эффекта модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра, приводящего к паразитным смещения "нуля" в волоконно-оптических гироскопах, используется попарное соединение электродов фазовых модуляторов, сформированных на выходных плечах Y-делителя [6]. Но даже эта мера может не дать желаемого результата, если уровень паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра в фазовых модуляторах, располагающихся на выходных плечах Y-делителя, имеет различное значение. В этом случае даже при попарном соединении электродов фазовых модуляторов складывается такая ситуация, что на одном из концов световода чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа располагается дополнительный модулятор интенсивности лучей кольцевого интерферометра с уровнем паразитной модуляции β₀, равным разности уровней паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра в фазовых модуляторах, располагающихся на выходных плечах Y-делителя оптической мощности. На фиг.5 показан принцип формирования паразитного сигнала суммы лучей кольцевого интерферометра на фотоприемнике, обусловленного паразитной модуляцией интенсивности этих лучей. Закон модуляции интенсивности одного луча описывается кривой 22, а закон модуляции интенсивности второго луча кривой 23. При суммировании лучей кольцевого интерферометра на фотоприемнике, при условии работы волоконно-оптического гироскопа в режиме компенсации разности фаз Саньяка интенсивность излучения на фотоприемнике оказывается промодулированной по закону 24, откуда следует, что паразитный сигнал, обусловленный модуляцией интенсивности, при детектировании его на частоте рассогласования f_РАСС, будет давать определенное значение напряжения, величина которого будет определяться величиной β₀. В самом общем виде величина напряжения на выходе синхронного усилителя, обусловленная паразитной модуляцией интенсивности лучей кольцевого интерферометра, может быть представлена в виде

Величина где Δ - амплитуда паразитной модуляции интенсивности луча при подаче импульса напряжения в 1В, I₀ - интенсивности луча.

Таким образом, паразитный сигнал модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра может вносить ошибку в определение истинного значения эффективности фазовых модуляторов η, что в конечном счете при нестабильности уровня β₀ при воздействии внешних дестабилизирующих факторов может привести к нестабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, работающего в режиме компенсации фаз Саньяка, считающегося наиболее точным прибором.

Неточность определения эффективности фазовых модуляторов может быть выражена следующим образом:

Нестабильность масштабного коэффициента будет равна величине:
.

Из выражения для нестабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа следует, что увеличение амплитуды вспомогательной фазовой модуляции Ф'_m лучей кольцевого интерферометра приводит не только к увеличению чувствительности волоконно-оптического гироскопа за счет подавления шумов источника излучения, но и к уменьшению нестабильности его масштабного коэффициента, а в конечном счете к увеличению его точности. Величина коэффициента α уточняется из конкретных значений параметров N и n импульса напряжения вспомогательной фазовой модуляции. Для получения максимального значения амплитуды вспомогательной фазовой модуляции должно выполняться следующее условие: N=n+1.

Тогда для стабильности масштабного коэффициента справедливо выражение:

Для достаточно высоких значений Ф'_m и Ф''_m, которые позволяют повысить чувствительность волоконно-оптического гироскопа и стабильность масштабного коэффициента, амплитуда импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции становится достаточно высокой, что накладывает дополнительные требования на интегрально-оптический фазовый модулятор, заключающиеся в расширении линейного участка фазовых сдвигов в зависимости от напряжения. Максимальный фазовый сдвиг, который должен вносить фазовый модулятор при определенных параметрах импульсной последовательности напряжения N и n, может быть определен из формулы:

при N=n+1.

Для обеспечения амплитуды вспомогательной фазовой модуляции радиан (при n=3), Ф_max = 3,43π радиан, что накладывает высокие требования к модуляционной характеристике по линейности в достаточно большом диапазоне фазовых сдвигов.

Для обеспечения амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, необходимой для увеличения чувствительности волоконно-оптического гироскопа и эффективности подавления влияния на стабильность масштабного коэффициента паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра, но в то же самое время уменьшения значения Ф_max, можно воспользоваться следующим приемом, который заключается в замене каждого импульса напряжения вспомогательной фазовой модуляции дополнительной последовательностью модифицированных импульсов напряжения. На фиг.6 показан принцип преобразования каждого импульса напряжения 25, 26 в дополнительную последовательность импульсов 27, 28. Для дополнительной последовательности импульсов должно быть справедливо следующее уравнение:
N(π-Δ)M)= n(π+Δ)(M-1)+(n+1)(π+Δ),
где М - количество импульсов в дополнительной последовательности.

Из приведенного выше уравнения получаются следующие соотношения при М ≥ 2;




На фиг.7 показан пример импульсной последовательности напряжения фазовой модуляции 29 в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, подаваемой на электроды интегрально-оптического фазового модулятора на основе Y-делителя оптической мощности. Электроды интегрально-оптических фазовых модуляторов, располагающихся на выходных плечах Y-делителя, попарно соединены. Импульсная последовательность напряжения вспомогательной фазовой модуляции имеет следующие характеризующие ее параметры: N=2; n=1; М=2; К=2; в этом случае амплитуда вспомогательной фазовой модуляции Ф'_m составит величину 6/7π радиан, как и в рассмотренном ранее случае при М=1 с параметрами импульсной последовательности N=4 и n=3, но в отличие от этого случая максимальный фазовый сдвиг, осуществляемый фазовыми модуляторами, уже составляет 2,28π радиан, что существенно ниже рассматриваемого ранее предлагаемого решения. На фиг. 8 показано формирование разности фаз лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. При попарном объединении электродов интегрально-оптических фазовых модуляторов, располагающихся на выходных плечах Y-делителя оптической мощности, закон модуляции фазы одного из лучей кольцевого интерферометра показан кривой 30, а закон изменения фазы другого луча интерферометра кривой 31, при этом закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра при подаче на фазовый модулятор напряжения, показанного на фиг. 7, показан кривой 32 (фиг.8). Как видно из фиг.8, в первый полупериод Т₀/2 импульсы разности фаз лучей имеют амплитуды с чередующимися значениями +(π+Δ) радиан и -(π-Δ) радиан, в данном случае Δ = 1/7π радиан, а во второй полупериод Т₀/2 импульсы имеют чередующиеся амплитуды +(π-Δ) радиан и -(π+Δ) радиан. На фиг.9 показано образование сигнала вращения 33 волоконно-оптического гироскопа на фотоприемнике. Частота сигнала вращения, очевидно, будет равна следующей величине:
.

Таким образом, предлагаемым способом фазовой модуляции в кольцевом интерферометре удается не только увеличить амплитуду вспомогательной фазовой модуляции, позволяющей повысить чувствительность волоконно-оптического гироскопа и стабильность масштабного коэффициента, но существенно снизить частоту обработки информации о вращении, что позволяет снизить габариты и вес прибора, а также уменьшить энергопотребление.

На фиг.10 показан принцип формирования сигнала рассогласования 34 в первый полупериод Т₀/2 и сигнал рассогласования 35 во второй полупериод Т₀/2. Сигналы рассогласования в оба полупериода имеют одну и ту же частоту, но фазы их отличаются друг от друга на 180^o. При обнулении сигнала рассогласования путем подбора высоты ступенек по переднему и по заднему фронтам импульсов вспомогательной фазовой модуляции выполняется условие точного равновесия суммы напряжений ступенек по переднему и заднему фронту импульсов модуляции напряжению U_2π, которое при подаче на интегрально-оптический фазовый модулятор вносит сдвиг фаз лучей кольцевого интерферометра, равный 2π радиан. Эта информация по величине U_2π необходима для определения пределов сброса заднего фронта напряжения компенсирующей фазовой пилы, подаваемой на тот же фазовый модулятор и использующейся для компенсации разности фаз Саньяка.

Одним из эффективных способов исключения влияния на показания волоконно-оптического гироскопа является формирование случайной последовательности импульсов вспомогательной фазовой модуляции и, таким образом, можно изменить фазу детектируемого полезного сигнала о вращении гироскопа, что усредняет до нулевого уровня имеющиеся различные электронные помехи в схеме обработки информации волоконно-оптического гироскопа. В предлагаемом способе вспомогательной фазовой модуляции очень эффективно случайным образом можно изменить частоту полезного сигнала о вращении, например, изменяя случайным образом параметр К импульсной последовательности напряжения вспомогательной фазовой модуляции, что дает возможность эффективно избавляться от помех и наводок в электронной схеме обработки информации волоконно-оптического гироскопа.

Литература
1. G. A. Pavlath "Method for reducing random walk in fiber optic gyroscopes", U.S. Patent 5530545, Jun. 25, 1996, U.S. cl. 356/350.

2. G. A. Sunders all "Fiber optic gyros for space, marine and aviation applications. SPIE v.2837, 1996, p.p.61-71.

3. Курбатов А.М. "Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа", патент РФ 2130587, заявка 96108070, приоритет 18.04.96.

4. G. A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros", SPIE v. 2837, р.р. 46-60, 1996.

5. Mark et all "Method and apparatus for overcoming cross-coupling in a fiber optic gyroscope employing overmodulation", U.S. Patent, oct. 28, 1997, U.S. cl 356/350.

6. Курбатов А. М. "Способ компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа". Патент РФ 2146807 от 20.03.2000, приоритет 02.03.98, заявка 98103976.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности волоконно-оптического гироскопа. Сущность: величину Δ, характеризующую амплитуду вспомогательной фазовой модуляции, выбирают из условия , где N, n, M - целые положительные числа, причем при М≥2, N>n, а при М=1 и n≠N, при этом информацию об угловой скорости вращения гироскопа при М≥2 снимают на частоте , где К - целое положительное число, а при М=1 на частоте , причем числа N, n, М, К характеризуют параметры ступенчатых пилообразных импульсов напряжения, подаваемых на широкополосный фазовый модулятор. 10 ил., 2 табл.

Способ фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа путем формирования разности лучей с помощью последовательности пилообразных ступенчатых импульсов напряжения, подаваемых на широкополосный фазовый модулятор в виде последовательности прямоугольных импульсов с периодом Т₀ и длительностью каждого импульса разности фаз, кратной

где L - длина световода чувствительной катушки гироскопа; n₀ - показатель преломления материала световода; с - скорость света в вакууме, при этом каждую последовательность формируют из двух последовательностей одинаковой длительности Т₀/2, причем в первый полупериод амплитуда импульсов разности фаз лучей кольцевого интерферометра представляет собой чередующуюся последовательность величин +(π+Δ) радиан и -(π-Δ) радиан, а во второй полупериод представляет собой чередующуюся последовательность величин -(π+Δ) радиан и +(π-Δ) радиан, отличающийся тем, что величину Δ выбирают из условия

где N, n, M - целые положительные числа, причем при М≥2, N>n, а при М= 1

и N≠n, при этом информацию об угловой скорости вращения гироскопа при М≥2 снимают на частоте

где К - целое положительное число, а при М= 1 на частоте

причем числа N, n, М, К характеризуют параметры ступенчатых пилообразных импульсов напряжения, подаваемых на широкополосный фазовый модулятор.