СПОСОБ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ МАСШТАБНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2009 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин.

Волоконно-оптический гироскоп содержит в своем составе оптоволоконный кольцевой интерферометр с широкополосными фазовыми модуляторами и электронный блок обработки информации. Оптоволоконный интерферометр содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности оптического излучения, интегрально-оптическую схему на основе подложки из ниобата лития, содержащую в своем составе Y- 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 канальные волноводы являются поляризующими. К выходным канальным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов 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 катушки гироскопа;

L - длина световода катушки;

λ - центральная длина волны излучения источника;

с - скорость света в вакууме;

Ω - угловая скорость вращения гироскопа.

Таким образом, на фотоприемнике интенсивность оптического излучения можно представить в виде:

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.

Для повышения чувствительности волоконно-оптического гироскопа вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре, содержащем на одном из концов чувствительной катушки широкополосный фазовый модулятор, используется временное запаздывание лучей относительно друг друга при прохождении фазового модулятора. Это временное запаздывание составляет величину:

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.

Для получения максимальной эффективности фазовой модуляции используется так называемая оптимальная частота, которая выражается следующим образом:

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения следующих с оптимальной частотой на входе синхронного детектора наблюдается сигнал вида:

Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики волоконно-оптического гироскопа в схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее фазу Саньяка пилообразное напряжение [1]. В результате сигнал на входе синхронного детектора приобретает следующий вид:

где ϕ_K - сдвиг фаз, вносимый пилообразным напряжением для компенсации разности фаз Саньяка.

Учитывая, что ϕ_S-ϕ_K≈0 в режиме компенсации напряжение на входе синхронного детектора можно представить:

Известно, что основными составляющими шума волоконно-оптического гироскопа, определяющими его чувствительность, являются следующие:

- дробовой шум фотоприемника;

- тепловые шумы предварительного усилителя фотоприемника;

- шумы интенсивности источника оптического излучения.

Чувствительность волоконно-оптического гироскопа по уровню дробового шума можно представить в виде:

где - минимально обнаруживаемая угловая скорость по уровню дробовых шумов;

h - постоянная Планка;

В - полоса пропускания электронного тракта обработки информации [Гц].

Чувствительность волоконно-оптического гироскопа по уровню тепловых шумов предварительного усилителя фотоприемника можно представить в виде:

где - минимально обнаруживаемая скорость по уровню шумов предварительного усилителя;

k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура в градусах Кельвина;

R_H - нагрузочное сопротивление предварительного усилителя;

е - заряд электрона;

I_T - темновой ток фотоприемника.

Чувствительность волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) с замкнутой петлей обратной связи по уровню шумов интенсивности источника излучения можно представить в виде:

где - минимально обнаруживаемая угловая скорость по уровню шумов интенсивности источника излучения;

Δλ - ширина линии излучения источника.

Из приведенных выше соотношений для чувствительности ВОГ, работающего в режиме замкнутой петли обратной связи, следует, что его чувствительность в значительной степени зависит от глубины (амплитуды) вспомогательной фазовой модуляции ϕ_m. При большой выходной мощности источника излучения и малых потерях в элементах оптической схемы гироскопа чувствительность ВОГ определяется в основном уровнем шума источника излучения, который может быть значительно снижен при стремлении глубины модуляции ϕ_m к π радиан.

Точность ВОГ определяется также и стабильностью масштабного коэффициента. Для выходного сигнала гироскопа, работающего по компенсационной схеме в режиме замкнутой петли обратной связи, справедливо следующее соотношение:

где f_n(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;

Ω(t) - угловая скорость вращения гироскопа;

η - эффективность фазового модулятора;

U_П - пиковое значение напряжения компенсирующей пилы;

τ_ст - длительность ступеньки компенсирующей пилы.

Из этого выражения следует, что масштабным коэффициентом ВОГ в этом случае является величина:

Если выбрать τ_ст=τ и обеспечить ηU_П=2π, то выражение для масштабного коэффициента гироскопа приобретает следующий вид:

По порядку величины на стабильность масштабного коэффициента наибольшее влияние оказывает величина ηU_П из-за большой нестабильности эффективности η фазового модулятора. Поэтому с целью стабилизации этой величины, а в конечном счете стабилизации масштабного коэффициента, в схеме обработки информации с замкнутой петлей обратной связи организуется второй контур обратной связи, который позволяет стабилизировать величину U_Пη на уровне 2π при любых изменениях эффективности фазового модулятора η [2]. Это достигается с помощью специальной вспомогательной фазовой модуляции с помощью импульсов напряжения следующих с оптимальной частотой .

Здесь также необходимо отметить еще одно обстоятельство. На стабильность масштабного коэффициента ВОГ серьезное влияние оказывает паразитная модуляция интенсивности лучей кольцевого интерферометра в канальных волноводах интегрально-оптического фазового модулятора [3]. Влияние паразитной модуляции на стабильность масштабного коэффициента можно также снизить за счет выбора глубины вспомогательной модуляции в районе π радиан.

Рассмотренный в [2] способ вспомогательной фазовой модуляции позволяет получить практически любые значения глубины вспомогательной фазовой модуляции, значительно повысив при этом чувствительность ВОГ и стабильность его масштабного коэффициента. Но одним из недостатков известного способа вспомогательной фазовой модуляции является то, что форма сигнала, подаваемого на интегрально-оптический фазовый модулятор, практически совпадает с формой сигнала вращения, детектируемого синхронным детектором, и поэтому из-за перекрестных помех при малых угловых скоростях образуется зона нечувствительности гироскопа [2], что значительно снижает точность волоконно-оптического гироскопа.

Известен способ вспомогательной фазовой модуляции [4]. Вспомогательная фазовая модуляция осуществляется с помощью последовательности ступенчатых импульсов напряжения, подаваемых на интегрально-оптический фазовый модулятор. В результате этого способа вспомогательной фазовой модуляции разность фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов, следующих с периодом Т₀, причем в первую половину периода импульсы представляют собой чередующуюся последовательность импульсов разности фаз с амплитудами +(π+Δ) радиан и -(π-Δ) радиан, а во второй половине периода импульсы представляют собой чередующуюся последовательность импульсов разности фаз с амплитудами -(π+Δ) радиан и +(π-Δ) радиан. При таком способе вспомогательной фазовой модуляции частота детектирования сигнала вращения гироскопа может быть сделана как угодно малой. Основным недостатком известного способа вспомогательной фазовой модуляции [4] является то, что последовательность ступенчатых импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции не содержит прямой информации о величине напряжения, которое будучи поданным на интегрально-оптический фазовый модулятор давало бы сдвиг разности фаз 2π радиан. В силу этого обстоятельства электронная схема второго контура обратной связи, которая необходима для стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, значительно усложняется.

Целью настоящего изобретения является повышение точности волоконно-оптического гироскопа.

Указанная цель достигается тем, что величину Δ выбирают из условия Δ=[(N-m)/N]·π радиан, где N,m - целые положительные числа, причем N всегда больше m, при этом после достижения уровня напряжения, вносящего разность фаз, равную mπ радиан, осуществляют сбросы напряжения до уровня первой ступеньки импульса напряжения импульсной последовательности напряжения вспомогательной фазовой модуляции, причем сбросы напряжения осуществляют каждый раз при достижении уровня напряжения, вносящего разность фаз mπ радиан, при этом количество сбросов равно целому числу К, а количество ступенек напряжения при каждом сбросе определяют из соотношения n=(N-1)[(π-Δ)/(π+Δ)], причем n - целое положительное число, n всегда меньше N, после чего последний сброс напряжения осуществляют до начального напряжения всей импульсной последовательности напряжения вспомогательной фазовой модуляции с помощью ступенчатой импульсной последовательности напряжения, содержащей p ступенек напряжения, вносящих разность фаз (π-Δ) радиан, и λ ступенек, вносящих разность фаз (π+Δ) радиан, при этом справедливо соотношение p=(λ+1)[(π-Δ)/(π+Δ)], где p и λ - целые положительные числа, а информацию об угловой скорости снимают на частоте F_мод=1/[(K+1)(N+n)-K+p+λ]·1/2τ.

Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет повышения стабильности масштабного коэффициента из-за обеспечения равенства U_nη=2π радиан, где U_п - пиковое значение компенсирующей ступенчатой фазовой пилы, a η - эффективность интегрально-оптического фазового модулятора. В условиях изменения величин η или U_п необходимое значение U_пη=2π радиан содержит последовательность ступенчатых импульсов напряжения, использующуюся для осуществления вспомогательной фазовой модуляции по предлагаемому способу.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.2 приведены последовательность ступенчатых импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции и соответствующий ей закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра гироскопа. На Фиг.3 показан принцип формирования сигнала вращения гироскопа и сигнала рассогласования для управления по второму контуру обратной связи. Волоконно-оптический гироскоп (Фиг.1) состоит из оптического блока и электронной схемы обработки информации. Оптический блок содержит источник излучения 1, фотоприемник 2, волоконный разветвитель 3, интегрально-оптическую схему 4 и волоконную чувствительную катушку 5. Интегрально-оптическая схема содержит Y-разветвитель оптической мощности 6 и три металлических электрода 7, два из которых соединены проводником 8. Канальные волноводы Y-разветвителя формируются в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, что позволяет получить поляризующие свойства в канальных волноводах Y-разветвителя. При подаче на металлические электроды электрического напряжения, за счет линейного электрооптического эффекта в ниобате лития возникает эффект модуляции оптического пути лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими канальных волноводов в области расположения электродов. Луч света от источника проходит волоконный разветвитель и поступает на вход Y-разветвителя интегрально-оптической схемы и делится им на два луча одинаковой интенсивности. Затем эти два луча проходят в двух взаимно-противоположных направлениях световод чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа, после чего объединяются в один луч Y-разветвителем, который затем, пройдя волоконный разветвитель, попадает на фотоприемник. В результате на фотоприемнике наблюдается интерференционная картина лучей, прошедших чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно противоположных направлениях. Мощность лучей в этом случае можно представить в виде:

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей;

Ф_s - разность фаз Саньяка.

Электронный блок обработки информации содержит два предварительных усилителя 9, 10, два синхронных детектора 11, 12, генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции 13, генератор ступенчатого пилообразного напряжения 14, которое используется для компенсации разности фаз Саньяка, и два блока управления 15, 16 амплитудами напряжения вспомогательной фазовой модуляции и ступенчатого пилообразного компенсирующего напряжения соответственно. Генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции формирует последовательность ступенчатых пилообразных импульсов 17 (Фиг.2) с периодом следования Т₀, причем последовательность ступенчатых импульсов в первый полупериод практически зеркально, с небольшим временным сдвигом, отображается во второй полупериод . Ступенчатые импульсы 17 (Фиг.2) имеют по переднему фронту N ступенек, причем (π-Δ)N=mπ радиан, где N, m - любые целые положительные числа и N всегда больше m, откуда следует, что Δ=[(N-n)/N]π радиан. Достигнув уровня напряжения, при подаче которого фазовым модулятором вносится разность фаз оптических лучей, прошедших световод чувствительной катушки гироскопа в двух взаимно противоположных направлениях, равная mπ радиан, напряжение начинает изменяться также по ступенчатому закону. По заднему фронту импульс напряжения имеет n ступенек, причем общая величина изменения разности фаз лучей составляет величину n(π+Δ) радиан, которая в свою очередь равна величине (N-1)(π-Δ) радиан. Отсюда следует условие, по которому определяется ряд целых положительных чисел, которые может принимать n. Таким образом, n=(N-1)·[(π-Δ)(π-Δ)/(π+Δ)].

Далее напряжение вновь нарастает и содержит (N-1) ступенек, каждая из которых вносит разность фаз (π-Δ) радиан, после достижения уровня напряжения, соответствующего разности фаз между лучами mπ радиан, снова происходит сброс напряжения с помощью n ступенек до уровня напряжения, вносящего разность фаз (π-Δ) радиан. Количество сбросов напряжения равно целому числу К.

После того как произошло К сбросов напряжения напряжение достигает нулевого уровня с помощью λ ступенек, вносящих разность фаз +(π-Δ) радиан, и p ступенек, вносящих разность фаз - (π+Δ) радиан, при этом должно быть справедливо соотношение (λ+1)(π-Δ)=p(π+Δ), откуда следует, что p=(λ+1)·[(π-Δ)/(π+Δ)], причем λ, p - целые положительные числа. Разность фаз между лучами кольцевого интерферометра в этом случае описывается кривой 18 (Фиг.2). Эта кривая разности фаз соответствует следующим параметрам импульсной последовательности напряжения: N=4, n=1, m=2, K=1, р=2, λ=1, при этом Δ=π/2 радиан. На Фиг.3 показан сигнал 19 вращения гироскопа и сигнал рассогласования 20 при изменении либо эффективности фазового модулятора, либо при изменении пикового значения импульсной последовательности напряжения фазовой модуляции, подаваемой на фазовый модулятор. Из чертежа видно, что частота сигнала вращения гироскопа в этом случае будет равна величине:

F_мод=1/[(K+1)(N+n)-K+p+λ]·1/2τ.

При изменении эффективности фазового модулятора или при изменении пикового значения напряжения импульсной последовательности напряжения вспомогательной фазовой модуляции на фотоприемнике кольцевого интерферометра гироскопа образуется сигнал рассогласования 20, который показывает, что при подаче на фазовый модулятор пикового значения напряжения вспомогательной фазовой модуляции разность фаз, вносимая модулятором, не равна, например, (m=2) 2π радиан и поэтому произошло изменение величины масштабного коэффициента гироскопа. Поэтому по второму контуру обратной связи в электронном блоке обработки информации пиковое значение напряжения вспомогательной фазовой модуляции изменяется таким образом, чтобы сигнал рассогласования стал равным нулю и в этом случае при подаче на фазовый модулятор напряжения, равного пиковому напряжению вспомогательной фазовой модуляции, фазовый модулятор вносит разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, равную 2π радиан. Поэтому при установке пикового напряжения компенсирующей разность фаз Саньяка ступенчатого напряжения, равного пиковому напряжению вспомогательной фазовой модуляции, автоматически происходит стабилизация величины масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа в случае изменения эффективности фазового модулятора, например из-за изменения температуры окружающей среды.

Литература

[1] G.A.Sunders at all "Fiber optic gyros for space, marine and aviation applications" SPIE v.2837, 1996, pp 61-71.

[2] G.A.Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v.2837, 1996, pp 46-60.

[3] A.M.Курбатов. "Способ стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа." Патент Р.Ф. №2160885, заявка №99122943, приоритет от 02.11.1999 г.

[4] A.M.Курбатов. "Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа." Патент Р.Ф. №2130587, заявка №96108070, приоритет от 18.04.1996 г.

[5] A.M.Курбатов и др. "Способ фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа." Патент Р.Ф. №2194245, заявка №2000128311, приоритет от 14.11.2000 г.

[6] A.M.Курбатов. "Способ компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа." Патент Р.Ф. №2146807, заявка №98103976, приоритет от 02.03 1998 г.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет повышения стабильности масштабного коэффициента путем обеспечения равенства радиан, где U_п - пиковое значение компенсирующей ступенчатой фазовой пилы, a η - эффективность интегрально-оптического фазового модулятора. 3 ил.

Способ вспомогательной фазовой модуляции для стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в формировании разности фаз лучей кольцевого интерферометра с помощью последовательности пилообразных ступенчатых импульсов напряжения, подаваемых на фазовый модулятор, которые обеспечивают разность фаз лучей в виде последовательности прямоугольных импульсов с периодом Т₀ и длительностью каждого импульса разности фаз, кратной времени τ=Ln₀/c, 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 последовательность величин +(π+Δ) радиан и -(π-Δ) радиан, во второй полупериод представляет собой последовательность величин -(π+Δ) радиан и +(π-Δ) радиан, отличающийся тем, что величину Δ выбирают из условия Δ=[(N-m)/N]·π радиан, где N, m - целые положительные числа, причем N всегда больше m, при этом после достижения уровня напряжения, вносящего разность фаз, равную mπ радиан, осуществляют сбросы напряжения до уровня первой ступеньки импульса напряжения импульсной последовательности напряжения вспомогательной фазовой модуляции, причем сбросы напряжения осуществляют каждый раз при достижении уровня напряжения, вносящего разность фаз mπ радиан, при этом количество сбросов равно целому числу К, а количество ступенек напряжения при каждом сбросе определяют из соотношения n=(N-1)[(π-Δ)/(π+Δ)], причем n - целое положительное число, n всегда меньше N, после чего последний сброс напряжения осуществляют до начального напряжения всей импульсной последовательности напряжения вспомогательной фазовой модуляции с помощью ступенчатой импульсной последовательности напряжения, содержащей р ступенек напряжения, вносящих разность фаз (π-Δ) радиан, и λ ступенек, вносящих разность фаз (π+Δ) радиан, при этом справедливо соотношение р=(λ+1)[(π-Δ)/(π+Δ)], где р и λ - целые положительные числа, а информацию об угловой скорости снимают на частоте F_мод=1/[(К+1)(N+n)-К+р+λ]·1/2τ.