СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ЗОНЫ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ГИРОСКОПЕ Российский патент 2012 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 на основе одномодовых световодов.

Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе оптоволоконный кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Оптоволоконный интерферометр содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности излучения, интегрально-оптическую схему (далее по тексту - ИОС), многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. ИОС содержит в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. 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 взаимнопротивоположных 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:

I_Ф=1/2P₀(1+cosϕ_S)

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.

Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание составляет величину:

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения, следующих с частотой 1/2τ, на выходе синхронного детектора наблюдается сигнал вида:

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

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

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

Известно, что основными составляющими шума ВОГ, определяющими его чувствительность, являются следующие:

- дробовой шум фотоприемника;

- тепловые шумы предварительного усилителя фотоприемника;

- шумы интенсивности источника оптического излучения.

Чувствительность ВОГ 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 ВОГ 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 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 кольцевого интерферометра чувствительность ВОГ определяется в основном уровнем шума источника излучения, который может быть значительно снижен при приближении 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 [1]:

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:

МК=4πRL/(λ_c×ηU_пτ_ст)

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

МК=2R/λn₀

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 и 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 [1]. Это достигается с помощью специальной вспомогательной фазовой модуляции с помощью импульсов с разными амплитудами напряжения и следующих с частотой . Период напряжения вспомогательной фазовой модуляции равен периоду компенсирующей разность фаз Саньяка фазовой пилы, причем часть этого периода осуществляется вспомогательная фазовая модуляция с амплитудой +/-(π-Δ) радиан, а во время другой части периода фазовой пилы осуществляется вспомогательная фазовая модуляция с амплитудой +/-(π+Δ) радиан, причем Δ может принимать дискретный ряд значений, а именно Δ=π/2ⁿ радиан, где n=1, 2, 3, …

Известен способ формирования пилообразного ступенчатого напряжения для компенсации разности фаз Саньяка со сбросом напряжения, при котором вносится разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, равная 2π радиан [2]. С этой целью формируется ступенчатое пилообразное напряжение, имеющее попеременно чередующиеся нарастающие и убывающие фронты, то есть формируется треугольная ступенчатая пила с амплитудой, при которой фаза каждого из лучей кольцевого интерферометра изменяется на π радиан. Для получения классического ступенчатого пилообразного напряжения [1] для компенсации разности фаз Саньяка, имеющего одинаковый наклон, необходимо изменить полярность подключения электродов фазового модулятора к электрическим клеммам устройства, которое формирует треугольное ступенчатое пилообразное напряжение. В данном случае используется эффект инверсии фазовых сдвигов в канальных волноводах модулятора за счет изменения направления электрического поля в канальных волноводах, которое вызывается изменением полярности подключения электродов модулятора.

На стабильность масштабного коэффициента ВОГ негативное влияние оказывает также и паразитная модуляция интенсивности лучей кольцевого интерферометра в канальных волноводах ИО [3]. Влияние паразитной модуляции на стабильность масштабного коэффициента можно снизить за счет выбора глубины вспомогательной модуляции в районе π радиан. Амплитуда вспомогательной фазовой модуляции вблизи значений π радиан снижает постоянный уровень засветки фотоприемника, через величину которой амплитудная модуляция оказывает свое негативное действие на стабильность масштабного коэффициента ВОГ. Чем меньше уровень постоянной засветки фотоприемника, тем меньше влияние паразитной модуляции лучей на стабильность масштабного коэффициента.

Рассмотренный в [1] способ вспомогательной фазовой модуляции позволяет получать практически любые значения глубины модуляции из приведенного выше дискретного ряда, 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 фазовые модуляторы ИОС, практически совпадает с формой сигнала вращения, детектируемого синхронным детектором, и поэтому из-за перекрестных помех при малых угловых скоростях образуется зона нечувствительности гироскопа [1]. При данном способе вспомогательной фазовой модуляции зона нечувствительности гироскопа может возникать также и из-за наличия переходных процессов при ступенчатом изменении напряжения на электродах фазового модулятора из-за наличия емкости этих электродов. Переходные процессы при детектировании сигнала дают паразитное смещение выходной характеристики гироскопа. При хаотичном изменении параметров импульсного напряжения вспомогательной фазовой модуляции во времени, что имеет место в рассмотренном в [1] способе фазовой модуляции, возникает зона нечувствительности гироскопа. Третьим механизмом возникновения зоны нечувствительности может быть существование паразитного интерферометра Майкельсона из-за обратных отражений в канальных волноводах ИОС. В случае известного способа вспомогательной фазовой модуляции сигнал паразитного интерферометра Майкельсона промодулирован на частоте детектирования полезного сигнала вращения гироскопа, что и приводит к возникновению зоны нечувствительности из-за нестабильности разности фаз лучей паразитного интерферометра.

Известен способ вспомогательной фазовой модуляции [4]. Вспомогательная фазовая модуляция осуществляется с помощью последовательности ступенчатых импульсов напряжения, подаваемых на фазовые модуляторы ИОС. 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 последовательность импульсов разности фаз с амплитудами +(π-Δ) радиан и -(π+Δ) радиан либо с амплитудами -(π-Δ) радиан и +(π+Δ) радиан, а во второй половине периода импульсы представляют собой последовательность импульсов разности фаз с амплитудами +(π-Δ) радиан и -(π+Δ) радиан, либо с амплитудами -(π-Δ) радиан и +(π+Δ) радиан, причем Δ может принимать значения Δ={(N-n)/(N+n)}π радиан, где числа N и n не равны друг другу, но при этом каждое из которых может принимать любые целочисленные значения. При таком способе вспомогательной фазовой модуляции зона нечувствительности из-за перекрестных помех и из-за наличия паразитного интерферометра Майкельсона практически не возникает. Основным недостатком известного способа вспомогательной фазовой модуляции является то, что при формировании компенсирующей разность фаз Саньяка ступенчатой фазовой пилы с амплитудой 2π радиан формируемый сигнал вспомогательной фазовой модуляции может значительно видоизменяться во времени, то есть изменяется его фаза. Например, при использовании амплитуды вспомогательной фазовой модуляции π/2 радиан, напряжение вспомогательной фазовой модуляции в этой ситуации может иметь четыре случайных состояния фазы. Это приводит к возникновению зоны нечувствительности из-за быстро меняющегося во времени смещения нуля гироскопа, обусловленного переходными процессами в фазовых модуляторах ИОС.

Целью настоящего изобретения является устранение зоны нечувствительности ВОГ.

Указанная цель достигается тем, что:

1. Для компенсации разности фаз Саньяка формируют ступенчатое напряжение пилообразной формы с фронтами одинакового наклона, при подаче которого на электроды фазового модулятора максимальное изменение разности фаз лучей кольцевого интерферометра составляет величину ψ_п=2π/2ⁿ радиан, при этом формируют стабильную во времени вспомогательную фазовую модуляцию с амплитудами в первый полупериод сигнала вращения гироскопа +/-(π-Δ) радиан и -/+(π+Δ) радиан, а во второй полупериод сигнала вращения соответственно с амплитудами -/+(π-Δ) радиан и +/-(π+Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ радиан, а детектирование сигнала вращения гироскопа в течение отрезка времени, начинающегося в момент сброса ступенчатого напряжения, и длительностью не меньше времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки, осуществляют во время отрицательной его полуволны.

2. Способ обработки сигнала по п.1, отличающийся тем, что для компенсации разности фаз Саньяка формируют ступенчатое напряжение пилообразной формы, имеющее попеременно чередующиеся нарастающие и убывающие фронты, при подаче которого на электроды фазового модулятора максимальное изменение фазы каждого из лучей кольцевого интерферометра составляет величину ψ_п=π/2ⁿ радиан, при этом детектирование сигнала вращения гироскопа во время его отрицательной полуволны осуществляют в течение отрезка времени длительностью не менее времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки с началом этого отрезка в момент времени смены полярности подключения электродов модулятора.

Устранение зоны нечувствительности ВОГ достигается за счет обеспечения стабильности во времени параметров напряжения вспомогательной фазовой модуляции, подаваемого на электроды фазового модулятора ИОС гироскопа.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема ВОГ, в которой предусмотрена возможность смены полярности подключения электродов фазового модулятора ИОС. На фиг.2 показан вид напряжения вспомогательной фазовой модуляции и напряжения для компенсации разности фаз Саньяка. На фиг.3 показан известный способ вспомогательной фазовой модуляции. На фиг.4 графически показано формирование паразитных оптических импульсов на фотоприемнике при сбросе напряжения компенсирующей пилы. На фиг.5 показан принцип формирования вспомогательной фазовой модуляции для устранения паразитных оптических импульсов на фотоприемнике при сбросе напряжения компенсирующей пилы. На фиг.6 показан принцип формирования сигнала вращения гироскопа. На фиг.7 показан принцип формирования сигнала рассогласования при изменении эффективности фазового модулятора. На фиг.8. показан принцип формирования сигнала вращения гироскопа с переменным периодом. На фиг.9 показан принцип формирования сигнала вращения гироскопа с преобразованием его положительной полуволны в отрицательную полуволну. На фиг.10 показано формирование компенсирующей разность фаз Саньяка пилы для устранения паразитных оптических импульсов на фотоприемнике с помощью смены полярности подключения электродов модулятора.

ВОГ состоит (фиг.1) из волоконного кольцевого интерферометра и электронного блока обработки информации. Волоконный кольцевой интерферометр состоит из источника оптического излучения 1, оптического циркулятора излучения 2, интегрально-оптической схемы (ИОС) 3, волоконной чувствительной катушки 4 и фотоприемника 5. ИОС в своем составе содержит Y-разветвитель оптического излучения и фазовый модулятор. Канальные волноводы Y-разветвителя сформированы по протонно-обменной технологии и в силу этого являются поляризующими. Электронный блок обработки информации содержит предварительный усилитель фотоприемника 6, синхронный детектор 7, генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции 8, генератор ступенчатого пилообразного напряжения 9, блок управления частотой ступенчатого пилообразного напряжения 10, интерфейс выходного сигнала гироскопа 11, а также устройство 12 для смены полярности подключения электродов 13, 14 фазового модулятора ИОС к клеммам 15, 16, на которые поступает напряжение вспомогательной фазовой модуляции и ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка. Устройство смены полярности подключения электродов фазового модулятора ИОС может представлять собой быстродействующий электронный ключ. При смене полярности подключения электродов происходит изменение направления электрического поля в канальных волноводах и, как следствие, оптический луч испытывает фазовый сдвиг противоположного знака, несмотря на то, что знак напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, не изменяется. За счет этого эффекта возможно преобразование напряжения ступенчатого пилообразного напряжения, имеющего чередующиеся возрастающие и убывающие фронты в фазовую пилу, имеющую уже только убывающие либо возрастающие фронты [2].

Оптический луч с выхода источника оптического излучения поступает на вход оптического циркулятора. С выхода циркулятора излучение поступает на вход ИОС, затем оптический луч Y-делителем делится на два луча одинаковой интенсивности, которые затем поступают на входные концы световода чувствительной катушки и проходят его в двух взаимнопротивоположных направлениях. После прохождения чувствительной катушки эти два луча объединяются Y-делителем ИОС и через оптический циркулятор попадают на площадку фотоприемника, где и образуют интерференционную картину.

На фиг.2 показан вид напряжения вспомогательной фазовой модуляции 17 и пилообразного ступенчатого напряжения 18, использующегося для компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре ВОГ [1]. Как уже отмечалось, зона нечувствительности может возникать из-за паразитных наводок напряжения вспомогательной фазовой модуля на синхронный детектор, так как форма сигнала вспомогательной фазовой модуляции совпадает с формой полезного сигнала вращения гироскопа, выделяемого синхронным детектором. Зона нечувствительности также может возникать и из-за наличия паразитного интерферометра Майкельсона, который может присутствовать в ИОС из-за наличия обратных отражений. Полный период Т_п напряжения вспомогательной фазовой модуляции определяется периодом напряжения, с помощью которого компенсируется разность фаз Саньяка, то есть периодом пилообразного ступенчатого напряжения. В условиях изменения угловой скорости период Т_п также изменяется, что может приводить к наличию у гироскопа зоны нечувствительности.

Для устранения влияния указанных выше факторов на образование зоны нечувствительности используется напряжение вспомогательной фазовой модуляции, рассмотренное в [4]. На фиг.3 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции 19, которое представляет собой последовательность пилообразных ступенчатых импульсов с величиной ступеньки напряжения, вносящей между лучами кольцевого интерферометра разность фаз +/-π/2 радиан и +/-3π/2 радиан. Разность фаз между лучами изменяется по закону согласно 20. Здесь Т₀ - период детектирования полезного сигнала вращения гироскопа. В течение первого полупериода Т₀/2 разность фаз лучей принимает значения -(π-Δ) радиан и +(π+Δ) радиан, где Δ может определяться как Δ=(N-n/N+n) π радиан, причем N,n не равны нулю и не равные друг другу целые числа. N, n - это количество ступенек по фронтам каждого пилообразного ступенчатого импульса вспомогательной фазовой модуляции. А во вторую часть полупериода Т₀/2 разность фаз лучей принимает значения +(π-Δ) радиан и -(π+Δ) радиан. При такой форме сигнала вспомогательной фазовой модуляции зона нечувствительности из-за наводок на синхронный детектор, так как детектирование сигнала наводки от напряжения фазовой модуляции на периоде сигнала вращения гироскопа Т₀, дает нулевое значение. Сигнал паразитного интерферометра Майкельсона оказывается промодулированным таким образом, что его детектирование по периоду сигнала вращения гироскопа не приводит к хаотичному смещению выходной характеристики гироскопа и, как следствие этого, зона нечувствительности у гироскопа отсутствует. Но в случае, когда необходимо формировать компенсирующую разность фаз Саньяка фазовую пилу с амплитудой сброса заднего фронта 2π радиан, сигнал вспомогательной фазовой модуляции может значительно видоизменяться во времени, то есть может изменяться фаза напряжения вспомогательной фазовой модуляции. При величине Δ=π/2 радиан напряжение вспомогательной фазовой модуляции может иметь четыре состояния фазы. Известно, что из-за конечной емкости электродов фазового модулятора ИОС эти четыре состояния фазы дают разные значения смещения нулевого сигнала гироскопа, что также приводит к образованию зоны нечувствительности. Для того чтобы избежать зоны нечувствительности необходимо использовать однофазное состояние напряжения вспомогательной фазовой модуляции, но при этом амплитуда напряжения сброса заднего фронта компенсирующей разность фаз Саньяка пилы не должна превышать величины (U_2π-U_м), где U_2π - величина напряжения на фазовом модуляторе, при котором фаза лучей изменяется на 2π радиан, а U_м - диапазон изменения напряжения вспомогательной фазовой модуляции. Таким образом, при обеспечении стабильных во времени параметров вспомогательной фазовой модуляции с амплитудой модуляции π/2 радиан, величина сброса заднего фронта фазовой пилы, компенсирующей разность фаз Саньяка, должна быть не более π/2 радиан. Но при сбросе заднего фронта компенсирующей разность фаз Саньяка с амплитудой π/2 радиан на фотоприемнике формируются паразитные оптические импульсы, которые дестабилизируют работу электронной схемы обработки информации. На фиг.4 показан процесс формирования паразитных оптических импульсов на фотоприемнике при сбросе заднего фронта компенсирующей фазовой пилы 21 с амплитудой π/2 радиан. Кривая 22 описывает закон изменения разности фаз лучей, обусловленной напряжением пилообразного напряжения на фазовом модуляторе. Здесь φ_к - разность фаз лучей, обусловленной разностью напряжений в соседних ступеньках. При амплитуде фазовой модуляции, равной π/2 радиан интенсивность оптического излучения 23 в моменты сброса напряжения случайным образом изменяется от нуля и до максимального своего значения, определяемого суммарной оптической мощностью интерферирующих на фотоприемнике лучей. Выбросы интенсивности на фотоприемнике до нулевого и до максимального значений в моменты сброса напряжения пилы определяются детектированием сигнала вращения либо в отрицательную, либо в положительную полуволны сигнала вращения гироскопа. Подобным образом паразитные импульсы образуются и при использовании амплитуд вспомогательной фазовой модуляции больше π/2 радиан, которые необходимы для снижения шумов гироскопа и повышения стабильности его масштабного коэффициента.

При работе схемы в режиме компенсации разности фаз Саньяка уровень постоянной засветки фотоприемника выражается следующим образом:

где P₀ - мощность источника излучения с учетом потерь в кольцевом интерферометре гироскопа, то есть суммарная мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей;

- амплитуда вспомогательной фазовой модуляции;

φ - сумма разности фаз Саньяка и разности фаз, вносимой компенсирующей пилой.

В режиме компенсации величина φ=0 и, следовательно, засветка фотоприемника будет равна величине:

В режиме сброса напряжения компенсирующей пилы:

где ψ_п - разность фаз лучей при сбросе заднего фронта пилы в течение времени пробега светового луча по световоду чувствительной катушки гироскопа. Здесь предполагается, что работа происходит при малых угловых скоростях, при которых может существовать зона нечувствительности и поэтому разностью фаз, возникающей за счет эффекта Саньяка, при дальнейших расчетах можно пренебречь. Для отсутствия скачка интенсивности излучения на фотоприемнике в момент сброса заднего фронта компенсирующей пилы можно записать следующее уравнение:

Отсюда следует

Из этого уравнения следует условие, при котором изменения интенсивности излучения на фотоприемнике при сбросе заднего фронта пилы не происходит

Из этого уравнения, в свою очередь, следует, что одним из условий устранения образования паразитных импульсов на фотоприемнике является справедливость следующего соотношения для амплитуды компенсирующей пилы:

В таблице приведены значения амплитуды компенсирующей пилы при различных амплитудах вспомогательной фазовой модуляции для устранения образования паразитных оптических импульсов на фотоприемнике.

№ п/п (радиан) ψ_п (радиан) 1. π/2 π 2. 3π/4 π/2 3. 7π/8 π/4 4. 15π/16 π/8

Другим условием устранения влияния на смещение нуля ВОГ сброса напряжения компенсирующей пилы заключается в том, чтобы отрезок времени длительностью не менее времени пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки, начало которого определяется моментом сброса напряжения пилы, попадал в момент детектирования сигнала вращения гироскопа во время отрицательной его полуволны.

Как следует из уравнения для амплитуды компенсирующей пилы для выполнения условия отсутствия паразитных оптических импульсов на фотоприемнике, диапазон изменения напряжения вспомогательной фазовой модуляции ψ_м должен составлять величину:

ψ_м=2π-2Δ

На фиг.5 показан принцип формирования вспомогательной фазовой модуляции, удовлетворяющей этому условию. Напряжение 24 содержит две ступеньки, вносящие разность фаз 2(π-Δ) радиан, которые и определяют диапазон изменения напряжения вспомогательной фазовой модуляции. Величина Δ может принимать следующие значения:

Δ=π/2ⁿ

где n=1, 2, 3, 4 ….

На фиг.5 также показан закон изменения разности фаз 25 лучей кольцевого интерферометра, который задается напряжением вспомогательной фазовой модуляции. В течение первого полупериода сигнала фазовой модуляции Т₀/2 фазовая модуляция осуществляется с амплитудами -(π-Δ) радиан и +(π+Δ) радиан, а во второй полупериод Т₀/2 с амплитудами +(π-Δ) радиан и -(π+Δ) радиан. Период Т₀ определяет период детектирования сигнала вращения гироскопа и в зависимости от знака угловой скорости фаза этого сигнала изменяется на π радиан.

На фиг.6 показан принцип формирования сигнала вращения гироскопа. Зависимость интенсивности оптического излучения двух интерферирующих лучей на фотоприемнике определяется функцией косинуса 26 в зависимости от разности фаз этих лучей. В результате на фотоприемнике при наличии угловой скорости вращения формируется переменный сигнал 27, амплитуда и фаза которого определяются величиной угловой скорости и направлением вращения соответственно. На фиг.7 показан принцип формирования сигнала рассогласования 28 в зависимости от изменения эффективности фазового модулятора. Сигнал рассогласования используется для управления вторым контуром обратной связи, предназначенного для стабилизации масштабного коэффициента гироскопа.

На фиг.8 показан принцип формирования сигнала вращения с переменным периодом. Такой сигнал может быть использован для получения отрицательной полуволны сигнала вращения в момент сброса напряжения компенсирующей разность фаз Саньяка пилы. Напряжение вспомогательной фазовой модуляции 24 содержит по переднему и заднему фронту каждого импульса две одинаковые ступеньки с суммарной величиной напряжения, с помощью которого вносится изменение фаз лучей (2π-2Δ) радиан. Длительность каждой ступеньки напряжения равна τ, где τ - время пробега лучей по световоду чувствительной катушки. Закон изменения разности фаз лучей задается кривой 25, а вид сигнала вращения имеет вид 27. Длительность периода сигнала вращения равна 6τ. Для изменения длительности периода формируется напряжение вспомогательной фазовой модуляции 29, которое содержит дополнительный импульс 30 длительностью τ и с амплитудой напряжения, которое изменяет фазу каждого из интерферирующих лучей на (π+Δ) радиан. Закон изменения разности фаз лучей в этом случае задается кривой 31, а сигнал вращения может быть представлен в виде импульсной последовательности 32. Как видно из диаграммы, период сигнала вращения изменился, и его длительность стала 8τ. Для еще большего увеличения длительности периода может быть сформировано напряжение вида 33, которое содержит дополнительный импульс 34. Длительность этого импульса равна 3τ и соответственно его можно представить в виде трех импульсов с длительностью каждого равной τ и с амплитудами напряжения первого и третьего импульса, с помощью которого фаза лучей изменяется на (π+Δ) радиан. Второй импульс имеет амплитуду напряжения, с помощью которого фаза лучей изменяется на 2Δ радиан. Закон изменения разности фаз в этом случае задается кривой 35, а сигнал вращения имеет вид 36 и имеет длительность периода 10τ. Таким образом, с помощью дополнительных импульсов может быть изменен период сигнала вращения гироскопа, и это может быть использовано для получения отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа в момент сброса напряжения компенсирующей разность фаз Саньяка пилы.

Другим способом получения отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа в момент сброса пилы является фактическая замена положительной полуволны сигнала вращения гироскопа на отрицательную также с помощью изменения параметров напряжения вспомогательной фазовой модуляции. На фиг.9 графически представлен принцип получения сигнала вращения гироскопа с преобразованием положительной его полуволны в отрицательную полуволну. Напряжение вспомогательной фазовой модуляции имеет вид 37. Закон изменения разности фаз описывается кривой 38, а сигнал вращения имеет вид 39. Длительность периода сигнала вращения составляет 4τ. Предположим, что положительная полуволна сигнала вращения 40 попадает на момент сброса напряжения компенсирующей разность фаз Саньяка пилы. Для его преобразования в отрицательную полуволну может быть использовано напряжение вспомогательной фазовой модуляции вида 41. В этом случае разность фаз лучей задается кривой 42, а сигнал вращения имеет вид 43. На временной диаграмме видно, что на месте положительной полуволны 44 сигнала вращения образуется его отрицательная полуволна. Здесь необходимо отметить, что изменение стабильности во времени параметров фазовой модуляции является кратковременным и при малых угловых скоростях это не может приводить к образованию зоны нечувствительности гироскопа.

Как следует из таблицы, для стабильной во времени вспомогательной фазовой модуляции +/-π/2 и +/-3π/2 радиан для предотвращения образования паразитных оптических импульсов на фотоприемнике значение амплитуды напряжения компенсирующей разность фаз Саньяка пилы должно вносить разность фаз при сбросе π радиан. Но для удовлетворения условия формирования стабильных во времени параметров вспомогательной фазовой модуляции максимально возможное значение амплитуды пилы может обеспечить сброс только на π/2 радиан. В данной ситуации формируется ступенчатое пилообразное напряжение 45 (фиг.10), имеющее попеременно чередующиеся нарастающие и убывающие фронты. Эти треугольные пилообразные ступенчатые импульсы напряжения в общем виде должны иметь амплитуду, с помощью которой каждый из интерферирующих лучей испытывает фазовый сдвиг ψ_п=π/2ⁿ радиан. При n=1 мы имеем случай фазовой модуляции лучей с амплитудой +/-π/2 и +/-3π/2 радиан, так как Δ=π/2 радиан и амплитуда треугольной пилы будет равна также π/2 радиан. Далее в моменты времени, отмеченные на фиг.10 вертикальными пунктирными линиями, осуществляют смену полярности подключения электродов фазового модулятора к клеммам электронного устройства, которое формирует как напряжение вспомогательной фазовой модуляции, так и напряжение треугольной ступенчатой пилы. Если проводить переключение электродов каждый раз, когда напряжение треугольной пилы достигает своего максимального и минимального значений, то эта треугольная пила превращается в обычную компенсирующую разность фаз Саньяка ступенчатую пилу 46, имеющую только возрастающие или только убывающие фронты, но с амплитудой сброса напряжения ψ_п=2π/2ⁿ радиан (здесь φ_к - это компенсирующая разность фаз Саньяка разность фаз, которая определяется разностью напряжений в соседних ступеньках компенсирующей пилы). Если осуществлять детектирование сигнала вращения гироскопа во время его отрицательной полуволны в момент смены полярности подключения электродов модулятора, то паразитных оптических импульсов на фотоприемнике не возникает. При использовании операции смены подключения полярности электродов диапазон изменения напряжения, в котором возможно формирование стабильного во времени напряжения вспомогательной фазой модуляции, может быть выражен следующим образом:

U_м=U_2π-U_п

где U_п - амплитуда напряжения треугольной ступенчатой пилы.

Использование операции смены подключения полярности электродов фазового модулятора позволяет исключить появление паразитных оптических импульсов на фотоприемнике для стабильной во времени фазовой модуляции в диапазоне с амплитудами +/-(π-Δ) радиан и +/-(π+Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ радиан.

Литература

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

2. A.M.Курбатов. "Способ компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа." Патент РФ №2146807, заявка №98103976, приоритет от 02.03.1998 г.

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

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

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов. Устранение зоны нечувствительности ВОГ достигается за счет обеспечения стабильности во времени параметров напряжения вспомогательной фазовой модуляции, подаваемого на электроды фазового модулятора интегрально-оптической схемы кольцевого интерферометра ВОГ. 10 ил., 1 табл.

Способ устранения зоны нечувствительности волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в осуществлении с помощью фазового модулятора интерферометра вспомогательной фазовой модуляции лучей, распространяющихся в двух взаимно противоположных направлениях с амплитудами ±(π+Δ) радиан и ±(π-Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ, n=1, 2, 3 …, а также компенсации разности фаз Саньяка между лучами с помощью ступенчатого пилообразного напряжения с длительностью каждой ступеньки, равной времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки интерферометра, и имеющего либо только фронты одинакового наклона с периодическим сбросом напряжения на первоначальный уровень, либо попеременно нарастающие и убывающие фронты, но при этом изменяют полярность подключения электродов интегрально-оптического фазового модулятора в моменты времени начала или конца ступенек максимального и минимального значений напряжения ступенчатой пилы, отличающийся тем, что формируют стабильную во времени вспомогательную фазовую модуляцию с амплитудами в первый полупериод сигнала вращения гироскопа +/-(π-Δ) радиан и -/+(π+Δ) радиан, а во второй полупериод сигнала вращения соответственно с амплитудами -/+(π-Δ) радиан и +/-(π+Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ радиан, а для компенсации разности фаз Саньяка формируют ступенчатое напряжение пилообразной формы с фронтами одинакового наклона, при подаче которого на электроды фазового модулятора максимальное изменение разности фаз лучей кольцевого интерферометра составляет величину ψ_п=2π/2ⁿ радиан, при этом детектирование сигнала вращения гироскопа в течение отрезка времени, начинающегося в момент сброса ступенчатого напряжения и длительностью не меньше времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки, осуществляют во время отрицательной его полуволны или для компенсации разности фаз Саньяка формируют ступенчатое напряжение пилообразной формы, имеющее попеременно чередующиеся нарастающие и убывающие фронты, при подаче которого на электроды фазового модулятора максимальное изменение фазы каждого из лучей кольцевого интерферометра составляет величину ψ_п=π/2ⁿ радиан, при этом детектирование сигнала вращения гироскопа во время отрицательной его полуволны осуществляют в течение отрезка времени длительностью не менее времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки с началом этого отрезка в момент времени смены полярности подключения электродов модулятора.