СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ЗОНЫ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ГИРОСКОПЕ Российский патент 2013 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 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:

I_Ф=1/2P₀(1+cosϕ_S)

где Р₀ - 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 входе 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 по уровню оптических шумов определяется 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_сm - длительность ступеньки компенсирующей пилы.

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

МК=4πRL/(λc×ηU_Пτ_ст)

Если выбрать τ_cm=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 f=1/2τ.

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 ИОС [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 устранения зоны нечувствительности с помощью формирования стабильного во времени напряжения 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=2π/2ⁿ радиан. Недостатком описанного в [4] способа обработки сигнала гироскопа является то, что при сбросе напряжения компенсирующей ступенчатой пилы, имеющей фронты одинакового наклона или при переключении полярности электродов фазового модулятора в случае использования для компенсации разности фаз Саньяка пилообразного напряжения с чередующимися фронтами, в отрицательный полупериод сигнала вращения гироскопа паразитных импульсов на фотоприемнике не возникает только при положительной угловой скорости. Но при измерении отрицательной угловой скорости возникают ошибки из-за образования паразитных оптических импульсов на фотоприемнике.

Целью настоящего изобретения является устранение зоны нечувствительности ВОГ при положительной и отрицательной угловой скорости.

Указанная цель достигается тем, что компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют с помощью пилообразного ступенчатого напряжения, имеющего фронты одинакового наклона и амплитуду, вносящую разность фаз Ψ_п=2π/2ⁿ радиан, причем сброс максимального значения пилообразного напряжения осуществляют во время отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа при положительной угловой скорости вращения гироскопа и во время положительной его полуволны при отрицательной угловой скорости вращения гироскопа или при компенсации разности фаз Саньяка с помощью ступенчатого напряжения пилообразной формы, имеющего попеременно чередующиеся нарастающие и убывающие фронты с амплитудой, вносящей разность фаз Ψ_п=π/2ⁿ радиан, смену полярности подключения электродов осуществляют во время отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа при положительной угловой скорости вращения гироскопа и во время положительной его полуволны при отрицательной угловой скорости вращения гироскопа.

Способ отличается тем, что 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-1/2ⁿ) радиан, при этом сброс максимального значения ступенчатого пилообразного напряжения осуществляют во время положительной полуволны сигнала вращения гироскопа при положительной угловой скорости вращения и во время его отрицательной полуволны при отрицательной угловой скорости вращения гироскопа 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-1/2ⁿ) радиан, при этом переключение электродов фазового модулятора осуществляют во время положительной полуволны сигнала вращения гироскопа при положительной угловой скорости и во время отрицательной его полуволны при отрицательной угловой скорости вращения гироскопа.

Устранение зоны нечувствительности ВОГ при положительной и отрицательной угловой скорости вращения волоконно-оптического гироскопа достигается за счет обеспечения стабильности во времени параметров напряжения вспомогательной фазовой модуляции, подаваемого на электроды фазового модулятора ИОС гироскопа и синхронизированного во времени сброса максимального напряжения компенсирующего разность фаз Саньяка ступенчатого пилообразного напряжения с полупериодами синхронного детектирования (демодуляции) сигнала вращения гироскопа.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема ВОГ, в которой предусмотрена возможность смены полярности подключения электродов фазового модулятора. На фиг.2 показан вид напряжения вспомогательной фазовой модуляции и напряжения для компенсации разности фаз Саньяка. На фиг.3 показаны виды напряжения вспомогательной фазовой модуляции и соответствующая напряжению 23 разность фаз лучей кольцевого интерферометра гироскопа. На фиг.4 - принцип формирования сигнала вращения гироскопа. На фиг.5 показан принцип формирования сигнала рассогласования гироскопа. На фиг.6 показано формирование паразитных оптических импульсов на фотоприемнике при сбросе напряжения компенсирующей пилы. На фиг.7 показано формирование компенсирующей разность фаз Саньяка пилы для устранения паразитных оптических импульсов на фотоприемнике с помощью смены полярности подключения электродов модулятора для амплитуды сброса пилы Ψ_п=2π-2ⁿ радиан. На фиг.8 показано формирование компенсирующей разность фаз Саньяка пилы для устранения паразитных оптических импульсов на фотоприемнике с помощью смены полярности подключения электродов модулятора для амплитуды сброса пилы Ψ_п=2π(2ⁿ-1/2ⁿ) радиан. На фиг.9 показано формирование компенсирующего пилообразного ступенчатого напряжения со сбросом в отрицательный период сигнала вращения. На фиг.10 показано формирование напряжения компенсирующей ступенчатой пилы с моментом переключения электродов в отрицательный полупериод сигнала вращения. На фиг.11 показана выходная характеристика волоконно-оптического гироскопа с известным способом обработки информации. На фиг.12 показана выходная характеристика волоконно-оптического гироскопа по предлагаемому способу обработки информации.

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 (демодулятор), 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 первом положении ключа соединяются, например, клеммы 13, 15 и 14, 16, а при втором положении ключа соединяются клеммы 13, 16 и 14, 15. 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 взаимно противоположных 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 модуляции на демодулятор, так как форма сигнала вспомогательной фазовой модуляции совпадает с формой полезного сигнала вращения гироскопа, выделяемого демодулятором. 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 [5]. На фиг.3 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции 19, 20, 21, 22, 23, которое представляет собой последовательность пилообразных ступенчатых импульсов с величиной ступеньки напряжения, вносящей между лучами кольцевого интерферометра разность фаз +/-(π-Δ) радиан и +/-(π+Δ) радиан. Разность фаз между лучами при использовании, например, напряжения вспомогательной фазовой модуляции 23 изменяется по закону согласно 24. Длительность каждой ступеньки напряжения фазовой модуляции равна времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки τ. На фиг.4 показан принцип формирования сигнала вращения гироскопа. При изменении разности фаз лучей кольцевого интерферометра по закону 24 в силу того, что интенсивность на фотоприемнике в зависимости от разности фаз лучей изменяется по закону косинуса 25, то в этом случае на фотоприемнике образуется электрический сигнал вида 26. В данном случае этот сигнал представляет собой последовательность импульсов, следующих с частотой f=1/8τ. Согласно данному представлению сигнал вращения гироскопа при использовании напряжения 19 имеет частоту следования импульсов f=1/14τ, при использовании напряжения 20 f=1/10τ, при использовании напряжения 21 f=1/6τ, при использовании напряжения 22 частота сигнала вращения составляет 1/8τ. С помощью напряжения, формируемого по принципу, показанному на фиг.3, возможно формирование сигнала вращения гироскопа с частотой следования импульсов 1/2(n+2)τ, где n=1, 2, 3, … . На фиг.5 показан принцип формирования сигнала рассогласования 27 при напряжении фазовой модуляции 27, который используется для стабилизации масштабного коэффициента гироскопа.

Для устранения зоны нечувствительности параметры напряжения вспомогательной фазовой модуляции должны быть стабильны во времени, поэтому при изменении напряжения, которое используется для формирования напряжения как фазовой модуляции, так и напряжения ступенчатого пилообразного напряжении и вносящего в общей сложности изменение фазы лучей кольцевого интерферометра в пределах 2π радиан, амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения 28 (фиг.6), компенсирующего разность фаз Саньяка в кольцевом интерферометре, например, при Δ=π/2 радиан может составлять только π/2 радиан. В этом случае при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения в течение времени τ образуется разность фаз лучей кольцевого интерферометра 29, при этом на фотоприемнике образуются паразитные импульсы 30, которые могут дестабилизировать при недостаточной ширине полосы пропускания электронного тракта работу электронной схемы в течение длительного времени и приводят к потере информации об угловой скорости вращения гироскопа, по крайней мере, в течение времени τ. Таким образом, для того чтобы обеспечить временную стабильность напряжения вспомогательной фазовой модуляции необходимо устранить паразитные оптические импульсы на фотоприемнике при сбросе максимального напряжения компенсирующей фазовой пилы.

При работе схемы в режиме компенсации разности фаз Саньяка уровень постоянной засветки фотоприемника выражается следующим образом [4]:

Р_ф=½Р₀{1+cos⊄_mcosφ±sin⊄_msinφ}

где Р₀ - мощность источника излучения с учетом потерь в кольцевом интерферометре гироскопа, то есть суммарная мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей;

⊄_m=+/-(π-Δ) радиан, либо -/+(π+Δ) радиан в первый полупериод сигнала вращения гироскопа и ⊄_m=-/+(π-Δ) радиан, либо +/-(π+Δ) радиан во второй полупериод сигнала вращения гироскопа;

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

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

Р_ф=½Р₀{1+cos⊄_m}

В режиме сброса напряжения компенсирующей пилы:

Р_ф=½Р₀{1+cos⊄_mcosΨ_п±sin⊄_msinΨ_n}

где Ψ_п - разность фаз лучей при сбросе максимального напряжения компенсирующей фазовой 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 максимального напряжения компенсирующей пилы можно записать следующее уравнение:

{1+cos⊄_m}-{1+cos⊄_mcosΔΨ_п±sin⊄_msinΔΨ_п}=0

Отсюда справедливо соотношение:

cos⊄_m(1-cosΨ_п)=-sin⊄_msinΨ_п

Из этого уравнения следуют два условия, при которых изменения интенсивности излучения на фотоприемнике при сбросе максимальной амплитуды пилообразного напряжения не происходит.

Ψ_п ¹={2π-2⊄_m}=2Δ

Ψ_п ²=2⊄_m=2π-2Δ

В таблице 1 приведены значения максимальной амплитуды напряжения компенсирующей пилы при различных амплитудах вспомогательной фазовой модуляции для устранения образования паразитных оптических импульсов на фотоприемнике.

Таблица 1 № п/п ⊄_m (радиан) Ψ_п ¹=2π/2ⁿ (2радиан) Ψ_п ²=2π[(2ⁿ-1)/2ⁿ] (радиан) 1. π/2 π π 2. 3π/4 π/2 3/2π 3. 7π/8 π/4 7/4π 4. 15π/16 π/8 15/8π

При сбросе амплитуды Ψ_п ¹ напряжения компенсирующей пилы необходимо учитывать, что паразитных импульсов на фотоприемнике не образуется, если сброс происходит, как это следует из основного уравнения для интенсивности излучения на фотоприемнике, во время отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа при измерении положительной угловой скорости и во время положительной полуволны сигнала вращения гироскопа при измерении отрицательной угловой скорости.

При сбросе амплитуды Ψ_п ² напряжения компенсирующей пилы необходимо также учитывать, что паразитных импульсов на фотоприемнике не образуется, если сброс происходит во время положительной полуволны сигнала вращения гироскопа при измерении положительной угловой скорости и во время отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа при измерении отрицательной угловой скорости.

Исходя из уравнения для амплитуды компенсирующей фазовой пилы для выполнения условия отсутствия паразитных оптических импульсов на фотоприемнике, диапазон изменения разности фаз, вносимой ступенчатым пилообразным напряжением, подаваемого на фазовый модулятор, должно удовлетворять условию:

Ψ_м ¹=2π-2Δ

Из этого условия следует, что амплитуда ступенчатой фазовой пилы должна быть равна π радиан при амплитуде фазовой модуляции, равной π/2 и 3/2π радиан, но это невозможно осуществить, так как оставшийся диапазон от занимаемого диапазона фазовой модуляции составляет величину π/2 радиан. Из создавшейся ситуации можно найти выход с помощью ступенчатой фазовой пилы, имеющей попеременно чередующиеся нарастающие и убывающие фронты 31 (фиг.7). При смене полярности электродов фазового модулятора в моменты времени, отмеченные на фиг.7 вертикальными пунктирными линиями 32, ступенчатое пилообразной напряжение с амплитудой π/2ⁿ (то есть при Δ=π/2 радиан равной π/2 радиан) становится эквивалентным ступенчатому пилообразному напряжению 33 только, например, с нарастающими фронтами, но уже с амплитудой 2π/2ⁿ радиан (при n=1 амплитуда равна π радиан), или ступенчатому пилообразному напряжению 34 с убывающими фронтами и с той же самой амплитудой. Здесь необходимо отметить, что при использовании ступенчатого пилообразного напряжения треугольной формы, для устранения паразитных импульсов на фотоприемнике необходимо переключение полярности электродов в моменты максимального значения его амплитуды производить в моменты отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа при измерении положительной угловой скорости и при измерении отрицательной угловой скорости переключение полярности электродов в моменты максимального значения его амплитуды производить в моменты положительной полуволны сигнала вращения гироскопа. При параметрах фазовой модуляции Δ=π/2 радиан моменты сброса максимального значения амплитуды ступенчатой фазовой пилы и моменты смены полярности электродов при максимальной амплитуде треугольной ступенчатой пилы возможно производить в любой момент времени. Как следует из приведенного выше уравнения, другой ряд значений амплитуды компенсирующей разность фаз Саньяка ступенчатой фазовой пилы может быть выражен следующим образом:

Ψ_п ²=2π[(2ⁿ-1)/2ⁿ]

На фиг.8 показано ступенчатое пилообразное напряжение треугольной формы 35 с максимальной амплитудой напряжения, при подаче которого на фазовый модулятор вносится изменение фазы лучей кольцевого интерферометра, равное Ψ_п ²=2π[(2ⁿ-1)/2ⁿ]. Значение разности фаз φ_к лучей кольцевого интерферометра по модулю равно разности фаз Саньяка. При смене полярности электродов в моменты времени, указанные вертикальными пунктирными линиями, ступенчатое напряжение фактически преобразуется в напряжение 36 только с нарастающими фронтами для компенсации разности фаз Саньяка при положительной угловой скорости или в напряжение 37 только с убывающими фронтами для компенсации разности фаз Саньяка при отрицательной угловой скорости. В таблице 2 приведены данные суммарного изменения разности фаз лучей при компенсации разности фаз Саньяка с помощью пилообразного ступенчатого напряжения, имеющего только возрастающие или только убывающие фронты с максимальной амплитудой Ψ_п ²=2π[(2ⁿ-1)/2ⁿ] радиан и суммарного изменения разности фаз лучей при компенсации разности фаз Саньяка с помощью треугольного ступенчатого напряжения, но с амплитудой Ψ_п ²=2π[(2ⁿ-1)/2ⁿ] радиан.

Таблица 2 Амплитуда фазовой модуляции, ⊄_m, радиан Амплитуда пилы, Ψ_п ²=2π[(2ⁿ-1)/2ⁿ] радиан. Суммарный диапазон изменения разности фаз, радиан Амплитуда пилы, Ψ_п ²=2π[(2ⁿ-1)/2ⁿ] радиан, (треугольная
пила) Суммарный диапазон изменения разности фаз, радиан, (треугольная пила) ±π/2; ±3π/2 π 2,5π π/2 2π ±3π/4; ±5π/4 1,5π 2,75π 3π/4 2π ±7π/8; ±9π/8 7π/4 2,875π 7π/8 2π

Из таблицы 2 следует, что с помощью треугольной ступенчатой пилы удается обеспечить суммарное изменение разности фаз лучей кольцевого интерферометра в диапазоне 2π радиан, обеспечив при этом стабильность временных параметров напряжения вспомогательной фазовой модуляции.

На фиг.9 показан вид ступенчатого пилообразного напряжения 38 для компенсации разности фаз Саньяка со сбросом максимального напряжения в отрицательный полупериод сигнала вращения 39. На фиг.10 показан вид пилообразного ступенчатого напряжения треугольной формы 40 с инверсией напряжения в момент смены полярности электродов фазового модулятора при достижении максимальной своей амплитуды в отрицательный полупериод сигнала вращения гироскопа. Момент сброса максимального напряжения ступенчатой пилы в отрицательный или в положительный полупериод сигнала вращения гироскопа можно подбирать и путем изменения периода сигнала вращения гироскопа, изменяя в нужный момент параметры напряжения вспомогательной фазовой модуляции, как это показано на фиг.3.

На фиг.11 представлена выходная характеристика волоконно-оптического гироскопа 41, использующего электронную обработку информации, описанную в [1]. Для уменьшения зоны нечувствительности здесь также использовалась дополнительная электронная модуляция, описанная в той же самой работе. На фиг.12 представлена выходная характеристика гироскопа 42 с использованием метода электронной обработки информации с кольцевого интерферометра, описанного в настоящей заявке. Для фазовой модуляции использовалось напряжение со стабильными временными параметрами вида 21 (фиг.3) с амплитудой фазовой модуляции ±3π/4, ±5π/4 радиан, а для компенсации разности фаз Саньяка использовалась ступенчатое пилообразное напряжение с одинаковым наклоном фронтов и амплитудой напряжения, которое с помощью фазового модулятора изменяло фазу лучей кольцевого интерферометра на π/2 радиан, при этом дополнительная электронная модуляция не использовалась. Наличие зоны нечувствительности дополнительно фиксировалось и с помощью измерений спектральной плотности шума гироскопа при угловой скорости, равной нулю, и в ее окрестности. Во всех измерениях спектральная плотность шума гироскопа оставалась неизменной.

Источники информации

[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 устранения зоны нечувствительности в волоконно-оптическом гироскопе". Заявка №2009138391/28(054354) от 16.10.2009 г.

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

[6] A.M.Курбатов "Способ обработки информации волоконно-оптического гироскопа" Патент РФ №2160886. Приоритет от 02.11.1999 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 достигается за счет обеспечения стабильности во времени параметров напряжения вспомогательной фазовой модуляции и за счет синхронизации времени сброса максимального значения напряжения, компенсирующего разность фаз Саньяка ступенчатого пилообразного напряжения с полупериодами демодуляции сигнала вращения гироскопа. 12 ил.

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, с изменением полярности подключения электродов интегрально-оптического фазового модулятора в моменты времени начала или конца ступенек максимального и минимального значения напряжения ступенчатой пилы, 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-λ) радиан и ±(π+Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ радиан, отличающийся тем, что компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют с помощью пилообразного ступенчатого напряжения, имеющего фронты одинакового наклона и амплитуду, вносящую разность фаз Ψ_п=2π/2ⁿ радиан, причем сброс максимального значения пилообразного напряжения осуществляют во время отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа при положительной угловой скорости вращения гироскопа и во время положительной его полуволны при отрицательной угловой скорости вращения гироскопа или при компенсации разности фаз Саньяка с помощью ступенчатого напряжения пилообразной формы, имеющего попеременно чередующиеся нарастающие и убывающие фронты с амплитудой, вносящей разность фаз Ψ_п=π/2ⁿ радиан, смену полярности подключения электродов осуществляют во время отрицательной полуволны сигнала вращения гироскопа при положительной угловой скорости вращения гироскопа и во время положительной его полуволны при отрицательной угловой скорости вращения гироскопа,
или компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют формированием ступенчатого напряжения 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-1/2ⁿ) радиан, при этом сброс максимального значения ступенчатого пилообразного напряжения осуществляют во время положительной полуволны сигнала вращения гироскопа при положительной угловой скорости вращения и во время его отрицательной полуволны при отрицательной угловой скорости гироскопа,
или компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют формированием ступенчатого напряжения пилообразной формы, имеющего 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=2π(2ⁿ-1/2ⁿ) радиан, при этом переключение электродов фазового модулятора осуществляют во время положительной полуволны сигнала вращения гироскопа при положительной угловой скорости и во время отрицательной его полуволны при отрицательной угловой скорости вращения гироскопа.