УСТРОЙСТВО ТЕСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2013 года по МПК G01C19/72 G01C25/00 

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:

ϕ_S=[4πRL/λc]×Ω,

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=1/2Р₀(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, ток фотоприемника можно представить в виде:

I_ф=Р₀η_ф[1+cosϕ_m·cosϕ_S±sinϕ_m·sinϕ_S]

η_ф - токовая чувствительность фотоприемника;

ϕ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.

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 выражение для тока фотоприемника приобретает следующий вид:

I_ф=Р₀η_ф{1+cosϕ_m·cos[ϕ_S-φ_K]±sinϕ_m·sin[ϕ_S-φ_K]},

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

Учитывая, что в режиме компенсации ϕ_S-φ_K≈0, тогда ток фотоприемника можно представить в виде:

I_ф=Р₀η_ф{1+cosϕ_m±sinϕ_m·sin[ϕ_S-φ_K]}

Точность ВОГ определяется также 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/(λc×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 радиан при любых изменениях эффективности фазового модулятора η [1].

При организации производства волоконно-оптических гироскопов раздельная проверка оптического блока ВОГ и электронного блока ВОГ является очень актуальной. При тестировании характеристик электронного блока необходима оценка его шумовых характеристик, долговременного дрейфа нулевого сигнала, диапазона измерения угловых скоростей, стабильности масштабного коэффициента, линейности выходной характеристики и так далее. Тестирование характеристик электронного блока в составе ВОГ, то есть при использовании оптического блока, имеет целый ряд недостатков. При определении вышеперечисленных характеристик электронного блока оптический блок вносит свои ошибки, и точное определение характеристик самого электронного блока становится затруднительным. Определение целого ряда характеристик электронного блока (диапазон измеряемых угловых скоростей, масштабный коэффициент, определение параметров при воздействии вибрационных нагрузок и т.д.) при использовании оптического блока требует дорогостоящего метрологического оборудования.

Целью настоящего изобретения является создание электронного устройства для тестирования электронного блока без использования оптического блока ВОГ.

Указанная цель достигается тем, что устройство содержит два генератора электрического сигнала, содержащего каждый одинаковые постоянные составляющие сигнала, а также изменяющуюся по амплитуде первую переменную составляющую с первого генератора и также изменяющуюся по амплитуде вторую переменную составляющую со второго генератора, причем постоянная составляющая и амплитуды переменных составляющих имеют общий переменный сомножитель, далее сигналы с выхода генераторов раздельно поступают на один из двух входов первого и второго сумматоров, после чего сигналы с выходов сумматоров поступают на вход третьего сумматора, с выхода которого суммарный электрический сигнал поступает на вход электронного блока волоконно-оптического гироскопа, при этом на вторые входы первого и второго сумматоров поступают переменные сигналы с выхода третьего и четвертого генератора, которые являются противофазными сигналам, поступающим с выхода первого и второго генератора соответственно, причем амплитуда первого противофазного сигнала управляется величиной ступеньки пилообразного напряжения, вырабатываемого в электронном блоке для компенсации разности фаз Саньяка, а амплитуда второго противофазного сигнала управляется амплитудой пилообразного ступенчатого напряжения.

С помощью предлагаемого электронного устройства синтезируется аналог оптического сигнала оптического блока ВОГ со стабильными параметрами, поэтому с помощью этого устройства возможно с высокой степенью точности определение всех основных характеристик электронного блока ВОГ. Кроме этого, при использовании этого устройства значительно сокращается время тестирования электронных блоков при организации производства ВОГ, так как при определении всех необходимых характеристик электронного блока нет необходимости в использовании специального метрологического оборудования, которое должно использоваться при тестировании его с использованием оптического блока ВОГ.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 представлена структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.2 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.3 представлено формирование сигнала рассогласования при изменении масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.4 представлены временные диаграммы сигналов вращения и рассогласования волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.5 показана структура сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.6 показано напряжение, формируемое генератором ступенчатого напряжения (ГСН) в электронном блоке волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.7 представлена структурная схема устройства для тестирования электронного блока волоконно-оптического гироскопа.

На Фиг.1 представлена структурная схема волоконно-оптического гироскопа. ВОГ содержит источник широкополосного излучения 1, волоконный разветвитель 2, интегрально-оптическую схему (ИОС) 3, волоконную чувствительную катушку 4, фотоприемник 5, усилитель тока фотоприемника 6, электронный блок обработки информации ВОГ 7. ИОС содержит в своем составе Y-разветвитель, канальные волноводы которого сформированы по протонно-обменной технологии в подложке из ниобата лития и в силу этого являются поляризующими. Кроме этого, на выходных плечах Y-разветвителя сформировано два фазовых модулятора с помощью нанесения на подложку по обе стороны от канальных волноводов металлических электродов. Электронный блок содержит в своем составе, кроме всего прочего, генератор напряжения фазовой модуляции (ГНФМ) 8 и генератор ступенчатого напряжения (ГСН) 9 пилообразной формы. Сигнал после усилителя тока фотоприемника поступает на вход электронного блока 10.

Генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции формирует напряжение 11 (Фиг.2), при подаче которого на фазовый модулятор ИОС между лучами кольцевого интерферометра ВОГ возникает разность фаз вида 12. Разность фаз принимает четыре значения, а именно ±(π-Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан, Δ может принимать значения Δ=1/2ⁿ, где n=1, 2, 3… При возникновении вращения кольцевого интерферометра фазовая модуляция смещается относительно кривой косинуса 13 вправо или влево в зависимости от знака скорости вращения. В этом случае на фотоприемнике возникает сигнал вращения 14, который содержит постоянную составляющую и переменную составляющую. При изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС амплитуда вспомогательной фазовой модуляции либо увеличивается при увеличении эффективности фазовых модуляторов, либо уменьшается при уменьшении эффективности фазовых модуляторов. В случае увеличения эффективности на фотоприемнике возникает сигнал рассогласования вида 15 (Фиг.3), который имеет постоянную составляющую, равную постоянной составляющей сигнала вращения и переменную составляющую на частоте, в два раза превышающей частоту сигнала вращения. На Фиг.4 представлены сигналы вращения и рассогласования после усилителя тока фотоприемника, которые имеют одинаковую постоянную составляющую U_cp и переменные составляющие с амплитудой сигнала вращения ΔU₁/2 и амплитудой сигнала рассогласования ΔU₂/2. Суммарный сигнал 16 на выходе усилителя фотоприемника представлен на Фиг.5.

На Фиг.6 показано ступенчатое пилообразное напряжение 17, которое формируется в электронном блоке ГСН. Пилообразное ступенчатое напряжение предназначено для компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре ВОГ. Длительность каждой ступеньки напряжения τ равна времени пробега лучей по световоду кольцевого интерферометра и потому такое напряжение при подаче его на фазовый модулятор ИОС вносит постоянный сдвиг разности фаз между лучами интерферометра. Постоянная разность фаз между лучами определяется величиной ступеньки напряжения ΔU_ст 18. Эта вносимая пилообразным ступенчатым напряжением разность фаз и используется для компенсации разности фаз Санька, вызванной вращением кольцевого интерферометра гироскопа. Код напряжения этой ступеньки таким образом является выходной информацией ВОГ. Для того чтобы не было нежелательных выбросов оптической мощности на фотоприемнике пилообразное напряжение периодически сбрасывается с максимального уровня U_п 19 до начального уровня, при этом изменение разности фаз при сбросе должно быть равно 2π радиан. При изменении эффективности фазового модулятора ИОС на фотоприемнике формируется сигнал рассогласования, который фиксирует то, что максимальное значение пилообразного напряжения при подаче на фазовый модулятор вносит между лучами разность фаз, отличную от 2π радиан. Путем изменения U_П обнуляется сигнал рассогласования и в этом случае на фотоприемнике отсутствуют паразитные импульсы тока. В этом собственно и заключается принцип стабилизации масштабного коэффициента гироскопа [1]. Таким образом, первый контур обратной связи регулируется с помощью изменения ΔU_ст, а второй контур обратной связи регулируется изменением U_П.

Для тестирования электронного блока волоконно-оптического гироскопа необходимо синтезировать с помощью электронных устройств электрический сигнал, повторяющий структуру сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника кольцевого интерферометра ВОГ, а также обеспечить управление его параметрами с помощью параметров пилообразного ступенчатого напряжения, которое генерируется ГСН электронного блока гироскопа с целью компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре и стабилизации масштабного коэффициента ВОГ. Устройство также должно обеспечивать с помощью управления величиной ступеньки пилообразного напряжения ГСН ΔU_ст обнуление переменной составляющей сигнала вращения, а также обнуление переменной составляющей сигнала рассогласования с помощью специального устройства, управляемого амплитудой U_П пилообразного ступенчатого напряжения ГСН. На Фиг.7 показана структурная схема устройства для тестирования электронного блока ВОГ. Устройство содержит первый генератор 20 - аналог сигнала вращения гироскопа, содержащего постоянную составляющую сигнала и переменную составляющую на частоте сигнала вращения гироскопа, второй генератор электрического сигнала 21 формирует аналог сигнала рассогласования гироскопа, содержащего постоянную составляющую и переменную составляющую на частоте сигнала рассогласования. Далее сигнал с выхода первого генератора поступает на один из двух входов первого сумматора сигналов 22, а сигнал с выхода второго генератора - на один из двух входов второго сумматора сигналов 23. Далее сигналы с выхода первого и второго сумматоров поступают на входы третьего сумматора 24, на выходе которого в результате присутствует и подается на вход электронного блока обработки информации 25 сигнал, совпадающий по своей структуре с сигналом на выходе усилителя тока фотоприемника кольцевого интерферометра ВОГ. Особенностью этого сигнала является еще и то, что его постоянная составляющая и амплитуды двух его переменных составляющих имеют один и тот же сомножитель, который может изменяться с помощью напряжения опорного источника. В этом случае сигнал можно представить в виде:

U=U₀×[β±α₁±α₂],

где U₀ общий сомножитель;

U₀β=U_cp - постоянная составляющая сигнала;

U₀α₁=ΔU₁/2;

U₀α₂=ΔU₂/2.

Таким образом, при изменении напряжения опорного источника U₀ постоянная составляющая синтезированного сигнала и амплитуды переменных составляющих синхронно изменяются. С помощью этой операции можно определять стабильность смещения нуля электронного блока при изменении интенсивности лучей в кольцевом интерферометре при постоянной угловой скорости и неизменности эффективности фазовых модуляторов ИОС, например, из-за увеличения потерь оптического излучения в оптических компонентах схемы при воздействии изменений температуры. Изменение интенсивности лучей также может происходить из-за вибрационных нагрузок, воздействия радиации, изменения выходной мощности источника излучения и т.д. Амплитуды переменных сигналов α₁ и α₂, помимо этого, должны иметь возможность изменения по величине для имитации угловых скоростей прибора и разных значений изменения эффективности фазовых модуляторов. С помощью этого могут быть измерены такие характеристики электронного блока, как величина зоны нечувствительности, диапазона измеряемых угловых скоростей, линейности выходных характеристик, стабильности масштабного коэффициента, возможного диапазона изменения эффективности фазовых модуляторов ИОС и т.д.

Для обеспечения контроля характеристик электронного блока в режиме замкнутой обратной связи по обнулению сигнала вращения и сигнала рассогласования устройство содержит третий генератор 26 переменного сигнала на частоте сигнала вращения для его компенсации, но сдвинутого по отношению к нему по фазе 180 градусов. Этот сигнал подается на второй вход сумматора 22 и его амплитуда может изменяться с помощью устройства 27. Устройство также содержит для компенсации сигнала рассогласования четвертый генератор 28 противофазного сигнала рассогласования, подаваемого на второй вход второго сумматора. Амплитуда этого сигнала может изменяться с помощью устройства 29. Электронная плата ВОГ содержит узел 30, на выходе которого присутствуют значения напряжений ΔU_ст и U_п для управления амплитудами противофазных сигналов сигналам вращения и рассогласования.

Литература

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

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. С помощью электронного устройства для тестирования электронного блока волоконно-оптического гироскопа, содержащего генератор, формирующий сигнал - аналог сигнала вращения гироскопа, генератор, формирующий сигнал - аналог сигнала рассогласования гироскопа, и три сумматора, синтезируется аналог оптического сигнала и с его помощью с высокой степенью точности определяются основные характеристики электронного блока ВОГ. Изобретение обеспечивает высокую точность определения основных характеристик электронного блока ВОГ без использования оптического блока. 7 ил.

Устройство тестирования электронного блока волоконно-оптического гироскопа, содержащее блок формирования электрического сигнала, в состав которого входит постоянная составляющая электрического сигнала и его переменная часть, состоящая из суммы двух переменных сигналов, а также устройство, компенсирующее переменную составляющую электрического сигнала с помощью изменения напряжений одной ступеньки и полной амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения, формируемого в электронном блоке волоконно-оптического гироскопа, отличающееся тем, что устройство содержит два генератора электрического сигнала, содержащего каждый одинаковые постоянные составляющие сигнала, а также изменяющуюся по амплитуде первую переменную составляющую с первого генератора и также изменяющуюся по амплитуде вторую переменную составляющую со второго генератора, причем постоянная составляющая и амплитуды переменных составляющих имеют общий переменный сомножитель, далее сигналы с выхода генераторов раздельно поступают на один из двух входов первого и второго сумматоров, после чего сигналы с выходов сумматоров поступают на вход третьего сумматора, с выхода которого суммарный электрический сигнал поступает на вход электронного блока волоконно-оптического гироскопа, при этом на вторые входы первого и второго сумматоров поступают переменные сигналы с выхода третьего и четвертого генераторов, которые являются противофазными сигналам, поступающим с выхода первого и второго генераторов соответственно, причем амплитуда первого противофазного сигнала управляется величиной ступеньки пилообразного напряжения, вырабатываемого в электронном блоке для компенсации разности фаз Саньяка, а амплитуда второго противофазного сигнала управляется амплитудой пилообразного ступенчатого напряжения.