СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА С ЗАКРЫТЫМ КОНТУРОМ Российский патент 2014 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 волоконный кольцевой интерферометр (ВКИ) и электронный блок обработки информации. ВКИ 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 ВКИ 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 мощность оптического излучения можно представить в виде:

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

I_ф=Р₀η_ф[1+cosϕ_m·cosϕ_s±sinϕ_m·sinϕ_s],

где 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 мощности оптических лучей на фотоприемника приобретает следующий вид:

I_ф=Р₀η_ф{1+cosϕ_m·cos[ϕ_s-φ _К]±sinϕ_m·sin[ϕ_s-ϕ_к]}

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

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

I_ф=Р₀η_ф{1+cosϕ_m±sinϕ_m·sin[ϕ_s-φ_к]}

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]:

$$f_n\left(t\right)=\frac{4\pi RL}{\lambda c}\cdot \frac{1}{\eta U_{П}{\tau }_{cm}}\Omega \left(t\right),$$

где f_n(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;

Ω(t) - угловая скорость вращения гироскопа;

η - эффективность фазового модулятора;

U_П - амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения;

τ_cm - длительность ступеньки пилообразного напряжения.

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 по измерению угловой скорости проводят регулировку амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения с целью стабилизации величины U_Пη на уровне 2π радиан при любых изменениях эффективности фазового модулятора η [1]. При сбросе пилообразного ступенчатого напряжения со своего максимального значения до минимального при невыполнении условия U_пη=2π радиан, на фотоприемнике образуется на время τ паразитный оптический импульс, который дестабилизирует работу электронной схемы. С помощью электронной схемы этот импульс выделяется и затем путем изменения амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения устраняется.

Недостатком известного способа поддержки сброса максимального значения пилообразного напряжения до своего минимального значения с обеспечением разности фаз лучей, равной U_пη=2π радиан, что является условием стабилизации масштабного коэффициента ВОГ, является то, что моменты времени появления паразитных импульсов на фотоприемнике зависят от угловой скорости. При малых угловых скоростях время развертки пилообразного ступенчатого напряжения достаточно большое. Таким образом, временной отрезок между появлениями паразитных импульсов является также достаточно большим и поэтому это может привести к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ на длительное время.

Целью настоящего изобретения является повышение точности ВОГ.

Указанная цель достигается тем, что для регулирования разности фаз между лучами кольцевого интерферометра при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения формируют на фотоприемнике сигнал рассогласования с помощью вспомогательной фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра, разность фаз которых представляет собой периодическую импульсную последовательность с амплитудами ±[π±Δ] радиан, причем Δ=π/2ⁿ, где n=1, 2, 3…, при этом разность фаз лучей кольцевого интерферометра при сбросе максимального значения пилообразного ступенчатого напряжения до своего минимального значения обеспечивают с помощью второго контура обратной связи, в состав которого входят дополнительный демодулятор сигнала рассогласования и регулятор амплитуды импульсов вспомогательной фазовой модуляции, с помощью которого обеспечивают отсутствие сигнала рассогласования на выходе дополнительного демодулятора, причем амплитуду ступенчатого пилообразного напряжения определяют по величине напряжения вспомогательной фазовой модуляции при отсутствии сигнала рассогласования на выходе дополнительного демодулятора путем ее масштабирования.

Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается путем повышения стабильности масштабного коэффициента. Стабильность масштабного коэффициента достигается за счет организации второго контура обратной связи, который повышает быстродействие регулирования для достижения его стабильности при воздействии на волоконно-оптический гироскоп внешних дестабилизирующих факторов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа с закрытым контуром. На Фиг.2 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа с контуром обратной связи для стабилизации амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. На Фиг.3 приведены напряжение вспомогательной фазовой модуляции и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования волоконно-оптического гироскопа.

Излучение от источника 1 (Фиг.1) [1] поступает на первый вход волоконного делителя излучения 2. С выхода делителя излучение поступает на вход интегрально-оптической схемы (ИОС) 3. ИОС содержит в своем составе Y-делитель излучения, который сформирован в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, и два фазовых модулятора, которые сформированы на выходных плечах Y-делителя излучения. Канальные волноводы Y-делителя являются поляризующими, и поэтому ИОС является многофункциональным элементом, который содержит в своем составе Y-делитель, поляризатор и два фазовых модулятора. Y-делитель делит оптический луч, поступающий на вход ИОС, на два луча одинаковой интенсивности, которые проходят световод чувствительной катушки 4 в двух взаимно противоположных направлениях. Затем, пройдя чувствительную катушку, лучи снова поступают на Y-делитель и объединяются им. Объединенный луч проходит волоконный делитель и со второго его входа поступает на площадку фотоприемника 5, где и образует интерференционную картину. Ток фотоприемника усиливается усилителем 6, напряжение после которого затем поступает на вход синхронного детектора (демодулятора) 7. Для увеличения чувствительности волоконно-оптического гироскопа используется вспомогательная фазовая модуляция, напряжение которой формируется генератором 8. Напряжение вспомогательной фазовой модуляции через сумматор 9 подается на фазовые модуляторы ИОС и на опорное плечо демодулятора. Выход демодулятора соединен с входом регулятора 10, который регулирует величину ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения, формируемого генератором 11. Пилообразное ступенчатое напряжение с выхода генератора через сумматор подается также на электроды фазовых модуляторов ИОС. Регулятор автоматически изменяет величину ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения таким образом, чтобы на выходе демодулятора сигнал вращения был равен нулю. Это происходит тогда, когда разность фаз между лучами ВКИ, возникающая за счет эффекта Саньяка (сигнал вращения), компенсируется разностью фаз между лучами, которая возникает при подаче на фазовые модуляторы ИОС пилообразного ступенчатого напряжения. С помощью этого закрытого контура обратной связи осуществляется измерение угловой скорости вращения гироскопа, таким образом, величина ступеньки пилообразного напряжения является выходной информацией волоконно-оптического гироскопа. Далее, как отмечалось выше, для стабилизации масштабного коэффициента необходимо, чтобы при сбросе максимального значения пилообразного напряжения до своего минимального значения (амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения) разность фаз между лучами ВКИ была равна U_пη=2π радиан. Если это условие не выполняется, то на выходе синхронного детектора формируется импульс напряжения, который выделяется с помощью устройства 12 и который затем поступает на вход регулятора 13. С помощью регулятора изменяется амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения таким образом, чтобы на выходе синхронного детектора импульса напряжения при сбросе пилообразного ступенчатого напряжения не наблюдалось. При малых угловых скоростях развертка пилообразного ступенчатого напряжения высокоточного ВОГ до своего максимального значения происходит достаточно длительное время и поэтому информация о точности поддержания амплитуды пилообразного напряжения поступает также недостаточно быстро, что может привести к ошибкам измерения угловой скорости.

На Фиг.2 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа со вторым контуром обратной связи для стабилизации амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. Сигнал с выхода фотоприемника усиливается усилителем тока фотоприемника, напряжение с выхода которого поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 14 (АЦП), далее сигнал одновременно поступает на входы двух демодуляторов 15, 16 цифровой платы обработки информации. Цифровая плата обработки информации строится либо на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), либо на базе микропроцессора. Сигнал с первого демодулятора сигнала вращения поступает на вход регулятора 17, а сигнал со второго демодулятора сигнала рассогласования поступает на второй регулятор 18. Первый регулятор изменяет величину ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения, формируемого генератором 19, а второй регулятор изменяет амплитуду напряжения вспомогательной фазовой модуляции, формируемого генератором 20. Далее с помощью устройства 21 производится масштабирование амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения по напряжению фазовой модуляции для обеспечения стабильности масштабного коэффициента ВОГ. Пилообразное ступенчатое напряжение и напряжение вспомогательной фазовой модуляции через сумматор 22, цифроаналоговый преобразователь 23 (ЦАП) и операционный усилитель 24 подается на электроды фазовых модуляторов ИОС для осуществления модуляции лучей ВКИ и компенсации между лучами ВКИ разности фаз Саньяка.

На Фиг.3 в качестве примера показаны один из возможных вариантов напряжения вспомогательной фазовой модуляции 25 и закон изменения разности фаз 26 лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Закон изменения разности фаз лучей ВКИ представляет собой импульсную последовательность с амплитудами ±(π-Δ) и ±(π+Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ, а n=1, 2, 3…. На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. При наличии угловой скорости вращения кривая разности фаз в зависимости от знака угловой скорости смещается относительно кривой косинуса 27 вправо или влево (один из двух возможных вариантов смещения показан пунктирными линиями) и в результате на фотоприемнике формируется сигнал вращения 28. Амплитуда сигнала вращения пропорциональна величине угловой скорости, а при изменении знака угловой скорости фаза сигнала вращения изменяется на 180 градусов. Сигнал вращения с выхода усилителя тока фотоприемника через АЦП поступает на вход первого демодулятора (Фиг.2), на выходе которого выделяется сигнал, пропорциональный его амплитуде. Этот сигнал с помощью первого регулятора изменяет величину ступеньки пилообразного напряжения с целью обнуления сигнала на выходе первого демодулятора. Сигнал на выходе первого демодулятора можно представить в виде:

U_сд=P₀η_фG₀×sinϕ_m·sin[ϕ_s-φ_к],

где G₀ - коэффициент усиления усилителя тока фотоприемника.

Величина ступеньки пилообразного напряжения определяет величину φ_к. Код напряжения ступеньки является выходной информацией об измеряемой угловой скорости.

На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования волоконно-оптического гироскопа. Известно, что наибольший вклад в нестабильность масштабного коэффициента гироскопа вносит нестабильность эффективности фазового модулятора интегрально-оптической схемы [1]. При изменении эффективности фазового модулятора амплитуды импульсов разности фаз синхронно либо уменьшаются, либо увеличиваются в зависимости от знака изменения эффективности (увеличение эффективности приводит к увеличению амплитуды импульсов разности фаз, что и показано пунктирными линиями 29, Фиг.5). В случае, когда последовательность импульсов разности фаз содержит импульсы с амплитудами ±(π-Δ) и ±(π+Δ) радиан, то на кривой косинуса имеются четыре рабочие точки, которые должны располагаться на одной прямой линии. При изменении эффективности фазового модулятора на фотоприемнике формируется сигнал рассогласования 30 из-за разнонаправленного смещения рабочих точек ±(π-Δ) и рабочих точек ±(π+Δ) радиан относительно прямой линии. Таким образом, появление сигнала рассогласования вызывается смещением рабочих точек относительно прямой линии на косинусной прямой. При использовании модуляции, показанной на Фиг.3, частота сигнала вращения составляет величину 1/6τ, где τ - время пробега лучей по световоду чувствительной катушки ВКИ. При длине световода чувствительной катушки порядка 500 м частота сигнала вращения составит 66,6 кГц. Сигнал рассогласования имеет удвоенную частоту по сравнения с сигналом вращения, таким образом, имеет стабильную частоту порядка 132 кГц. Сигнал рассогласования используется для организации второго контура обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента. С этой целью в цифровой части электронной схемы он выделяется с помощью дополнительного демодулятора (второго демодулятора), на выходе которого выделяется амплитуда сигнала рассогласования. Сигнал с выхода второго демодулятора поступает на вход второго регулятора, который изменяет амплитуду фазовой модуляции лучей ВКИ путем изменения амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции. Амплитуда напряжения фазовой модуляции изменяется до тех пор, пока сигнал на выходе второго демодулятора не обратится в ноль, что означает отсутствие сигнала рассогласования. Таким образом, имеется в наличии второй контур обратной связи по стабилизации амплитуды фазовой модуляции. Затем напряжение амплитуды фазовой модуляции соответствующим образом автоматически масштабируется для установления амплитуды развертки ступенчатого пилообразного напряжения, использующегося для компенсации разности фаз Саньяка, до своего максимального значения и при сбросе которого между лучами ВКИ вносится разность фаз, равная 2π радиан. Из вышесказанного следует, что второй закрытый контур обратной связи по устранению сигнала рассогласования является контуром для стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Сигнал рассогласования является достаточно высокочастотным сигналом и независящим от угловой скорости. Поэтому при малых угловых скоростях не возникает проблем с быстродействием подстройки амплитуды пилообразного напряжения и в силу этого значительно снижается ошибка по поддержанию стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа во всем диапазоне измерения угловых скоростей.

Литература

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

2. А.М.Курбатов, Р.А.Курбатов. «Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов». №2, 2012 г. «Гироскопия и навигация».

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других интерферометрических датчиков физических величин с использованием одномодовых световодов. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается путем повышения стабильности масштабного коэффициента. Стабильность масштабного коэффициента достигается за счет организации второго контура обратной связи, который повышает быстродействие регулирования для достижения его стабильности при воздействии на волоконно-оптический гироскоп внешних дестабилизирующих факторов. Техническим результатом является повышение точности волоконно-оптических гироскопов. 5 ил.

Способ повышения точности волоконно-оптического гироскопа с закрытым контуром, содержащего волоконный кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации с входящими в его состав генератором напряжения вспомогательной фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра, демодулятором сигнала вращения, генератором ступенчатого пилообразного напряжения, которое поступает на фазовые модуляторы интегрально-оптической схемы волоконного кольцевого интерферометра для компенсации разности фаз Саньяка и регулятором величины напряжения ступеньки пилообразного напряжения, при этом для стабилизации масштабного коэффициента гироскопа при сбросе максимального значения пилообразного напряжения до его минимального значения обеспечивается разность фаз между лучами интерферометра, равная 2π радиан, отличающийся тем, что для регулирования разности фаз между лучами кольцевого интерферометра при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения формируют на фотоприемнике сигнал рассогласования путем фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра, разность фаз которых формируют периодической импульсной последовательностью с амплитудами ±[π±Δ] радиан, причем Δ=π/2ⁿ, где n=1, 2, 3…, при этом разность фаз лучей кольцевого интерферометра при сбросе максимального значения пилообразного ступенчатого напряжения до своего минимального значения формируют с помощью второго контура обратной связи до нулевого значения сигнала рассогласования на выходе дополнительного демодулятора, причем амплитуду ступенчатого пилообразного напряжения определяют по величине напряжения вспомогательной фазовой модуляции при нулевом значении сигнала рассогласования на выходе дополнительного демодулятора.