Волоконно-оптический гироскоп с большим динамическим диапазоном измерения угловых скоростей Российский патент 2017 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 оптический блок, который представляет собой волоконный кольцевой интерферометр (ВКИ) и электронный блок обработки информации. Оптический блок 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. На выходных канальных волноводах располагается фазовый модулятор оптических лучей, проходящих по канальным волноводам. Фазовый модулятор представляет собой металлические электроды, нанесенные по обе стороны канальных волноводов. При подаче на электроды электрического напряжения за счет электрооптического эффекта в материале канальных волноводов изменяется показатель преломления, что приводит к эффекту фазовой модуляции оптических лучей, распространяющихся по канальным волноводам. К выходным 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_c=[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

,

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 равно времени пробега световых лучей ВКИ по световоду чувствительной катушки и составляет величину

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения, следующих с частотой 1/2τ и вносящими разность фаз между лучами ВКИ в виде импульсной последовательности с амплитудами ±π/2 радиан и ±3π/2 радиан [1, 2], ток фотоприемника можно представить в виде:

,

где η_ф - токовая чувствительность фотоприемника.

Далее сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя тока фотоприемника, на выходе которого присутствует напряжение, пропорциональное величине

,

где R_н - сопротивление нагрузки усилителя тока фотоприемника.

В работе [1] предложен способ линеаризации выходной характеристики ВОГ. На фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) подается ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка. Работа ВОГ подробно описана в [2]. С помощью ступенчатого пилообразного напряжения (СПН), подаваемого на фазовый модулятор, вносится управляемая разность фаз между лучами ВКИ, с помощью которой осуществляется компенсация разности фаз Саньяка. С этой целью организуется первый закрытый контур обратной связи (ВОГ с закрытым контуром обратной связи ОС-1) по обнулению сигнала на выходе синхронного детектора сигнала вращения гироскопа. Сигнал на выходе синхронного детектора автоматически обнуляется за счет подбора величины ступеньки СПН. За счет этого выходная характеристика ВОГ становится линейной. Сигнал на выходе усилителя тока фотоприемника в этом случае можно представить в виде

,

где Ψ_к - регулируемая разность фаз, которая вносится между лучами ВКИ с помощью СПН при подаче его на фазовый модулятор.

Величина разности фаз лучей Ψ_к определяется напряжением одной ступеньки СПН умноженной на эффективность фазового модулятора. Для компенсации разности фаз Саньяка период СПН должен быть бесконечным, что на практике обеспечить невозможно. Для обеспечения конечного периода СПН необходимо производить периодические сбросы СПН, используя свойство периодичности функции синуса. В этой ситуации амплитуда СПН растет во времени до тех пор, пока фаза лучей кольцевого интерферометра с помощью фазового модулятора ИОС не изменится на 2π радиан. В этом случае для разности фаз лучей кольцевого интерферометра должно быть справедливо следующее соотношение:

Δϕ=(2π-ψ_к+Φ_с)=(Φ_с-ψ_к).

Для выполнения приведенных соотношений необходимо, чтобы сброс СПН производится при достижении его амплитуды U_к, при которой выполняется равенство U_к×η=2π радиан, где η - эффективность фазового модулятора ИОС до уровня, когда фаза лучей кольцевого интерферометра изменяется на величину ψ_к. Для частоты СПН в этом случае справедливо следующее соотношение:

где τ_ст - длительность ступеньки СПН; Ω(t) - угловая скорость вращения.

Из приведенного соотношения для частоты СПН следует, что масштабный коэффициент ВОГ зависит от эффективности фазового модулятора, которая имеет большую температурную зависимость. Поэтому при изменении температуры окружающей среды необходимо стабилизировать величину U_к×η на уровне 2π радиан. В дальнейшем эту величину будем называть фазовой амплитудой СПН. Масштабный коэффициент ВОГ стабилизируется за счет регулировки амплитуды СПН. Амплитуда СПН регулируется путем выделения сигнала рассогласования, частота которого равна частоте СПН. Сигнал рассогласования появляется на фотоприемнике при изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС. Во время части периода СПН осуществляется вспомогательная фазовая модуляция (ВФМ) с амплитудами +/- π/2 радиан, а во время остальной части периода СПН с амплитудами -/+ 3π/2 радиан и поэтому суммарный размах амплитуд ВФМ в течение одного периода СПН должен быть равен 2π радиан, то есть должен быть равен фазовой амплитуде СПН. При изменении эффективности фазовых модуляторов фазовая амплитуда СПН становится отличной от 2π радиан и на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования (CP) на частоте СПН, который выделяется вторым детектором. При изменении фазовой амплитуды СПН с помощью регулятора обнуляется CP на выходе второго детектора. Таким образом организовывается второй контур обратной связи (контур ОС-2). В этом случае для частоты СПН справедливо следующее соотношение:

f_n(t)=[2R/λn₀]×Ω(t).

В результате работы контура ОС-2 масштабный коэффициент ВОГ не зависит от изменений эффективности фазовых модуляторов ИОС.

Так как частота CP зависит от частоты СПН (а фактически от угловой скорости), то это создает определенные сложности при работе контура ОС-1. При изменении параметров напряжения ВФМ при малых угловых скоростях наблюдается неустойчивая работа контура ОС-1, следствием чего является образование у ВОГ зоны нечувствительности при измерениях в области малых угловых скоростей. Если определить динамический диапазон измерения угловых скоростей ВОГ как отношение максимальной измеряемой угловой скорости к минимальному ее значению, то наличие зоны нечувствительности приводит к сужению динамического диапазона измерения угловых скоростей гироскопа. Кроме того, при малых угловых скоростях частота CP достаточно невысокая и поэтому быстродействия контура ОС-2 может быть недостаточно для надежной стабилизации масштабного коэффициента ВОГ, что в конечном счете может привести к снижению точности ВОГ при достаточно быстрых изменениях эффективности фазовых модуляторов ИОС.

Известен ВОГ, в котором для стабилизации масштабного коэффициента [3, 4, 5] ВФМ осуществляется с амплитудами ±(π±Δ) радиан, где Δ=π/2ⁿ, где n=1, 2, 3…. Сигнал на фотоприемнике в режиме разомкнутого контура ОС-1 можно представить в виде:

.

Сигнал на фотоприемнике содержит СВ, CP и их постоянную составляющую. СВ выделяется первым детектором и с помощью СПН обнуляется (контур ОС-1). При изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС на фотоприемнике наблюдается СР. CP выделяется с помощью второго детектора и обнуляется путем изменения амплитуд ВФМ (контур ОС-2). CP имеет постоянную, достаточно высокую частоту, которая сравнима с частотой СВ, и поэтому контур ОС-2 имеет высокое быстродействие, которое позволяет с высокой эффективностью добиваться стабилизации масштабного коэффициента ВОГ при измерении малых угловых скоростей.

Для устранения зоны нечувствительности гироскопа при измерении малых угловых скоростей формируется напряжение ВФМ с постоянной во времени фазой, что позволяет обеспечить стабильную во времени разность фаз оптических лучей в кольцевом интерферометре ВОГ. Стабильная во времени разность фаз позволяет, в свою очередь, достигнуть устойчивости работы контура ОС-1 [6] и устранить зону нечувствительности ВОГ. Параметр Δ ВФМ с помощью выбора кодов выходного цифроаналогового преобразователя (ЦАП) подбирается таким образом, чтобы напряжение старшего разряда ЦАП, при подаче которого на фазовый модулятор ИОС фаза лучей кольцевого интерферометра ϕ_л изменялась на π радиан. При таком выборе параметра Δ и при напряжении старшего разряда ЦАП, изменяющим с помощью фазового модулятора фазу ϕ_л оптических лучей на π радиан, стабильную во времени разность фаз оптических лучей и СПН с фазовой амплитудой 2π радиан сформировать невозможно. Поэтому для компенсации разности фаз Саньяка используется СПН с фазовой амплитудой 2Δ радиан, которая также позволяет сохранять неизменной постоянную составляющую сигналов СВ и CP при сбросе СПН, как и СПН с фазовой амплитудой 2π радиан. Но в этом случае сброс СПН необходимо проводить в определенные полупериоды СВ. Предположим что используется для компенсации разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой +2Δ радиан. Для сброса СПН необходимо использовать полупериод СВ, в котором разность фаз лучей, которая формируется напряжением ВФМ, должна иметь значения +(π-Δ) и -π+Δ) и в этом случае постоянная составляющая сигналов СВ и CP остается неизменной при сбросе СПН в любой из этих τ-интервалов СВ (τ - время пробега лучей по световоду чувствительной катушки). Но в момент сброса СПН на каком-то τ-м интервале СВ угловая скорость меняет свой знак. Это приводит к частичной потере информации при измерении угловой скорости при детектировании первым детектором, но при условии, что полупериод СВ имеет более трех τ-интервалов, полной потери информации не происходит. Таким образом, при формировании разности фаз лучей с постоянными во времени параметрами для устранения зоны нечувствительности фазовая амплитуда СПН меньше 2π радиан, что приводит к уменьшению диапазона измерения угловых скоростей ВОГ. В данном случае сужение динамического диапазона измерения угловых скоростей происходит из-за снижения значения максимально измеряемой угловой скорости.

Целью настоящего изобретения является расширение динамического диапазона измерения угловых скоростей волоконно-оптического гироскопа.

Указанная цель достигается тем, что обеспечивают стабильность во времени разности фаз вспомогательной фазовой модуляции между оптическими лучами в кольцевом интерферометре гироскопа путем изменения кодов напряжения вспомогательной фазовой модуляции в цифровом блоке, при этом коды изменяют так чтобы при подаче напряжения старшего разряда цифроаналогового преобразователя на фазовый модулятор интегрально-оптической схемы кольцевого интерферометра изменение фазы лучей ϕ_л удовлетворяла условию ϕ_л≥[(π+Δ)/2+π] радиан, при этом используют ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка с фазовой амплитудой 2π радиан.

Волоконно-оптический гироскоп отличается тем, что для увеличения максимально измеряемой угловой скорости волоконно-оптического гироскопа в алгоритме обработки информации используют счетчик числа переходов при изменении величины разности фаз Саньяка ±πn радиан, где число переходов n=0, 1, 2, 3, … .

Волоконно-оптический гироскоп отличается также тем, что диапазон измерения угловых скоростей разбивают на два поддиапазона, в первом из которых компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют с помощью ступенчатого пилообразного напряжения с фазовой амплитудой 2Δ радиан, а во втором поддиапазоне с помощью пилообразного ступенчатого напряжения с фазовой амплитудой 2π радиан.

Увеличение динамического диапазона измерения угловых скоростей волоконно-оптического гироскопа достигается за счет устранения зоны нечувствительности при компенсации разности фаз Саньяка с помощью СПН с фазовой амплитудой 2π радиан и увеличения максимальной измеряемой угловой скорости путем использования счетчика переходов при компенсации разности фаз Саньяка через каждые π радиан.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с большим диапазоном измерения угловых скоростей. На Фиг. 2 - суммарное напряжение ВФМ и СПН, претерпевающее автоматический сброс в моменты времени, когда оно начинает вносить разность фаз более 2π рад. На Фиг. 3 показаны рабочие точки волоконно-оптического гироскопа с большим диапазоном измерения угловых скоростей. На Фиг. 4 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с высокой чувствительностью. На Фиг. 5 показано формирование сигнала на фотоприемнике волоконно-оптического гироскопа с большой чувствительностью к вращению. На Фиг. 6 показаны рабочие точки волоконно-оптического гироскопа на кривой косинуса в отсутствие работы и при работе второго контура обратной связи (ОС-2).

На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с большим диапазоном измерения угловых скоростей [1, 2]. Излучение от источника 1 поступает на вход волоконного разветвителя излучения 2. Излучение с выхода разветвителя затем поступает на вход интегрально-оптической схемы (ИОС) 3. ИОС содержит в своем составе Y-разветвитель излучения на основе канальных волноводов, сформированных в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет получать волноводы, обладающие поляризующими свойствами. На выходных плечах Y-разветвителя сформирован фазовый модулятор путем нанесения металлических электродов по обе стороны от канальных волноводов. При подаче на электроды электрического напряжения в области канальных волноводов возникает электрическое поле. При наличии напряженности электрического поля в ниобате лития изменяются его электрооптические коэффициенты и фаза оптических лучей, распространяющихся по волноводу также изменяется. Далее входное излучение делится на два луча одинаковой интенсивности, которые, в свою очередь, поступают в световод чувствительной катушки 4 и распространяются по нему в двух взаимно-противоположных направлениях. Таким образом, один луч проходит световод чувствительной катушки по часовой стрелке, а второй луч - против часовой стрелки. В результате между ними возникает разность фаз Саньяка при вращении чувствительной катушки. Далее эти два луча, прошедшие чувствительную катушку, объединяются Y-разветвителем в один луч, который через волоконный разветвитель поступает на фотоприемник 5. На площадке фотоприемника наблюдается интерференционная картина лучей, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно-противоположных направлениях. Сигнал с выхода фотоприемника поступает на вход дифференциального усилителя тока фотоприемника 6. Далее сигнал с выхода усилителя поступает на вход цифроаналогового преобразователя 7, с выхода которого он проступает на вход цифрового блока сервисной электроники 8. Цифровой блок выполняется либо на основе микропроцессора либо на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). В цифровом блоке организованы два контура обратной связи. Первый контур обратной связи (ОС-1) предназначен для линеаризации выходной характеристики ВОГ. Он содержит детектор СВ 9, регулятор (РЕП) 10 величины ступеньки СПН и генератор СПН 11. Второй контур обратной связи содержит детектор CP 12, регулятор 13 (РЕГ2) и генератор кода напряжения ВФМ. Коды с генераторов СПН и напряжения ВФМ поступают на вход сумматора 15, далее объединенный код СПН и напряжения ВФМ поступают на вход ЦАП 16. Напряжение с выхода ЦАП поступает на вход операционного усилителя 17, напряжение с выхода которого поступает на электроды фазового модулятора ИОС. С помощью изменения величины ступеньки СПН код на выходе первого детектора обнуляется и таким образом код ступеньки СПН является мерой угловой скорости. В волоконно-оптическом гироскопе [1, 2] используется ВФМ с амплитудами ±π/2 радиан и ±3/2π радиан. В результате на фотоприемнике сигнал имеет три составляющие: СВ, CP и их постоянную составляющую. Постоянная составляющая сигналов на выходе дифференциального усилителя компенсируется с помощью подачи на его второй вход постоянного напряжения с выхода низкочастотного фильтра 18. В качестве низкочастотного фильтра используется интегратор. Период ВФМ связан с периодом СПН. Часть периода СПН ВФМ осуществляется с амплитудами ±π/2 радиан, а оставшаяся его часть с амплитудами ±3/2π радиан. На Фиг. 2 показано суммарное напряжение ВФМ и СПН, претерпевающее автоматический сброс в моменты времени, когда оно начинает вносить разность фаз более 2π рад 19 [1, 2]. При изменении эффективности фазового модулятора при изменении температуры окружающей среды фазовая амплитуда СПН становится отличной от 2π радиан и масштабный коэффициент ВОГ также изменяется, т.е. он становится зависимым от температуры. При изменении эффективности фазового модулятора на выходе второго детектора появляется CP, период которого равен периоду СПН. Таким образом, период CP является функцией угловой скорости. При появлении CP РЕГ2 изменяет опорный ток ЦАП с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнала) и обнуляет CP на выходе второго детектора и таким образом формируется контур ОС-2, предназначенный для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ. Максимальное значение угловой скорости, которое можно измерить определяется фазовой амплитудой СПН. СПН может содержать для компенсации разности фаз Саньяка не менее двух ступенек, таким образом, максимальная компенсируемая разность фаз Саньяка составляет величину π радиан. Для расширения диапазона измерения угловых скоростей, то есть для компенсации разности фаз Саньяка более чем π радиан, можно воспользоваться периодичностью функции синуса, показанной на Фиг. 3. При достижении разности фаз Саньяка от 0 радиан (в отсутствии вращения, рабочей точкой гироскопа в этом случае является 0) до ±π радиан СВ равен нулю и поэтому при дальнейшем возрастании разности фаз Саньяка рабочая точка с начальной рабочей точки Φ_с=0 радиан по мере увеличения угловой скорости вращения переходит в рабочие точки Φ_с=±nπ радиан 40, где n=1, 2, 3,…, в которых сигнал ВОГ равен нулю без процедуры компенсации разности фаз Саньяка с помощью СПН. В каждой новой рабочей точке направление компенсации разности фаз Саньяка (направление компенсации определяется наклоном фронта СПН, то есть наклон фронта либо возрастающий, либо убывающий) определяется с помощью знака функции синуса при изменении разности фаз Саньяка в ту или другую сторону в окрестности любой из рабочих точек. Таким образом, возможно увеличение максимального значения измеряемой угловой скорости и динамического диапазона измерения в целом путем реализации в алгоритме обработки информации счетчика переходов изменения разности фаз Саньяка через каждые ±π радиан. В этом случае максимальное измеряемое значение диапазона измерения угловых скоростей будет определяться длиной когерентности оптического излучения источника. В предложенном способе обработки информации [1, 2] параметры разности фаз ВФМ обладают нестабильными параметрами во времени и поэтому ВОГ имеет зону нечувствительности в районе нулевых угловых скоростей. Наличие зоны нечувствительности сужает динамический диапазон измерения угловых скоростей.

На Фиг. 4 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с высокой чувствительностью к вращению. В гироскопе используется ВФМ с амплитудами ±[π±Δ] радиан и второй контур обратной связи ОС-2, который включает в свой состав второй детектор 22, регулятор 23, который управляет опорным током ЦАП и генератор кода напряжения ВФМ 24. Для компенсации постоянной составляющей тока фотоприемника используется третий контур обратной связи (контур ОС-3), в состав которого входит третий детектор 25, формирующий код постоянной составляющей сигнала на выходе АЦП. Третий детектор выделяет сумму сигналов на двух полупериодах СВ. Код с выхода третьего детектора поступает на вход третьего регулятора (РЕГ3) 26. Для компенсации постоянной составляющей в цифровом блоке формируется ячейка постоянного кода 27, который затем поступает на вход второго ЦАП 28. Регулятор РЕГ3 управляет опорным током второго ЦАП таким образом, чтобы код на выходе третьего детектора поддерживался равным нулю. На Фиг. 5 показано формирование сигнала на фотоприемнике волоконно-оптического гироскопа с большой чувствительностью к вращению. Генератор кода ВФМ вместе с ЦАП и операционным усилителем формируют напряжение ВФМ 29, которое подается с выхода операционного усилителя на электроды фазовых модуляторов ИОС. Фазовый модулятор ИОС вносит между лучами кольцевого интерферометра разность фаз 30. Интенсивность излучения на фотоприемнике является функцией косинуса 31 от разности фаз ВФМ и постоянного фазового смещения между лучами 32, которое вызывается эффектом Саньяка. В результате на фотоприемнике появляется сигнал вида 33. При изменении эффективности фазовых модуляторов изменяется амплитуда ВФМ. Изменение амплитуды ВФМ 34 приводит к образованию на фотоприемнике CP 35. При наличии вращения гироскопа и изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС на фотоприемнике присутствует комплексный сигнал, который имеет три составляющих, а именно сигналы СВ 36, CP 37 и их постоянную составляющую 38. CP имеет постоянную частоту и не зависит от частоты СПН, то есть частота CP не зависит от угловой скорости вращения. Наличие CP на выходе второго детектора свидетельствует об изменении масштабного коэффициента гироскопа, так как изменилась эффективность фазовых модуляторов ИОС. При выборе параметра Δ ВФМ из ряда Δ=π/2ⁿ радиан, где n=1, 2, 3…, для устранения зоны нечувствительности формируется напряжение ВФМ со стабильными во времени параметрами, а компенсация разности фаз Саньяка в этом случае осуществляется СПН с фазовой амплитудой 2Δ радиан. Напряжение старшего разряда ЦАП при этом соответствует значению, при котором фазовым модулятором ИОС фаза оптических лучей ϕ_л изменяется на π радиан. При такой цене старшего разряда для обеспечения большого диапазона измерения угловых скоростей невозможна компенсация разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой 2π радиан. Таким образом, в гироскопе данного типа устраняется зона нечувствительности, что расширяет динамический диапазон измерения угловых скоростей, но он ограничивается верхним значением измеряемой угловой скорости, так как отсутствует возможность компенсации разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой 2π радиан.

Для получения возможности компенсации разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой 2π радиан необходимо увеличивать цену старшего разряда ЦАП, то есть с помощью старшего разряда ЦАП фазовый модулятор ИОС должен сдвигать фазу оптических лучей ϕ_л более чем на π радиан. Это возможно при условии работы контура ОС-2 при произвольном выборе кода амплитуд напряжения ВФМ. На Фиг. 6 показаны рабочие точки волоконно-оптического гироскопа на кривой функции косинуса в отсутствие работы и при работе второго контура обратной связи (ОС-2). При произвольном выборе кодов амплитуд ВФМ ±(π-Δ) и ±(π+Δ) радиан при неработающем контуре ОС-2 рабочие точки располагаются в точках 39, 40. При работе контура ОС-2 рабочие точки перемещаются в точки 41, 42 и они размещаются за счет подбора напряжения старшего разряда U_ЦАП с помощью изменения опорного тока ЦАП на прямой 43, определяющей постоянную составляющую СВ и СР. В этом случае должны быть справедливы следующие исходные уравнения:

[К^-/К₀]×U_ЦАП×η=(π-Δ),

2U_ЦАП×η≥(3π+Δ),

где К₀ - код старшего разряда ЦАП;

К^- - код амплитуды ВФМ (π-Δ) радиан;

η - эффективность фазового модулятора ИОС.

Второе уравнение определяет напряжение старшего разряда ЦАП, при котором при стабильных во времени фазы напряжения ВФМ может быть сформировано для компенсации разности фаз Саньяка СПН с фазовой амплитудой, равной 2π радиан.

Если использовать К^- как параметр, то справедливы следующие соотношения, вытекающие из приведенных выше уравнений:

Δ=π-[К₀/К^-]×[U_ЦАП×η],

К⁺=К^-[(1+Δ)/(1-Δ)],

U_ЦАП×η=[4πК₀]/[2К₀+К^-].

В качестве примера для обеспечения стабильных во времени фазовых параметров напряжения ВФМ и фазовой амплитуды СПН для компенсации разности фаз Саньяка, равной 2π радиан, рассмотрим случай, когда ϕ_л=[(π+Δ)/2+π]: К₀=2¹² (4096, ЦАП имеет 12 разрядов), К^-=2048 (используется как параметр), К⁺=3072, отсюда следует что Δ=0,2π радиана, 2U_ЦАП×η=3,2π радиана, при эффективности фазового модулятора 3,0 рад/В напряжение старшего разряда ЦАП U_ЦАП=1,675 В. Максимальная фазовая амплитуда СПН для компенсации разности фаз Саньяка составит 2π радиан (код фазовой амплитуды СПН должен быть 5120) и при этом имеется возможность сформировать напряжение ВФМ со стабильными во времени фазовыми параметрами с амплитудами ±0,8π и ±1,2π. Данный гироскоп не имеет зоны нечувствительности в области малых угловых скоростей, но при этом он имеет максимально возможный диапазон измерения угловых скоростей, если использовать счет переходов через каждые π радиан, компенсируемой разности фаз Саньяка. Это позволяет значительно увеличить динамический диапазон измерения угловых скоростей. Во всех других случаях выбора К^- из разрешенного ряда для использования СПН с фазовой амплитудой 2π радиан выполняется условие ϕ_л>[(π+Δ)/2+π] радиан.

Для расширения динамического диапазона можно использовать разбиение всего диапазона измерения угловых скоростей на два поддиапазона измерения. В первом поддиапазоне в области нулевых скоростей используется напряжение ВФМ со стабильными во времени фазовыми параметрами, а компенсация разности фаз Саньяка осуществляется с помощью СПН с фазовой амплитудой U_п×η=2Δ радиан. В этом случае максимально измеряемая угловая скорость соответствует разности фаз Саньяка, равной Δ радиан (две ступеньки СПН), что всегда меньше π радиан и поэтому счет переходов при компенсации разности фаз Саньяка через каждые π радиан для расширения диапазона измерения угловых скоростей здесь невозможен. Поэтому при достижении измерения максимально возможной угловой скорости при использовании напряжения ВФМ со стабильными во времени фазовыми параметрами необходимо проводить измерения во втором поддиапазоне угловых скоростей, в котором компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют с помощью СПН с фазовой амплитудой 2π радиан, при этом возможно использование напряжения ВФМ с изменяющейся во времени фазой и таким образом можно обеспечить максимальный динамический диапазон измерения угловых скоростей. При измерении угловой скорости в первом поддиапазоне интересен случай, когда Δ=π/3 радиан. Это связано с тем, что одним из источников появления зоны нечувствительности являются электрические наводки напряжения ВФМ с выхода усилителя ЦАП на усилитель тока фотоприемника. При детектировании наводок напряжения ВФМ на входе усилителя тока фотоприемника при параметре ВФМ Δ=π/3 радиан ошибки в измерении угловой скорости не возникает, следствием чего является отсутствие зоны нечувствительности у ВОГ из-за электрических наводок. Для обеспечения Δ=π/3 радиан необходимо, чтобы К⁺=2К^-. Например, при К^-=2048 код сброса фазовой амплитуды СПН должен составлять также 2048. В этом случае с помощью напряжения старшего разряда ЦАП, подаваемого на фазовый модулятор ИОС, фаза лучей изменяется на 4/3 π радиан.

Литература.

1. Lefevre Н.С. et all. «Double closed-loop hybrid fiber gyroscope using digital phase ramp // Optical Fiber Sensors (OFS), 1985, San Diego, CA, January 1, Post Deadline, p. PDS7-1.

2. Pavlath, G.A. Closed-loop fiber optic gyros // Proc. SPIE. 1996. v. 2837. p.46.

3. A.M. Курбатов, P.A. Курбатов. «Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов» «Гироскопия и Навигация». УДК 531.383 №1(76). 2012, стр. 102÷121.

4. А.М. Курбатов. «О новых путях совершенствования волоконно-оптических гироскопов с открытым и закрытым контуром обратной связи» «Гироскопия и навигация», №1 (88), 2015.

5. A.M. Курбатов, Р.А. Курбатов. «Волоконно-оптический гироскоп с контуром обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента». Патент РФ №2512599 от 11.02.2014 г. Дата приоритета 24.10.2012 г.

6. А.М. Курбатов. «Способ устранения зоны нечувствительности в волоконно-оптическом гироскопе». Патент РФ №2472111 от 10.01.2013 г., дата приоритета 17.06.2011 г.

Изобретение относится к области волоконной оптики, в частности к волоконно-оптическим гироскопам. Волоконно-оптический гироскоп представляет собой волоконный кольцевой интерферометр, состоящий из чувствительной катушки и электронного блока обработки информации, образованного блоком аналоговой и блоком цифровой электроники. Блок цифровой электроники включает аналогово-цифровой преобразователь, программируемую логическую интегральную схему и цифроаналоговый преобразователь, а также первый и второй контуры обратной связи. Причем в цифровом блоке реализован алгоритм вспомогательной фазовой модуляции между оптическими лучами кольцевого интерферометра, а контуры обратной связи обеспечивают линейность выходной характеристики. Вспомогательная фазовая модуляция осуществляется путем изменения кодов напряжения вспомогательной модуляции в цифровом блоке. При этом используют ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка с фазовой амплитудой 2π радиан. Техническим результатом изобретения является расширение динамического диапазона измерения угловых скоростей волоконно-оптического гироскопа. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Волоконно-оптический гироскоп с большим динамическим диапазоном измерения угловых скоростей, содержащий волоконный кольцевой интерферометр, в состав которого входит чувствительная катушка, интегрально-оптическая схема, фотоприемник и электронный блок обработки информации, состоящий из блока аналоговой электроники и блока цифровой электроники, в состав которого входят аналого-цифровой преобразователь, программируемая логическая интегральная схема или микропроцессор, а также цифроаналоговый преобразователь, причем в цифровом блоке реализован алгоритм обработки информации, использующий вспомогательную фазовую модуляцию между оптическими лучами кольцевого интерферометра с глубиной модуляции (π±Δ) радиан, а также первый и второй контуры обратной связи, которые обеспечивают линейность выходной характеристики за счет компенсации разности фаз Саньяка с помощью пилообразного ступенчатого напряжения с фазовой амплитудой 2π радиан и стабилизацию масштабного коэффициента гироскопа при изменении эффективности фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы, отличающийся тем, что обеспечивают стабильность во времени разности фаз вспомогательной фазовой модуляции между оптическими лучами в кольцевом интерферометре гироскопа путем изменения кодов напряжения вспомогательной фазовой модуляции в цифровом блоке, при этом коды изменяют так, чтобы при подаче напряжения старшего разряда цифроаналогового преобразователя на фазовый модулятор интегрально-оптической схемы кольцевого интерферометра изменение фазы лучей ϕ_л удовлетворяла условию ϕ_л≥[(π+Δ)/2+π] радиан, при этом используют ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка с фазовой амплитудой 2π радиан.

2. Волоконно-оптический гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что для увеличения максимальной измеряемой угловой скорости волоконно-оптического гироскопа в алгоритме обработки информации используют счетчик числа переходов при изменении величины разности фаз Саньяка ±πn радиан, где число переходов n=0, 1, 2, 3, … .

3. Волоконно-оптический гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что диапазон измерения угловых скоростей разбивают на два поддиапазона, в первом из которых компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют с помощью ступенчатого пилообразного напряжения с фазовой амплитудой 2Δ радиан, а во втором поддиапазоне - с помощью пилообразного ступенчатого напряжения с фазовой амплитудой 2π радиан.