СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ МАСШТАБНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2018 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 канальные волноводы, сформированные в подложке ниобата лития и 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:

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:

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 пилообразного напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, вносится управляемая разность фаз между лучами ВКИ, с помощью которой осуществляется компенсация разности фаз Санька. С этой целью организуется 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 напряжения пилообразного ступенчатого напряжения (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.

Для частоты СПН в этом случае справедливо следующее соотношение:

где η - эффективность фазового модулятора, U_п - амплитуда напряжения СПН;

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

Масштабный коэффициент ВОГ стабилизируется за счет обеспечения амплитуды СПН, которая при подаче на фазовый модулятор изменяет фазу лучей ВКИ на 2π радиан. Амплитуда СПН регулируется путем выделения импульса засветки фотоприемника при сбросе напряжения СПН и последующего его обнуления путем регулировки амплитуды СПН (контур обратной связи ОС-2). В этом случае для частоты СПН справедливо следующее соотношение:

Таким образом, масштабный коэффициент ВОГ не зависит от эффективности фазового модулятора, которая имеет большую нестабильность при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

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

Сигнал на фотоприемнике содержит СВ, сигнал рассогласования (CP) и постоянную составляющую СВ и СР. Сигнал с фотоприемника поступает на вход аналоговой части блока сервисной электроники ВОГ, то есть на вход дифференциального усилителя тока фотоприемника, далее с выхода усилителя он поступает на вход цифровой части сервисной электроники. Цифровая часть содержит цифро-аналоговый преобразователь (АЦП), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). CP образуется на фотоприемнике при изменении эффективности фазовой модуляции ИОС при воздействии на нее внешних дестабилизирующих факторов, например, изменения температуры окружающей среды. Наличие CP свидетельствует об изменении масштабного коэффициента ВОГ при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Для осуществления ВФМ в ПЛИС формируется коды напряжения ВФМ (генератор ВФМ), а также коды ступенчатого пилообразного напряжения (генератор СПН) для компенсации разности фаз Саньяка. Коды напряжения ВФМ и СПН с выхода ПЛИС поступают на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), после которого объединенный сигнал напряжения ВФМ и СПН поступает на вход операционного усилителя и далее с его выхода на электроды фазового модулятора ИОС. В ПЛИС сформирован первый демодулятор Д1 для выделения амплитуды СВ и второй демодулятор Д2 для выделения амплитуды СР. С помощью контура ОС-1, в состав которого входит демодулятор Д1, генератор СПН и регулятор величины ступеньки СПН производится компенсация разности фаз Саньяка с целью линеаризации выходной характеристики ВОГ. В ПЛИС также сформирован и контур ОС-2, в состав которого входит второй демодулятор Д2 и регулятор амплитуды напряжения ВФМ, подаваемого на электроды фазового модулятора ИОС.С помощью изменения амплитуды напряжения ВФМ амплитуда CP на выходе демодулятора Д2 поддерживается равной нулю и тем самым обеспечивается стабильность масштабного коэффициента ВОГ при изменении эффективности фазового модулятора ИОС. В электронном блоке также сформирован и третий контур обратной связи (ОС-3). В состав контура ОС-3 входит демодулятор ДЗ, сформированный в ПЛИС и который выделяет постоянную составляющую СВ и CP, далее сигнал поступает на ЦАП и далее на второй вход дифференциального усилителя тока фотоприемника, в результате чего постоянная составляющая сигнала на его выходе становится равной нулю.

На точность ВОГ существенное влияние оказывает состояние фазового модулятора ИОС. Фазовый модулятор ИОС имеют полосу пропускания, которая зависит (имеется в виду амплитудно-частотная характеристика) от воздействия на ИОС влаги, радиационного облучения, естественных процессов старения материала подложки и т.д. Воздействие различных внешних дестабилизирующих факторов приводит к сужению полосы пропускания фазовых модуляторов, что в свою очередь приводит к появлению ложного CP [4,5]. Наличие ложного CP приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ. Стабилизация общей полосы пропускания фазовых модуляторов может быть успешно решена за счет использования технологии герметичного корпусирования подложки ИОС. Тем не менее, как показывает эксперимент, даже после устранения факторов сужения общей полосы пропускания фазовых модуляторов ИОС нестабильность масштабного коэффициента и смещение нулевого сигнала ВОГ достаточно велики, так как в их основе лежит другой, достаточно низкочастотный процесс (НЧ-процесс) [6,7]. Он также как и в случае с сужением общей полосы пропускания искажает импульсы напряжения ВФМ, но уже на протяжении всего τ-интервала. Данного рода искажения обусловлены зависимостью полуволнового напряжения V_π модулятора от частоты подаваемого напряжения. В качестве механизма такой зависимости указывается захват зарядов в ниобате лития, который подвержен влиянию со стороны влажности, температуры, давления, радиации и старения ИОС. Эти процессы описываются с помощью передаточной функции вида

где а и b - нуль и полюс передаточной функции ИОС. Из-за НЧ- процесса (НЧ-динамики) в модуляторах они имеют неравномерность передаточной характеристики в области низких частот. Эта неравномерность передаточной характеристики приводит к искажениям разности фаз ВФМ, которые выражаются в нестабильности амплитуд ВФМ ±(π-Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан даже на протяжении одного периода СВ, а также к искажению СПН, которое используется для компенсации разности фаз Саньяка в контуре ОС-1. Искажения разности фаз ВФМ и искажения СПН приводят к изменению масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Более того, при изменении во времени НЧ-динамики при воздействии внешних дестабилизирующих факторов появляется нестабильность масштабного коэффициента. Искажения разности фаз ВФМ приводят к возникновению ложного сигнала рассогласования (ЛСР), который и приводит к изменению масштабного коэффициента. Искажения СПН изменяют напряжение, соответствующее единице младшего разряда (е.м.р.) ЦАП с помощью которого формируется напряжение ВФМ и СПН, подаваемых на электроды фазового модулятора ИОС. Изменение напряжения, соответствующего 1 е.м.р также приводит к изменению масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа.

Известен волоконно-оптический гироскоп, в котором для устранения искажения разности фаз ВФМ из-за НЧ-динамики в основном фазовом модуляторе ИОС используются два дополнительных фазовых модулятора с низкой эффективностью [8]. На два дополнительных фазовых модулятора подаются напряжения специальной формы, которые устраняют два вида искажений разности фаз ВФМ основного фазового модулятора ИОС, а именно - наклон полочек импульсов разности фаз ВФМ и нестабильность амплитуды разности фаз ВФМ на одном полу периоде сигнала вращения. Нестабильность амплитуды ВФМ устраняются с помощью контура обратной связи на основе дополнительного демодулятора (четвертого демодулятора), выделяющего разностный сигнал между первым и третьим τ - интервалам сигнала вращения. Но с помощью дополнительных модуляторов не удается полностью устранить ЛСР и поэтому НЧ-динамика в основном фазовом модуляторе ИОС даже при использовании контуров обратной связи на основе дополнительных модуляторов приводит к нестабильности масштабного коэффициента.

Целью настоящего изобретения является повышение стабильности масштабного коэффициента ВОГ.

Указанная цель достигается тем, что для повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа устраняют ложный сигнал рассогласования с помощью четвертого контура обратной связи на основе четвертого демодулятора и первого дополнительного низкоэффективного фазового модулятора, на который подают напряжение специальной формы для компенсации искажений разности фаз оптических лучей вспомогательной фазовой модуляции, вносимую основным фазовым модулятором, при этом с помощью регулятора изменяют амплитуду напряжения специальной формы на электродах первого дополнительного модулятора с целью обнуления сигнала на выходе четвертого демодулятора.

2. Способ повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, отличающийся тем, что корректируют напряжение старшего разряда цифро-аналогового преобразователя с помощью пятого контура обратной связи на основе пятого демодулятора и второго низкоэффективного фазового модулятора, на электроды которого подают напряжение специальной формы для компенсации искажений разности фаз оптических лучей основным фазовым модулятором при подаче на него ступенчатого пилообразного напряжения, использующегося для компенсации разности фаз Саньяка, при этом амплитуду напряжения специальной формы на электродах второго дополнительного фазового модулятора изменяют с помощью регулятора с целью обнуления сигнала на выходе пятого демодулятора.

Повышение стабильности масштабного коэффициента ВОГ достигается за счет устранения ЛСР четвертым контуром обратной связи (контур ОС-4), а также коррекции напряжения старшего разряда ЦАП за счет устранения искажений СПН пятым контуром обратной связи (контур ОС-5).

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с контуром обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента. На Фиг. 2 показано напряжение ВФМ и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ. На Фиг. З показано формирование сигнала вращения ВОГ. На Фиг. 4 показано формирование сигнала рассогласования. На Фиг. 5 показана структура общего сигнала на фотоприемнике при наличии вращения гироскопа и изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС в режиме разомкнутых контуров ОС-1 и ОС-2. На Фиг. 6 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции, искаженное НЧ-процессом в фазовых модуляторах ИОС и напряжение фазовой модуляции, формируемое операционными усилителями. На Фиг. 7 показаны искажения разности фаз ВФМ, вносимые основным фазовым модулятором ИОС. На Фиг. 8 показана структура ИОС с основным и дополнительными фазовыми модуляторами. На Фиг. 9 показана структура четвертого контура обратной связи для устранения искажений разности фаз ВФМ. На Фиг. 10 показана паразитная разность фаз ВФМ из-за НЧ-динамики в основном фазовом модуляторе На ФИГ. 11 показано напряжение на основном фазовом модуляторе и форма специального сигнала, формируемого в ПЛИС, а затем преобразуемого в напряжение для подачи на дополнительный фазовый модулятор. На Фиг. 10 показана паразитная разность фаз ВФМ из-за НЧ-динамики в основном фазовом модуляторе. На Фиг. 11 показано образование ложного сигнала рассогласования (ЛСР) на фотоприемнике при наличии искажений разности фаз ВФМ. На Фиг. 12 показаны напряжения ВФМ на основном модуляторе, напряжение на первом дополнительном модуляторе и разность фаз, вносимую первым дополнительным модулятором для компенсации паразитной разности фаз из-за НЧ-динамики в основном модуляторе. На Фиг. 13 показаны искажения изменения фазы оптических лучей из-за НЧ-динамики в основном модуляторе при подаче на его электроды СПН для компенсации разности фаз Саньяка. На Фиг. 14 показана паразитная разность фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ при искажениях СПН в основном фазовом модуляторе из-за НЧ-динамики. На Фиг. 15 показан сигнал на фотоприемнике при искажениях СПН основного фазового модулятора ИОС.На Фиг. 16 показана структура пятого контура обратной связи (контур ОС-5). На Фиг. 17 показано напряжение на втором дополнительном фазовом модуляторе и вносимая им разность фаз для компенсации искажений СПН основным фазовым модулятором ИОС из-за НЧ-динамики. На Фиг. 18 показано экспоненциально нарастающие искажения СПН из-за НЧ динамики и соответствующая им паразитная разность фаз.

На Фиг. 1 показана структурная схема ВОГ с контуром обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента [3,4,5]. Оптическое излучение с малой длиной когерентности от источника 1 поступает на первый вход делителя оптических лучей 2. Далее излучение с выхода разветвителя поступает на вход ИОС 3. ИОС содержит в своем составе Y - делитель излучения и фазовый модулятор. Излучение делится Y - разветвителем на два луча и с выхода ИОС эти два луча поступают в чувствительную катушку 4 и проходят ее в двух взаимно-противоположных направлениях, то есть по часовой стрелке и против часовой стрелки. Далее эти два луча вновь поступают на ИОС и объединяются Y - разветвителем в один световой луч. Этот объединенный луч через волоконный разветвитель со второго его входного конца световода поступает на фотоприемник 5, где и интерферируют между собой. Ток фотоприемника усиливается дифференциальным усилителем 6, и напряжение с его выхода затем поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. Сигнал с выхода АЦП поступает на вход программируемой логической схемы (ПЛИС) 8. В ПЛИС формируется первый контур обратной связи (ОС-1) для линеаризации выходной характеристики гироскопа. В состав контура ОС-1 входит демодулятор 9, регулятор кода амплитуды ступеньки ступенчатого пилообразного напряжения (СПН) 10, генератор СПН (ГСПН) 11. С помощью регулирования кода ступеньки СПН на выходе демодулятора 9 поддерживается нулевое значение кода, что означает компенсацию разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре ВОГ с помощью фазового модулятора ИОС.А так как фазовый модулятор имеет линейную зависимость вносимой разности фаз между лучами кольцевого интерферометра ВОГ от напряжения на его электродах, то выходная характеристика ВОГ в зависимости от угловой скорости так же носит линейный характер.

Стабильность масштабного коэффициента (МК) ВОГ в значительной степени зависит от стабильности электрооптических коэффициентов ниобата лития при воздействии изменений температуры окружающей среды [2]. Пластина ниобата лития служит в качестве подложки интегрально-оптического фазового модулятора ИОС. Для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ в ПЛИС организуется второй контур обратной связи (ОС-2). В состав контура ОС-2 входит демодулятор 12, регулятор амплитуды напряжения ВФМ 13, собственно сам генератор кодов напряжения ВФМ (ГВФМ) 14. При изменении электрооптических коэффициентов ниобата лития (изменение эффективности фазового модулятора ИОС), демодулятор 12 выделяет код амплитуды CP, который затем используется для подстройки напряжения старшего разряда выходного ЦАП. Таким образом осуществляется подстройка амплитуд напряжения ВФМ с целью обнуления СР.

Для компенсации постоянной составляющей СВ и CP в ПЛИС формируется демодулятор 15, выделяющий код сигнала, который представляет собой сумму сигналов на каждом из двух полу периодов СВ. В ПЛИС так же формируется ячейка 16, которая содержит начальный код напряжения, который затем используется для формирования напряжения для компенсации постоянной составляющей СВ и СР. При наличии ненулевого кода на выходе демодулятора 15 регулятор 17 изменяет опорный ток ЦАП 18 для изменения постоянного напряжения, поступающего на второй вход дифференциального усилителя тока фотоприемника с целью компенсации постоянной составляющей СВ и CP его на выходе. Коды с ГСПН и ГВФМ складываются с помощью сумматора 19, далее объединенный код подается на вход ЦАП 20 и далее на операционный усилитель 21, с выхода которого напряжение ВФМ и СПН подаются на электроды основного фазового модулятора ИОС. Напряжение ЦАП 20 регулируется подстройкой его опорного тока с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ - сигнала) путем обнуления CP (контур ОС-2). В этом случае, амплитуды ВФМ соответствуют значениям ±(π-Δ), ±π+Δ) радиан даже при изменении эффективности фазового модулятора ИОС. Контур ОС-2 стабилизирует не только амплитуду ВФМ, но и фазовую амплитуду СПН, что в конечном счете приводит к стабилизации масштабного коэффициента ВОГ при изменении эффективности фазового модулятора ИОС.

На Фиг. 2 показано напряжение ВФМ 22 и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ 23. Конфигурация напряжения ВФМ формируется в ПЛИС, а ее амплитуда с помощью регулирования контуром ОС-2 опорного тока ЦАП 20 через операционный усилитель 21. Длительность каждой ступеньки напряжения ВФМ равна времени пробега т оптических лучей по световоду чувствительной катушки. Разность фаз ВФМ оптических лучей представляет собой последовательность импульсов длительностью τ и с амплитудами ± (π-Δ), ± (π+Δ) радиан в последовательности согласно 23. Для устранения зоны нечувствительности используется СПН с амплитудой 2Δ радиан. [3]. Для параметра ВФМ Δ=π/4 радиан, коды амплитуд ВФМ должны быть 3/8 К₀ и 5/8 К₀, а амплитуда СПН должна составлять величину π/2 радиан и поэтому код амплитуды СПН устанавливается равным К₀/4, где К₀ - код выходного ЦАП, соответствующий вносимой разности фаз 2π радиан.

На Фиг. 3 показано формирование сигнала вращения ВОГ. При наложении на кривую косинуса 24 разности фаз лучей кольцевого интерферометра 23 и при сдвиге этой разности фаз по оси абсцисс (сдвиг на Фиг. 3 показан штриховой линией 25) в ту или другую сторону в зависимости от знака угловой скорости на фотоприемнике формируется СВ 26. СВ имеет период 6τ. В зависимости от знака угловой скорости его фаза меняется на π радиан. Таким образом, при детектировании СВ в ПЛИС по закону (1+2+3)-(4+5+6) и т.д. знак угловой скорости определяется однозначно.

На Фиг. 4 показано формирование сигнала рассогласования ВОГ. При изменении температуры окружающей среды изменяется эффективность фазовых модуляторов ИОС, что приводит либо к возрастанию амплитуд ВФМ (показано штриховой линией 27) либо к уменьшению амплитуд ВФМ в зависимости от знака изменения температуры ИОС. В зависимости от знака изменения температуры ИОС CP 28 изменяет свою фазу на π радиан, что однозначно определяет закон регулирования амплитуд напряжения ВФМ контуром ОС-2. Период CP составляет 3τ, то есть его частота в два раза превышает частоту СВ, что в свою очередь позволяет значительно повысить частоту подстройки амплитуды СПН и тем самым повысить стабильность МК ВОГ по сравнению с методом подстройки амплитуды СПН, предложенным в [1,2].

На Фиг. 5 представлена структура общего сигнала на фотоприемнике при наличии вращения гироскопа и изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС в режиме разомкнутых контуров ОС-1 и ОС-2. Общий сигнал на фотоприемнике содержит СВ 29, CP 30 и постоянную составляющую 31. СВ поддерживается равным нулю контуром ОС-1 за счет компенсации разности фаз Саньяка с помощью СПН. Код ступеньки СПН является мерой угловой скорости. Код CP поддерживается равным нулю контуром ОС-2 с помощью подстройки амплитуд напряжения ВФМ путем подстройки опорного тока ЦАП 19. Обнуление контуром ОС-2 CP позволяет установить соответствие старшего разряда выходного ЦАП половине напряжения, при подаче которого на фазовые модуляторы ИОС разность фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ изменяется на 2π радиан, что и позволяет повысить стабильность масштабного коэффициента ВОГ при изменении температуры окружающей среды в автоматическом режиме.

На Фиг. 6 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции, искаженное НЧ-процессом в фазовых модуляторах ИОС и напряжение фазовой модуляции, формируемое операционными усилителями. При отсутствии НЧ-процесса разность фаз представляется пунктирной линией 32. При наличии НЧ-процесса напряжение ВФМ приобретает вид 33. На Фиг. 7 представлена разность фаз ВФМ между лучами кольцевого интерферометра, искаженная НЧ-процессом 34 (сплошная линия) и разность фаз 35, формируемая операционными усилителями (пунктирная линия). Разность фаз ВФМ, формируемая операционными усилителями представляет собой идеальную разность фаз, которая искажается НЧ-процессом в основном фазовом модуляторе. Предположим, что сигнал на каждом τ - интервале выделяется с помощью выборок АЦП, которые формируются во второй части каждого τ - интервала сигнала вращения. Тогда искажения разности фаз ВФМ можно представить с помощью площадей 36 S₁, S₂, S₃, которые располагаются на вершинах импульсов разности фаз ВФМ. Искажения разности фаз заключаются в неравенстве друг другу этих площадей. Искажения разности фаз фиксируются с помощью четвертого демодулятора, который выделяет разность сигналов между первым и третьим τ - интервалами СВ. Степень искаженности разности фаз ВФМ определяется разностью площадей S₁ и S₃, которая пропорциональна сигналу на выходе четвертого демодулятора. С помощью второго демодулятора (второй контур обратной связи) выделяется СР. Из Фиг. 7 видно, что при искажениях разности фаз ВФМ паразитным НЧ-процессом в основном фазовом модуляторе на выходе второго демодулятора (по закону 1-2, где 1, 2, … - номера τ - интервалов СВ) появляется ложный CP (ЛСР). Искажения разности фаз ВФМ приводят к увеличению амплитуды импульсов разности фаз, что воспринимается вторым контуром обратной связи ОС-2 как изменение эффективности основного фазового модулятора. Эти ложные изменения эффективности основного фазового модулятора с помощью контура ОС-2 изменяют величину напряжения ступеньки СПН, то есть изменяется вес по напряжению 1 е.м.р. ЦАП, что и приводит к изменению масштабного коэффициента ВОГ. Искажения разности фаз можно скомпенсировать с помощью дополнительного фазового модулятора, который обладает низкой эффективностью. На Фиг. 8 показана структура (топология) ИОС 37 с основным 38 и двумя дополнительными фазовыми модуляторами 39, 40. На основе первого дополнительного фазового модулятора 39 организуют четвертый контур обратной связи, в который входят четвертый демодулятор Д4 (D4) 41 (Фиг. 9), генератор специального сигнала (ГСС) 42, который подается на вход первого дополнительного ЦАП (ДЦАП1) 43, далее сигнал с его выхода подается на вход первого дополнительного операционного усилителя (ДОУ1) 44, напряжение с выхода которого подается далее на электроды первого дополнительного фазового модулятора (ДМ1) ИОС. На выходе четвертого демодулятора Д4 присутствует код, который равен разности сигналов в первый и третий τ - интервалы каждого полу периода СВ. В четвертый контур обратной связи (контур ОС-4) входит также четвертый регулятор (Р4) 45 амплитуды сигнала на выходе ДОУ1. Амплитуда напряжения на выходе ДОУ1 регулируется с помощью изменения опорного тока ДЦАП1 до тех пор, пока на выходе Д4 код не станет равным нулю. Низкая эффективность дополнительного фазового модулятора необходима для повышения точности компенсации искажений разности фаз ВФМ, которые вносятся основным модулятором ИОС. На Фиг. 10 показана паразитная разность фаз 46, которая присутствует между лучами кольцевого интерферометра ВОГ при искажениях разности фаз ВФМ, осуществляемой основным фазовым модулятором ИОС. Здесь показаны изменения разности фаз лучей S₁, S₂, S₃ на каждом τ - интервале СВ. На Фиг. 11 показано образование ЛСР на фотоприемнике ВОГ. Для иллюстрации этого процесса на кривую косинуса накладывается идеальная разность фаз ВФМ 23 и паразитная разность фаз ВФМ 46, при этом на фотоприемнике при нулевой скорости вращения присутствует сигнал 48, который полностью определяется искажениями разности фаз ВФМ в основном фазовом модуляторе ИОС.ЛСР определяется как разность сигналов (1-2)+(4-5) в τ-интервалах СВ. А так как разность сигналов (амплитуда ЛСР) в эти τ - интервалы в зависимости от интенсивности НЧ-динамики в основном фазовом модуляторе ИОС изменяется, то в этом случае появляется нестабильность масштабного коэффициента гироскопа. ЛСР изменяет опорный ток ЦАП и таким образом изменяет цену 1 е.м.р. (одной единицы младшего разряда) или вес старшего разряда ЦАП по напряжению, что воспринимается как изменение эффективности основного фазового модулятора ИОС. Это ложное изменение эффективности и приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ при наличии в основном фазовом модуляторе ИОС паразитной НЧ-динамики. Для устранения нестабильности масштабного коэффициента ВОГ необходимо с помощью первого дополнительного фазового модулятора (ДМ1) ИОС устранить искажения разности фаз ВФМ основного фазового модулятора ИОС. На Фиг. 12 показано напряжение ВФМ на основном фазовом модуляторе ИОС и форма специального сигнала 49, формируемого в ПЛИС, а затем преобразуемого в напряжение с помощью первых дополнительных ЦАП (ДЦАП1) и первого дополнительного операционного усилителя (ДОУ1) для подачи на ДМ1 для компенсации ЛСР. С помощью этого напряжения, подаваемого на электроды ДМ1 ИОС формируется разность фаз лучей кольцевого интерферометра 50 для компенсации паразитной разности фаз с помощью контура ОС-4, возникающей из-за искажений разности фаз ВФМ основным фазовым модулятором. Форма напряжения на электродах ДМ1 полностью определяется формой напряжения ВФМ, которая используется в каждом конкретном ВОГ. Для примера, рассмотрим напряжение ВФМ 22. На Фиг. 12 также показаны перепады напряжений, которые ответственны за изменения разности фаз на каждом τ интервале сигнала вращения. Изменение напряжения 51 определяет разность фаз, вносимую первым дополнительным модулятором на первом τ - интервале СВ Δϕ (τ₁). Изменение напряжения 52 определяет изменение разности фаз на втором τ - интервале СВ Δϕ (τ₂). Изменение напряжения 53 определяет изменение разности фаз на третьем τ - интервале СВ Δϕ (τ₃). Изменение напряжения 54 определяет изменение разности фаз на четвертом τ - интервале СВ Δϕ (τ₄). Изменение напряжения 55 определяет изменение разности фаз на пятом τ - интервале СВ Δϕ (τ₅). Изменение напряжения 56 определяет изменение разности фаз на шестом τ - интервале СВ Δϕ (τ₆). Для полной компенсации ЛСР отношения разности фаз, вносимой ДМ1 в определенные τ - интервалы должны иметь вполне определенные значения. Эти отношения разности фаз определяются параметром Δ ВФМ, а также протяженностью каждого τ - интервала, на котором формируются выборки для выделения амплитуды СВ на первом демодуляторе Д1. Для полной компенсации ЛСР отношения разности фаз Δϕ (τ_n) могут принимать следующие значения Δϕ (τ₁)/Δϕ(τ₃)=1,0÷2,0, Δϕ (τ₂)/Δϕ(τ₁)=1,0÷2,0, Δϕ (τ₄)/Δϕ(τ₆)=1,0÷2,0, Δϕ (τ₅)/Δϕ(τ₄)=1,0÷2,0. Конкретные значения отношения разностей фаз между τ - интервалами СВ определяются экспериментальным путем при калибровке прибора. Амплитуда ЛСР пропорциональна величине кода на выходе четвертого демодулятора Д4. При правильном выборе отношения указанных разностей фаз с помощью регулирования амплитуды напряжения на выходе ДОУ1 путем изменения с помощью регулятора Р4 опорного тока ДЦАП1 с целью обнуления кода на выходе демодулятора Д4 (контур ОС-4) возможна полная компенсация ЛСР, который возникает из-за искажений разности фаз ВФМ, вносимой основным фазовым модулятором ИОС. Устранение ЛСР контуром ОС-4 в конечном счете приводит к повышению стабильности масштабного коэффициента ВОГ.

Паразитная НЧ-динамика в основном фазовом модуляторе ИОС является также причиной искажений СПН, которое используется в контуре ОС-1 для компенсации разности фаз Саньяка. На Фиг. 13 показано СПН 57 без искажений НЧ-динамикой в основном фазовом модуляторе с фазовой амплитудой 2Δ, где Δ - параметр ВФМ и СПН с учетом искажений из-за НЧ- динамики 58. Фазовые искажения из-за НЧ - динамики в основном фазовом модуляторе здесь представлены в виде искажений СПН. Иными словами, если бы на электроды идеального фазового модулятора ИОС поступало искаженное СПН, то это было бы эквивалентно фазовым искажениям СПН из-за НЧ - динамики при подаче на него идеального СПН. Искажения СПН из-за НЧ-динамики в основном фазовом модуляторе ИОС также приводит к изменению масштабного коэффициента ВОГ. В этом случае, как и при искажениях разности фаз ВФМ происходит изменение цены по напряжению 1 е.м.р. основного ЦАП ВОГа за счет подстройки его опорного тока при компенсации паразитной разности фаз лучей кольцевого интерферометра контуром ОС-1. Искажения СПН из-за НЧ-динамики заключаются в наложении на идеальное СПН паразитного ступенчатого пилообразного напряжения (ПСГГН). ПСПН имеет тот же период, что и идеальное СПН, а также синхронизированный с ним сброс. На Фиг. 14 показано ПСПН 59 и соответствующее ему паразитная разность фаз лучей кольцевого интерферометра 60, которая определяет изменение масштабного коэффициента ВОГ. На Фиг. 15 показано формирование паразитного сигнала на фотоприемнике при наложении на неискаженную разность фаз ВФМ паразитной разности фаз при наличии ПСПН 60, вносимой основным фазовым модулятором из-за НЧ-динамики. Паразитный сигнал на фотоприемнике 61 имеет частоту равную СВ, амплитуда которого пропорциональна высоте ступеньки ПСПН. Кроме того, паразитный сигнал содержит дополнительный паразитный сигнал 62, который наблюдается при сбросе ПСПН на одном из τ - интервалов СВ. Для определения присутствия в сигнале на фотоприемнике ВОГ паразитного сигнала из-за искажений СПН в ПЛИС формируется пятый демодулятор Д5 (Фиг. 16) 63, который выделяет разностный сигнал на соседних τ - интервалах (в течение первого СПН имеет максимальную амплитуду, а во второй т - интервал амплитуда СПН минимальную амплитуду- сброс СПН). В ПЛИС также формируется генератор специального пилообразного сигнала 64 (ГПС - генератор кода напряжения специальной формы, которое затем подается на электроды 40 второго дополнительного фазового модулятора ДМ2 ИОС), поступающего затем на вход второго дополнительного ЦАП 65 (ДЦАП2), с выхода которого напряжение поступает на вход второго дополнительного операционного усилителя (ДОУ2) 66. Напряжение с выхода ДОУ2 подается на электроды 40 ДМ2. Разность фаз, формируемая ДМ2 предназначена для компенсации паразитной разности фаз, которая формируется при искажениях СПН основным фазовым модулятором. Компенсация паразитной разности фаз осуществляется с помощью регулятора 67 (Р5), который регулирует амплитуду напряжения специальной формы на выходе ДОУ2 с помощью изменения опорного тока ДЦАП2 до тех пор, пока код на выходе демодулятора Д5 не станет равным нулю. Таким образом формируется пятый контур обратной связи на основе ДМ2 (контур ОС-5). На Фиг. 17 показано напряжение 68 на втором дополнительном модуляторе ИОС и вносимая им разность фаз 69 для компенсации искажений СПН основным фазовым модулятором ИОС из-за НЧ-динамики. Здесь предполагается, что паразитное пилообразное напряжение содержит ступеньки одинаковой высоты, то есть фронт пилообразного напряжения нарастает по линейному закону. Поэтому искажения СПН вносят постоянную паразитную разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, что помимо изменения масштабного коэффициента приводит и к паразитному смещению нулевого сигнала ВОГ (при малых угловых скоростях выбросы в сигнале ВОГ, обусловленные сбросами ПСПН достаточно редки). Выбросы в сигнале ВОГ из-за сбросов ПСПН также приводят к изменению масштабного коэффициента ВОГ. Кроме того, паразитная НЧ- динамика увеличивает высоту каждой ступеньки СПН независимо от знака угловой скорости. Поэтому при формировании специального пилообразного сигнала необходимо обеспечить уменьшение высоты каждой ступеньки СПН, так как только в этом случае возможна компенсация искажений СПН из-за НЧ-динамики.

В зависимости от интенсивности НЧ-динамики изменение высоты ступенек ПСПН может быть неодинаковой в течение периода ПСПН. Высота ступенек может как возрастать, так и убывать от своего максимального значения в начале периода ПСПН. На Фиг. 18 показано СПН 70 и соответствующая ему паразитная разность фаз 71, подаваемое на электроды ДМ2 с помощью которого компенсируются искажения СПН на основном модуляторе в случае, когда высота его ступенек из-за НЧ - динамики убывает по экспоненциальному закону.

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] A.M. 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 RU 2512599 С1 МПК G01C 19/72 (2006.01) №2012145075/28 24.10.2012.

[6] W.P. Hollinger, R.A. Covacs. Tuned integrated optic modulator on a fiber optic gyroscope. US Patent no. 5,504,580, Apr. 2, 1996.

[7] Т.C. Greening, S.H. Khari, M.P. Newlin. Minimal bias switching for fiber optic gyroscope. US Patent no. 7,336,364, Feb. 26, 2008.

[8] A.M. Курбатов, P.A. Курбатов «Способ повышение точности компенсации паразитных эффектов в интегрально-оптических фазовых модуляторах волоконно-оптических гироскопов». Заявка №2016134634 от 25.08.2016 г. Патент РФ №2627015 от 02.08.2017 г.

Изобретение относится к области волоконной оптики и касается способа повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Гироскоп включает в себя интегрально-оптический фазовый модулятор, фотоприемник, усилитель тока фотоприемника, аналого-цифровые преобразователи, программируемую логическую интегральную схему и операционный усилитель. Для линеаризации выходной характеристики, обеспечения стабильности масштабного коэффициента и компенсации постоянной составляющей сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника организованы три контура обратной связи на основе трех демодуляторов. Для устранения ложного сигнала рассогласования используют четвертый контур обратной связи на основе четвертого демодулятора и первого дополнительного низкоэффективного фазового модулятора, на который подают напряжение специальной формы для компенсации искажений разности фаз оптических лучей вспомогательной фазовой модуляции, вносимой основным фазовым модулятором. При этом с помощью регулятора изменяют амплитуду напряжения специальной формы на электродах первого дополнительного модулятора с целью обнуления сигнала на выходе четвертого демодулятора. Технический результат заключается в повышении стабильности масштабного коэффициента гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Способ повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, содержащего оптический блок, в состав которого входит интегрально-оптический фазовый модулятор и электронный блок, содержащий фотоприемник, усилитель тока фотоприемника, аналого-цифровой преобразователь, программируемую логическую интегральную схему, аналого-цифровой преобразователь и операционный усилитель для подачи на электроды фазового модулятора суммы напряжений вспомогательной фазовой модуляции для разности фаз лучей в катушке с амплитудами ±[π-Δ] и ±[π+Δ] радиан, где Δ - параметр модуляции, и компенсирующего разность фаз Саньяка ступенчатого пилообразного напряжения, коды которых формируются в программируемой логической схеме, при этом для линеаризации выходной характеристики организован первый контур обратной связи на основе первого демодулятора, выделяющего на своем выходе амплитуду сигнала вращения и включающий в свой состав генератор ступенчатого пилообразного напряжения, при этом для обеспечения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа организован второй контур обратной связи на основе второго демодулятора, выделяющего на своем выходе амплитуду сигнала рассогласования, а для компенсации постоянной составляющей сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника используется третий контур обратной связи на основе третьего демодулятора постоянной составляющей сигнала, отличающийся тем, что для повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа устраняют ложный сигнал рассогласования с помощью четвертого контура обратной связи на основе четвертого демодулятора и первого дополнительного низкоэффективного фазового модулятора, на который подают напряжение специальной формы для компенсации искажений разности фаз оптических лучей вспомогательной фазовой модуляции, вносимой основным фазовым модулятором, при этом с помощью регулятора изменяют амплитуду напряжения специальной формы на электродах первого дополнительного модулятора с целью обнуления сигнала на выходе четвертого демодулятора.

2. Способ повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа по п.1, отличающийся тем, что корректируют напряжение старшего разряда цифроаналогового преобразователя с помощью пятого контура обратной связи на основе пятого демодулятора и второго низкоэффективного фазового модулятора, на электроды которого подают напряжение специальной формы для компенсации искажений разности фаз оптических лучей основным фазовым модулятором при подаче на него ступенчатого пилообразного напряжения, использующегося для компенсации разности фаз Саньяка, при этом амплитуду напряжения специальной формы на электродах второго дополнительного фазового модулятора изменяют с помощью регулятора с целью обнуления сигнала на выходе пятого демодулятора.