СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВРЕМЕНИ ТОЧНОСТНОЙ ГОТОВНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

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 интенсивность оптического излучения можно представить в виде

I_Φ=1/2P₀(1+cosϕ_S),

где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей. Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание составляет величину

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения следующих с частотой 1/2τ, ток фотоприемника можно представить в виде

I_ф=P₀η_ф[1+cosϕ_m·cosϕ_S±sinϕ_m·sinϕ_S],

η_ф - токовая чувствительность фотоприемника,

ϕ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.

Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в оптоэлектронной схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз лучей, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее разность фаз Саньяка пилообразное ступенчатое напряжение [1]. В результате выражение для тока фотоприемника приобретает следующий вид:

I_ф=P₀η_ф{1+cosϕ_m·cos[ϕ_S-ϕ_K)±sinϕ_m·sin[ϕ_S-ϕ_K]},

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

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

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

Точность ВОГ определяется также и стабильностью масштабного коэффициента. Для выходного сигнала гироскопа, работающего по компенсационной схеме в режиме замкнутой петли обратной связи, справедливо следующее соотношение [1]:

где f_n(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;

Ω(t) - угловая скорость вращения гироскопа;

η - эффективность фазового модулятора;

U_П - пиковое значение напряжения компенсирующей пилы;

τ_ст - длительность ступеньки компенсирующей пилы.

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

МК=4πRL/(λc×ηU_пτ_ст).

Если выбрать τ_ст=τ и обеспечить ηU_П=2π, то выражение для

масштабного коэффициента гироскопа приобретает следующий вид:

МК=2R/λn₀.

По порядку величины на стабильность масштабного коэффициента наибольшее влияние оказывает величина ηU_П из-за большой нестабильности эффективности η фазового модулятора. Поэтому с целью стабилизации этой величины, а в конечном счете, и стабилизации масштабного коэффициента, в схеме обработки информации с замкнутой петлей обратной связи организуется второй контур обратной связи, который позволяет стабилизировать величину U_Пη на уровне 2π радиан при любых изменениях эффективности фазового модулятора η [1]. При изменении эффективности фазового модулятора ИОС при сбросе максимального значения ступенчатого пилообразного напряжения до своего минимального значения на фотоприемнике формируется паразитный оптический импульс, длительностью τ [1]. Путем изменения амплитуды развертки пилообразного ступенчатого напряжения добиваются исчезновения этого импульса, что означает, что ηU_П=2π радиан, и таким образом происходит стабилизация масштабного коэффициента.

Другим способом стабилизации масштабного коэффициента является стабилизация амплитуды вспомогательной модуляции (ВФМ). Используется ВФМ, при которой разность фаз лучей волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) ВОГ представляет собой последовательность прямоугольный импульсов длительностью каждого кратной τ и амплитудами (π±Δ), где Δ=π/2ⁿ, при этом n=1, 2, 3…. При изменении эффективности фазовых модуляторов η на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования [2]. Сигнал рассогласования выделяется с помощью второго синхронного детектора (демодулятор сигнала рассогласования). Выход демодулятора сигнала рассогласования соединен с регулятором (интегратором), который управляет амплитудой напряжения ВФМ. С помощью регулятора сигнал на выходе демодулятора обращается в ноль, что означает, что стабильность амплитуды ВФМ восстановлена. После этого производится масштабирование напряжения ВФМ с целью определения напряжения развертки пилообразного ступенчатого напряжения U_П, при котором ηU_П=2π радиан. Таким образом, стабилизация масштабного коэффициента ВОГ происходит через стабилизацию амплитуды ВФМ.

Одной из основных проблем волоконно-оптического гироскопа является обеспечение малого времени точностной готовности при его «холодном» включении. Начальный дрейф выходного сигнала ВОГ связан с изменениями амплитуды сигнала вращения, несущего информацию об угловой скорости [1]. Но дрейф выходного сигнала ВОГ связан также и с изменениями паразитного начального смещения, возникающего на выходе демодулятора сигнала вращения.

Целью настоящего изобретения является увеличение точности волоконно-оптического гироскопа за счет уменьшения его времени точностной готовности.

Указанная цель достигается тем, что код выходного сигнала гироскопа корректируют с помощью кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции, при этом обеспечивают стабильность эффективности фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы путем стабилизации его температуры, а также при проведении коррекции кода выходного сигнала гироскопа используют операцию масштабирования изменений кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции по изменениям кода выходного сигнала гироскопа.

2. Способ уменьшения времени точностной готовности волоконно-оптического гироскопа по п.1, отличающийся тем, что при изменении температуры фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы проводят дополнительное масштабирование кода напряжения вспомогательной фазовой модуляции, при этом используют показания термодатчика, измеряющего температуру фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы.

Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет уменьшения времени точностной готовности прибора при его «холодном» включении. Уменьшение времени готовности прибора достигается за счет уменьшения паразитного смещения нулевого сигнала гироскопа с помощью математической коррекции его выходной характеристики по изменению кода амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена функциональная схема волоконно-оптического гироскопа с двумя контурами обратной связи. На Фиг.2 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.3 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.4 показано формирование сигнала рассогласования волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.5 показана структура общего сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.6 показан дрейф выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа и кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения в течение 12 часов. На Фиг.7 показана вариация Аллана выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Максимальный дрейф составил 0,038 град/час, минимальный дрейф 0,0126 град/час, спектральная плотность шума 0,0024 град/час^1/2. На Фиг.8 показаны графики нескорректированного и скорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа с использованием для коррекции кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения. На Фиг.9 показана вариация Аллана скорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа. Максимальный дрейф составил 0,0108 град/час, минимальный дрейф 0,0066 град/час, спектральная плотность шума 0,0024 град/час^1/2. На Фиг.10 показаны графики скорректированного и нескорректированного дрейфа выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа в течение первых 15 минут.

На Фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. Она содержит источник излучения 1, трехпортовый делитель оптического луча 2, интегрально-оптическую схему 3, волоконную чувствительную катушку 4. В качестве источника излучения обычно используется эрбиевый волоконный суперлюминесцентный источник с малой длиной когерентности излучения для минимизации поляризационной ошибки в волоконном кольцевом интерферометре (ВКИ). Трехпортовый делитель оптического излучения может представлять из себя либо волоконный сплавной разветвитель, либо волоконный циркулятор оптического излучения. Интегрально-оптическая схема содержит в своем составе Y-делитель оптического излучения и сформированные на выходных плечах Y-делителя два фазовых модулятора. Волоконная чувствительная катушка в зависимости от точности ВОГ содержит от нескольких сотен метров до нескольких километров волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Луч света от источника излучения поступает на первый вход делителя излучения, затем поступает на вход Y-разветвителя интегрально-оптической схемы (ИОС) и делится на два луча, которые проходят световод чувствительной катушки в двух взаимопротивоположных направлениях, после этого эти два луча объединяются Y-разветвителем ИОС в один луч, далее проходя трехпортовый делитель, луч попадает на площадку фотоприемника 5, где и образуют интерференционную картину. Ток фотоприемника усиливается усилителем 6. Далее сигнал с выхода усилителя тока фотоприемника поступает на первый вход дифференциального усилителя 7. На второй вход дифференциального усилителя поступает сигнал постоянной составляющей общего сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника, выделяемой с помощью фильтра низкой частоты 8. В качестве фильтра низкой частоты обычно используется интегратор. Таким образом, дифференциальный усилитель усиливает только переменную составляющую общего сигнала. Переменная составляющая сигнала содержит пички напряжения, которые возникают в структуре общего сигнала из-за конечной полосы пропускания электронного тракта. Пички удаляются с помощью электронного ключа 9. С выхода электронного ключа сигнал поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 10 и далее на вход цифровой части обрабатывающей электроники. Цифровая часть электроники строится либо на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), либо на базе микропроцессора. Сигнал с выхода АЦП поступает на входы двух синхронных детекторов (демодуляторов) 11, 12, которые выделяют сигналы вращения и рассогласования соответственно. Сигнал с первого демодулятора, выделяющего амплитуду сигнала вращения, поступает на вход регулятора 13, который формирует код напряжения ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения, вырабатываемого генератором 14. С помощью пилообразного ступенчатого напряжения осуществляется компенсация разности фаз Саньяка между лучами ВКИ. Сигнал после второго демодулятора, выделяющего амплитуду напряжения сигнала рассогласования, также поступает на вход регулятора 15, который осуществляет регулирование кода амплитуды напряжения ВФМ, вырабатываемого генератором 16. На выходе второго демодулятора путем изменения кода амплитуды напряжения ВФМ стабилизируется амплитуда фазовой модуляции между лучами ВКИ. Условием стабильности амплитуды фазовой модуляции является отсутствие сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора. Далее сигналы с выходов генератора ступенчатого пилообразного напряжения и генератора напряжения ВФМ поступают на вход сумматора 17, а с его выхода - на вход аналого-цифрового преобразователя (ЦАП) 18. С выхода ЦАП ступенчатое пилообразное напряжение и напряжение фазовой модуляции через масштабирующий усилитель 19 поступают на электроды фазовых модуляторов ИОС. На Фиг.2 показано напряжение фазовой модуляции 20, которое подается на электроды фазовых модуляторов ИОС, при этом разность фаз лучей ВКИ изменяется по закону 21. Длительность каждой ступеньки напряжения фазовой модуляции равна времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки ВКИ τ. Величина Δ выбирается из ряда π/2ⁿ, где n=1, 2, 3….

На Фиг.3 показано формирование сигнала вращения ВОГ. Изменения интенсивности излучения на фотоприемнике описываются косинусной кривой 22. Наличие вращения гироскопа приводит в зависимости от знака скорости вращении к смещению кривой разности фаз между лучами ВКИ относительно кривой косинуса. Пунктирные линии 23 показывают смещение кривой разности фаз Саньяка между лучами ВКИ относительно косинусной кривой, в результате на фотоприемнике присутствует сигнал 24, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения. Амплитуда сигнала вращения выделяется на выходе первого демодулятора. Далее с помощью регулятора подбирается соответствующая величина ступеньки пилообразного напряжения, с помощью которой сигнал на выходе демодулятора обнуляется. Первый демодулятор сигнала вращения входит в состав первого контура обратной связи ВОГ, с помощью которого измеряется угловая скорость вращения. С помощью компенсации разности фаз Саньяка пилообразным ступенчатым напряжением при замыкании первого контура обратной связи [1] достигается линейность выходной характеристики гироскопа в широком диапазоне измерения угловых скоростей.

На Фиг.4 показано формирование сигнала рассогласования. Сигнал рассогласования образуется на фотоприемнике тогда, когда изменяется эффективность фазовых модуляторов ИОС. В этом случае изменение эффективности фазовой модуляции показано пунктирными линиями 25. Таким образом, на фотоприемнике формируется сигнал рассогласования 26. Амплитуда сигнала рассогласования выделяется с помощью второго демодулятора. С помощью второго регулятора изменяется амплитуда напряжения ВФМ таким образом, чтобы сигнал на выходе второго демодулятора был равен нулю. Далее с помощью пересчета кода амплитуды напряжения фазовой модуляции определяется амплитуда пилообразного ступенчатого напряжения для того, чтобы разность фаз между лучами ВКИ вносимая фазовыми модуляторами при минимальном значении пилообразного ступенчатого напряжения и его максимальным значением была, например, 2π радиан [1]. Это необходимо, чтобы при сбросе максимального значения пилообразного ступенчатого напряжения до его минимального значения (сброс пилообразного напряжения) не возникало на фотоприемнике изменений оптической мощности. Разность фаз лучей кольцевого интерферометра при сбросе пилообразного напряжения может принимать и другие значения [2]. Таким образом, второй демодулятор сигнала рассогласования входит во второй контур обратной связи, который предназначен для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ [1]. На Фиг.5 представлена структура общего сигнала на фотоприемнике, который содержит сигнал вращения 27, сигнал рассогласования 28 и их постоянную составляющую 29.

На Фиг.6 представлен график 12-часового дрейфа выходного сигнала ВОГ 30 и кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения 31, которое используется для компенсации разности фаз Саньяка между лучами ВКИ ВОГ. По вертикальной оси графика показана измеряемая проекция угловой скорости вращения Земли в град/час. На графике видно, что при «холодном» включении прибора наблюдается медленный дрейф выходного сигнала гироскопа в течение трех часов, а затем выход на стабильный режим измерения в течение 9 часов проекции угловой скорости Земли. В данном случае временем точностной готовности ВОГ следует считать первые 3 часа, что во многих случаях применений ВОГа является совершенно неприемлемым. Известно, что возможной причиной начального дрейфа выходного сигнала ВОГ являются изменения амплитуды сигнала вращения и наличие паразитного смещения нуля на выходе демодулятора сигнала вращения. Выражение для ошибки компенсации разности фаз Саньяка можно в этом случае представить в виде

Ψ_к=Φ_с-θ₁/I₀η_фGsinφ_м,

где θ₁ - паразитное смещение нуля на выходе демодулятора сигнала вращения, Φ_с - разность фаз Саньяка, θ₁, I₀η_фGsinφм - амплитуда сигнала вращения, где I₀ - интенсивность интерферирующих лучей на фотоприемнике, η_ф - токовая чувствительность фотоприемника, G - коэффициент усиления усилителя тока фотоприемника и дифференциального усилителя, φ_м - амплитуда ВФМ лучей ВКИ. На Фиг.7 представлена вариация Аллана 32 дрейфа выходного сигнала ВОГ. Из этого графика следует, что минимальный дрейф выходного сигнала составляет величину 0,0126 град/час, характер шума «белый», спектральная плотность шума составляет величину 0024 град/час^1/2. Указанный выше механизм приводит также и к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ через паразитное начальное смещение нуля 62 на выходе демодулятора сигнала рассогласования. Таким образом, причиной возникновения дрейфа выходного сигнала ВОГ при его включении являются изменения паразитного смещения нуля на выходе демодуляторов θ₁ и θ₂ и изменения амплитуд сигналов вращения и рассогласования. Выражение для ошибки поддержания амплитуды компенсирующего разность фаз Саньяка пилообразного ступенчатого напряжения ΔU_к на модуляторе на необходимом уровне при наличии паразитного смещения θ₂ на выходе демодулятора сигнала рассогласования может быть представлено в виде

ΔU_к=θ₂/I₀η_фGsinφ_мη₀,

где η₀ - эффективность рад/В фазовых модуляторов интегрально-оптической схемы;

I₀η_фGsinφ_м - амплитуда сигнала рассогласования.

Как видно на графике, код выходного сигнала ВОГ и код амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения коррелируют друг с другом. Это ожидаемый результат, так как амплитуды сигналов вращения и рассогласования изменяются синхронно, а паразитные смещения нуля на выходах демодуляторов этих сигналов также могут быть жестко связаны. Исходя из этого, была проведена математическая коррекция выходной характеристики ВОГ с помощью кода напряжения на фазовых модуляторах ИОС при соответствующей операции его масштабирования. Операция масштабирования кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения заключается в следующем. Определяется максимальное изменение кода выходного сигнала прибора при его «холодном» включении и также определяется максимальное изменение кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения на модуляторе. После этого определяется соответствующий коэффициент пересчета изменения кода амплитуды пилообразного ступенчатого напряжения в изменение кода выходного сигнала гироскопа и далее этот коэффициент используется для коррекции выходного сигнала ВОГ путем вычитания отмасштабированного кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения из кода выходного сигнала гироскопа. На Фиг.8 показаны графики скорректированного дрейфа выходного сигнала ВОГ 33 и нескорректированного дрейфа, наложенных друг на друга. Прямая 34 характеризует среднее значение выходного сигнала в течение последних 9 часов его дрейфа. На Фиг.9 показана вариация Аллана скорректированного дрейфа выходного сигнала ВОГ 35. Минимальное значение дрейфа составило величину 0,0066 град/час, характер шума остался «белым» и спектральная плотность шума составила величину 0,0024 град/час. Из графика скорректированного дрейфа видно, что при коррекции выходной характеристики время выхода на стабильный режим (время точностной готовности) значительно сократилось. На Фиг.10 показаны графики нескорректированного 36 и скорректированного дрейфа 37 в течение первых 15 минут. Из графиков видно, что время точностной готовности ВОГ сократилось с 3 часов до 3,5 минут. Приведенное выше описание коррекции выходной характеристики с помощью масштабированного кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения справедливо, если величина эффективности фазовых модуляторов ИОС является стабильной. В этом случае необходимо температуру ИОС поддерживать неизменной, например, с помощью системы термостабилизации. В случае, если термостабилизация ИОС не может быть осуществлена, код амплитуды ступенчатого напряжения может быть дополнительно отмасштабирован с помощью измерения температуры ИОС с помощью термодатчика. Известно, что электрооптические коэффициенты ниобата лития, являющегося подложкой ИОС и определяющие эффективность фазовых модуляторов, имеют линейную зависимость от температуры. В этом случае код пилообразного ступенчатого напряжения ΔU_к при изменении температуры фазовых модуляторов ИОС дополнительно масштабируется по изменению температуры следующим образом:

ΔU_к=θ₂/I₀η_фGsinφ_мη(Т₀),

η(Т₀)=η(Т)-α(Т-Т₀),

где Т - текущее значение температуры ИОС, измеряемое термодатчиком; α - температурный коэффициент изменения эффективности фазовых модуляторов; Т₀ - температура фазовых модуляторов ИОС, при которой производилось первоначальное масштабирование кода амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения по коду выходного сигнала гироскопа, то есть по угловой скорости.

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».