СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА КОЛЬЦЕВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при создании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин.

Волоконно-оптический гироскоп интерферометрического типа содержит в своем составе кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Кольцевой интерферометр состоит из низкокогерентного источника оптического излучения, первого волоконного разветвителя, поляризатора, второго волоконного разветвителя, фазового модулятора, установленного на одном из концов световода чувствительной катушки гироскопа и фотоприемника. Луч света от источника поступает на один из входных концов первого волоконного разветвителя, делится им на два луча, один из которых поступает на вход поляризатора. Пройдя поляризатор, луч линейно поляризованного света поступает на второй волоконный разветвитель, сохраняющий поляризацию излучения, который этот луч делит также на два луча. Эти два луча проходят световод волоконной чувствительной катушки и фазовый модулятор в двух взаимно противоположных направлениях и поступают снова на второй волоконный разветвитель, который теперь уже смешивает эти лучи в один луч, который проходит последовательно в обратном направлении поляризатор, первый волоконный разветвитель и попадает наконец на фотоприемник. Таким образом, на фотоприемнике интерферируют два луча, которые прошли волоконную чувствительную катушку и фазовый модулятор в двух взаимно противоположных направлениях. При вращении волоконного кольцевого интерферометра, между лучами возникает разность фаз, обусловленная эффектом Саньяка:

где P_ф - мощность оптического излучения на фотоприемнике,
P₀/2 - мощность каждого из оптических лучей, интерферирующих на фотоприемнике,
φ_s - разность фаз, обусловленная эффектом Саньяка.

Разность фаз Саньяка может быть выражена следующим образом:

где R - радиус намотки световода чувствительной катушки,
L - длина световода чувствительной катушки гироскопа,
λ - длина волны излучения источника,
с - скорость света в вакууме,
Ω - угловая скорость вращения.

При малых угловых скоростях вращения кольцевой интерферометр обладает практически нулевой чувствительностью к вращению, так как производная функции косинуса около нулевых значений разности фаз практически равна нулю. Для повышения чувствительности волоконно-оптического гироскопа используется вспомогательная фазовая модуляция. Известен способ вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, описанный в патенте РФ 2157962 по заявке 98120880 от 20.11.98. "Способ вспомогательной фазовой модуляции кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа". Согласно известному способу фазовой модуляции в течение периода T₀ формируется разность фаз лучей кольцевого интерферометра в виде импульсной последовательности разности фаз, причем в первую половину периода T₀ формируются импульсы разности фаз, чередующиеся по амплитуде -(π-Δ) радиан и (π+Δ) радиан, а во вторую половину периода T₀ - импульсы, чередующиеся по амплитуде -(π+Δ) радиан и (π-Δ) радиан. Такая последовательность разности фаз лучей кольцевого интерферометра может быть сформирована путем подачи на интегрально-оптический фазовый модулятор пилообразных ступенчатых импульсов напряжения с длительностью каждой ступеньки, равной времени пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки гироскопа. Импульсы в первую половину периода T₀ имеют по переднему фронту N ступенек, а по заднему фронту - n ступенек. Во вторую половину периода T₀ эта последовательность ступенчатых импульсов зеркально отображается. Величина Δ радиан, определяющая амплитуду вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре гироскопа принимает дискретный ряд значений, определяемых выражением:

При данном способе вспомогательной фазовой модуляции удается снизить частоту сигнала вращения гироскопа. В этом случае частота сигнала вращения гироскопа выражается следующим образом:

где τ - время пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки гироскопа,
k - количество ступенчатых пилообразных импульсов напряжения на половине периода T₀, подаваемых на интегрально-оптический фазовый модулятор.

Амплитуда импульсов на частоте f_c на входе синхронного детектора пропорциональна величине:

Для обеспечения линейности выходной характеристики волоконно-оптического гироскопа и для устранения влияния на стабильность его масштабного коэффициента используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка. В этом случае [G. A. Pavlath. Closed-loop fiber optic gyros. SPIE, v.2837, p 46-60,1996] на интегрально-оптический фазовый модулятор, помимо напряжения вспомогательной модуляции, одновременно подается также и ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка. Это напряжение также имеет длительность каждой ступеньки τ, равную времени пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки и высоту каждой ступеньки по напряжению такой величины, что между лучами кольцевого интерферометра с помощью фазового модулятора вносится разность фаз, компенсирующая разность фаз Саньяка, обусловленную вращением. Амплитуда ступенчатого пилообразного напряжения U_п должна быть такой величины, чтобы фазовый модулятор изменял фазу лучей кольцевого интерферометра на величину 2π радиан, в противном случае между лучами интерферометра при сбросе заднего фронта ступенчатого пилообразного напряжения возникает разность фаз, из-за которой возникает смещение нуля волоконно-оптического гироскопа. Кроме этого, несоответствие зоны сброса заднего фронта ступенчатой фазовой пилы величине 2π радиан приводит также и к нестабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Величина высоты каждой ступеньки пилообразного ступенчатого напряжения устанавливается путем изменения частоты этого напряжения и в этом случае для сигнала волоконно-оптического гироскопа можно записать:

где f(t) - частота компенсирующей фазовой пилы,
R - радиус намотки чувствительной катушки гироскопа,
L - длина световода чувствительной катушки,
η - эффективность интегрально-оптического фазового модулятора,
Ω(t) - угловая скорость вращения.

При τ= (Ln/с), где n - показатель преломления материала световода и U_пη = 2π радиан, для сигнала гироскопа можно записать:

Величина 4R/λc определяет масштабный коэффициент волоконно-оптического гироскопа. Стабильность масштабного коэффициента гироскопа в значительной степени зависит от стабильности произведения U_пη. Дело в том, что эффективность интегрально-оптического фазового модулятора наиболее сильно зависит от изменения окружающих условий, например, изменения температуры окружающей среды. Поэтому в схеме обработки информации предусмотрена вторая петля обратной связи, которая должна обеспечивать подстройку амплитуды компенсирующей фазовой пилы напряжения U_п таким образом, чтобы обеспечить постоянство произведения U_пη = 2π радиан. С этой целью вспомогательную фазовую модуляцию осуществляют с частотой 1/2τ сначала импульсами положительной полярности, с помощью которых фазовый модулятор вносит разность фаз лучей кольцевого интерферометра ±π/2 радиан, а затем импульсами отрицательной полярности с той же частотой, которые с помощью фазового модулятора вносят разность фаз с амплитудой ±3π/2 радиан. В этом случае разность уровней напряжения импульсов положительной полярности и импульсов отрицательной полярности соответствует напряжению U_п, при котором U_пη = 2π радиан. Сигнал вращения гироскопа при таком способе вспомогательной фазовой модуляции наблюдается на частоте f_c= 1/2τ, которая является достаточно высокой. При несоответствии разности амплитуд напряжения U_п импульсов положительной и отрицательной полярности, при котором U_пη≠2π радиан, на фотоприемнике кольцевого интерферометра появляется сигнал рассогласования, который выделяется вторым синхронным детектором. Вторая петля обратной связи подстраивает U_п таким образом, чтобы U_пη = 2π радиан и в этом случае сигнал рассогласования на выходе второго синхронного усилителя обращается в нуль.

Недостатком известных способов обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа является то, что формируется раздельно два вида напряжения, которые используются для осуществления вспомогательной фазовой модуляции и компенсации разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа.

Целью настоящего изобретения является упрощение электронного блока и возможность формирования модулирующего напряжения с помощью аналоговой электроники за счет осуществления вспомогательной фазовой модуляции и компенсации разности фаз Саньяка с помощью одного и того же напряжения треугольной формы путем изменения его параметров.

Указанная цель достигается тем, что Δ выбирают в диапазоне 0<Δ<π радиан, а компенсацию разности фаз Саньяка осуществляют в первую часть периода T₀ ¹ путем изменения амплитуды импульсов разности фаз (π-Δ)∓φ_к радиан и (π+Δ)±φ_к радиан, а в оставшуюся часть периода T₀ ¹ - путем изменения амплитуды импульсов (π+Δ)∓φ_к радиан и (π-Δ)∓φ_к радиан, где φ_к - компенсирующий разность фаз Саньяка управляемый сдвиг фаз и T₀ ¹= T₀ при φ_к = 0,, причем контроль за компенсацией разности фаз Саньяка осуществляют по занулению сигнала вращения на выходе синхронного детектора, работающего на частоте f_c=1/T₀ ¹, а коррекцию масштабного коэффициента гироскопа осуществляют по сигналу на выходе синхронного детектора, работающего на частоте смены амплитуд импульсов разности фаз лучей кольцевого интерферометра гироскопа путем изменения параметров модулирующего напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа.

На фиг. 2 показано напряжение треугольной формы, подаваемое на фазовый модулятор кольцевого интерферометра гироскопа и импульсная последовательность разности фаз лучей.

На фиг.3 показан вид выходного сигнала гироскопа в отсутствии вращения.

На фиг.4 показан принцип формирования сигнала вращения на фотоприемнике кольцевого интерферометра гироскопа.

На фиг. 5 показан вид импульсной последовательности разности фаз лучей при осуществлении компенсации разности фаз Саньяка управляемым сдвигом фаз, формируемым с помощью изменения параметров сигнала, подаваемого на фазовый модулятор.

На фиг. 6 показан принцип формирования сигнала, вызванного изменением параметров напряжения треугольной формы, компенсирующего сигнал вращения гироскопа на выходе синхронного детектора.

На фиг.7 показано изменение формы и частоты сигналов модуляции на периоде вспомогательной фазовой модуляции T₀ ¹.

На фиг. 9 показан принцип формирования сигнала рассогласования, использующегося для подстройки амплитуды модулирующего напряжения треугольной формы.

На фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. Волоконно-оптический гироскоп состоит из кольцевого интерферометра и электронного блока обработки информации. В состав кольцевого интерферометра входит источник широкополосного оптического излучения 1, первый волоконный изотропный разветвитель 2, многофункциональная интегрально-оптическая схема 3, включающая в свой состав Y-делитель оптической мощности лучей и два фазовых модулятора. В состав интерферометра также входит волоконная чувствительная катушка 4 и фотоприемник 5 с предварительным усилителем 6. В качестве источника оптического излучения может быть использован полупроводниковый суперлюминесцентный диод или суперфлюоресцентный волоконный источник оптического излучения на основе одномодовых световодов с активированной редкоземельными элементами световедущей жилой [G. A. Sanders еt all. Fiber optic gyros for space, marine and aviation applications. SPIE, v.2837, p.61-71, 1996] . Первый волоконный разветвитель выполняется по стандартной тянуто-сплавной технологии, заключающейся в сварке двух отрезков одномодовых изотропных световодов с последующим формированием в месте сварки биконической перетяжки. Канальные волноводы Y-разветвителя многофункциональной интегрально-оптической схемы формируются в подложке ниобата лития по протон-обменной технологии, которая позволяет получить однополяризационные оптические волноводы. Два фазовых модулятора формируются на выходных плечах Y-делителя оптических лучей путем нанесения по обе стороны канальных волноводов трех металлических электродов, два из которых попарно между собой электрически соединены. Волоконная чувствительная катушка представляет собой многослойную многовитковую катушку, пропитанную специальным компаундом с длиной световода от 200 до 1000 м в зависимости от класса точности волоконно-оптического гироскопа. В качестве фотоприемника обычно используется стандартный p-i-n фотодиод.

Луч света от источника излучения поступает на один из входных концов первого волоконного разветвителя, делится им на два луча, один из которых поступает на вход Y-делителя многофункциональной интегрально-оптической схемы и делится им на два луча одинаковой интенсивности Эти два луча проходят затем во взаимно противоположных направлениях фазовые модуляторы и световод чувствительной катушки гироскопа, после чего они объединяются Y-делителем и, пройдя первый волоконный разветвитель, часть мощности объединенных лучей попадает на фотоприемник. Таким образом, на фотоприемнике наблюдается интерференция двух оптических лучей, прошедших световод чувствительной катушки в двух взаимно противоположных направлениях.

Электронный блок обработки информации содержит генератор напряжения треугольной формы 7, синхронный усилитель 8, выделяющий сигнал вращения гироскопа, блок управления параметрами напряжения треугольной формы 9, второй синхронный детектор 10 для выделения сигнала рассогласования и блок управления 11 для контроля амплитуды напряжения.

На фиг. 2 показан вид напряжения треугольной формы 12, вырабатываемого генератором. Напряжение имеет период T₀ при отсутствии вращения гироскопа. Первый полупериод T₀/2 содержит, например, два треугольных импульса, которые имеют более высокую скорость нарастания по переднему фронту. Во второй полупериод T₀/2 последовательность импульсов зеркально отображается. При подаче этого напряжения на электроды фазового модулятора между лучами кольцевого интерферометра формируется импульсная последовательность 13 разности фаз. В первую половину периода T₀ формируется чередующаяся последовательность импульсов разности фаз с амплитудами -(π+Δ) радиан и (π-Δ) радиан, а во вторую половину периода T₀ - чередующаяся последовательность импульсов, с амплитудами (π+Δ) радиан и -(π-Δ) радиан. Амплитуда вспомогательной фазовой модуляции определяется параметром Δ, который определяется следующим выражением:

где U_п - амплитуда напряжения треугольных импульсов,
η - эффективность интегрально-оптических фазовых модуляторов,
τ - время пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки,
T₁ - время нарастания переднего фронта треугольного напряжения,
T₂ - время нарастания заднего фронта треугольного напряжения.

Здесь необходимо отметить, что из-за смены знака скорости нарастания напряжения в окрестности вершин импульсы разности фаз лучей кольцевого интерферометра имеют время нарастания и спада, равное τ..

На фиг.3 показан вид сигнала на фотоприемнике при рассмотренной выше фазовой модуляции лучей. Интенсивность на фотоприемнике зависит по закону косинуса 14 от разности фаз лучей, в силу чего сигнал на фотоприемнике имеет вид 15. Сигнал на фотоприемнике имеет характерные выбросы, которые обусловлены сменой знака скорости нарастания напряжения при переходе вершин треугольного напряжения вспомогательной фазовой модуляции. При усреднении по периоду фазовой модуляции T₀ эти пикообразные импульсы, длительность которых кратна времени τ, по-видимому, не должны давать паразитного сигнала вращения гироскопа и для простоты рассмотрения в дальнейшем будем пренебрегать конечным временем нарастания и спада импульсов вспомогательной фазовой модуляции.

На фиг. 4 показан принцип формирования сигнала вращения 16 волоконно-оптического гироскопа. Пунктирной линией показано фазовое смещение, обусловленное эффектом Саньяка при вращении кольцевого интерферометра. Как видно из чертежа, частота сигнала, несущего информацию о вращении волоконно-оптического гироскопа, может быть выражена следующим образом:
f_c=1/2nT₀,
где n - количество пилообразных импульсов напряжения на полупериоде T₀.

На фиг. 5 показан принцип формирования разности фаз лучей, позволяющих компенсировать разность фаз Саньяка. При положительных значениях угловой скорости, то есть при положительных значениях разности фаз Саньяка, треугольные импульсы имеют более высокую скорость нарастания переднего фронта и, наоборот, более низкую скорость нарастания заднего фронта по сравнению с импульсами напряжения, формируемыми в первую половину периода T₀ при отсутствии вращения. Эти измененные импульсы формируются в течение отрезка времени T₀₁ ¹. В течение отрезка времени T₀₂ ¹ также увеличивается скорость нарастания напряжения зеркально отображенных треугольных импульсов по переднему фронту и уменьшается по модулю скорость спада напряжения по заднему фронту импульсов. В результате этой процедуры изменяется период следования треугольных импульсов напряжения, с помощью которых в этом случае осуществляется не только вспомогательная фазовая модуляция, но и осуществляется компенсация разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре. В первую часть T₀₁ ¹ периода T₀ импульсы разности фаз лучей кольцевого интерферометра имеют вид 19, а в оставшуюся часть T₀₂ ¹ периода T₀ ¹ импульсы разности фаз имеют вид 20.

На фиг. 6 показан принцип формирования переменного сигнала 21, компенсирующего сигнал вращения. Переменный сигнал, компенсирующий сигнал вращения гироскопа, обусловленный фазовым смещением Саньяка, формируется с помощью изменения скорости нарастания переднего фронта треугольных импульсов и скорости спада их заднего фронта описанным выше способом. Изменение скорости нарастания и спада фронтов треугольных импульсов напряжения осуществляется с помощью блока управления, который изменяет частоту следования импульсов в первую часть T₀₁ ¹ и во вторую часть T₀₂ ¹ периода T₀ ¹. Для компенсации разности фаз Саньяка частота пилообразных импульсов напряжения в течение периода T₀₁ ¹ уменьшается, а в течение T₀₂ ¹ увеличивается или, наоборот, в зависимости от знака угловой скорости вращения. Изменение частоты следования треугольных импульсов напряжения блоком управления прекращается при отсутствии сигнала вращения на выходе синхронного усилителя.

На фиг.7 показано изменение формы и частоты напряжения при осуществлении компенсации разности фаз Саньяка. Рассмотрим случай отрицательной скорости вращения, то есть компенсацию отрицательной разности фаз Саньяка.

В течение первого отрезка времени τ₁ увеличения скорости нарастания напряжения, для величины τ₁ можно записать:

Для величины отрезка времени T₀₂ ¹ справедливо следующее соотношение:

Частота треугольных импульсов при этом равна:

Для величины τ₃ (фиг.7) имеем следующее соотношение:

Для величины τ₄ справедливо следующее соотношение:

Частота напряжения треугольной формы в этом случае:

Разность частот треугольных импульсов напряжения, подаваемых на интегрально-оптический фазовый модулятор в режиме компенсации разности фаз Саньяка будет равна величине:

В данном случае φ_к = -φ_s и для скорости вращения гироскопа можно записать

где R - радиус намотки чувствительной катушки гироскопа,
λ - длина волны излучения источника,
n₀ - показатель преломления материала световода,
Ω(t) - угловая скорость вращения.

Измеряя разность частот следования треугольных импульсов в режиме компенсации разности фаз Саньяка, мы, тем самым, измеряем угловую скорость вращения с масштабным коэффициентом, который, в данном случае, выражается следующим образом:

Наибольший вклад в нестабильность масштабного коэффициента будет давать нестабильность эффективности η интегрально-оптических фазовых модуляторов, так как электрооптические коэффициенты ниобата лития зависят от изменения температуры окружающей среды; при изменении эффективности фазовых модуляторов изменяется величина Δ. Для стабилизации величины Δ/U_пη в электронном блоке обработки информации предусматривается вторая петля обратной связи.

На фиг.8 показан вид модулирующего напряжения 22 и закон изменения разности фаз 23 лучей кольцевого интерферометра. При изменении эффективности фазовых модуляторов модулирующее напряжение приобретает вид 24, а закон изменения разности фаз лучей - вид 25, в результате чего на фотоприемнике (фиг. 9) появляется импульсная последовательность напряжения 26. Величина Δ, определяющая амплитуду вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре, определяет и соотношение времен T₁ и T₂ на периоде T₀ модулирующего напряжения, которые определяют длительность переднего и заднего фронтов напряжения треугольной формы. Соотношение времен в зависимости от Δ дается выражением:

Например, при Δ = π/2, T₂=3T₁, и в этом случае амплитуда импульсов разности фаз лучей составляет -3π/2 радиан и π/2 радиан. Таким образом, во время коррекции масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа период следования T₀ треугольного напряжения делится на две части в соотношении 1: 3, в первую часть которого происходит нарастание напряжения, а во вторую часть - линейный спад напряжения, и при этом амплитуда треугольного напряжения устанавливается таким образом, чтобы выполнялось условие:

При изменении эффективности фазового модулятора η или при изменении амплитуды треугольного напряжения, как отмечалось выше, на фотоприемнике появляется импульсная последовательность напряжения (сигнал рассогласования), свидетельствующая о нарушении условия соответствия амплитуд импульсов разности фаз лучей кольцевого интерферометра ±(π-Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан. Амплитуду импульсов сигнала рассогласования при наличии вращения гироскопа можно представить в виде, при Δ = π/2:
A_расс~4γ₀cosφ_s+5γ

Таким образом, в случае изменения величины Δ/U_пη, например, из-за изменения эффективности фазовых модуляторов, сигнал рассогласования на фотоприемнике присутствует всегда, при любой скорости вращения гироскопа, то есть коррекция масштабного коэффициента гироскопа может производиться в любой удобный момент времени.

Сигнал рассогласования выделяется с помощью дополнительного синхронного детектора, работающего на частоте смены амплитуд импульсов разности фаз лучей кольцевого интерферометра, равной 1/(T₁+T₂). С помощью второго блока управления изменяется амплитуда напряжения, подаваемого на интегрально-оптические фазовые модуляторы до тех пор, пока на выходе синхронного детектора сигнал рассогласования не обратится в нуль. В результате этой процедуры стабилизируется величина Δ/U_пη, что приводит к стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа.

Рассмотрим кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа со следующими параметрами: L= 200 м; R=0,025 м; λ=0,83 мкм; η=1рад/В; n=1,46. Для сигнала на выходе волоконно-оптического гироскопа можно записать:

Обычно в кольцевом интерферометре гироскопа используется фазовая модуляция с амплитудой ±π/2 радиан и ±3π/2, что достигается при Δ = π/2 радиан. Предположим теперь, что T₁=2τ и соответственно T₂=6τ, таким образом T₀=8τ. Для амплитуды треугольного напряжения в этом случае имеем следующее соотношение:

Из этого соотношения следует, что U_пη = 3τ радиан и для выходного сигнала гироскопа справедливо соотношение:
Δf(t) = 4,82•10²•Ω(t), град/с.
Максимальная разность частот при φ_s = π/2 радиан в данном случае составляет 166 кГц, что позволяет измерять угловую скорость вращения в диапазоне ±340^o/сек.

При выборе Δ = π/4 и T₁=2τ, U_пη = 2,5π радиан и диапазон измерения угловой скорости при этом расширяется до значения ±620^o/сек.

В заключение отметим, что треугольное напряжение может представлять из себя как непрерывно линейно нарастающее или убывающее напряжение, так и напряжение, представляющее собой ступенчатое нарастающее и убывающее напряжение. При этом длительность каждой ступеньки равна времени пробега лучей по световоду чувствительной катушки гироскопа, хотя использование такого напряжения в реальных устройствах весьма ограничено из-за большой дискретности отсчета изменения угловой скорости.