EA012960B1

EA012960B1 - Волоконно-оптический гироскоп с использованием световода с низкой степенью поляризации и с сохранением поляризации излучения

Info

Publication number: EA012960B1
Application number: EA200800911A
Authority: EA
Inventors: Вей Ванг; Кингшенг Янг; Жиксин Жанг; Юксин Ксу; Вейлианг Кин
Original assignee: Бэиджинг Аэроспейс Таймз Оптикал-Электроник Текнолэджи Ко. Лтд.
Priority date: 2006-12-31
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2010-02-26
Also published as: US20100238450A1; CN100494897C; WO2008080307A1; EA200800911A1; UA86696C2; US8102535B2; CN101008569A

Abstract

Волоконно-оптический гироскоп с использованием световода с низкой степенью поляризации и с сохранением поляризации содержит оптическую измерительную головку и узел обработки сигналов цепи, причем оптическая измерительная головка содержит источник света, фазовый модулятор на основе оптического волновода Y-образной формы, детектор, ответвитель и катушку оптического волокна, причем источник света представляет собой источник света с низкой степенью поляризации и одномодовый волоконный ответвитель с пигтейлом; на входе указанного фазового модулятора на основе оптического волновода Y-образной формы используется одномодовое волокно, а на выходе фазового модулятора на основе оптического волновода Y-образной формы используется волокно, сохраняющее поляризацию; входной волоконный пигтейл указанного детектора представляет собой одномодовое волокно; ответвитель представляет собой независимый от поляризации одномодовый волоконный ответвитель 2×2; катушка оптического волокна представляет собой волокно, сохраняющее поляризацию. Благодаря принятию схемы световода с низкой степенью поляризации и с сохранением поляризации и способов обработки сигналов, таких как полностью цифровое регулирование по замкнутому циклу и случайная перемодуляция и т.п., это изобретение может уменьшить влияние поляризованных перекрестных искажений световода, упростить технологию сборки, сделать возможным серийное производство и гарантировать высокую линейность масштабного коэффициента и низкий уровень шума. Кроме того, путем установления температурной модели и компенсации температурных воздействий изобретение делает возможным немного больший сдвиг смещения волоконно-оптического гироскопа во всем температурном диапазоне, вследствие чего можно получить волоконно-оптический гироскоп с высокими характеристиками и технической применимостью.

Description

Область изобретения

Изобретение относится к волоконно-оптическому гироскопу, в частности волоконно-оптическому гироскопу с использованием световода с низкой степенью поляризации и с сохранением поляризации излучения, который является недорогим, помехоустойчивым и пригодным для серийного производства.

Предпосылки изобретения

Волоконно-оптический гироскоп - это прибор, который используется для измерения угловой скорости на основе эффекта Саньяка, применяемый большей частью в инерциальных измерительных системах. В настоящее время усовершенствованными и широко применяемыми видами являются большей частью интерференционные цифровые волоконно-оптические гироскопы с замкнутым контуром. Свет от источника с помощью ответвителя и фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы расщепляется на два встречных луча света. Когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью ω, между этими двумя лучами света возникает разность фаз Саньяка и происходит интерференция. Потом с помощью детектора она преобразовывается в электронный сигнал, и после обработки можно получить соответствующий входной сигнал угловой скорости.

Волоконно-оптические гироскопы имеют преимущества: малый объем, малую массу, скорость включения, высокую надежность и продолжительный срок службы и т.п., поэтому они широко используются в системах навигации, управления и т.д. В настоящее время в отечественных и зарубежных волоконно-оптических гироскопах в качестве светоделителя в основном используется волоконный ответвитель, сохраняющий поляризацию излучения, и принятая схема полного сохранения поляризации в световоде; технология отработана, и волоконно-оптические гироскопы со схемой полного сохранения поляризации производятся серийно. Но схема с полным сохранением поляризации предъявляет жесткие требования к свойству сохранения поляризации и стабильности поляризации источника света и волоконного ответвителя, сохраняющего поляризацию, и чувствительна к влиянию внешних факторов среды. В дополнение, схема с полным сохранением поляризации предъявляет жесткие требования к технологии сборки и точности соосности и себестоимость такого устройства высокая, что нежелательно для серийного производства.

Описание изобретения

Одна из проблем, которую может решить это изобретение, состоит в следующем: для устранения недостатков схемы с полным сохранением поляризации предлагается волоконно-оптический гироскоп с использованием гибридного световода с низкой степенью поляризации и с сохранением поляризации. Он может уменьшить влияние поляризационных перекрестных искажений в световоде, снизить себестоимость световода, упростить технологию сборки, повысить производительность производства и согласованность сборки и содействовать серийному производству.

В дополнение, другой предлагаемый способ способен решить многие проблемы, а именно с помощью обработки сигналов цепи и компенсации температурных воздействий достигается полностью цифровое регулирование по замкнутому циклу, расширяется динамический диапазон, снижается уровень шума и улучшаются масштабный коэффициент и температурная адаптивность волоконно-оптического гироскопа.

Техническим решением изобретения является волоконно-оптический гироскоп с использованием световода с низкой степенью поляризации и с сохранением поляризации, который содержит оптическую измерительную головку и узел обработки сигналов цепи, причем оптическая измерительная головка содержит источник света, фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы, детектор, ответвитель и катушку оптического волокна. Он отличается тем, что в указанной оптической измерительной головке используется световод с низкой степенью поляризации и с сохранением поляризации, т.е. вышеупомянутый источник света представляет собой источник света с низкой степенью поляризации и одномодовый волоконный ответвитель с пигтейлом (ρίβίαίΐ) (коротким отрезком оптического волокна с установленным разъемом на одном конце); на входе указанного фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы используется одномодовое волокно, а на выходе фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы - волокно, сохраняющее поляризацию; входной волоконный пигтейл указанного детектора представляет собой одномодовое волокно; указанный ответвитель представляет собой независимый от поляризации одномодовый волоконный ответвитель 2x2; указанная катушка оптического волокна представляет собой волокно, сохраняющее поляризацию.

В указанном узле обработки сигналов цепи используется полностью цифровое регулирование по замкнутому циклу, узел содержит, по крайней мере, предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, логическую схему с вентильной матрицей, которая программируется пользователем (РРСЛ), цифроаналоговый преобразователь и модуляционный задающий контур. После протекания через детектор и предварительный усилитель сигнал интерференции преобразовывается в сигнал напряжения, потом аналого-цифровым преобразователем преобразовывается в цифровой сигнал и подвергается цифровой демодуляции, цифровому интегрированию и цифровому фильтрованию и т.п. в логической схеме с вентильной матрицей, которая программируется пользователем, для получения сигнала с фронтом из микроступеней и цифрового фазового сигнала пилообразной формы. После того как цифровой

- 1 012960 фазовый сигнал пилообразной формы накладывается на цифровой сигнал случайной перемодуляции, он накладывается на фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы как сигнал обратной связи после протекания через цифроаналоговый преобразователь и модуляционный задающий контур, потом вносится модуляция смещения, и осуществляется компенсация фазового сдвига Саньяка с помощью входного сигнала, и таким образом достигается полностью цифровое регулирование по замкнутому циклу. Сигнал с фронтом из микроступеней - это исходящий сигнал замкнутого контура волоконно-оптического гироскопа; его можно получить потом путем компенсации температурных воздействий.

Указанная модуляция смещения - это случайная перемодуляция, т.е. форма волны модуляции, представляет собой сигнал прямоугольной формы псевдослучайной последовательности, глубина модуляции которой составляет 2π/3, а частота вдвое больше собственной частоты катушки оптического волокна.

Выполним моделирование компенсации температурных воздействий на выходе замкнутого контура указанного узла обработки сигналов цепи, т. е. разместим датчик температуры рядом с катушкой оптического волокна, измерим температурные данные катушки оптического волокна и установим температурную модель волоконно-оптического гироскопа в таком виде

Ω=Κο+Κ|ω_ιη+ε(1)

Κ,ίΤ^Κοο+Κο^+ΚοζΔΤ(2)

КХТ^Кш+КнТ+КиДТ(3) где Ω - исходящий сигнал волоконно-оптического гироскопа, ω_ιη - входной сигнал угловой скорости, 8 - случайный сдвиг, Т - температура; ДТ -температурный градиент, К₁ и К - коэффициенты ошибки.

Принцип изобретения: после глубокого исследования механизма поляризации световода, влияющего на характеристики волоконно-оптического гироскопа, для случая световода с полным сохранением поляризации излучения была выведена формула для ошибки поляризации

где ά - степень поляризации источника света, ε - коэффициент подавления поляризации фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы, 11 - параметр сохранения поляризации волокна, 1 - длина волокна катушки оптического волокна, произведение 1 и 1 представляет статистический эффект поляризационных перекрестных искажений в катушке.

Приведенная выше формула справедлива в случае ответвителя, сохраняющего поляризацию излучения, и не может применяться к случаю одномодового ответвителя. Фазовую ошибку ф_е волоконнооптического гироскопа, вызванную свойством поляризации гибридного световода с одномодовым ответвителем, можно определить по формуле

где ρι - отношение амплитуды волны света на оси подавления фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы к амплитуде на входной оси; указанная волна света излучается источником света, проходит через одномодовый ответвитель и потом разветвляется в фазовом модуляторе на основе оптического волновода Υ-образной формы. Максимальное значение ρι представляет отношение амплитуды волны света в направлении максимальной интенсивности к амплитуде волны света в направлении минимальной интенсивности до разветвления волны света в фазовом модуляторе на основе оптического волновода Υ-образной формы, которое обозначается как (1+άι)/(1-άι), где άι - степень поляризации волны света, которая подается на вход фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы. Минимальное значение ρ₁ обозначается как (1-ά₁)/(1+ά₁), ρ₂=11. Из приведенной выше формулы можно видеть, что для того, чтобы уменьшить ошибку поляризации, можно повысить степень поляризации источника света; можно также использовать волоконный ответвитель, сохраняющий поляризацию излучения, с высоким коэффициентом угасания и можно обеспечить, чтобы входные оси волоконных пигтейлов источника света, ответвителя и фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы совпадали. Однако себестоимость ответвителя, сохраняющего поляризацию излучения, относительно высокая - в 40 раз больше себестоимости одномодового ответвителя. Если источник света ЗЬИ (8ирет Ьит1пе8сепсе Июбе - суперлюминесцентный диод) с высокой степенью поляризации используется вместе с независимым от поляризации одномодовым волоконным ответвителем 2x2, излучение источника света нельзя правильно выровнять с входным портом фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы; если степень поляризации источника света равняется 0,8, область изменения ρ₁ может достигать 81, а максимальное значение фазовой ошибки в 9 раз выше, чем идеальное значение. Для того чтобы решить эту проблему с малыми затратами, предлагается использование источника света с низкой степенью поляризации и независимым от поляризации одномодовым волоконным ответвителем 2x2, параметр ρ₁ которого близкий к 1. До тех пор пока коэффициент подавления поляризации ε будет достаточно низким, фазовая ошибка, вызванная поляризацией, может быть

- 2 012960 достаточно малой и стабильной. Например, если степень поляризации ф волны света на входе к фазовому модулятору на основе оптического волновода Υ-образной формы составляет 0,06, можно вычислить, что область изменения параметра ρι составляет 1,13, а изменение фазовой ошибки - лишь 1,06. На самом деле ε может достигать 10^-6, если источник света со степенью поляризации Ф=0,8 используется вместе с одномодовым ответвителем, ρ1=0,11~9; если й=10^-5, Ь=1000 м, максимальна фазовая ошибка фе=9х10^-7рад. Если степень поляризации ф источника света снижается до 0,05, Ф|=0.06. а другие параметры остаются неизменными, ρ₁=0,89~1,13, максимальная фазовая ошибка может быть малой 1,06х10^-7рад, уменьшенной на 88,2%. Поэтому при использовании световода с неполным сохранением поляризации, основанным на независимом от поляризации одномодовом волоконном ответвителе 2x2, и источника света с низкой степенью поляризации малую фазовую ошибку также можно получить; более того, изменения фазовой ошибки будет малым, что удовлетворяет требованию волоконно-оптических гироскопов с разной точностью. Это показывает, что использование источника света с низкой степенью поляризации и независимого от поляризации ответвителя может эффективно уменьшить ошибку поляризации.

Если одномодовый ответвитель не является независимым от поляризации, он может выполнять функцию поляризации, даже если свет, который проходит через ответвитель, представляет собой неполяризованный свет. Степень поляризации световой волны можно также повысить до большого значения. В худшем случае ее можно повысить до 0,6, и при этом она вызовет большую фазовую ошибку 2х 10^-7рад, которая недопустима для волоконно-оптического гироскопа с повышенной точностью. Так что в данном изобретении использование независимого от поляризации ответвителя может обеспечить то, что изменения поляризации световой волны при входе в фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы будет минимальным для того, чтобы обеспечить ошибку поляризации стабилизированной с относительно низким значением.

Преимущества изобретения относительно известных технических решений

1. В данном изобретении источник света представляет собой источник света с низкой степенью поляризации, а к детектору, входу фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы и ответвителю, ко всем подключены одномодовые волокна. Это может снизить требования к свойству сохранения поляризации и к стабильности поляризации последних оптических элементов и в значительной степени уменьшить влияние поляризационных помех искажений световода, улучшить характеристики противотемпературных колебаний и механизма интерференции волоконно-оптического гироскопа. С другой стороны, входной световод в известных технических решениях представляет собой световод, сохраняющий поляризацию излучения, и используется источник света с высокой степенью поляризации (степень поляризации >90%), итак, выдвигаются жесткие требования к свойству сохранения поляризации и к стабильности поляризации вышеуказанных оптических элементов, и легко вызвать поляризационные перекрестные искажения в световоде.

2. Используется независимый от поляризации одномодовый волоконный ответвитель 2x2, в результате чего поляризационные перекрестные искажения уменьшаются.

3. Поскольку волоконный пигтейл элементов входного световода представляет собой одномодовое волокно и используется одномодовый волоконный ответвитель низкой себестоимости, себестоимость световода снижается.

4. При сращивании входного световода фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы в выравнивании осей нет потребности, поэтому себестоимость изделия снижается, а производительность производства и согласованность сборки повышаются, что содействует серийному производству. Сердцевина волокна, сохраняющего поляризацию излучения, перед сращиванием нуждается в точном аксиальном выравнивании, что приводит к низшей производительности производства и худшей согласованности сборки.

5. Используется полностью цифровое регулирование по замкнутому циклу, поэтому динамический диапазон расширяется, а требования к характеристикам электронных элементов снижаются.

6. Используется перемодуляция, поэтому можно добиться высокого отношения сигнал-шум. Кроме того, с помощью случайной модуляции можно предотвратить мертвую зону (зону отсутствия чувствительности) из-за фиксированной формы волны модуляции и повысить линейность масштабного коэффициента.

7. Путем установления температурной модели волоконно-оптического гироскопа и выполнения алгоритма компенсации в цифровом процессоре сигналов дополнительный псевдослучайный сигнал нулевого положения волоконно-оптического гироскопа во всем температурном диапазоне можно уменьшить, а температурную адаптивность волоконно-оптического гироскопа повысить.

Краткое описание графического материала

Фиг. 1 представляет собой схему волоконно-оптического гироскопа.

Фиг. 2 представляет собой схематический вид формы волны случайной перемодуляции, которая используется в этом изобретении.

Фиг. 3 представляет собой схематический вид исходящего сигнала волоконно-оптического гиро

- 3 012960 скопа до подвергания его компенсации температурных воздействий.

Фиг. 4 представляет собой схематический вид исходящего сигнала волоконно-оптического гироскопа после подвергания его компенсации температурных воздействий.

Фиг. 5 представляет собой блок-схему варианта осуществления логической схемы с вентильной матрицей, которая программируется пользователем, на фиг. 1.

На данных фигурах: 101 - источник света, 102 - детектор, 103 - ответвитель, 104 - фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы, 105 - катушка оптического волокна, 106 - место сращивания волокна, 107 - место сращивания волокна, 108 - место сращивания волокна, 109 - место сращивания волокна, 110 - место сращивания волокна, 111 - свободный конец ответвителя, 112 - предварительный усилитель, 113 - аналого-цифровой преобразователь, 114 - логическая схема с вентильной матрицей, которая программируется пользователем, 115 - цифроаналоговый преобразователь, 116 - датчик температуры, 117 - модуляционный задающий контур, 118 - задающий контур источника света, 119 микросхема цифрового процессора сигналов.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Как показано на фиг. 1, вариант осуществления оптической схемы гироскопа по данному изобретению содержит источник света 101, детектор 102, ответвитель 103, фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы 104 и катушку из оптического волокна 105.

Источником света 101 преимущественно является источник света с низкой степенью поляризации с длиной волны 1310 нм и степенью поляризации <5%; на выходе разветвления используется пигтейл из одномодового волокна с диаметром модового поля 6,5±0,5 мкм и диаметром оболочки 125 мкм. При использовании вышеупомянутого источника света для снижения потерь оптической мощности световода можно повысить отношение сигнал/шум. На самом деле, источником света 101 может быть и источник света с низкой степенью поляризации с длиной волны 850 нм; если требование к точности волоконнооптического гироскопа не высокое, можно использовать источник света и с другой степенью поляризации, скажем, источник света со степенью поляризации 6-10%. Технологический процесс производства источника света с низкой степенью поляризации в основном базируется на теории энергетической зоны полупроводника. В технологии используется структура ребристого волновода, объединенная с технологией производства зон поглощения и технологией нанесения высокопросветляющей пленки на поверхность полости для того, чтобы коэффициент затухания светового сигнала соответствовал условию низкой степени поляризации.

Входной волоконный пигтейл детектора 102 представляет собой одномодовое волокно, показатель обратных потерь (потерь через обратное рассеивание) которого должен быть >40 дБ. В известных схемах со световодом с сохранением поляризации волоконный пигтейл детектора представляет собой волокно, сохраняющее поляризацию излучения. В данном изобретении предлагается световод с низкой степенью поляризации и сохранением поляризации и независимый от поляризации одномодовый волоконный ответвитель; одномодовое волокно подключено также к детектору, поэтому на влияние поляризации на выявление светового сигнала можно не обращать внимание, и благодаря использованию одномодового волокна можно снизить себестоимость. Показатель обратных потерь должен быть >40 дБ из-за того, что световой сигнал, отраженный от детектора на катушку оптического волокна, - это сигнал шума, и он будет оказывать непосредственное влияние на характеристики волоконно-оптического гироскопа. Так, когда детектор в данном изобретении соединяют с концом волокна, конец волокна при изготовлении должен быть смещенным на 10° для того, чтобы потери на отражение соответствовали требованиям. Хотя конец волокна, связанный с детектором, используемый для оптической связи, не был обработан, его показатель потерь на отражение составляет ниже чем 30 дБ, обычно 20~30 дБ, как правило, он не применяется в данном изобретении.

Ответвитель 103 представляет собой независимый от поляризации одномодовый волоконный ответвитель 2x2, потери оптической мощности которого обусловлены изменением поляризации, должны быть <0,03 дБ, диаметр модового поля должен быть 6,5±0,5 мкм и диаметр оболочки - 125 мкм. Вышеупомянутые показатели используются большей частью для того, чтобы обеспечить согласованность модового поля всего световода. Одномодовые волоконные ответвители можно разбить на две группы: независимые от поляризации и зависимые от поляризации. Зависимые от поляризации потери зависимого от поляризации одномодового волоконного ответвителя >0,1 дБ, даже больше 0,15 дБ, поэтому его нельзя использовать в данном изобретении. Диаметр модового поля одномодового волокна, используемого в обычном одномодовом ответвителе, равняется 9~10,5 мкм, поэтому его нельзя использовать в световоде с низкой степенью поляризации и с сохранением поляризации. Независимый от поляризации одномодовый волоконный ответвитель 2x2 можно приобрести на рынке, можно также изготовить, используя следующий способ: используя технологию продольного сужения с параллельным или скрученным спеканием, т. е. в процессе сплавления и биконического сужения двух касательных на длине разогрева оптических волокон, задают контрольную точку отношения расщепления после отпуска (30:70), контролируют достижение этой контрольной точки. Одновременно с отпуском нагревательной горелки зажимщик волокна на конце зоны сплавления и биконического сужения ответвителя оборачивают на 90°, контролируя

- 4 012960 при этом угол обращения волокна. Таким образом, можно изготовить независимый от поляризации одномодовый ответвитель. Устройством для осуществления вышеупомянутых операций может быть система сплавления и биконического сужения оптических волокон компании ЛШсесб Сотрапу (Тайвань). На входе фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы 104 используется одномодовое волокно с диаметром модового поля 6,5±0,5 мкм и диаметром оболочки 125 мкм; на выходе используется эллиптическое волокно, сохраняющее поляризацию излучения, с меньшим диаметром 80 мкм. Принцип состоит в следующем: (1) при использовании этого типа одномодового волокна диаметр модового поля совпадает с диаметром модового поля микросхемы волновода, что является предпочтительным для разветвления волокна; использование волокна малого диаметра на выходе фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы предназначено большей частью для того, чтобы обеспечить согласование размера волокна с катушкой оптического волокна, что является предпочтительным для операции сращивания и благодаря чему качество и эффективность сращивания можно повысить; (2) поскольку входной световод - это одномодовое волокно, использование одномодового волокна в качестве фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы может в определенной мере снизить себестоимость и уменьшить объем работы по азимутальному выравниванию на 1/3, если речь идет о присоединении волоконных пигтейлов фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы. С другой стороны, в известных технических решениях фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы имеет как на входе, так и на выходе волокно, сохраняющее поляризацию излучения, с диаметром оболочки 125 мкм.

Катушка оптического волокна 105 представляет собой эллиптическое волокно, сохраняющее поляризацию излучения, с меньшим диаметром 80 мкм. Как показали результаты экспериментов, вышеупомянутый показатель может уменьшить объем катушки оптического волокна и улучшить характеристики сопротивления изгибу, повысить срок службы катушки оптического волокна.

Во время изготовления световода все одномодовые волоконные пигтейлы по данному изобретению должны иметь длину <0,30 м. Это помогает уменьшить влияние фактора внешнего окружения на напряжение одномодового волокна и таким образом уменьшить коэффициент нестабильности поляризации, поскольку чем длиннее волокно, тем легче оно подвергается интерференции.

Источник света 101 подключен к ответвителю 103 через место сращивания 106; детектор 102 подключен к ответвителю 103 через место сращивания 107; ответвитель 103 подключен к фазовому модулятору на основе оптического волновода Υ-образной формы 104 через место сращивания 110; фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы 104 подключен к катушке оптического волокна 105 через место сращивания 108 и 109 соответственно. Во время процесса сборки контролируют, чтобы отдельные длины волоконных пигтейлов источника света 101, детектора 102, ответвителя 103 и фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы 104 были <0,30 м. После того как источник света 101 и вход ответвителя 103 соединены, измеряют степень поляризации исходящего светового сигнала на внешнем свободном конце 111 ответвителя 103, необходимая степень поляризации должна быть <6%. Свободный конец 111 ответвителя 103 разбивают, скручивают в два кольца диаметром 10 мм и фиксируют волокно клеем-отвердителем. Степень поляризации ответвителя со свободным концом <6%, главным образом из-за того, что остаточная поляризация и технология составления световода ответвителя одномодового волокна вызывают повышение степени поляризации светового сигнала, который подается в фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы. Путем контроля можно сравнивать степень поляризации светового сигнала на внешнем свободном конце ответвителя со степенью поляризации светового сигнала, который подается в фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы. Если показатель степени поляризации очень большой, это может оказать влияние на шум световода и ухудшить характеристики волоконно-оптического гироскопа. Поэтому степень поляризации необходимо регулировать так, чтобы она была <6%.

Задающий контур 118 источника света на фиг. 1 требует, чтобы изменение температуры сердечника источника светы контролировалось в пределах 0,1°С, а изменение оптической мощности источника света - в пределах 3%.

Предлагаемый узел цифрового регулирования по замкнутому циклу содержит, по крайней мере, предварительный усилитель 112, аналого-цифровой преобразователь 113, логическую схема с вентильной матрицей, которая программируется пользователем, 114, цифроаналоговый преобразователь 115 и модуляционную задающую схему 117. После прохождения через детектор 102 и предварительный усилитель 112 сигнал интерференции преобразуется в сигнал напряжения. Потом аналого-цифровым преобразователем 113 он преобразуется в цифровой сигнал. Исходящий сигнал замкнутого контура волоконно-оптического гироскопа образовывается после осуществления цифровой демодуляции, цифрового интегрирования и цифрового фильтрования в логической схеме с вентильной матрицей, которая программируется пользователем; потом он выдается путем компенсации температурных воздействий в микросхеме цифрового процессора сигналов 119; с другой стороны, логическая схема с вентильной матрицей, которая программируется пользователем, дальше интегрирует исходящий сигнал замкнутого контура волоконно-оптического гироскопа для получения цифрового фазового сигнала пилообразной формы.

- 5 012960

После того как цифровой фазовый сигнал пилообразной формы накладывается на цифровой сигнал случайной перемодуляции, он накладывается на фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы 104 как сигнал обратной связи после протекания через цифроаналоговый преобразователь 115 и модуляционную задающую схему 117. Потом вносится модуляция смещения и осуществляется компенсация на фазовый сдвиг Саньяка через входной сигнал и таким образом достигается полностью цифровое регулирование по замкнутому циклу.

Как показано на фиг. 5, операционный процесс логической схемы с вентильной матрицей, которая программируется пользователем, является следующим: запоминают цифровые значения, преобразованные аналого-цифровым преобразователем 113, в реестре положительного периода и реестре отрицательного периода соответственно, потом схемой вычитания цифровые значения в реестре отрицательного периода вычитают из цифровых значений в реестре положительного периода, осуществляют цифровую демодуляцию и получают сигнал ошибки угловой скорости замкнутого контура; этот сигнал запоминают в реестре ошибок угловой скорости, потом на стадии цифрового интегрирования с помощью первой схемы суммирования этот сигнал прибавляют к данным в реестре сигналов с фронтом из микроступеней; результат интегрирования запоминают в реестре сигналов с фронтом из микроступеней; данные в реестре сигналов с фронтом из микроступеней выдают в микросхему цифрового процессора сигналов 119 для осуществления компенсации температурных воздействий после цифрового фильтрования; и, в конце концов, получают исходящий сигнал волоконно-оптического гироскопа, который удовлетворяет практическому требованию. С другой стороны, данные в реестре сигналов с фронтом из микроступеней с помощью второй схемы суммирования прибавляют к данным в реестре цифровых фазовых пилообразных сигналов как сигнал с фронтом из микроступеней фазового сигнала пилообразной формы, и снова осуществляют цифровое интегрирование, после которого получают цифровой фазовый сигнал пилообразной формы. Потом с помощью третьей схемы суммирования фазовый сигнал пилообразной формы и цифровой сигнал случайной модуляции прибавляют один к другому, результирующий цифровой сигнал посылают в цифроаналоговый преобразователь 115.

На фиг. 2 показана форма волны случайной модуляции по данному изобретению. Глубина модуляции составляет 2π/3, и это является псевдослучайной последовательностью, частота которой вдвое больше, чем собственная частота катушки оптического волокна. С помощью случайной модуляции можно предотвратить мертвую зону (зону отсутствия чувствительности) через фиксированную форму волны модуляции. Кроме того, поскольку глубина модуляции составляет 2π/3 можно достичь более высокого отношения сигнал-шум. Числовые значения, которые отвечают этой форме волны, образовываются в логической схеме с вентильной матрицей 114, которая программируется пользователем, потом они накладываются на числовые значения фазового сигнала пилообразной формы, а он потом накладывается на фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы 104 как сигнал модуляции после протекания через цифроаналоговый преобразователь 115 и модуляционный задающий контур 117, и при этом осуществляется случайная перемодуляция.

Способ температурного моделирования по данному изобретению является следующим: внутри и снаружи катушки оптического волокна 105, соответственно, можно установить более четырех датчиков температуры 116. Измеряются данные температуры катушки оптического волокна 105 и данные температурного градиента. Установленная температурная модель волоконно-оптического гироскопа имеет такой вид

Ω=Κ₀+Κ₁ω_1η+ε(1)

Μ^Κοο+Κο,Τ+Κ^ΔΤ(2)

Κ₁(Τ)=Κ₁₀+Κ₁₁Τ+Κ₁₂ΔΤ(3) где Ω - исходящий сигнал волоконно-оптического гироскопа, ω_ιη - входной сигнал угловой скорости, ε - случайный сдвиг, Т - температура; ΔΤ -температурный градиент, К₁ и - коэффициенты ошибки.

Если температурный градиент ΔТ равняется нулю, выбирают другие точки температуры во всем температурном диапазоне. В каждой точке температуры Τ₁ проводят тест на масштабирование скорости для волоконно-оптического гироскопа с использованием таблицы одноосной скорости; для разных входных сигналов скорости ω₁ получают разные исходящие сигналы Ω₁ волоконно-оптического гироскопа; осуществляют подбор методом наименьших квадратов для входных и исходящих данных волоконнооптического гироскопа и получают коэффициенты К₀ (Τ₁) и Κι(Τ₁) в формуле (1). Используя каждую точку температуры Τ₁ и разный температурный градиент ΔΤ₁ и Κ₀(Τ₁) осуществляют подбор методом наименьших квадратов для формулы (2) и получают параметры К00, К01 и К02. Используя каждую точку температуры Τ₁ и разный температурный градиент ΔТ и Κι(Τ₁), осуществляют подбор методом наименьших квадратов для формулы (3) и получают параметры К₁₀, К₁₁ и К₁₂.

После установления 3 вышеупомянутых моделей осуществляют компенсацию температурных воздействий в микросхеме цифрового процессора сигналов 119.

Графики исходящего сигнала волоконно-оптического гироскопа перед компенсацией и после нее

- 6 012960 показаны на фиг. 3 и 4 соответственно. При сравнении исходящего сигнала после компенсации температурных воздействий можно заметить, что сдвиг смещения волоконно-оптического гироскопа во всем температурном диапазоне можно заметно улучшить, и температурную адаптивность волоконнооптического гироскопа можно улучшить. В известных технических решениях обычная температурная модель волоконно-оптического гироскопа имеет такой вид

Ω=Κο+Κιω,_η+ε(4)

КоСТГКда+^Т(5)

КЦТ^Кю+КнТ(6) где Ω - исходящий сигнал волоконно-оптического гироскопа, ω_ιη - входной сигнал угловой скорости, ε - случайный сдвиг, Т - температура, К₁ и К - коэффициенты ошибки.

В приведенную выше температурную модель температурный градиент ДТ не был включен. Учитывая то, что волоконно-оптический гироскоп является чувствительным к температурному градиенту, если осуществлять компенсацию лишь на абсолютное значение температуры, это приведет к тому, что при разных температурных градиентах колебания сдвига волоконно-оптического гироскопа все равно будут происходить и потому улучшения температурных характеристик волоконно-оптического гироскопа нельзя достичь. Но если выполнять компенсацию на температурный градиент, сдвиг смещения волоконно-оптического гироскопа во всем температурном диапазоне можно уменьшить, и температурную адаптивность волоконно-оптического гироскопа можно улучшить.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Волоконно-оптический гироскоп, содержащий оптическую измерительную головку и узел обработки сигналов цепи, причем оптическая измерительная головка содержит оптически связанные источник света, ответвитель с пигтейлом, фазовый модулятор на основе оптического волновода Υ-образной формы, катушку оптического волокна и детектор, отличающийся тем, что источник света выполнен с низкой степенью поляризации, одномодовый волоконный ответвитель с пигтейлом из одномодового волокна представляет собой независимый от поляризации одномодовый волоконный ответвитель 2x2, который связан с входом фазового модулятора на основе оптического волновода Υ-образной формы одномодовым волокном, а на выходе указанного модулятора и в катушке использовано волокно, сохраняющее поляризацию; входной волоконный пигтейл указанного детектора представляет собой одномодовое волокно.
2. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что использованы источник света с длиной волны 1310 нм и степенью поляризации <5%, на выходе ответвителя использован пигтейл из одномодового волокна с диаметром модового поля 6-7 мкм и диаметром оболочки 125 мкм.
3. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что на входе фазового модулятора использовано одномодовое волокно с диаметром модового поля 6-7 мкм и диаметром оболочки 125 мкм, а вышеупомянутое волокно, сохраняющее поляризацию, которое использовано на выходе, представляет собой эллиптическое волокно диаметром 80 мкм.
4. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что указанный волоконный пигтейл детектора выполнен из одномодового волокна, показатель обратных потерь которого >40 дБ.
5. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что независимое от поляризации одномодовое волокно волоконного ответвителя 2x2 выполнено с диаметром модового поля 6-7 мкм и диаметром оболочки 125 мкм.
6. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что указанная катушка оптического волокна выполнена из эллиптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения с диаметром 80 мкм.
7. Волоконно-оптический гироскоп по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что длина всех вышеупомянутых волоконных пигтейлов <0,30 м.
8. Волоконно-оптический гироскоп по одному из пп.1 или 5, отличающийся тем, что использован ответвитель, при изготовлении которого свободный конец выхода разбивают, скручивают конец в два кольца диаметром 10 мм и фиксируют волокно клеем-отвердителем.
9. Волоконно-оптический гироскоп по п.1, отличающийся тем, что указанный узел обработки сигналов цепи использует полное цифровое регулирование по замкнутому циклу и содержит подключенный к выходу детектора предварительный усилитель и последовательно электрически соединенные с ним аналого-цифровой преобразователь, логическую схему с вентильной матрицей, которая программируется пользователем, цифроаналоговый преобразователь и модуляционный задающий контур, выход которого соединен с фазовым модулятором.
10. Волоконно-оптический гироскоп по п.9, отличающийся тем, что модуляционный задающий контур выполнен с возможностью получения на выходе сигнала прямоугольной формы псевдослучайной последовательности, глубина модуляции которой составляет 2π/3, а частота вдвое превышает собствен

- 7 012960 ную частоту катушки оптического волокна.
11. Волоконно-оптический гироскоп по одному из пп.1 или 9, отличающийся тем, что для моделирования компенсации температурных воздействий для данных на выходе замкнутого контура указанного волоконно-оптического гироскопа рядом с катушкой оптического волокна размещается датчик темпера-