RU2160885C1 - Способ стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа - Google Patents

Abstract

Способ предназначен для использования в волоконной оптике при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра. Обеспечивается уменьшение влияния паразитной модуляции интенсивности лучей в интегрально-оптическом фазовом модуляторе кольцевого интерферометра гироскопа на точность поддержания амплитуды компенсирующей фазовой пилы на уровне 2π радиан, в результате чего повышается стабильность масштабного коэффициента гироскопа. Фазовую модуляцию осуществляют с помощью импульсов положительной полярности с амплитудой фазовой модуляции ±(π-Δ) радиан, а с помощью импульсов отрицательной полярности - с амплитудой фазовой модуляции ±(π+Δ) радиан, при этом 0,05π радиан ≤Δ≤0,5π радиан. При малых угловых скоростях в течение отрезка времени T₂ фазовую модуляцию осуществляют с амплитудой ±π радиан с помощью импульсов отрицательной либо положительной полярности или в первую часть T₂ ¹ отрезка времени T₂ сначала импульсами положительной полярности, а во вторую часть T₂ ² отрезка времени T₂ импульсами отрицательной полярности. 1 з.п.ф-лы., 11 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Известен способ обработки информации волоконно-оптического гироскопа, описанный в работе [1] . Волоконно-оптический гироскоп содержит в своем составе оптоволоконный кольцевой интерферометр и электронный блок обработки информации. Оптоволоконный кольцевой интерферометр содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности оптического излучения, поляризатор, второй делитель мощности оптического излучения, интегрально-оптический широкополосный фазовый модулятор, волоконную чувствительную катушку и фотоприемник оптического излучения. Луч света от источника поступает на первый волоконный делитель мощности, который делит мощность этого луча приблизительно пополам, и один из лучей с одного из двух выходов волоконного делителя поступает на вход поляризатора, после которого он поступает на вход второго делителя оптической мощности, который делит этот луч на два луча одинаковой оптической мощности. Эти два луча проходят широкополосный интегрально-оптический фазовый модулятор и волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях и поступают вновь на второй делитель оптической мощности, который смешивает эти два луча в один луч, который затем проходит последовательно поляризатор, первый волоконный делитель оптической мощности и попадает, наконец, на фотоприемник.

На фотоприемнике кольцевого оптоволоконного интерферометра, таким образом, наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, объединенными в один, 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 волоконной катушки,
L - длина световода чувствительной волоконной катушки,
λ - центральная длина волны излучения источника,
c - скорость света в вакууме,
Ω(t) - угловая скорость вращения кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Самым распространенным в настоящее время способом обработки информации, поступающей с кольцевого оптоволоконного интерферометра является компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка, который заключается во введении в оптическую схему кольцевого интерферометра так называемого элемента оптической обратной связи, с помощью которого осуществляется обнуление разности фаз Саньяка. В самом общем виде, электронный блок обработки информации содержит в этом случае демодулятор, генератор вспомогательной фазовой модуляции, фильтр, на вход которого поступает сигнал с демодулятора, после фильтра сигнал поступает на усилитель и далее на блок управления элементом оптической обратной связи. Выходом гироскопа служит сигнал, поступающий с блока управления на элемент оптической обратной связи.

При наличии прямоугольной вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре сигнал на выходе демодулятора можно представить в виде
V_demod(t) = GP_osinφ_m[φ_s(t)+φ_f(t)] при φ_s(t)+φ_f(t) = 0,
где G - коэффициент усиления сигнала демодулятором,
P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей,
φ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции,
φ_s(t) - разность фаз Саньяка в кольцевом интерферометре,
φ_f(t) - компенсирующее разность фаз Саньяка изменение разности фаз лучей кольцевого интерферометра, вносимое с помощью элемента оптической обратной связи.

Если коэффициент усиления усилителя обозначить через G_amp, а фильтр характеризуется откликом h(t), то на вход блока управления поступает сигнал вида
V_out(t) = h(t)⊗G_amp•GP_osinφ_m[φ_s(t)+φ_f(t)],
где ⊗ - операция "свертка".

Фаза, вносимая между лучами интерферометра с помощью элемента оптической обратной связи может быть записана в виде
φ_f(t) = k_f•k_sh(t)⊗G_amp•GP_osinφ_m[φ_s(t)+φ_f(t)],
где k_f - коэффициент преобразования напряжения с выхода блока управления в фазу между лучами кольцевого интерферометра элементом оптической обратной связи,
k_с - коэффициент пропорциональности сигнала с выхода блока управления сигналу на его входе.

Решение уравнения для φ_f(t) при наличии идеального интегратора с помощью преобразования Лапласа может быть записано в виде дифференциального уравнения

где k_int - постоянная интегратора.

В случае идеального интегратора G_eq представляет собой простое произведение величин. Как уже отмечалось выше, выходным сигналом гироскопа является сигнал S_c,out(t), поступающий с блока управления на элемент оптической обратной связи. Для этого сигнала справедливо соотношение

где K_ssf - масштабный коэффициент гироскопа,
Ω(t) - угловая скорость вращения.

При получении выражения для S_c,out использовалось соотношение φ_f(t) = K_ssf•Ω(t).
Приведенные выше соотношения являются справедливыми для любого элемента оптической обратной связи.

Наиболее часто в качестве элемента оптической обратной связи используется широкополосный интегрально-оптический фазовый модулятор, а сигнал S_c,out, поступающий на него с блока управления, представляет из себя цифровую ступенчатую пилу, формируемую с помощью генератора, являющегося блоком управления. Цифровая пила имеет пиковое значение амплитуды V_pp, частоту f(t), высоту ступеньки V_s(t) и длительность ступеньки T_step, выбираемую равной времени пробега светового луча по световоду чувствительной катушки τ = Ln/c, где L - длина световода, n - показатель преломления материала световода, c - скорость света.

Очевидно, что
V_s(t) = V_pp•T_step•f(t).

Для разности фаз лучей кольцевого интерферометра, вносимой широкополосным фазовым модулятором при подаче на него пилообразного напряжения можно записать в общем виде следующее выражение:
φ_f(t) = k_fp[V(t)-V(t-τ)],
где k_fp - эффективность фазового модулятора,
V(t) - мгновенное значение напряжения на фазовом модуляторе.

Очевидно, что V(t)-V(t-τ) = V_s(t) и тогда для φ_f(t) можно записать
φ_f(t) = k_fp•V_pp•T_step•f(t).
Для φ_f(t) справедливо также и соотношение
φ_f(t) = k_f•S_c,out.
А так как S_c,out=f(t) - в случае использования на входе интегрально-оптического фазового модулятора цифровой ступенчатой пилы, то для k_f справедливо равенство
k_f=k_fp•V_pp•T_step.

Исходя из этих соотношений для f(t) можно записать следующее соотношение:

Выражение

которое было получено ранее, поэтому для масштабного коэффициента гироскопа с замкнутой петлей обратной связи и интегрально-оптическим фазовым модулятором, возбуждаемым цифровой пилой можно записать

Таким образом, стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа определяется температурной стабильностью следующих величин R, L, λ, k_fp, V_pp, T_step.

Температурная нестабильность величин, определяющих стабильность масштабного коэффициента приведена в таблице 1.

Из таблицы видно, что наибольшее влияние на стабильность масштабного коэффициента оказывает нестабильность длины волны излучения источника и нестабильность эффективности интегрально-оптического фазового модулятора. Проблема стабилизации длины волны источника излучения может быть решена с помощью использования волоконных флюоресцентных источников излучения на основе активированных световодов, обладающих повышенной стабильностью длины волны излучения. Дополнительная стабилизация может быть осуществлена с помощью контроля температуры окружающей среды с помощью специально установленного термодатчика.

Нестабильность эффективности интегрально-оптического фазового модулятора можно скомпенсировать подбором соответствующего значения амплитуды V_pp пилообразного ступенчатого напряжения, использующегося для компенсации разности фаз Саньяка, таким образом, чтобы k_fp•V_pp= 2π радиан.

Для поддержания амплитуды компенсирующей ступенчатой пилы (k_fp•V_pp) в электронном блоке обработки информации предусматривается, как правило, второй контур обратной связи по поддержанию V_pp на таком уровне, чтобы k_fp•V_pp= 2π радиан. Для построения второго контура обратной связи необходима информация об уровне напряжения на интегрально-оптическом фазовом модуляторе, соответствующее вносимому им фазовому сдвигу, равному 2π радиан. Для этого на интегрально-оптический фазовый модулятор помимо напряжения компенсирующей фазовой пилы подается напряжение вспомогательной фазовой модуляции в виде импульсной последовательности напряжения с частотой 1/2τ, где τ - время пробега оптического луча по световоду чувствительной катушки гироскопа, причем эта последовательность импульсов промодулирована по амплитуде с периодом T₀. В первую часть периода T₁ импульсы имеют положительную полярность и вносят между лучами кольцевого интерферометра разность фаз ± π/2, a во вторую часть периода T₂ (T₁ +T₂= T₀) импульсы меняют полярность и имеют такую амплитуду напряжения, что вносится разность фаз между лучами кольцевого интерферометра ± 3π/2. Таким образом, разность уровней напряжения положительного импульса и уровня напряжения отрицательного импульса определяет уровень сброса напряжения компенсирующей фазовой пилы, то есть в этом случае напряжение V_pp должно соответствовать по величине разности уровней напряжения положительного и отрицательного импульсов вспомогательной фазовой модуляции. При изменении эффективности интегрально-оптического фазового модулятора при воздействии внешних расстабилизирующих факторов амплитуда вносимой фазовой модуляции положительными импульсами не соответствует значению ± π/2, а амплитуда отрицательных импульсов вспомогательной фазовой модуляции также естественно не соответствует ± 3π/2, при этом на фотоприемнике кольцевого интерферометра появляются импульсы напряжения, следующие с частотой 1/T₀ и скважностью T₂/T₁, являющиеся сигналом рассогласования, т.е. сигналом, свидетельствующим о том, что разность уровней напряжения положительного и отрицательного импульсов вспомогательной фазовой модуляции не соответствует вносимой разности фаз с помощью интегрально-оптического фазового модулятора, равной 2π радиан, и поэтому необходимо изменить пределы сброса компенсирующей фазовой пилы, в противном случае возникает ошибка в определении угловой скорости из-за изменения масштабного коэффициента гироскопа.

Сигнал рассогласования выделяется с помощью второго демодулятора, устанавливаемого в электронном блоке обработки информации гироскопа и с помощью блока управления амплитуды напряжения импульсов вспомогательной фазовой модуляции изменяется до тех пор, пока сигнал рассогласования не обратится в "0". В этом случае имеется достоверная информация о пределах сброса компенсирующей фазовой пилы, и таким образом, достигается условие k_fp•V_pp= 2π радиан, что значительно повышает стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Для масштабного коэффициента в этом случае справедливо следующее соотношение:

Если обеспечить

то выражение для масштабного коэффициента приобретает вид

где n - показатель преломления материала световода чувствительной катушки гироскопа,
D - диаметр чувствительной катушки.

Но сигнал рассогласования может появиться и в том случае, если в интегрально-оптическом модуляторе присутствует паразитная модуляция интенсивности излучения при прохождении канальных волноводов модулятора. Это явление в интегрально-оптических фазовых модуляторах на основе ниобата лития хорошо известно и полностью избавиться от этого паразитного эффекта не удается. Этот паразитный эффект заключается в том, что при прохождении канального волновода фазового модулятора форма модуляции интенсивности луча повторяет форму модулирующего напряжения, подаваемого на электроды фазового модулятора. При наличии этого эффекта, постоянная составляющая оптической мощности содержит импульс, который совпадает с сигналом рассогласования и воспринимается следящей системой второго контура обратной связи как сигнал несоответствия амплитуды компенсирующей фазовой пилы уровню 2π радиан. В результате, амплитуда компенсирующей фазовой пилы поддерживается на уровне, отличном от 2π радиан, т. е. (2π-Δα) радиан. Величина Δα пропорциональна величине амплитуды паразитной модуляции интенсивности луча при прохождении фазового модулятора Δ и величине постоянного уровня оптической мощности, присутствующей на фотоприемнике. Величину Δ определяют как

где ΔP - амплитуда модуляции интенсивности луча, проходящего фазовый модулятор,
P - интенсивность луча.

Таким образом, α ~ P_o•Δ, где P₀ - уровень постоянной оптической мощности на фотоприемнике кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. Амплитуда этого паразитного импульса может изменяться при воздействии дестабилизирующих факторов из-за изменения Δ, выходной мощности источника оптического излучения, изменения потерь оптической мощности лучей, проходящих элементы кольцевого интерферометра гироскопа, что приводит к изменению величины α и, как следствие, к нестабильности масштабного коэффициента гироскопа.

Целью данного изобретения является уменьшение влияния паразитной модуляции интенсивности лучей в интегрально-оптическом фазовом модуляторе кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа на точность поддержания амплитуды компенсирующей фазовой пилы на уровне 2π радиан, в результате чего повышается стабильность масштабного коэффициента гироскопа.

Указанная цель достигается тем, что фазовую модуляцию осуществляют с помощью импульсов положительной полярности с амплитудой фазовой модуляции ±(π-Δ) радиан, а с помощью импульсов отрицательной полярности с амплитудой фазовой модуляции ±(π+Δ) радиан, при этом 0,05π радиан ≤ Δ ≤ 0,5π радиан.

Указанная цель достигается также еще и тем, что по крайней мере при малых угловых скоростях в течение отрезка времени T₂ фазовую модуляцию осуществляют с амплитудой ±π радиан с помощью импульсов отрицательной либо положительной полярности или в первую часть T₂ ¹ отрезка времени T₂ сначала импульсами положительной полярности, а во вторую часть T₂ ² отрезка времени T₂ импульсами отрицательной полярности.

Влияние модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра в интегрально-оптическом фазовом модуляторе на точность поддержания амплитуды фазовой пилы на уровне 2π радиан по п.1 формулы уменьшается за счет снижения уровня средней оптической мощности на фотоприемнике кольцевого интерферометра, что достигается соответствующим выбором амплитуды вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре гироскопа.

Исключение влияния модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра в интегрально-оптическом фазовом модуляторе на точность поддержания амплитуды фазовой пилы на уровне 2π радиан по п.2 формулы достигается за счет того, что при амплитуде вспомогательной фазовой модуляции ±π радиан мощность оптического излучения на фотоприемнике кольцевого интерферометра гироскопа равна нулю.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема обработки информации волоконно-оптического гироскопа. На фиг.2 графически показано формирование разности фаз лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа. На фиг.3 показано формирование сигнала рассогласования при изменении эффективности интегрально-оптического фазового модулятора. На фиг.4 показано формирование сигнала, совпадающего с сигналом рассогласования, вызванного наличием паразитной фазовой модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими канальных волноводов интегрально-оптического фазового модулятора. На фиг. 5 показано формирование среднего уровня оптической мощности на фотоприемнике кольцевого интерферометра гироскопа при изменении параметров вспомогательной фазовой модуляции в соответствии с предлагаемым способом по п.1 формулы. На фиг.6 показано формирование разности фаз лучей кольцевого интерферометра гироскопа при осуществлении вспомогательной фазовой модуляции в соответствии с одним из двух вариантов способа по п.2 формулы. На фиг.7 показано изменение оптической мощности на фотоприемнике кольцевого интерферометра гироскопа при отсутствии сигнала вращения при осуществлении вспомогательной фазовой модуляции в соответствии с вышеуказанным по одному из двух вариантов способа по п. 2 формулы. На фиг. 8 показано формирование разности фаз лучей кольцевого интерферометра гироскопа при осуществлении вспомогательной фазовой модуляции по второму варианту способа по п.2 формулы. На фиг.9 показано изменение оптической мощности на фотоприемнике кольцевого интерферометра гироскопа при отсутствии сигнала вращения при осуществлении вспомогательной фазовой модуляции, осуществляемой в соответствии со вторым вариантом способа по п.2 формулы. На фиг. 10 показан принцип формирования компенсирующей фазовой пилы, обеспечивающий необходимую стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа.

Волоконно-оптический гироскоп состоит из источника излучения 1 (фиг. 1), первого волоконного разветвителя 2, интегрально-оптической схемы 3, сформированной на пластине ниобата лития и содержащей Y-делитель оптической мощности, канальные волноводы которого выполнены по протон-обменной технологии, три металлических электрода, два из них объединены между собой с помощью проводника 4. Далее гироскоп содержит волоконно-чувствительную катушку 5, фотоприемник 6, синхронный усилитель 7, генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции 8, генератор напряжения компенсирующей пилообразной ступенчатой пилы 10, блок коммутации выходных проводников генератора напряжения компенсирующей пилы 9 и блок управления амплитудой вспомогательной фазовой модуляции и частотой напряжения компенсирующей пилы 11 и блок управления амплитудой напряжения компенсирующей пилы 12.

Луч света от источника 1 поступает на первый вход волоконного разветвителя 2, делится на два луча одинаковой интенсивности и один из этих лучей с первого выходного конца разветвителя 2 поступает на вход интегрально-оптической схемы 3, содержащей сформированный на пластине ниобата лития [2] по протон-обменной технологии Y-делитель оптической мощности. На выходных плечах Y-делителя оптической мощности сформировано два фазовых модулятора с помощью напыления трех металлических электродов, два из которых соединены с помощью проводника 4. Луч света, поступающий на вход Y-делителя делится им снова на два луча одинаковой интенсивности, которые затем проходят фазовые модуляторы и поступают в волоконную чувствительную катушку гироскопа. Лучи проходят волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях и, пройдя вновь фазовые модуляторы, объединяются в один луч Y-делителем оптической мощности. Далее объединенный луч проходит первый волоконный разветвитель, делится им снова пополам и одна половина мощности объединенных лучей попадает на площадку фотоприемника 6. Таким образом, на площадке фотоприемника интенсивность оптического излучения пропорциональна величине
I_φ~ P_o(1+cosφ_s),
где P₀ - мощность лучей, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях,
φ_s - разность фаз Саньяка, вызванная вращением гироскопа.

Электрический сигнал с фотоприемника поступает на вход синхронного усилителя 7, на опорное плечо которого подается сигнал с генератора напряжения вспомогательной фазовой модуляции 8. Напряжение с генератора 8 подается также и на электроды интегрально-оптических фазовых модуляторов. На электроды тех же фазовых модуляторов поступает напряжение через коммутирующее устройство 9 и с генератора напряжения компенсирующей ступенчатой пилы, частота которого контролируется блоком управления частотой 11, на вход которого поступает сигнал с выхода синхронного усилителя. Амплитуда напряжения компенсирующей ступенчатой пилы также управляется с помощью блока управления 12, на вход которого поступает сигнал с генератора напряжения вспомогательной фазовой модуляции.

В общем виде для сигнала на выходе синхронного усилителя можно записать
U_c.y.~ P_osinφ_m•sin[φ_s-φ_k],
где φ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции,
φ_k - управляемая, компенсирующая фазу Саньяка разность фаз, создаваемая пилообразным ступенчатым напряжением через интегрально-оптические фазовые модуляторы.

На фиг.2 графически показано формирование разности фаз между лучами кольцевого интерферометра гироскопа. На один из двух фазовых модуляторов подается напряжение вспомогательной фазовой модуляции, имеющей форму 13, соответственно закон модуляции фазы оптического луча полностью повторяет форму модулирующего напряжения. В то же самое время, при рассматриваемом режиме подключения электродов фазовых модуляторов, изменение фазы оптического луча имеет ту же самую форму, но с обратным знаком, из-за того, что одно и то же напряжение в фазовых модуляторах создает противоположно направленные электрические поля и в силу этого изменение фазы происходит с обратным знаком. Итак, первый оптический луч, обходящий волоконную чувствительную катушку по часовой стрелке, испытывает изменение фазы, показанное кривой 13. При прохождении второго фазового модулятора с задержкой по времени, равной времени пробега по световоду чувствительной катушки τ, его фаза изменяется в соответствии с кривой 14. Суммарное изменение фазы луча, прошедшего чувствительную катушку по часовой стрелке, описывается кривой 15. Фаза луча, проходящего вначале второй фазовый модулятор, а затем чувствительную катушку против часовой стрелки, испытывает во втором фазовом модуляторе изменение фазы, описываемое кривой 16. Изменение фазы второго луча при прохождении первого фазового модулятора происходит в соответствии с кривой 17. Суммарное изменение фазы второго луча, проходящего чувствительную катушку против часовой стрелки, и двух фазовых модуляторов показано кривой 18. Таким образом, разность фаз лучей, проходящих чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях может быть представлена кривой 19.

На фиг.3 показан графически процесс образования сигнала рассогласования. Кривая 20 описывает косинусоидальную зависимость интенсивности на фотоприемнике в зависимости от разности фаз лучей кольцевого интерферометра. Из графика видно, что если ступеньки разности фаз имеют значения строго ±π/2 и ±3π/2, то уровень мощности при отсутствии сигнала вращения на фотоприемнике имеет постоянную величину P₀. В этом случае уровень фазовой модуляции +π/2 и -3π/2 определяет размах напряжения, на который необходимо сбрасывать компенсирующую фазовую пилу, когда она достигает своей максимальной амплитуды 2π радиан [1]. При изменении эффективности фазового модулятора, что показано пунктирными линиями (фиг.3), ступеньки разности фаз лучей равны ±(π/2-Δ); (3/2π-3Δ) и на фотоприемнике появляется переменный сигнал 22, являющийся сигналом рассогласования, наличие которого указывает, что величина Δ не равна 0. В этом случае величина сброса напряжения компенсирующей фазовой пилы равна π/2-Δ+3/2π-3Δ = (2π-2Δ) радиан, в результате чего появляется ошибка в измерении угловой скорости из-за изменения масштабного коэффициента.

Но сигнал рассогласования может появиться и при неизменной эффективности интегрально-оптических фазовых модуляторов за счет паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении канальных волноводов интегрально-оптических фазовых модуляторов. Эффект паразитной модуляции интенсивности лучей появляется, по-видимому, из-за модуляции разности показателей преломления материала канального волновода и материала подложки. И поэтому этот паразитный эффект в той или иной степени присутствует в интегрально-оптических фазовых модуляторах на основе канальных волноводов, сформированных в подложках ниобата лития, практически всегда. Величина паразитной модуляции интенсивности зависит от величины разности показателей преломления материалов канального волновода и подложки, симметричности расположения управляющих электродов относительно канальных волноводов, длины управляющих электродов и других факторов. Паразитная модуляция интенсивности каждого из лучей кольцевого интерферометра по форме повторяет форму модулирующего напряжения. Луч света, обходящий волоконную катушку по часовой стрелке, проходя по первому фазовому модулятору оказывается промодулированным по интенсивности в соответствии с законом, представленным кривой 23 (фиг.4), пройдя волоконную чувствительную катушку вторым модулятором, он модулируется по закону, представленному кривой 24. В результате суммарная модуляция интенсивности этого луча двумя фазовыми модуляторами представлена кривой 25. Луч света
кольцевого интерферометра, обходящий волоконную чувствительную катушку против часовой стрелки модулируется вторым модулятором по закону 26, первым модулятором по закону 27, а в сумме по закону 28. Если уровень паразитной модуляции интенсивности в обоих фазовых модуляторах одинаковый, то модуляция постоянной засветки фотоприемника из-за наличия паразитной модуляции интенсивности отсутствует, но если этот уровень не одинаков в фазовых модуляторах, то модуляция возникает. Предположим, что уровень модуляции интенсивности в первом модуляторе превышает уровень модуляции интенсивности во втором модуляторе, то луч света, проходящий чувствительную катушку по часовой стрелке оказывается промодулированным по закону 29, а второй луч, проходящий чувствительную катушку против часовой стрелки, оказывается промодулированным по закону 30. В результате этого постоянная засветка фотоприемника кольцевого интерферометра гироскопа оказывается промодулированной в соответствии с законом 31. Нетрудно видеть, что закон модуляции интенсивности постоянной засветки фотоприемника совпадает по своим временным характеристикам с сигналом рассогласования. Поэтому, при наличии паразитной модуляции интенсивности, второй контур слежения за амплитудой компенсирующей фазовой пилы [1] начинает поддерживать ее амплитуду на уровне, отличном от 2π радиан, в результате чего изменяется масштабный коэффициент волоконно-оптического гироскопа. Амплитуда импульса паразитного сигнала рассогласования пропорциональна в общем виде
A_п~ P′•Δ,
где P' - уровень постоянной засветки фотоприемника,
Δ - разность уровней паразитной модуляции интенсивности в фазовых модуляторах.

В общем виде уровень постоянной засветки фотоприемника волоконно-оптического гироскопа, работающего в режиме компенсации разности фаз, можно представить в виде
P′= P_o(1+cosφ_m),
где P₀ - интенсивность интерферирующих лучей,
φ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.

Если предположить, что вспомогательная фазовая модуляция, осуществляемая положительными импульсами с амплитудой ±(π-Δ) радиан, а отрицательными импульсами с амплитудой ±(π+Δ) радиан и при этом 0,05π < Δ < 0,5π, то можно значительно ослабить влияние паразитной модуляции интенсивности лучей на стабильность масштабного коэффициента, который оказывается зависимым от уровня постоянной засветки фотоприемника. Для стабильности масштабного коэффициента при наличии паразитной модуляции интенсивности очень важно поддерживать стабильным уровень постоянной засветки фотопремника, которая зависит от стабильности мощности источника излучения, стабильности потерь мощности в элементах оптической схемы гироскопа и стабильности амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. И кроме того, необходимо, чтобы этот уровень постоянной засветки фотоприемника был как можно меньше. Этого можно добиться соответствующим выбором амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. Средний уровень мощности на фотоприемнике при амплитудах ступенек фазовой модуляции ±π/2 и ±3π/2 показан пунктирной линией 32 (фиг.5). Этому случаю соответствует значение Δ = π/2. Если выбрать Δ < π/2, то уровень постоянной засветки фотоприемника уменьшается, что показано кривой 33. Но выбирать Δ бесконечно малым также нельзя, так как в этом случае уменьшается чувствительность волоконно-оптического гироскопа к вращению. Поэтому Δ < 0,05π выбирать нецелесообразно. Стабильность масштабного коэффициента повышается в

раз по сравнению со случаем Δ = π/2 [1], например, в случае Δ = 0,05π радиан стабильность масштабного коэффициента повышается в 81 раз, при Δ = 0,2π радиан - в 5 раз.

Полное исключение влияния паразитной модуляции интенсивности в интегрально-оптических фазовых модуляторах на величину и стабильность масштабного коэффициента возможно только при нулевой постоянной засветке фотоприемника волоконно-оптического гироскопа. Предположим, что на фазовые модуляторы поступает последовательность положительных и отрицательных импульсов с периодом следования T₀. В первую часть периода T₁ следуют импульсы положительной полярности, а в оставшуюся часть T₂ периода T₀ следуют импульсы отрицательной полярности. В результате при прохождении первого фазового модулятора луча кольцевого интерферометра, обходящего волоконную чувствительную катушку по часовой стрелке, его фаза промодулирована по закону 34 (фиг.6). Положительные импульсы осуществляют фазовый сдвиг луча +π/4 радиан, а отрицательные импульсы -π/2 радиан. Пройдя второй фазовый модулятор этот луч испытывает фазовые изменения по закону 35. Суммарное изменение фазы этого луча при прохождении двух фазовых модуляторов описывается таким образом кривой 36. Аналогично, изменение фазы луча, обходящего чувствительную катушку против часовой стрелки, при прохождении второго модулятора происходит по закону 37, при прохождении первого модулятора по закону 38, а в сумме по закону 39. Разность фаз лучей кольцевого интерферометра, таким образом, описывается кривой 40. Кривая 40 содержит ступеньки разности фаз, равные ±π/2 радиан и ±π радиан. В результате, уровень постоянной засветки фотоприемника изменяется по закону 41 (фиг.7). Как видно из графика, в течение отрезка времени T₂ уровень постоянной засветки фотоприемника равен нулю.

Другим предлагаемым способом осуществления вспомогательной фазовой модуляции является осуществление вспомогательной фазовой модуляции только положительными импульсами напряжения. В этом случае импульсная последовательность напряжения имеет период T₀, в первую часть которого следуют импульсы положительной полярности, вносящие изменение фазы +π/4 радиан, а во вторую часть T₂ периода T₀ следуют импульсы положительной полярности, вносящие изменение фазы лучей на +π/2 радиан. Таким образом луч кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа, обходящий чувствительную катушку по часовой стрелке при прохождении первого фазового модулятора претерпевает изменение фазы по закону 42 (фиг. 8), при прохождении второго фазового модулятора его фаза изменяется по закону 44. Второй луч кольцевого интерферометра гироскопа, обходящий чувствительную катушку против часовой стрелки, при прохождении второго фазового модулятора претерпевает изменение фазы по закону 45, при прохождении затем первого фазового модулятора по закону 46, а в сумме по закону 47. Разность фаз лучей кольцевого интерферометра в этом случае изменяется по закону 48. В результате чего интенсивность излучения на фотоприемнике при отсутствии вращения описывается кривой 49 (фиг.9).

При рассматриваемых по п. 2 формулы способах осуществления вспомогательной фазовой модуляции удобнее проводить компенсацию разности фаз Саньяка в кольцевом интерферометре гироскопа с помощью ступенчатой фазовой пилы 50 (фиг. 10). Подробно процесс компенсации Саньяковской разности фаз с помощью пилы такого вида описан в [3]. Ступенчатое пилообразное напряжение преобразуется в фазовую компенсирующую пилу обычного вида [1] путем коммутации выходных проводников генератора пилообразного ступенчатого напряжения 50 и выходных проводников электродов интегрально-оптических фазовых модуляторов. Рассмотрим конкретный пример. На интегрально-оптические фазовые модуляторы подаются одновременно напряжение вспомогательной фазовой модуляции в виде импульсов положительной полярности 51, следующих с периодом T₀, в первую часть которого T₁ импульсы осуществляют фазовую модуляцию с амплитудой, например, ±π/2, а во вторую часть T₂ периода T₀ с амплитудой ±π. Таким образом, амплитуда напряжения импульса положительной полярности на отрезке времени T₂ соответствует вносимому фазовым модулятором фазовому сдвигу π радиан. Поэтому именно амплитуда этого импульса является тем уровнем напряжения, которого должно достигать максимальное напряжение компенсирующей ступенчатой пилы. В этом случае величина и стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа будет зависеть от того, насколько точно соответствует амплитуда напряжения импульсов вспомогательной фазовой модуляции на отрезке T₂ периода T₀ вносимому сдвигу фаз с помощью интегрально-оптических фазовых модуляторов π радиан. В рассматриваемом случае коммутация выходных проводников генератора ступенчатого пилообразного напряжения осуществляется вначале в момент времени t_k ¹, а затем происходит перекоммутация выходных проводников генератора в исходное состояние в момент времени t_k ². В разные моменты времени фазовая ступенчатая пила, формируемая интегрально-оптическими фазовыми модуляторами показана кусками пилы 52, 53. Кусок фазовой пилы 52 формируется в период времени T₂, в течение которого осуществляется фазовая модуляция с амплитудой ±π радиан. В период времени T₁ для сигнала на фотоприемнике можно записать
I $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{T1}}{\text{φ}}$ ~ P_o•sinφ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{T1}}{\text{m}}$ •sin{φ_s-φ_f(t)},
где φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{T1}}{\text{m}}$ = π/2, а φ_f(t) - компенсирующая фазу Саньяка разность фаз, образуемая компенсирующей фазовой пилой.

В период времени T₂ для сигнала на фотоприемнике можно записать

где φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{T2}}{\text{m}}$ должно равняться π радиан. Необходимо обратить внимание, что во втором случае φ_f(t) поменяла знак, так как произошла коммутация выходных проводников генератора ступенчатого пилообразного напряжения. Таким образом, в период времени T₁ снимается информация об угловой скорости вращения гироскопа, а в период времени T₂ с использованием той же электроники, то есть того же первого контура обратной связи определяется уровень напряжения, соответствующий фазовому сдвигу π радиан, который используется для определения достижения максимального уровня напряжения компенсирующей ступенчатой пилы, причем напряжение, соответствующее фазовому сдвигу π радиан определяется в момент времени T₂, когда уровень постоянной засветки фотоприемника равен нулю, что исключает ошибку в определении уровня напряжения, соответствующего π радиан из-за влияния паразитной модуляции интенсивности излучения в фазовых модуляторах. В период времени T₁ нулевое напряжение на выходе синхронного усилителя достигается за счет обнуления члена sin{φ_s-φ_f(t)} путем подбора частоты компенсирующей фазовой пилы, а в момент времени T₂ нулевое напряжение на выходе синхронного усилителя достигается за счет обнуления члена sinφ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{T2}}{\text{m}}$ путем подбора амплитуды модулирующих импульсов таким образом, чтобы φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{T2}}{\text{m}}$ = π радиан. Необходимо обратить внимание, что второй сомножитель в течение периода T₂sin{φ_s+φ_f(t)} всегда отличен от нуля. На фиг. 10 показаны кусочки компенсирующей фазовой пилы 54, 55 в случае, когда угловая скорость меняет свой знак. Съем информации об угловой скорости и определение уровня напряжения, соответствующего фазовому сдвигу π радиан происходит подобно тому, как это было описано выше. Несомненным достоинством предлагаемого способа стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа является то обстоятельство, что в схеме обработки сигнала используется один контур обратной связи, который отслеживает как зануление разности фаз Саньяка компенсирующей фазовой пилой, так и позволяет установить уровень напряжения, соответствующий вносимому сдвигу фаз π радиан фазовыми модуляторами, который устанавливает максимальный уровень напряжения, вырабатываемого генератором напряжения ступенчатой компенсирующей пилы. Стабилизация масштабного коэффициента возможна и при использовании традиционной ступенчатой фазовой пилы со сбросом заднего фронта [1]. Определение пределов сброса может быть определено следующим образом. Напряжение вспомогательной фазовой модуляции содержит последовательность импульсов, следующих с частотой 1/2τ, где τ - время пробега луча по световоду чувствительной катушки гироскопа, период этой импульсной последовательности 56 (фиг. 11) T₀, в первую часть которого T₁ представляет собой импульсы положительной полярности, осуществляющие фазовую модуляцию, например, с амплитудой ±π/2 радиан, вторую часть T₂ ¹ периода T₀ представляют импульсы положительной полярности, осуществляющие фазовую модуляцию с амплитудой ±π радиан, третью часть T₂ ² периода T₀ представляют импульсы отрицательной полярности, осуществляющие фазовую модуляцию с амплитудой ±π радиан. В период времени T₂ осуществляется коммутация выходных проводников генератора напряжения ступенчатой пилы. В период времени T₁ осуществляется съем информации об угловой скорости, при этом напряжение на выходе синхронного усилителя пропорционально величине
U_cy~ P_o•sinφ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{T1}}{\text{m}}$ •sin{φ_s-φ_f(t)}.
В период времени T₂ напряжение на выходе синхронного усилителя пропорционально величине

где

амплитуда вспомогательной фазовой модуляции на периоде T₂ и равна, естественно, ±π радиан, φ_f(t) - меняет знак по сравнению с периодом T₁ из-за коммутации выходных проводников генератора напряжения ступенчатой компенсирующей пилы и поэтому выражение {φ_s+φ_f(t)} заведомо отлично от нуля. Зону сброса напряжения заднего фронта компенсирующей ступенчатой пилы в данном рассматриваемом случае определяют разница уровней напряжения положительных и отрицательных импульсов напряжения, с помощью которых обеспечивается амплитуда вспомогательной фазовой модуляции ±π радиан. В данном случае на величину и стабильность масштабного коэффициента также исключается влияние паразитной модуляции интенсивности, так как в период времени T₂ уровень мощности постоянной засветки фотоприемника равен нулю.

Эти способы обработки информации с полным исключением влияния паразитной модуляции интенсивности в фазовых модуляторах целесообразно использовать при малых угловых скоростях, так как в этом случае потеря информации об угловой скорости происходит на достаточно короткое время, так как период компенсирующей фазовой пилы при малых угловых скоростях достаточно велик. В течение периода потери информации о вращении следует считать угловую скорость равной тому значению, которое наблюдалось непосредственно перед началом этого периода, в течение всего периода T₂ и это, по-видимому, оправдано, так как угловые скорости малы. При более высоких угловых скоростях обработку информации можно вести согласно п.1 формулы.

Источники информации:
1. George A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros", SPIE, V. 2837, 1996, pp. 46 - 60.

2. Sanders G.A. et all, "Fiber optic guros for space, marine and aviation applications", SPIE, V. 2837, 1996, pp. 61 - 71.

3. А. М.Курбатов "Способ компенсации разности фаз Саньяка в волоконно-оптическом гироскопе". Заявка N 98103976, сентябрь 1998 г.

Claims (2)

1. Способ стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в использовании вспомогательной фазовой модуляции путем подачи на широкополосный фазовый модулятор кольцевого интерферометра гироскопа периодической последовательности импульсов напряжения, следующих с частотой 1/2τ, где τ - время пробега лучей кольцевого интерферометра по световоду чувствительной катушки, и периодом Т₀, в первую часть Т₁ которого импульсы имеют положительную полярность, а во вторую его часть Т₂ импульсы имеют отрицательную полярность, отличающийся тем, что фазовую модуляцию между лучами кольцевого интерферометра осуществляют с помощью импульсов положительной полярности с амплитудой ±(π-Δ) радиан, а с помощью импульсов отрицательной полярности с амплитудой фазовой модуляции ±(π+Δ) радиан, при этом 0,05π радиан <Δ<0,5π радиан.

2. Способ стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, при малых угловых скоростях, в течение отрезка времени Т₂ фазовую модуляцию осуществляют с амплитудой ±π радиан с помощью импульсов отрицательной либо положительной полярности или в первую часть Т₂ ¹ отрезка времени Т₂ сначала импульсами положительной полярности, а во вторую часть Т₂ ² импульсами отрицательной полярности.

Images