RU2566412C1

RU2566412C1 - Способ повышения точности волоконно-оптического гироскопа за счет подавления паразитных эффектов в интегрально-оптических фазовых модуляторах

Info

Publication number: RU2566412C1
Application number: RU2014126410/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Курбатов; Роман Александрович Курбатов
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2015-10-27

Abstract

Способ обеспечивает повышении точности волоконно-оптического гироскопа, содержащего два контура обратной связи. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет компенсации третьим контуром обратной связи паразитного сигнала рассогласования, который возникает из-за низкочастотного процесса в фазовых модуляторах интегрально-оптической схемы (ИОС) и приводит к нестабильности нулевого сигнала, а также за счет повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа из-за более точной установки амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения, компенсирующего при его подаче на фазовые модуляторы ИОС разность фаз Саньяка. 1 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.

Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе волоконный кольцевой интерферометр (ВКИ) и электронный блок обработки информации. ВКИ содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности излучения, интегрально-оптическую схему (далее по тексту - ИОС), многовитковую чувствительную катушку и фотоприемник. ИОС содержит в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. На выходных канальных волноводах располагается фазовый модулятор оптических лучей, проходящих по канальным волноводам. Фазовый модулятор представляет собой металлические электроды, нанесенные по обе стороны канальных волноводов. При подаче на электроды электрического напряжения за счет электрооптического эффекта в материале канальных волноводов изменяется показатель преломления, что приводит к эффекту фазовой модуляции оптических лучей, распространяющихся по канальным волноводам. К выходным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов чувствительной катушки гироскопа.

На фотоприемнике ВКИ наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно-противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:

Ф_с=[4πRL/λc]×Ω

где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;

L - длина световода катушки;

λ - центральная длина волны излучения источника;

c - скорость света в вакууме;

Ω - угловая скорость вращения гироскопа.

Таким образом, на фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в виде:

Р_ф=½Р₀(1+cosФ_c)

где Р₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей.

Для повышения чувствительности ВОГ вблизи нулевых угловых скоростей используется вспомогательная фазовая модуляция. Для достижения эффекта фазовой модуляции лучей в кольцевом интерферометре с помощью фазового модулятора ИОС используется временное запаздывание интерферирующих на фотоприемнике фронтов лучей при прохождении фазового модулятора ИОС. Это временное запаздывание равно времени пробега световых лучей ВКИ по световоду чувствительной катушки и составляет величину:

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения, следующих с частотой 1/2τ и вносящих разность фаз между лучами ВКИ в виде импульсной последовательности с амплитудами ±π/2 радиан и ±3π/2 радиан [1, 2], ток фотоприемника можно представить в виде:

I_ф=½Р_оη_ф(1+cosθ_мcosФ_c+sinθ_мsinФ_c)

η_ф - токовая чувствительность фотоприемника;

θ_м - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.

Далее сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя тока фотоприемника, на выходе которого присутствует напряжение, пропорциональное величине:

U=½Р_оη_фR_н(1+cosθ_мcosФ_c±sinθ_мsinФ_c)

где R_н - сопротивление нагрузки усилителя тока фотоприемника.

В работе [1] предложен способ линеаризации выходной характеристики ВОГ. На фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) подается ступенчатое пилообразное напряжение для компенсации разности фаз Саньяка. Работа ВОГ подробно описана в [2]. С помощью пилообразного напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, вносится управляемая разность фаз между лучами ВКИ, с помощью которой осуществляется компенсация разности фаз Санька. С этой целью организуется закрытый контур обратной связи (ВОГ с закрытым контуром обратной связи) по обнулению сигнала на выходе синхронного детектора сигнала вращения гироскопа. Сигнал на выходе синхронного детектора автоматически обнуляется за счет подбора величины ступеньки напряжения пилообразного ступенчатого напряжения (СПН). За счет этого выходная характеристика ВОГ становится линейной. Сигнал на выходе усилителя тока фотоприемника в этом случае можно представить в виде:

U=½Р_оη_фR_н[1±sinθ_м(Ф_с-Ψ_к)]

где Ψ_к - регулируемая разность фаз, которая вносится между лучами ВКИ с помощью СПН при подаче его на фазовый модулятор.

Для частоты СПН в этом случае справедливо следующее соотношение:

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

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

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

f_n(t)=[2R/λn₀]×Ω(t)

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

Известен другой способ поддержания амплитуды СПН, при которой U_п×η=2π радиан, либо на другом фиксированном уровне [3]. При этом используется вспомогательная фазовая модуляция (ВФМ) с амплитудами ±(π±Δ) радиан, Δ=π/2ⁿ, где n=1, 2, 3 ….. На фотоприемнике присутствуют три составляющие общего сигнала: постоянная составляющая, сигнал вращения гироскопа и сигнал рассогласования. Амплитуда сигнала вращения пропорциональна угловой скорости, а амплитуда сигнала рассогласования пропорциональна изменению амплитуды ВФМ. Сигнал рассогласования выделяется с помощью второго демодулятора. Изменения амплитуды ВФМ связаны в первую очередь с изменениями полуволнового напряжения фазовых модуляторов (эффективности фазовых модуляторов) ИОС. Для стабилизации амплитуды ВФМ используется второй контур обратной связи по обнулению сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора путем изменения напряжения генератора ВФМ. Таким образом, первый контур обратной связи с помощью изменения величины ступеньки СПН осуществляет обнуление сигнала вращения на выходе первого демодулятора, а второй контур служит для обнуления сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора. Величина ступеньки СПН является мерой угловой скорости, а отсутствие сигнала рассогласования свидетельствует о стабилизации амплитуды ВФМ и, как следствие, амплитуды СПН, обеспечивающей стабильность масштабного коэффициента ВОГ.

Недостатком способа обработки информации, описанного в [3], является то, что первый и второй демодуляторы могут иметь паразитные смещения нулевого сигнала при отсутствии вращения и изменения полуволнового напряжения фазовых модуляторов ИОС, либо изменения амплитуды напряжения генератора напряжения ВФМ. Это приводит к ошибкам измерения угловой скорости как из-за появления паразитного смещения нуля на выходе первого демодулятора, так и из-за изменения масштабного коэффициента ВОГ из-за паразитного смещения нуля на выходе второго демодулятора. В работах [6, 7] рассмотрен механизм появления паразитного смещения на выходе первого демодулятора, выделяющего сигнал вращения гироскопа. К паразитному смещению на выходе демодулятора приводит низкочастотный процесс (НЧ-процесс) изменения наклона полочек сигналов вращения и рассогласования. Этот наклон определяется перераспределением зарядов на стенках волноводов ИОС, а также шунтирующим воздействием на аналоговые компоненты электроники, с помощью которых подается напряжение на электроды фазовых модуляторов ИОС. Как известно, электроды фазовых модуляторов обладают емкостью, которая и оказывает шунтирующее действие на электронику, приводя при этом к искажениям сигналов вращения и рассогласования. Искажения сигналов вращения и рассогласования приводят к появлению паразитных смещений на выходе первого и второго демодуляторов, которые, в конечном счете, приводят и к снижению точности ВОГ.

Целью настоящего изобретения является повышение точности волоконно-оптического гироскопа с двумя контурами обратной связи.

Указанная цель достигается тем, что используют третий контур обратной связи, который содержит третий демодулятор, на выходе которого выделяют сигнал, пропорциональный амплитуде импульса тока на фотоприемнике при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения при достижении своей максимальной величины, и третий регулятор, с помощью которого изменяют соотношение кодов напряжений, определяющих амплитуды вспомогательной фазовой модуляции ±(π+Δ) радиан и ±(π-Δ) радиан таким образом, что на выходе третьего демодулятора за счет обратной связи устанавливают нулевой уровень сигнала при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения.

Способ повышения точности волоконно-оптического гироскопа отличается тем, что устанавливают код амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения, равный разнице кодов напряжений, обеспечивающих амплитуды вспомогательной фазовой модуляции ±(π+Δ) радиан и ±(π-Δ) радиан.

Повышение точности волоконно-оптического гироскопа достигается за счет компенсации третьим контуром обратной связи паразитного сигнала рассогласования, который возникает из-за НЧ-процесса в фазовых модуляторах ИОС и приводит к нестабильности нулевого сигнала, а также за счет повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа из-за более точной установки амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения, компенсирующего при его подаче на фазовые модуляторы ИОС разность фаз Саньяка.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) с контуром обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента. На Фиг. 2 показано напряжение ВФМ и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ. На Фиг. 3 показано формирование сигнала вращения ВОГ. На Фиг. 4 показано формирование сигнала рассогласования ВОГ. На Фиг. 5 показана структура общего сигнала на фотоприемнике волоконно-оптического гироскопа. На Фиг. 6 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции, искаженное НЧ-процессом в фазовых модуляторах ИОС, и напряжение фазовой модуляции, формируемое операционными усилителями. На Фиг. 7 показана разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, искажаемая НЧ-процессом, и разность фаз, формируемая операционными усилителями. На Фиг. 8 показан сигнал на выходе усилителя тока фотоприемника в режиме замкнутых контуров обратной связи при наличии НЧ-процесса в фазовых модуляторах ИОС в течение одного периода сигнала вращения длительностью 6τ (τ=5×10^-6 сек). На Фиг. 9 показаны сигнал рассогласования, вызванный изменением эффективности фазовых модуляторов ИОС, и изменение паразитного сигнала рассогласования, порождаемого НЧ-процессом в модуляторах. Длина световода чувствительной катушки 5000 м (τ=25×10^-6 сек). На Фиг. 10 показаны сигнал рассогласования, вызванный изменением эффективности фазовых модуляторов, и изменение паразитного сигнала рассогласования, порождаемого НЧ-процессом в модуляторах. Длина световода чувствительной катушки 500 м (τ=2,5×10^-6 сек). На Фиг. 11 показано расположение рабочих точек волоконно-оптического гироскопа при компенсации вторым контуром обратной связи паразитного сигнала рассогласования. На Фиг. 12 показана структура третьего контура обратной связи для компенсации паразитного сигнала рассогласования. На Фиг. 13 показан закон изменения соотношения кодов напряжения ВФМ для компенсации паразитного сигнала рассогласования. На Фиг. 14 показано образование импульса тока на фотоприемнике при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения.

На Фиг. 1 показана структурная схема ВОГ с контуром обратной связи для стабилизации амплитуды ВФМ [3]. Оптическое излучение с малой длиной когерентности от источника 1 поступает на первый вход делителя оптических лучей 2. Далее излучение с выхода разветвителя поступает на вход ИОС 3. ИОС содержит в своем составе Y-делитель излучения и два фазовых модулятора. Излучение делится Y-разветвителем на два луча и с выхода ИОС эти два луча поступают в чувствительную катушку 4 и проходят ее в двух взаимно-противоположных направлениях, то есть по часовой стрелке и против часовой стрелки. Далее эти два луча вновь поступают на ИОС и объединяются Y-разветвителем в один световой луч. Этот объединенный луч через волоконный разветвитель со второго входного конца световода поступает на фотоприемник 5, где и интерферируют между собой. Ток фотоприемника усиливается усилителем 6, и напряжение с его выхода затем поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. С выхода АЦП код напряжения с выхода усилителя тока фотоприемника поступает на вход первого демодулятора 8, на выходе которого выделяется амплитуда сигнала вращения ВОГ. Код напряжения с выхода первого демодулятора поступает на вход первого регулятора 9 и далее на вход генератора СПН 10. Код напряжения с выхода усилителя тока фотоприемника поступает также и на вход второго демодулятора 11, который выделяет код амплитуды напряжения сигнала рассогласования. Код напряжения с выхода второго демодулятора поступает на вход второго регулятора 12, который управляет амплитудой кода напряжения ВФМ, вырабатываемого генератором фазовой модуляции (ГФМ) 13. Электронный компонент 14 масштабирует амплитуду кода СПН в соответствии с кодом напряжения ВФМ. Далее, код напряжения с выхода ГФМ и код напряжения генератора СПН поступают на входы сумматора 15. Код напряжения после сумматора поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 16 и с его выхода на вход операционного усилителя (ОУ) 17. Напряжение с выхода ОУ затем поступает на электроды фазовых модуляторов ИОС. Первый регулятор управляет величиной ступеньки СПН таким образом, что на выходе первого демодулятора устанавливается нулевой код напряжения, при этом разность фаз Саньяка компенсируется разностью фаз, вносимой между лучами кольцевого интерферометра фазовыми модуляторами ИОС (первый контур обратной связи). Таким образом, величина кода ступеньки СПН является мерой угловой скорости. С помощью второго регулятора устанавливается код напряжения ВФМ таким образом, что на выходе второго демодулятора также устанавливается нулевой код напряжения (второй контур обратной связи). С помощью второго контура обратной связи стабилизируется амплитуда ВФМ и, как следствие, амплитуда кода СПН. Таким образом, второй контур обратной связи стабилизирует масштабный коэффициент ВОГ.

На Фиг. 2 показано напряжение ВФМ 18 и закон изменения разности фаз между лучами кольцевого интерферометра 19 [3]. Напряжение вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) представляет собой последовательность импульсов напряжения с длительностью каждого импульса τ, где τ - время пробега лучей кольцевого интерферометра по световоду чувствительной катушки. С помощью прикладываемого к электродам фазовых модуляторов ИОС напряжения ВФМ вносится изменение фазы каждого из лучей, равное 0, (π-Δ), (π+Δ), 2Δ радиан. Величина Δ может принимать значение из следующего ряда Δ=π/2ⁿ, где n=1, 2, 3…… При подаче напряжения ВФМ на электроды фазовых модуляторов ИОС разность фаз между лучами кольцевого интерферометра в определенной последовательности принимает значения ±(π±Δ) радиан.

На Фиг. 3 показан процесс формирования сигнала вращения ВОГ. Мощность оптического излучения на фотоприемнике зависит от разности фаз лучей кольцевого интерферометра по косинусоидальному закону. Таким образом, при наложении разности фаз лучей, формируемой с помощью напряжения ВФМ на кривую косинуса 20, на фотоприемнике присутствует постоянный уровень сигнала, который зависит от величины Δ. При вращении кольцевого интерферометра разность фаз его лучей в зависимости от знака угловой скорости сдвигается относительно кривой косинуса либо вправо, либо влево (смещение показано пунктирной линией), при этом на фотоприемнике на частоте 1/6τ формируется сигнал вращения 21, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости. Каждый полупериод сигнала вращения имеет длительность 3τ. Амплитуда сигнала вращения выделяется на выходе первого демодулятора, который выделяет сигнал вида (1+2+3)-(4+5+6), где цифры указывают на номер временного интервала длительностью τ на периоде сигнала вращения [3].

На Фиг. 4 показан процесс формирования сигнала рассогласования ВОГ. При отсутствии вращения и при стабильном полуволновом напряжении фазовых модуляторов ИОС на фотоприемнике наблюдается постоянный уровень сигнала. При изменении полуволнового напряжения фазовых модуляторов, например при воздействии изменений температуры окружающей среды (изменение показано с помощью пунктирной линии 22, в данном случае произошло увеличение полуволнового напряжения), на фотоприемнике возникает сигнал рассогласования 23. Амплитуда сигнала рассогласования пропорциональна величине изменения полуволнового напряжения фазовых модуляторов ИОС или точнее величине изменения амплитуд импульсов ВФМ. Период следования импульсов сигнала рассогласования равен 3τ. Сигнал рассогласования выделяется вторым демодулятором. С помощью изменения амплитуд импульсов напряжения ВФМ с помощью второго регулятора сигнал на выходе второго демодулятора приводится к нулю, что обеспечивает, в конечном счете, стабильность амплитуды ВФМ. С помощью масштабирования напряжения по значению амплитуд импульсов ВФМ устанавливается необходимое значение амплитуды СПН [3], что обеспечивает стабилизацию масштабного коэффициента ВОГ. Сигнал рассогласования на выходе второго демодулятора выделяется с помощью определения величин либо (1-2)+(4-5), либо (2-3)+(5-6), где, как и ранее, цифры означают номера временных интервалов длительностью τ. Возможны и другие комбинации временных интервалов при выделении сигнала рассогласования.

На Фиг. 5 показана структура общего сигнала на фотоприемнике ВОГ при наличии вращения и изменении амплитуды ВФМ. В структуру общего сигнала входит сигнал вращения гироскопа 24, сигнал рассогласования при изменении амплитуды ВФМ 25 и постоянная составляющая сигналов вращения и рассогласования 26.

Одним из источников долговременного дрейфа ВОГ (снижения точности ВОГ) может быть изменение оптической мощности источника излучения [3]. Однако изменения мощности источника или, более обще, коэффициента усиления первого контура обратной связи (контур обратной связи по обнулению сигнала вращения) могут проявляться через другой механизм. Дело в том, что в ВОГ существуют источники паразитного смещения, обусловленные несовершенствами как оптических, так и электронных компонентов. Так в [4] описывается механизм, обусловленный затяжками фронтов импульсов прямоугольной ВФМ, и предлагается устройство вырезания пиков выходного сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника (УТФ), обусловленных этой затяжкой. В противном случае они введут усилитель с большим коэффициентом усиления в режим перегрузки, из которого он будет выходить достаточно долго, давая дополнительные достаточно долговременные искажения сигнала [4]. В [5] этот механизм описывается для случая отстройки частоты ВФМ от оптимальной частоты 1/(2τ), где τ - время пробега световых волн по световоду чувствительной катушки. Из-за этого затяжки на двух полупериодах демодуляции имеют разную величину, а значит, их разность не дает нуля (асимметрия), приводя к снижению точности ВОГ.

Однако если затяжки фронтов являются малыми по сравнению с временем τ (достаточно широкая полоса пропускания фазовых модуляторов ИОС) и соответствующие пики выходного сигнала УФП вырезаются, в соответствии с [4], достаточно производить выборки сигнала ошибок на участках τ-интервалов, не затронутых процедурой вырезания пиков. Тем не менее, как показывает эксперимент, даже после этого начальный долговременный дрейф велик, так что в его основе лежит другой, достаточно низкочастотный процесс (НЧ-процесс). Подобно затяжкам фронтов, он также искажает импульсы выходного сигнала УТФ, но уже на протяжении всего τ-интервала, так что процедура вырезания здесь неприменима. Данного рода искажения описываются в патентах [6, 7].

На Фиг. 6 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции 27, формируемое операционными усилителями электронного блока обработки информации, которое искажается НЧ-процессом в фазовых модуляторах ИОС и в результате оно приобретает вид 28.

На Фиг. 7 показана разность фаз между лучами кольцевого интерферометра 29, подверженная изменениям при воздействии НЧ-процесса, по сравнению с разностью фаз 30, которая определяется напряжением с выхода операционных усилителей. Величина τ равна времени пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки. Влияние НЧ-процесса в фазовых модуляторах заключается в формировании наклона горизонтальных полочек разности фаз между лучами кольцевого интерферометра, который медленно меняется во времени.

На Фиг. 8 показан сигнал 31 на выходе усилителя тока фотоприемника в режиме замкнутых контуров обратной связи при наличии НЧ-процесса в фазовых модуляторах ИОС в течение одного периода сигнала вращения длительностью 6τ. Изменение наклона горизонтальных полочек разности фаз лучей кольцевого интерферометра приводит к затяжке фронтов в течение каждого отрезка времени длительностью τ при каждой смене разности фаз. Информация об угловой скорости и сигнале рассогласования определяется в конце каждого τ-интервала (последовательный АЦП) либо с помощью определенного числа выборок, но также в течение некоторого времени от конца каждого τ-интервала (параллельный АЦП). Отсюда следует, что при изменении затяжки фронтов (влияние НЧ-процесса) при смене каждый раз разности фаз между лучами кольцевого интерферометра могут вноситься значительные ошибки при определении величины амплитуд сигналов вращения и рассогласования. Иными словами, в сигналах вращения и рассогласования могут содержаться паразитные сигналы вращения и рассогласования, которые фактически (можно так трактовать) приводят к паразитному смещению нуля их демодуляторов, что в свою очередь приводит к снижению точности волоконно-оптического гироскопа из-за паразитного смещения его нулевого сигнала и изменения масштабного коэффициента. Снижение точности волоконно-оптического гироскопа из-за изменения затяжки фронтов сигнала на фотоприемнике может происходить при воздействиях на ИОС влаги, радиационного облучения, температуры, механических напряжений на подложку ИОС, естественного старения материала подложки и т.д.

На Фиг. 9 показаны сигнал рассогласования 32, вызванный изменением эффективности фазовых модуляторов ИОС, и изменение паразитного сигнала рассогласования 33, порождаемого НЧ-процессом в них (время затухания НЧ-процесса 2,5 мкс). Вспомогательная фазовая модуляция осуществляется с амплитудами ±3/4π радиан и ±5/4π радиан (параметр фазовой модуляции Δ=π/4 радиан). Из графика, приведенного на чертеже, видно, что при изменении температуры фазовых модуляторов ИОС изменяется их эффективность и это приводит к формированию на фотоприемнике сигнала рассогласования в виде импульса, который имеет соотношение параметров А_-/А₊=5/3. При Δ=π/2 радиан A_-/A₊=1,5/0,5=3, при Δ=π/8 радиан A_-/A₊=9/7. Амплитуда импульса сигнала рассогласования при отсутствии паразитного сигнала рассогласования А_- определяется изменением амплитуды ВФМ ±(π-Δ) радиан, а амплитуда импульса А₊определяется изменением амплитуды ВФМ ±(π+Δ) радиан. При достаточно быстром затухании паразитного НЧ-процесса в модуляторах ИОС и большой длине световода чувствительной катушки (например, 5000 м, τ=25×10^-6 мкс) паразитный сигнал имеет, практически, те же параметры, что и сигнал рассогласования, возникающий на фотоприемнике при изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС, и поэтому при работе второго контура обратной связи его негативное влияние на точность волоконно-оптического гироскопа практически отсутствует, в случае если полезная информация определяется в конце каждого τ-интервала сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника.

На Фиг. 10 показаны сигнал рассогласования 34, вызванный изменением эффективности фазовых модуляторов ИОС, и изменение паразитного сигнала рассогласования 35, порождаемого НЧ-процессом (время затухания 12,5 мкс) в модуляторах при длине световода чувствительной катушки 500 м. Как видно из приведенного чертежа, паразитный сигнал рассогласования имеет соотношение А_-/А₊, которое существенно отличается от параметров сигнала рассогласования, возникающего из-за изменения эффективности фазовых модуляторов при воздействии температуры. Поэтому полной его компенсации вторым контуром обратной связи не происходит, что приводит к снижению точности волоконно-оптического гироскопа.

На Фиг. 11 показано расположение рабочих точек волоконно-оптического гироскопа на кривой косинуса при неполной компенсации паразитного сигнала рассогласования вторым контуром обратной связи. Рабочие точки при полной компенсации паразитного сигнала рассогласования располагаются на одной прямой линии 36. В этом случае амплитуды фазовой модуляции равны ±3/4π радиан и ±5/4π радиан. При неполной компенсации паразитного сигнала вторым контуром обратной связи рабочие точки располагаются на прямой линии 37 и амплитуда фазовой модуляции в этом случае равна ±(3/4π±Δ₀) радиан и ±(3/4π±Δ₀) радиан. Величина Δ₀ - определяется величиной недокомпенсированной части паразитного сигнала рассогласования вторым контуром обратной связи. В этой ситуации амплитуда сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа определяется выражением:

U=½Р_оη_фR_нsin(Δ±Δ₀)(Ф_с-Ψ_к)]

Из приведенного выражения следует, что НЧ-процесс в фазовых модуляторах ИОС приводит к нестабильности амплитуды сигнала вращения при работе второго контура обратной связи и, как следствие, к нестабильности нулевого сигнала ВОГ.

Для полной компенсации паразитного сигнала рассогласования необходимо изменение соотношение кодов напряжения ВФМ.

На Фиг. 12 показана структура третьего контура обратной связи для компенсации паразитного сигнала рассогласования. В состав третьего контура обратной связи входит третий демодулятор 38, третий регулятор 39, который в соответствии с выходным сигналом третьего демодулятора изменяет соотношение кодов напряжения ВФМ с помощью устройств 40, 41, которые входят в состав генератора кодов напряжения ВФМ. Далее видоизмененные коды напряжения ВФМ поступают на вход схемы вычитания кодов 42 и далее по разностному коду устанавливается код К_А амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения, компенсирующего разность фаз Саньяка.

На Фиг. 13 показан закон изменения соотношения кодов напряжения ВФМ 43 для компенсации паразитного сигнала рассогласования. Закон изменения соотношения кодов представляет собой ступенчатую пилу с возрастающими и убывающими фронтами. Величина изменения кода напряжения (одна ступенька) имеет одно и то же значение. Изменение соотношения кодов производится изменением амплитуды пилы. Период этой пилы равняется 6τ. Изменение соотношения кодов по этому закону приводит к изменению напряжения вспомогательной модуляции 44 (пунктирная линия) и к изменению разности фаз между лучами кольцевого интерферометра 45 (пунктирная линия). Как видно из чертежа, амплитуда ВФМ ±(π-Δ) радиан уменьшается, а амплитуда ВФМ ±(π+Δ) радиан увеличивается на ту же самую величину Δ₀. При смене знака величины Δ₀ изменяется также и знак амплитуды пилы изменения кодов напряжения ВФМ. Таким образом, при изменении амплитуды пилы изменения соотношения кодов напряжения ВФМ можно добиться Δ₀=0. В этом случае рабочие точки будут располагаться на прямой линии 36, что фактически означает полную компенсацию паразитного сигнала рассогласования, вызванного НЧ-процессом в фазовых модуляторах ИОС. При таком способе компенсации работа второго контура обратной связи не нарушается, так как в этом случае рабочие точки постоянно находятся на прямой линии 37, которая при компенсации в конечном счете сливается с линией 36. Это означает, что второй и третий контуры обратной связи при постоянной температуре модуляторов ИОС могут работать одновременно не мешая друг другу. Критерием полной компенсации сигнала рассогласования, который определяется изменением эффективности фазовых модуляторов ИОС, а также и паразитного сигнала рассогласования, который определяется НЧ-процессом в фазовых модуляторах, является то, что рабочие точки располагаются таким образом, что амплитуды ВФМ с учетом паразитных процессов равны ±(π±Δ) радиан (прямая линия 36). Для компенсации разности фаз Саньяка для обеспечения отсутствия зоны нечувствительности [3] используется СПН с амплитудой, при подаче которого максимальное изменение фазы лучей в кольцевом интерферометре составляет 2Δ или (2π-2Δ) радиан. Для устранения зоны нечувствительности (3H) необходима ВФМ со стабильными параметрами (фаза), и при этом необходимо избежать проблемы переполнения ЦАП. Для этого в пределах диапазона напряжений величиной можно ввести два отдельных поддиапазона только для ВФМ и только для СПН. Ясно, что в этом случае амплитуда U_п СПН не будет удовлетворять условию U_пη=2π радиан, являющемуся обязательным в традиционных схемах ВОГ с замкнутым контуром. Тем не менее, амплитуда СПН в предлагаемой схеме также должна удовлетворять жесткому условию, аналогичному условию сброса на 2π в обычной схеме. Оно находится из условия отсутствия импульса изменения постоянной засветки фотоприемника в момент сброса СПН на интервале длительностью τ. Для нахождения этого условия рассмотрим общее выражение для мощности излучения Р_ф на фотоприемнике:

Р_ф=Р₀{1-cosΔcosθ±sinΔsinθ},

где Р₀ - мощность излучения каждого из интерферирующих лучей с учетом потерь в элементах ВКИ,

θ - разность фаз Саньяка и фазового сдвига, вносимого СПН в обычном режиме компенсации разности фаз Саньяка, либо изменение разности фаз при сбросе СПН. Изменение разности фаз между лучами ВКИ при сбросе СПН, при которой паразитный импульс на фотоприемнике отсутствует, определяется следующим выражением:

При выполнении вышеприведенного соотношения для

паразитный импульс отсутствует, если сброс амплитуды СПН происходит во время отрицательной полуволны сигнала вращения при измерении положительной угловой скорости, либо во время положительной полуволны сигнала вращения при измерении отрицательной угловой скорости. Другим условием отсутствия паразитного импульса при сбросе СПН будет следующее:

При выполнении этого соотношения сброс максимального значения СПН должен осуществляться во время отрицательной полуволны сигнала вращения при измерении отрицательной угловой скорости, либо во время положительной полуволны сигнала вращения при измерении положительной угловой скорости. При Δ=π/4 (амплитуды ВФМ равны ±[π±Δ] радиан) амплитуда СПН для компенсации разности фаз Саньяка должна быть равна напряжению, при подаче которого на фазовые модуляторы фазы лучей изменяются на π/2 радиан

. Это напряжение определяется разностью кодов напряжения ВФМ, которые определяют амплитуды ВФМ ±[π+Δ] радиан и ±[π-Δ] радиан. При полной компенсации паразитного сигнала рассогласования разность кодов ВФМ, которые определяют амплитуды ВФМ ±[π+Δ] радиан и ±[π-Δ] радиан, должна определять и код К_А амплитуды, компенсирующий разность фаз Саньяка СПН, то есть его амплитуда должна быть равна 2Δ радиан.

На Фиг. 14 показано образование импульса тока на фотоприемнике при сбросе СПН 46 при несоответствии амплитуды СПН заданному значению. Оно в общем случае имеет амплитуду напряжения, при подаче которого на фазовые модуляторы фаза лучей изменяется на (2Δ+Δφ) радиан, где Δ - параметр ВФМ. Величина Δφ определяется неполной компенсацией паразитного сигнала рассогласования, то есть рабочие точки при работе второго контура обратной связи находятся на прямой линии, которая смещена относительно прямой линии, которая свидетельствует о полной компенсации паразитного сигнала в фазовых модуляторах ИОС. В этом положении нужное значение кода напряжения амплитуды СПН определяется разностью кодов амплитуд ВФМ. В данной ситуации при неполной компенсации паразитного сигнала, если определять код амплитуды СПН как К₀/4, где К₀ - максимальное значение кода, который соответствует напряжению U_п, при котором U_пη=2π радиан, будет наблюдаться паразитный импульс на фотоприемнике при сбросе амплитуды СПН, так как нужное значение амплитуды фазовой пилы в этот момент не равно π/2 радиан, а равно 2Δ радиан, и оно не равно π/2 радиан, если паразитный сигнал рассогласования компенсирован не полностью. В этой ситуации необходимо изменить соотношение кодов таким образом, чтобы при сбросе амплитуды СПН на фотоприемнике отсутствовал импульс тока 47. Этот импульс может использоваться для управления амплитудой пилы 43 по изменению соотношения кодов амплитуды напряжений ВФМ. Таким образом, третий контур обратной связи содержит третий демодулятор импульса тока на фотоприемнике при сбросе пилообразного напряжения, компенсирующего разность фаз Саньяка, и регулятор амплитуды пилы изменения соотношения кодов напряжения ВФМ. Изменение амплитуды пилы изменения соотношения кодов напряжения ВФМ прекращается при нулевом сигнале на выходе третьего демодулятора, который выделяет импульс тока на фотоприемнике при сбросе СПН.

Литература

[1] Lefevre H.С. etall. Double closed - loop hybrid fiber gyroscope using digital phase ramp // Optical Fiber Sensors (OFS), 1985, San Diego, CA, January 1, Post Dead line. p. PDS 7-1.

[2] Pavlath, G.A. Closed-loop fiber optic gyros // Proc. SPIE. 1996. v. 2837. p. 46.

[3] A.M. Курбатов, P.A. Курбатов «Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов» «Гироскопия и Навигация» УДК 531.383 №1 (76). 2012, стр. 102-121.

[4] R.A. Kovacs, Fiber optic angular rate sensor including arrangement for reducing output signal distortion. US Patent no. 5,430,545, Jul. 4, 1995.

[5] Sanders G.A, Dankwort R.C., Kaliszek A.W. et al. Fiber Optic Gyroscope Vibration Error Compensator. US Pat. №5923424. 13 Jul. 1999.

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

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

Claims

1. Способ повышения точности волоконно-оптического гироскопа за счет подавления паразитных эффектов в интегрально-оптических фазовых модуляторах, содержащего источник оптического излучения, делитель оптических лучей, интегрально-оптическую схему, включающую в свой состав интегрально-оптические фазовые модуляторы, чувствительную волоконную катушку, фотоприемник, усилитель тока фотоприемника, генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа и генератор ступенчатого пилообразного напряжения, при этом первый контур обратной связи содержит демодулятор сигнала вращения, первый регулятор напряжения величины ступеньки ступенчатого пилообразного напряжения, а второй контур обратной связи содержит демодулятор сигнала рассогласования и второй регулятор амплитуды напряжения ступенчатого пилообразного напряжения, отличающийся тем, что используют третий контур обратной связи, который содержит третий демодулятор, на выходе которого выделяют сигнал, пропорциональный амплитуде импульса тока на фотоприемнике при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения при достижении своей максимальной величины, и третий регулятор, с помощью которого изменяют соотношение кодов напряжений, определяющих амплитуды вспомогательной фазовой модуляции ±(π+Δ) радиан и ±(π-Δ) радиан таким образом, что на выходе третьего демодулятора за счет обратной связи устанавливают нулевой уровень сигнала при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения.

2. Способ повышения точности волоконно-оптического гироскопа по п. 1, отличающийся тем, что устанавливают код амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения, равный разнице кодов напряжений, обеспечивающих амплитуды вспомогательной фазовой модуляции ±(π+Δ) радиан и ±(π-Δ) радиан.