RU2676944C1 - Малогабаритный измеритель вектора угловой скорости на основе волоконно-оптического гироскопа - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании гироскопических измерителей вектора угловой скорости (ГИВУС) на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). ГИВУС на основе ВОГ используют три ВОГ, которые измеряют проекции вектора угловой скорости. ВОГи в каждом канале используют цифровую обработку информации с фотоприемника, что позволяет получить линейную выходную характеристику ГИВУС и высокую стабильность его масштабного коэффициента. Улучшение ГМХ ГИВУС достигается за счет сокращения количества оптических компонентов в оптической схеме ГИВУС, а также за-счет использования только одного канала электронной цифровой обработки информации. В канале обработки информации, поступающей с фотоприемника, используется частотное разделение сигналов, несущих информацию о проекциях вектора угловой скорости. Технический результат – улучшение габаритно-массовых характеристик (ГМХ) ГИВУС. 8 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.

Для измерения вектора угловой скорости движущегося объекта используют гироскопические измерители вектора угловой скорости (ГИВУС). В качестве гироскопического измерителя используются трехосные волоконно-оптические гироскопы, в состав которого, как правило, входят три одноосных волоконно-оптических гироскопа.

Волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ) содержит в своем составе оптический блок, который представляет собой волоконный кольцевой интерферометр (ВКИ) и электронный блок обработки информации. Оптический блок 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 канальные волноводы, сформированные в подложке ниобата лития и 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/λс]×Ω,

где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;

L - длина световода катушки;

λ - центральная длина волны излучения источника;

с - скорость света в вакууме;

Ω - угловая скорость вращения гироскопа.

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

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 1/2 τ и вносящими 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:

где η_ф - токовая чувствительность фотоприемника;

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

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 ОС-1) 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:

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 (контур обратной связи ОС-2). 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. ВОГ с закрытым контуром ОС-1 имеет цифровой выход, так измеряемая им угловая скорость пропорциональна коду высоты ступеньки СПН, код которого формируется в цифровом блоке обрабатывающей электроники.

Известен ВОГ, в котором для стабилизации масштабного коэффициента [3, 4, 5] используется вспомогательная фазовая модуляция (ВФМ) с амплитудами ±(π±Δ) радиан, Δ=π/2ⁿ, где n=1, 2, 3 …. Сигнал вращения (СВ) в режиме разомкнутого контура ОС-1 на фотоприемнике в этом случае можно представить в виде:

Сигнал на фотоприемнике содержит СВ, сигнал рассогласования (CP) и постоянную составляющую СВ и СР. Сигнал с фотоприемника поступает на вход аналоговой части блока сервисной электроники ВОГ, то есть на вход дифференциального усилителя тока фотоприемника, далее с выхода усилителя он поступает на вход цифровой части сервисной электроники. Цифровая часть содержит цифро-аналоговый преобразователь (АЦП), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). В ПЛИС сформирован цифровой интегратор для выделения постоянной составляющей СВ и CP, которая затем используется для компенсации постоянной составляющей сигналов СВ и CP на выходе дифференциального усилителя тока фотоприемника. Таким образом, на вход АЦП поступают в чистом виде СВ и СР. CP образуется на фотоприемнике при изменении эффективности фазовой модуляции ИОС при воздействии на нее внешних дестабилизирующих факторов, например, изменения температуры окружающей среды. Наличие CP свидетельствует об изменении эффективности фазового модулятора ИОС и как следствие к изменению масштабного коэффициента ВОГ при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Для осуществления ВФМ в ПЛИС формируется коды напряжения ВФМ (генератор ВФМ), а также коды ступенчатого пилообразного напряжения (генератор СПН) для компенсации разности фаз Саньяка. Коды напряжения ВФМ и СПН с выхода ПЛИС поступают на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), после которого объединенный сигнал напряжения ВФМ и СПН поступает на вход аналоговых усилителей и далее с их выхода на электроды фазовых модуляторов ИОС. В ПЛИС сформирован первый детектор СВ и второй детектор для выделения СР. С помощью контура ОС-1, в состав которого входит первый детектор, генератор СПН и регулятор величины ступеньки СПН производится компенсация разности фаз Саньяка с целью линеаризации выходной характеристики ВОГ. В ПЛИС также сформирован и контур ОС-2, в состав которого входит второй детектор и регулятор амплитуды напряжения ВФМ, подаваемого на электроды фазового модулятора ИОС. С помощью изменения амплитуды напряжения ВФМ CP на выходе второго детектора поддерживается равным нулю и тем самым обеспечивается стабильность масштабного коэффициента ВОГ при изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС.

Для измерения вектора угловой скорости используют три одноосных ВОГ, оси чувствительности которых ориентируются по осям ортогональной системы координат. Для этого соответствующим образом ориентируют в пространстве чувствительные катушки ВКИ ВОГ. Каждый ВОГ измеряет проекцию вектора угловой скорости на свою ось чувствительности. Недостатком трехосного ВОГ, построенного на основе трех одноосных ВОГ является его большие габаритно-массовые характеристики (ГМХ).

Известен также трехосный волоконно-оптический гироскоп [6.], у которого вместо трех источников оптического излучения используется один источник, но при этом используется трехканальное волоконное устройство ввода-вывода излучения в три ВКИ, а также вывода излучения, прошедшего все три ВКИ, которое несет всю информацию о всех трех проекциях вектора угловой скорости на три фотоприемника. Устройство ввода-вывода излучения представляет собой один волоконный разветвитель 2×2 излучения с коэффициентами деления оптической мощности 1:2 и четыре разветвителя 1:1, которые каждый имеют по два входных отрезка световода и по два выходных отрезка. Один из двух входных световодов первого разветвителя с коэффициентом деления мощности 1:2 соединяется с источником оптического излучения трехосного ВОГ. Один из двух выходных отрезков световода первого разветвителя, с выхода которого излучение составляет 2/3 мощности излучения источника, соединяется с одним из двух входных световодов второго волоконного разветвителя. Излучение со второго выходного световода первого разветвителя и двух выходных световодов второго разветвителя поступает на первый вход трех волоконных разветвителей типа 2×2 с коэффициентом деления оптической мощности 1:1. Один из двух выходных световодов трех волоконных разветвителей, на вход которых поступает излучение одинаковой мощности, соединяются с тремя ВКИ трехосного ВОГ. Вторые входные световоды трех последних разветвителей соединятся с тремя фотоприемниками трехосного ВОГ, которые выделяют информацию о проекциях вектора угловой скорости. Снижение ГМХ трехосного ВОГ в данной реализации оптической схемы достигается за счет сокращения количества источников оптического излучения. В работе [6.] также описана оптическая схема трехосного ВОГ без использования контуров обратной связи по линеаризации выходной характеристики (контур ОС-1) и стабилизации масштабного коэффициента (контур ОС-2), но с одним источником оптического излучения, при этом устройство ввода-вывода содержит только первый и второй волоконные разветвители. В этом случае один из двух выходных световодов и два выходных световода второго разветвителя устройства ввода-вывода соединены соответственно с тремя ВКИ трехосного ВОГ. Вторые входные световоды первого и второго волоконного разветвителя устройства ввода-вывода соединены с фотоприемником, на который одновременно поступает излучение из трех ВКИ. Таким образом, на фотоприемнике содержится информация о всех трех проекциях вектора угловой скорости. Недостатком известного малогабаритного трехосного ВОГ является выделение информации о проекциях угловой скорости с помощью аналоговых синхронных детекторов. Отсутствие контура обратной связи и ОС-2 приводит к снижению точности ВОГ из-за нестабильности масштабного коэффициента, которая определяется нестабильностью эффективности фазовых модуляторов ВКИ при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Отсутствие в каналах контуров ОС-1 приводит к нелинейности выходной характеристики ВОГ, что также значительно снижает точность измерения вектора угловой скорости.

Целью настоящего изобретения является улучшение ГМХ ГИВУС на основе ВОГ.

Указанная цель достигается тем, что волоконные кольцевые интерферометры содержат световоды в чувствительных катушках такой длины, которые обеспечивают время пробега оптических лучей, отличающееся друг от друга не более чем от 0,1% до 1%, при этом используют на все три канала измерения проекций вектора угловой скорости один усилитель тока фотоприемника с одним фильтром низких частот, один аналого-цифровой преобразователь и одну программируемую логическую интегральную схему, в которой организуют три генератора кодов вспомогательной фазовой модуляции для каждого измерительного канала, которые обеспечивают синхронизированные между собой кратные частоты сигналов вращения, а также синхронизированные между собой сигналы рассогласования во всех каналах измерения, при этом организуют контуры обратной связи для линеаризации выходной характеристики по каждому измерительному каналу волоконно-оптического гироскопа и стабилизации его масштабного коэффициента, а в качестве трехканального устройства ввода-вывода используют волоконный разветвитель оптического излучения 3×3, три выходных световода которого соединяют с волоконными кольцевыми интерферометрами, а один из входных его световодов соединяют с источником оптического излучения, при этом оптическое излучение после прохождения волоконных кольцевых интерферометров с выхода двух оставшихся входных световодов разветвителя подают на фотоприемник.

Улучшение ГМХ ГИВУС на основе ВОГ достигается за счет сокращения числа оптических компонентов в оптической схеме ГИВУС и использования только одного канала электронной цифровой обработки информации с фотоприемника о проекциях вектора угловой скорости.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана структурная схема трехосного ВОГ на основе одного источника оптического излучения и с раздельной цифровой обработкой информации по каналам На Фиг. 2 показана структурная схема одного канала трехосного ВОГ с цифровым блоком электронной обработки информации. На Фиг. 3 показана оптическая схема трехосного ВОГ с устройством ввода-вывода излучения на основе двух волоконных разветвителей и одним фотоприемником. На Фиг. 4 показана структурная схема трехосного ВОГ с одним фотоприемником, одним источником излучения и с цифровой обработкой информации. На Фиг. 5 показана структура алгоритма обработки информации трехосного ВОГ в ПЛИС. На Фиг. 6 показаны напряжения ВФМ, разность фаз между лучами волоконных кольцевых интерферометров и сигналы вращения и рассогласования в каналах трехосного цифрового ВОГ. На Фиг. 7 показан алгоритм обработки информации проекций вектора угловой скорости и изменения эффективности фазовых модуляторов в каналах трехосного волоконно-оптического гироскопа. На Фиг. 8 показан алгоритм цифровой обработки информации с открытыми контурами ОС-1 в каналах трехосного волоконно-оптического гироскопа.

На Фиг. 1 показана структурная схема трехосного ВОГ на основе одного источника оптического излучения и с раздельной цифровой обработкой информации по каналам. Использование одного источника позволяет не только улучшить габаритно-массовые характеристики (ГМХ) трехосного ВОГ, но и снизить его энергопотребление. Излучение от источника 1 подается на один из двух входных световодов волоконного разветвителя излучения 2 типа 2×2 с коэффициентом деления мощности 1:2. Далее излучение с одного из двух выходных световодов, мощность которого составляет 2/3 от общей мощности источника поступает на один из двух входных световодов второго волоконного разветвителя 3 типа 2×2 с коэффициентом деления оптической мощности 1:1. Оптическое излучение со второго выходного световода первого разветвителя и с двух выходных световодов второго разветвителя поступает на один из двух входных световодов трех волоконных разветвителя 4, 5, 6 типа 2×2. Далее излучение с одного из выходных световодов, указанных разветвителей поступает на вход трех волоконных кольцевых интерферометров (ВКИ) 7, 8, 9 соответственно. Таким образом, излучение от одного источника излучения равными долями по мощности вводится в три ВКИ, которые являются чувствительными элементами ВОГ. В состав ВКИ входит многовитковая волоконная катушка, в которой формируется разность фаз Саньяка при ее вращении и ИОС, входное волокно которой является входом в ВКИ. Для измерения вектора угловой скорости с помощью каждого ВКИ измеряется три проекции вектора угловой скорости, для чего оси чувствительности катушек ориентируются в направлении осей прямоугольной системы координат. Излучение, прошедшее три ВКИ, обратно выводится на три фотоприемника 10, 11, 12, которые являются сигнальными фотоприемниками каналов трехосного ВОГ. Таким образом, пять волоконных разветвителей представляют собой трехканальное устройство ввода излучения в ВКИ и вывода излучения из ВКИ (волоконное устройство ввода-вывода излучения - УВВИ), которое позволяет использовать только один источник оптического излучения. На площадке каждого сигнального фотоприемника интерферируют между собой оптические лучи, прошедшие чувствительные катушки ВКИ в двух взаимно-противоположных направлениях. Сигналы с выходов фотоприемников поступают на три электронных блока 13, 14, 15 с цифровой обработкой информации трех проекций вектора угловой скорости.

На Фиг. 2 показана структурная схема одного канала трехосного ВОГ с цифровым блоком электронной обработки информации. Сигнал с фотоприемника поступает на вход дифференциального усилителя тока фотоприемника 16. Постоянная составляющая СВ и CP выделяется фильтром низких частот 17 и подается на вход дифференциального усилителя тока фотоприемника. В результате на выходе усилителя тока фотоприемника присутствуют только СВ и СР. Компенсация постоянной составляющей СВ и СВ [3, 4, 5] необходима для обеспечения большого усиления СВ и CP, в противном случае усилитель тока фотоприемника постоянно находился бы в режиме насыщения и выделение СВ и CP было бы невозможно. СВ и CP поступают затем на вход АЦП 18 и далее на цифровой блок обработки СВ и СР. Цифровой блок обработки информации состоит из программируемой интегральной схемы (ПЛИС) 19 и цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 20. В ПЛИС организованы два контура обратной связи для линеаризации выходной характеристики ВОГ (контур ОС-1) и для стабилизации масштабного коэффициента (контур ОС-2). Контур ОС-1 состоит из демодулятора СВ, генератора кода ступенчатого пилообразного напряжения (ГСПН) и регулятора высоты ступеньки ГСПН. В ПЛИС формируется также генератор кода вспомогательной фазовой модуляции (ГВФМ). Коды с выходов ГСПН и ГВФМ поступают на вход сумматора кодов и далее на вход ЦАП. Ступенчатое пилообразное напряжение (СПН) и напряжение вспомогательной фазовой модуляции (напряжение ВФМ) поступают на вход операционного усилителя (ОУ) 21 и далее на электроды фазового модулятора ВКИ. Контур ОС-1 для линеаризации выходной характеристики ВОГ включает в свой состав демодулятор СВ, регулятор высоты ступеньки СПН. При наличии ненулевого кода на выходе демодулятора СВ регулятор изменяет высоту ступеньки СПН до тех пор, пока на выходе демодулятора СВ не появиться нулевой код. В этом случае разность фаз Санька равна разности фаз, которая вноситься фазовым модулятором ВКИ с помощью СПН. При изменении эффективности фазового модулятора ВКИ происходит изменение масштабного коэффициента (МК) ВОГ. Для стабилизации МК используется контур ОС-2 [5]. В состав контура ОС-2 входит демодулятор CP и регулятор опорного тока ЦАП. При изменении эффективности фазового модулятора ВКИ на выходе демодулятора CP выделяется ненулевой код, который пропорционален амплитуде СР. Регулятор опорного тока ЦАП изменяет его таким образом, чтобы код на выходе демодулятора CP обращался в нуль. В этом случае с помощью изменения опорного тока ЦАП компенсируется изменение эффективности фазового модулятора и МК ВОГ остается неизменным.

На Фиг. 3 показана оптическая схема трехосного ВОГ с устройством ввода-вывода излучения (УВВИ) на основе двух волоконных разветвителей и одним фотоприемником. Излучение, прошедшее все три ВКИ, с выхода входного световода 22 первого разветвителя и с выхода входного световода 23 второго разветвителя подается на фотоприемник 24. Это позволяет существенно улучшить ГМХ трехосного ВОГ за счет сокращения количества волоконных разветвителей в УВВИ и сокращения количества фотоприемников.

Дальнейшее улучшение ГМХ возможно за счет сокращения количества электронных компонентов в электронном блоке обработки информации. На Фиг. 4 показана структурная схема с улучшенными ГМХ трехосного ВОГ с цифровой обработкой информации. Один из входов дифференциального усилителя 25 соединен с фотоприемником, и он выполняет функции усилителя тока фотоприемника. На второй вход дифференциального усилителя тока фотоприемника подается сигнал с выхода фильтра низких частот 26, который представляет собой по сути аналоговый интегратор. Интегратор используется для компенсации постоянной составляющей тока фотоприемника с целью обеспечения работы усилителя в режиме усиления сигналов только СВ и CP с необходимым коэффициентом. Таким образом, на вход АЦП 27 поступает напряжение, которое несет информацию о СВ и CP всех трех измерительных каналов ВОГ, так на фотоприемник одновременно поступает излучение, прошедшее все три ВКИ. В этом случае на фотоприемнике наблюдается независимые друг от друга три интерференционные картины с трех ВКИ, так как между временами прихода излучения с трех ВКИ имеется небольшая разница, которая определяется разностью длин световодов от каждого ВКИ до фотоприемника. Этой разницы длин световодов достаточно, чтобы излучение, которые образуют интерференционные картины в трех ВКИ, было некогерентно друг другу. Длина когерентности источника оптического излучения, который используется в ВОГ обычно не превышает 200 мкм. В этом случае излучение каждого ВКИ не интерферирует на фотоприемнике с излучением двух других ВКИ, что позволяет обеспечить в напряжении на входе АЦП три СВ и три CP, параметры которых определяются только соответствующими ВКИ. Сигнал с выхода АЦП поступает на вход программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) 28, в которой организованы три независимых канала по обработке информации поступающей с каждого из трех ВКИ. Сигналы трех измерительных каналов ВОГ поступают на вход трех цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП1, ЦАП2, ЦАП3) 29, 30, 31. Напряжения с выходов ЦАП затем поступает на входы трех операционных усилителей (ОУ1, ОУ2, ОУ3) 32, 33, 34, выходы которых в свою очередь соединены с фазовыми модуляторами ВКИ (ВКИ1, ВКИ2, ВКИ3).

На Фиг. 5 показана структура алгоритма обработки информации трехосного ВОГ в ПЛИС. Для каждого из трех измерительных каналов ВОГ организовано два контура обратной связи по линеаризации выходной характеристики ВОГ (контур ОС-1) и контур обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ при изменении эффективности фазового модулятора ВКИ (контур ОС-2). В первом измерительном канале в состав контура ОС-1-1 входят демодулятор D₁ ¹ СВ1 первого измерительного канала 35, регулятор P₁ ¹ высоты ступеньки СПН 36, генератор кода ступенчатого пилообразного напряжения (ГКСПН) 37, генератор кода вспомогательной фазовой модуляции (ГКВФМ) 38 и сумматор кодов с выхода ГКСПН и ГК ВФМ 39. Сигнал с выхода сумматора кодов поступает на вход соответствующего ЦАП и далее усиленное с его выхода напряжение соответствующим операционным усилителем на фазовый модулятор ВКИ первого измерительного канала.

Во втором измерительном канале в состав контура ОС-1-2 входят демодулятор СВ2 D₁ ² второго измерительного канала 40, регулятор P₁ ² высоты ступеньки СПН 41, генератор кода ступенчатого пилообразного напряжения (ГКСПН) 42, генератор кода вспомогательной фазовой модуляции (ГКВФМ) 43 и сумматор кодов с выхода ГКСПН и ГК ВФМ 44. Сигнал с выхода сумматора кодов поступает на вход соответствующего ЦАП и далее усиленное с его выхода напряжение соответствующим операционным усилителем на фазовый модулятор ВКИ второго измерительного канала.

В третьем измерительном канале в состав контура ОС-1-3 входят демодулятор D₁ ³ СВ3 третьего измерительного канала 45, регулятор P₁ ³ высоты ступеньки СПН 46, генератор кода ступенчатого пилообразного напряжения (ГКСПН) 47, генератор кода вспомогательной фазовой модуляции (ГКВФМ) 48 и сумматор кодов с выхода ГКСПН и ГК ВФМ 49.

Сигнал с выхода сумматора кодов поступает на вход соответствующего ЦАП и далее усиленное с его выхода напряжение соответствующим операционным усилителем на фазовый модулятор ВКИ третьего измерительного канала.

В первом измерительном канале в состав контура ОС-2-1 Входят демодулятор D₂ ¹ СР1 50 и регулятор Р₂ ¹ 51 опорного тока ЦАП первого измерительного канала. Во втором измерительном канале в состав контура ОС-2-2 Входят демодулятор D₂ ² СР1 52 и регулятор Р₂ ² 53 опорного тока ЦАП второго измерительного канала. В третьем измерительном канале в состав контура ОС-2-3 входят демодулятор D₂ ³ СР3 54 и регулятор Р₂ ³ 55 опорного тока ЦАП третьего измерительного канала.

На Фиг. 6 показаны напряжения вспомогательной фазовой модуляции, разность фаз между лучами В волоконных кольцевых интерферометрах, сигналы вращения и рассогласования в каналах трехосного волоконно-оптического гироскопа. В первом измерительном канале напряжение ВФМ1 представляет из себя последовательность двухступенчатых импульсов напряжения 56. Период времени импульсного изменения напряжения равен τ, где τ - время пробега оптических лучей по световоду ВК1, а период следования импульсов напряжения ВФМ1 составляет 1/6τ. При подаче на фазовый модулятор ВКИ1 первого измерительного канала напряжения ВФМ1 между оптическими лучами вносится разность фаз Δϕ₁ 57. Параметр ВФМ Δ=1/3π радиан, поэтому амплитуды ВФМ равны ±(π-Δ)=±2/3π радиан и ±4/3π радиан. При наличии вращения ВКИ1 на фотоприемнике наблюдается СВ1 58, а при изменении эффективности фазовой модуляции фазового модулятора ВКИ1 и СР1 59. СВ1 и СР1 имеет одинаковую частоту, равную 1/6 τ, но они сдвинуты друг относительно друга по фазе. На фазовый модулятор ВКИ2 подается напряжение ВФМ2 60 в виде ступенчатых импульсов с периодом следования 1/12 τ, при этом между лучами ВКИ2 формируется разность фаз Δϕ₂ 61. На фотоприемнике при наличии вращения ВКИ2 наблюдается СВ2 62 и при изменении эффективности фазового модулятора ВКИ2 СР2 62. СВ2 и СР2 имеют также одинаковую частоту равную 1/12 τ. На фазовый модулятор ВКИ3 подается напряжение ВФМ3 64 в виде тех же ступенчатых импульсов с периодом следования 1/24 τ, при этом между лучами ВКИ3 формируется разность фаз Δϕ₃ 65. На фотоприемнике при наличии вращения ВКИ3 наблюдается СВ3 66 и при изменении эффективности фазового модулятора ВКИ3 СР3 67. СВ3 и СР3 имеют также одинаковую частоту равную 1/24 τ. СВ1, СВ2, СВ3 имеют кратные частоты и при обеспечении их синхронизации они могут быть выделены демодуляторами D₁ ¹, D₁ ², D₁ ³ каждый по отдельности, то есть на выходах демодуляторов выделяется код, пропорциональный амплитуде СВ1, СВ2 и СВ3 соответственно. Синхронизация СВ1, СВ2 и СВ3 возможна, если время пробега τ оптических лучей по световодам чувствительных катушек ВКИ1, ВКИ2 и ВКИ3 имеет минимальные отличия. Для высокоточных ВОГ (0,01÷0,001 град/час) это различие не должно превышать 0,1%, а для ВОГ с точностью порядка 1÷10 град/час это различие не должно превышать 1%. Допустимая разность времен пробега оптических лучей зависит также от количества выборок АЦП, которое используется при демодуляции СВ, а также от расположения их на периоде СВ и CP при их демодуляции. Для обеспечения синхронизации между собой СВ и CP при компенсации разности фаз Санька с помощью СПН (контур ОС-1), подаваемого на фазовые модуляторы ВКИ необходимо использовать СПН с фазовой амплитудой 2Δ радиан, где Δ - параметр ВФМ [3, 4, 8]. Использовании СПН с фазовой амплитудой 2π радиан неизбежно приведет к потере синхронизации СВ1, СВ2, СВ3, СР1, СР2 и СР3, так как фаза напряжений ВФМ1, ВФМ2 и ВФМ3 будет хаотическим образом изменяться.

На Фиг. 7 показан алгоритм обработки информации проекций вектора угловой скорости и изменения эффективности фазовых модуляторов в каналах трехосного волоконно-оптического гироскопа. Амплитуда СВ1 демодулятором D₁ ¹ может выделяться по закону 68. При выполнении арифметических действий + или - в ПЛИС при демодуляции означает арифметические действия с выборками сигналов на τ интервалах с соответствующим номером на периоде времени длительностью 24 τ. СР1 демодулятором D₂ ¹ может выделяться по закону 69, СВ2 демодулятором D₁ ² может выделяться по закону 70, СР2 демодулятором D₂ ² может выделяться по закону 71, СВ3 демодулятором D₁ ³ может выделяться по закону 72, а СР3 демодулятором D₂ ³ может выделяться по закону 73.

В случае, когда необходимо измерять вектор угловой скорости в небольшом диапазоне угловых скоростей и с небольшими требованиями по нелинейности выходной характеристики ВОГ можно использовать электронный блок обработки информации с открытыми контурами ОС-1-1, ОС-1-2 и ОС-1-3. На Фиг. 8 показан алгоритм цифровой обработки информации с открытыми контурами ОС-1 во каналах трехосного волоконно-оптического гироскопа. Сигнал с выхода демодулятора D₁ ¹ поступает на вход ЦАП4 74 и далее на операционный усилитель ОУ4 75. Сигнал с выхода демодулятора D₁ ² поступает на вход ЦАП5 76 и далее на операционный усилитель ОУ5 77. Сигнал с выхода демодулятора D₁ ³ поступает на вход ЦАП5 78 и далее на операционный усилитель ОУ6 79. В этом случае реализуется трехосный волоконно-оптический гироскоп с выходом в виде электрического напряжения, пропорционального проекциям вектора угловой скорости.

Литература

[1] Lefevre Н.С.et all. «Double closed-loop hybrid fiber gyroscope using digital phase ramp // Optical Fiber Sensors (OFS), 1985, San Diego, CA, January 1, Post Deadline, p. PDS7-1.

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

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

[4] A.M. Курбатов «О новых путях совершенствования волоконно-оптических гироскопов с открытым и закрытым контуром обратной связи» «Гироскопия и навигация», №1 (88), 2015

[5] A.M. Курбатов, P.A. Курбатов «Волоконно-оптический гироскоп с закрытым контуром», Патент РФ №2512599 от 28.02.2014 г., дата приоритета 24.10.2012 г.

[6]. A.M. Курбатов "Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа." Патент РФ №2130587, заявка №96108070, приоритет изобретения 18 апреля 1996 г., зарегистрирован 20 мая 1999 г.

[7]. A.M. Курбатов «Способ устранения зоны нечувствительности в волоконно-оптическом гироскопе», Патент РФ №2472111 от 10.01.2013 г. Заявка №2011125199 от 17.06.2011 г.

[8]. A.M. Курбатов «Способ устранения зоны нечувствительности в волоконно-оптическом гироскопе», Патент №2472111 от 10.01.2013 г. Заявка №2011125199 от 17.06.2011 г.

Claims (1)

1. Малогабаритный измеритель вектора угловой скорости на основе волоконно-оптического гироскопа, содержащий источник оптического излучения, трехканальное волоконное устройство ввода-вывода оптического излучения, соединенного с волоконными интерферометрами и фотоприемником, три электронных канала измерения проекций угловой скорости, состоящих каждый из усилителя тока фотоприемника, фильтра низких частот для компенсации постоянной составляющей сигнала на фотоприемнике, аналого-цифрового преобразователя, программируемой логической интегральной схемы, цифроаналогового преобразователя и операционного усилителя для подачи суммы напряжений вспомогательной фазовой модуляции и коменсирующего разность фаз Саньяка ступенчатого пилообразного напряжения на электроды фазовых модуляторов волоконных кольцевых интерферометров, при этом в каждой программируемой логической интегральной схеме содержится генератор кода напряжения вспомогательной фазовой модуляции в волоконном кольцевом интерферометре и организованы два контура обратной связи для линеаризации выходной характеристики гироскопа и для стабилизации его масштабного коэффициента, отличающийся тем, что волоконные кольцевые интерферометры содержат световоды в чувствительных катушках такой длины, которые обеспечивают время пробега оптических лучей, отличающееся друг от друга не более чем от 0,1 до 1%, при этом используют на все три канала измерения проекций вектора угловой скорости один усилитель тока фотоприемника с одним фильтром низких частот, один аналого-цифровой преобразователь и одну программируемую логическую интегральную схему, в которой организуют три генератора кодов вспомогательной фазовой модуляции для каждого измерительного канала, которые обеспечивают синхронизированные между собой кратные частоты сигналов вращения, а также синхронизированные между собой сигналы рассогласования во всех каналах измерения, при этом организуют контуры обратной связи для линеаризации выходной характеристики по каждому измерительному каналу волоконно-оптического гироскопа и стабилизации его масштабного коэффициента, а в качестве трехканального устройства ввода-вывода используют волоконный разветвитель оптического излучения 3×3, три выходных световода которого соединяют с волоконными кольцевыми интерферометрами, а один из входных его световодов соединяют с источником оптического излучения, при этом оптическое излучение после прохождения волоконных кольцевых интерферометров с выхода двух оставшихся входных световодов разветвителя подают на фотоприемник.

Images