ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
FIBRE-OPTIC ANGULAR SPEED METRE

Предлагаемое изобретение относится к гироскопической и контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости (ВОИУС).
Измерительный канал аналогичного ВОИУС описан в книге: А.Г. Шереметьев. Волоконно-оптический гироскоп. М., Радио и связь, 1987, стр.40-43, 120-147.
Все волоконные ВОИУС, выполненные по схеме минимальной структуры, при наличии вспомогательной и компенсирующей обратной связи, на основе встроенного волоконно-оптического фазового модулятора, должны обеспечивать низкий уровень случайного дрейфа, высокую чувствительность и линейность выходной характеристики ВОИУС.
Однако уровень случайного дрейфа, чувствительность, стабильность и линейность масштабного коэффициента ВОИУС зависит от температуры, габаритно-массовых характеристик и диапазона измеряемой скорости. В этих случаях снижение случайного дрейфа осуществимо, например, путем стабилизации оптических характеристик источника излучения. Улучшению чувствительности, стабильности и линейности масштабного коэффициента измерительных каналов ВОИУС могут способствовать некоторые схемотехнические решения, реализованные при разработке устройств преобразования и выделения оптического сигнала поступившего на фотоприемник.
Известен малогабаритный трехосный волоконно-оптический измеритель угловой скорости (патент №2142118 от 29.06.1998 г.).
Основным недостатком ВОИУС, описанного в патенте №2142118, является низкая надежность и высокая себестоимость при многоканальном исполнении измерителя на основе оптических интегральных схем.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявленному техническому решению является волоконно-оптический измеритель угловой скорости (патент №2112927 от 03.08.1994 г.).
Данный волоконно-оптический измеритель угловой скорости содержит последовательно оптически связанные источник излучения, деполяризатор, устройство расщепления-соединения излучения и измерительный волоконный контур, а также фазовый модулятор вспомогательной модуляции, фазовый модулятор компенсирующей модуляции, первый и второй фотоприемные модули, устройство преобразования и выделения сигнала, вход которого соединен с выходом первого фотоприемного модуля, волоконный контур выполнен из одножильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации в виде катушки с симметричной намоткой относительно середины общей длины, фазовые модуляторы выполнены на концах измерительного волоконного контура путем намотки световода на середину пьезокерамических преобразователей со скруткой каждого витка на π рад, устройство расщепления-соединения излучения выполнено в виде последовательно оптически связанных входного разветвителя, поляризатора и контурного разветвителя, из двухжильного анизотропного одномодового световода с сохранением поляризации, источник излучения выполнен в виде широкополосного суперлюминесцентного диода, оптически связанного через деполяризатор с входным разветвителем, второй выход которого оптически связан через фотодиод второго фотоприемного модуля с входом источника излучения, а третий - с фотодиодом первого фотоприемного модуля с дифференциальным выходом, устройство преобразования и выделения сигнала содержит последовательно соединенные дифференциальные полосовые усилители с разделительными конденсаторами на дифференциальных выходах, фазочувствительный выпрямитель и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом измерителя, а также источник вторичного питания, усилитель-преобразователь синусоидального напряжения высокой частоты, усилитель-преобразователь синусоидального напряжения низкой частоты и многоканальный формирователь синхронизирующих импульсов, при этом фазочувствительный выпрямитель выполнен по схеме двойного синхронного детектирования и содержит суммирующий интегратор с подключенными к его входам двумя синхронными детекторами, каждый усилитель-преобразователь синусоидального напряжения содержит цепь из последовательно соединенных интегратора, один из входов которого является входом усилителя-преобразователя, модулятора и полосового усилителя, выход которого является выходом усилителя-преобразователя, охваченную отрицательной обратной связью, включающей выпрямитель, причем выходы формирователя синхронизирующих импульсов соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, синхронных детекторов фазочувствительного выпрямителя, модуляторов и выпрямителей усилителей-преобразователей синусоидального напряжения высокой и низкой частоты, выходы которых соединены с фазовыми модуляторами вспомогательной и компенсирующей модуляции соответственно, а вход усилителя преобразователя синусоидального напряжения низкой частоты соединен с вторым выходом фазочувствительного выпрямителя, при этом синхронизирующие импульсы на управляющих входах фазочувствительного выпрямителя имеют длительность менее полупериода и сдвинуты относительно друг друга на нечетное число полупериодов частоты модулирующего сигнала фазового модулятора вспомогательной модуляции, а частота модулирующего сигнала фазового модулятора компенсирующей модуляции много меньше и кратна частоте модулирующего сигнала фазового модулятора вспомогательной модуляции.
Основным недостатком описанного ВОИУС являются повышенное энергопотребление при многоканальном исполнении бесплатформенного инерциального блока на волоконно-оптических гироскопах, а также недопустимый уровень нелинейности и температурной нестабильности масштабного коэффициента.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергопотребления ВОИУС, а также снижение погрешности масштабного коэффициента с сохранением дрейфа на уровне 1 град/ч при низкой себестоимости.
Сущность изобретения заключается в том, что волоконно-оптический измеритель угловой скорости, содержащий два усилителя-преобразователя (УП1 и УП2), формирователь синхронизирующих импульсов (ФСИ), волоконный контур, два фазовых модулятора, установленных на концах волоконного контура, последовательно и оптически связанные входной разветвитель, поляризатор и контурный разветвитель, двумя выходами оптически связанный с концами волоконного контура, деполяризатор, приемный модуль (ПМ), источник излучения, выход которого оптически связан через деполяризатор с первым входом входного разветвителя, фотоприемный модуль (ФПМ), своим фотодиодом оптически связанный со вторым выходом входного разветвителя, фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), входами связанный с соответствующими выходами ФПМ, а выходом связанный с входом УП2, выходы ФСИ соединены с соответствующими управляющими входами УП1, УП2 и ФЧВ, согласно изобретению, введен коммутатор, входами связанный соответственно с выходами УП1 и УП2, при этом ПМ выходом связан с входом источника излучения имеющего встроенный фотодиод, выходом связанный с входом ПМ, управляющий вход которого соединен с ФСИ, третий управляющий вход УП2 связан с ФСИ, выходы коммутатора соединены соответственно с обоими выводами встречно-параллельного соединения фазовых модуляторов, управляющий вход коммутатора соединен с ФСИ.
Предлагаемое изобретение поясняется схемами, приведенными на Фиг.1÷8.
На Фиг.1 приведена структурная схема ВОИУС при многоканальном использовании, каждый канал которого включает оптическую цепь, содержащую, соединенные путем сварки С1÷С6, источник излучения 1 с встроенным фотодиодом, деполяризатор 2, входной разветвитель 3, поляризатор 4, контурный разветвитель 5, измерительный волоконный контур 6 с фазовыми модуляторами 7 и 8, и управляемый приемный модуль 9, а также, устройство преобразования и выделения оптического сигнала, содержащее фотоприемный модуль 10, фазочувствительный выпрямитель 11, усилитель-преобразователь 12 пилообразного напряжения компенсирующей фазовой модуляции, коммутатор 13. В ВОИУС также входят: усилитель-преобразователь 15 синусоидального напряжения вспомогательной фазовой модуляции и формирователь синхронизирующих импульсов 16. Источник вторичного питания 14 (не входит в состав ВОИУС) предназначен для питания элементов.
В каждом канале предлагаемого ВОИУС в качестве источника излучения 1 со встроенным фотодиодом типа ФД-271 используется суперлюминисцентный диод (СЛД) типа ИЛПН-330-1ж, характеризующийся достаточно высокой оптической мощностью, вводимой в отрезок одномодового волокна, и приемлемым соотношением сигнал/шум за счет уменьшения уровня шумов, связанных с обратным рэлеевским рассеянием и эффектом Керра.
1
2
Деполяризатор вводится в оптическую цепь для снижения дрейфа выходного сигнала ВОИУС путем сварки C с выходным торцем СЛД и сварки С со входом входного разветвителя. Деполяризатор изготовлен их двух отрезков анизотропного световода.
3
4
Между входным разветвителем изготовленным из одномодового изотропного световода и контурным разветвителем, изготовленным из одномодового анизотропного световода типа D- волокно, вводится путем сварки С и С поляризатор. Поляризатор выполнен из отрезка с большим двулучепреломлением одножильного одномодового анизотропного световода.
Измерительный волоконный контур соединен с выходами контурного разветвителя 5 через фазовые модуляторы 7 и 8, сформированные на выводных концах контура 6. Модуляторы, выполнены путем намотки световода анизотропного на пьезокерамические цилиндрические преобразователи.
На Фиг.2 представлен приемный модуль (ПМ), выполненный в виде последовательно соединенных усилителя У1 с дифференциальным входом, являющимся первым входом ПМ, суммирующего усилителя У2 (подключенного инвертирующим входом) и усилителя мощности УЗ (на базе эмиттерного повторителя по схеме Дарлингтона), выходом соединенного с катодом источника излучения 1, анод которого соединен через резистор R10 с инвертирующим входом усилителя У2, а через эталонный резистор R11 с общей шиной. Источник излучения 1 соединен через встроенный фотодиод (преобразующий излучение в электрический сигнал) с первым входом ПМ, который управляющим входом соединен с соответствующим выходом формирователя синхронизирующих импульсов (ФСИ). Инвертирующий вход усилителя У2 через резистор R8 соединен с входом питания ПМ и с отсекающей цепочкой из параллельно соединенных конденсатора С и стабилитрона VD1. Резистор R8 шунтируется низкоомным резистором R9 через ключ 1к, управляющий вход которого является управляющим входом ПМ.
На Фиг.3 приведена схема фотоприемного модуля (ФПМ), содержащая цепь из фотодиода с обратно приложенным напряжением смещения и двух полосовых усилителей, выполненных по дифференциальной схеме с разделительным конденсатором на симметричных входах и выходах. Фотодиод типа ФД-2 оптически связан через многомодовый световод со вторым выходом входного разветвителя.
1
2
Д1
Д2
На Фиг.4 приведена схема фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ), содержащая суммирующий интегратор У1, два синхронных детектора Д1 и Д2 на основе ключей 1к и 2к, управляющие входы которых являются соответственно первым и вторым управляющими входами ФЧВ, и запоминающих конденсаторов C и С. Выборка-хранение сигналов с симметричных выходов ФПМ осуществляется детекторами Д1 и Д2 управляемыми синхроимпульсами Ф5 и Ф6. Сигналы U и U с выхода повторителей П1 и П2 суммируются на У1.
На Фиг.5 приведена принципиальная схема усилителя-преобразователя пилообразного напряжения компенсирующей фазовой модуляции (УП2) и коммутатора. УП2 содержит цепь из последовательно соединенных суммирующего интегратора на основе операционного усилителя У2, инвертирующий вход (является входом УП2) которого через резистор R2 соединен с выходом ФЧВ, первого ключа 1к, управляющий вход которого является первым управляющим входом УП2, сглаживающей RC-цепочки и интегро-дифференцирующего звена, содержащего операционный усилитель У3 в не инвертирующем включении с конденсатором в обратной связи (обратная связь: выход У3-конденсатор-инвертирующий вход У3), шунтируемым вторым ключом 2к (шунтирующая цепь и ее связь: выход У3-ключ 2к-резистор R-8-инвертирующий вход У3), управляющий вход которого является вторым управляющим входом УП2. Выход УЗ подключен через третий ключ 3к, управляющий вход которого является третьим управляющим входом УП2, к запоминающей RC-цепочке, выходом подключенной к неинверсному входу термокомпенсирующего усилителя У1, выход которого подключен к инверсному входу У2. Период следования синхроимпульсов на управляющих входах УП2 равен интервалу следования синхроимпульсов на управляющих входах синхронных детекторов ФЧВ, а длительность заряда конденсатора более времени обхода светом измерительного контура.
Коммутатор, содержит ключи 4к и 5к, управляющие входы которых объединены в управляющий вход коммутатора, соединенным с девятым выходом ФСИ. Ключи обеспечивают соединение либо первого входа, либо второго входа со вторым выходом коммутатора. Первый выход коммутатора не коммутируется и постоянно соединен с первым входом коммутатора. Коммутатор первым и вторым входами соединен соответственно с выходами УП2 и УП1, а первым и вторым выходами соединен соответственно с первым и вторым выводами встречно-параллельного соединения первого и второго фазовых модуляторов (при встречно-параллельном соединении фазовые модуляторы работают в противофазе). Синхроимпульсы Ф9 имеют суммарную длительность (суммарная длительность равна длительности одного Ф9 умноженной на число используемых каналов) равную интервалу следования синхроимпульсов Ф5 и Ф6 на управляющих входах синхронных детекторов Д1 и Д2 ФЧВ.
1
На Фиг.6 приведена принципиальная схема усилителя-преобразователя 15 синусоидального напряжения вспомогательной фазовой модуляции (УП1), содержащая цепь из последовательно соединенных суммирующего интегратора У2, на инвертирующий вход которого подается напряжение с источника питания 14, модулятора на основе ключа 1к, управляющий вход которого является первым управляющим входом УП1, первого и второго полосовых усилителей УЗ и У4. Выход У4 является выходом УП1. Цепь охвачена отрицательной обратной связью, содержащей последовательно соединенные выпрямитель на основе запоминающего конденсатора С и ключа 2к, управляющий вход которого является вторым управляющим входом УП1, и повторитель У1 на основе операционного усилителя в не инвертирующем включении, выходом соединенный с вторым входом усилителя У2.
На Фиг.7 приведена функциональная схема ФСИ в виде цепи из последовательно соединенных кварцевого модулятора, делителя частоты и логического устройства формирования управляющих синхроимпульсов, соединенных с управляющими входами УП1 и функциональными узлами многоканального устройства преобразования и выделения сигнала, при этом:
Ф1 - синхроимпульс типа «меандр» скважностью 2 на первом управляющем входе УП1 с частотой сигнала вспомогательной фазовой модуляции;
Ф2 - синхроимпульс на втором управляющем входе УП1 длительностью «лог.0» не более полупериода и частотой, кратной частоте модулирующего сигнала вспомогательной фазовой модуляции;
4
Ф3 - синхроимпульс на первом управляющем входе УП2, длительностью «лог.0», более времени обхода светом измерительного контура с момента заряда конденсатора С в УП2;
4
Ф4 - синхроимпульс на втором управляющем входе УП2, длительностью «лог.1», с момента заряда до момента разряда конденсатора С в УП2;
Ф5, Ф6 - синхроимпульсы, на первом и втором управляющих входах ФЧВ, длительностью «лог.0» менее полупериода сигнала вспомогательной фазовой модуляции и сдвинутые относительно друг друга на нечетное число полупериодов этого сигнала. Момент формирования синхроимпульсов соответствует экстремуму сигнала с ФПМ;
Ф7 - синхроимпульс на управляющем входе ПМ типа «меандр» скважностью не менее числа измерительных каналов, частотой много меньше и кратной частоте сигнала вспомогательной фазовой модуляции;
4
Ф8 - синхроимпульс на третьем управляющем входе УП2, длительностью «лог.0», не более интервала между моментами окончания заряда и начала разряда конденсатора С в УП2;
Ф9 - синхроимпульс на управляющем входе коммутатора типа «меандр» скважностью, равной числу измерительных каналов, с периодом следования «лог.1», равным интервалу следования синхроимпульсов на управляющих входах ФЧВ.
Измерение угловой скорости по оси чувствительности измерительного канала осуществляется путем формирования в оптической цепи фазовых сдвигов встречных излучений (фазы Саньяка, фазовых сдвигов вспомогательной и компенсирующей модуляции), интерференции и преобразования приращения интенсивности излучения в аналоговый сигнал величиной, пропорциональной скорости по оси чувствительности, и знаком, соответствующим направлению движения.
о
в
1
в
Пусть с момента t на управляющие входы УП1 с выхода ФСИ подаются импульсы Ф1 и Ф2 частотой кратной частоте импульсов Ф1, при этом на выходе УП1 формируется синусоидальный сигнал U вспомогательной фазовой модуляции. С момента t при подаче импульса Ф9 на управляющий вход коммутатора, выход УП1, через замкнутый контакт 5 к и фазовые модуляторы, соединяется с выходом УП2. Тем самым на фазовые модуляторы подается сигнал U.
2
С момента t на управляющий вход ПМ подается импульс Ф7 (Ф7 подается через интервал равный периоду следования Ф5 и Ф6, длительность Ф7 не более длительности Ф9), и тем самым на источник 1 подается питание. Излучение источника 1 через встроенный фотодиод преобразуется в электрический сигнал, который подается на вход ПМ, выходом соединенного с входом источника 1 и, тем самым, стабилизируется мощность излучения.
в
3
4
вых
Излучение источника через деполяризатор поступает на входной разветвитель, с выхода которого проходит поляризатор и расщепляется контурным разветвителем на два равных по интенсивности излучения, вводимые с противоположных концов в измерительный контур. При модуляции излучения на входе и выходе контура с учетом времени обхода контура, равного полупериоду U формируется разность фаз вспомогательной модуляции. При наличии скорости с момента t разность фаз содержит фазу Саньяка. Преобразование суммарной разности фаз в электрический сигнал осуществляется ФПМ, с симметричных выходов которого осуществляется "выборка-хранение" сигнала детекторами 1К и 2К ФЧВ при подаче с момента t на его управляющие входы импульсов Ф5 и Ф6. На выходе У1 ФЧВ, через несколько циклов подачи импульса Ф7 на управляющий вход ПМ, формируется сигнал U уровнем пропорциональный измеряемой скорости. Сформированный сигнал оцифровывается и с учетом знака передается в компьютер для вычисления скорости.
г
5
4
6
7
г
8
4
oс
вых
Преобразование сигнала с У1 ФЧВ осуществляется УП2, формирующим трапецеидальный сигнал U с амплитудой и наклоном, определяемым скоростью. При подаче с момента t на управляющие входы УП2 импульсов Ф3 и Ф4 заряжается конденсатор С до момента t. При подаче в момент t импульса Ф8 на ключ 3К осуществляется выборка-хранение сигнала U, в момент t конденсатор С разряжается. На инвертирующем входе усилителя У2 осуществляется сравнение сигнала U с выхода У1 (Фиг.5) с сигналом U.
Заявленный измеритель угловой скорости, при использовании нескольких измерительных каналов с произвольно расположенными осями чувствительности, может быть использован для построения бескарданной инерциальной навигационной системы. Трехосные системы имеют как правило, ортогональную ориентацию осей чувствительности измерительных каналов. В системах с числом каналов >3 ориентация осей чувствительности может быть неортогональной. При использовании гексады измерителей они располагаются через 60° на пирамиде с углом полураствора ≈55°. В этом случае определение положения объекта в инерциальном пространстве осуществляется с помощью бортового компьютера, обрабатывающего поступающую информацию с каналов измерителя по известным алгоритмам пересчета в базовый трехгранник с помощью матрицы направляющих косинусов. При этом аналоговые выходные сигналы ВОИУС для ввода в бортовой компьютер должны быть преобразованы в цифровую форму. Многоканальность измерителей нужна для обеспечения работоспособности при отказе каналов (до 3-х каналов при использовании гексады).
При многоканальном исполнении, измеритель содержит п измерительных каналов с произвольно заданными осями чувствительности, при этом, каждый канал содержит источник излучения, деполяризатор, входной разветвитель, поляризатор, контурный разветвитель, фазовые модуляторы, волоконный контур, приемный модуль, ФПМ, ФЧВ, УП2 и коммутатор; ФСИ выполнен n-канальным (имеет несколько групп выходов относящихся к соответствующим каналам), обеспечивая смещение по времени управляющих импульсов относительно каждого канала и подачу соответствующих управляющих импульсов на каждый измерительный канал, а выход УП1 связан со вторыми входами каждого коммутатора. Время, необходимое для формирования выходного сигнала измерительного канала мало по сравнению со временем, за которое значение скорости по условию принято считать изменившимся.
Технический результат изобретения заключается в снижении энергопотребления и температуры источника излучения путем прерывания напряжения питания, а также в снижении погрешности масштабного коэффициента путем применения квазитрапециедальной формы напряжения компенсирующей фазовой модуляции. При этом снижается себестоимость путем применения фазовых модуляторов на основе пьезокерамических преобразователей и повышается надежность при многоканальном исполнении ВОИУС с неортогональной ориентацией осей чувствительности малогабаритных волоконных контуров.
Таким образом, заявлен волоконно-оптический измеритель угловой скорости, содержащий первый и второй усилители-преобразователи (УП1 и УП2), формирователь синхронизирующих импульсов (ФСИ), волоконный контур, первый и второй фазовые модуляторы, установленные на концах волоконного контура, оптически связанные входной разветвитель, поляризатор, входом связанный с первым выходом входного разветвителя, и контурный разветвитель, входом связанный с выходом поляризатора, а двумя выходами оптически связанный с концами волоконного контура, деполяризатор, приемный модуль (ПМ), источник излучения, выход которого оптически связан через деполяризатор с первым входом входного разветвителя, фотоприемный модуль (ФПМ), своим фотодиодом оптически связанный со вторым выходом входного разветвителя, фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), первым и вторым входами связанный соответственно с первым и вторым выходами ФПМ, а выходом связанный с входом УП2, с первого по шестой выходы ФСИ соединены соответственно с первыми и вторыми управляющими входами УП1, УП2 и ФЧВ, вход УП1 связан с выходом источника питания. Отличительная особенность устройства заключается в том, что введен коммутатор, первым и вторым входом связанный соответственно с выходами УП1 и УП2, при этом ПМ выходом связан с входом источника излучения, который через встроенный фотодиод связан с первым входом ПМ, управляющий вход которого, соединен с седьмым выходом ФСИ, восьмой выход ФСИ соединен с третьим управляющим входом УП2, первый и второй выходы коммутатора соединены соответственно с первым и вторым выводами встречно-параллельного соединения первого и второго фазовых модуляторов, управляющий вход коммутатора соединен с девятым выходом ФСИ.