ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА
ELECTRONIC UNIT FOR FIBRE-OPTIC GYROSCOPE

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический гироскоп (далее по тексту - ВОГ), описанный в [1]. 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. К выходным канальным 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:
S
ϕ=(4π RL/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:
Ф
0
S
P=1/2P(1+cosϕ)
0
где P - суммарная 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 составляет величину:
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>L</mi><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow>
0
где n - показатель преломления материала световода чувствительной катушки. При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения следующих с частотой 1/2τ ток фотоприемника можно представить в виде:
ф
2
0
ф
m
S
m
S
1
I=/Pη(1+cosϕ·cosϕ±sinϕ·sinϕ)
ф
η - токовая чувствительность фотоприемника,
m
ϕ - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.
Переменная составляющая сигнала после усилителя тока фотоприемника поступает на один из двух входов дифференциального усилителя. На второй его вход поступает постоянная составляющая общего сигнала после усилителя тока фотоприемника и, таким образом, дифференциальный усилитель выделяет и усиливает переменную составляющую общего сигнала на фотоприемнике. Сигнал с выхода дифференциального усилителя поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и далее на вход первого демодулятора сигнала вращения гироскопа, который содержится в переменной части общего сигнала на частоте вспомогательной фазовой модуляции. На выходе первого демодулятора выделяется напряжение, величина которого пропорциональна угловой скорости. Интегрально-оптические фазовые модуляторы имеют конечную полосу пропускания из-за наличия емкости электродов. Полоса ограничивается и так же полосой пропускания усилителя тока фотоприемника. Из ограниченной полосы пропускания модулятор-усилитель происходит затяжка фронтов импульсного сигнала вращения после усилителя тока фотоприемника и поэтому при детектировании сигнала вращения первым демодулятором возникает ошибка измерения угловой скорости. Для исключения этой ошибки используется электронный ключ, который обнуляет сигнал вращения на время затяжки его фронтов и тем самым ошибка измерения угловой скорости минимизируется.
Для обеспечения большого динамического диапазона измерения угловых скоростей и получения высокой линейности выходной характеристики ВОГ в оптоэлектронной схеме обработки информации используется так называемый компенсационный метод считывания разности фаз лучей, суть которого заключается в том, что на фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции подается компенсирующее разность фаз Саньяка ступенчатое пилообразное напряжение (СПН). В результате выражение для тока фотоприемника приобретает следующий вид:
ф
2
0
ф
m
S
K
m
S
K
1
I=/Рη{1+cosϕ·cos(ϕ-φ)±sinϕ·sin(ϕ-φ)}
K
где φ - сдвиг фаз, вносимый пилообразным напряжением для компенсации разности фаз Саньяка.
S
K
S
K
Ступенчатое пилообразное напряжение для того, чтобы не было ошибок в измерении угловой скорости должно иметь амплитуду, при которой фаза лучей изменяется на 2π радиан. Длительность каждой ступеньки равна τ, где τ - время пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки. Разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, которая вносится с помощью СПН пропорциональна разности напряжений в соседних ступеньках СПН. Напряжение с первого демодулятора поступает на вход первого регулятора, который изменяет разность напряжений в соседних ступеньках таким образом, что напряжение на выходе первого демодулятора становится равным нулю. В этом случае разность фаз Саньяка, определяемая величиной угловой скорости, равна ΔU×η=ϕ=φ, где ΔU - разность напряжений в соседних ступеньках СПН, а η - эффективность фазового модулятора ИОС. Таким образом, величина AU определяет измеряемую угловую скорость. Учитывая, что в режиме компенсации ϕ-φ≈0 ток фотоприемника можно представить в виде:
ф
2
0
ф
m
m
S
K
1
I=/Pη{1+cosϕ±sinϕ·sin(ϕ-φ)}
Таким образом, сигнал на выходе фотоприемника содержит как постоянную составляющую, так и переменную. Точность ВОГ определяется также и стабильностью масштабного коэффициента. Для выходного сигнала гироскопа, работающего по компенсационной схеме в режиме замкнутой петли обратной связи справедливо следующее соотношение [1]:
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>n</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mi>R</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><mi>λ</mi><mi>c</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>η</mi><msub><mi>U</mi><mi>П</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mi>Ω</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
n
где f(t) - частота компенсирующей фазовой пилы;
Ω(t) - угловая скорость вращения гироскопа;
П
U - амплитуда СПН;
ст
τ - длительность ступеньки компенсирующей пилы.
Из этого выражения следует, что масштабным коэффициентом ВОГ в этом случае является величина:
п
ст
МК=4πRL/(λc×ηUτ)
ст
П
Если выбрать τ=τ и обеспечить ηU=2π, то выражение для масштабного коэффициента гироскопа приобретает следующий вид:
0
МК=2R/λ n
П
П
По порядку величины на стабильность масштабного коэффициента наибольшее влияние оказывает величина ηU из-за большой нестабильности эффективности η фазового модулятора. Поэтому с целью стабилизации этой величины, а в конечном счете и стабилизации масштабного коэффициента в схеме обработки информации с замкнутой петлей обратной связи необходимо обеспечить амплитуду СПН, которая вносит между лучами ВКИ разность фаз, равную 2π радиан. Если это условие не выполняется, то при сбросе СПН на фотоприемнике появляется импульс света, который затем усиливается усилителем тока фотоприемника и приводит к ошибке измерения угловой скорости. Паразитный импульс при сбросе максимального значения СПН в случае, когда его амплитуда такова, что ηU не равно 2π радиан, присутствующий на фотоприемнике паразитный импульс представляет собой сигнал рассогласования. Таким образом, переменная часть сигнала на фотоприемнике содержит как сигнал вращения так и сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования выделяется вторым демодулятором, сигнал с выхода которого поступает затем на второй регулятор. Второй регулятор изменяет амплитуду СПН таким образом, чтобы напряжение на выходе второго демодулятора было равным нулю.
в
в
Одним из основных недостатков известного электронного блока ВОГ является, зависимость смещения нулевого сигнала от изменений амплитуды сигнала вращения. Амплитуда сигнала вращения зависит от стабильности выходной мощности источника оптического излучения, коэффициента передачи электронного тракта в зависимости от изменений температуры, изменений оптического сигнала при воздействии вибраций и радиационного облучения и т.д. Например, при воздействии на гироскоп синусоидальной вибрации с определенной частотой и амплитудой паразитное смещение нуля нарастает по линейному закону в зависимости от амплитуды вибраций [2]. При воздействии синусоидальной вибрации на частоте (ив модулируется по синусоидальному закону как разность фаз между лучами кольцевого интерферометра ΔФ(ω)×cos(ωt), так и мощность интерферирующих лучей. При анализе сигнала в нем присутствуют члены, которые можно описать следующим выражением [3]:
п
в
в
в
2
Ω~ΔI(ω)×ΔФ(ω)×cos(ωt)
где ΔI - амплитуда модуляции интенсивности интерферирующих лучей,
п
Ω - паразитное смещение нулевого сигнала гироскопа.
в
в
Таким образом, при изменении частоты вибраций и увеличении ее амплитуды паразитное смещение нулевого сигнала изменяется. Для устранения этого эффекта необходимо добиваться следующих условий либо ΔФ(ω)=0, либо ΔI(ω)=0. Выполнение первого условия связано с совершенствованием технологии изготовления чувствительной катушки, а второе условие можно выполнить, обеспечив стабилизацию амплитуды сигнала вращения в полосе частот значительно превышающей частоту вибраций гироскопа. Нестабильность смещения нуля еще более усиливается и из-за нестабильности масштабного коэффициента ВОГ, обусловленной изменениями амплитуды сигнала рассогласования. Источником нестабильности амплитуды сигнала рассогласования, как и нестабильности амплитуды сигнала вращения, являются те же изменения, например, выходной мощности источника излучения, а также изменение потерь оптической мощности интерферирующих лучей при прохождении оптического тракта ВОГ при воздействии на него внешних дестабилизирующих факторов.
Целью настоящего изобретения является уменьшение паразитного смещения нуля и повышение стабильности масштабного коэффициента ВОГ из-за изменения амплитуды сигнала вращения и сигнала рассогласования при воздействии на ВОГ внешних дестабилизирующих факторов.
Указанная цель достигается тем, что в качестве предварительного усилителя тока фотоприемника используют усилитель с управляемым коэффициентом усиления, а сигнал с выхода АЦП поступает на вход цифрового электронного ключа, далее сигнал поступает на входы первого демодулятора и второго демодулятора, причем на первом выходе первого демодулятора выделяется сигнал вращения гироскопа, который поступает на первый вход первой схемы деления сигналов, а на втором выходе первого демодулятора выделяется постоянная составляющая сигнала вращения, которая затем поступает на вход схемы с коэффициентом передачи сигнала 1/1-α, где α<1, после чего сигнал с ее выхода поступает на вторые входы первой и второй схем деления сигналов, а с выхода первой схемы деления сигнал поступает на первый регулятор, при этом сигнал рассогласования с выхода второго демодулятора поступает на первый вход второй схемы деления сигналов, с выхода которой сигнал поступает на вход второго регулятора, причем сигнал с выхода схемы с коэффициентом передачи 1/1-α поступает и на вход схемы с коэффициентом передачи сигнала 1/G, где G - коэффициент усиления дифференциального усилителя, поле чего сигнал с ее выхода поступает на вход цифроаналогового преобразователя и далее на схему управления коэффициентом усиления усилителя тока фотоприемника, а также на вход схемы с коэффициентом передачи α, с выхода которой сигнал поступает на второй вход дифференциального усилителя.
Уменьшение паразитного смещения нуля ВОГ и повышение стабильности масштабного коэффициента достигается за счет стабилизации амплитуды сигналов вращения и рассогласования при воздействии внешних дестабилизирующих факторов путем деления амплитуд сигналов вращения и рассогласования на их постоянную составляющую.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена структурная схема известного волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.2 показано формирование сигнала вращения волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.3 показано формирование сигнала рассогласования при изменении масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.4 приведена структура сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника волоконно-оптического гироскопа. На Фиг.5 приведена структурная схема электронного блока волоконно-оптического гироскопа.
На Фиг.1 показана структурная схема известного [1] ВОГ. ВОГ состоит из ВКИ и электронного блока обработки информации, поступающей с интерферометра. ВКИ содержит в своем составе источник широкополосного оптического излучения 1, волоконный разветвитель 2, ИОС 3, чувствительную катушку 4 и фотоприемник 5. Ток фотоприемника преобразуется в электрический сигнал с помощью усилителя 6. Сигнал с выхода усилителя тока фотоприемника поступает на электронный ключ 7. Ключ предназначен для вырезания пичков напряжения, которые образуются в сигнале гироскопа из-за наличия емкости электродов фазовых модуляторов ИОС. Далее, сигнал с выхода ключа поступает на первый вход дифференциального усилителя 8, а на второй его вход поступает сигнал с выхода интегратора 9, с помощью которого после дифференциального усилителя выделяется только переменная часть общего сигнала ВОГ. Это необходимо для того, чтобы усилить переменную часть сигнала для улучшения динамических характеристик ВОГ. Переменная составляющая сигнала поступает затем на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 10. С выхода АЦП усиленный дифференциальным усилителем переменный сигнал поступает на вход цифровой схемы, в составе которой сформированы демодулятор сигнала вращения гироскопа 11 и демодулятор сигнала рассогласования 12. Сигнал с выхода демодулятора сигнала вращения поступает на вход регулятора 13, а с выхода демодулятора сигнала рассогласования на вход регулятора 14. Сигналы с регуляторов поступают на цифровую плату 15, в состав которой входит генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) и генератор СПН для компенсации разности фаз Санька. Сигнал с регулятора 13 управляет величиной ступеньки пилообразного напряжения, а сигнал с регулятора 14 амплитудой СПН.
n
1
С помощью генератора напряжения ВФМ формируется напряжение вида 16 (Фиг.2), при этом между лучами ВКИ разность фаз изменяется по закону 17. Амплитуды фазовой модуляции имеют четыре фиксированных значения ±(π-Δ), и ±(π+Δ) радиан, где Δ=π/2, при этом n=1, 2, 3… Интенсивность на площадке фотоприемника определяется функцией косинуса 18, аргументом которого является разность фаз оптических лучей, прошедших чувствительную катушку ВКИ по часовой стрелки и против часовой стрелки. При наличии угловой скорости вращения в зависимости от ее знака разность фаз между лучами кольцевого интерферометра смещается относительно кривой косинуса либо вправо либо влево, в результате на фотоприемнике формируется сигнал вращения гироскопа 19. Сигнал вращения имеет постоянную составляющую β и переменную составляющую α. При работе схемы в режиме замкнутого контура обратной связи величину β можно представить в виде:
β=(1-cosΔ)
А величину переменной составляющей сигнала вращения в виде:
1
S
K
α=sinΔ×sin(ϕ-φ)=sinΔ×Δφ
где Δφ - малая величина в режиме компенсации.
На Фиг.3 показано формирование сигнала рассогласования. При изменении эффективности фазового модулятора ИОС амплитуда фазовой модуляции в зависимости от знака изменения эффективности либо возрастает, либо убывает, что приводит к образованию на фотоприемнике сигнала рассогласования 20.
2
Сигнал рассогласования с амплитудой α формируется на фоне постоянной составляющей, что и сигнал вращения гироскопа. Амплитуда сигнала рассогласования пропорциональна величине:
2
2π
α~sinΔ×U×Δη
2π
где U - напряжение при подаче которого на фазовый модулятор с эффективностью η между лучами ВКИ вносится разность фаз 2π радиан.
Δη - изменение эффективности фазового модулятора ИОС. При обнулении на выходе второго демодулятора сигнала рассогласования определяется код уровней напряжения вспомогательной фазовой модуляции, то есть коды напряжений, которые обеспечивают амплитуды вспомогательной фазовой модуляции (π-Δ) радиан, и (π+Δ) радиан. Путем сложения этих кодов и определяется код напряжения амплитуды СПН, компенсирующего разность фаз Саньяка.
При наличии нескомпенсированных сигналов вращения и рассогласования общий вид сигнала 21 (Фиг.4) на выходе усилителя тока фотоприемника с коэффициентом усиления G условно можно представить в виде:
0
1
2
U=G×U×(β±α±α)
0
где U - напряжение пропорциональное мощности интерферирующих лучей ВКИ.
0
cp
GUβ=U - постоянная составляющая сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника;
0
1
1
GU α=ΔU - амплитуда напряжения сигнала вращения ВОГ.
0
2
2
GU α=ΔU - амплитуда напряжения сигнала рассогласования ВОГ.
0
При внешних воздействиях на ВОГ (изменение температуры, вибрационные нагрузки, радиационное облучение и т.д.) изменяется величина U, которая является общим сомножителем постоянной и переменных частей сигнала на фотоприемнике.
На Фиг.5 представлена структурная схема электронного блока волоконно-оптического гироскопа. На плате 22 располагается аналоговая часть схемы электронного блока. Сигнал с выхода усилителя тока фотоприемника 23 с управляемым коэффициентом усиления поступает на первый вход дифференциального усилителя 24 с коэффициентом усиления G, затем сигнал с его выхода поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 25, после чего сигнал с его выхода поступает на вход платы 26, являющейся цифровой частью схемы электронного блока. Цифровая часть схемы может быть построена как на основе микропроцессора, так и с использованием программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Сигнал с выхода АЦП поступает на цифровой ключ, предназначенный для вырезания пичков в сигналах вращения и рассогласования, которые образуются из-за наличия емкости электродов фазового модулятора ИОС и ограниченной полосы пропускания оптоэлектронного тракта. После ключа сигнал поступает на вход первого демодулятора сигнала вращения гироскопа 28. Демодулятор сигнала вращения выполняет две функции и имеет два выхода. На первом выходе выделяется напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала вращения, а на втором его выходе напряжение, пропорциональное постоянной составляющей общего сигнала на фотоприемнике. Таким образом, на первом выходе демодулятора присутствует сигнал вида:
вр
0
1
U=2U×α×G
Сигнал постоянной составляющей со второго выхода первого демодулятора проходит устройство 29, которое имеет коэффициент передачи сигнала, величину которого можно представить следующим образом:
п
29
К =1/1-α
где α<1, таким образом, на втором входе первой схемы деления присутствует сигнал вида:
cp
0
U=2U×β×G
Далее, напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала вращения гироскопа и напряжение, пропорциональное постоянной составляющей общего сигнала с выхода устройства 29 поступают на первый и второй вход первой схемы деления сигналов 30 соответственно и далее на вход первого регулятора, который управляет величиной ступеньки СПН, формируемого генератором СНП в цифровой части схемы. Сигнал на выходе первой схемы деления можно представить в виде:
вых
30
U =ctg(Δ/2)×Δφ
Таким образом, напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала вращения становится независимой от изменения мощности интерферирующих лучей на фотоприемнике ВКИ. В этом случае при изменении мощности лучей из-за изменений выходной мощности источника излучения, воздействия вибрационных нагрузок, радиационного облучения и т.д. паразитного смещения нуля ВОГ не происходит. Паразитное смещение нуля может быть в случае, если изменяется амплитуда при воздействии внешних дестабилизирующих факторов сигнала рассогласования.
Сигнал с выхода цифрового ключа поступает также и на вход второго демодулятора - демодулятора сигнала рассогласования 31. На его выходе выделяется напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала рассогласования. Сигнал на выходе демодулятора можно представить в виде:
вых
0
2π
31
U =G×U×sinΔ×U×Δη
Напряжение с выхода второго демодулятора поступает на первый вход второй схемы деления сигналов 32, а на второй вход схемы деления поступает напряжение со второго выхода первого демодулятора сигнала вращения. На выходе второй схемы деления напряжение пропорционально величине:
вых
2
2π
32
1
U =/ctg(Δ/2)×U×Δη
Здесь также напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала рассогласования не зависит от изменения мощности интерферирующих лучей в ВКИ. Далее напряжение с выхода второй схемы деления поступает на вход второго регулятора, который управляет амплитудой СПН, формируемого генератором в цифровой части электронного блока.
Напряжение, пропорциональное постоянной составляющей общего сигналана фотоприемнике с выхода устройства 29 поступает и на вход устройства 33 с коэффициентом передачи, который можно выразить следующим образом:
п
33
К =1/2G
Далее сигнал поступает на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 34, с его выхода на вход схемы 35, которая управляет коэффициентом усиления усилителя тока фотоприемника. С помощью этой петли обратной связи по управлению коэффициентом усиления усилителя тока фотоприемника достигается стабилизация как постоянной составляющей сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника, так и переменных его составляющих при постоянной угловой скорости прибора и при неизменном изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС. Сигнал с выхода ЦАП поступает также и на вход схемы 36 с коэффициентом передачи, который выражается следующим образом:
п
36
К =α
пер
2
2
1
2
0
пост
0
пост
0
Далее сигнал с выхода схемы поступает на второй вход дифференциального усилителя. Таким образом на первом входе дифференциального усилителя присутствует сигнал, содержащий как переменные составляющие сигнала U=U×(±α±α), так и его постоянную составляющую U =U×β. На втором входе дифференциального усилителя присутствует только постоянная составляющая, которую можно представить в виде U =U×β×α. В результате на выходе дифференциального усилителя выделяются и усиливаются как переменные составляющие сигнала, а также часть оставшейся постоянной составляющей сигнала. Напряжение на выходе дифференциального усилителя, таким образом, можно представить в виде:
0
1
2
U=G×U×{β(1-α)±α±α}
2
За счет выбора коэффициента а можно значительно понизить разрядность АЦП для электронного блока высокоточного ВОГ. Для ВОГ с ВКИ с общей площадью витков 100 м, длине волны источника излучения λ=1550 нм, амплитуде вспомогательной фазовой модуляции 7/8×π и 9/8×π радиан для достижения точности 0,001 град/час при α=0,99 достаточно использование в электронной схеме 16-и разрядного АЦП.
Литература
[1] G.A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v.2837, 1996, pp 46-60.
[2] T. Greening "Digital intensity suppression for vibration and radiation intensitivity in a fiber optic gyroscope" US Patent № US 2008/0079946 AL, Apr.3, 2008.