СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА С ОТКРЫТЫМ КОНТУРОМ
ANGULAR VELOCITY RANGE EXTENSION FOR OPEN-CIRCUIT FIBRE-OPTIC GYRO

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:
с
Ф=[4πRL/λc]×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:
ф
0
с
Р=½Р(1+cosФ),
0
где Р - 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 по световоду чувствительной катушки ВКИ и 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
o
ф
м
c
м
c
I=½Pη(1+cosθсosθ+sinθ+sinФ),
ф
η - токовая /чувствительность фотоприемника,
м
θ - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.
Далее сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя тока фотоприемника, на выходе которого присутствует напряжение, пропорциональное величине:
о
ф
H
м
c
м
c
U=½РηR(1+cosθcosθ+sinθsinФ),
H
где R - сопротивление нагрузки усилителя тока фотоприемника.
После подачи на фазовый модулятор напряжения в виде последовательности импульсов, следующих с частотой 1/2τ и с амплитудами, вносящими разность фаз лучей (π-Δ) и (π+Δ) радиан, напряжение на выходе усилителя тока фотоприемника можно представить в виде [1]:
о
ф
н
c
c
U=½РηR(1-cosΔcosФ±sinΔsinФ).
Далее напряжение поступает на один из двух входов дифференциального усилителя [2]. Напряжение с выхода дифференциального усилителя поступает на вход АЦП и далее в цифровую часть схемы электронного блока. Цифровая часть схемы выполняется либо на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), либо на основе микропроцессора. В цифровой части схемы с помощью синхронного детектирования выделяется сигнал вращения, а также постоянная составляющая общего сигнала, которые подаются на вход схемы деления сигналов и при Δ=π/2 радиан на ее выходе формируется сигнал вида:
д
c
U=2tg(π/4+δΔ)×sinФ,
где δΔ - нестабильность амплитуды фазовой модуляции.
Из выражения для напряжения на выходе схемы деления сигналов следует, что масштабный коэффициент ВОГ с открытым контуром уже не зависит от колебаний амплитуды сигнала вращения, но зависимость от нестабильности амплитуды фазовой модуляции (π-Δ) и (π+Δ) радиан осталась.
Для стабилизации амплитуды вспомогательной фазовой модуляции используется контур обратной связи, в состав которого входит третий синхронный детектор для выделения сигнала рассогласования, который формируется на фотоприемнике при изменении эффективности фазовых модуляторов. Сигнал с выхода этого синхронного детектора поступает на вход регулятора амплитуды напряжения вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ), который изменяет напряжение таким образом, что на выходе синхронного детектора сигнал поддерживается равным нулю. Это означает, что амплитуда ВФМ стабильна и в этом случае на выходе синхронного детектора сигнала вращения сигнал приобретает вид:
д
с
U=2×sinФ.
Недостатком известной схемы обработки информации ВОГ с открытым контуром является небольшой диапазон измерения угловых скоростей. При разности фаз Саньяка больше π/4 радиан чувствительность ВОГ начинает падать, и при разности фаз, равной π/2 радиан, она становится равной нулю.
Целью настоящего изобретения является расширения диапазона измерения угловых скоростей.
Указанная цель достигается тем, что для измерения угловых скоростей при изменении разности фаз Саньяка в диапазонах ±[(0÷π/4)] радиан; ±[(3π/4+2πn)÷(5π/4+2πn)] радиан; ±[(7π/4+2πn)÷(9π/4+2πn)] радиан, где n=0, 1, 2, 3, …, используют модуляцию разности фаз лучей кольцевого интерферометра в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудами ±π/2 радиан и ±3π/2 радиан, а для измерения угловых скоростей при изменении разности фаз Саньяка в диапазонах ±[(π/4+2πn)÷(3π/4+2πn)] радиан; ±[(5π/4+2πn)÷(7π/4+2πn)] радиан; используют модуляцию разности фаз лучей кольцевого интерферометра в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудами 0 радиан и ±π радиан.
Расширение диапазона измерения угловых скоростей достигается за счет использования двух видов ВФМ с разными амплитудами, что позволяет проводить измерения угловых скоростей в широком диапазоне изменения разности фаз Саньяка без потери чувствительности ВОГ.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 показана структурная схема ВОГ с открытым контуром. На Фиг.2 показаны виды выходной характеристики ВОГ с открытым контуром в разных поддиапазонах изменения разности фаз Саньяка. На Фиг.3 показано напряжение ВФМ и закон изменения разности фаз лучей кольцевого волоконного интерферометра ВОГ при использовании первого вида ВФМ. На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения ВОГ при использовании первого вида ВФМ. На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования ВОГ при использовании первого вида ВФМ. На Фиг.6 показана структура общего сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника ВОГ при использовании первого вида ВФМ. На Фиг.7 показано напряжение и разность фаз оптических лучей кольцевого волоконного интерферометра ВОГ при использовании второго вида ВФМ. На Фиг.8 показано формирование сигнала вращения ВОГ при использовании второго вида ВФМ. На Фиг.9 показано формирование сигнала рассогласования ВОГ при использовании второго вида ВФМ. На Фиг.10 показана структура общего сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника ВОГ при использовании второго вида ВФМ.
На Фиг.1 показана структурная схема ВОГ с открытым контуром. Излучение от источника света 1 с малой длиной когерентности, например эрбиевого волоконного суперлюминесцентного источника (ЭВСИ), поступает на вход волоконного делителя 2 оптического излучения. В качестве волоконного делителя может использоваться трехпортовый волоконный разветвитель излучения или волоконный циркулятор. Далее излучение с выхода делителя излучения поступает на вход интегральной оптической схемы (ИОС) 3. ИОС выполняется на подложке ниобата лития, обладающего электрооптическим эффектом. В подложке сформирован по протонно-обменной технологии Y-разветвитель оптического излучения. Канальные волноводы Y-разветвителя обладают поляризующим эффектом. На выходных плечах Y-разветвителя с помощью нанесения по обе стороны от канальных волноводов металлических электродов сформирован фазовый модулятор. Выходные волноводы Y-разветвителя пристыкованы с помощью клеевых соединений к двум концам световода чувствительной катушки 4 ВОГ. Таким образом, луч света от ЭВСИ проходит волоконный делитель излучения и поступает на вход Y-делителя ИОС. Y-делитель делит оптический луч на два луча, которые проходят световод чувствительной катушки ВОГ в двух взаимопротивоположных направлениях, затем эти два луча объединяются Y-разветвителем ИОС и, пройдя волоконный делитель, попадают на площадку фотоприемника 5, где и образуют интерференционную картину лучей, прошедших чувствительную катушку по и против часовой стрелки. Выход фотоприемника соединен с входом усилителя тока фотоприемника 6, далее напряжение с выхода усилителя тока фотоприемника поступает на один из двух входов дифференциального усилителя 7. Напряжение с выхода дифференциального усилителя поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8. Сигнал с АЦП поступает на вход цифровой платы обработки информации 9. Сигнал с выхода АЦП поступает на входы синхронных детекторов 10, 11, которые выделяют амплитуду сигнала вращения и постоянную составляющую сигнала соответственно. Сигнал с выхода синхронного детектора по выделению постоянной составляющей сигнала поступает на вход схемы 12 с коэффициентом передачи 1/(1-α), где α<1. Далее сигнал с выхода схемы с коэффициентом передачи 1/(1-α) поступает на вход схемы с коэффициентом передачи 1/G 13, где G коэффициент усиления дифференциального усилителя. Сигнал с выхода этой схемы через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14 поступает на делитель электрического напряжения 15 с коэффициентом передачи а и далее на второй вход дифференциального усилителя. Таким образом, на выходе дифференциального усилителя присутствует сигнал вида:
ду
о
ф
н
c
c
U=½РηRG×[(1-cosΔcosФ)×(1-α)±sinΔsinФ].
Таким образом, при α<1 через дифференциальный усилитель проходит только часть постоянной составляющей общего сигнала на фотоприемнике.
Далее сигнал с выхода схемы с коэффициентом передачи 1/(1-α) поступает на вход схемы деления 16. На входе схемы деления сигнал имеет следующий вид:
const
о
ф
н
c
U=½РηRG×[(1-cosΔcosФ).
На второй вход схемы деления поступает также сигнал с выхода синхронного детектора сигнала вращения. На выходе синхронного детектора сигнала вращения присутствует сигнал вида:
Ω
о
ф
н
c
U=РηRG×(sinΔsinФ).
Таким образом, сигнал на выходе схемы деления можно представить в виде:
вых
c
c
U=[2sinΔ/(1+cosΔcosФ)×sinФ.
Для исключения влияния на масштабный коэффициент ВОГ с открытым контуром угловой скорости вращения выбирается Δ=π/2 радиан, и тогда сигнал на выходе схемы деления можно представить:
вых
c
U=2ctg(Δ/2)×sinФ.
Из приведенного соотношения для выходного сигнала ВОГ с открытым контуром следует, что его масштабный коэффициент зависит от стабильности амплитуды ВФМ. Нестабильность амплитуды ВФМ в основном определяется нестабильностью эффективности фазовых модуляторов ИОС (нестабильностью их полуволнового напряжения). Для обеспечения стабильности ВФМ в цифровой части схемы организуется замкнутый контур обратной связи. С этой целью используется третий синхронный детектор 17 по выделению сигнала рассогласования [1]. Сигнал рассогласования появляется в структуре общего сигнала при изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС. После синхронного детектора сигнала рассогласования поступает на регулятор 18, который управляет амплитудой импульсов напряжения ВФМ, вырабатываемых генератором 19. Напряжение ВФМ через ЦАП 20 и операционный масштабирующий усилитель 21 поступает на электроды фазовых модуляторов ИОС. Регулятор управляет амплитудой импульсов напряжения таким образом, чтобы поддерживать сигнал на выходе детектора сигнала рассогласования равным нулю. В этом случае для сигнала на выходе схемы деления сигналов можно записать:
вых
c
U=2×sinФ.
Таким образом, масштабный коэффициент ВОГ с открытым контуром не зависит ни от изменения амплитуды сигнала вращения, ни от нестабильности эффективности фазовых модуляторов ИОС.
Функция sin имеет максимальную производную в диапазоне изменения разности фаз Саньяка в диапазоне ±π/4 радиан, а значит, и максимальную чувствительность к угловой скорости. При дальнейшем увеличении разности фаз Саньяка чувствительность ВОГ с открытым контуром начинает падать и при ±π/2 радиан вообще становится равной нулю. На Фиг.2 показан вид выходной характеристики ВОГ с открытым контуром в разных поддиапазонах изменения разности фаз Саньяка, а именно кривые sin 22 и cos 23. Видно, что, когда кривая sin имеет нулевую чувствительность к угловой скорости, кривая же cos, напротив, имеет максимальную чувствительность к угловой скорости и наоборот. Таким образом, для обеспечения максимальной чувствительности ВОГ с открытым контуром к угловой скорости необходимо в поддиапазонах изменения разности фаз Саньяка 24-25; 26-27; 28-29, а также в поддиапазонах 24-30; 31-32; 33-34; использовать для измерения угловой скорости функцию sin. Измеряемую разность фаз Санька в этом случае можно представить в виде ±[(0÷π/4)] радиан; ±[(3π/4+2πn)÷(5π/4+2πn)] радиан; ±[(7π/4+2πn)÷(9π/4+2πn)] радиан, где n=0, 1, 2, 3. В оставшихся поддиапазонах изменения разности фаз Саньяка необходимо использовать для измерения угловой скорости функцию cos для обеспечения максимальной чувствительности ВОГ. Измеряемую разность фаз Саньяка в этом случае можно выразить следующим образом, ±[(π/4+2πn)÷(3π/4+2πn)] радиан; ±[(5π/4+2πn)÷(7π/4+2πn)] радиан.
Для использования в разных поддиапазонах измерения угловой скорости функций sin и cos используется два вида ВФМ. На Фиг.3 показано напряжение 35 ВФМ первого вида и соответствующее ему изменение разности фаз лучей кольцевого интерферометра 36. При Δ=π/2 радиан разность фаз лучей кольцевого интерферометра представляет собой импульсную последовательность с амплитудой импульсов разности фаз ±π/2 радиан и ±3π/2 радиан. На Фиг.4 представлено формирование сигнала вращения при использовании ВФМ первого вида. На фигуре показано изменение разности фаз Саньяка в диапазоне ±π/4 радиан. При наложении разности фаз, определяемой ВФМ на кривую 37 и при ненулевой угловой скорости (смещение разности фаз ВФМ при ненулевой угловой скорости показано пунктирной линией 38), на фотоприемнике ВОГ присутствует сигнал вращения 39.
На Фиг.5 показано формирование сигнала вращения при использовании первого вида ВФМ. Пунктирной линией 40 показано изменение амплитуды ВФМ при увеличении эффективности фазовых модуляторов ИОС, при этом на фотоприемнике образуется сигнал рассогласования вида 41. На Фиг.6 показана структура общего сигнала на фотоприемнике при использовании первого вида ВФМ. Общий сигнал содержит сигнал вращения на частоте 6/τ, где τ - время пробега оптических лучей по световоду чувствительной катушки, сигнал рассогласования на частоте 3/τ, и постоянную составляющую 42. При использовании первого вида ВФМ сигнал на выходе синхронного детектора сигнала вращения можно представить в виде:
<mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mrow><mtext> âûõ</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msubsup><mo>=</mo><mtext>2</mtext><mo>×</mo><msub><mrow><mtext>sinФ</mtext></mrow><mtext>c</mtext></msub></mrow>
.
п
На Фиг.7 показано напряжение 43 второго вида ВФМ и соответствующее ему изменение разности фаз лучей кольцевого интерферометра 44. Разность фаз лучей кольцевого интерферометра содержит импульсы, каждый длительностью, кратной τ, и имеющих амплитуду 0 радиан и ±π радиан. На Фиг.8 показано формирование сигнала вращения в диапазоне измерения разности фаз Саньяка от π/4 радиан до 3π/4 радиан при использовании второго вида ВФМ. Пунктирной линией 45 показано смещение разности фаз ВФМ при увеличении угловой скорости, в результате чего на фотоприемнике образуется сигнал вращения 46. На Фиг.9 показано формирование сигнала рассогласования при использовании ВФМ второго вида. Пунктирной линией 47 показано увеличение амплитуды импульсов разности фаз ВФМ при увеличении эффективности фазовых модуляторов ИОС, в результате чего на фотоприемнике образуется сигнал вида 48. На Фиг.10 показана структура общего сигнала 49 на выходе усилителя тока фотоприемника ВОГ при использовании второго вида ВФМ. Сигнал содержит сигнал вращения на частоте 1/4τ, и сигнал рассогласования на частоте 1/2τ и постоянную составляющую U50. Сигнал на выходе схемы деления в случае использования второго вида ВФМ можно представить в виде:
.
Вид выходной характеристики ВОГ с открытым контуром и способы ее линеаризации рассмотрены в работе [3].
Литература
1. A.M.Курбатов, Р.А.Курбатов. «Пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов». «Гироскопия и Навигация». УДК 531.383 №1 (76). 2012, стр.102-121.
2. A.M.Курбатов, Р.А.Курбатов. «Электронная схема первичной обработки сигнала фотоприемника волоконно-оптического гироскопа», заявка №2011132181, приоритет от 29.07.2011 г.
3. N.J.Frigo. "A constant accuracy, high dynamic range fiber optic gyroscope". Proc. SPIE, v.719, p.155, 1986.