Способ повышения точности компенсации паразитных эффектов в интегрально-оптических фазовых модуляторах волоконно-оптических гироскопов
WAY TO IMPROVE THE ACCURACY OF COMPENSATION OF PARASITIC EFFECTS IN INTEGRATED-OPTICAL PHASE MODULATORS OF FIBER-OPTIC GYROSCOPES

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 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 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:
c
Φ=[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
,
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 ВКИ по световоду чувствительной катушки и составляет величину
0
где n - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.
При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения следующих с частотой 1/2τ 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
,
ф
η - токовая чувствительность фотоприемника.
Далее сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя тока фотоприемника, на выходе которого присутствует напряжение, пропорциональное величине:
,
н
где R - 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 Саньяка. 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:
,
к
где Ψ - 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:
п
где η - эффективность фазового модулятора, U - амплитуда напряжения СПН;
ст
τ - 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:
n
0
f(t)=[2R/λn]×Ω(t).
Таким образом, масштабный коэффициент ВОГ не зависит от эффективности фазового модулятора, которая имеет большую нестабильность при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.
n
Известен ВОГ, в котором для стабилизации масштабного коэффициента [3, 4, 5] вспомогательная фазовая модуляция (ВФМ) с амплитудами ±(π±Δ) радиан, Δ=π/2, 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 цифроаналоговый преобразователь (АЦП) и программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС). 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 температуры окружающей среды. Наличие CP свидетельствует об изменении 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 цифроаналогового 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 в СВ с целью линеаризации выходной характеристики ВОГ. В ПЛИС также сформирован и контур ОС-2, в состав которого входит второй детектор и регулятор амплитуды напряжения генератора 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.
π
На точность ВОГ существенное влияние оказывает состояние фазовых модуляторов ИОС. Фазовые модуляторы ИОС имеют полосу пропускания, которая зависит (имеется в виду амплитудно-частотная характеристика) от воздействия на ИОС влаги, радиационного облучения, естественных процессов старения материала подложки и т.д. Воздействие различных внешних дестабилизирующих факторов приводит к сужению полосы пропускания фазовых модуляторов, что в свою очередь приводит к появлению ложного CP [4]. Наличие ложного CP приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ. Стабилизация общей полосы пропускания фазовых модуляторов может быть успешно решена за счет использования технологии герметичного корпусирования подложки ИОС. Тем не менее, как показывает эксперимент, даже после устранения факторов сужения общей полосы пропускания фазовых модуляторов ИОС начальный долговременный дрейф ВОГ достаточно велик, так как в его основе лежит другой достаточно низкочастотный процесс (НЧ-процесс) [6, 7]. Он так же, как и в случае с сужением общей полосы пропускания, искажает импульсы напряжения ВФМ, но уже на протяжении всего τ-интервала. Данного рода искажения обусловлены зависимостью полу волнового напряжения V модулятора от частоты подаваемого напряжения. В качестве механизма такой зависимости указывается захват зарядов в ниобате лития, который подвержен влиянию со стороны влажности, температуры, давления, радиации и старения ИОС. Эти процессы описываются с помощью передаточной функции вида
a
H(s)=(s+)/(s+b),
а
где  и b - нуль и полюс передаточной функции ИОС. Из-за НЧ-процесса в модуляторах они имеют неравномерность передаточной характеристики в области низких частот. Эта неравномерность передаточной характеристики приводит к нестабильности амплитуд ВФМ ±(π-Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан даже на протяжении одного периода СВ, а также к затягиванию фронтов импульсов разности фаз лучей кольцевого интерферометра. Вершины импульсов разности фаз имеют некоторый наклон по сравнению с горизонтальными полочками разности фаз, которые необходимы для идеальной работы ВОГ. Нестабильность амплитуд импульсов разности фаз на протяжении одного периода СВ приводит так же к затягиванию их фронтов (наклон полочек) приводит к нестабильности нулевого сигнала ВОГ и к нестабильности его масштабного коэффициента. Наклон полочек импульсов ВФМ дополнительно приводит к нестабильности нулевого сигнала и масштабного коэффициента из-за образования паразитных импульсов тока на фотоприемнике ВОГ при сбросе СПН. Из-за наклона полочек при сбросе СПН в сигнале гироскопа присутствует паразитный СВ на протяжении нескольких его периодов после сброса СПН. Длительность отрезка времени существования паразитного СВ зависит от величины угла наклона полочек импульсов разности фаз ВФМ. Длительность паразитного СВ при сбросе СПН определяется шириной импульса тока по времени на фотоприемнике.
В [8] предложен способ компенсации искажений разности фаз ВФМ для повышения точности ВОГ. Предложенный способ устраняет искажения разности фаз лишь частично (устраняется нестабильность амплитуд ВФМ на протяжении одного периода СВ) с невысокой точностью. Компенсация искажений разности фаз ВФМ производится с помощью контура обратной связи, в состав которого входит детектор разности сигналов в первый и третий τ-интервалы на каждом полупериоде СВ. Сигнал на выходе детектора поддерживается равным нулю путем изменения кодов напряжения ВФМ в определенные τ-интервалы. Таким образом, на выходной ЦАП одновременно поступают коды напряжения ВФМ, СПН и код напряжения, компенсирующего искажения разности фаз ВФМ. Невысокая точность компенсации искажений разности фаз ВФМ объясняется недостаточным количеством разрядов выходного ЦАП, так как искажения являются достаточно малыми величинами по сравнению с величиной амплитуд ВФМ и амплитудой СПН.
Целью настоящего изобретения является повышение точности ВОГ с помощью повышения точности компенсации паразитных эффектов в фазовом модуляторе, входящего в состав его оптического блока.
Указанная цель достигается тем, что оптический блок дополняют по крайней мере двумя фазовыми модуляторами с полуволновым напряжением каждого меньше чем полуволновое напряжение основного модулятора, а блок сервисной электроники дополняют, по крайней мере, двумя цифроаналогового преобразователями и двумя усилителями напряжения с выходов цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединяют с электродами дополнительных фазовых модуляторов, при этом на основе дополнительных модуляторов в алгоритме обработки информации организуют третий и четвертый контуры обратной связи, с помощью которых при подаче на дополнительные фазовые модуляторы напряжений специальной формы обеспечивают компенсацию искажений разности фаз между оптическими лучами, вносимых основным фазовым модулятором.
2. Способ по п. 1 отличающийся тем, третий контур обратной связи включает в свой состав детектор, выделяющий разностный сигнал между первым и третьим τ-интервалом каждого полупериода сигнала вращения гироскопа и который поддерживают равным нулю при изменении амплитуды специального напряжения, подаваемого на электроды первого дополнительного фазового модулятора.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что с помощью специального напряжения, подаваемого на электроды первого дополнительного модулятора формируют разность фаз, компенсирующую нестабильность амплитуд вспомогательной фазовой модуляции на каждом полупериоде сигнала вращения гироскопа, осуществляемой с помощью основного фазового модулятора.
4. Способ по п. 1 отличающийся тем, что в четвертый контур обратной связи включают детектор, выделяющий постоянную составляющую сигнала вращения на выходе аналого-цифрового преобразователя сервисной электроники, которую поддерживают равной нулю при сбросе ступенчатого пилообразного напряжения с помощью специальных напряжений, подаваемых на электроды второго дополнительного фазового модулятора.
5. Способ по п. 4 отличающийся тем, что с помощью специального напряжения, подаваемого на электроды второго дополнительного фазового модулятора формируют разность фаз между лучами кольцевого интерферометра гироскопа, компенсирующую разность фаз, вызванную наклонами полочек импульсов вспомогательной фазовой модуляции, осуществляемой с помощью основного фазового модулятора.
6. Способ по п. 4 отличающийся тем, что с помощью специального напряжения, подаваемого на электроды второго дополнительного модулятора изменяют параметры напряжения вспомогательной фазовой модуляции для изменения соотношения амплитуд фазовой модуляции на каждом полупериоде сигнала вращения.
Повышение точности ВОГ достигается за счет повышения точности компенсации паразитных эффектов в основном фазовом модуляторе оптического блока ВОГ. Точность компенсации паразитных эффектов достигается путем использования в оптическом блоке дополнительных фазовых модуляторов с пониженным значением полуволнового напряжения по сравнению с полуволновым напряжением основного фазового модулятора. Дополнительные модуляторы позволяют организовать два дополнительных независимых контура обратной связи для компенсации искажений разности фаз вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре ВОГ.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с контуром обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента. На Фиг. 2 показано напряжение ВФМ и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ. На Фиг. 3 показано формирование сигнала вращения ВОГ. На Фиг. 4 показано формирование сигнала рассогласования. На Фиг. 5 показана структура общего сигнала на фотоприемнике при наличии вращения гироскопа и изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС в режиме разомкнутых контуров ОС-1 и ОС-2. На Фиг. 6 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции, искаженное НЧ-процессом в фазовых модуляторах ИОС и напряжение фазовой модуляции, формируемое операционными усилителями. На Фиг. 7 показана разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, искажаемая НЧ-процессом и разность фаз, формируемая операционными усилителями. На Фиг. 8 показаны искажения разности фаз ВФМ и вид сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника при разомкнутом и замкнутом контуре ОС-2. На Фиг. 9 показаны сигналы на выходе усилителя тока фотоприемника в режиме замкнутых контуров ОС-1 и ОС-2 при наличии НЧ-процесса в фазовых модуляторах. На Фиг. 10 показан способ компенсации искажений разности фаз ВФМ. На Фиг. 11 показана структурная схема ВОГ с контурами ОС-3 и ОС-4. На Фиг. 12 показана интегрально-оптическая схема волоконно-оптического гироскопа с двумя дополнительными фазовыми модуляторами. На Фиг. 13 показан принцип формирования напряжения на первом дополнительном фазовом модуляторе для компенсации нестабильности амплитуд ВФМ. На Фиг. 14 показан принцип формирования напряжения на втором дополнительном фазовом модуляторе для компенсации ложного сигнала рассогласования. На Фиг. 15 показаны паразитные импульсы тока на фотоприемнике при сбросе СПН при измерении проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности ВОГ. На Фиг. 16 показан принцип формирования напряжения на втором дополнительном фазовом модуляторе для устранения паразитных импульсов тока на фотоприемнике при сбросе СПН.
На Фиг. 1 показана структурная схема ВОГ с контуром обратной связи для стабилизации масштабного коэффициента [3, 4, 5]. Оптическое излучение с малой длиной когерентности от источника 1 поступает на первый вход делителя оптических лучей 2. Далее излучение с выхода разветвителя поступает на вход ИОС 3. ИОС содержит в своем составе Y-делитель излучения и фазовый модулятор. Излучение делится Y-разветвителем на два луча и с выхода ИОС эти два луча поступают в чувствительную катушку 4 и проходят ее в двух взаимно-противоположных направлениях, то есть по часовой стрелке и против часовой стрелки. Далее эти два луча вновь поступают на ИОС и объединяются Y-разветвителем в один световой луч. Этот объединенный луч через волоконный разветвитель со второго его входного конца световода поступает на фотоприемник 5, где и интерферируют между собой. Ток фотоприемника усиливается дифференциальным усилителем 6, и напряжение с его выхода затем поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. Сигнал с выхода АЦП поступает на вход программируемой логической схемы (ПЛИС) 8. В ПЛИС формируется первый контур обратной связи (ОС-1) для линеаризации выходной характеристики гироскопа. В состав контура ОС-1 входит демодулятор 9, регулятор кода амплитуды ступеньки ступенчатого пилообразного напряжения (СПН) 10, генератор СПН 11. С помощью регулирования кода ступеньки СПН на выходе демодулятора 9 поддерживается нулевое значение кода, что означает компенсацию разности фаз в кольцевом интерферометре ВОГ с помощью фазового модулятора ИОС. А так как фазовый модулятор имеет линейную зависимость вносимой разности фаз между лучами кольцевого интерферометра ВОГ от напряжения на его электродах, то выходная характеристика ВОГ в зависимости от угловой скорости так же носит линейный характер.
Стабильность масштабного коэффициента (МК) ВОГ в значительной степени зависит от стабильности электрооптических коэффициентов ниобата лития при воздействии изменений температуры окружающей среды [2]. Пластина ниобата лития служит в качестве подложки интегрально-оптического фазового модулятора ИОС. Для стабилизации МК ВОГ в ПЛИС организуется второй контур обратной связи (ОС-2). В состав контура ОС-2 входит демодулятор 12, регулятор амплитуды напряжения ВФМ 13, собственно сам генератор кодов напряжения ВФМ 14. При изменении электрооптических коэффициентов ниобата лития (изменение эффективности фазового модулятора ИОС) демодулятор 12 выделяет код амплитуды CP, который затем используется для подстройки напряжения старшего разряда выходного ЦАП. Таким образом осуществляется подстройка амплитуд напряжения ВФМ с целью обнуления СР.
Для компенсации постоянной составляющей СВ и CP в ПЛИС формируется цифровой детектор 15, выделяющего код сигнала, который представляет собой сумму сигналов на каждом из двух полупериодов СВ. В ПЛИС так же формируется ячейка 16, которая содержит начальный код напряжения, который затем используется для формирования напряжения для компенсации постоянной составляющей СВ и СР. При наличии ненулевого кода на выходе демодулятора 15 регулятор 17 изменяет опорный ток ЦАП 18 для изменения постоянного напряжения, поступающего на второй вход дифференциального усилителя тока фотоприемника с целью компенсации постоянной составляющей СВ и СР. Коды с ГСПН и ГВФМ складываются с помощью сумматора 19, далее объединенный код подается на вход ЦАП 20 и далее на операционные усилители 21, с выхода которых напряжение ВФМ и СПН подаются на электроды фазового модулятора ИОС. Напряжение ЦАП 20 регулируется подстройкой его опорного тока с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнала) путем обнуления CP (контур ОС-2). В этом случае это напряжение соответствует напряжению, при подаче которого на фазовые модуляторы ИОС разность фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ изменяется на 2π радиан.
0
0
0
0
На Фиг. 2 показано напряжение ВФМ 22 и закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ 23. Конфигурация напряжения ВФМ формируется в ПЛИС, а его амплитуда с помощью регулирования контуром ОС-2 опорного тока ЦАП 20 через операционные усилители 21. Длительность каждой ступеньки напряжения ВФМ равна времени пробега τ оптических лучей по световоду чувствительной катушки. Разность фаз оптических лучей представляет собой последовательность импульсов длительностью τ и с амплитудами ±(π-Δ), ±(π+Δ) радиан в последовательности согласно 23. Для устранения зоны нечувствительности используется СПН с амплитудой 2Δ радиан. [3]. Для параметра ВФМ Δ=π/4 радиан, коды амплитуд ВФМ должны быть 3/8 К и 5/8 К, а амплитуда СПН должна составлять величину π/2 радиан и поэтому код амплитуды СПН устанавливается равным К/4, где К - количество разрядов выходного ЦАП.
На Фиг. 3 показано формирование сигнала вращения ВОГ. При наложении на кривую косинуса 24 разности фаз лучей кольцевого интерферометра 23 и при сдвиге этой разности фаз по оси абсцисс (сдвиг на Фиг. 3 показан штриховой линией 25) в ту или другую сторону в зависимости от знака угловой скорости на фотоприемнике формируется СВ 26. СВ имеет период 6τ. В зависимости от знака угловой скорости его фаза меняется на π радиан. Таким образом, при детектировании СВ в ПЛИС по закону (1+2+3)-(4+5+6) и т.д. знак угловой скорости определяется однозначно.
На Фиг. 4 показано формирование сигнала рассогласования ВОГ. При изменении температуры окружающей среды изменяется эффективность фазовых модуляторов ИОС, что приводит либо к возрастанию амплитуд ВФМ (показано штриховой линией 27) либо к уменьшению амплитуд ВФМ в зависимости от знака изменения температуры ИОС. В зависимости от знака изменения температуры ИОС CP 28 изменяет свою фазу на π радиан, что однозначно определяет закон регулирования амплитуд напряжения ВФМ контуром ОС-2. Период CP составляет 3τ, то есть его частота в два раза превышает частоту СВ, что в свою очередь позволяет значительно повысить частоту подстройки амплитуды СПН и тем самым повысить стабильность МК ВОГ по сравнению с методом подстройки амплитуды СПН, предложенным в [1, 2].
На Фиг. 5 представлена структура общего сигнала на фотоприемнике при наличии вращения гироскопа и изменении эффективности фазовых модуляторов ИОС в режиме разомкнутых контуров ОС-1 и ОС-2. Общий сигнал на фотоприемнике содержит СВ 29, CP 30 и постоянную составляющую 31. СВ поддерживается равным нулю контуром ОС-1 за счет компенсации разности фаз Саньяка с помощью СПН. Код ступеньки СПН является мерой угловой скорости. Код CP поддерживается равным нулю контуром ОС-2 с помощью подстройки амплитуд напряжения ВФМ путем подстройки опорного тока ЦАП 19. Обнуление контуром ОС-2 CP позволяет установить соответствие старшего разряда выходного ЦАП половине напряжения, при подаче которого на фазовые модуляторы ИОС разность фаз лучей кольцевого интерферометра ВОГ изменяется на 2π радиан, что и позволяет повысить стабильность МК ВОГ при изменении температуры окружающей среды в автоматическом режиме.
На Фиг. 6 показано напряжение вспомогательной фазовой модуляции, искаженное НЧ-процессом в фазовых модуляторах ИОС и напряжение фазовой модуляции, формируемое операционными усилителями. При отсутствии НЧ-процесса разность фаз представляется пунктирной линией 32. При наличии НЧ-процесса напряжение ВФМ приобретает вид 33. На Фиг. 7 представлена разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, искаженная НЧ-процессом 35 и разность фаз 34, формируемая операционными усилителями. Далее будем полагать, что в АЦП производится по одной выборке СВ и CP в конце каждого τ-интервала и поэтому все представленные в дальнейшем импульсы разности фаз ВФМ имеют прямоугольную форму с амплитудой, значение которой фиксируется в конце каждого τ-интервала. На Фиг. 8 показаны искажения разности фаз ВФМ и вид сигнала на выходе усилителя тока фотоприемника при отсутствии вращения и при разомкнутом и замкнутом контуре ОС-2. Пунктирными линиями 36 показаны изменения разности фаз ВФМ из-за НЧ-процессов в фазовых модуляторах ИОС. В результате искажений разности фаз ВФМ на фотоприемнике при разомкнутом контуре ОС-2 и при отсутствии вращения присутствует сигнал 37. При выделении CP по закону (1-2)+(4-5)+… видно, что сигнал на фотоприемнике при наличии НЧ-процесса содержит паразитный СР. При замкнутом ОС-2 сигнал на фотоприемнике приобретает вид 38, представляющего собой импульсы в конце каждого третьего τ-интервала каждого полупериода СВ. Появление паразитного CP при наличии изменяющихся в течение одного периода СВ НЧ-процессов приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ. Так же в этих условиях при выделении СВ по закону [(1+2+3)-(4+5+6)]+… возникает и ошибка, связанная со смещение нулевого сигнала ВОГ из-за появления на третьем τ-интервале каждого полупериода СВ паразитных импульсов 38 из-за искажений разности фаз ВФМ.
На Фиг. 9 показаны сигналы 39, 40 в первый и третий τ-интервалы СВ на выходе усилителя тока фотоприемника в режиме замкнутых контуров ОС-1 и ОС-2 при наличии НЧ-процесса в фазовом модуляторе. На наличие НЧ-процессов указывает разность уровней сигнала на первом и третьем τ-интервалах. Одним из методов повышения точности ВОГ является возможность алгоритмической компенсации выходного сигнала ВОГ с помощью дополнительного сигнала, который несет информацию о динамике изменения НЧ-процессов в фазовом модуляторе ИОС. Один из возможных способов алгоритмической коррекции выходного сигнала ВОГ рассмотрен в [4]. Для коррекции выходного сигнала ВОГ используются изменения кода амплитуды СПН, который имеет корреляцию с кодом выходного сигнала ВОГ. Точность коррекции сигнала ВОГ данным методом требует стабилизации температуры ИОС, что на практике не всегда приемлемо. Корректирующий сигнал, не зависящий от температуры ИОС, может быть выделен с помощью дополнительного детектора (четвертого демодулятора), который при детектировании по закону (1-3)+(4-6)… на своем выходе выделяет разностный сигнал между сигналами в первый τ-интервал и третий τ-интервал каждого полупериода СВ. Как можно видеть на Фиг. 9, разница в уровнях сигнала 39 и 40 в указанные τ-интервалы явно присутствует. Динамика изменения этого сигнала на выходе четвертого демодулятора совпадает с динамикой изменения амплитуды импульсов 38, которая и определяет динамику изменения паразитного смещения нулевого сигнала ВОГ. Для выполнения коррекции предварительно проводят операцию масштабирования корректирующего кода с выхода четвертого детектора по коду выходного кода гироскопа путем сравнения максимальных изменений того и другого кодов при проведении настройки прибора после его изготовления. Таким образом, сигнал на выходе четвертого детектора может быть использован для алгоритмической коррекции смещения нулевого сигнала ВОГ, в результате чего его точность повышается.
Дальнейшее увеличение точности ВОГ может быть связано с организацией четвертого контура обратной связи на основе четвертого демодулятора. Для организации контура ОС-4 необходима компенсация искажений разности фаз ВФМ в кольцевом интерферометре ВОГ, вызванных НЧ-процессами в модуляторах. На Фиг. 10 показан один из способов компенсации искажений разности фаз ВФМ. Для компенсации искажений разности фаз 36 необходимо при формировании кода напряжения ВФМ 41 увеличить код напряжения во 2-ой его τ-интервал и уменьшить в 5-ый τ-интервал (операции 42). В результате при использовании измененной формы кода напряжения ВФМ путем изменения кода в определенные его τ-интервалы, становится возможным получить последовательность разности фаз ВФМ 43 с искажениями, находящимися в противофазе с искажениями разности фаз ВФМ 36. Таким образом, используя процедуру изменения кода напряжения ВФМ в определенные ее τ-интервалы становится возможной компенсация искажений разности фаз ВФМ, вызванных НЧ-процессами в фазовых модуляторах. Но точность выделения сигнала четвертым детектором не позволяет добиться необходимой точности компенсации искажения разности фаз ВФМ из-за того, что разрядность выходного ЦАП 16 является недостаточной. На вход ЦАП поступает одновременно напряжение ВФМ, СПН и напряжение, компенсирующее искажения разности фаз ВФМ. Недостаточность разрядности ЦАП определяется тем, что компенсирующее искажения напряжение по амплитуде значительно меньше напряжений, соответствующих амплитудам ВФМ и СПНН.
1-3
На Фиг. 11 показана структурная схема ВОГ с контурами ОС-3 и ОС-4. Напряжение с выхода основного ЦАП 20 и усилителя 21 поступает на электроды основного фазового модулятора ИОС 44. Контур обратной связи ОС-3 строится на основе детектора 45 (D), который выделяет разностный сигнал на первом и третьем τ-интервалах каждого полупериода СВ. Сигнал с выхода детектора поступает на вход регулятора 46. В ПЛИС формируется генератор компенсирующего напряжения 47. Генератор кода компенсирующего напряжения (ГКН1) предназначен для формирования напряжения, компенсирующего нестабильность амплитуды разности фаз ВФМ в течение каждого полупериода СВ. Сигналы с выхода регулятора и ГКН1 поступают на вход ЦАП2 48. Регулятор изменяет опорный ток ЦАП для обнуления сигнала на выходе детектора 45. Напряжение с выхода ЦАП и усилителя 49 поступает на электроды первого дополнительного модулятора 50.
+
Контур ОС-4 строится на основе детектора 50 (D). Детектор формирует суммарный сигнал во время двух полупериодов СВ. Таким образом этот сигнал пропорционален постоянной составляющей СВ и CP, который используется для ее компенсации на выходе усилителя тока фотоприемника. Но этот же сигнал используется для фиксации паразитного импульса тока фотоприемника при сбросе СПН при сужении общей полосы пропускания и наличии паразитных НЧ-процессов в основном фазовом модуляторе ИОС. Далее паразитный импульс тока при сбросе СПН, усиленный усилителем тока фотоприемника, поступает на вход регулятора 17. В ПЛИС также формируется генератор компенсирующего напряжения (ГКН2) 53. ГКН2 предназначен для компенсации наклона полочек импульсов ВФМ. Коды с выхода регулятора и ГКН2 поступают на ЦАП 54, усилитель 55 и далее на электроды второго дополнительного фазового модулятора ИОС 56.
На Фиг. 12 показана интегрально-оптическая схема волоконно-оптического гироскопа с двумя дополнительными фазовыми модуляторами. ИОС содержит подложку из ниобата лития 56, входной отрезок световода 57, два выходных отрезка световода 58, 59. В подложке ниобата лития сформирован Y-разветвитель 60 на основе канальных волноводов, сформированных по протон-обменной технологии, общий для всех модуляторов электрод 61, электроды основного фазового модулятора 62, электроды первого дополнительного фазового модулятора 63 и электроды второго дополнительного фазового модулятора 64. Полуволновое напряжение в фазовых модуляторах в такой конструкции может регулироваться длиной электродов и расстоянием этих электродов относительно канальных волноводов Y-разветвителя. Таким образом, полуволновое напряжение дополнительных модуляторов ИОС может быть значительно увеличено, при этом габариты ИОС будут практически неизменными. Для эффективной работы дополнительных фазовых модуляторов необходимо уменьшение полуволнового напряжения не менее чем на порядок. Чем больше полуволновое напряжение модуляторов, тем ниже разрядность ЦАП в контурах ОС-3, ОС-4, которые могут обеспечить необходимую точность компенсации искажений разности фаз ВФМ, вызванных НЧ-процессами в модуляторах.
1-3
На фиг. 13 показан принцип формирования напряжения на первом дополнительном модуляторе для компенсации нестабильности амплитуд ВФМ. При наличии паразитных НЧ-процессов в основном фазовом модуляторе наблюдается нестабильность амплитуды разности фаз между лучами кольцевого интерферометра ВКИ ВОГ ±(π-Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан даже на протяжении одного полупериода СВ, причем амплитуда нестабильности практически не зависит от амплитуды ВФМ. На Фиг. 13 представлена разность фаз между лучами кольцевого интерферометра 65 при наличии НЧ-процессов в основном фазовом модуляторе. При обработке СВ и CP значение их на каждом τ-интервале фиксируется с помощью выборок АЦП во второй его половине, как правило, в его конце. Поэтому паразитный сигнал, вызванный НЧ-динамикой в основном модуляторе и который необходимо скомпенсировать, может быть представлен в виде сигнала 66. С целью компенсации паразитного сигнала основного модулятора на дополнительный фазовый модулятор подается напряжение вида 67. Код компенсирующего напряжения формируется ГКН1 в ПЛИС, затем с помощью ЦАП и усилителя напряжение подается на электроды первого дополнительного модулятора. Дополнительный модулятор при наличии на нем такого напряжения вносит разность фаз между лучами ВКИ вида 68. Форма сформированного компенсирующего напряжения полностью соответствует форме напряжения 66. Амплитуда этого напряжения для поддержания нулевого кода на выходе детектора D регулируется с помощью ШИМ-сигнала, при подаче которого на соответствующий ЦАП производится регулировка его опорного тока.
+
При наличии помимо НЧ-процессов в основном модуляторе, которые вызывают искажения амплитуд ВФМ из-за внесения неравномерности передаточной характеристики в области низких частот возникают дополнительные искажения при сужении общей полосы пропускания основного фазового модулятора при воздействии на него, например, влаги. Эти дополнительные искажения заключаются в непропорциональном изменении амплитуд ВФМ (π-Δ) радиан и (π+Δ) радиан. Это изменение амплитуд с помощью контура ОС-2 в значительной степени устраняется, но непропорциональность изменения амплитуд приводит к образованию ложного CP, что приводит естественно к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ. На Фиг. 14 представлен принцип формирования напряжения на втором дополнительном фазовом модуляторе для компенсации ложного сигнала рассогласования. С помощью напряжения 69, подаваемого на электроды основного фазового модулятора ИОС формируется разность фаз с амплитудами, находящихся на каждом полупериоде СВ в определенном соотношении. При наличии паразитных эффектов в основном фазовом модуляторе ИОС, связанных с изменением полосы их пропускания, соотношение амплитуд фазовой модуляции на каждом полупериоде изменяется. Изменение соотношения амплитуд при наличии паразитных эффектов приводит к образованию ложного СР. Ложный CP [5] приводит к изменению масштабного коэффициента гироскопа и как следствие к понижению его точности. Для компенсации ложного CP на электроды второго дополнительного модулятора подается специальное напряжения 70, которое позволяет изменить соотношение амплитуд ВФМ на каждом полупериоде СВ (изменение амплитуды ВФМ на каждом полупериоде СВ показаны пунктирными линиями 71) и тем самым компенсировать ложный СР. Код напряжения для компенсации ложного CP может быть сформирован в ГКН2. При наличии ложного CP ток фотоприемника имеет выбросы (пички тока) при каждом сбросе СПНП. Для компенсации ложного CP организуют четвертый контур обратной связи, который включает в свой состав детектор постоянной составляющей сигнала на выходе аналого-цифрового преобразователя D и регулятор РЕГ4 кода амплитуды специального напряжения, подаваемого на электроды второго дополнительного фазового модулятора. Код амплитуды специального напряжения изменяется до тех пор, пока при сбросе СПН выбросы тока фотоприемника будут равны нулю. На Фиг. 15 показаны паразитные импульсы тока 72 при сбросе СПН при измерении проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности ВОГ. Длительность сигнала составляет 1 сек. Другим фактором, который приводит к образованию паразитных импульсов и который имеет место как при сужении общей полосы пропускания, так и при наличии НЧ-процессов в основном фазовом модуляторе является наклон полочек импульсов разности ВФМ. При наличии наклона полочки на протяжении τ-интервала, на котором происходит сброс СПН, разность фаз непостоянна, что и вызывает образование паразитного импульса на фотоприемнике. Этот импульс содержит в своем составе составляющие сигнала на частоте СВ, которые затухают достаточно продолжительное время (до нескольких мкс, об этом свидетельствует достаточно большая ширина импульсов). Этот паразитный СВ приводит к нестабильности нулевого сигнала ВОГ при деградации полосы пропускания фазовых модуляторов. На Фиг. 16 показан принцип формирования напряжения на втором дополнительном модуляторе для устранения паразитных импульсов тока на фотоприемнике при сбросе СПН при наличии наклона полочек импульсов ВФМ. Для устранения наклона полочек разности фаз ВФМ 73 необходимо сформировать разность фаз вида 74. В ПЛИС ГКН2 формирует код напряжения 75. Этот код преобразуется в напряжение и с помощью ЦАП и усилителя и подается на электроды второго дополнительного фазового модулятора. С помощью второго дополнительного фазового модулятора формируется разность фаз между лучами ВКИ вида 76. В этом случае, суммарная разность фаз лучей ВКИ приобретает вид 77 в виде последовательности импульсов без наклона полочек. Процесс выравнивания полочек импульсов ВФМ осуществляется так же с помощью четвертого контура обратной связи. Амплитуда треугольных импульсов напряжения, подаваемого на электроды второго дополнительного модулятора регулируется с помощью изменения опорного тока соответствующего ЦАП3 до момента исчезновения выбросов тока на фотоприемнике при сбросе СПН. Таким образом, код амплитуды напряжения изменения соотношения амплитуд ВФМ на каждом полупериоде СВ изменяется регулятором РЕГ4, а амплитуда напряжения для компенсации наклона полочек импульсов ВФМ изменяется с помощью изменения опорного тока ЦАПЗ с помощью того же регулятора РЕГ4.
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. А.М. Курбатов, Р.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, Р.А. Курбатов «Волоконно-оптический гироскоп с закрытым контуром», Патент РФ №2512599 от 28.02.2014 г., дата приоритета 24.10.2012 г.
6. W.P. Hollinger, R.A. Covacs. Tuned integrated optic modulator on a fiber optic gyroscope. US Patent no. 5,504,580, Apr. 2, 1996.
7. Т.C. Greening, S.H. Khari, M.P. Newlin. Minimal bias switching for fiber optic gyroscope. US Patent no. 7,336,364, Feb. 26, 2008.
8. A.M. Курбатов, P.A. Курбатов «Способ повышения точности волоконно-оптического гироскопа за счет подавления низкочастотных паразитных эффектов в интегрально-оптических фазовых модуляторах» Заявка №2016116474.