УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА ФОТОПРИЕМНИКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА
FIBER-OPTIC GYROSCOPE PHOTODETECTOR CURRENT STABILIZATION DEVICE

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 и электронный блок обработки информации. Оптический блок содержит источник оптического излучения, фотоприемник и волоконный кольцевой интерферометр (далее по тексту ВКИ). В состав ВКИ входят оптический циркулятор, интегрально-оптическая схема (далее по тексту - ИОС), многовитковая чувствительная катушка. ИОС содержит в своем составе Y- делитель мощности оптического излучения на основе поляризующих канальных волноводов и фазовый модулятор, располагающийся на выходных плечах Y- делителя. Канальные волноводы Y- делителя сформированы в подложке ниобата лития по протонно-обменной технологии, которая позволяет приобретать волноводам поляризующие свойства. На выходных канальных волноводах располагается фазовый модулятор оптических лучей, проходящих по канальным волноводам. Фазовый модулятор представляет собой канальные волноводы, сформированные в подложке ниобата лития и металлические электроды, нанесенные по обе стороны канальных волноводов. При подаче на электроды электрического напряжения за счет электрооптического эффекта в материале канальных волноводов изменяется показатель преломления, что приводит к эффекту фазовой модуляции оптических лучей, распространяющихся по канальным волноводам. К выходным волноводам Y-делителя пристыкованы концы световодов чувствительной катушки гироскопа.
На фотоприемнике ВКИ наблюдается интерференционная картина, образованная двумя оптическими лучами, прошедшими чувствительную катушку гироскопа в двух взаимно-противоположных направлениях. При вращении кольцевого интерферометра между этими двумя лучами, вследствие эффекта Саньяка, возникает разность фаз, которая выражается следующим образом:
где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;
L - длина световода катушки;
λ - средневзвешенная 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.
0
Мощность Р интерферирующих лучей зависит от выходной мощности источника оптического излучения. В ВОГ используются источники оптического излучения с малой длиной когерентности. Это могут быть либо суперлюминесцентные лазерные диоды (СЛД), либо эрбиевые волоконные суперлюминесцентные источники (ЭВСИ). В высокоточных ВОГ преимущественно используются ЭВСИ. В состав ЭВСИ входит эрбиевое волокно, волоконный мультиплексор и лазерный диод накачки эрбиевого волокна. Выходная мощность ЭВСИ определяется выходной мощностью лазерного диода накачки, которая в свою очередь определяется величиной тока лазерного диода накачки. Ток лазерного диода накачки обеспечивается блоком электрического питания ЭВСИ. 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 вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) следующих с частотой 1/6 τ [1] ток фотоприемника можно представить в виде:
ф
где η - токовая чувствительность фотоприемника;
Δ - параметр ВФМ, определяющий ее амплитуду;
- амплитуда сигнала вращения ВОГ.
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;
- сигнал вращения ВОГ.
В работе [2] 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. 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 демодулятора сигнала вращения гироскопа. Сигнал на выходе демодулятора сигнала вращения 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:
Эффективность фазового модулятора ИОС имеет сильную зависимость от изменений температуры окружающей среды. Изменения эффективности фазового модулятора ИОС приводит к нестабильности масштабного коэффициента ВОГ. Для повышения стабильности масштабного коэффициента ВОГ используется второй контур обратной связи [1] (контур ОС-2), на основе второго демодулятора, выделяющего амплитуду сигнала рассогласования, который присутствует на фотоприемнике при изменении эффективности фазового модулятора. С помощью контура ОС-2 производится стабилизация параметра Δ ВФМ.
На фотоприемнике, кроме сигнала вращения и сигнала рассогласования присутствует постоянная составляющая этих сигналов, амплитуды которых жестко связаны с ее величиной. Для повышения чувствительности ВОГ усилитель тока фотоприемника должен иметь большой коэффициент усиления и поэтому постоянная составляющая общего сигнала на фотоприемнике приводит усилитель в состояние насыщения. Для обеспечения работоспособности усилителя необходима компенсация постоянной составляющей сигнала на входе усилителя и как следствие на его выходе. Для компенсации постоянной составляющей сигнала на выходе усилителя организован третий контур обратной связи (контур ОС-3) на основе третьего демодулятора, который выделяет постоянную составляющую на выходе усилителя тока фотоприемника [3]. С помощью контура ОС-3 формируется напряжение, которое подается на второй вход дифференциального усилителя тока фотоприемника (на первый вход подается общий сигнал с фотоприемника, который содержит сигнал вращения, сигнал рассогласования и их постоянную составляющую) с целью обнуления на выходе усилителя постоянной составляющей общего сигнала ВОГ.
Считается, что в ВОГ с замкнутым контуром ОС-1 выходной сигнал не зависит от изменений постоянной составляющей оптической мощности излучения на фотоприемнике, если они происходят в небольших пределах и медленно меняются по сравнению с быстродействием контура ОС-1. Однако экспериментальные данные свидетельствуют в пользу того, что такая зависимость все же имеет место при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например, при изменении температуры окружающей среды, воздействии вибраций, радиации и т.д. Допустим, что в ВОГ имеет место некое паразитное смещение угловой скорости, которое можно ввести в правую часть уравнения для контура ОС-1[4]:
s
где Ф (t) - разность фаз Саньяка;
k
Ф (t) - разность фаз компенсирующая разность фаз Саньяка, вносимая фазовым модулятором при подаче на него ступенчатого пилообразного напряжения;
G(t) - ширина полосы контура ОС-1;
t - время;
θ(t) - паразитная величина, которая определяется паразитной разностью фаз лучей в кольцевом интерферометре ВОГ, смещением на выходе усилителя тока фотоприемника, а также искажениями сигнала вращения, которые определяются несовершенствами характеристик фазового модулятора. Здесь также учитывается, что из-за изменений постоянной составляющей оптического излучения на фотоприемнике от времени зависит и ширина полосы ВОГ (G). Если эти изменения малы и медленны во времени, то для устоявшегося режима (t>>G) и постоянной угловой скорости вращения решение уравнения для контура ОС-1 выглядит следующим образом:
Здесь все производные величины θ(t) считаются очень малыми в силу того, что она медленно зависит от времени. Также для Q(t) справедливо соотношение:
0
где P(t) оптическая мощность на фотоприемнике, зависящая от времени;
χ(t) - токовая чувствительность фотоприемника, зависящая от времени.
0
0
Ошибка измерения угловой скорости зависит от изменения θ(t), A, P(t). Паразитное смещение θ(t) минимизируется за счет устранения паразитных эффектов в оптических компонентах ВКИ. Параметр ВФМ Δ стабилизируется за счет работы контура ОС-2. Таким образом, основным недостатком известной конструкции высокоточного ВОГ является нестабильность нулевого сигнала (снижение его точности) из-за нестабильности амплитуды сигнала вращения ВОГ, которая определяется величиной Q(t)=P(t)χ{t). Стабильность амплитуды сигнала вращения ВОГ зависит от выходной мощности источника излучения, изменений потерь оптического излучения в оптических компонентах ВКИ и при изменении токовой чувствительности фотоприемника при изменении температуры окружающей среды, а также от воздействия вибраций и воздействия радиационного облучения на источник излучения и оптические компоненты ВКИ. Основным недостатком известных схем обработки информации [4] является то, что при изменении токовой чувствительности фотоприемника, изменении потерь оптической мощности излучения в компонентах оптической схемы ВКИ при воздействии внешних дестабилизирующих факторов изменяется амплитуда сигнала вращения и как следствие это приводит к нестабильности нулевого сигнала ВОГ, то есть к ухудшению его точности.
Целью изобретения является повышение точности ВОГ при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.
Указанная цель достигается тем, что в электронный блок обработки информации вводят четвертый контур обратной связи, с полосой пропускания не менее 4 кГц, который включает в свой состав дифференциальный усилитель, преобразователь ток-напряжение, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, источник стабилизированного опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом дифференциального усилителя, и регулятор, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход соединен с блоком электрического питания источника оптического излучения.
Повышение точности ВОГ достигается снижением нестабильности нулевого сигнала при воздействии внешних факторов за счет стабилизации амплитуды сигнала вращения путем стабилизации постоянной составляющей оптической мощности излучения на фотоприемнике.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На Фиг. 2 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с тремя замкнутыми контурами обратной связи. На Фиг. 3 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа со схемой стабилизации постоянной составляющей тока фотоприемника. На Фиг. 4 показана схема регулирования тока СЛД или лазерного диода накачки ЭВСИ.
На Фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. ВОГ содержит источник оптического излучения 1, ВКИ 2, в состав которого входит оптический циркулятор 3, ИОС 4, чувствительная волоконная катушка 5, фотоприемник 6 и электронный блок обработки информации 7.
1
1
1
2
2
На Фиг. 2 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа с тремя контурами обратной связи. В качестве источника оптического излучения используется ЭВСИ. В состав ЭВСИ входит лазерный диод накачки 8, источник питания лазерного диода накачки 9, мультиплексор 10, отрезок эрбиевого волокна 11 и отражатель оптического излучения 12. Электронный блок обработки информации, поступающей с фотоприемника содержит дифференциальный усилитель тока фотоприемника 13 (далее по тексту ДУ1), аналого-цифровой преобразователь (далее по тексту АЦП) 14 и программируемую логическую интегральную схему 15 (далее по тексту ПЛИС). В ПЛИС сформирован демодулятор сигнала вращения D 16, регулятор 17 высоты ступеньки ступенчатого пилообразного напряжения (далее по тексту СПН), генератор кода СПН18, генератор кода напряжения вспомогательной фазовой модуляции (далее по тексту ВФМ) 19, сумматор кодов СПН и ВФМ 20. Код на выходе сумматора поступает на вход цифро-аналогового преобразователя 21 (далее по тексту ЦАП1). В ПЛИС также сформирован второй демодулятор D2 22 для демодуляции сигнала рассогласования, регулятор 23 амплитуды напряжения ВФМ. Амплитуда напряжения ВФМ регулируется с помощью изменения опорного тока ЦАП1. Напряжение СПН и ВФМ усиливается операционным усилителем 24 (далее по тексту ОУ1) и поступает затем на электроды фазового модулятора ИОС. На основе демодулятора D организована работа замкнутого контура ОС-1, предназначенного для линеаризации выходной характеристики ВОГ. С помощью регулирования ступеньки кода СПН на выходе демодулятора D код поддерживается равным нулю. На основе демодулятора D организована работа замкнутого контура ОС-2, предназначенного для стабилизации масштабного коэффициента ВОГ при изменении эффективности фазового модулятора. Код на выходе демодулятора D поддерживается равным нулю путем изменения амплитуды напряжения ВФМ путем регулирования опорного тока ЦАП1
3
3
Для компенсации постоянной составляющей на выходе дифференциального усилителя тока фотоприемника организован третий контур ОС-3 на основе третьего демодулятора D 25, который выделяет постоянную составляющую на выходе дифференциального усилителя тока фотоприемника. В состав контура ОС-3 входит регулятор 26 ячейки регулируемого кода 27, выходной код которой поступает на вход ЦАП 28 (далее по тексту ЦПА2). Напряжение с выхода ЦАП2 подается на вход операционного усилителя 29 (далее по тексту ОУ2), а с его выхода на второй вход ДУ1. Напряжение на втором входе усилителя ДУ1 фиксируется при наличии на выходе D нулевого кода.
На Фиг. 3 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа со схемой стабилизации постоянной составляющей тока фотоприемника. Величина оптической амплитуды сигнала вращения ВОГ жестко связана с величиной постоянной составляющей оптической мощности на фотоприемнике. Таким образом, для стабилизации амплитуды сигнала вращения достаточно добиться стабильности постоянной составляющей сигнала на фотоприемнике. В данной схеме фотоприемник соединяется с преобразователем типа ток-напряжение (далее по тексту ПТН) 30. Напряжение с ПТН поступает на первый вход второго дифференциального усилителя 31 (далее по тексту ДУ2). Второй вход ДУ2 соединен с источником стабилизированного напряжения (далее по тексту ИСН). Напряжение с выхода ДУ2 подается на вход регулятора 33 тока лазерного диода накачки ЭВСИ. На основе ДУ2 организуется четвертый контур обратной связи (контур ОС-4). Регулятор изменяет ток лазерного диода накачки ЭВСИ (с помощью источника электрического питания ЭВСИ) до тех пор, пока на выходе ДУ2 не установится нулевое напряжение. Таким образом, стабильность постоянной составляющей оптической мощности в основном зависит только от коэффициента передачи ПТН и стабильности напряжения, выдаваемого ИСН. Стабилизация постоянной составляющей оптического сигнала на фотоприемнике при использовании в качестве источника оптического излучения суперлюминисцентного лазерного диода (СЛД) производится также с помощью того же регулятора путем изменения тока потребления СЛД с помощью его источника электрического питания.
На Фиг. 4 показана схема преобразователя ток-напряжение для регулирования тока СЛД или лазерного диода накачки ЭВСИ. На выходе источника опорного напряжения 34, который используется для питания фотоприемника ВОГ устанавливается измерительный резистор 35. Выход измерительного резистора соединен с фильтром низких частот. Падение напряжения на измерительном резисторе и фильтре низких частот усиливается усилителем 37. Таким образом напряжение на выходе усилителя пропорционально среднему току фотоприемника, то есть постоянной составляющей тока фотоприемника. За счет регулирования выходной оптической мощности ЭВСИ при изменении тока лазерного диода накачки или тока СЛД происходит стабилизация величины среднего тока фотоприемника. Стабильность постоянной составляющей тока фотоприемника за счет изменения выходной мощности источника излучения достигается за счет небольшого количества электронных компонентов, входящих в состав контура ОС-4. Стабильность параметров измерительного резистора, схемы фильтра низких частот и усилителя падения напряжения на измерительном резисторе позволяют обеспечить стабильность постоянной составляющей тока фотоприемника на уровне не более 100 ррm/1°С. Стабильность постоянной составляющей сигнала на фотоприемнике зависит от полосы пропускания контура ОС-4. Предлагаемая электрическая схема контура ОС-4 должна иметь широкую полосу пропускания для устранения быстрых изменений амплитуды сигнала вращения, которые вносят существенный вклад в нестабильность нулевого сигнала ВОГ. При воздействии на ВОГ вибраций возникает паразитное смещение нулевого сигнала ВОГ, которое можно выразить следующим образом:
0
где Ф - амплитуда паразитной разности фаз кольцевого интерферометра при воздействии на чувствительную катушку вибраций;
МК - масштабный коэффициент кольцевого интерферометра;
ΔР - изменения амплитуды оптического сигнала вращения;
0
Р - амплитуда оптического сигнала вращения.
0
Для устранения паразитного смещения нулевого сигнала вращения при воздействии вибраций необходимо обнулить либо Ф, либо величину ΔР. Обнуление величины ΔР осуществляется с помощью контура ОС-4.
Контур обратной связи ОС-4 должен иметь полосу пропускания не менее 4 кГц, что позволит эффективно стабилизировать постоянную составляющую тока фотоприемника ВОГ при изменениях амплитуды сигнала вращения с частотой до 2 кГц. Быстрые изменения амплитуды сигнала вращения могут возникнуть при воздействии на ВОГ вибрационных нагрузок. В этом случае при использовании контура ОС-4 достигается стабильность нулевого сигнала не хуже 0,001 град/час. при воздействии вибраций с частотой до 2 кГц.
Литература:
[1] A.M. Курбатов, Р.А. Курбатов, A.M. Горячкин «Повышение точности волоконно-оптического гироскопа за счет подавления паразитных эффектов в интегрально-оптических фазовых модуляторах» Гироскопия и навигация. Том 27, №2(105). 2019.
[2] G.A. Pavlath "Closed-loop fiber optic gyros" SPIE v. 2837, 1996, pp 46-60.
[3] A.M. Курбатов, P.А. Курбатов «Способ повышение точности волоконно-оптического гироскопа при воздействии вибраций». Заявка №2016134633 приоритет от 25.08.2016 г. Патент РФ №2627020 от 02.08.2017 г.
[4] Курбатов A.M., Курбатов Р.А. Вибрационная ошибка угловой скорости волоконно-оптического гироскопа и методы ее подавления // Радиотехника и Электроника. - 2013. - №8. - с. 842.