способ расширения диапазона измерения угловых скоростей волоконно-оптического гироскопа с закрытыми контурами обратной связи

Формула изобретения

Способ расширения диапазона измеряемых угловых скоростей в волоконно-оптическом гироскопе с закрытыми контурами обратной связи, в котором используется напряжение вспомогательной фазовой модуляции со стабильными во времени параметрами, а также для компенсации разности фаз Саньяка Ф_с ступенчатое пилообразное напряжение треугольной формы с длительностью каждой ступеньки, равной времени пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа, и с амплитудой напряжения, при подаче которого на фазовый модулятор кольцевого интерферометра фаза лучей, распространяющихся по чувствительной катушке, изменяется на радиан, при этом осуществляется смена полярности подключения электродов фазового модулятора, отличающийся тем, что разность фаз между лучами кольцевого интерферометра модулируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со стабильной во времени фазой и с амплитудами импульсов 0, ± радиан, при этом обеспечивают путем изменения частоты треугольного ступенчатого пилообразного напряжения выполнение для суммарной разности фаз лучей волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) равенство Ф_с+ _спн=±2(n+1)/2× радиан, где n=0,1,2 , _спн - разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, вносимая при подаче на его фазовый модулятор треугольного ступенчатого напряжения.

Описание изобретения к патенту

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:

Ф _c=[4 RL/ c]× ,

где R - радиус чувствительной катушки гироскопа;

L - длина световода катушки;

- центральная длина волны излучения источника;

с - скорость света в вакууме;

- угловая скорость вращения гироскопа.

Таким образом, на фотоприемнике мощность оптического излучения можно представить в виде

Р_ф=½Р ₀(1+cos _c),

где Р₀ - 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

где n₀ - показатель преломления материала световода чувствительной катушки.

При подаче на фазовый модулятор импульсов напряжения, следующих с частотой 1/2 и вносящих разность фаз между лучами ВКИ в виде импульсной последовательности с амплитудами ± /2 радиан ±3 /2 радиан, ток фотоприемника можно представить в виде

I_Ф=½Р_{0 ф}(1+cos _мcosФ_c+sin _мsinФ_c),

где _ф - токовая чувствительность фотоприемника,

_м - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.

Далее сигнал с фотоприемника поступает на вход усилителя тока фотоприемника, на выходе которого присутствует напряжение, пропорциональное величине

U=½Р_{0 ф}R_H(1+cos _мcosФ_c+sin _мsinФ_c),

где R _н - сопротивление нагрузки усилителя тока фотоприемника.

В работе [1] предложен способ линеаризации выходной характеристики ВОГ. На фазовый модулятор одновременно с напряжением вспомогательной фазовой модуляции 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 Санька. С этой целью организуется закрытый контур обратной связи (ВОГ с закрытым контуром обратной связи) по обнулению сигнала на выходе синхронного детектора сигнала вращения гироскопа. Сигнал на выходе синхронного детектора автоматически обнуляется за счет подбора величины ступеньки напряжения ступенчатого пилообразного напряжения (СПН). За счет этого выходная характеристика ВОГ становится линейной. Сигнал на выходе усилителя тока фотоприемника в этом случае можно представить в виде

U=½Р _{0 Ф}R_н[±sin _м(Ф_с- _к)],

где _к - 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:

где R - радиус чувствительной катушки, L - длина световода чувствительной катушки, - длина волны излучения источника, с - скорость света в вакууме, - эффективность фазового модулятора, U_п - амплитуда СПН, _ст - время пробега световых лучей по световоду чувствительной катушки, (t) - угловая скорость вращения.

Масштабный коэффициент ВОГ стабилизируется за счет обеспечения амплитуды СПН, которая при подаче на фазовый модулятор изменяет фазу лучей ВКИ на 2 радиан. Амплитуда СПН регулируется путем выделения импульса засветки фотоприемника при сбросе напряжения СПН и последующего его обнуления путем регулировки амплитуды СПН. В этом случае для частоты СПН справедливо следующее соотношение:

f_n(t)=[2R/ n]× (t),

где n - показатель преломления материала световода.

Таким образом, масштабный коэффициент ВОГ не зависит от эффективности фазового модулятора, которая имеет большую нестабильность при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. По порядку величины на стабильность масштабного коэффициента наибольшее влияние оказывает величина U_П из-за большой нестабильности эффективности 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 2 радиан. Если это условие не выполняется, то при сбросе СПН на фотоприемнике появляется импульс света, который затем усиливается усилителем тока фотоприемника. Затем амплитуда СПН изменяется таким образом, чтобы при сбросе СПН на фотоприемнике импульсы света не возникали [1]. При малых угловых скоростях информация по подстройке амплитуды СПН поступает достаточно редко, так как период СПН зависит от угловой скорости, и поэтому известный способ стабилизации масштабного коэффициента не обеспечивает при малых угловых скоростях необходимой его стабильности.

Известен способ стабилизации масштабного коэффициента [3] за счет организации второго контура обратной связи. Для этого с помощью дополнительного второго демодулятора выделяется сигнал рассогласования, который формируется на фотоприемнике при изменении эффективности фазового модулятора ИОС ВКИ. Далее сигнал с выхода второго демодулятора поступает на второй регулятор, который стабилизирует амплитуду вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ) с помощью второго регулятора путем изменения напряжения ВФМ. Стабилизация амплитуды ВФМ достигается при нулевом уровне сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора. Сигнал рассогласования является высокочастотным и не зависит от угловой скорости. Таким образом достигается повышение стабильности масштабного коэффициента гироскопа даже при малых угловых скоростях за счет повышения быстродействия второго контура обратной связи. Код амплитуды СПН связан с кодом амплитуды напряжения ВФМ жестким числовым соотношением и поэтому устанавливается автоматически.

В работе [5] рассматривается использование СПН треугольной формы. При использовании операции переключения полярности электродов фазового модулятора в моменты минимального и максимального значений напряжения (максимальный уровень треугольного СПН при подаче на фазовый модулятор изменяет фазу лучей ВКИ на я радиан) треугольное СНП трансформируется в СПН либо только с возрастающими, либо только с убывающими фронтами и с амплитудой, изменяющей фазу лучей ВКИ на 2 радиан.

Недостатком известной схемы [1, 2] является наличие у ВОГ зоны нечувствительности, которая определяется электрическими наводками, паразитным интерферометром Майкельсона, возникающим из-за обратных отражений в ИОС [4], и нестабильностью временных параметров напряжения вспомогательной фазовой модуляции (ВФМ). Нестабильность временных параметров заключается в основном в нестабильности фазы напряжения ВФМ.

Известен способ устранения зоны нечувствительности ВОГ [4, 6, 7]. ВФМ осуществляется в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудами ±( + ) радиан и ±( + ) радиан, где = /2ⁿ, а n=1, 2, 3, . Форма напряжения ВФМ такова, что даже при наличии электрических наводок паразитный сигнал на частоте сигнала вращения ВОГ на выходе его демодулятора отсутствует. При модуляции лучей паразитного интерферометра Майкельсона при подаче на модулятор напряжения ВФМ паразитный сигнал на частоте сигнала вращения также не возникает. Но основным фактором отсутствия зоны нечувствительности является формирование напряжения ВФМ со стабильными во времени параметрами. Под неизменными во времени параметрами подразумевается временная стабильность фазы напряжения ВФМ. Но это возможно, если амплитуда СПН такова, что при подаче ее на фазовый модулятор фаза лучей ВКИ изменяется не на 2я радиан. Разность фаз меду лучами ВКИ при сбросе максимального СПН может принимать два значения, а именно радиан и радиан. При использовании СПН с амплитудой радиан сброс максимального напряжения СПН необходимо производить в течение отрицательного полупериода сигнала вращения при положительной угловой скорости и в течение положительного полупериода сигнала вращения при отрицательной угловой скорости. При использовании этого вида СПН максимальный диапазон компенсации разности фаз Саньяка составляет радиан, что приводит к сужению диапазона измеряемых угловых скоростей по сравнению с ВОГ, предложенным в [1, 2]. Таким образом, при устранении зоны нечувствительности ВОГ происходит сужение диапазона измеряемых угловых скоростей, что является недостатком ВОГ, предложенного в [3, 4]. Максимальный диапазон измеряемых угловых скоростей достигается при = /2 радиан, при этом амплитуда периодической последовательности импульсов ВФМ составляет ± /2 радиан и ±3 /2 радиан. Для устранения зоны нечувствительности ВОГ в этом случае величина радиан, что не дает возможности обеспечить временную стабильность фазы импульсной последовательности ВФМ. Для устранения этого недостатка используется СПН треугольной формы с амплитудой радиан, при этом необходимо использовать смену полярности подключения электродов фазового модулятора. Но даже в этом случае максимальный диапазон компенсируемой разности фаз Саньяка Ф _с составляет величину ± /4 радиан [5].

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона измеряемых угловых скоростей ВОГ, у которого устранена зона нечувствительности.

Указанная цель достигается тем, что разность фаз между лучами кольцевого интерферометра модулируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со стабильной во времени фазой и с амплитудами импульсов 0, ± радиан, при этом обеспечивают путем изменения частоты треугольного ступенчатого пилообразного напряжения выполнение для суммарной разности фаз лучей ВКИ равенство Ф_с+ _спн=±2(n+1)/2× радиан, где n=0, 1, 2 , _спн - разность фаз между лучами кольцевого интерферометра, вносимая при подаче на его фазовый модулятор треугольного ступенчатого напряжения.

Расширение диапазона измерения угловых скоростей достигается за счет использования модуляции с амплитудой 0, ± радиан и формирования начального фазового сдвига между лучами ВКИ, равного ± /2 радиан, с помощью ступенчатого пилообразного напряжения (СПН) треугольной формы. При изменении разности фаз Саньяка путем изменения частоты СПН и смены полярности подключения электродов фазового модулятора волоконного кольцевого интерферометра (ВКИ) разность фаз его лучей принимает следующий дискретный ряд значений: Ф_с+ _спн=±2(n+1)/2× с (радиан), где n=0, 1, 2, , Ф_с - разность фаз Саньяка, а _спн=разность фаз лучей ВКИ за счет подачи на фазовый модулятор СНП треугольной формы.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг.1 приведена структурная схема волоконно-оптического гироскопа с закрытыми контурами обратной связи. На Фиг.2 показано напряжение ВФМ и разность фаз лучей ВКИ. На Фиг.3 показано СПН треугольной формы для формирования разности фаз лучей ВКИ ± /2 радиан. На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения на фотоприемнике. На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования на фотоприемнике. На Фиг.6 показано формирование сигнала паразитного интерферометра Майкельсона на фотоприемнике. На Фиг.7 показано изменение фазы лучей ВКИ для приведения рабочей точки ВОГ в точки с разностью фаз лучей (2n+1) /2 радиан.

ВКИ ВОГ содержит источник оптического излучения 1 (Фиг.1) с малой длиной когерентности, делитель оптических лучей 2, ИОС 3, волоконную чувствительную катушку 4 и фотоприемник 5. ИОС содержит Y-разветвитель оптических лучей и два фазовых модулятора, сформированных на выходных плечах Y-делителя с помощью нанесения на подложку металлических электродов. Канальные волноводы Y-делителя сформированы в подложке ИОС из ниобата лития по протонно-обменной технологии и поэтому обладают поляризующими свойствами. Таким образом, ИОС представляет собой многофункциональный элемент, содержащий в своем составе поляризатор, делитель оптических лучей и два фазовых модулятора. Луч света после делителя оптических лучей поступает на вход ИОС и делится Y-делителем на два луча, которые проходят чувствительную катушку по и против часовой стрелки и снова объединяются Y-делителем в один луч, который через делитель оптических лучей попадает на площадку фотоприемника. Мощность оптического излучения на фотоприемнике можно представить в следующем виде:

Р_ф=½Р₀[1+соsФ _с].

Далее сигнал поступает на вход усилителя тока фотоприемника 6 и далее на один из двух входов дифференциального усилителя 7. На второй его вход поступает сигнал с фильтра низкой частоты (интегратора) 8, который на выходе дифференциального усилителя устраняет постоянную составляющую сигнала на фотоприемнике с целью обеспечения большого усиления переменной составляющей сигнала на фотоприемнике. Далее сигнал с выхода дифференциального усилителя поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9 и далее на вход платы цифровой обработки информации 10. Сигнал после АЦП поступает на вход синхронного детектора (демодулятора) сигнала вращения ВОГ 11, далее сигнал с выхода демодулятора поступает на вход регулятора 12 величины ступеньки напряжения СПН. Управляющий сигнал с регулятора поступает на вход генератора треугольного СПН 13. Сигнал после АЦП поступает также на второй демодулятор 14 сигнала рассогласования, после которого он поступает на вход второго регулятора15. Второй регулятор управляет величиной амплитуды напряжения ВФМ, которое формируется генератором 16. Напряжение с генератора напряжения ВФМ и СПН поступают на вход сумматора 17, после которого суммарное напряжение поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 18 и далее через масштабирующий операционный усилитель 19 на электроды фазовых модуляторов ИОС. Демодулятор сигнала вращения гироскопа, первый регулятор напряжения ступеньки СПН, генератор СНП входят в состав первого контура обратной связи ВОГ по занулению сигнала вращения на выходе его демодулятора путем автоматического подбора ступеньки СПН с помощью регулятора. Сигнал на входе демодулятора сигнала вращения можно представить в виде

где G₀ - коэффициент усиления тока фотоприемника.

Код напряжение ступеньки СПН является выходной информацией ВОГ. С помощью первого контура обратной связи реализуется компенсационный метод считывания разности фаз лучей ВКИ, который позволяет линеаризовать выходную характеристику ВОГ.

Демодулятор сигнала рассогласования, второй регулятор амплитуды напряжения ВФМ и генератор напряжения ВФМ входят в состав второго контура обратной связи, который обеспечивает обнуление сигнала рассогласования на выходе второго демодулятора путем изменения с помощью регулятора амплитуды напряжения ВФМ. С помощью второго контура обратной связи стабилизируется амплитуда ВФМ и, как следствие, также и амплитуда СПН. Таким образом, с помощью второго контура обратной связи достигается повышение стабильности масштабного коэффициента ВОГ.

На Фиг.2 показано напряжение ВФМ 20 и разность фаз между лучами ВКИ 21. Период следования импульсов напряжения составляет 4 , где - время, равное времени пробега световых волн по чувствительной катушке ВКИ. Разность фаз лучей ВКИ при ВФМ представляет собой периодическую последовательность импульсов с амплитудами 0, ± радиан и постоянной во времени фазой.

На Фиг.3 показано СНП треугольной формы для формирования разности фаз лучей ВКИ ± /2 радиан. Напряжение 24 имеет амплитуду, при подаче которого на фазовый модулятор ИОС между лучами ВКИ вносится разность фаз /2 радиан. Если в моменты времени 22, 23 (напряжение имеет максимальное значение) изменять полярность подключения электродов фазового модулятора ИОС, а в моменты времени 24 (напряжение имеет минимальное значение) восстанавливать полярность подключения электродов, то изменение разности фаз лучей кольцевого интерферометра будет происходить по закону, показанному кривой 25. Это связано с тем, что при изменении направления напряженности электрического поля в канальном волноводе фазового модулятора, что связано с изменением полярности подключения его электродов, сдвиг фазы луча меняет свой знак. Таким образом, с помощью приведенного выше СПН и операции смены полярности подключения электродов между лучами ВКИ вносится постоянный сдвиг разности фаз, равный /2 радиан. При изменении полярности подключения электродов фазового модулятора МОС в моменты времени, когда амплитуда СПН имеет минимальное значение, восстановление полярности подключения электродов, когда амплитуда СПН имеет максимальное значение, закон изменения фазы лучей ВКИ имеет вид 26. При этом между лучами ВКИ вносится постоянный сдвиг фаз, равный - /2 радиан.

На Фиг.4 показано формирование сигнала вращения на фотоприемнике. Сигнал формируется при наложении на кривую косинуса 27 разности фаз лучей ВКИ, вносимой с помощью подачи на фазовый модулятор ИОС напряжения ВФМ и СПН треугольной формы, которое вносит постоянный сдвиг разности фаз, равный /2 радиан. Разность фаз Саньяка показана пунктирной линией 28. В результате на фотоприемнике формируется сигнал вращения 29. Таким образом, сигнал на входе демодулятора сигнала вращения можно представить в виде

Стабильность начального смещения разности фаз лучей ВКИ /2 радиан обеспечивается за счет работы второго контура обратной связи.

На Фиг.5 показано формирование сигнала рассогласования на фотоприемнике. Пунктирной линией 30 показано изменение эффективности фазовых модуляторов ИОС, при этом на фотоприемнике формируется сигнал рассогласования 31. При отсутствии вращения сигнал рассогласования на входе второго демодулятора условно можно представить в виде

где - изменение эффективности фазовых модуляторов ИОС, U - напряжение, при подаче которого на электроды фазовых модуляторов ИОС фаза оптических лучей изменяется на радиан. Как можно видеть, при детектировании сигнала вращения ошибка из-за влияния сигнала рассогласования отсутствует и, наоборот, детектирование сигнала рассогласования не содержит ошибки из-за влияния сигнала вращения.

В известных ВОГ [1, 2] отмечается существование зоны нечувствительности. Как отмечалось ранее, помимо нестабильности фазы напряжения ВФМ она может возникать и из-за электрических наводок от напряжения ВФМ, подаваемого на электроды фазовых модуляторов ИОС, и от существования паразитного интерферометра Майкельсона. Напряжение ВФМ имеет такую форму, что при детектировании на частоте сигналов вращения и рассогласования ошибок в демодуляции эти сигналы не возникают.

На Фиг.6 показано формирование сигнала паразитного интерферометра Майкельсона на фотоприемнике. Паразитный интерферометр Майкельсона возникает из-за обратных отражений излучения в канальных волноводах фазовых модуляторов ИОС. При использовании предлагаемого напряжения ВФМ сигнал паразитного интерферометра имеет вид 32 и при детектировании этого сигнала на частоте сигнала вращения, а также на частоте сигнала рассогласования он обращается в нуль и зона нечувствительности ВОГ не возникает.

На Фиг.7 показано изменение фазы лучей ВКИ для приведения рабочей точки ВОГ в точки с суммарной разностью фаз лучей ВКИ (2n+1)× /2 радиан. В этих точках, как было показано выше на выходе демодулятора сигнала вращения, он имеет нулевое значение, что позволяет реализовать компенсационный метод считывания разности фаз Саньяка. Например, при нарастании положительной угловой скорости разность фаз Саньяка начинает возрастать. В этом случае автоматически изменяется частота треугольного СПН 33 с максимального своего значения до минимального. Максимальное значение частоты треугольного СПН составляет величину 1/4 , а минимальное определяется емкостью программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Далее выбирается соответствующий режим изменения полярности подключения электродов для того чтобы внести между лучами ВКИ положительную разность фаз с целью приведения суммарной разности фаз, т.е.разности фаз Саньяка и разности фаз, вносимой СПН к разности фаз лучей, равной /2 радиан. При Ф_с= /2 радиан частота пилы имеет минимально возможное значение. При превышении разности фаз Саньяка Ф_с /2 радиан режим переключения полярности электродов изменяется таким образом, чтобы наклон пилообразного закона изменения фазы лучей ВКИ изменился на противоположный 34, 35 и частота СПН начала возрастать, при этом разность фаз за счет СПН имеет отрицательное значение. При максимальном значении частоты СПН разность фаз Саньяка Ф_с= радиан. При дальнейшем увеличении разности фаз Саньяка вновь изменяется режим переключения полярности электродов, но СПН имеет при этом максимальную частоту. Это дает возможность перевести рабочую точку ВОГ в точку с суммарной разностью фаз лучей ВКИ, равной 3 /2 радиан. Далее процесс изменения частоты треугольного СПН подобен тому, как изменялась разность фаз Саньяка в диапазоне от 0 до радиан. При использовании рабочей точки 3 /2 радиан измеряется компенсационным методом изменение разности фаз Саньяка в диапазоне от до 2 радиан. Таким образом, при использовании рабочих точек с суммарной разностью фаз лучей ВКИ ±(2 +1)× /2 радиан обеспечивается измерение угловых скоростей в большом диапазоне, который фактически ограничивается только длиной когерентности источника излучения.