Способ обработки информации волоконно-оптического гироскопа

 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра. Технический результат - уменьшение влияния на стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими канальных волноводов интегрально-оптического фазового модулятора и повышение чувствительности гироскопа. Формируют разность фаз лучей кольцевого интерферометра в виде импульсной последовательности из четырех уровней вспомогательной фазовой модуляции. Выделяют сигнал рассогласования при изменении уровней фазовой модуляции. Выбирают оптимальные уровни фазовой модуляции. 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Известен способ обработки информации волоконно-оптического гироскопа, описанный в [1]. Волоконно-оптический гироскоп содержит в своем составе оптоволоконный кольцевой интерферометр с широкополосными интегрально-оптическими фазовыми модуляторами и электронный блок обработки информации. Оптоволоконный кольцевой интерферометр содержит источник оптического излучения, волоконный делитель мощности оптического излучения, интегрально-оптическую схему на основе пластины ниобата лития, содержащую в своем составе Y-делитель мощности оптического излучения и два фазовых модулятора, расположенных на канальных волноводах выходных плеч Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя сформированы по протон-обменной технологии и поэтому интегрально-оптическая схема играет и роль поляризатора, который обычно необходим при построении оптической схемы волоконно-оптического гироскопа "минимальной конфигурации ". К выходным канальным волноводам Y-делителя пристыкованы два конца световода чувствительной катушки гироскопа.

На фотоприемнике кольцевого оптоволоконного интерферометра 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 волоконной катушки, L - длина световода чувствительной волоконной катушки, λ - центральная длина волны излучения источника, c - скорость света в вакууме, Ω - угловая скорость вращения кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Таким образом, на фотоприемнике интенсивность оптического излучения можно представить в виде: I_φ~P₀(1+cosφ_s), где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике оптических лучей.

Из выражения для интерференционного члена на фотоприемнике следует, что интенсивность изменяется в зависимости от разности фаз Саньяка по косинусоидальному закону и поэтому при малых угловых скоростях кольцевой интерферометр имеет очень низкую чувствительность к вращению, так как производная косинуса имеет практически нулевое значение при малых угловых скоростях. Для повышения чувствительности волоконно-оптического гироскопа при малых угловых скоростях обычно используют вспомогательную фазовую модуляцию в кольцевом оптоволоконном интерферометре. В волоконно-оптических гироскопах обычно используют фазовую модуляции, вводимую с помощью фазового модулятора, расположенного на одном из концов световода чувствительной катушки, и поэтому для получения эффекта фазовой модуляции используется временное запаздывание лучей при прохождении фазового модулятора. В самом деле, один из интерферирующих лучей кольцевого интерферометра проходит сначала фазовый модулятор, а затем волоконную чувствительную катушку, а второй луч проходит фазовый модулятор спустя время пробега по световоду чувствительной катушки, так как сначала он проходит чувствительную катушку, а затем фазовый модулятор. Это временное запаздывание на время
где L - длина световода чувствительной катушки гироскопа,
n - показатель преломления материала световода,
c - скорость света в вакууме интерферирующих фронтов двух лучей, проходящих волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, и используется для введения эффекта вспомогательной фазовой модуляции лучей кольцевого интерферометра, которая позволяет повысить чувствительность волоконно-оптического гироскопа при малых угловых скоростях.

В [1] предложен способ вспомогательной фазовой модуляции, осуществляемой с помощью подачи на широкополосный фазовый модулятор импульсов ступенчатого напряжения с длительностью каждой ступеньки τ = Ln/c определенной формы. С помощью этих импульсов вспомогательная фазовая модуляция между лучами кольцевого интерферометра приобретает вид импульсной последовательности с четырьмя уровнями амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, а именно:
±(π-Δ); ±(π+Δ),

где n, N - целые положительные числа и N≥2n.

При таком способе вспомогательной фазовой модуляции рабочие точки гироскопа располагаются симметрично относительно точек ±π радиан. При нарушении симметрии их расположения относительно ±π радиан на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования, зануляя который с помощью амплитуды импульсов напряжения вспомогательной фазовой модуляции можно добиться симметрии расположения уровней вспомогательной фазовой модуляции относительно точек ±π радиан. В этом случае имеется достоверная информация об эффективности фазового модулятора, то есть о коэффициенте зависимости вносимой разности фаз между лучами кольцевого интерферометра и напряжением на фазовом модуляторе. Знание в любой момент времени эффективности фазового модулятора позволяет добиться стабильности масштабного коэффициента гироскопа и тем самым значительно повысить его точность.

Чувствительность волоконно-оптического гироскопа определяется в основном шумами трех видов, а именно уровнем дробового шума фотоприемника, тепловыми шумами предварительного усилителя фотопремника и шумами источника оптического излучения. Каждая из вышеназванных составляющих шума может быть представлена следующим образом:



где Ω^др_min - минимально обнаруживаемая угловая скорость вращения гироскопа по уровню дробовых шумов фотоприемника,
Ω^эле_min^ктр - минимально обнаруживаемая угловая скорость вращения гироскопа по уровню тепловых шумов предварительного усилителя фотопремника,
Ω^изл_min - минимально обнаруживаемая угловая скорость вращения гироскопа по уровню шумов источника оптического излучения,
В [Гц] - полоса пропускания электронного тракта обработки информации,
λ - длина волны излучения источника,
c - скорость света в вакууме,
R - радиус чувствительной катушки гироскопа,
L - длина световода чувствительной катушки гироскопа,
h - постоянная Планка,
P₀ - мощность интерферирующих лучей на фотоприемнике,
k - постоянная Больцмана,
T - абсолютная температура в ^oK,
R_н - нагрузочное сопротивление предварительного усилителя фотоприемника,
e - заряд электрона,
I_т - тепловой ток фотоприемника,
Δλ - ширина линии излучения источника,
φ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции.

Как следует из выражений для чувствительности гироскопа по различным составляющим шума, она в значительной степени зависит от амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. Для получения максимальной чувствительности волоконно-оптического гироскопа необходимо иметь источник излучения с большой выходной мощностью. Для высокоточных гироскопов в настоящее время нашли широкое применение [2] волоконные флюоресцентные источники оптического излучения на основе активированных световодов. Выходная мощность таких источников достигает 10-30 мВт, чего вполне достаточно для достижения чувствительности волоконно-оптического гироскопа ≈0,01-0,001 град/час. В этом случае чувствительность волоконно-оптического гироскопа определяется уровнем шумов волоконного источника излучения, так как при такой выходной мощности источника излучения тепловые шумы предварительного усилителя фотопремника и дробовые шумы фотоприемника очень малы по сравнению с шумами источника оптического излучения. Для L= l000 м; R=0,05 м; λ =1,55·10^-6 м; Δλ =9·10^-9 м; T=343^oK; I_т=150·10^-9 А; R_н=3·10⁵ Ом; выражения для составляющих шума приобретают следующие выражения:



При потерях излучения в оптических элементах кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа ≈ - 23,3 дБ, что вполне достижимо при достигнутом уровне технологии их изготовления, составляющие шумов волоконно-оптического гироскопа приобретают следующие значения:



откуда следует, что доминирующими являются шумы источника излучения, которыми и ограничивается чувствительность волоконно-оптического гироскопа. Из приведенных выше выражений также следует, что чувствительность волоконно-оптического гироскопа можно повысить с помощью подбора амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, при этом φ_m>π/2. В самом деле, при работе волоконно-оптического гироскопа в режиме обнуления разности фаз Саньяка путем введения в кольцевой интерферометр с помощью широкополосного фазового модулятора управляемого независимого фазового сдвига, обычно это делается с помощью подачи на фазовый модулятор ступенчатого пилообразного напряжения [3], интенсивность на фотоприемнике приобретает следующий вид:
I_ф~P₀{1+cosφ_m+sinφ_m·nL(φ_s-φ_k)}.
Из этого выражения также следует, что при φ_s= φ_k, что достигается при замыкании петли обратной связи по занулению фазы Саньяка интенсивность на фотоприемнике пропорциональна величине:
I_ф~P₀(1+cosφ_m).
Из этого выражения следует, что при увеличении амплитуды вспомогательной фазовой модуляции интенсивность постоянной засветки фотоприемника уменьшается, что приводит к уменьшению уровня шумов источника излучения, а также к некоторому снижению уровня дробовых шумов. Но тепловые шумы предварительного усилителя фотопремника, напротив, возрастают с увеличением амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. Поэтому в волоконно-оптическом гироскопе, в котором используется источник излучения с большой выходной мощностью, оптимальной амплитудой вспомогательной фазовой модуляции будет амплитуда, при которой достигается равенство уровня шумов источника излучения и уровня тепловых шумов предварительного усилителя фотопремника, то есть:

при мощности излучения источника 10 мВт и различных уровнях потерь в оптических элементах кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа значения оптимальной амплитуды вспомогательной фазовой модуляции указаны в таблице 1.

При этом значения чувствительности волоконно-оптического гироскопа указаны в таблице 2.

При получении значений σ использовалось время усреднения τ_уср= 100 c. Из таблицы 2 следует, что при выборе оптимальной амплитуды вспомогательной фазовой модуляции чувствительность и точность волоконно-оптического гироскопа можно увеличить более чем в 3 раза. Помимо шумовых составляющих кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа на его точность существенное влияние оказывает стабильность масштабного коэффициента. В самом общем виде [3] электронный блок обработки информации, в котором используется компенсация разности фаз Саньяка ступенчатой фазовой пилой, содержит демодулятор, генератор вспомогательной фазовой модуляции, фильтр, на вход которого поступает сигнал с демодулятора, после фильтра сигнал поступает на усилитель и далее на блок управления широкополосным интегрально-оптическим фазовым модулятором. Выходом гироскопа служит сигнал, поступающий с блока управления на фазовый модулятор, в данном случае это частота ступенчатой фазовой пилы.

где f_n(t) - частота ступенчатой фазовой пилы;
K_fp - эффективность интегрально-оптического фазового модулятора;
V_pp - амплитуда напряжения ступенчатой фазовой пилы;
T_step - длительность каждой ступеньки фазовой пилы;
Ω(t) - угловая скорость вращения волоконно-оптического гироскопа.

Для стабилизации масштабного коэффициента гироскопа необходимо обеспечить стабильность произведения K_fp·V_pp= 2π, так как при воздействии внешних дестабилизирующих факторов эффективность широкополосного интегрально-оптического фазового модулятора может изменяться из-за изменения электрооптических коэффициентов ниобата лития. Стабилизацию произведения K_fp·V_pp обычно осуществляют путем регулировки V_pp, для чего в электронном блоке обработки информации предусматривают второй контур обратной связи [3]. Стабилизация произведения K_fp·V_pp, и тем самым масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, заключается в правильном определении пределов сброса заднего фронта напряжения компенсирующей фазовой пилы, пределы этого сброса должны точно соответствовать изменению фазы оптических лучей, равному 2π радиан. В известном способе обработки информации [1] с целью определения пределов сброса заднего фронта напряжения компенсирующей фазовой пилы выделяют сигнал рассогласования по второму контуру обратной связи в электронном блоке обработки информации, обнуление которого обеспечивает симметричность расположения рабочих точек гироскопа относительно точек ±π радиан. При обеспечении с помощью регулировки соответствующим образом напряжения генератора вспомогательной фазовой модуляции симметричности расположения рабочих точек гироскопа относительно ±π радиан соотношение напряжений вспомогательной фазовой модуляции, вносящих уровень вспомогательной фазовой модуляции ±(π-Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан содержат информацию о пределах сбора заднего фронта напряжения компенсирующей фазовой пилы.

Но на точность определения пределов сброса заднего фронта напряжения компенсирующей фазовой пилы существенное влияние оказывает эффект паразитной модуляции интенсивности излучения, проходящего канальные волноводы интегрально-оптического фазового модулятора. Уровень паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра можно до определенного предела снизить, но, по-видимому, полностью от этого эффекта избавиться не удастся и поэтому при построении электронного блока обработки информации необходимо учитывать влияние этого паразитного эффекта. Его влияние заключается в том, что из-за модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра в постоянной засветке фотоприемника появляется переменный паразитный сигнал на частоте сигнала рассогласования, в результате чего пределы сброса заднего фронта напряжения компенсирующей фазовой пилы могут быть определены неправильно. Более того, уровень этого паразитного сигнала модуляции постоянной засветки фотоприемника может изменяться из-за изменения уровня самой постоянной засветки. Величина постоянной засветки фотоприемника зависит от стабильности амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, стабильности выходной мощности источника излучения, стабильности потерь оптической мощности в оптических элементах кольцевого интерферометра волоконно- оптического гироскопа при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Все вышеперечисленные факторы, таким образом, будут определять в конечном счете стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Для уменьшения влияния на стабильность масштабного коэффициента паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра необходимо обеспечить как можно меньший уровень постоянной засветки фотоприемника, что может быть достигнуто также с помощью соответствующего подбора амплитуды вспомогательной фазовой модуляции. Например, при выборе амплитуды вспомогательной фазовой модуляции φ_m= 0,8π радиан стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа можно увеличить ≈ в 5 раз по сравнению с φ_m= 0,5π радиан из-за влияния на определение пределов сброса заднего фронта напряжения компенсирующей ступенчатой фазовой пилы паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при их прохождении канальных волноводов интегрально-оптического фазового модулятора.

Основным недостатком способа осуществления вспомогательной фазовой модуляции [1] является то обстоятельство, что с его помощью не удается достичь амплитуд вспомогательной фазовой модуляции больше по модулю ±2/3π радиан и меньше по модулю ±4/3π радиан (N=2, n=1), то есть снизить уровень постоянной засветки фотоприемника ниже уровня 0,526·P₀ практически не удается, в результате чего стабильность масштабного коэффициента гироскопа в значительной степени зависит от паразитного эффекта модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими канальных волноводов интегрально-оптического фазового модулятора.

Целью настоящего изобретения является уменьшение влияния на стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении ими канальных волноводов интегрально-оптического фазового модулятора и повышение его чувствительности.

Указанная цель достигается тем, что Δ выбирают из условий радиан, где m и N - целые положительные числа и N≥2m-1, при этом другие два уровня вспомогательной фазовой модуляции ±[(2m-1)π+Δ] радиан.

Уменьшение влияния паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра волоконно- оптического гироскопа при прохождении ими канальных волноводов широкополосного интегрально-оптического фазового модулятора на стабильность масштабного коэффициента достигается за счет снижения уровня постоянной засветки фотоприемника кольцевого интерферометра путем соответствующего подбора амплитуд вспомогательной фазовой модуляции. С помощью уменьшения уровня постоянной засветки фотоприемника удается также и повысить чувствительность волоконно-оптического гироскопа.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На фиг.2 показано изменение фаз оптических лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа и формирование их разности фаз при подаче на широкополосный фазовый модулятор модулирующего напряжения. На фиг.3 показано графически формирование полезного сигнала волоконно-оптического гироскопа, а также сигнала рассогласования, возникающего в случае нарушения симметрии расположения рабочих точек относительно точек ±π радиан и ±[(2m-1)π радиан. На фиг.4 показан процесс формирования модулирующего сигнала постоянной засветки фотоприемника кольцевого интерферометра при наличии паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа при прохождении их канальных волноводов интегрально-оптического модулятора.

На фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа, состоящего из оптоволоконного кольцевого интерферометра и электронного блока обработки информации. Оптоволоконный кольцевой интерферометр содержит источник оптического излучения 1, в качестве которого для достижения предельных точностей и максимальной чувствительности может быть использован волоконный флюоресцентный источник на основе активированных световодов [3]. Главными достоинствами этого источника является его большая выходная мощность ≈10-20 мВт и достаточ ная высокая стабильность центральной длины волны излучения. По сравнению с полупроводниковыми суперлюминесцентными источниками излучения стабильность излучаемой центральной длины волны излучения в условиях изменения температуры окружающей среды у волоконного источника выше ≈ в 30 раз. Высокая выходная мощность позволяет достичь максимальных значений чувствительности волоконно-оптического гироскопа, а высокая стабильность длины волны позволяет повысить его масштабный коэффициент. Оптоволоконный кольцевой интерферометр содержит также фотоприемник 2, волоконный разветвитель 3, интегрально-оптическую схему 4, содержащую в своем составе Y-делитель оптической мощности и два фазовых модулятора, сформированных на выходных волноводах Y-делителя. Канальные волноводы Y-делителя оптической мощности формируются обычно в подложке ниобата лития по протон-обменной технологии. Особенностью этой технологии является то, что канальные волноводы канализируют только одно состояние поляризации излучения, что позволяет достичь необходимую стабильность кольцевого интерферометра по смещению нуля волоконно-оптического гироскопа из-за изменения передаточных поляризационных характеристик других элементов оптической схемы интерферометра. В этом случае достаточно высокая степень деполяризации выходного излучения волоконного источника и высокая степень подавления нежелательной поляризации излучения, распространяющегося в канальных волноводах Y-делителя, обеспечивают поляризационную стабильность нуля волоконно- оптического гироскопа на уровне не хуже 0,001 град/час. Фазовые модуляторы на выходных плечах Y-делителя оптической мощности формируются путем нанесения на подложку ниобата лития по обе стороны от канальных волноводов металлических электродов, один из которых, как правило, является общим для обоих фазовых модуляторов, а два других электрода очень часто объединяются дополнительным проводником 5. При такой схеме включения фазовых модуляторов, при подаче на них какого-либо напряжения изменение показателя преломления канальных волноводов и подложки имеют разный знак в разных фазовых модуляторах из-за того, что направление электрического поля, возникающего в этом случае в канальных волноводах двух разных фазовых модуляторов, имеет противоположное направление. К выходным концам интегрально-оптической схемы подключена чувствительная волоконная катушка 6. Таким образом, луч света от источника поступает на волоконный разветвитель, делится им на два луча одинаковой интенсивности, один из которых поступает на вход интегрально-оптической схемы, далее этот луч делится снова Y-делителем на два луча одинаковой интенсивности, каждый из которых сначала проходит один фазовый модулятор, затем волоконную чувствительную катушку и второй фазовый модулятор и опять попадает на Y-делитель оптической мощности, который эти два луча одинаковой интенсивности, прошедших чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях, вновь объединяет в один луч, который затем поступает на волоконный разветвитель, который в свою очередь половину мощности объединенного Y-делителем луча направляет на фотоприемник. Таким образом, на фотоприемнике наблюдается интерференционная картина двух лучей, прошедших волоконную чувствительную катушку в двух взаимно противоположных направлениях.

I_φ~P₀(1+cosφ_s),
где P₀ - мощность оптических лучей,
φ_s - разность фаз Саньяка.

Для повышения чувствительности волоконно-оптического гироскопа в схеме предусмотрена вспомогательная фазовая модуляция двух лучей кольцевого интерферометра. Для осуществления вспомогательной фазовой модуляции электронный блок обработки информации содержит генератор напряжения вспомогательной фазовой модуляции 7 для выделения амплитуды частоты вспомогательной фазовой модуляции демодулятор 8. Обычно высокоточные волоконно-оптические гироскопы строятся по схеме введения управляемого фазового сдвига между лучами кольцевого интерферометра, компенсирующего разность фаз Саньяка. Для создания управляемого фазового сдвига между лучами кольцевого интерферометра на фазовые модуляторы подается пилообразное ступенчатое напряжение, которое формируется генератором ступенчатого пилообразного напряжения 9. Длительность каждой ступеньки этого напряжения равна времени пробега светового луча по световоду чувствительной катушки
τ = L·n/c,
где L - длина световода,
n - показатель преломления материала световода,
c - скорость света.

Высота каждой ступеньки соответствует вносимому сдвигу фазы между лучами интерферометра, компенсирующему набег фазы Саньяка. Ступенчатое пилообразное напряжение имеет максимальную амплитуду, которая вносит сдвиг фаз между лучами 2π, после достижения которой происходит сброс напряжения до нуля. В этом случае масштабный коэффициент волоконно-оптического гироскопа равен

где как и раньше:
K_fp - эффективность интегрально-оптического фазовых модуляторов;
V_pp - амплитуда напряжения ступенчатой фазовой пилы.

При различных внешних дестабилизирующих факторах изменяется наиболее сильным образом значение K_fp модулятора, в результате чего изменяется масштабный коэффициент гироскопа, что приводит к ухудшению его точности. Поэтому необходимо обеспечить слежение за V_pp таким образом, чтобы произведение K_fp· V_pp= 2π радиан. Это слежение осуществляется с помощью блока управления 10, который в свою очередь управляется генератором напряжения вспомогательной фазовой модуляции 7 и напряжением с выхода демодулятора 8. По сигналу с демодулятора изменяется частота ступенчатого пилообразного напряжения, а с выхода генератора вспомогательной фазовой модуляции поступает информация о величине напряжения V_pp, которое обеспечивает произведение K_fp·V_pp= 2π радиан.

Для получения информации о величине V_pp в электронном блоке предусмотрена вторая петля обратной связи, которая включает в себя демодулятор 11, выходное напряжение которого через блок управления 12 управляет амплитудой напряжения вспомогательной фазовой модуляции.

В известном способе [1] осуществления вспомогательной фазовой модуляции фазовая модуляция осуществлялась с помощью ступенчатого пилообразного напряжения, при подаче которого на широкополосный интегрально-оптический фазовый модулятор разность фаз лучей кольцевого интерферометра изменялась с помощью периодической импульсной последовательности разности фаз лучей, которая содержит в себе четыре уровня вспомогательной фазовой модуляции, а именно ±(π-Δ); ±(π+Δ), то есть рабочие точки гироскопа находятся симметрично по обе стороны на расстоянии Δ радиан от точек ±π радиан, причем радиан, где N - количество ступенек по первому фронту ступенчатого пилообразного напряжения, а n - количество по второму фронту ступенчатого пилообразного напряжения, таким образом, максимально достижимая в этом случае амплитуда вспомогательной фазовой модуляции (π-Δ) радиан составляет 2/3π радиан при N= 2 и n=1 и, следовательно, минимально достижимый уровень постоянной засветки фотоприемника в этом случае составляет
P₀[1+cos(±2/3π)] = P₀[1+cos(±4/3π)].

Но если расположить рабочую точку гироскопа (π+Δ) радиан в точках (3π+Δ); (5π+Δ)... радиан, то есть [(2m-1)π+Δ] радиан, то возможно достижение более низких уровней постоянной засветки фотоприемника, при этом ясно что
при n=1.

Уровни ±(π-Δ) импульсной последовательности вспомогательной фазовой модуляции будут совпадать с уровнями импульсной последовательности вспомогательной фазовой модуляции в соответствии с предлагаемыми ранее решениями [1] и будут располагаться около точек ±π радиан. Два других же уровня вспомогательной фазовой модуляции будут располагаться в районе точек ±(2m-1)π радиан. В этом случае амплитуды вспомогательной фазовой модуляции будут соответственно равны радиан, a радиан. Таким образом, при m=1 предполагаемый способ осуществления вспомогательной фазовой модуляции совпадает по своей сути с известным способом при n=1. В этом случае оптимальные уровни вспомогательной фазовой модуляции, которые обеспечивают минимально возможный уровень засветки фотоприемника, будут соответственно равны ±2/3π радиан и ±4/3π радиан. В этом случае уровень постоянной засветки фотоприемника будет равен:
I_φ~P₀{1+cos(±2/3π)} = P₀{1+cos(±4/3π} = 0527P₀.
Таким образом, с помощью известного способа вспомогательной фазовой модуляции удается снизить уровень постоянной засветки фотоприемника не более чем в 1,9 раза по сравнению со случаем амплитуды вспомогательной фазовой модуляции φ_m= π/2 радиан, долгое время считавшимся оптимальным с точки зрения достижения максимальной чувствительности волоконно-оптического гироскопа.

При подаче на интегрально-оптические фазовые модуляторы напряжения пилообразных ступенчатых импульсов 12 (фиг.2) с параметрами k=2, N=4, n=1, m=2 фаза одного из лучей кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа изменяется по закону, описываемому кривой 13, фаза же второго луча кольцевого интерферометра изменяется по закону, описываемому кривой 14. Таким образом, разность фаз лучей изменяется по закону, описываемому кривой 15. Вспомогательная фазовая модуляция имеет четыре уровня ±0,8π радиан и ±3,2π радиан (при N=4, n=1, m=2, k=2). При использовании в волоконно-оптическом гироскопе волоконного источника с высокой выходной мощностью излучения, обеспечивающей уровень суммарной мощности интерферирующих на фотоприемнике лучей не менее 20·10^-6 Вт с рабочей длиной волны 1,55·10^-6 м при ширине линии излучения Δλ = 9 нм чувствительность волоконно-оптического гироскопа при параметрах модулирующего ступенчатого пилообразного напряжения m=2 и N=4 увеличивается в 3 раза по сравнению со случаем вспомогательной фазовой модуляции с амплитудой ±π/2 радиан и ≈ в 2,3 раза по сравнению со случаем вспомогательной фазовой модуляции с амплитудой ±2/3π радиан и ±4/3π радиан [1] за счет уменьшения постоянной засветки фотоприемника, так шумы источника излучения прямо пропорциональны ее величине. На фиг.3 показано графически, как при вспомогательной фазовой модуляции по закону, описываемому кривой 15 через косинусоидальную зависимость 16 интенсивности оптического излучения на фотоприемнике, уровень постоянной засветки фотоприемника определяется прямой линией 17 при отсутствии сигнала вращения и сигнала рассогласования. В этом случае уровень постоянной засветки фотоприемника определяется выражением:

При вращении волоконно-оптического гироскопа на фотоприемнике появляется сигнал 18, свидетельствующий о наличии угловой скорости. Амплитуда этого сигнала пропорциональна величине

Частота этого сигнала при N=4, n=1, m=2, k=2 равна:

При отсутствии вращения гироскопа и при наличии внешних дестабилизирующих факторов эффективность интегрально-оптических фазовых модуляторов может изменяться непредсказуемым образом. В результате происходит изменение величины Δ, которая определяет положение рабочих точек гироскопа относительно точек ±π радиан и ±(2m-1)π радиан. В результате на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования 19 (фиг.3) в виде одиночных импульсов. Частота следования этих импульсов равна при n=1

Особенностью этих импульсов является также и то, что в разные полупериоды сигналы о вращении гироскопа фаза сигнала рассогласования изменяется на 180^o. Соотношение между частотой сигнала вращения гироскопа и частотой сигнала рассогласования дается следующим выражением:
.

Этот сигнал рассогласования выделяется в электронной схеме обработки информации волоконно-оптического гироскопа вторым дополнительным демодулятором, который с помощью блока управления подстраивает амплитуду напряжения импульсов вспомогательной фазовой модуляции таким образом, чтобы сигнал рассогласования на выходе второго демодулятора всегда был равен нулю. В этом случае обеспечивается симметричность расположения рабочих точек гироскопа относительно точек ±π радиан и (2m-1)π радиан и, анализируя ступенчатое пилообразное напряжение вспомогательной фазовой модуляции при отсутствии сигнала рассогласования, можно получить информацию о пределах сброса заднего фронта компенсирующей фазовой пилы для того, чтобы обеспечить K_fp·V_pp= 2π радиан, что приводит к увеличению стабильности масштабного коэффициента гироскопа. Например, пределы сброса заднего фронта компенсирующей фазовой пилы можно получить, если к максимальному значению амплитуды ступенчатого пилообразного напряжения вспомогательной фазовой модуляции при отсутствии сигнала рассогласования суммировать напряжение еще одной ступеньки этого напряжения так, как в этом случае


где U_А - амплитуда ступенчатого пилообразного напряжения вспомогательной фазовой модуляции при отсутствии сигнала рассогласования,
U_ст - напряжение одной ступеньки напряжения вспомогательной фазовой модуляции при отсутствии сигнала рассогласования,
K_fp - эффективность интегрально-оптических фазовых модуляторов.

Но на стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа при способе обработки информации может оказать негативное влияние наличие паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра при их прохождении канальных волноводов интегрально-оптических фазовых модуляторов. Этот эффект практически всегда присутствует в интегрально-оптических фазовых модуляторах. Даже при наличии этого паразитного эффекта в той схеме подключения интегрально-оптических фазовых модуляторов, которая рассматривалась нами выше (фиг. 1), его влияния на правильность определения предела сброса фазовой компенсирующей пилы не было бы, но только в случае, когда уровни этой паразитной модуляции в обоих фазовых модуляторах абсолютно одинаковы, но на практике, как правило, это не так. Разность уровней паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра можно сымитировать установкой на одном из концов волоконной чувствительной катушки дополнительного третьего модулятора, при этом два других модулятора можно считать идеальными. Предположим также, что эффект паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра вызван эффектом модуляции разности показателей преломления между материалом канального волновода и материалом подложки, что фактически приводит к модуляции потерь оптической мощности лучей. В этом случае характер изменения мощности лучей полностью повторяет форму напряжения, подаваемого на фазовый модулятор. Эффект разности уровня модуляции потерь лучей кольцевого интерферометра может возникнуть из-за того, что одно и то же модулирующее напряжение, подаваемое на фазовые модуляторы, фактически имеют различную полярность в разных фазовых модуляторах из-за того, что электрическое поле в канальных волноводах, создаваемое системой электродов, имеет противоположное направление. А так как система электродов конструируется таким образом, чтобы электрическое поле сосредотачивалось в основном только в канальных волноводах с целью получения максимальной эффективности фазовой модуляции, то в одном фазовом модуляторе при одном и том же напряжении на фазовых модуляторах разность показателей преломления между материалом канального волновода и материалом подложки, например, увеличивается, что приводит к уменьшению потерь оптической мощности лучей, а в другом эта разность показателей преломления уменьшается, что приводит к увеличению потерь оптической мощности лучей кольцевого интерферометра. При наличии вышенаписанного эффекта разность уровней паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра в фазовых модуляторах будет присутствовать практически всегда. Эта разность уровней паразитной фазовой модуляции интенсивности может быть уменьшена путем увеличения разности показателей преломления материала канального волновода и материала подложки.

На фиг. 4 показан закон модуляции интенсивности одного из лучей кольцевого интерферометра 20 и закон модуляции интенсивности 21 второго луча кольцевого интерферометра при имитации эффекта разности уровней паразитной модуляции лучей в двухфазовых модуляторах волоконно-оптического гироскопа с помощью установки третьего фазового модулятора на одном из концов световода чувствительной катушки. При этом постоянная засветка фотоприемника промодулирована по закону, показанному кривой 22. В этом случае размах модуляции постоянной засветки пропорционален величине:
A_п~P₀(1+cosφ_m)·β₀·U_{[(2m-1)π+Δ]},
где P₀ - мощность интерферирующих лучей,
φ_m - амплитуда вспомогательной фазовой модуляции,
β₀ - разность уровней паразитной модуляции интенсивностей лучей кольцевого интерферометра в фазовых модуляторах,
U_{[(2m-1)π+Δ]}- максимальная амплитуда напряжения вспомогательной фазовой модуляции.

Из анализа кривой 22 следует, что частота сигнала модуляции постоянной засветки фотоприемника точно совпадает с частотой и фазой сигнала рассогласования, что в конечном счете приводит к ошибке определения зоны сброса напряжения заднего фронта компенсирующей фазовой пилы, и как следствие этого, - к изменению масштабного коэффициента гироскопа. Помимо этого, нестабильность уровня постоянной засветки фотоприемника приводит автоматически к нестабильности масштабного коэффициента гироскопа.

Амплитуда сигнала, обусловленного паразитной модуляцией интенсивности лучей кольцевого интерферометра при прохождении канальных волноводов фазовых модуляторов, на частоте сигнала рассогласования, пропорциональна величине:

где γ - коэффициент, близкий к 1/2,
β₀ - разность уровней паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра в фазовых модуляторах,
K_fp - эффективность интегрально-оптических фазовых модуляторов.

При изменении эффективности фазовых модуляторов амплитуда импульсов сигнала рассогласования пропорциональна величине:

Таким образом, наличие паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра приводит к ошибке определения эффективности фазового модулятора, которая может быть выражена следующим образом:

Относительное изменение масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа из-за наличия паразитной модуляции интенсивности может быть выражена следующим образом:

где V^o_pp - напряжение на фазовых модуляторах, вызывающее сдвиг фазы лучей в 2π радиан. При n=1, N=2, β₀= 10^-3

при N - 4
то есть относительное изменение масштабного коэффициента в случае, когда m=2 N=4 меньше в 1,4 раза по сравнению со случаем m=1 N=2.

В этом случае из-за нестабильности величин β₀ и φ_m возникает нестабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, что приводит к ухудшению его точности.

Еще большее негативное влияние неправильного определения зоны сброса по напряжению V_pp заднего фронта компенсирующей фазовой пилы будет оказываться на постоянное смещение нуля волоконно-оптического гироскопа. Неточность определения величины напряжения можно выразить следующим образом:

где V_pp⁰ - истинное значение зоны сброса напряжения заднего фронта компенсирующей фазовой пилы,
K_fp⁰ - истинное значение эффективности фазовых модуляторов,
ΔK_fp - ошибка в определении K_fp из-за наличия паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра.

Скачок разности фаз лучей кольцевого интерферометра из-за неточного сброса будет восприниматься как вращение гироскопа, что приведет к паразитному смещению нуля. Это смещение будет изменяться с изменением истинной угловой скорости.

Для полного устранения влияния паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра на определение зоны сброса напряжения заднего фронта компенсирующей фазовой пилы необходимо, чтобы постоянная засветка фотоприемника кольцевого интерферометра была равна нулю. Это возможно при обеспечении амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, равной ±(2m-1)π радиан, где m - целое положительное число, но при этом съем информации об угловой скорости вращения невозможен. Но в ряде случаев возможна потеря информации об угловой скорости на короткое время, например, когда угловые скорости достаточно малы и они изменяются достаточно медленно. Здесь целесообразно рассмотреть вопрос об использовании значения угловой скорости, измеренное перед периодом определения истинной зоны сброса заднего фронта пилообразного ступенчатого напряжения во время всего периода определения зоны сброса. Эта мера оправдана, если эта операция не будет приводить к ухудшению заданной точности определения угла поворота объекта, на котором установлен волоконно-оптический гироскоп.

На фиг. 5 показан графически закон изменения разности фаз лучей кольцевого интерферометра 23 в случае, когда импульсная последовательность напряжения вспомогательной фазовой модуляции имеет следующие параметры m=2 N=4 n=1 k=4. В этом случае частота вспомогательной фазовой модуляции будет равна

Амплитуда сигнала на выходе первого демодулятора будет пропорциональна величине
A_fм~P₀·sinφ_m·sin[φ_s-φ_k],
где φ_s - разность фаз Саньяка,
φ_k - компенсирующая разность фаз, вносимая с помощью компенсирующей фазовой пилы определенной частоты.

С помощью блока управления подбирается соответствующим образом частота компенсирующей фазовой пилы, которая позволяет обеспечить А_fм=0 за счет φ_s= φ_k. B это время идет нарастание напряжения ступенек компенсирующей фазовой пилы, например, и за некоторое время до нарастания их напряжения до V_pp, при котором K_fp·V_pp= 2π, на фазовые модуляторы подается пилообразное ступенчатое напряжение с параметрами m=2 N=3 n=1 k=5, которое обеспечивает изменение разности фаз, описываемое кривой 24.

Нетрудно видеть, что частота фазовой модуляции совпадает с предыдущей (кривая 25, показывающая период детектирования полезного сигнала), но амплитуда вспомогательной фазовой модуляции в этом случае ±π радиан и ±3π радиан. Если перед моментом введения этой модуляции осуществлять коммутацию выходных концов генератора напряжения компенсирующей пилы и входных концов фазовых модуляторов, то для сигнала на выходе первого модулятора 8 будет наблюдаться сигнал времени вида:
A_fм= sinφ_m·sin[φ_s+φ_k].
Этот сигнал может быть равен нулю только за счет равенства φ_m= π радиан или 3π радиан, так как φ_s+φ_k за счет коммутации выходных концов генератора пилообразного ступенчатого компенсирующего напряжения и входных концов фазовых модуляторов заведомо не равен нулю. В этот момент времени первый демодулятор 8 с помощью блока управления 10 управляет не частотой компенсирующей фазовой пилы, а амплитудой импульсов вспомогательной фазовой модуляции таким образом, чтобы напряжение на выходе демодулятора 8 было равно 0 и в этом случае φ_m= π радиан и 3π радиан. Таким образом, при такой обработке сигнала волоконно-оптического гироскопа не требуется организация второго контура обратной связи по занулению сигнала рассогласования. Определение зоны сброса напряжения заднего фронта компенсирующей фазовой пилы может происходить путем сравнения максимального уровня напряжения компенсирующей фазовой пилы с уровнем напряжения на выходе дифференциального усилителя, на вход которого подается пиковое напряжение импульсов вспомогательной фазовой модуляции и напряжение первой по счету ступеньки этого же напряжения. Разница этих напряжений точно соответствует напряжению зоны сброса, при котором обеспечивается изменение фазы 2π радиан. В этом случае влияние паразитной модуляции интенсивности лучей кольцевого интерферометра полностью исключено.

При m>1 условием Δ = 0 является N= (2m-1), поэтому равенство частот сигналов при съеме информации об угловой скорости и частоты сигнала при определении φ_m= π, 3π радиан обеспечивается подбором коэффициента k. В этом случае условием равенства частот сигналов является:

где k₁ и N - это параметры напряжения вспомогательной фазовой модуляции при съеме информации об угловой скорости;
k₂, m - параметры напряжения вспомогательной фазовой модуляции при установке φ_m= π, 3π радиан.

Формула изобретения

Способ обработки информации волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в формировании разности фаз лучей кольцевого интерферометра гироскопа в виде импульсной последовательности с двумя из четырех уровней вспомогательной фазовой модуляции ±(π-Δ) радиан, выделения сигнала рассогласования при изменении уровней вспомогательной фазовой модуляции, отличающийся тем, что Δ выбирают из условий:

где m и N - целые положительные числа и N ≥ 2m-1, при этом другие два уровня вспомогательной модуляции ±[(2m-1)π+Δ] радиан.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6