Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа с открытым контуром

 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при разработке волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин. Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа с открытым контуром заключается в подаче на широкополосный фазовый модулятор ступенчатого пилообразного напряжения, с помощью которого разность фаз лучей кольцевого интерферометра изменяется в виде импульсной последовательности с четырьмя уровнями; выделении первым демодулятором сигнала рассогласования и выделении сигнала вращения гироскопа с помощью второго демодулятора, при этом выделяют напряжение, пропорциональное среднему значению оптической мощности интерферирующих на фотоприемнике лучей кольцевого интерферометра, а информацию о величине угловой скорости снимают с выхода второго демодулятора, предварительно поделив напряжение на его выходе на величину U_po, или с выхода первого демодулятора. Технический результат - увеличение стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, а также уменьшение нелинейности его выходной характеристики и расширение диапазона измеряемых угловых скоростей. 3 ил.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при разработке волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин.

Известен способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа [1], позволяющий стабилизировать амплитуду вспомогательной фазовой модуляции, путем выделения сигнала рассогласования. В этом случае кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа содержит в своем составе источник оптического излучения, первый волоконный разветвитель, поляризатор, второй разветвитель, широкополосный интегрально-оптический фазовый модулятор, волоконную чувствительную катушку, фотоприемник, генератор ступенчатого пилообразного напряжения, первый демодулятор, второй демодулятор и блок управления амплитудой пилообразных ступенчатых импульсов напряжения, вырабатываемого генератором. Волоконно-оптический гироскоп работает следующим образом: луч света от источника поступает на один из входных концов первого волоконного разветвителя, делится на два луча одинаковой интенсивности, один из которых проходит затем поляризатор и второй разветвитель, который в свою очередь делит этот луч на два луча одинаковой интенсивности. Эти два луча проходят волоконную чувствительную катушку и фазовый модулятор в двух взаимно противоположных направлениях, а затем снова приходят на второй разветвитель, на котором они смешиваются и одна половина мощности этих смешанных лучей проходит снова поляризатор, первый волоконный разветвитель и попадает на фотоприемник, на площадке которого лучи, прошедшие волоконную чувствительную катушку и фазовый модулятор в двух взаимно противоположных направлениях, образуют интерференционную картину. Интенсивность на фотоприемнике, таким образом, пропорциональна величине I ~ P₀•[1+cosФ_s], где P₀, - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей; Ф_s - разность фаз Саньяка, возникающая между лучами при вращении кольцевого интерферометра.

При подаче на широкополосный фазовый модулятор ступенчатых пилообразных импульсов напряжения с длительностью ступеньки (где L - длина световода чувствительной катушки, n - показатель преломления материала световода, с - скорость света) и количеством ступенек N по одному из двух фронтов ступенчатых импульсов и n - по другому фронту ступенчатых импульсов. Величина ступенек импульса вспомогательной фазовой модуляции количеством N вносит разность фаз между лучами кольцевого интерферометра (π-Δ) радиан, а величина ступенек импульса количеством n вносит разность фаз (π+Δ) радиан, причем радиан. Таким образом, разность фаз между лучами кольцевого интерферометра представляет собой импульсную последовательностью с четырьмя уровнями разности фаз, а именно ±(π+Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан. Сигнал кольцевого интерферометра модулируется на частоте , где k - количество пилообразных ступенчатых импульсов напряжения в одном полупериоде следования этих импульсов.

При этом условно можно считать что в случае симметричного расположения рабочих точек ±(π-Δ) и ±(π+Δ) около точек ±π радиан, амплитуда вспомогательной фазовой модуляции составляет величину (π-Δ) радиан. Тогда для интенсивности излучения на фотоприемнике можно записать I_ф~ P_O•[1+cos(π-Δ)•cosФ_s±sin(π-Δ)•sinФ_s].

Интенсивность излучения содержит постоянную составляющую, равную P_O•[1+cos(π-Δ)•cosФ_s], и переменный сигнал на частоте f_м с амплитудой P_O•[cos(π-Δ)•sinФ_s]. Таким образом, на выходе демодулятора, на опорное плечо которого подается частота f_м, наблюдается сигнал вида U_D= G_D•P_O•sin(π-Δ)•sinФ_s, где G_D - коэффициент передачи демодулятора.

Разность фаз Саньяка в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа выражается следующим образом: ,
где R - радиус намотки световода чувствительной катушки гироскопа;
L - длина световода чувствительной катушки;
λ - длина волны источника излучения;
с - скорость света в вакууме;
Ω(t) - угловая скорость вращения.

С учетом выражения для Ф_s выходной сигнал волоконно-оптического гироскопа можно представить в следующем виде:
.

При малых угловых скоростях, то есть при Ф_s < < 1, то есть на участке, где функция синуса практически линейна
.

Из приведенного выше выражения следует, что величина представляет из себя фактически масштабный коэффициент волоконно-оптического гироскопа с открытым контуром. Стабильность масштабного коэффициента определяется в наибольшей степени нестабильностью величины (π-Δ), так как именно эта величина имеет более чем на порядок большую нестабильность в условиях внешних дестабилизирующих воздействий, например изменения температуры окружающей среды, по сравнению с другими величинами, входящими в выражение для нестабильности коэффициента. При воздействии внешних дестабилизирующих факторов изменяются электрооптические коэффициенты интегрально-оптического фазового модулятора, в силу чего изменяется симметричность расположения рабочих точек гироскопа относительно точек ±π радиан [1] и в этом случае на фотоприемнике кольцевого интерферометра появляется так называемый сигнал рассогласования [1], свидетельствующий об изменении эффективности фазового модулятора. Это сигнал рассогласования наблюдается на частоте f_расс
.

Этот сигнал рассогласования может быть выделен с помощью другого демодулятора, на опорное плечо которого подается частота f_расс. С помощью этого сигнала рассогласования и блока управления изменяется амплитуда напряжения ступенчатых пилообразных импульсов. Амплитуда этих импульсов изменяется таким образом, чтобы этот сигнал рассогласования обращался в нуль, в этом случае изменение эффективности широкополосного фазового модулятора скомпенсировано изменением амплитуды напряжения импульсов вспомогательной фазовой модуляции, в результате чего достигается симметричность расположения рабочих точек гироскопа относительно ±π радиан и, как следствие, стабилизация амплитуды вспомогательной фазовой модуляции, что приводит к стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа.

Недостатком предлагаемого способа обработки информации волоконно-оптического гироскопа с открытым контуром является то, что остается значительная нестабильность масштабного коэффициента от мощности P₀ интерферирующих на фотоприемнике лучей кольцевого интерферометра, так как величина P₀ зависит от стабильности выходной мощности источника излучения, а также от потерь оптической мощности лучей при прохождении элементов оптической схемы волоконно-оптического гироскопа. Известно, что при воздействии внешних дестабилизирующих факторов потери оптической мощности лучей кольцевого интерферометра при прохождении оптических элементов может достигать достаточно больших величин.

Другим недостатком предлагаемого способа является то, что волоконно-оптический гироскоп имеет большую нелинейность выходной характеристики (характеристика описывается синусоидальным законом) и ограниченный диапазон измерения угловых скоростей, так как при чувствительность гироскопа становиться равной нулю.

Целью настоящего изобретения является увеличение стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа, а также уменьшение нелинейности его выходной характеристики и расширение диапазона измеряемых угловых скоростей.

Указанная цель достигается тем, что выделяют напряжение U_P0, пропорциональное среднему значению оптической мощности P₀ интерферирующих на фотоприемнике лучей кольцевого интерферометра и при разности фаз Саньяка лучей ±[aπ±π/4] радиан, где а=0,1,2..., вспомогательную фазовую модуляцию осуществляют с параметром Δ, определяемым значениями N=3b, n=b, где b - целое положительное число и с частотой

а информацию о величине угловой скорости снимают с выхода второго демодулятора, предварительно поделив напряжение на его выходе на величину U_P0, а когда разность фаз Саньяка лежит в диапазоне радиан, где m - целое положительное число, информацию об угловой скорости снимают с выхода первого демодулятора на частоте, в кратное число раз меньшей частоты вспомогательной фазовой модуляции f_м, предварительно поделив напряжение на его выходе на величину U_P0, при этом на фазовый модулятор в течение периода T = 4γkbτ, где γ - целое четное положительное число, подают ступенчатое пилообразное напряжение, обеспечивая при этом нулевой уровень напряжения на выходе второго демодулятора путем регулировки амплитуды импульсов фазовой модуляции, таким образом, чтобы амплитуда фазовой модуляции в отдельные моменты времени равнялась π радиан и 3π радиан, а в течение следующего промежутка времени Т_м напряжение на фазовом модуляторе поддерживают равным нулю.

Стабилизация масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа достигается за счет того, что при указанных в формуле режимах осуществления вспомогательной фазовой модуляции средний уровень засветки фотоприемника P₀ совпадает по величине с мощностью интерферирующих лучей, которая определяется как один из сомножителей амплитуды полезного сигнала о вращении и стабильность которой определяет стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Операция деления исходного сигнала о вращении на величину среднего уровня засветки фотоприемника позволяет избавиться от влияния на стабильность масштабного коэффициента гироскопа нестабильности мощности лучей кольцевого интерферометра, интерферирующих на фотоприемнике.

Улучшение линейности выходной характеристики волоконно-оптического гироскопа и расширение диапазона измеряемых угловых скоростей достигается за счет того, что при реализации предлагаемого способа обработки информации волоконно-оптического гироскопа имеются два канала съема информации, работающих попеременно по мере увеличения угловой скорости, а именно sinФ_s и cosФ_s. Поэтому выбирая чередующиеся участки этих функций, обладающих наибольшей линейностью (для sinФ_s это участки в районе 0, ±nπ, где n - целое число, а для cosФ_s это участки в районе где m = 0, 1, 2, 3...) удается не только улучшить линейность выходной характеристики, но и расширить диапазон измеряемых угловых скоростей, так как работая на чередующихся участках функций sinФ_s и cosФ_s съем информации об угловой скорости происходит практически в зонах максимальной чувствительности кольцевого интерферометра к вращению.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа и принцип съема информации, когда разность фаз Саньяка Ф_s находиться в диапазонах радиан. На фиг. 2 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа и принцип съема информации, когда разность фаз Саньяка Ф_s находиться в диапазонах радиан. На фиг. 3 графически показан выбор наиболее линейных участков функций sinФ_s и cosФ_s для съема информации об угловой скорости.

Кольцевой интерферометр волоконно-оптического гироскопа содержит следующие оптические компоненты (фиг. 1): источник излучения 1, первый волоконный разветвитель 2, волоконный поляризатор 3, второй волоконный разветвитель 4, интегрально-оптический фазовый модулятор 5, волоконную чувствительную катушку 6 и фотоприемник 7. Интегрально-оптический фазовый модулятор 5 представляет из себя канальный волновод, сформированный в подложке ниобата лития, обычно по протон-обменной технологии, так как в такого типа волноводах практически отсутствует эффект фоторефракции. Напротив, в канальных волноводах, сформированных диффузией титана в подложку ниобата лития, эффект фоторефракции может присутствовать и вносить достаточно большую нестабильность в смещение нуля кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа, особенно сразу после включения гироскопа. По обе стороны канального волновода на подложку наносятся два металлических электрода. При подаче на электроды напряжения, в канальном волноводе возникает напряженность электрического поля, которая изменяет показатель преломления материала волновода, так как ниобат лития обладает электрооптическим эффектом. Из-за изменения показателя преломления изменяется оптический путь светового луча, распространяющегося по канальному волноводу и возникает эффект фазовой модуляции светового луча. Достоинством интегрально-оптических модуляторов такого типа является то, что он является широкополосным, то есть модулятор имеет практически равномерную амплитудно-частотную характеристику в очень широком диапазоне и способен осуществлять фазовую модуляцию оптических лучей в широком частотном диапазоне. В качестве источника излучения может использоваться полупроводниковый суперлюминисцентный диод или лазер с большим числом продольных мод, состыкованные с отрезками одномодовых световодов. Первый волоконный разветвитель изготавливается из отрезков одномодовых световодов по тянуто-сплавной технологии. Волоконный поляризатор может представлять отрезок однополяризационного световода. Разветвитель, сохраняющий поляризацию излучения, изготавливается, обычно, также по тянуто-сплавной технологии, но с использованием отрезков одномодовых световодов, сохраняющих поляризацию излучения. Волоконная чувствительная катушка содержит 100 - 500 м световода, сохраняющего поляризацию излучения и намотанного специальным способом с целью максимального исключения влияния на показания гироскопа градиентов температуры вдоль световода чувствительного контура [2]. В качестве фотоприемника, как правило, используют P-i-N - фотодиоды с малым уровнем темнового тока и маленькой входной емкостью. Луч света от источника 1 поступает на один из двух входных концов первого волоконного разветвителя, делится этим разветвителем на два луча одинаковой интенсивности, один из которых проходит сначала волоконный поляризатор 3, а затем второй волоконный разветвитель 4, который делит этот луч на два луча одинаковой интенсивности. Эти два луча проходят фазовый модулятор 5 и волоконную чувствительную катушку 6 в двух взаимно противоположных направлениях и попадают снова на второй волоконный разветвитель, смешиваются им в один луч и половина этого смешенного луча проходит последовательно, сначала волоконный поляризатор, а затем и первый волоконный разветвитель и попадает на фотоприемник 7. Интенсивность излучения на фотоприемнике может быть представлена следующим выражением:
I_ф=P₀(1+cosФ_s),
где P₀ - мощность интерферирующих на фотоприемнике лучей;
Ф_s - разность фаз Саньяка.

При подаче на фазовый модулятор 5 пилообразного ступенчатого напряжения с генератора 8 в кольцевой интерферометр осуществляется вспомогательна фазовая модуляция. При выборе количества ступенек по фронтам ступенчатого пилообразного импульса [1] из условия N=3b n=b, где b - целое положительное число, амплитуда вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре будет равна π-(2b/4b)π = π/2 радиан, а частота вспомогательной фазовой модуляции при этом Частота вспомогательной фазовой модуляции может выбираться в самом широком диапазоне, исходя из удобства построения схемы обработки информации, путем выбора значений b и k, где k также целое положительное число. В этом случае интенсивность на фотоприемнике можно представить в виде
I_ф=P₀(1±sinФ_s).

Из выражения для интенсивности на фотоприемнике в этом случае следует, что средний уровень интенсивности на фотоприемнике равен P₀. Этот уровень усиливается усилителем постоянного тока 9 и на его выходе напряжение равно G_уптP₀; где G_упт - коэффициент усиления постоянного тока.

При нарушении симметрии расположения рабочих точек гироскопа относительно точек ±π радиан, например вследствие изменения эффективности фазового модулятора, на фотоприемнике появляется сигнал рассогласования в виде импульсов, следующих с частотой
.

Это означает, что амплитуда вспомогательной фазовой модуляции не равна π/2 радиан. Этот сигнал рассогласования выделяется демодулятором 10, с помощью которого через блок управления 11, амплитуда ступенчатых пилообразных импульсов вспомогательной фазовой модуляции подстраивается таким образом, чтобы сигнал рассогласования обращался в нуль. В установившемся режиме, таким образом, всегда обеспечивается амплитуда вспомогательной фазовой модуляции, равной π/2 радиан.

Сигнал вращения волоконно-оптического гироскопа выделяется демодулятором 12, на опорное плечо которого поступает частота f_рас вспомогательной фазовой модуляции. Сигнал на выходе демодулятора 12 равен
U_D2 = G_D2 • P₀ sinФ_s.

Сигнал с демодулятора поступает на схему деления 13, на другой вход которой поступает сигнал с усилителя постоянного тока. После деления сигналов на выходе гироскопа присутствует сигнал вида
.

После преобразований для угловой скорости вращения гироскопа справедливо следующее выражение:
,
где U₁ - напряжение на выходе схемы деления. Волоконно-оптический гироскоп в таком режиме работы имеет удовлетворительные характеристики по чувствительности к вращению и линейности выходной характеристики при изменении разности фаз Саньяка ±[nπ±π/4] радиан. При других значениях измеряемой разности фаз Саньяка гироскоп имеет большую нелинейность выходной характеристики, а в точках Ф_s= π (2m-1)/2 радиан и нулевую чувствительность к вращению, где m = 0, 1, 2...

Поэтому для измерения разности фаз Саньяка в диапазонах π(2m-1)/2 радиан обработку информации кольцевого интерферометра производят следующим образом. Генератор ступенчатых пилообразных импульсов в течение периода 1/2 γ Т_м, где γ - целое четное положительное число, Т_м - период частоты вспомогательной фазовой модуляции Т_м= kbτ, осуществляет подачу на фазовый модулятор этих импульсов. В течение следующего такого же по длительности промежутка времени генератор поддерживает нулевой уровень напряжения на модуляторе, а затем снова осуществляет подачу импульсов на фазовый модулятор в течение того же промежутка времени 1/2 γ Т_м и так далее. На опорное плечо демодулятора 12 так же подается частота вспомогательной фазовой модуляции На выходе демодулятора 12 присутствует напряжение пропорциональное G_D1P₀sinФ_мsinФ_s и с помощью которого через блок управления 11 (фиг 2) изменяется амплитуда ступенчатых пилообразных импульсов вспомогательной фазовой модуляции, вырабатываемых генератором 8 до тех пор, пока напряжение на выходе демодулятора 12 не обратиться в нуль. В этом случае нулевой уровень сигнала на выходе демодулятора 12 достигается за счет того, что амплитуда вспомогательной фазовой модуляции равна π радиан и 3π радиан, так как величины G_D1, P₀, sinФ_s - заведомо не равны нулю. В таком установившемся режиме сигнал на фотоприемнике в течение периода 1/2 γ Т_м, когда на фазовый модулятор с генератора 8 поступают импульсы напряжения, равен
I_ф = P₀(1-cosФ_s).

В следующий период 1/2 γ Т_v, когда на фазовом модуляторе поддерживается нулевой уровень напряжения, сигнал на фотоприемнике равен
I_ф = P₀(1-cosФ_s).

При подаче на опорное плечо демодулятора 10 сигнала с частотой на его входе напряжение равно величине
U_D1 = G_D1 • P₀ • cosФ_s,
где G_D1 - коэффициент усиления демодулятора 10. На выходе усилителя постоянного тока 10 как и раньше напряжение пропорционально среднему значению мощности лучей на фотоприемнике и, следовательно, равно
U_упт = G_уптP₀.

Сигналы с демодулятора 10 и усилителя постоянного тока поступают на схему деления 13 и на ее выходе выделяется сигнал вида
.

После преобразований для угловой скорости вращения гироскопа в этом случае справедливо выражение
.

На фиг. 3 показаны кривые синусоидальной функции фазы Саньяка 14 и косинусоидальной функции фазы Саньяка, на которых показано, в каких диапазонах разности фаз Саньяка происходит обработка информации по первому или второму варианту, рассмотренному выше. Это позволяет значительно увеличить диапазон измеряемых угловых скоростей и исключить точки нулевой чувствительности гироскопа к вращению.

Источники информации
1. А. М. Курбатов. "Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа". Патент РФ 2130.587 от 20.05 99. Заявка 96108070 от 18.04.96. G 01 B 9/02.

2. Шереметьев А. Г. Волоконно-оптический гироскоп - М.: Радио и связь, 1987.

Формула изобретения

Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа с открытым контуром, заключающийся в подаче на широкополосный фазовый модулятор ступенчатого пилообразного напряжения с длительностью каждой ступеньки τ, равной времени пробега светового луча по световоду чувствительной катушки гироскопа, с помощью которого разность фаз лучей кольцевого интерферометра изменяется в виде импульсной последовательности с четырьмя уровнями ±(π-Δ) радиан и ±(π+Δ) радиан, где Δ = π(N-n)/(N+n) радиан, а N - количество ступенек по одному из фронтов импульса ступенчатого пилообразного напряжения, n - количество ступенек по другому фронту импульса; выделения первым демодулятором сигнала рассогласования на частоте с последующим его занулением с помощью подстройки амплитуды напряжения импульсов вспомогательной фазовой модуляции и выделения сигнала вращения гироскопа с помощью второго демодулятора на частоте где k произвольное целое положительное число, отличающийся тем, что выделяют напряжение U_р, пропорциональное среднему значению оптической мощности Р₀ на фотоприемнике лучей кольцевого интерферометра и при разности фаз Саньяка лучей ±[nπ±π/4] радиан, где n = 0;1;2;..., вспомогательную фазовую модуляцию осуществляют с параметром Δ, определяемым значениями N=3b, n=b, где b - целое положительное число и с частотой а информацию о величине угловой скорости снимают с выхода второго демодулятора, предварительно поделив напряжение на его выходе на величину U_р0, а разность фаз Саньяка лучей кольцевого интерферометра лежит в диапазонах радиан, где m - целое положительное число, информацию об угловой скорости снимают с выхода первого демодулятора на частоте в кратное число раз меньшей частоты вспомогательной фазовой модуляции f_m, предварительно поделив напряжение на его выходе на величину U_p0, при этом на фазовый модулятор в течение периода T_м = 4γkbτ, где γ - целое четное положительное число, подают ступенчатое пилообразное напряжение, обеспечивая при этом нулевой уровень напряжения на входе второго демодулятора путем регулировки амплитуды импульсов таким образом, чтобы амплитуда вспомогательной фазовой модуляции в отдельные моменты времени равнялась π радиан и 3π радиан, а в течение следующего промежутка времени Т_м напряжение на фазовом модуляторе поддерживают равным нулю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3