Способ вспомогательной фазовой модуляции кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа

Патент 2157962

Авторы

Курбатов А.М.

Классы МПК

Реферат

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании электронного блока обработки информации волоконно-оптического гироскопа, а также других датчиков физических величин на основе кольцевого интерферометра. Способ заключается в подаче на широкополосный фазовый модулятор напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция в виде последовательности ступенчатых импульсов, следующих с частотой, определяемой временем пробега луча по световоду чувствительной катушки интерферометра = Ln₀/c, где L - длина световода чувствительной катушки, n₀ - показатель преломления материала световода, c - скорость света в вакууме, разность фаз лучей интерферометра формируют в виде последовательности импульсов с периодом T₀, который содержит два периода с длительностью каждого соответственно KT₀¹ и NT₀², где K, N - целые положительные числа, а T₀¹ - отрезок времени, в течение которого осуществляют фазовую модуляцию в виде периодической импульсной последовательности с амплитудой (-) и длительностью одного импульса m, где m - целое положительное число и m = T₀¹/2, а T₀² - отрезок времени, в течение которого осуществляют фазовую модуляцию также в виде периодической последовательности импульсов с амплитудой (+) и длительностью одного импульса n, где n - целое положительное число и n - T₀²/2, причем выбирают в диапазоне 0,05 0,95 радиан. Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение массогабаритных характеристик гироскопа и уменьшение его энергопотребления. 2 с.п. ф-лы, 9 ил.

Известен способ осуществления вспомогательной фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа [1], который решает две задачи: перевод рабочей точки интерферометра в зону повышенной чувствительности к вращению, а также стабилизации масштабного коэффициента гироскопа.

В работе [1] предлагается способ вспомогательной фазовой модуляции, с помощью которой одновременно решается задача перевода рабочей точки гироскопа в зону более высокой чувствительности, а также получения информации о величине напряжения на фазовом модуляторе, соответствующем вносимому фазовому сдвигу радиан, откуда вычисляется фазовая чувствительность модулятора в любой момент времени, что в свою очередь позволяет корректировать масштабный коэффициент гироскопа. Вспомогательная фазовая модуляция осуществляется с помощью последовательности прямоугольных импульсов, следующих с частотой f_опт = с/2Ln₀, где c - скорость света в вакууме, L - длина световода чувствительной катушки кольцевого интерферометра, n₀ - показатель преломления материала световода. Частота f_опт считается оптимальной для вспомогательной фазовой модуляции. Кроме того, в работе [1] предлагается дополнительная модуляция сигнала вспомогательной фазовой модуляции, которая заключается в том, что положительный импульс вспомогательной фазовой модуляции длительностью = Ln₀/c, одну свою половину по длительности (1/2) имеет амплитуду, которая вносит фазовый сдвиг, равный 2/3, а во вторую свою половину по длительности (1/2) имеет амплитуду, которая вносит фазовый сдвиг 4/3. При такой форме напряжения, подаваемого на фазовый модулятор кольцевого интерферометра, при наличии вращения гироскопа на фотоприемнике гироскопа появляется сигнал на частоте f_опт=с/2Ln₀, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения гироскопа. В этом случае рабочая точка гироскопа сдвинута практически в зону максимальной чувствительности к вращению.

Дополнительная модуляция сигнала вспомогательной фазовой модуляции необходима для того, чтобы получать информацию о соответствии величины напряжения на фазовом модуляторе величине вносимого фазового сдвига. В рассматриваемом случае, если в силу каких-то причин, например при изменении длины волны источника излучения, фазовый сдвиг в первую половину длительности импульса не будет равен 2/3, а во вторую половину длительности импульса не будет естественно равен 4/3, то на фотоприемнике появляется сигнал, следующий с частотой f = c/Ln₀ и с амплитудой, пропорциональной величине несоответствия напряжений в виде половинки импульса вносимым сдвигом фаз 2/3 и 4/3 соответственно. После выделения амплитуды сигнала, следующего с частотой f = с/Ln₀, производится подстройка амплитуды импульса сигнала вспомогательной фазовой модуляции до тех пор, пока амплитуда этого сигнала не обратится в нуль. В этом установившемся режиме сумма величины напряжения в первую половину импульса и величины напряжения во вторую половину импульса вспомогательной фазовой модуляции соответствует вносимому фазовому сдвигу, равному 2 радиан, что и используется для коррекции масштабного коэффициента гироскопа.

Недостатками предлагаемого способа осуществления вспомогательной фазовой модуляции являются следующие: 1. Высокая частота сигнала, несущего информацию об угловой скорости вращения гироскопа.

2. Еще более высокая частота сигнала рассогласования величин напряжения в две половинки импульса сигнала вспомогательной фазовой модуляции, что приводит к несоответствию положения рабочих точек точкам 2/3 и 4/3. Высокая частота рабочих сигналов приводит к ухудшению помехозащищенности схемы, что вынуждает к применению дополнительных электронных узлов, что в свою очередь ухудшает массогабаритные характеристики гироскопа. Более высокая частота рабочих сигналов требует также и элементной электронной базы с более высоким уровнем энергопотребления, что приводит к увеличению энергопотребления всего гироскопа в целом.

Целью настоящего изобретения является улучшение массогабаритных характеристик гироскопа и уменьшение его энергопотребления.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в подаче на широкополосный фазовый модулятор напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция в виде последовательности ступенчатых импульсов, следующих с частотой, определяемой временем пробега луча по световоду чувствительной катушки интерферометра = Ln₀/c, где L - длина световода чувствительной катушки, n₀ - показатель преломления материала световода, c - скорость света в вакууме, разность фаз лучей интерферометра формируют в виде последовательности импульсов с периодом T₀, который содержит два периода с длительностью каждого соответственно KT₀¹ и NT₀², где K, N - целые положительные числа, а T₀¹ - отрезок времени, в течение которого осуществляют фазовую модуляцию периодически в виде импульсной последовательности с амплитудой (-) и длительностью одного импульса m, где m - целое положительное число и m = T₀¹/2 ; T₀² - отрезок времени в течение которого осуществляют фазовую модуляцию периодически в виде импульсной последовательности с амплитудой (+) и длительностью n, где n - целое положительное число, n = T₀²/2 причем выбирают в диапазоне 0,050,95 радиан.

Указанная цель достигается еще и тем, что согласно способу фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, заключающемуся в подаче на широкополосный фазовый модулятор напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция в виде последовательности ступенчатых импульсов, следующих с частотой, определяемой временем луча по световоду чувствительной катушки интерферометра = Ln₀/с, где L - длина световода чувствительной катушки, n₀ - показатель преломления материала световода, c - скорость света в вакууме, разность фаз лучей интерферометра формируют в виде последовательности импульсов с периодом T₀, в первую половину которого формируют последовательность импульсов с амплитудой -(-) с длительностью m +(+) с длительностью n и -(-) с длительностью n, где n - целое положительное число и m 2n, а во вторую половину периода T₀ формируют последовательность импульсов с амплитудами +(-) с длительностью m,-(+) с длительностью n и +(-) с длительностью m, причем Улучшение массогабаритных характеристик гироскопа и уменьшение его энергопотребления достигается за счет снижения частоты сигнала, несущего информацию о вращении, а также частоты сигнала рассогласования уровней напряжения, которые должны соответствовать фазовым сдвигам на фазовом модуляторе (-) и (+), так как при понижении частот рабочих сигналов нет необходимости повышения помехозащищенности схемы с помощью дополнительных электронных устройств и экранов. Пониженные рабочие частоты также позволяют снизить энергопотребление электронных компонентов схемы.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 9. На фиг. 1 показана структурная схема волоконно-оптического гироскопа. На фиг. 2 показан общий вид импульсной последовательности вспомогательной фазовой модуляции и эпюры напряжения на широкополосном фазовом модуляторе, с помощью которого достигается эта вспомогательная фазовая модуляция в кольцевом интерферометре гироскопа. На фиг. 3 показан вид вспомогательной фазовой модуляции и соответствующие ей эпюры напряжения на широкополосном фазовом модуляторе при = 1/3; m = 2; n = 2; K = 2; N = 2. На фиг. 4 показан общий принцип формирования полезного сигнала, несущего информацию о вращении. На фиг. 5 показан общий принцип формирования сигнала рассогласования, когда рабочие точки гироскопа располагаются несимметрично относительно фазового сдвига в радиан в кольцевом интерферометре гироскопа. На фиг. 6 показана импульсная последовательность фазовой модуляции по предлагаемому второму способу и последовательность ступенчатого напряжения, при подаче которого реализуется предлагаемая фазовая модуляция. На фиг. 7 показана соответственно последовательность ступенчатого напряжения и реализуемая с помощью его последовательность импульсов фазовой модуляции по предлагаемому способу при m = 4 и n = 2. На фиг. 8 показан общий принцип формирования сигнала, несущего информацию о вращении с помощью предлагаемой фазовой модуляции при m = 4, n = 2. На фиг. 9 показан общий принцип формирования сигнала рассогласования, когда рабочие точки гироскопа располагаются несимметрично относительно фазового сдвига в радиан в кольцевом интерферометре с помощью фазовой модуляции по второму способу в случае, когда m = 4 и n = 2.

Волоконно-оптический гироскоп (фиг. 1) содержит оптоволоконный кольцевой интерферометр 1, в состав которого также входит широкополосный фазовый модулятор 2, например модулятор на основе пластины ниобата лития [1, 2], и фотоприемное устройство 3. Сигнал с фотоприемного устройства 3 поступает на синхронный усилитель 4, выделяющий сигнал вращения гироскопа, и на синхронный усилитель 5, выделяющий сигнал рассогласования между уровнями напряжения на модуляторе в случае несимметричности расположения рабочих точек гироскопа относительно радиан (сигнал рассогласования уровней напряжения). Генератор 6 формирует напряжение, поступающее на фазовый модулятор, с помощью которого формируется импульсная последовательность вспомогательной фазовой модуляции по предлагаемому способу, а также синхронизирующие сигналы, которые поступают на соответствующие входы синхронных усилителей 4, 5, для выделения уровней напряжения, соответствующих амплитудам сигнала, несущего информацию о вращении и амплитуде сигнала рассогласования уровней напряжения.

Схема управления 7 амплитудой модулирующего напряжения, формирующегося генератором 6, осуществляет подстройку уровней этого напряжения таким образом, чтобы сигнал рассогласования обращался в "0".

Обработка сигнала волоконно-оптического гироскопа осуществляется следующим образом. Фазовый модулятор 2 вносит между лучами интерферометра вспомогательную фазовую модуляцию в виде импульсной последовательности 8 (фиг. 2) с периодом T₀, который делится на 2 отрезка времени KT₀¹ и NT₀², где K, N - целые положительные числа и KT₀¹ + NT₀² = T₀.

В течение первого отрезка времени КT₀¹ формируется сигнал вспомогательной фазовой модуляции в виде импульсной последовательности с периодом T₀¹ и уровнем вносимой фазовой модуляции (-) радиан, причем может выбираться в широком диапазоне 0,050,95. Длительность каждого уровня вносимой фазовой модуляции (-) составляет m, где = Ln₀/c - время пробега светового луча по световоду чувствительной катушки кольцевого интерферометра, причем m = T₀¹/2.

В течение второго отрезка времени NT₀² формируется сигнал вспомогательной фазовой модуляции в виде импульсной последовательности с периодом Т₀² и уровнями вносимой фазовой модуляции (-) радиан. Длительность каждого уровня вносимой фазовой модуляции (-) составляет величину n, при этом n = T₀²/2 .

Вспомогательная фазовая модуляция в виде импульсной последовательности 8 может быть сформирована путем подачи на фазовый модулятор 2 импульсной последовательности ступенчатого напряжения 9 с периодом T₀, который также делится на два отрезка времени KT₀¹ и NT₀². В первый полупериод T₀¹/2 формируются нарастающие ступеньки напряжения с количеством m + 1, с длительностью каждой ступеньки и перепадами уровней напряжения соседних ступенек такой величины, которые при подаче на фазовый модулятор осуществляют изменение фазы лучей на величину -(-). Во второй полупериод T₀²/2 формируются убывающие ступеньки с длительностью и перепадом напряжений соседних ступенек, вносящих сдвиг фаз +(-). В течение отрезка NT₀² формируется последовательность ступенчатого напряжения с периодом T₀², в первый полупериод которого формируются убывающие ступеньки с количеством n+1 с длительностью каждой ступеньки и перепадами уровней напряжения соседних ступенек такой величины, которые при подаче на фазовый модулятор осуществляют изменение фазы лучей на величину (+). Во второй полупериод T₀²/2 формируют возрастающие ступеньки с длительностью и перепадом соседних ступенек, вносящих сдвиг фаз -(-). Для анализа схемы обработки информации волоконно-оптическою гироскопа рассмотрим частный случай, а именно = 1/3; m = 2; n = 2; K = 2; N = 2. В этом случае последовательность ступенчатого напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, приобретает вид 10 (фиг. 3), при этом импульсная последовательность вспомогательной фазовой модуляции приобретает вид 11. На фиг. 4 показан принцип формирования сигнала, несущего информацию о вращении. При вращении кольцевого интерферометра гироскопа между его лучами возникает разность фаз Саньяка: где _C - разность фаз Саньяка: R - радиус чувствительной катушки интерферометра; L - длина световода чувствительной катушки; - длина волны источника излучения; c - скорость света в вакууме; _пр - угловая скорость вращения.

Зависимость интенсивности излучения на фотоприемнике 3 гироскопа описывается выражением I_ф~1+cos(_C+_мод), где _мод - фopмиpуемaя по предлагаемому способу вспомогательная фазовая модуляция II.

Графически процесс формирования сигнала можно пояснить с помощью кривой косинуса 12 (фиг. 4). При подаче импульсной последовательности II при отсутствии вращения уровень интенсивности на фотоприемнике остается неизменным. При вращении гироскопа происходит смещение модулирующего сигнала либо вправо, либо влево, в зависимости от направления вращения. При этом на фотоприемнике появляется последовательность импульсов 13 с частотой f₀ и амплитудой, пропорциональной угловой скорости вращения. В данном конкретном случае частота полезного сигнала при m = n, т.е. при этом условии частота полезного сигнала, несущего информацию о вращении, может быть существенно снижена по сравнению с оптимальной частотой f_орт = с/2Ln₀, которая обычно используется при обработке сигнала гироскопа.

Но в силу воздействия на фазовый модулятор, которое может изменить его эффективность, например изменение электрооптических коэффициентов под воздействием температуры окружающей среды либо длины волны оптического излучения, которое также изменяет эффективность фазового модулятора, амплитуды импульсов вспомогательной фазовой модуляции могут измениться, несмотря на то, что напряжение, подаваемое на фазовый модулятор, остается неизменным. На фиг. 5 показан общий принцип формирования сигнала рассогласования для рассматриваемого выше случая, т.е. m = 2; n = 2; K = 2; N = 2; = 1/3, когда повышается в силу каких-то внешних воздействий эффективность фазового модулятора. При увеличении амплитуд импульсов 11 вспомогательной фазовой модуляции на фотоприемнике формируется сигнал вида 14, частота следования импульсов f_расс которого в 4 раза ниже частоты полезного сигнала, несущего информацию о вращении. Для частоты сигнала рассогласования при m = n, K = N справедливо следующее соотношение: Рассмотрим кольцевой волоконный интерферометр с длиной световода чувствительной катушки L = 10³ м. Для такого интерферометра В случае, например: m = 2, n = 2, K = 10, N = 10 f₀ =f_опт/2 = 50 кГц; т. е. с помощью предлагаемой импульсной последовательности вспомогательной фазовой модуляции может быть осуществлено значительное снижение частоты полезного сигнала, несущего информацию о вращении, а также сигнала рассогласования уровней напряжения последовательности ступенчатого напряжения, подаваемого на фазовый модулятор.

В рассматриваемом выше случае при = 1/3 рабочими точками гироскопа на косинусной кривой 12 является -4,3,-2/3 (располагающиеся симметрично относительно точки - рад) и 2/3, 4/3 (располагающиеся симметрично относительно рад). Сигнал рассогласования появляется тогда, когда эта симметрия расположения рабочих точек относительно радиан и - радиан нарушается из-за увеличения или уменьшения амплитуды импульсов вспомогательной фазовой модуляция. При появлении сигнала рассогласования на выходе синхронного усилителя 5 он поступает на схему управления 7 амплитуды уровней пилообразного ступенчатого напряжения, подаваемого с генератора 6 на фазовый модулятор 2. Схема управления изменяет уровни пилообразного ступенчатого напряжения таким образом, чтобы сигнал рассогласования обратился в нуль. В этом случае рабочие точки гироскопа располагаются симметрично относительно точек рад - рад. Разность уровней напряжения U на фазовом модуляторе, вносящих фазовые сдвиги 2/3 и -4/3,, точно соответствует вносимой разности фаз 2 рад. Таким образом, эффективность фазового модулятора в данном случае точно известно, т.е.

Обычно, при обработке сигнала гироскопа используют компенсационные схемы, т.е. возникающую за счет вращения разность фаз Саньяка компенсируют с помощью того же фазового модулятора 2 напряжением определенного уровня, зануляя тем самым сигнал на выходе синхронного усилителя 4. В этом случае справедливо соотношение где _эфф - эффективность фазового модулятора; U_к - напряжение компенсации Таким образом, Величина _эффc/4RL в данном случае называется масштабным коэффициентом гироскопа и определяет в конечном счете его точностные характеристики. Как видно из выражения для масштабного коэффициента, он в значительной степени зависит от стабильности эффективности фазового модулятора, но предлагаемый способ вспомогательной фазовой модуляции позволяет иметь текущее значение эффективности фазового модулятора в любой момент времени, что позволяет повысить точность гироскопа путем постоянной коррекции значения масштабного коэффициента.

При выборе 0,95 и 0,05 чувствительность кольцевого интерферометра к вращению очень быстро падает, поэтому выбирают в диапазоне 0,050,95 радиан.

Обработка сигнала волоконно-оптического гироскопа по п.2 формулы производится следующим образом. Фазовый модулятор 2 вносит между лучами интерферометра вспомогательную фазовую модуляцию в виде импульсной последовательности 15 (фиг. 6) с периодом T₀, в первый полупериод которой T₀²/2 формируется сигнал вспомогательной фазовой модуляции в виде трех импульсов с амплитудой первого и третьего импульсов -(-) радиан и длительностями m, где m - не равное нулю целое положительное число, а - время пробега светового луча по световоду чувствительной катушки интерферометра и с амплитудой второго импульса +(+) радиан и длительностью n, где n - не равное нулю целое положительное число. Во второй полупериод импульсной последовательности T₀-T₀/2 формируется сигнал вспомогательной фазовой модуляции также в виде трех импульсов с амплитудами первого и третьего импульсов +(-) радиан и длительностями m, а второй импульс имеет амплитуду -(+) радиан и длительность n. Такой вид вспомогательной фазовой модуляции может быть сформирован путем подачи на фазовый модулятор интерферометра напряжения в виде последовательности ступенчатых импульсов, изменяющихся по пилообразному закону 16. Длительность каждой ступеньки этой импульсной последовательности равна . Разность соседних уровней напряжения у этой последовательности таков, что вносится разность фаз лучей через модулятор либо (-), либо (+). Если обозначить через количество уровней напряжения, перепады соседних уровней которых вносит разность фаз (-) радиан, то число m = -1, a если обозначить через количество уровней напряжения, перепады соседних уровней которых вносит разность фаз (+), то число n = -1. На фиг. 7 изображен частный случай, когда m = 2, а n = 2. В этом случае последовательность ступенчатых импульсов, изменяющихся по пилообразному закону, приобретает вид 17. При таких значениях m и n = 1/3 радиан, т.е. импульсная последовательность фазовой модуляции 18 имеет следующие уровни: -4/3; +4/3; с длительностью 2 и уровни -2/3; 2/3 радиан с длительностью 4..

На фиг. 8 показан графический процесс формирования сигнала на фотоприемнике интерферометра, несущего информацию об угловой скорости вращения гироскопа. При вращении гироскопа, приводящем к возникновению разности фаз Саньяка _C и смещающей импульсную последовательность 18 либо влево, либо вправо на оси кривой косинуса, на фотоприемнике появляется сигнал 19, следующий с частотой модуляции т.е. в нашем частном случае что приводит к значительному уменьшению частоты сигнала гироскопа.

На фиг. 9 показан графический процесс формирования сигнала рассогласования, когда рабочие точки гороскопа -4/3 и -2/3; а также 4/3 и 2/3 располагаются несимметрично относительно точек - радиан и радиан соответственно. Это может произойти в случае, когда изменяется эффективность фазового модулятора или из-за длины волны источника излучения, или из-за изменения электрооптических коэффициентов материала модулятора и т.д. В этом случае все амплитуды импульсной последовательности фазовой модуляции 18 либо увеличиваются, либо уменьшаются на величину . В случае увеличения амплитуды импульсов на фотоприемнике появляется сигнал 20, который представляет из себя импульсный сигнал, следующими с частотой т. е. также удается значительно снизить частоту сигнала рассогласования. Разности уровней напряжения, вносящих фазовые сдвиги +(-) и -(+) или -(-) и +(+) соответствуют вносимым фазовым сдвигам 2 радиан, что может быть использовано для определений _эфф и для последующей корректировки масштабного коэффициента гироскопа.

ЛИТЕРАТУРА [1] SPIE vol. 2292 Fiber Optic and Laser Sensors XII, pp 156 - 165, 1994 г.

[2] Electrotechnology, Jannary 1989, pp 17-21.

Формула изобретения

1. Способ фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в подаче на широкополосный фазовый модулятор напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция в виде последовательности ступенчатых импульсов, следующих с частотой, определяемой временем пробега луча по световоду чувствительной катушки интерферометра = L n₀/c, где L - длина световода чувствительной катушки, n₀ - показатель преломления материала световода, c - скорость света в вакууме, отличающийся тем, что разность фаз лучей интерферометра формируют в виде последовательности импульсов с периодом T₀, который содержит два периода с длительностью каждого соответственно KT₀¹ и NT₀², где K, N - целые положительные числа, а T₀¹ - отрезок времени, в течение которого осуществляют фазовую модуляцию в виде периодической импульсной последовательности с амплитудой (-) и длительностью одного импульса m, где m - целое положительное число и m = T₀¹/2, а T₀² - отрезок времени, в течение которого осуществляют фазовую модуляцию также в виде периодической последовательности импульсов с амплитудой (+) и длительностью одного импульса n, где n - целое положительное число и n = T₀²/2, причем выбирают в диапазоне 0,05 0,95 радиан.

2. Способ фазовой модуляции в кольцевом интерферометре волоконно-оптического гироскопа, заключающийся в подаче на широкополосный фазовый модулятор напряжения, с помощью которого осуществляется вспомогательная фазовая модуляция в виде последовательности ступенчатых импульсов, следующих с частотой, определяемой временем пробега луча по световоду чувствительной катушки интерферометра = L n₀/c, где L - длина световода чувствительной катушки, n₀ - показатель преломления материала световода, c - скорость света в вакууме, отличающийся тем, что разность фаз лучей интерферометра формируют в виде последовательности импульсов с периодом T₀, в первую половину которого формируют последовательность импульсов с амплитудами -(-) с длительностью m, +(+) с длительностью n и -(-) с длительностью m, где n - целое положительное число и m 2n, а во вторую половину периода T₀ формируют последовательность импульсов с амплитудами +(-) с длительностью m, -(+) с длительностью n и +(-) с длительностью m, причем

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2,