Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Интерференционный волоконно-оптический гироскоп компенсационного типа с сохранением поляризации оптического излучения и цифровой схемой обработки 15
1.1 Оптические гироскопы 15
1.2 Интерференционный волоконно-оптический гироскоп 20
1.3 Факторы, влияющие на точность и чувствительность волоконно-оптического гироскопа 29
1.4 Исследуемый интерференционный волоконно-оптический гироскоп с оптической схемой, сохраняющей состояние поляризации и цифровой схемой обработки 33
1.5 Выводы по главе 35
Глава 2. Компенсация избыточного шума источника оптического излучения в интерференционном волоконно-оптическом гироскопе 36
2.1 Теоретический расчет и измерение величины избыточного щума эрбиевого суперлюминесцентного источника оптического излучения 36
2.2 Анализ измерительного блока интерференционного волоконно-оптического гироскопа
2.3 Компенсация избыточного шума интерференционного волоконно-оптического гироскопа при использовании оптических элементов, не сохраняющих состояние поляризации
2.4 Влияние состояния поляризации на степень компенсации избыточного шума в интерференционного волоконно-оптического гироскопа с сохранением поляризации 49
2.5 Метод компенсации избыточного шума 52
2.6 Интерференционный волоконно-оптический гироскоп с оптической схемой, полностью сохраняющей состояние поляризации и компенсацией избыточного шума источника оптического излучения 54
2.7 Испытания волоконно-оптического гироскопа со схемой подавления избыточного шума 62
2.8 Выводы по главе 68
Глава 3. Исследование причин возникновения и поиск способов устранения зоны нечувствительности ивог 69
3.1 Проблема «зоны нечувствительности» в интерференционном волоконно-оптическом гироскопе с закрытой схемой обработки... 69
3.2 Влияние наводди модулирующего напряжения на сигнал фотоприемного устройства 71
3.3 Влияние дополнительного интерферометра майкельсона 82
3.4 Методика измерения величины «зоны нечувствительности» 91
3.5 Испытания волоковно-оптического гироскопа в области малых угловых скоростей 93
3.6 Выводы по главе 97
Глава 4. Система измерения пространственно-временных температурных градиентов и компенсация их влияния на выходной сигнал интерференционного волоконно-оптического гироскопа 99
4.1 Влияние температуры и температурных пространственно-временных градиентов на выходной сигнал интерференционного волоконно-оптического гироскопа 99
4.2 Реализация системы измерения температуры волоконно-оптического контура и многофункциональной интегрально-оптической схемы
4.3 Испытания системы измерения температуры многофункциональной интегрально-оптической схемы 113
4.4 Испытания системы измерения температуры в составе интерференционного волоконно-оптического гироскопа, компенсация температурного ухода выходного сигнала 115
4.5 Выводы по главе 122
Заключение 124
Список литературы
- Факторы, влияющие на точность и чувствительность волоконно-оптического гироскопа
- Анализ измерительного блока интерференционного волоконно-оптического гироскопа
- Влияние дополнительного интерферометра майкельсона
- Реализация системы измерения температуры волоконно-оптического контура и многофункциональной интегрально-оптической схемы
Введение к работе
Актуальность
Жесткие требования к точности, массогабаритным и эксплуатационным параметрам гироскопических приборов, а также активное развитие и непрерывное совершенствование элементной базы волоконной и интегральной оптики привели к появлению нового типа инерциальных датчиков угловых перемещений - волоконно-оптическому гироскопу (ВОГ).
ВОГ обладает рядом достоинств по сравнению с механическим гироскопом: отсутствие подвижных деталей, устойчивость к большим механическим ускорениям; малое время запуска; высокая чувствительность в широком диапазоне скоростей вращения; высокая линейность передаточной характеристики; низкая потребляемая мощность; высокая надежность. Развитие и совершенствование ВОГ приводит к постепенному увеличению числа навигационных систем, построенных на их основе. Современные ВОГ гироскопы навигационного класса точности обладают чувствительностью и дрейфом нуля вдиапазоне от 0.01 до 0.001 град/час.
В области волоконной оптики за последние годы достигнуты большие успехи: уровень потерь в кварцевом одномодовом оптическом волокне снижен практически до теоретически возможного уровня, качество и точность изготовления оптических элементов с каждым годом увеличивается, следовательно, уменьшаются и оптические потери в этих элементах. Одновременно с этим совершенствуются и суперлюминесцентные источники, излучающие на длине волны 1.55 мкм, уровень выходной оптической мощности таких устройств достигает в настоящее время нескольких десятков милливатт. Таким образом, уровень оптической мощности, поступающей на фотоприемные устройства, в современных волоконно-оптических датчиках с каждым годом растет. Применительно к ВОГ, увеличение оптической мощности поступающей с выхода интерферометра на фотоприемник приводит к увеличению сигнала, а также отношения сигнал/шум, и повышению точности ВОГ. Но при уровне оптической мощности, превышающей единицы микроватт на входе фотоприемного устройства, дальнейшее увеличение оптической мощности не приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Причиной этому является шум интенсивности источника оптического излучения, который растет
пропорционально с оптической мощностью. Таким образом, одним из факторов, ограничивающих точность современных ВОГ, является шум интенсивности источника оптического излучения. В диссертации рассмотрен метод компенсации шума интенсивности источника оптического излучения, продемонстрирована возможность повышения точности ВОГ при использовании данного метода.
Широко известным фактом является наличие зоны нечувствительности у лазерных гироскопов, однако зона нечувствительности существует и у ВОГ компенсационного типа. Это сдерживает широкое применение инерциальных измерительных модулей, построенных на базе ВОГ компенсационного типа, в задачах, где требуется высокая чувствительность к малой угловой скорости. Примером таких применений могут служить наземные гиротеодолиты, навигационные модули космических аппаратов и подводных лодок. Поэтому требуется тщательное исследование нелинейности выходной характеристики ВОГ компенсационного типа, в том числе зоны нечувствительности в области малых угловых скоростей. При использовании ВОГ в навигационных системах, попадание рабочих угловых скоростей в область нелинейности будет приводить к навигационным ошибкам, что недопустимо. Поэтому вопрос исследования причин и механизмов, вызывающих возникновение зоны нечувствительности, является важным.
Под влиянием изменений температуры окружающей среды в волоконно-оптической катушке возникают температурные градиенты, изменяющиеся во времени. Это приводит к появлению на выходе интерферометра сигнала, не зависящего от скорости вращения, т.е. к ошибке. Применение специальной симметричной намотки оптического волокна на катушку позволяет значительно снизить влияние температуры на выходной сигнал, но не устраняет эту проблему полностью. Эта проблема может быть решена температурной стабилизацией контура, но это приведет к значительному увеличению габаритов и энергопотреблению прибора в целом, что является крайне нежелательным. Второй путь снижение температурной чувствительности - это температурная компенсация выходного сигнала ВОГ. Так как срок эксплуатации ВОГ составляет порядка 10 лет, для реализации температурной компенсации необходимо создать систему измерения температуры, позволяющую измерять
температурные градиенты в волоконно-оптической катушке с высокой точностью, линейностью и временной стабильностью.
Цели и задачи диссертации
Целью работы является улучшение точностных характеристик ВОГ: уменьшение величины дрейфа и случайного ухода выходного сигнала, устранение нелинейности масштабного коэффициента.
Задачи диссертации:
исследование передаточных и шумовых характеристик опытных образцов ВОГ
анализ полученных результатов и их теоретическое обоснование
создание метода компенсации избыточного шума источника оптического излучения ВОГ, внедрение в прибор, проверка эффективности разработанного метода
проведение исследования с целью установления механизма, вызывающего появление зоны нечувствительности
создание методов борьбы с зоной нечувствительности ВОГ
теоретическое исследование и разработка концепции построения системы измерения пространственно-временных градиентов, испытание системы измерения пространственно-временных градиентов в составе интерферометра ВОГ
Научная новизна
предложен новый метод компенсации избыточного шума источника оптического излучения в ВОГ, метод защищен патентом
впервые исследованы причины, приводящие к снижению чувствительности ВОГ в области малых угловых скоростей вращения
предложена оригинальная модель, описывающая влияние электрической наводки модулирующего напряжения на выходной сигнал ВОГ
предложена модель, описывающая влияние отражений, образующих дополнительный интерферометр Майкельсона, искажающий сигнал ВОГ
предложена концепция построения системы измерения пространственно временных градиентов температуры, на базе которой создана работающая система для компенсации влияния температуры на выходной сигнал ВОГ
Объект исследования
Объектом исследования является интерферометрический ВОГ компенсационного типа с цифровой схемой обработки и оптической схемой работающей на одной поляризационной моде.
Достоверность научных положений
При проведении исследований применялись общепринятые способы статистического и спектрального анализа случайных процессов. Математическое моделирование, обработка и проверка результатов осуществлялась с использованием пакетов прикладных программ для решения задач технических вычислений Matlab и Scilab. Полученные результаты расчетов и моделирования согласуются с экспериментальными данными, а также подтверждены испытаниями на аттестованном стендовом оборудовании ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Стендовое оборудование сертифицировано, по результатам испытаний выпущены протоколы испытаний.
Научные положения, выносимые на защиту
впервые предложен метод цифровой компенсации избыточного шума источника оптического излучения в ВОГ за счет введения в оптическую схему дополнительных элементов сохраняющих состояние поляризации оптического излучения
предложена модель, описывающая влияние электромагнитных наводок на возникновение зоны нечувствительности ВОГ, создан метод уменьшения этого влияния
предложена модель, описывающая влияние паразитных оптических отражений на сигнал ВОГ при малых угловых скоростях вращения, создан метод уменьшения этого влияния
Практическая ценность результатов Предложенный метод компенсации избыточного шума источника
оптического излучения в ВОГ позволяет снизить уровень шума в выходном
сигнале от 1.1 до 3.1 раз в зависимости от уровня оптической мощности и
времени усреднения.
Предложены методы борьбы с причинами, вызывающими появление зоны
нечувствительности. Предложенные методы позволили снизить величину зоны
нечувствительности в ВОГ с 0.2 град/час до уровня менее 0.01 град/час, т.е. значений, сравнимых с порогом чувствительности ВОГ.
Предложенная концепция построения системы измерения пространственно-временных градиентов позволила ввести температурную компенсацию ВОГ и уменьшить СОК выходного сигнала от 1.1 до 6 раз при различных направлениях температурного воздействия.
Область применения результатов
Полученные результаты используются в ВОГ для повышения точности их показаний, а также могут быть использованы в аналогичных интерферометрических датчиках, таких как волоконно-оптический датчик тока.
Апробация и внедрение результатов
Основные положения и результаты материалов диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях:
VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых,СПбГУ ИТМО, С.-Петербург, 2009
XI конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», С.-Петербург, 2009
Конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГУ ИМТО, С.-Петербург, 2009
VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, С.-Петербург, 2010
XXVII конференция памяти Н.Н. Острякова, ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», С.-Петербург, 2010
Конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГУ ИМТО, С.-Петербург, 2010
- XIII конференция молодых ученых "Навигация и управление
движением", СПбГУ ИТМО, С.-Петербург, 2011
Конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГУ ИМТО, С.-Петербург, 2011
XI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, С.-Петербург, 2011
На основании конкурсного отбора работ молодых ученых по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в течение 2009 и 2010 годов проводился НИОКР по теме «Волоконно-оптический гироскоп повышенной точности».
Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 7 работ, из которых 3 в журналах перечня ВАК и 1 Патент РФ.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы. Основной текст содержит 137 стр. машинописного текста, включая 55 рисунков и 4 таблицы. Список литературы на 8 страницах содержит 76 наименований.
Факторы, влияющие на точность и чувствительность волоконно-оптического гироскопа
Эта разность частот может быть оценена при интерференции двух выходящих лучей. Самые высокопроизводительные гироскопы имеют треугольные или квадратные резонаторы с периметром порядка 30 см. Они работают на длине волны 633 нм с Не - Ne активной средой. Главная проблема лазерного гироскопа - это явление модового захвата между противоположно распространяющимися лучами. Электромагнитные колебания оптического излучения в резонаторе имеют очень высокую резонансную частоту (порядка 5-ю14 Гц), а возникающая в результате вращения разность частот на много порядков меньше. Если существует слабая связь между колебаниями, они сцепляются и дальше распространяются с одной частотой, образую так называемую «мертвую зону» для низких угловых скоростей. Главным источником связи является обратное отражение на зеркалах, что потребовало обязательного улучшения качества отражающих элементов. Но даже при очень высоком качестве отражающих элементов существует «мертвая зона» (обычно несколько десятков градусов в час), которая намного выше потенциальной чувствительности устройства. КЛГ обладает значительными преимуществами по производительности и надежности по сравнению с механическими гироскопами из-за отсутствия подвижных частей; он нечувствителен к вибрациям, ускорениям и используется в настоящее время в основном в авиационных инерциальных навигационных системах. Но из-за наличия «мертвой зоны» требуется постоянное механическое вращение КЛГ или другие эквивалентные методы.
Для решения проблемы «мертвой зоны», используют пассивный кольцевой резонатор вместо активного (Рис. 1.1). Внешний источник возбуждает излучение в обоих направлениях резонатора. Так же как и в интерферометре Фабри-Перо, резонансные частоты или длины волн определяются таким образом, чтобы длина резонатора была кратна целому числу длин волн. Когда резонатор вращается, эффект Саньяка приводит к разности А/к между резонансными частотами в различных направлениях. Эта разность будет определяться тем же соотношением, что и для лазерного гироскопа (1.1). Чувствительность усиливается благодаря многократному прохождению оптическим излучением кольцевого резонатора, но при этом появляются нежелательные нелинейные эффекты.
Появление одномодового диэлектрического волновода с малым затуханием привело к созданию на его основе волоконно-оптического гироскопа. Первый работающий образец ВОГ был продемонстрирован Vali и Shorthill в 1975 году [41]. По круговому оптическому пути, как показано на рисунке 1.1, благодаря оптическому делителю приходящее излучение распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей прошедших через катушку во встречных направлениях, между ними отсутствует фазовый сдвиг. Когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью О., между световыми волнами возникает разность фаз [30]: Д р = П, (1.2) Ас где Я - это длина волны света в вакууме. D- диаметр волоконно-оптического контура, L - длина оптического волокна, П - измеряемая угловая скорость вращения.
Из приведенной формулы видно, что для нахождения величины скорости вращения необходимо точно измерять возникающую разность фаз, вызванную эффектом Саньяка. Чем выше требования к точности измерения угловой скорости вращения, тем меньшие значения возникающей разности фаз необходимо регистрировать. Длина оптического волокна в ВОК описывается следующим выражением: L = nDN, (1.3) где N - число витков оптического волокна в ВОК. Чувствительность ИВОГ к угловой скорости вращения можно увеличить за счет увеличения числа витков в ВОК. Чувствительность при этом увеличится пропорционально увеличению количества витков (1.3). Остальные величины в формуле (1.2) постоянны, и в первом приближении строго определяются конструкцией ВОК. ИВОГ имеет те же преимущества что и КЛГ. Но ИВОГ также обладает: высокой линейностью масщтабного коэффициента, в том числе и при малых угловых скоростях вращения; гибкостью - изменяя количество витков и диаметр ВОК можно изменять его чувствительность и точность, таким образом можно создавать приборы для разных целей и применения в различных областях. Потенциальные возможности по улучшения характеристик ИВОГ, снижения его стоимости, веса и габаритов делают его наиболее перспективным [6]. На рисунке 1.2 представлены тенденции использования различных технологий производства гироскопов в зависимости от уровня требуемой точности измерения угловой скорости вращения [40]:
Анализ измерительного блока интерференционного волоконно-оптического гироскопа
Оптическое волокно и X -ответвитель после дополнительного волоконного поляризатора не являются анизотропными и не сохраняют состояние поляризации. При механических воздействиях и изменении температуры состояние поляризации в этих элементах будет изменяться произвольным образом. Поэтому для проведения исследования был установлен дополнительно контроллер поляризации. По максимуму сигнала в канале «Б» было выставлено состояние контроллера поляризации, чтобы весь поляризованный свет проходил через поляризатор МИОС, т.е. обеспечена линейная поляризация на входе в порт МИОС. Затем, как и в предыдущей схеме, аттенюатором был подстроен уровень оптической мощности канала «Б». Затем была записана и обработана реализация данных с двух АЦП. Полученные результаты приведены на рисунках 2.10 и 2.11. пэ 10 выборкам
Демодулированные сигналы каналов «А» и «Б» в волоконно-оптической схеме ИВОГ с дополнительным поляризатором Величина коэффициента корреляции и степени подавления шума увеличились и стали стабильней, чем до этого (Рис. 2.8). При делении данных канала «Б» на данные канала «А» с задержкой на 1 такт СКО результирующего сигнала снизилось в 2.5 раза, т.е. произошло уменьшение уровня шума. Из полученных данных можно сделать следующие выводы: 1) избыточный шум является доминирующим и превышает остальные шумы, что теоретически и экспериментально показано; 2) проведенные эксперименты показали возможность компенсации избыточного шума: снижение СКО в измерительном канале «Б» методом деления в 2.5 раза; 3) дальнейшая работа должна быть направлена на создание оптической схемы ИВОГ полностью сохраняющей состояние поляризации от источника оптического излучения.
Согласно формуле (2.3), избыточный шум прямо пропорционально зависит от уровня оптической мощности, поэтому его компенсация может быть реализована делением данных канала «А» на данные канала «Б». Эффект компенсации избыточного шума можно пояснить следующим образом [А4]. Оптический сигнал, поступающий на ФПУ канала «А» измеряющий непосредственно сигнал с источника оптического излучения, при условии, что избыточный шум является доминирующим, можно представить выражением: Psource(t) = Po-n(t), (2.6) где Р0 - среднее значение оптической мощности источника широкополосного оптического излучения; n(t) — мультипликативный избыточный шум. Выходной сигнал ФПУ канала «А», сдвинутый на время г с помощью задержки, можно представить выражением: UsourUt-т) = PoMtrjn-Ru, (2-7) где г/п - чувствительность фотоприемника канала «А»; RJJ - величина сопротивления, задающего коэффициент усиления в трансимпедансном усилителе канала «А». Оптический сигнал, прошедший МИОС И ВОК и поступивший на ФПУ канала «Б», можно представить выражением: PFoG(t) = P0s(t-r)-n(t)-a, (2.8) где Ро - среднее значение оптической мощности источника широкополосного оптического излучения; 5(7) - сигнал скорости вращения ВОГ; n(t) - мультипликативный избыточный шум ИОИ; а - оптические потери в волоконно-оптическом гироскопе; т- время пробега света по оптическому волокну ВОК. Выходной сигнал фотоприемника, можно представить выражением: UFOG(t) = Po-s(t)-n(t)-a- rj3R3, (2.9) где т]3 - чувствительность фотоприемника канала «Б»; R3 - величина сопротивления, задающего коэффициент усиления в трансимпедансном усилителе канала «Б».
При условии равенства г}3 = r/ц и R3 = Ru В результате деления сигнала UF0G(t) на сигнал Usource(t-r) блоком деления формируется сигнал, который можно представить выражением: Ucomр(t)=s(t-т)-a (2.10)
Анализ этого выражения показывает, что в выходном сигнале деления присутствуют составляющие s(t) и а, определяемые скоростью вращения и оптическими потерями волоконно-оптического гироскопа, и отсутствует шумовая компонента n(t), обусловленная мультипликативным избыточным шумом источника широкополосного оптического излучения. Таким образом, при использовании схемы деления можно компенсировать избыточный шум источника оптического излучения, при этом не обязательно выравнивать уровни оптической мощности в каналах «А» и «Б». Несогласованность и не идентичность каналов «А» и «Б» приведут только к изменению общего коэффициента усиления, что некритично при использовании в ИВОГ с замкнутой обратной связью. Деление и задержка на один такт также легко реализуются в современных вычислительных устройствах.
В результате проделанной работы установлено, что в измерительном тракте прибора доминирующим является избыточный шум, создаваемый ЭСИОИ. ЭСИОИ создает деполяризованное излучение. В работе гироскопа используется только одна составляющая поляризации, вторая составляющая подавляется поляризатором многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС) и не участвует в работе прибора. Для компенсации избыточного шума необходимо обеспечить идентичность приходящего на измерительные каналы оптического излучения. Таким образом, необходимо поляризовать свет сразу после источника света, чтобы в обоих каналах присутствовала только одна составляющая, что повысит коэффициент корреляции между сигналами и позволит ввести стабильную компенсацию избыточного шума.
Так как в оптической схеме присутствует поляризатор, расположенный на МИОС, кроме сохранения состояния поляризации света также необходимо обеспечить совпадение осей поляризации двух поляризаторов. Конечной целью является получение работоспособной оптической схемы ВОТ, обеспечивающей возможность компенсации избыточного шума. На данном этапе стояла задача разработки оптической схемы с возможностью компенсации избыточного шума с минимально возможным удорожанием конструкции.
Переделка хорошо отработанной конструкции МИОС связана с большими материальными и временными затратами, поэтому наиболее простым решением является выделение одной поляризации сразу после источника света все оптические элементы, установленные после поляризатора, должны сохранять её состояние при распространении неизменным. В зависимости от состояния поляризации пришедшего на поляризатор МИОС оптического излучения потери изменяются, так как состояние поляризации меняется при изменении температуры или малейших механических воздействиях на волокно, не сохраняющее поляризацию. В результате, для реализации возможности компенсации избыточного шума в оптической схеме был заменен волоконно-оптический ответвитель на ответвитель, сохраняющий поляризацию. Также был введен дополнительный поляризатор с волоконными выводами, выполненный на микрооптических элементах. Он поглощает оптическое излучение неиспользуемой в работе ВОТ ортогональной составляющей поляризации, а также приводит к увеличению общего коэффициента экстинкции при работе совместно с поляризатором, установленным на МИОС
Влияние дополнительного интерферометра майкельсона
Для проверки этого факта было проведено моделирование влияния паразитного интерферометра на выходной сигнал ИВОГ. В функциональную модель ВОГ был внесен описанный выше сигнал, создаваемый паразитным интерферометром
Величина вклада паразитного интерферометра в общий оптический сигнал задавалась в децибелах относительно сигнала интерферометра Саньяка. Величина этого коэффициента зависит от величины видности паразитного интерферометра Майкельсона. Был смоделирован переход сигнала ИВОГ через область нулевых скоростей вращения в диапазоне от 0,5 до -0,5 град/час, с коэффициентом паразитного интерферометра равным -55 дБ, ширина зоны нечувствительности при этом составила 0,20 град/час. Результаты расчетов модулирующего напряжения и сигнала на ФПУ в компьютерной модели ИВОГ представлены на рисунке 3.8.
Таким образом, в результате моделирования было установлено, что паразитный интерферометр может приводить к возникновению зоны нечувствительности.
Наиболее очевидным способом борьбы с зоной нечувствительности является устранение причин, вызывающих её появление. Для этого необходимо уменьшать коэффициент влияния интерферометра Майкельсона. В ИВОГ уже используются скосы оптических волокон и граней МИОС для снижения обратных отражений, также используется иммерсия, широкополосный источник оптического излучения с узкой функцией когерентности, что позволяет уменьшить видность паразитного интерферометра. Ужесточение перечисленных мер связано с рядом трудностей, упирающихся в конечном итоге в используемые при производстве технологии и итоговую стоимость прибора.
В иностранной литературе множество патентов и публикаций посвящено подавлению зоны нечувствительности без устранения причин, её вызывающих - путем введения дополнительной фазовой модуляции (Рис. 3.9) [58][59][60].
Дополнительная случайная фазовая модуляция Основная идея всех предлагаемых методов заключается в том, чтобы не давать абсолютному значению модулирующего напряжения оставаться на постоянном уровне, который возникает при низких скоростях вращения, когда компенсируемая обратной связью разность фаз Саньяка соответствует очень малым приращениям фазы как (на Рис. 3.9 показана как -cps) В статье[61] к сигналу обратной связи добавляется меняющийся случайным образом фазовый скачок «А». Скачок добавляется периодически с периодом значительно меньшим, чем время, за которое значение фазы, создаваемое обратной связью, могло бы блокироваться на каком-то постоянном уровне и привести к потере чувствительности к угловой скорости, например один раз в две секунды. Зашумленный произвольными фазовыми скачками ступенчатый модулирующий сигнал постоянно смещается, что предотвращает его «залипание» на одном постоянном уровне. Это приводит к равномерному распределению модулирующего напряжения по всему рабочему диапазону модулятора. Погрешность определения угловой скорости в пределах всего диапазона действия обратной связи при этом усредняется до пренебрежимо малых, близких к нулю значений. Сигнал фотодетектора, связанный с реакцией на ступенчатую добавку к напряжению, просто исключается в процессе демодуляции. Недостатком данного метода является то, что необходимо контролировать процесс внесения и исключения ошибки из сигнала ИВОГ, что усложняет процесс обработки сигнала.
Нами предложен легко реализуемый программно метод, позволяющий уменьшить влияние паразитного интерферометра Майкельсона, суть которого заключается в следующем. При малых угловых скоростях вращения, для предотвращения залипания модулирующего напряжения в какой-либо области необходимо произвольным образом сдвигать граничные условия блока контроля сброса на 2%. Величина произвольного сдвига ограничивается линейным диапазоном работы модулятора. При таком подходе диапазон принимаемых абсолютных значений модулятора принудительно изменяется, но не происходит возникновения ошибки на ФПУ, т.к. сброс осуществляется в штатном режиме на 2п вверх или вниз, в зависимости от места пересечения границы. В итоге схема обработки ИВОГ остается неизменной, а добавляется лишь один независимый блок, который смещает программную границу с интервалом раз в 10 секунд. 3.4 Методика измерения величины «зоны нечувствительности» Особое внимание стоит уделить методике измерения ИВОГ в области малых угловых скоростей, т.к. воспроизвести угловые скорости вращения порядка 0.01 - 0.001 град/час является сложной задачей. Методика для измерения зоны нечувствительности заключается в использовании в качестве эталона - угловой скорости вращения Земли (ее проекции на ось чувствительности ИВОГ) [А1]. В ОАО «Концерн «ЦНИИ "Электроприбор» для этих целей был использован трехосный имитатор движения Acutronic АС3367-ТСС (Рис. 3.10) (обеспечивающий точность задания угловой скорости вращения на уровне не хуже 0,0001 град/с) [49]. На его поворотный стол устанавливался исследуемый ИВОГ.
Для того чтобы сигнал угловой скорости, измеряемый ВОГ, был близок к нулевому, его ось чувствительности устанавливалась в плоскости горизонта в направлении "Восток-Запад" (но с отклонением примерно в 1-2 градуса от указанного направления). Затем поворотный стол в горизонтальной плоскости вращал ВОГ со скоростью порядка 0,0001-0,0002 град/с таким образом, чтобы пройти через восточное или западное направление, т.к. в направлении оси «Восток-Запад» горизонтальная составляющая скорости вращения Земли равна нулю.
Другой метод, используемый в случае очень малой величины зоны нечувствительности, может быть реализован также на ручной делительной головке, имеющей достаточную разрешающую способность. Метод заключается не в непрерывном медленном вращении поворотного стола с ИВОГ, а в дискретном повороте оси чувствительности гироскопа с шагом 0,001-0,002 градуса и выдержки в каждом положении порядка одного часа. Затем угол поворота стола пересчитывается в величину проекции скорости вращения Земли на ось чувствительности ВОГ:
Реализация системы измерения температуры волоконно-оптического контура и многофункциональной интегрально-оптической схемы
В данной работе проведен литературный обзор и анализ существующих ВОЕ и решений, которые в них используются. Дано описание и обоснование используемых технических решений в исследуемом ИВОГ навигационного класса точности. Материал диссертационной работы посвящен исследованию ИВОГ навигационного класса точности, с целью улучшения его характеристик и параметров.
Проведены теоретические и практические работы по исследованию возможности компенсации избыточного шума, разработана волоконно-оптическая схема ИВОГ, сохраняющая состояние поляризации начиная от ИОИ, предложен и реализован новый метод компенсации избыточного шума. Разработанный экспериментальный ИВОГ с сохранением поляризации и компенсацией избыточного шума источника оптического излучения показал лучшие характеристики по точности, чем ИВОГ без компенсации избыточного шума. Уровень СКО выходного сигнала скорости вращения ИВОГ на неподвижном основании уменьшился в 2.5 раза. Внесенные изменения в оптическую схему привели к незначительному удорожанию оптической части ИВОГ. Результаты испытаний показали эффективность работы схемы компенсации избыточного шума и целесообразность ее применения в ИВОГ. Стоит также отметить тот факт, что данные принципы построения схемы компенсации избыточного шума могут быть использованы в других волоконно-оптических датчиках физических величин, например в волоконно-оптическом датчике тока. Область применения разработки: использование схемы компенсации избыточного шума в ИВОГ и других волоконно-оптических датчиках физических величин в качестве способа повышения их точности.
В ИВОГ существует зона нечувствительности, что приводит к нелинейности и потере чувствительности в области малых угловых скоростей вращения, это создает трудности для применения таких ИВОГ в системах инерциальной навигации. В результате проведенного исследования были обнаружены и даны объяснения механизмов возникновения мертвой зоны и приведено их математическое описание. Было установлено, что основной причиной появления «зоны нечувствительности» является влияние напряжения фазовой модуляции на сигнал ФПУ. На основании предложенного метода измерения и расчета получена величина создаваемой наводкой мнимой скорости вращения, которая в исследуемом ИВОГ составила 0.05 град/час. Также вычислена величина влияния модулирующего напряжения на сигнал ФПУ, она составила порядка -80 дБ. Для компенсации этого влияния был предложен и реализован в составе прибора метод программной компенсации наводки, который позволил уменьшить величину создаваемой наводкой мнимой скорости вращения до 0.01 град/час. В дальнейшем данная проблема была устранена повышением электромагнитной совместимости платы обработки ИВОГ, что привело к уменьшению величины влияния модулирующего напряжения на сигнал ФПУ до уровня -100 дБ и величина «зоны нечувствительности» с 0.2 град/час до уровня 0.05 град/час. Было установлено, что следующим по величине фактором вызывающим возникновение «зоны нечувствительности» ИВОГ является влияние на выходной сигнал паразитного интерферометра Майкельсона. Нами предложен и реализован метод программной компенсации влияния паразитного интерферометра Майкельсона, суть которого заключается в создании изменяющегося смещения границ модулирующего напряжения для предотвращения его «залипания» при малых угловых скоростях вращения. При таком подходе диапазон принимаемых абсолютных значений модулятора принудительно изменяется, но не происходит возникновения ошибки на ФПУ, так как. сброс осуществляется в штатном режиме на 2л вверх или вниз в зависимости от места пересечения границы. В итоге программа обработки ИВОГ остается неизменной, в неё добавляется лишь один независимый блок, который смещает программную границу с интервалом раз в 10 секунд.
Преимуществом предложенного метода является то, что он легко реализуем, не требует каких-либо изменений конструкции и алгоритма работы прибора. Использование данного метода позволило уменьшить в исследуемом ИВОГ величину зоны нечувствительности до величины менее 0.01 град/час, то есть до уровня сравнимого с чувствительностью прибора.
Предложенная система измерения температуры ВОК и МИОС позволила реализовать корректировку коэффициента «2Пи» по температуре. Предложенный метод корректировки коэффициента «2Пи» уменьшить время готовности ИВОГ к работе до 1 секунды, т.е. до времени получения одного показания температуры, а также позволил решить проблему изменения масштабного коэффициента ИВОГ при больших угловых скоростях вращения. На основе показаний системы измерения температуры ВОК в эксперименте по созданию и измерению тепловых воздействий удалось скомпенсировать влияние температуры на показания ИВОГ. На основе проведенных экспериментов показано, что предложенная система измерения пространственно-временных градиентов позволяет реализовать температурную компенсацию в ИВОГ, и позволяет на начальном этапе исследования температурной компенсации уменьшить температурные уходы выходного сигнала от 1.1 до 6 раз в зависимости от направления теплового воздействия.. На основании вышесказанного можно сделать вывод, что предложенная система измерения температуры эффективна и позволяет решать поставленные задачи.
В дальнейшем планируется проведение исследования и проведение испытаний по набору статистических данных влияния температуры, её производной и пространственных температурных градиентов на сигнал ВОГ. Разработка алгоритмов компенсации ошибок сигнала ВОГ, вызванных температурными факторами, внедрение полученных результатов в программное обеспечение платы обработки ИВОГ. А также проведение исследования и разработка программного обеспечения для реализации возможности компенсации избыточного шума в системе из трех гироскопов с общим ИОИ в схеме с общей синхронизацией.
Большая часть предложенных идей реализована в работающем промышленном образце, проведенные испытания показали на улучшение точностных параметров ИВОГ. Результаты исследований, представленные в данной работе, используются в промышленном производстве высокоточных ИВОГ навигационного класса точности, а также могут быть использованы в производстве других волоконно-оптических датчиков для повышения их точности, например в волоконно-оптическом датчике тока.
