WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Алейник Артем Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ

05.11.01 – Приборы и методы измерения (тепловые и оптические величины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена в Санкт-Петербургско выполнена Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и университет информационных технологий оптики на кафедре физики кафедре физики и техники оптической связи.

Научный руководитель кандидат физико-математических руководитель математических наук, доцент, Стригалев Владимир Евгеньевич.

Стригалев Владимир Официальные оппоненты Котов Олег Иванович, доктор оппоненты: Иванович доктор физикоматематических наук, профессор наук профессор, ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный Петербургский государственный политехнический университет политехнический университет», профессор;

Москвин Андрей Сергеевич Андрей Сергеевич, кандидат технических наук, ООО «СокТрейд ООО «СокТрейд», главный инженер.

Ведущая организация Физико-технический инст технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН.

Защита состоится 29 мая 2012 г. в 17 ч. 10 мин. на заседании состоится диссертационного совета Петербургском диссертационного совета Д 212.227.02 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Кронверкский пр., 49, ауд. 466.

адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского диссертацией можно библиотеке Санкт национального исследовательского университета информационных технологий, национального исследовательского информационных механики и оптики.

Автореферат разослан 27 апреля 2012 года.

разослан

Ученый секретарь диссертационного совета Сергей Аркадьевич диссертационного совета Козлов Сергей

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 волоконнооптической 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, 20- XI конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», С.-Петербург, 20- Конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГУ ИМТО, С.-Петербург, 20- VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, С.-Петербург, 20- XXVII конференция памяти Н.Н. Острякова, ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», С.-Петербург, 20- Конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГУ ИМТО, С.-Петербург, 20- XIII конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", СПбГУ ИТМО, С.-Петербург, 20- Конференция профессорско-преподавательского состава, СПбГУ ИМТО, С.-Петербург, 20- XI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, С.-Петербург, 20 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики диссертации, сформулирована цель работы и основные задачи работы, отмечены новизна и практическая значимость полученных результатов, изложено краткое содержание работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, имеющей обзорный характер, рассмотрены вопросы, связанные с основными достижениями в области волоконно-оптической гироскопии. Рассмотрены принципы построения ВОГ: метод измерения фазы Санька, смещающая модуляция, компенсация фазы. Проведен обзор существующих оптических схем ВОГ. Отмечены основные особенности и проблемы построения высокоточного ВОГ. Рассмотрены основные факторы, ограничивающие точность ВОГ, и используемые методы борьбы с ними. В главе приведено описание исследуемого интерференционного ВОГ и основных особенностей его построения.

Во второй главе проведен теоретический расчет уровня шумов в измерительном тракте ВОГ, результатом которого, явилось установление доминирующего вклада избыточного шума в уровень шумов на выходе фотоприемного устройства (ФПУ). На рис. 1 представлены результаты расчета, которые, показали, что величина избыточного шума источника оптического излучения (ИОИ) в исследуемом ВОГ преобладает над другими шумами при оптической мощности на фотоприемнике более 4 мкВт. Так как величина рабочей оптической мощности света на фотоприемнике составляет порядка 100 мкВт, доминирующим источником шума в исследуемом ВОГ является избыточный шум ИОИ. Для проверки теоретических расчетов были проведены измерения по схеме, показанной на рис.2. Каналы «А» и «Б» - это измерительные каналы цифровой платы обработки ВОГ, состоящие из фотоприемника, трансимпедансного усилителя и аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Рис.1. Зависимость среднеквадратичного шумового напряжения на выходе ФПУ ВОГ от величины поступающей оптической мощности (теоретический расчет).

Оптическая мощность, поступающая на каналы «А» и «Б», после преобразования в напряжение оцифровывалась АЦП на двойной оптимальной частоте ВОГ (136 кГц). Анализ полученных последовательностей представлен на рис.3.

Рис.2. Волоконно-оптическая схема с ответвителем 50/50.

Рис.3. Зависимость среднеквадратичного значения шумового напряжения на АЦП двух каналов (верхний рисунок), и коэффициента корреляции между каналами (нижний рисунок), от оптической мощности.

Из экспериментальных данных видно, что при уровне оптической мощности, превышающем 40мкВт, среднеквадратическое значение шумового напряжения на выходах ФПУ линейно растет с ростом оптической мощности.

Это свидетельствует о том, что при таком уровне оптической мощности избыточный шум является преобладающим, что согласуется с теоретическим расчетом. На нижнем графике рис.3 приведена зависимость коэффициента корреляции между каналами в зависимости от оптической мощности. Близкое к единице значение коэффициента корреляции при уровне оптической мощности более 50мкВт, также свидетельствует о преобладании избыточного шума, и о возможности его компенсации. Уменьшение коэффициента корреляции с уменьшением оптической мощности вызвано увеличением влияния взаимно независимых шумов, таких как: дробовой, тепловой и шум, вносимый трасимпедансным усилителем и аналого-цифровым преобразователем. Так как избыточный шум прямо пропорционально зависит от уровня оптической мощности, его компенсация может быть реализована делением данных одного измерительного канала на данные другого. При делении нет необходимости точно выравнивать уровни оптической мощности, поступающие на оба ФПУ.

Предложенный метод компенсации избыточного шума реализован в компьютерной модели ВОГ, спектральный анализ полученных сигналов представлен на рис.4.

Рис.4. Спектры сигналов при прохождении этапов преобразования в измерительном блоке ВОГ Моделирование проводилось для уровня оптической мощности на ФПУ каналов «А» и «Б» равной 200 мкВт, в качестве эталонной в модель была внесена угловая скорость вращения, меняющаяся по синусоидальному закону с частотой 1 кГц и амплитудой 1 град/час. Согласно результатам моделирования, представленным на рис.4, уровень шума в выходном сигнале (нижний рисунок) снизился в 5 раз, уровень сигнала, создаваемый эталонной скоростью, после компенсации не изменился. Из этого следует, что введение компенсации избыточного шума при данных условиях может увеличить отношение сигнал/шум до 5 раз.

ИОИ ВОГ должен иметь широкую спектральную характеристику и узкую функцию когерентности, поэтому используется эрбиевый суперлюминесцентный ИОИ, который создает деполяризованное оптическое излучение. Но в оптической схеме гироскопа, работающей на одной поляризационной моде, используется только одна составляющая поляризации.

Так как ортогональные составляющие поляризации не коррелированны, для введения компенсации избыточного шума ИОИ на оба измерительных канала платы обработки ВОГ должно поступать излучение с одной поляризацией.

Предложено установить поляризатор сразу после источника оптического излучения и использовать X-ответвитель, сохраняющий состояние поляризации.

Оптическое излучение при прохождении через волоконно-оптический контур задерживается на время распространения по контуру. В результате между оптическим излучением, поступающим сразу после X-ответвителя ИОИ практически без задержки на канал «А», и оптическим излучением, прошедшим через волоконно-оптический контур и поступающим на канал «Б», возникает временная задержка. Коэффициент корреляции при этом снижается до нуля. Эта проблема решается в цифровой схеме обработки, в которой сигналы каналов «А» и «Б» оцифровываются с частотой, обратно пропорциональной времени прохождения света по контуру. Задержка, возникающая между сигналами, легко компенсируется введением задержки сигнала канала «А» относительно канала «Б» на один такт. Предлагаемая схема ВОГ, позволяющая реализовать алгоритм компенсации избыточного шума, представлена на рис.5. Для проверки эффективности работы схемы компенсации избыточного шума, на основе предложенной схемы, был собран экспериментальный образец ВОГ. Проведены испытания экспериментального образца при одинаковых условия в двух режимах: с компенсацией избыточного шума и без компенсации.

Рис.5. Блок-схема ВОГ с компенсацией избыточного шума На рисунках 6 и 7 приведены результаты испытаний на неподвижном основании в период с 2 до 3 часов ночи (наиболее «тихое» время для стендового зала ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», т.е. минимальное количество внешних вибраций, создаваемых городским транспортом), ось чувствительности гироскопа направлена вертикально. Из графиков видно, что компенсация избыточного шума позволила снизить общий уровень шума как в высокочастотной, так и в низкочастотной составляющей выходного сигнала, что согласуется с проведенным теоретическим расчетом и моделированием. Для различных времен усреднения среднеквадратичное отклонение (СКО) выходного сигнала в среднем уменьшилось от 1.8 до 3.1 раз при уровне оптической мощности на фотоприемнике 100мкВт, что показывает эффективность работы схемы компенсации избыточного шума. Стоит отметить, что при более низком уровне оптической мощности СКО выходного сигнала ВОГ уменьшилось от 1.1 до 1.8 раз для различных времен осреднения.

Рис.6. Результаты испытаний ВОГ на неподвижном основании при уровне оптической мощности 100 мкВт Рис.7. Результаты испытаний ВОГ на неподвижном основании при уровне оптической мощности 6 мкВт Третья глава посвящена проблеме нелинейности масштабного коэффициента ВОГ при малых угловых скоростях вращения. На рис.представлен типичный вид зоны нечувствительности, которая состоит из области с нулевой чувствительностью в виде горизонтального участка (область захвата) и двух пограничных областей.

Рис.8. Типовая выходная характеристика ВОГ компенсационного типа в области малых угловых скоростей вращения В ВОГ компенсационного типа схема обработки измеряет величину фазового сдвига, и стремиться скомпенсировать его до нулевого значения при помощи фазовой модуляции. Если измеряемый сигнал содержит компоненту, большую по величине, чем компонента, вызываемая эффектом Саньяка, а также зависящую от сигнала обратной связи, то возникает эффект "захвата" сигнала обратной связи и, соответственно, выходного сигнала ВОГ. Следствием этого является появление в передаточной характеристике гироскопа так называемой – «зоны нечувствительности».

Существует несколько причин, вызывающих появление зоны нечувствительности. В зависимости от источника их можно условно разделить на две группы:

• электрические – это перекрестные связи в электрической схеме между схемой формирования модулирующего напряжения обратной связи и фотоприемным устройством, а также входом аналого-цифрового преобразователя, а также наличие нелинейности цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и электрооптического модулятора.

• оптические – это влияние паразитного интерферометра, создаваемого обратными отражениями и обратным рассеянием, а также поляризационные погрешности в оптической схеме;

Главной задачей при исследовании причин, вызывающих появление зоны нечувствительности ВОГ, является идентификация фактора, оказывающего наибольшее влияние. Было установлено, что одним из основных факторов, вызывающих появление зоны нечувствительности в исследуемом ВОГ, явилось влияние модулирующего напряжения на выходной сигнал фотоприемного устройства (рис. 9 отметка «1)»).

Этот механизм был мной исследован и показано, что величина влияния модулирующего напряжения на выходной сигнал фотоприемного устройства зависит от одного из двух чередующихся режимов работы модулятора. При средних скоростях вращения ВОГ временные соотношения двумя режимами строго фиксированы и составляют 3:1. При уменьшении скорости вращения до уровня порядка 0.05 град/час временное соотношение между режимами изменяется, и наличие влияния напряжения модуляции на фотоприемное устройство приводит к «захвату» сигнала обратной связи и возникновению «зоны нечувствительности».

Рис.9. Минимальная оптическая схема ВОГ с обратной связью Получено математическое описание данного механизма, проведено моделирование и разработана методика измерения величины наводимого напряжения. Предложен и реализован метод компенсации наводки. Также были предложены и реализованы схемотехнические и конструктивные методы борьбы с наводкой. Принятые меры позволили снизить величину зоны нечувствительности до уровня 0.01 град/час.

Следующим по величине вкладом в возникновение зоны нечувствительности ВОГ является влияние паразитного интерферометра. На рис.9 возле отметки «2)» показаны места отражения и направление распространения отраженного и рассеянного оптического излучения, которое приводит к возникновению паразитного интерферометра Майкельсона. Сигнал этого интерферометра, зависящий от величины напряжения, подаваемого на модулятор, суммируется с сигналом интерферометра Саньяка. В работе показано, что сигнал интенсивности паразитного интерферометра в схеме ВОГ со смещающей фазовой модуляцией и последующей демодуляцией сигнала создает паразитную добавку к полезному сигналу интерферометра Саньяка:

Iпар = -2I пар sin 4мод uнар, где пар - коэффициент контрастности паразитного интерферометра, связанный с функцией когерентности и величиной обратных отражений;

мод uнар – фазовая задержка, вносимая текущим средним напряжением на электрооптическом модуляторе; I - интенсивность оптического излучения, поступающая на плечи электрооптического модулятора.

Сигнал интерферометра Саньяка после демодуляции:

Iсан = -4I сан sin сан, где пар - коэффициент контрастности интерферометра Саньяка, связанный с оптическими потерями на стыках и в волоконно-оптическом контуре ; сан - измеряемая разность фаз, вызванная скоростью вращения волоконно-оптического контура.

Рассмотрим отношение сигналов двух интерферометров:

сан -4 sin сан 2 sin сан сан сан = =, пар -2 пар 4 мод нар пар 4 мод нар Таким образом, из приведенной формулы следует, что чем больше оптические потери в интерферометре Саньяка, тем больше влияние паразитного интерферометра, которое приводит к появлению ошибки измерения фазы. При низких скоростях вращения отклик интерферометра Саньяка становится сравнимым или меньшим, чем величина отклика паразитного интерферометра, в итоге сигнал обратной связи "захватывается" паразитным интерферометром. Для проверки этого факта было проведено моделирование влияния паразитного интерферометра на выходной сигнал ВОГ. Величина вклада паразитного интерферометра в общий оптический сигнал относительно сигнала интерферометра Саньяка задавалась специальным коэффициентом в децибелах.

В результате был смоделирован переход сигнала через "ноль" в диапазоне угловых скоростей от 0,5 до -0,5 град/час, с величиной влияния паразитного интерферометра в -55 дБ, ширина зоны нечувствительности при этом составила 0,20 град/час. Таким образом, было установлено, что паразитный интерферометр также может приводить к возникновению зоны нечувствительности. Предложен и реализован метод борьбы с влиянием паразитного интерферометра.

Предложенные технические решения были внедрены в ВОГ, наводка модулирующего напряжения на сигнал ФПУ подавлена. На основании методики измерения зоны нечувствительности, приведенной в третьей главе, проведены испытания в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» на сертифицированном стендовом оборудовании, результаты испытаний приведены на рис.10.

Рис.10. Результаты испытаний ВОГ с принятыми мерами по борьбе с зоной нечувствительности Зона нечувствительности уменьшилась по сравнению с предыдущими испытаниями (рис.8) с 0.12 до 0.05 град/час, т.е. в 2.4 раза (на рис.10 серая кривая). После использования предложенной модуляции с плавающими границами зона нечувствительности уменьшилась до значений, не превышающих 0.01 град/час.

Четвертая глава посвящена концепции построения системы измерения пространственно-временных градиентов в оптической катушке ВОГ для построения на ее базе системы компенсации температурных воздействий. В главе описан механизм возникновения температурной зависимости выходного сигнала ВОГ от температурных пространственно-временных градиентов, сформулированы требования к системе. Проведен анализ и выбор наиболее подходящего датчика температуры, обладающего высокой стабильностью, и обеспечивающего измерение относительной температуры с точностью ±0.01 °С.

Дано подробное описание идеологии системы измерения температуры и температурных градиентов волоконно-оптического контура, приведен расчет принципиальной схемы, выбор и описание конструкции. Описан алгоритм работы и проведения измерений, а также необходимый механизм калибровки.

Были проведены испытания по нагреву волоконно-оптического контура внешним тепловым источником с разных сторон. Скорость изменения температуры и выявление направления возникающего пространственного температурного градиента вычислялось на основании показаний предложенной и реализованной системы измерения температуры. На основании полученного массива данных пространственно-временных градиентов и показаний выходного сигнала ВОГ при неизменной скорости вращения с использованием факторного анализа была реализована компенсация температурных влияний, результаты представлены в таблице 1. Из приведенных в таблице 1 данных следует, что предложенная и реализованная система измерения температуры позволяет ввести температурную компенсацию для данного ВОГ. Одна из реализаций работы схемы компенсации температуры и возникающих температурных градиентов показана на рис.12.

Таблица 1 - Значения среднеквадратического отклонения выходного сигнала ВОГ в град/час при измерении проекции скорости вращения Земли при различных направлениях температурного воздействия Положение источника теплового На уровне Сверху Снизу воздействия относительно ВОГ по Без комп. С комп. Без комп. С комп. Без комп. С комп.

горизонтали \ вертикали Спереди 0.027 0.0057 0.017 0.0057 0.029 0.00Слева 0.019 0.010 0.013 0.0082 0.023 0.00Сзади 0.021 0.0070 0.011 0.0100 0.027 0.00Справа 0.032 0.0077 0.019 0.0099 0.029 0.00Разогрев при пуске 0.0046 0.00Рис.12. Выходной сигнал ВОГ без компенсации влияния пространственновременных температурных градиентов (верхний рисунок) и с компенсацией влияния температурных градиентов (нижний рисунок) Построенная система измерения пространственно-временных градиентов волоконно-оптического контура позволила реализовать схему компенсации температурных влияний и снизить в среднем в два раза зависимость выходного сигнала гироскопа от температуры.

Как видно из представленных данных, при температурной компенсации СКО выходного сигнала ВОГ уменьшается от 1.1 до 6 раз при различных направлениях температурного воздействия. Данный результат позволит расширить рабочий диапазон температур ВОГ, ориентировочно от 10 до 40 °С при величине дрейфа выходного сигнала на уровне 0.01 град/час.

Основные результаты и выводы работы:

• Предложенный в настоящей работе метод компенсации избыточного шума эффективен и позволяет уменьшить СКО выходного сигнала ВОГ гироскопа от 1.1 до 3.1 раз в зависимости от уровня оптической мощности и времени усреднения выходного сигнала, при незначительном усложнении конструкции прибора • Проведенное исследование показало, что основной вклад в возникновение зоны нечувствительности оказывает паразитное влияние модулирующего напряжения на выходной сигнал фотоприемного устройства.

Автором проведена работа по аппаратному и программному устранению паразитного влияния, что позволило уменьшить область захвата с 0.12 до 0.град/час • В работе обосновано, что второй по величине причиной вызывающей появление зоны нечувствительности является влияние паразитного интерферометра Майкельсона. Эго влияние может быть устранено использованием более широкополосного источника оптического излучения или введением дополнительной фазовой смещающей модуляции. Введение дополнительной фазовой модуляции позволило снизить область захвата до значений менее 0.01 град/час • 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 при различных направлениях температурного воздействия.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Исследование зоны нечувствительности волоконно-оптических гироскопов / А.С. Алейник, Г.Б. Дейнека, В.Е. Стригалев и др. // Гироскопия и навигация.– 2011. - №2 (73). - С.64 -77.

2. Исследование зоны нечувствительности волоконно-оптических гироскопов / А.С. Алейник, Г.Б. Дейнека, В.Е. Стригалев и др. // Гироскопия и навигация.– 2010. - №4 (71). - С.77.

3. Алейник, А.С. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа / А.С. Алейник // Гироскопия и навигация. – 2009. - №2 (65). - С.101.

Изобретения:

4. Пат. 2444704 Российская Федерация, МПК G01C 19/72. Волоконнооптический гироскоп / А.С. Алейник, И.К. Мешковский, В.Е. Стригалев ;

патентообладатель Открытое акционерное общество “Концерн “Центральный научно-исследовательский институт “Электроприбор”. – № 2010144351/28 ; заявл. 26.10.10 ; опубл. 10.03.12, Бюл. № 16. – 14 с. : 1 ил.

Другие публикации:

5. Алейник, А.С. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа / А.С. Алейник // Навигация и управление движением: Материалы докладов XI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». – СПб., 2009. - С.185-190.

6. Исследование зоны нечувствительности волоконно-оптических гироскопов / А.С. Алейник, В.Е. Стригалев, Г.Б. Дейнека и др. // Рефераты докладов XXVII конференции памяти Н.Н. Острякова. – СПб, 2010. - С. 15.

7. Алейник, А.С. Устройство для измерения пространственновременных градиентов температуры в волоконно-оптическом гироскопе / А.С. Алейник, В.Е. Стригалев // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. Выпуск 2. Оптотехника и оптические материалы. – СПб., 2010. - С.5.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. Тел (812) 2334669.

Объем 1 п.л.

Тираж 100 экз.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.