Исследование и оптимизация точностных и динамических параметров волоконно-оптических интерферометрических датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Дейнека, Иван Геннадьевич

• Дейнека, Иван Геннадьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Дейнека, Иван Геннадьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Особенности волоконно-оптических фазовых датчиков интерферометрического типа

1.2. Методы формирования выходного сигнала и проблема стабилизации рабочей точки интерферометра

1.3. Перспективные направления использования волоконно-оптических интерферометрических фазовых датчиков

1.4. Выводы по главе

ГЛАВА 2. СПОСОБЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ДАТЧИКА С ВЫБОРОМ И СТАБИЛИЗАЦИЕЙ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ ИНТЕРФЕРОМЕТРА (НА ПРИМЕРЕ ВОГ)

2.1. Особенности обработки сигнала ВОГ

2.2. Использование пилообразной фазосдвигающей модуляции для обработки показаний ВОГ

2.3. Способ выделения сигнала ошибки методом разностной демодуляции с последующим интегрированием

2.4. Способы коррекции ФЧХ

2.5. Решение задачи понижения частоты выдачи выходных данных ВОГ применительно к системам навигации

2.6. Программная модель ВОГ и реализация схемы обработки на ПЛИС

2.7. Выводы по главе

ГЛАВА 3. СПОСОБЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ДАТЧИКА ДЛЯ СЛУЧАЯ, КОГДА РАБОЧУЮ ТОЧКУ НЕЦЕЛЕСООБРАЗНО СТАБИЛИЗИРОВАТЬ (НА ПРИМЕРЕ ВОИДН)

3.1. Особенности обработки сигнала ВОИДН

3.2. Использование пилообразной фазосдвигающей модуляции для обработки показаний ВОИДН

3.3. Способ выделения полезного сигнала с использованием метода наименьших квадратов

3.4. Проблема нелинейности преобразования измеряемого сигнала

3.5. Способ решения задачи развёртывания фазы

3.6. Способы коррекции влияния температуры на показания ВОИДН

3.7. Компенсация зависимости погрешности метода обработки от скорости изменения полезного сигнала ВОИДН

3.8. Выбор оптимального количества ступеней пилообразного модулирующего напряжения

3.9. Программная модель ВОИДН и реализация схемы обработки на ПЛИС

3.10. Экспериментальная проверка работоспособности макета ВОИДН

3.11. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ПЕРВОЙ И ВТОРОЙ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ ДРУГ НА ДРУГА И МЕТОД ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ

РАБОТЫ ВТОРОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ

4.1. Проблема коррекции температурной зависимости полу волнового напряжения модулятора, входящего в состав МИОС

4.2. Проблема взаимного влияния первой и второй обратных связей

4.3. Проблема амортизации и изменения параметров ВОГ со временем

4.4. Принципы одновременного функционирования второй обратной связи и коррекции полуволнового напряжения МИОС по температуре

4.5. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК РАБОТ АВТОРА

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

БИМ - бесплатформенный инерциальный модуль

БИХ-фильтр - фильтр с бесконечной импульсной характеристикой

ВОГ - волоконно-оптический гироскоп

ВОИДН - волоконно-оптический интерферометрический датчик напряжения ВОИФД — волоконно-оптический интерферометрический фазовый датчик ВОК - волоконно-оптический контур

ИВОГ - интерференционный волоконно-оптический гироскоп КИХ-фильтр - фильтр с конечной импульсной характеристикой МИОС - многофункциональная интегрально-оптическая схема МК - масштабный коэффициент ОВ - оптическое волокно ПК - персональный компьютер

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема

ПО - программное обеспечение

СКО - среднеквадратическое отклонение

ФПУ - фотоприёмное устройство

ФЧХ - фазочастотная характеристика

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и оптимизация точностных и динамических параметров волоконно-оптических интерферометрических датчиков»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время стремительно развивается направление создания датчиков физических величин, построенных на основе волоконно-оптических интерферометров. Наиболее чувствительными системами измерения являются волоконно-оптические фазовые датчики интерферометрического типа [1]. На основе изменения фазы распространяющейся по оптическому волокну световой волны можно создать волоконно-оптический интерферометр для высокоточных измерений различных величин: давления, температуры, напряженности магнитного и электрического поля, электрического тока и напряжения, расхода вещества и др. [2].

Чтобы зафиксировать интерференционную картину, выходной сигнал подвергается сложной обработке, при этом цифровая обработка интерферометрического сигнала имеет ряд преимуществ над аналоговой:

• Возможность генерации резких фронтов модулирующего смещающего напряжения;

• Возможность генерации стабильной частоты для фазового электрооптического модулятора;

• Удобство и широкий выбор возможностей цифровой обработки сигнала, масштабируемость и простота корректировки схемы обработки;

• Помехоустойчивость и возможность прецизионного выбора рабочей точки полезного сигнала, получаемого с фотоприемного устройства.

В зависимости от вида интерференционной схемы в датчике (тип интерферометра), а также исходя из требуемых параметров (динамический диапазон, точность, рабочий температурный диапазон и др.) необходимо выбирать схему модуляции для обработки сигнала датчика. При этом оптимальный способ обработки сигнала датчика находится исходя из положения и стабильности рабочей точки. Способы обработки можно

разделить на схемы с выбором и поддержанием рабочей точки интерферометра и схемы, где рабочую точку стабилизировать невозможно или нецелесообразно. Поэтому для создания измерительного комплекса для обработки показаний волоконно-оптических интерферометров требуется проанализировать общие принципы построения цифровой схемы обработки сигнала интерферометрического фазового датчика, выявить особенности схем как с выбором и поддержанием рабочей точки интерферометра, так и в случае, когда рабочую точку стабилизировать невозможно. Анализ методики построения цифровой схемы обработки сигнала интерферометрического датчика включает обзор видов модуляции и выбор оптимальной модуляции, а также выбор оптимального математического метода обработки показаний. Цифровые методы обработки сигналов позволяют решать такие задачи как: увеличение точности измерения, расширение температурного диапазона работы прибора, увеличение динамического диапазона, коррекция АЧХ и ФЧХ, при этом не требуется вносить изменений в оптическую схему.

Поэтому тема диссертационной работы, посвященная исследованию и оптимизации точностных и динамических параметров волоконно-оптических интерферометрических датчиков, является весьма актуальной.

Целью работы является оптимизация точностных и динамических характеристик ВОИФД за счет анализа и выбора оптимальных модулирующих техник и использования математических решений для компенсации паразитных влияний на полезный сигнал и стабилизации показаний датчика.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: • теоретическое исследование различий и общих черт существующих цифровых схем обработки сигнала волоконно-оптических интерферометрических систем;

• создание программных математических моделей, описывающих работу цифровых схем обработки показаний ВОИФД;

• разработка и построение оптимальной схемы модуляции и математической обработки показаний ВОИФД для схем с выбором и поддержанием рабочей точки интерферометра;

• разработка и построение оптимальной схемы модуляции и математической обработки показаний ВОИФД для случая, когда рабочую точку невозможно или нецелесообразно стабилизировать;

• разработка методов, позволяющих увеличить точностные и эксплуатационные характеристики ВОИФД.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Создан способ формирования модулирующего напряжения для волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика, представляющий собой кусочно-пилообразный сигнал знакопеременного наклона.

2. Разработан способ обработки сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика, не требующий стабилизации рабочей точки интерферометра.

3. Создан метод температурной компенсации сигнала волоконно-оптических интерферометрических фазовых датчиков. Метод сочетает в себе стабильную работу во всем динамическом диапазоне интерферометрического датчика с независимостью от изменения оптических и механических параметров прибора.

4. Разработан метод стабилизации фазочастотной характеристики сигнала фазового волоконно-оптического интерферометрического датчика в условиях изменения температуры.

Практическое значение работы состоит в следующем:

Созданный способ формирования модулирующего напряжения для волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика, представляющий собой кусочно-пилообразный сигнал знакопеременного наклона, применен на практике. Способ позволяет уменьшить погрешность измерений волоконно-оптического интерферометрического датчика напряжения. Способ программно реализован, на его основе были созданы и успешно прошли испытания опытный образец и макет волоконно-оптического интерферометрического датчика напряжения.

Разработанный способ обработки сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика со вспомогательным ступенчатым пилообразным модулирующим сигналом программно реализован. На основе способа были созданы и успешно прошли испытания опытный образец и макет волоконно-оптического интерферометрического датчика напряжения.

Созданный метод коррекции температурной зависимости полуволнового напряжения модулятора, входящего в состав волоконно-оптического гироскопа, позволяет производить коррекцию изменения электрооптического коэффициента модулятора от температуры во всем динамическом диапазоне и в условиях длительной эксплуатации прибора без необходимости проведения периодической калибровки прибора в лабораторных условиях.

Создан и программно реализован метод стабилизации фазочастотной характеристики волоконно-оптического гироскопа и временного фазового согласования волоконно-оптических гироскопов в составе трёхосной навигационной системы. В ходе экспериментальной проверки предложенного метода была доказана его работоспособность на примере исследования задержек в приборе инерциальной навигации.

Защищаемые положения:

1. Способ формирования модулирующего напряжения для волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика, представляющий собой кусочно-пилообразный сигнал знакопеременного наклона.

2. Способ обработки сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика, не требующий стабилизации рабочей точки интерферометра.

3. Метод температурной компенсации сигнала ВОГ в условиях длительной эксплуатации и во всем диапазоне измеряемых прибором угловых скоростей.

4. Метод стабилизации фазочастотной характеристики ВОГ в условиях изменения температуры в составе трёхосной навигационной системы с тремя гироскопами, экспериментально подтвержденный.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской межвузовской конференция молодых ученых 2011 г., на I и II Всероссийском конгрессе молодых ученых. (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013); доклад "Стабилизация фазовой характеристики сигнала волоконно-оптического гироскопа в условиях изменения температуры" на последней был удостоен дипломом за лучший доклад на секции «Сенсоры и сенсорные сети»; на XLI, XLII научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013); на I Международной научно-практической конференции "Sensorica 2013".

Объектом исследования являются образцы интерферометрических ВОГ, построенные по взаимной конфигурации волоконно-оптического интерферометра, с цифровой схемой обработки и оптической схемой, работающей на одной поляризационной моде в составе одноосного гироскопа, и опытные образцы волоконно-оптического измерительного преобразователя

напряжений, построенные на основе волоконно-оптической поляризационно-интерферометрической схемы с цифровой схемой обработки.

Достоверность научных положений. При проведении исследований применялись общепринятые способы статистического анализа случайных процессов. Математическое моделирование и обработка данных осуществлялись с использованием пакетов прикладных программ для решения задач технических вычислений Ма1;ЬаЬ и МаШСаё. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными, а также подтверждены испытаниями на аттестованном стендовом оборудовании. Стендовое оборудование сертифицировано, по результатам испытаний выпущены протоколы испытаний.

Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования используются при разработке и производстве ВОГ навигационного класса точности и волоконно-оптических интерферометрических датчиков напряжения.

Полученные результаты могут быть использованы в аналогичных интерферометрических датчиках, таких как волоконно-оптический датчик тока, давления и др.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 15 наименований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх оригинальных глав и заключения, изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 3 таблицы, список цитированной литературы содержит 68 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Особенности волоконно-оптических фазовых датчиков интерферометрического типа

Волоконно-оптический датчик - датчик, в котором в качестве чувствительного элемента используется оптическое волокно. То есть оптический материал преобразует изменение параметров внешней среды в изменение параметров светового луча.

Для световой волны, распространяющейся в виде синусоидального колебания, вектор напряженности электрического поля можно описать следующей формулой [2]:

Е = А * sin (ü)t + (р) О-1)

Из этой формулы следует, что измеряемым воздействием может

модулироваться интенсивность света А, его поляризация (направление —>

вектора А), частота ю, фаза ср, и любой из этих видов модуляции может применяться в волоконно-оптическом датчике.

Самые высокочувствительные системы могут быть созданы на основе фазовых датчиков интерферометрического типа.

Принцип действия ВОИФД следующий. Если волновые фронты двух когерентных световых лучей накладываются друг на друга, то при суммировании интенсивностей лучей могут получаться различные (в зависимости от распределения фаз обеих световых волн) интерференционные картины. Следовательно, изучая интерференционную картину, можно измерять нужную величину.

Чтобы зафиксировать интерференционную картину, выходной сигнал подвергается сложной обработке.

Наиболее типичными измеряемыми воздействиями являются температура, давление, электрическое напряжение. В соответствии с их

колебаниями изменяется длина и коэффициент преломления оптического волокна, а в результате изменяется и фаза распространяющегося в нем света. Все методы обработки сигнала от ВОИФД, используемые на практике, измеряют смещение фазы сигнала и превращают это смещение в необходимый индекс воздействия. Смещение фазы измеряется интерферометрическим методом и преобразуется фотоприемником в изменение величины тока (рисунок 1.1):

Рис. 1.1 Обобщенная схема и объекты измерения датчика с волоконно-оптическим чувствительным элементом, работающим на основе измерения

Свет, вводимый источником в волокно, на разветвителе расщепляется на два луча: опорный и сигнальный. Выходная оптическая мощность в результате интерференции этих двух лучей (интерферометрический отклик) имеет вид приподнятого косинуса (рис.1.2), который изменяется в зависимости от оптической разности длин путей между опорным и сигнальным лучами.

фазы

Рис. 1.2 Зависимость выходного сигнала от выбора точки воздействия и

от входного сигнала.

Измеряемая величина создает дополнительный сдвиг фазы Д между интерферирующими волнами, от которого зависит интенсивность интерферирующих на фотодетекторе световых полей (интерферометрический сигнал). Интенсивность интерферометрического сигнала можно описать формулой

(1.2)

Здесь случайные процессы («добавка» и «видность»)

интерференционной картины. Таким образом, фаза А функционально зависит от физической величины.

1.2. Методы формирования выходного сигнала и проблема стабилизации рабочей точки интерферометра

Интерферометрия является очень чувствительным методом измерения различных параметров, поскольку весь динамический диапазон измерения может быть просканирован изменением фазы в л радиан, вызванным разностью оптических путей в Х/2 (т.е. изменением меньше микрона) [3].

Такое высокое разрешение достигается, когда интерферометр работает в точке максимальной чувствительности, как показано на рис. 1.2. Таким образом, для достижения большого динамического диапазона в качестве рабочей точки интерферометра выбирается точка на линейном участке, для этого вносится дополнительный сдвиг фаз ж/2 между интерферирующими волнами. Дополнительный сдвиг фаз обеспечивается оптическим модулятором. Оптические модуляторы являются ключевыми составляющими элементами волоконно-оптических систем, выполняющими различные функции, в том числе модуляцию амплитуды, фазы, частоты и поляризации [4, 5]. В большинстве случаев применяются твердотельные устройства, в которых свет модулируется путем изменения оптических свойств материала устройства при воздействии управляющего электрического сигнала.

Однако разность фаз между интерферирующими лучами зависит не только от полезного воздействия и вносимого им сдвига фаз ф5; но и от медленно меняющейся помеховой дрейфовой составляющей характеризующей изменение состояния окружающей среды: ф=фс]+ф8. Таким образом, рабочая точка постоянно «уезжает» с линейного участка. С одной стороны, можно обеспечить стабилизацию положения рабочей точки интерферометра путем оперативной подстройки разбаланса плеч интерферометра. Однако обеспечить стабилизацию с требуемой точностью и быстродействием вряд ли возможно. Причиной тому не только низкое быстродействие известных элементов регулировки, которые являются пьезоэлектрическими, но и низкая точность, с которой могут быть определены внешние воздействия на каждый из датчиков. Поэтому можно отказаться от идеи механической стабилизации рабочей точки фотоприемника и исследовать возможность решения проблемы с помощью других методов. Различают два принципиально разных подхода.

В первом подходе предполагается за счет конструкции

интерферометрической схемы добиться устранения или значительного уменьшения помеховой дрейфовой составляющей фй. В этом случае положение рабочей точки интерферометра становится всецело зависимо от полезного воздействия. Соответственно, рабочая точка может быть стабилизирована на линейном участке за счет использования петли отрицательной обратной связи. В качестве примера можно рассмотреть использование так называемой "взаимной конфигурации" кольцевого волоконно-оптического интерферометра [3].

Второй подход необходим для случая, когда помеховую дрейфовую составляющую фа нивелировать или в достаточной степени ослабить не удается. В этом случае стабилизация рабочей точки с использованием петли отрицательной обратной связи приведет к тому, что сигналом ошибки для обратной связи будет и составляющая ф<ь и составляющая ф8. Фактически, уход рабочей точки нельзя будет рассматривать как полезный сигнал, соответственно, необходим подход, предполагающий извлечение полезного сигнала ВОИФД в этих условиях. Различают два метода обработки показаний ВОИФД без стабилизации рабочей точки интерферометра: метод светового гомодинирования и гетеродинирования. При методе светового гомодинирования предусматривается равенство частот двух интерферирующих световых волн и получение выходного сигнала, интенсивность которого описывается формулой:

I = 1±+ 12+у * 2д//1 * /2 * соБ(р3, (1.3)

где: I - интенсивность выходного сигнала;

11; Ь- интенсивности двух интерферирующих световых волн;

(р5 - разность фаз между интерферирующими лучами;

у - степень когерентности интерференции (характеристика источника

света).

В противоположность этому, если в один из оптических путей

поместить частотный сдвигатель и установить между световыми волнами частотную разность Да>, то на фотоприемнике получается сигнал переменного тока с фазовой модуляцией:

I = I1+I2+y* 27/1 * h * cos (Awt + (ps) (1.4)

Таким образом, пилообразный модулирующий сигнал создает интерферометрический отклик, который под внешним воздействием смещается на разность фаз, вносимую этим воздействием (cps) (рисунок 1.3).

б)

\ / \ J

тг

2п

Дф

Интерферометрический отклик

/ А \ 1 \ \ L&J \ \

в)

Пилообразный модулирующий сигнал

Рис. 1.3 Формирование интерферометрического отклика, а) пилообразный модулирующий сигнал; б) интерферометрический отклик; в) интерферометрический отклик, смещенный на разность фаз, вносимую

внешним воздействием ((рн). За счет такой модуляции мы уходим от проблемы выставления рабочей

точки интерферометра, так как входное воздействие сдвигает по фазе косинусоидальный интерферометрический отклик, то есть фазовый сдвиг рассматривается за период косинусоидальной функции, а не в одной точке. Тем самым усредняется воздействие дрейфовой помеховой составляющей cpd.

Традиционно, в качестве частотного сдвигателя используется акустооптический модулятор [6, 7]. Однако акустооптический модулятор не избавлен от недостатков. Например, недостатком является уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты модуляции, что ограничивает использование акустооптического модулятора в высокоскоростных схемах. Поэтому чаще используется метод, где частотный сдвигатель не нужен, а обработка сигнала осуществляется с помощью фазового модулятора, располагаемого в одном из плеч интерферометра. На фазовый модулятор подается пилообразное модулирующее напряжение, вследствие чего световой луч приобретает фазовый сдвиг, пропорциональный подаваемому напряжению.

Рассмотрим подробнее метод с использованием фазового модулятора. Пилообразный модулирующий сигнал с высокой частотой «пробегает» по точкам сигнала таким образом, что создает косинусоидальный интерферометрический отклик. Под внешним воздействием получившийся отклик смещается на разность фаз, вносимую этим воздействием (рисунок 1.3). В результате такой модуляции выходной интерферометрический сигнал приобретает форму

У(0 = A(t) + V(t)cos (2.7it + А) (1.5)

При этом период модулирующего пилообразного сигнала задает период выходного интерферометрического сигнала. Полезная информация содержится в измеряемой фазе А, которая может медленно (по сравнению с изменением пилообразного напряжения) изменяться во времени. Цель

экспериментатора по возможности точно и в реальном времени отслеживать график изменения фазы А.

Данный метод позволяет уйти от потребности выставления рабочей точки, так как вывод о внесенном сдвиге фаз делается по результатам обработки нескольких точек за период косинуса, а не по одному значению. Другими словами, - решается проблема влияния изменений условий окружающей среды на чувствительность приема. А способ извлечения (р5 и стабильность выходного сигнала определяются методом обработки.

1.3. Перспективные направления использования волоконно-оптических

интерферометрических фазовых датчиков

Волоконно-оптические интерферометрические фазовые датчики широко применяются в различных отраслях промышленности [8, 9, 10, 11]. В рамках диссертации рассматриваются два перспективных на сегодняшний день прибора на основе волоконно-оптических интерферометрических датчиков — волоконно-оптический гироскоп и волоконно-оптический

интерферометрический датчик напряжения.

Волоконный оптический гироскоп (ВОГ) - оптико-электронный прибор, измеряющий угловую скорость и углы поворота объекта, на котором он установлен. Принцип действия ВОГ основан на вихревом (вращательном) эффекте Саньяка.

Интерес зарубежных и отечественных фирм к оптическому гироскопу базируется на потенциальных возможностях его применения в качестве чувствительного элемента вращения в инерциальных системах навигации, управления и стабилизации. Этот прибор в ряде случаев может полностью

заменить сложные и дорогостоящие электромеханические (роторные) гироскопы и трехосные гиростабилизированные платформы.

Возможность создания реального высокочувствительного ВОГ появилась лишь с промышленной разработкой одномодового диэлектрического световода с малым затуханием. Именно конструирование ВОГ на таких световодах определяет уникальные свойства прибора. К этим свойствам относят:

• потенциально высокую чувствительность (точность) прибора, которая уже сейчас на экспериментальных макетах достигает 0,005 град/ч и менее;

• малые габариты и массу конструкции;

• ничтожное потребление энергии, что имеет немаловажное значение при использовании ВОГ на борту передвижного объекта;

• большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей (в частности, например, одним прибором можно измерять скорость поворота от 0,01 град/ч до 300 град/с);

• отсутствие вращающихся механических элементов (роторов) и подшипников, что повышает надежность и удешевляет их производство;

• практически мгновенную готовность к работе;

• нечувствительность к большим линейным ускорениям и, следовательно, работоспособность в условиях высоких механических перегрузок;

• высокую помехоустойчивость, низкую чувствительность к мощным внешним электромагнитным воздействиям благодаря диэлектрической природе волокна;

• слабую подверженность проникающей гамма-нейтронной радиации.

Волоконный оптический гироскоп может быть применен в качестве жестко закрепленного на корпусе носителя чувствительного элемента (датчика) вращения в инерциальных системах управления и стабилизации. Механические гироскопы имеют так называемые гиромеханические ошибки, которые особенно сильно проявляются при маневрировании носителя (самолета, ракеты, космического аппарата). Эти ошибки еще более значительны, если инерциальная система управления конструируется с жестко закрепленными или «подвешенными» непосредственно к телу носителя датчиками. Перспектива использования дешевого оптического датчика вращения, который способен работать без гиромеханических ошибок в инерциальной системе управления, есть еще одна причина особого интереса к оптическому гироскопу.

В настоящее время ВОГ охватывают все большие направления использования: гражданскую и военную авиацию, космические аппараты, ракеты различных классов [12]. Подавляющее большинство навигационных систем выпускаемых серийно на протяжении последних десяти лет в Европе, США и Японии построены на базе высокоточных ВОГ [13]. Производством ВОГ и приборов на их основе занимаются ведущие мировые компании: Northrop Grumman [14, 15, 16], Ixsea [17], Honeywell [18], Cielo [19] и KVH [20, 21]. В России исследованиями и производством ВОГ занимаются: ООО «Физоптика» [22] [23], ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» [24], ОАО ПНППК, НИИ ПМ [25, 26, 27, 28], НПО Оптолинк [29].

В настоящий момент области волоконно-оптической гироскопии ведутся исследования по улучшению характеристик ВОГ. Уже более восьми лет на кафедре «Световодной фотоники» СПб НИУ ИТМО совместно с ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» ведутся работы по созданию прецизионных ВОГ, построенных по схеме с обратной связью и неучтенным

уходом не более 0,01°/ч [A3], а также навигационных приборов на их основе [30].

Внедрение цифровых информационных технологий в процесс производства, преобразования и распределения электроэнергии приводит к необходимости создания новых средств ее регистрации и контроля. Традиционные электромагнитные измерительные трансформаторы напряжения плохо совместимы с современными микропроцессорными устройствами (большие габариты и вес, высокая избыточность аналогового выходного сигнала, плохая масштабируемость, низкая помехоустойчивость и т.д.). Они подвержены нежелательным феррорезонансным явлениям, обусловленным насыщением магнитопровода. Их серьезной проблемой остаются повышенные взрывоопасность и пожароопасность.

Волоконно-оптический интерферометрический датчик напряжения -прибор регистрации и контроля напряжения. ВОИДН относится к новому поколению измерительных систем, которые не просто заменяют традиционные измерительные трансформаторы, а позволяют создавать интеллектуальные электрические сети (типа «SmartGrid»), обеспечивая необходимую точность измерений, и позволяют контролировать и управлять электрическими сетями в режиме реального времени.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дейнека, Иван Геннадьевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бусурин В.И. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения под ред. Носов Ю.Р. — Ленинград: Энергоатомиздат, 1990.

— 256 с.

2. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики — Л.: Ленинград, Энергоатомиздат, 1990. — 256 с.

3. Lefevre Н.С. Fiber Optic Gyroscope — London: Artech House, 1992. — 314 c.

4. Yonghao Gao, Xinnan Huang, and Xingsheng Xu Electro-optic modulator based on a photonic crystal slab with electro-optic polymer cladding // Optics Express. — №Vol. 22., Выпуск Issue 7. — 2014. — c. 8765-8778.

5. F. Lucchi, D. Janner, M. Belmonte, S. Balsamo, M. Villa, S.Giurgola, P. Vergani, V. Pruneri Very low voltage single drive domain inverted LiNb03 integrated electro-optic modulator II Optics Express. — №Vol. 15., Выпуск No. 17. — 2007. — c. 10739-10743.

6. Youngkyu Park, Kyuman Cho Heterodyne interferometer scheme using a double pass in an acousto-optic modulator // Optics Letters. — №Vol. 36., Выпуск No. 3. — 2011. —c. 331-333.

7. E. A. Donley, T. P. Heavner, F. Levi, M. O. Tataw, and S. R. Jefferts Double-pass acousto-optic modulator system I I Review of scientific instruments. — №Vol 76. — 2005.

— c. 063112-1 -063112-6.

8. Norbert Fürstenau Fiber Optic Two-Polarization Michelson Interferometer as Remote Digital Displacement Sensor I I Optical Fiber Sensors. — January 1986. — с. P6.

9. Taehan Bae, Robert A. Atkins, Henry F. Taylor, and William N. Gibler Interferometric Fiber-Optic Sensor Embedded in a Spark Plug for In-Cylinder Pressure Measurement in Engines // Applied Optics. — №42., Выпуск 6. — 2003. — с. 10031007.

10. Т. A. Carolan, R. L. Reuben, J. S. Barton, and J. D. C. Jones Fiber-optic Sagnac interferometer for noncontact structural monitoring in power plant applications // Applied Optics. — №36., Выпуск 1. — 1997. — с. 380-385.

11. Wu Yuan, Bian Pang, Jia Bo, and Xiao Qian Fiber-Optic Sensor for Acoustic Localization // Journal of Lightwave Technology. — №32., Выпуск 10. — 2014. — с. 1892-1898.

12. Филатов Ю.В. Волоконно-оптический гироскоп: Учеб. пособие — СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. — 52 с.

13. Ohno, A Applications and Technical Progress of Fiber Optic Gyros in Japan // Optical Society of America. — 2006.

14. George A Pavlath Fiber Optic Gyros: The Vision Realized // SPIE. — №6314. — 2006. — c. 63140G-1- 63140G-12.

15. J.Lincoln, D.Tazartes Ch.Volk Northrop Grummans Family of Fiber-Optic Based Inertial — San Diego, Calif.: Position, Location, And Navigation Symposium, 2006 IEEE/ION, 2006.

16. www.nsd.es.northropgrumman.com // [northropgrumman] URL: www.northropgrumman.com (дата обращения: 4/10/2013).

17. Napolitano F. Fiber-optic gyroscopes key technological advantages // [Fiberoptic gyroscopes key technological advantages / iXSea, an iXBlue company] URL: http://www.ixsea.com/pdf/fog-key-advantages.pdf (дата обращения: 19/10/2013).

18. Sudhakar P. Divakaruni, Steve J. Sanders Fiber Optic Gyros - A Compelling Choice for High Precision Applications // OSA/OFS. — 2006.

19. [cielo] URL: http://www.alcielo.com (дата обращения: 02/05/2012).

20. [KVH IDUSTRIES, Inc] URL: http://www.kvh.com/ (дата обращения: 02/05/2012).

21. Lauro Ojeda, Hakyoung Chung, and Johann Borenstein Precision-calibration of Fiber-optics Gyroscopes // Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation, San Francisco. — April 2000. — c. 2064-2069.

22. www.fizoptika.ru // [Физоптика] URL: http://www.fizoptika.ru (дата обращения: 21/01/2014).

23. B.E. Прилуцкий, В.Г. Пономарев, В.Г. Марчук, М.А. Фенюк, Ю.Н. Коркишко, В. А. Федоров, С.М. Кострицкий, Е.М. Падерин, А.И. Зуев, "Интерферометрические волоконно-оптические гироскопы с линейным выходом," ООО " Оптолинк", МИЭТ, экспериментальный завод, Москва, 2004.

24. Мешковский И.К. и др. VIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. // Трехосный волоконно-оптический гироскоп. Результаты разработки. — СПб, 2011.— с. 8-14.

| 25. Курбатов P.А. Курбатов A.M. Пути повышения точности волоконно-оАтических гироскопов II Гироскопия и навигация. — №1. — 2012. — с. 102-121.

26. Прилуцкий В.Е. и [др] Интерферометрические волоконно-оптические гироскопы с линейным выходом II Гироскопия и навигация. — №3. — 2004. — с. 6272.

27. Колеватов А.П. Волоконно-оптический гироскоп бесплатформенных инерциальнъгх систем навигационного класса. Разработка, термокомпенсация, испытания II Гироскопия и нави-гация. — №3. — 2010. — с. 49-60.

28. Колеватов А.П. и др. Разработка двухрежимного гирогоризонткурсоуказателя на базе трехкомпонентного воло-конно-оптического гироскопа II Гироскопия и навигация. — №2., Выпуск 57. — 2007. — с. 43-53.

29. [Научно-Производственная Компания "Оптолинк"] URL: http://www.optolink.ru (дата обращения: 24/03/2012).

30. Мешковский И.К. и др. Трехосный волоконно-оптический гироскоп для морских навигационных систем II Гироскопия и навигация. — №3, — 2009. — с. 3-9.

31. [NxtPhase] URL: http://www.nxtphase.com/ (дата обращения: 23/09/2013).

32. "Волоконно-оптический измеритель напряженности электрического поля и напряжения," 2032181, фев. 05, 1991.

33. Чекмарев А. Датчики тока и напряжения ABB. От печатной платы до преобразователей-гигантов II Силовая электроника. — 2006.

34. [CHNT] URL: http://en.chint.com/ (дата обращения: 23/09/2013).

35. [OptiSense] URL: http://optisense.net/ (дата обращения: 25/09/2013).

36. [Airak] URL: http://www.airak.com/ (дата обращения: 25/09/2013).

37. [Презентация компании «Профотек»] URL: www.rusnanonet.ru/download/presentation/profotech_presentation.pdf (дата обращения: 22/01/2014).

38. Ханспенджер Р. Интегральная оптика — Москва: Мир, 1985. — 384 с.

39. Ming Han, Yan Zhang, Fabin Shen, Gary R. Pickrell, and Anbo Wang Signal-processing algorithm for white-light optical fiber extrinsic Fabry-Perot interferometric sensors II Optics Letters. — №29., Выпуск 15. — 2004. — с. 1736-1738.

40. Zefeng Wang, Yongming Hu, Zhou Meng, and Ming Ni Pseudo working-point control measurement scheme for acoustic sensitivity of interferometric f iber-optic hydrophones II Chinese Optics Letters. — №6., Выпуск 5. — 2008. — с. 381-383.

41. A. Ebberg and G. Schiffner Closed-loop fiber-optic gyroscope with a sawtooth phase-modulated feedback // Optics Letters. — №10., Выпуск 6. — 1985. — с. 300-302.

42. Patrick Pablo Chavez, Sudhakar Ellapragada Cherukupalli, Gregory Samuel Polovick, Nicolas August Fleming Jaeger, Farnoosh Rahmatian "Method and apparatus for measuring voltage using electric field sensors," US 6252388 Bl, June 26, 2001.

43. Kevin M. Killian, Robert A. Kovacs, Walter P. Hollinger "Closed loop fiber optic gyroscope with signal processing arrangement for improved performance," US 5278631 A, Jan 11,1994.

44. Richard B. Dyott, Sidney M. Bennett "DSP signal processing for open loop fiber optic sensors," US 6429939 Bl, Aug 6, 2002.

45. Hiroshi Kajioka, Hisao Sonobe, Tatsuya Kumagai "Fiber-optic gyroscope having angular velocity correction," US 5396327 A, March 07,1995.

46. Pei-Hwa Lo, Robert A. Kovacs "Fiber optic gyroscope with reduced non-linearity at low angular rates," EP 0900360 Al, March 10, 1999.

47. Avanaki, M.R.N. Full Progress of Digital Signal Processingin Open Loop-IFOG // AOE. — 2006. — c. 1-10.

48. G. Sagnac L 'ether lumineux demontre par I'effet du vent relatif d'ether dans un interferometre en rotation uniforme // C.R. Acad. Sci. —№95. — 1913.

49. Алейник A.C., "Исследование и повышение точностных параметров волоконно-оптических гироскопов," НИУ ИТМО, СПб, Дис. канд. техн. наук 2012.

50. Шарков И.А., "Исследование и пути компенсации тепловых воздействий на сигнал волоконно-оптического гироскопа," НИУ ИТМО, СПб, Дис. канд. техн. наук 2013.

51. Мешковский И.К., Олехнович P.O., Тараканов С.А. Изучение изменения сигнала волоконно-оптического гироскопа, вызванного изменением температуры окружающей среды и внешним магнитным полем // Научно-технический вестник НИУ ИТМО. — №4., Выпуск 49. — 2008. — с. 164-167.

52. Голиков А.В., "Температурные погрешности волоконно-оптических гироскопов," Саратов, Дис. канд. техн. наук 2001.

53. Шарков И.А., Рупасов А.В., Стригалев В.Е., Волковский С.А. Влияние температурной нестабильности характеристик источника на показания волоконно-оптического гироскопа. II Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — №6., Выпуск 86. — 2013. — с. 31-35.

54. Олехнович P.O., "Поиск путей создания волоконно-оптического гироскопа повышенной чувствительности," НИУ ИТМО, Спб, Дис. канд. техн. наук 2010.

55. Галягин К.С., Киселев Е.В., Ошивалов М.А., Ульрих Т.А. Вахрамеев Е.И. Тепловой дрейф волоконно-оптического гироскопа // Приборостроение. — №1. — 2011.— с. 32-37.

56. Steven W. Smith The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing— s.l.: California Technical Publishing, 1999. — 643 c.

57. [Шина I2C и её спецификация [Электронный ресурс] /] URL: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/iic/index.htm (дата обращения: 13/11/2013).

58. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: Второе издание — М.: ООО "Бином-Пресс", 2006. — 656 с.

59. Джервис Б.У. Айфичер Э.С. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е гадание — М.: Издательский дом "Вильяме", 2004. — 992 с.

60. Дьяконов В.П. MA TL А В 6.5 SP 1/7.0 + Simulink 5/6 в математике и моделировании — s.l.: Солон-Пресс, 2005. — 576 с.

61. Максфилд Клайв Проектирование на ПЛИС. Архитектура, средства и методы. Курс молодого бойца — М.: Издательский дом "Додека-ХХ1", 2007. — 408 с.

62. Pong Р. Chu RTL hardware design using VHDL — Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2006.

63. Wong К. K. Properties of Lithium Niobate UK — London: INSPEC, 2002. — 424 c.

64. Котов О.И, Лиокумович Л.Б., Марков С.И., Медведев A.B., Николаев В.М. Дистанционный интерферометрический датчик с поляризационным разделением каналов II Письма в ЖТФ. — №26., Выпуск 10. — 2000. — с. 28-34.

65. Сато Ю. Обработка сигналов. Первое знакомство — М.: Издательский дом "Додэка-ХХГ, 2002.

66. Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений — Л.: Физматгиз, 1962. — 352 с.

67. A.B. Сосновский, В.Г. Коберниченко Исследование алгоритмов развертывания фазы при формировании цифровых моделей местности методом космической радиолокационной интерферометрии И Известия вузов России. Радиоэлектроника. — 2012.

68. Удд.Э Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников — М.: Техносфера, 2008. — 520 с.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА

Публикации в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ для защиты кандидатских диссертаций:

AI. Дейнека И.Г., Тараканов С.А., Шрамко O.A. Изучение магнитооптического эффекта Фарадея. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2008. №4(49), с. 84-89.

А2. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г., Шарков И.А., Модификация схемы обработки данных фазового интерферометрического акустического датчика. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2012, Вып. 5, № 81, С. 20-25.

A3. Егоров Д.А., Драницына Е.В., Унтилов A.A., Дейнека Г.Б., Шарков И.А., Дейнека И.Г. Снижение влияния изменения температуры на выходной сигнал волоконно-оптического гироскопа. Гироскопия и навигация / ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор". - Санкт-Петербург, 2012, Вып. №4 (79), С. 10-20. - ISSN 2075-0927

A4. Алейник A.C., Дейнека И.Г., Макаренко A.A., Мехреньгин М.В., Стригал ев В.Е. Стабилизация фазовой характеристики сигнала фазового волоконно-оптического датчика в условиях изменения температуры. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. СПб: СПб НИУ ИТМО, 2013. - Выпуск 6(88). - С. 26-31.

А5. Мирошниченко Т.П., Дейнека И.Г., Погорелая Д.А., Шуклин Ф.А., Смоловик М.А. Способ измерения фазы интерферометрического сигнала. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. СПб: СПб НИУ ИТМО, 2013. - Выпуск 6(88). - С. 61-67.

А6. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Разработка блока генерации гармонических сигналов для схемы цифровой обработки информации

волоконно-оптического гидрофона. // Известия вузов. Приборостроение. НИУ ИТМО. - Санкт-Петербург, 2013. - № 12. - С. 68-71

Изобретения:

А7. Способ измерения сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика. Дейнека И. Г., Погорелая Д. А., Стригалев В. Е., Алейник А. С. Справка о приоритете заявки на изобретение № 2013136094 от 31.07.2013, приоритет от 31.07.2013.

Прочие публикации:

А8. Шрамко O.A., Дейнека И.Г., Аксарин С.М., Плотников М.Ю., Рупасов A.B. Исследование пространственного распределения выходного оптического излучения полосковых волноводов, выполненных на основе ниобата лития. // Сборник тезисов VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, 2011. - Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2011. Выпуск 2.-С. 71-72.

А9. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Расширение функциональных возможностей схемы электронной обработки сигналов волоконно-оптического акустического датчика интерферометрического типа // Сборник тезисов докладов I всероссийского конгресса молодых ученых, 2012. - Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2012. Выпуск 2. - С. 380-381.

А10. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Расширение функциональных возможностей схемы электронной обработки сигналов волоконно-оптического акустического датчика интерферометрического типа // Сборник трудов I Всероссийского конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2012 - С. 54-58

All. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Построение схемы цифровой обработки сигналов в волоконно-оптических акустических датчиках на

брэгговских решетках // Сборник тезисов докладов II конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург: СПб: НИУ ИТМО, 2013 выпуск 4, 2013, с.174-175

А12. Дейнека И.Г., Плотников М.Ю. Стабилизация фазовой характеристики сигнала волоконно-оптического гироскопа в условиях изменения температуры // Сборник тезисов докладов II конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург: СПб: НИУ ИТМО, 2013. Выпуск 4. - С. 169 с.

А13. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Построение схемы цифровой обработки сигналов в волоконно-оптических акустических датчиках на брэгговских решетках // Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург: СПб: НИУ ИТМО, 2013. - С. 122-125.

Al4. Смоловик М.А. Шуклин Ф.А. Никитенко А.Н. Алейник A.C. Аксарин С.М. Дейнека И.Г. Применение электрооптических методов измерений в волоконно-оптических датчиках высоких напряжений. // Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых СПб: НИУ ИТМО, 2013. -С. 189-195.

А15. Макаренко A.A., Мехреньгин М.В., Дейнека И.Г., Волковский С.А. Оптимизация способа понижения частоты выдачи данных о скорости вращения волоконно-оптического гироскопа. // Сборник тезисов докладов III Всероссийского конгресса молодых ученых, выпуск 4, 2014, с. 166-167.

t