Исследование метода локального температурного воздействия и его применение для компенсации дрейфа волоконно-оптического гироскопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Рупасов, Андрей Викторович

• Рупасов, Андрей Викторович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Рупасов, Андрей Викторович

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Причины возникновения температурной ошибки выходного сигнала волоконно-оптических датчиков, связанные с чувствительным элементом

1.2 Причины возникновения температурной ошибки выходного сигнала волоконно-оптических датчиков, связанные с интегрально-оптическим модулятором

1.2.1 Температурная нестабильность электрооптического коэффициента фазового модулятора

1.2.2 Пироэлектрический эффект в фазовом модуляторе

1.3 Причины возникновения температурной ошибки выходного сигнала волоконно-оптических датчиков, связанные с источником оптического излучения

1.4 Конструктивные методы борьбы с температурным дрейфом в волоконно-оптических датчиках

1.5 Алгоритмические методы борьбы с температурным дрейфом

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТ, МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Описание исследуемого волоконно-оптического гироскопа

2.1.1 Схема ВОГ

2.1.2 Принцип работы ВОГ в условиях изменяющейся температуры48

2.2 Методика дифференцированного исследования температурных свойств волоконно-оптического гироскопа

2.3 Программно-аппаратный комплекс для создания локальных

тепловых воздействий на волоконный контур

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

3.1 Исследование зависимости выходного сигнала ВОГ от температуры источника света

3.1.1 Расчет погрешности масштабного коэффициента ВОГ

3.1.2 Экспериментальное исследование влияния температуры источника излучения на выходной сигнал волоконно-оптического гироскопа

3.2 Причины возникновения дрейфа выходного сигнала ВОГ при температурном воздействии на источник света

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

4.1 Исследование влияния температуры многофункциональной интегрально-оптической схемы на дрейф выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа

4.2 Исследование многофункциональной интегрально-оптической схемы локальным нагревом

4.3 Исследование влияния паразитной амплитудной модуляции МИОС

4.4 Исследование влияния пироэлектрического эффекта в МИОС на дрейф выходного сигнала ВОГ

4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННОГО КОНТУРА

5.1 Математическая модель ВОГ с переменными длинами свободных концов волоконного контура, намотанного по квадрупольной схеме

5.1.1 Расчет температурного поля волоконного контура

5.1.2 Расчет паразитной разности фаз в волоконном контуре с заданным температурным полем

5.1.3 Метод вычисления интеграла по длине намотки катушки

5.2 Исследование зависимости выходного сигнала ВОГ от временных температурных градиентов в волоконном контуре

5.3 Исследование анизотропных свойств волоконного контура с временными температурными градиентами

5.3.1 Моделирование влияния временных температурных градиентов в волоконном контуре на показания ВОГ при различных направлениях распространения тепла

5.3.2 Экспериментальное исследование влияния направления температурных градиентов в волоконном контуре на дрейф выходного сигнала ВОГ

5.4 Метод компенсации дефектов ВОК с квадрупольной намоткой

5.4.1 Моделирование влияния длины плеч волоконного контура на ошибку выходного сигнала ВОГ

5.4.2 Экспериментальное исследование влияния температуры на дрейф выходного сигнала ВОГ при различных длинах плеч волоконного контура

5.5 Метод компенсации ошибки выходного сигнала ВОГ, вызванной

температурной нестабильностью волоконного контура

5.6 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК РАБОТ АВТОРА

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь ВОГ - волоконно-оптический гироскоп ВОД - волоконно-оптический датчик ВОК - волоконно-оптический контур ИОС - интегрально-оптическая схема

МИОС - многофункциональная интегрально-оптическая схема

МК - масштабный коэффициент

МКЭ - метод конечных элементов

ОВ - оптическое волокно

СКО - среднеквадратическое отклонение

ФП - фотоприемник

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь ARW - angle random walk (характеристика шума)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование метода локального температурного воздействия и его применение для компенсации дрейфа волоконно-оптического гироскопа»

ВВЕДЕНИЕ

В основе фазовых волоконно-оптических датчиков (ВОД) лежит двулучевой интерферометр, а чувствительным элементом датчика, как правило, является участок оптического волокна, входящий в состав интерферометра. Изменение фазы распространяющегося по волокну излучения определяет выходной интерференционный сигнал и позволяет регистрировать различные физические возмущения. Главное преимущество фазовых ВОД заключается в том, что чувствительность фазы излучения в оптическом волокне к внешним воздействиям значительно выше, чем чувствительность интенсивности или поляризации излучения. Поэтому фазовые ВОД являются самыми точными среди всех типов волоконно-оптических датчиков.

Однако высокая чувствительность фазовых датчиков связана с существенным недостатком, который заключается в том, что на чувствительный элемент могут воздействовать сразу несколько факторов, например, магнитное поле, механическое давление и температура. В таком случае определить влияние на датчик каждого фактора в отдельности становится трудной задачей. Кроме того, воздействие внешних факторов может распространяться и на все остальные элементы волоконно-оптического датчика: источник излучения, поляризатор (деполяризатор), разветвитель, интегрально-оптический модулятор и другие оптические элементы. Это неизбежно сказывается на выходном интерференционном сигнале, и, таким образом, возникает ошибка измерения.

Одним из основных направлений развития волоконно-оптических фазовых датчиков последнего десятилетия является разработка датчика угловой скорости (волоконно-оптического гироскопа). Многочисленные публикации свидетельствуют о том, что на данный момент главной проблемой в создании волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) является

чувствительность его выходного сигнала к температуре. Предлагается рассмотреть эту проблему.

Принцип оптического гироскопа впервые был продемонстрирован Саньяком в 1913 году [1], и заключается в том, что во вращающемся кольцевом интерферометре одна встречная волна приобретает фазовый сдвиг относительно другой встречной волны, который прямо пропорционален угловой скорости вращения, площади, охватываемой интерферометром, и частоте волны.

С развитием технологий производства современных волоконно-оптических гироскопов расширяется область их применения, выдвигаются все более жесткие требования к точностным характеристикам ВОГ: разрешающая способность и дрейф нуля от 0,01°/час до 0,001°/час, высокий динамический диапазон до 1000°/сек, высокая стабильность (К)"5) масштабного коэффициента. Однако создание серийных образцов ВОГ с подобными характеристиками связано со значительными трудностями. При кажущейся простоте прибора и всех перечисленных преимуществах он, в то же время, чрезвычайно чувствителен к малейшим внешним и внутренним возмущениям и нестабильностям, что приводит к паразитным дрейфам, т. е. к снижению точности прибора. К упомянутым возмущениям относятся температурные градиенты, акустические шумы и вибрации, флуктуации электрических и магнитных полей, оптические нелинейные эффекты, невзаимности различного рода в оптическом контуре, дробовые шумы в фотодетекторе, тепловые шумы в электронных цепях и др.

Для достижения столь высоких характеристик необходим детальный анализ влияния тепловых воздействий, как одного из основных факторов, влияющих на сигнал ВОГ. Одной из основных задач является разработка новых методов как пассивной, так и активной компенсации ошибок в выходном сигнале, возникающих в условиях изменяющейся температуры.

Многочисленные публикации, в которых обсуждается проблема теплового дрейфа, свидетельствуют о том, что для создания ВОГ навигационного класса точности требуется учет множества явлений, связанных с температурными свойствами элементов прибора.

Большинство методик тестирования и оценки параметров ВОГ в условиях изменяющейся температуры применяются к гироскопу в целом, включая источник света, пассивные волоконно-оптические элементы, интегрально-оптический фазовый модулятор и волоконный контур. Однако оптические элементы, входящие в состав ВОГ, могут иметь существенно отличающиеся температурные характеристики. Поэтому для достоверной оценки температурной зависимости выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа был предложен метод локального температурного воздействия и разработано специальное оборудование, позволяющее выделять основные элементы из общей конструкции ВОГ и исследовать их влияние на сигнал гироскопа [2].

Результаты, полученные в работе [2], показали наличие целого ряда процессов, приводящих к изменению характеристик элементов при их нагреве и, соответственно, к ошибке показаний ВОГ.

Одним из главных эффектов, оказывающих влияние на выходной сигнал ВОГ, является эффект Шупа, описанный в 1980 году [3,4]. Эффект заключается в том, что временные температурные градиенты в волоконном контуре гироскопа способствуют возникновению ошибки измеряемой угловой скорости. Эта ошибка связана с фазовой невзаимностью оптического пути для двух противонаправленных лучей, распространяющихся в волоконном контуре. Квадрупольная схема намотки чувствительного элемента ВОГ является эффективным методом подавления эффекта Шупа, однако существует остаточная ошибка, обусловленная дефектами намотки.

В решении проблемы температурной чувствительности выходного сигнала ВОГ есть два основных пути: стабилизация температуры чувствительного элемента и компенсация температурной зависимости. В первом случае необходимо обеспечить постоянство температуры волоконного контура, источника излучения, многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС) и остальных оптических элементов с высокой точностью. Во втором - компенсация температурной зависимости осуществляется алгоритмическими средствами на уровне цифровой обработки сигнала [5]. Преимуществом метода термостабилизации является тот факт, что ликвидируется сама причина ошибки выходного сигнала ВОГ — пространственные и временные температурные градиенты. Однако при этом неизбежно увеличивается потребляемая мощность ВОГ, ухудшаются его массогабаритные характеристики, и увеличивается цена. С другой стороны, метод компенсации температурной зависимости использует только математический аппарат и вычислительные ресурсы схемы цифровой обработки сигналов, но борется не с причиной, а со следствием чувствительности ВОГ к температуре и компенсирует возникающую в выходном сигнале ошибку согласно заранее вычисленной температурной модели.

Целью работы является повышение стабильности выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа интерференционного типа с обратной связью в условиях изменяющейся температуры. В число задач работы входит:

• исследование механизмов влияния температуры отдельных элементов ВОГ - волоконного контура, многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС), источника излучения - на выходной сигнал;

• создание математических моделей основных элементов, наиболее чувствительных к изменению температуры;

• разработка экспериментальных методик по исследованию температурных свойств элементов ВОГ;

• разработка конструктивных и алгоритмических методов компенсации температурного дрейфа гироскопа.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

- Впервые исследованы механизмы влияния температуры эрбиевого суперлюминесцентного источника излучения на дрейф сигнала волоконно-оптического гироскопа.

- Предложен новый метод температурной калибровки полуволнового напряжения электрооптического фазового модулятора МИОС, позволяющий учитывать температурные изменения спектра источника света.

- Впервые установлен основной источник дрейфа сигнала ВОГ при температурных воздействиях на многофункциональную интегрально-оптическую схему с Х-разветвителем, выполненную на основе кристалла 1л№>Оз по технологии диффузии титана.

- Разработана новая математическая модель, описывающая трехмерное распределение тепла в чувствительном элементе и его влияние на дрейф волоконно-оптического гироскопа при переменной длине свободных концов волоконного контура, намотанного по квадрупольной схеме.

- Предложен новый метод подавления температурной нестабильности волоконного контура путем коррекции длины выходных отрезков волокна.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

Данные, полученные в результате исследований температурных характеристик элементов волоконно-оптического гироскопа, позволили выявить основные причины влияния тепловых полей на выходной сигнал

и

прибора. На основе этих данных предложены новые конструктивные решения и рекомендации по внесению изменений в технологию изготовления ВОГ на базе ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Полученная математическая модель чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа позволяет определять характер реакции прибора на температурные воздействия как в продольном, так и в радиальном направлениях, а также подбирать оптимальные параметры чувствительного элемента, обеспечивающие наилучшую температурную стабильность выходного сигнала гироскопа.

Предложенные методы подавления температурной нестабильности элементов волоконно-оптического гироскопа и компенсации температурного дрейфа позволяют в несколько раз снизить чувствительность выходного сигнала прибора к изменениям температуры.

Защищаемые положения.

1. Описан механизм влияния температуры эрбиевого суперлюминесцентного источника излучения на дрейф сигнала волоконно-оптического гироскопа.

2. Метод температурной калибровки полуволнового напряжения электрооптического фазового модулятора МИОС, позволяющий учитывать температурные изменения спектра источника света.

3. Установлен основной источник дрейфа сигнала ВОГ при температурных воздействиях на многофункциональную интегрально-оптическую схему с Х-разветвителем, выполненную на основе кристалла ЫЫЬ03 по технологии диффузии титана.

4. Математическая модель, описывающая трехмерное распределение тепла в чувствительном элементе и его влияние на дрейф волоконно-оптического гироскопа при переменной длине свободных концов волоконного контура, намотанного по квадрупольной схеме.

5. Метод подавления температурной нестабильности чувствительного элемента ВОГ, намотанного по квадрупольной схеме, заключающийся в коррекции длин плеч волоконного контура на основе анализа реакции выходного сигнала ВОГ на температурное воздействие.

Апробация работы. Основное результаты работы докладывались и обсуждались:

- на VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, Санкт-Петербург, Россия, 13 апреля 2011 года;

- на XV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, Россия 12-15 марта 2013 года;

- на II Всероссийском конгрессе молодых ученых, Санкт-Петербург, Россия 9-12 апреля 2013 года;

- на XXI Санкт-Петербургская международной конференции по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия, 26-28 мая 2014 года.

Объектом исследования являются образцы ВОГ интерференционного типа с обратной связью, с цифровой схемой обработки сигналов и оптической схемой, работающей на одной поляризационной моде.

Достоверность научных положений. При проведении исследований применялись утверждённые методики и аттестованное оборудование. Математическое моделирование и обработка экспериментальных данных осуществлялись при помощи пакетов прикладных программ MathCad и MatLab. Представленные и обсуждаемые в диссертации результаты согласуются с известными данными, полученными, в том числе и за рубежом.

Внедрение результатов. Результаты представленных исследований используются в промышленном производстве инерциальных измерительных

модулей на базе ВОГ навигационного класса точности, а также могут применяться при производстве других волоконно-оптических датчиков для повышения их точностных характеристик.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 статьях в журналах, входящих в список ВАК. Полный перечень публикаций по теме работы, состоящий из 6 статей, представлен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти оригинальных глав и заключения, изложена на 135 листах машинописного текста, содержит 57 рисунков, список цитированной литературы содержит 60 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Причины возникновения температурной ошибки выходного сигнала волоконно-оптических датчиков, связанные с чувствительным элементом

Принцип действия большинства волоконно-оптических фазовых датчиков основан на измерении разности фаз оптических сигналов в двулучевом интерферометре, который является чувствительным элементом. Разность фаз интерферирующих волн зависит от разности оптического пути, преодолеваемого световыми лучами. Как правило, в двулучевых интерферометрах одно из плеч является опорным, и оптический путь в этом плече остается неизменным. Второе плечо - измерительное. Под действием измеряемой физической величины изменяется показатель преломления оптического волокна во втором плече интерферометра, соответственно изменяется оптический путь и фаза светового сигнала.

Однако оптический путь в двулучевом интерферометре изменяется не только вследствие воздействия измеряемой физической величины. Одним из главных факторов, влияющих на показания волоконно-оптического фазового датчика, является температура. Температурная нестабильность окружающей среды вызывает изменение показателя преломления и длины оптического волокна. Как следствие, изменяется оптический путь и фаза светового сигнала не только в измерительном плече, но и в опорном, притом влияние температуры на каждое плечо различно. Разница оптических путей в опорном и измерительном плечах интерферометра определяет рабочую точку фазового ВОД. Таким образом, в условиях изменяющейся температуры рабочая точка интерферометра зависит от времени, следовательно, будет наблюдаться так называемый «дрейф нуля».

Конструкция волоконно-оптического гироскопа такова, что интерферирующие лучи проходят по одному и тому же волокну, что на первый взгляд исключает проблему температурного дрейфа нуля. Однако исследования показали, что это не так.

Изменение температуры окружающей среды и собственное тепловыделение (например, от электроники, входящей в состав ВОГ) влияют на распределение тепла внутри гироскопа. Обычно рассматривают три фактора, вызывающих температурную ошибку в выходном сигнале: собственно температура, температурный пространственный градиент и скорость изменения температуры. Считается, что температурный пространственный градиент и скорость изменения температуры оказывают значительно больший эффект на выходной сигнал ВОГ, чем просто абсолютное значение температуры.

В 1980 году Шуп показал, что в условиях быстро изменяющейся температуры показатель преломления оптического волокна в каждом секторе волоконного контура будет различным [3, 6]. Соответственно, два световых луча, распространяющихся навстречу друг другу в волоконном контуре, будут проходить различный оптический путь. Этот невзаимный эффект, известный как эффект Шупа, порождает ошибку в измеряемой угловой скорости. Выражение для фазовой ошибки А<рЕ выглядит следующим образом:

где X — длина волны излучения, с — скорость распространения излучения в вакууме, п0 - показатель преломления сердцевины волокна, а -температурный коэффициент, определяющий зависимость показателя преломления волокна от температуры, - функция, описывающая

(1)

изменение температуры на протяжении волоконного контура, Ь — длина волоконного контура, -6 — координата точки волокна в катушке.

Для подавления температурной невзаимности применяются различные схемы намотки оптического волокна (ОВ) в чувствительном элементе, главная цель которых заключается в обеспечении одинаковых условий для участков волокна, равноудаленных относительно его центра за счет симметричности структуры намотки. Наиболее широкое распространение получила квадрупольная схема намотки [7-9], применение которой позволило значительно снизить влияние эффекта Шупа [10, 11]. Однако квадрупольная намотка не может полностью исключить возникновение температурного дрейфа ВОГ, так как в многослойной структуре волоконно-оптического контура (ВОК) неизбежно присутствуют дефекты, обусловленные параметрами используемого оптического волокна или применяемой технологией намотки [А1, А2], вследствие чего нарушается симметричность чувствительного элемента [12,13].

Количественный анализ, основанный на температурной модели ВОГ, свидетельствует о необходимости учета температурных характеристик волоконного контура, а также внешних физических факторов, для разработки методик эффективного подавления температурного дрейфа в волоконно-оптических гироскопах [11, 14]. Теплопроводность волоконного контура и температурная зависимость эффективного показателя преломления ОВ в катушке являются критичными факторами для оценки влияния эффекта Шупа, поэтому для решения обозначенной проблемы необходимо рассматривать эти параметры детально.

В работе [15] исследуются тепловые переходные процессы в ВОК, в частности зависимость температурных характеристик волоконного контура от значения его средней температуры. Расчет температурного поля в волоконном контуре является нетривиальной задачей, так как конструкция

ВОК включает несколько материалов с различными свойствами. Как правило, оптическое волокно в полимерном покрытии наматывается на металлический или композитный каркас и пропитывается силиконовым компаундом для создания монолитной структуры (рис. 1.1). При этом, в случае изменения температуры ВОК из-за взаимодействия разнородных материалов в катушке могут возникнуть вторичные эффекты, такие как механические напряжения или деформации [16, 17].

Рис. 1.1 (а) - Схематическое изображение ВОК, (б) - структура ВОК с квадрупольной намоткой в разрезе [15]

В работе [15] приводится выражение для фазовой ошибки ВОГ, вызванной температурным воздействием в радиальном направлении волоконного контура:

Ч = ДЩоИ^ан-С.^пуг} -(*щ»,2>-1 (2)

1=1

где АТ - разница температуры катушки и окружающей среды, АТ -производная по времени от АТ, Ь - длина волоконного контура, N - номер слоя в катушке, ^ - координата элемента волокна на у'-ом слое катушки, А -амплитуда эффекта Шупа, равная

. кп(с!п у А = —--1- ап

с

\с1Т

кп с1п

~с'1т

здесь к - волновой вектор в вакууме, п — показатель преломления волокна, с — скорость света в вакууме, а - линейный коэффициент температурного

расширения волокна, — — коэффициент зависимости показателя

преломления волокна от температуры, зависящий от неоднородной структуры волоконного контура и температурных воздействий. Для количественной оценки фазовой ошибки необходимо определить функцию АТ.

Существует два основных метода решения данной задачи: первый из них основывается на методе конечных элементов (МКЭ) [14], а второй предполагает решение аналитического уравнения теплопроводности катушки [11]. В работе [15] используется одномерная модель теплопроводности ВОК, соответствующая следующему уравнению:

д2АТ _ дАТ дг2 ~ Ы

К =

РсСр

где К - коэффициент потока тепла в материале катушки, к - коэффициент теплопроводности материала катушки, рс - плотность материала катушки, ср - коэффициент теплоемкости материала катушки, г - радиальная координата катушки. Если известны начальные условия АТ(г,0) и граничные условия АТ(0,(), то функция АТ(может быть рассчитана. Тогда ошибка определения угловой скорости, вызванная температурным воздействием на ВОК, определяется по формуле:

е 2пШ

где X - центральная длина волны оптического излучения в ВОГ, £> - средний диаметр витков в катушке. Стоит отметить, что авторы работы [15]

разделяют коэффициент потока тепла в каркасе К8 (основе катушки) и в намотанном волокне - Кс, и утверждают, что критическими для расчета

величинами являются и Кс.

с1Т

Моделирование температурного дрейфа, вызванного эффектом Шупа, для различных начальных условий показало следующие результаты: рис. 1.2 (б). Для расчета ошибки угловой скорости граничные условия АТ(О^) определялись экспериментально (рис. 1.2 (а)), а начальные условия АТ(г,0) задавались значениями средней окружающей температуры ВОК: -30°С, -10°С, 10°С, 30°С и 50°С.

Время, с

Рис. 1.2 (а) - Измеренные граничные условия ЛТ(О,0, (б) - расчетные характеристики температурного дрейфа выходного сигнала ВОГ, вызванного эффектом Шупа, при различных значениях окружающей температуры [15]

По результатам моделирования видно, что амплитуда и продолжительность переходного процесса в выходном сигнале ВОГ, вызванного температурным воздействием, увеличивается с ростом окружающей температуры. Аналогичную зависимость показали экспериментальные данные [15].

В работе [18] рассматривается механизм возникновения ошибки в выходном сигнале ВОГ, обусловленный несовершенством структуры

волоконного контура. Рассматривается воздействие температурного градиента в радиальном направлении волоконного контура. Основным критерием ошибки представляется асимметрия намотки волоконного контура, при которой центр оптического волокна смещен относительно центра намотки контура (рис. 1.3). Если участок оптического волокна, намотанный на катушку против часовой стрелки, короче участка оптического волокна, намотанного по часовой стрелке на величину /, тогда центр оптического волокна сместится на величину 1/2. Соответственно, изменятся оптические пути для лучей, распространяющихся в контуре навстречу друг Другу-

(а) (б)

Рис. 1.3 - Схемы квадрупольной намотки, (а) - симметричная намотка, (б) - асимметричная намотка [18]

Для обозначения разности оптических путей авторы работы вводят параметр 1эфф - эффективную длину асимметрии, от которой зависит ошибка в выходном сигнале ВОГ, вызванная эффектом Шупа. Фазовая ошибка А(рЕ, индуцируемая эффектом Шупа, порождает ошибочный сигнал угловой скорости йЕ. Для оценки влияния эффекта Шупа на выходной сигнал ВОГ, авторы используют параметр у/е - угловую ошибку, являющуюся результатом интегрирования QE по времени. В результате получены выражения угловой

ошибки у/ео для случая симметричной намотки (1Эфф = для случая несимметричной намотки (1Эффф 0):

0) и угловой ошибки у/е

Уео (3)

N-1

¥е = ГтЯ = Уео--' Я • Кфф (4)

г

Ут=Г

М-1, ^

N у

Кфф -7 'К (5)

ЛГ п дп

где N - количество слоев в катушке, у = ^ - параметр, связывающий

зависимость показателя преломления оптического волокна от температуры и

2

диаметр катушки Д 1К = ЬЖ - (Ы - 1)/тэфф - общая асимметрия волоконного контура, дТ — разница температуры внешнего и внутреннего слоев. Параметр ут - так называемая «удельная угловая ошибка».

Важно заметить, что в случае симметричной намотки (1эфф = 0) угловая ошибка, вызванная эффектом Шупа, не равна нулю и уменьшается обратно

-у

пропорционально N . Авторы работы [18] предполагают, что угловая ошибка может быть снижена до нуля, если в волоконный контур искусственно ввести асимметрию 1эфф = Ь/(И(Ы - 1)). Учитывая, что первый и четвертый слои каждого квадруполя находятся на большем расстоянии друг от друга и более подвержены температурным воздействиям, чем второй и третий слои (см. рис. 1.3), для компенсации угловой ошибки необходимо сократить длину волокна на внешнем слое контура на величину Ь/(И(Ы- 1)).

1.2 Причины возникновения температурной ошибки выходного сигнала волоконно-оптических датчиков, связанные с интегрально-оптическим модулятором

1.2.1 Температурная нестабильность электрооптического коэффициента фазового модулятора

Известно, что применение фазовой модуляции в волоконно-оптических датчиках интерференционного типа позволяет линеаризовать отклик интерферометра и повысить чувствительность датчика за счет смещения рабочей точки в линейную область передаточной функции [19-22]. Однако стоит отметить, что характеристики фазового модулятора могут в значительной степени влиять на точность показаний ВОД.

Результаты работ [23, 24], посвященных температурной стабильности волоконно-оптических датчиков угловой скорости, свидетельствуют о том, что одной из основных причин изменения величины масштабного коэффициента (МК) является изменение характеристик электрооптического модулятора. В современных ВОГ электрооптический модулятор выполняется в виде многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС), включающей также поляризатор и разветвитель.

В схеме ВОГ с замкнутой системой цифровой обработки [19] при применении прямоугольной смещающей модуляции измеряемая скорость вращения становится пропорциональной так называемой «подставке». «Подставкой» в данном случае является усредненное значение скорости нарастания управляющего напряжения А и, подаваемое на модулятор для возвращения в рабочую точку, деленное на полуволновое напряжение ия. Таким образом, с учетом прямоугольной смещающей модуляции и применения «первой обратной связи», стремящейся вернуть рабочую точку в линейную область:

■A U(t)t

LD 2 ил

где t - время, Хс - центральная длина волны, с - скорость света, D - диаметр катушки, L- длина волокна, UK - полуволновое напряжение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рупасов, Андрей Викторович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Burns W. К. Fiber Optic Gyroscopes - Light is Better I I Optics & Photonics News. - 9(5), 28. - 1998.

2. Шарков И.А. Исследование и пути компенсации тепловых воздействий на сигнал волоконно-оптического гироскопа. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, диссертация - 2013.

3. Shupe D. М. Thermally induced nonreciprocity in the fiber optic interferometer // Applied Optics. - 9. -1980. - p. 654-655.

4. Джашитов В. Э., Панкратов В.М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий // ISBN 5-900780-57-0 Россия — Санкт-Петербург: ЦНИИ "Электроприбор", 2005.

5. Zhang Y. S., Wang Y. Y., Yang Т., Yin R., Fang J. C. Dynamic angular velocity modeling and error compensation of one-fiber fiber optic gyroscope (OFFOG) in the whole temperature range // Measurement Science & Technology, 23. - 2012. - p. 1-6.

6. Mohr F. Thermooptically induced bias drift in fiber optical Sagnac interferometers //J. Lightwave Technol. 14. - 1996. - p. 27-41.

7. Pat. 5351900 USA. Method of manufacture of quadrupole-wound fiber optic sensing coil / Everett M. Torney. - 1994. № 964,089.

8. Pat. 4856900 USA. Quadrupole-wound fiber optic sensing coil and method of manufacture thereof / Mirko Ivancevic. - 1989. № 57,626.

9. Pat. 7090162 B2 USA. Apparatus and method of winding optical fiber sensor coil for fiber optic gyroscope / Chan Gon Kim, Hyuk Jin Yoon, Sang Guk Kang, Won Jun Lee. - 2006. № 10/732,772.

10. Frigo N. J.. Compensation of linear sources of nonreciprocity in Sagnac interferometers // Proc. SPIE 412, 268-271. - 1983.

11. Lofts С. M., Parker M., Sung С. C. Investigation of the effects of temporal thermal gradients in fiber optic gyroscope sensing coils // Opt. Eng. 34. -1995.-p. 2856-2863.

12. Мешковский И.К., Унтилов A.A., Киселев C.C., Куликов А.В., Новиков P.JI. Качество намотки чувствительного элемента

волоконно-оптического гироскопа // Известия ВУЗов. Приборостроение. - Т. 54, №7. -2011.-е. 76-80.

13. Ming J., Gongliu Y. Research of Optical Fiber Coil Winding Model Based on Large-deformation Theory of Elasticity and Its Application // Chinese Journal of Aeronautics. -24. - 2011. - p. 640-647.

14. Tirat O. F. J., Euverte J. F. M. Finite element model of thermal transient effect in fiber optic gyro // Proc. SPIE. - 2837. -1996. - p. 230-238.

15. Choi W.-S. Analysis of Temperature Dependence of Thermally Induced Transient Effect in Interferometric Fiber-optic Gyroscopes // Journal of the Optical Society of Korea. - Vol. 15, - No. 3. - September 2011. - p. 237243.

16. Pat. 5371593 USA. Sensor coil for low bias fiber optic gyroscope / Cordova A., Bilinski D. J., Fersht S. N., Surabian G. M., Wilde J. D., Hinman P. A. -1994.

17. Mohr F., Schadt F. Rigorous treatment of fiberenvironmental interactions in fiber gyroscopes // Proc. IEEE REGION 8 SIBIRCON 2008. -Новосибирский Научный Центр, - Россия. - июль 2008. - с. 372-375.

18. Z. Li, Z. Meng, Т. Liu, X. Steve Yao, «А novel method for determining and improving the quality of a quadrupolar fiber gyro coil under temperature variations», Optics Express, Vol. 21, № 2, 2521 - 2530 (2013)

19. Lefevre H.C. The Fiber-Optic Gyroscope // - Artech House. - 1993.

20. Yin S., Ruffin P.B., Yu F. Fiber Optic Sensors. Second edition // - CRC Press. - 2008.

21. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики // Перевод Г.Н.Горбунова / Энергоатомиздат, Ленинградское отделение. - 1991.

22. Udd Е., Schulz W., Seim J. Fiber optic sensors for infrastructure Applications // Oregon Department of Transportation. - 1998.

23. Wise J.A. Liquid in Glass Thermometry // NBS Monograph — №150. — 1976.

24. Курбатов A.M. Способ стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа // 2160885. - дек. 20, 2000.

25. Ярив А. Введение в оптическую электронику. // М: Высшая школа. -1983. —с. 399.

26. Zook D.J., Chen D., Otto G.N. Temperature Dependence and model of the elecro-optic effect in LiNb03 // Appled physics letters. — №5, — Выпуск 11. —с. 159-161.

/

27. Андреев А.Г., Ермаков B.C., Курбатов A.M. Способ стабилизации масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа // 2234680.-авг. 20, 2004.

28. Мао С., YANG G. Application of pseudo-random modulation in full-digital closed-loop optic fiber gyroscope // Electronic Engineering. — №29., Выпуск 6. — 2003. — с. 80-83.

29. Мешковский И.К., Мирошниченко Т.П., Рупасов А.В., Стригалёв В.Е., Шарков И.А. Исследование влияния тепловых воздействий на работу волоконно-оптического датчика угловой скорости // XXI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - 26-28 мая 2014, Санкт-Петербург, Россия. - Санкт-Петербург: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - 2014. - с.191-202.

30. Bulmer С.Н., Burns W.K., Hiser S.C. Pyroelectric effects in LiNb03 channelwaveguide devices // APLLIED OPTICS Letters. - 48, - 1036. -1986.

31. Nagata H., Ichikawa J. Progress and problems in reliability of Ti:LiNb03 optical intensity modulators // Optical Engineering. - 34(11). - 1995.

32. Lucchi F. et. al. Very low voltage single drive domain inverted LiNb03 integrated electro-optic modulator // OPTICS EXPRESS. - Vol. 15, - No. 17.-2007.

33. Пономарев P.C. Структурная модель дрейфовых явлений в интегрально-оптических схемах на основе LiNb03 канальных волноводов. Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, диссертация - 2014.

34. Nayyer J., Nagata Н. Suppression of Thermal Drifts of High Speed Ti:LiNb03 Optical Modulators // IEEE Photonics Technology Letters. -Vol. 6, - № 8. - Augest 1994. - p. 952-955.

35. Nagata H., Kiuchi K. Temperature dependence of dc drift of Ti:LiNb03 optical modulators with sputter deposited Si02 buffer layer // Journal of Applied Physics. - 73, - 4162. -1993.

36. Ner M.S., Sharp C., Gibson D.R. Environmental performance of LiNbCb based guided wave optical devices // SPIE. - Vol. 1180, - 1989. - p. 183184.

37. Ogawa O., Sowa Т., Ichizono S. A Guided-Wave Optical Electric Field Sensor with Improved Temperature Stability // Journal of lightwave technology. - Vol. 17, - No. 5. - May 1999. -p. 823-830.

38. Lon A. Wang H. C. Su A Highly Efficient Polarized Superfluorescent Fiber Source for Fiber-Optic Gyroscope Applications // IEEE photonics technology letters. — №15., Выпуск 10. — 2003.

39. Michel J. F. Digonnet, Herbert J. Shaw Jefferson L. Wagener A High-Stability Fiber Amplifier Source for the Fiber Optic Gyroscope // JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. — №15., Выпуск 9. — 1997.

40. 1550 nm Superluminescent Diodes // http://www.thorlabs.com

41. SLD-76-HP: High-Power SLDs at 1440,1480,1560 nm // Superlum Diodes, Ltd.

42. Li W., Ronkko R., Rydefalk A., Poyhonen P., Pessa M. Superluminescent diodes at 1.55 цт based on quantum-well and quantum-dot active regions //SPIE. —№5739. —2005. —c. 116-121.

43. We J., Shidlovski V. Superluminescent Diodes for Optical Coherence Tomography // — №4648. — 2002. — c. 139-147.

44. Ong T.-K., Yin M., Yu Z., Chan Y.-C., Lam Y.-L. Wide spectral width superluminescent diodes fabricated by quantum well intermixing // SPIE. -№4996.-2003.

45. Davis P. G., Bush J. Broadband erbium source for fiber optic sensor applications // Third Pacific Northwest Fiber Optic Sensor Workshop 10, -September 2. -1997.

46. Bergh, R. A., Lefevre H. C., Shaw H. J. An overview of fiber-optic gyroscopes // Journal of lightwave technology. - Vol. LT-2. - 1984.

47. Mi J., Zhang C., Li Z., Wu Z. Bias phase and light power dependence of the random walk coefficient of fiber optic gyroscope // Chinese optics letters. - Vol. 4, - No. 7. - 2006. - p. 379-381.

48. Алейник A.C. Исследование и повышение точностных параметров волоконно-оптических гироскопов. Санкт-Петербургский

Национальный Исследовательский Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики, Санкт-Петербург, диссертация -2012.

49. Da Silva А. С., Rabelo R. С., De Carvalho R. Т., Blake J. N. Coil architectures for optical fiber rotation sensing // Revista de Fisica Aplicada e Instrumentacao. - vol. 13, - No. 3. - Setembro 1998. - p. 44-49.

50. Pat. 5168539 USA. Fiber optic coil and method of manufacturing same / Negishi H., Takuechi Y., Kasahara Y., Honjoya Y. -№ 800,041. -1994.

51. Pat. 5475774 USA. Optical fiber sensor coil using reverse quadrupoles and method of winding same / Goettsche R.P., Bergh R.A. - 1994.

52. Lompado A. et al. Geometrical and polarization analyses of crossover-free fiber optic gyroscope sensor coils // Proc. of SPIE. - Vol. 6314, - 63140E. - 2006.

53. Williams M. Optical fiber placement for crossover-free fiber optic gyros // Proc. of SPIE. - Vol. 6314, - 631401. - 2006.

54. Патент 2295112 РФ. Способ намотки чувствительной катушки волоконно-оптического гироскопа / A.M. Курбатов. - 2005.

55. Pat. 5545892 USA. Gyro sensor coil with low-friction hub interface / Bilinski et al. - №299,585. - 1994.

56. Pat. 20070206196 USA. Fiber optic sensor coil including a restraining ring and method of forming / Heffner et al. - № 11/291,797. - 2007.

57. Pat. 5329349 USA. Method for tuning fiber optic sensor coils / Patterson R.A., Wilde J.D. - №58,123. - 1993.

58. Chalfant С. H., Patapoff T.W. A new approach to correct for the phase error due to temperature changes in fiber optic gyroscopes // - p.518-521.

59. Chen X., Shen C. Study on error calibration of fiber optic gyroscope under intense ambient temperature variation // Applied Optics. -2012. - p. 3755-3762.

60. [Refractive Index.info] URL: http://refractiveindex.info.

/ 135

СПИСОК РАБОТ АВТОРА

Из списка ВАК:

AI. Шрамко O.A., Рупасов A.B., Новиков P.JI. Исследование зависимости степени сохранения поляризации в чувствительном элементе волоконно-оптического гироскопа от радиуса намотки волокна // Гироскопия и навигация. - Санкт-Петербург, - Вып. №2 (81). - 2013. - с.148.

А2. Шрамко O.A., Рупасов A.B., Новиков P.JL, Аксарин С.М. Метод исследования h-параметра анизотропного световода от радиуса изгиба // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург. - Вып. №1 (89). - 2014. - с. 26-31.

A3. Шарков И.А., Рупасов A.B., Стригалев В.Е., Волковский С.А. Влияние температурной нестабильности характеристик источника на показания волоконно-оптического гироскопа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Вып. 6. - №86. -\ 2013. - с. 31-35.

t

Другие публикации:

A4. Шрамко O.A., Дейнека И.Г., Аксарин С.М., Плотников М.Ю., Рупасов A.B. Исследование пространственного распределения выходного излучения полосковых волноводов, выполненных на основе ниобата лития // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. -Выпуск 2 / Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО. -2011.-е. 71-72.

А5. Мешковский И.К., Мирошниченко Г.П., Рупасов A.B., Стригалёв В.Е., Шарков И.А. Исследование влияния тепловых воздействий на работу волоконно-оптического датчика угловой скорости // XXI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 26-28 мая 2014, Санкт-Петербург, Россия. -Санкт-Петербург: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - 2014. -с. 191-202.

А6. Meshkovsky I.K., Miroshnichenko G.P., Rupasov A.V., Strigalev V.E., Sharkov I.A. Influence of thermal effect on performances of the fiber optic gyroscope // 21 st. Saint-Petersburg international conference on integrated navigated systems, 26-28 may 2014, Saint-Petersburg, Russia. - Saint-Petersburg, Concern CSRI Elektropribor, JSC. - 2014. - p. 245-253.