Влияние задержки детектирования теплового воздействия на компенсацию дрейфа фазы саньяка в волоконно-оптическом гироскопе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Смирнов Даниил Сергеевич

• Смирнов Даниил Сергеевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Смирнов Даниил Сергеевич

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1 Современные волоконно-оптические гироскопы

1.1.1 Дрейф нуля ВОГ от температуры

1.2 Методы снижения теплового дрейфа ВОГ

1.3 Свойства ВОК и методы определения теплового дрейфа ВОГ

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАДЕРЖКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ КОНТУРЕ

1.5 Конструкция ВОК

1.6 Моделирование теплового воздействия на ВОК

1.7 Измерение температуры ВОК

1.7.1 Измерение температуры с применением термопар

1.7.2 Точечное измерение температуры оптического волокна

1.7.3 Распределенное измерение температуры оптического волокна

1.8 Измерение температуры волокна методом частотной рефлектометрии

1.9 Сравнение данных рефлектометрии и показаний датчиков температуры

1.10 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЗАДЕРЖКИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ АЛГОРИТМИЧЕСКИ

1.11 Алгоритм вычисления задержки температуры

1.12 Экспериментальная установка

1.13 Анализ полученных данных

1.14 Выводы по главе

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК РАБОТ АВТОРА

ПРИЛОЖЕНИЕ А

РЕФЕРАТ

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы.

Для измерения параметров окружающей среды оптическое волокно может использоваться как в качестве средства переноса информации, так и непосредственно в качестве чувствительного элемента [1]. Так, измерительные устройства на основе оптического волокна называются волоконно-оптическими датчиками. Системы, созданные на основе волоконно-оптических датчиков, имеют ряд преимуществ, среди которых высокая чувствительность, малый вес и объем, электромагнитная помехозащищенность [1]. Приборы на основе таких датчиков получили широкое распространение и на сегодняшний день производятся во множестве развитых стран.

Волоконно-оптический гироскоп - это волоконно-оптический датчик, предназначенный для регистрации угловой скорости. Такие датчики, по сравнению с механическими гироскопами, имеют ряд достоинств: отсутствие подвижных элементов, меньший вес, более высокая точность. Благодаря этому ВОГ является неотъемлемой частью многих навигационных систем.

Развитие технологической базы за последние десятилетия позволяет постоянно совершенствовать характеристики ВОГ. Это расширяет возможности применения приборов на их основе в наземном и космическом применении, однако, одновременно с этим повышаются требования к стойкости в неблагоприятных условиях эксплуатации.

Дрейф детектируемой угловой скорости является одной из ключевых характеристик ВОГ. Одним из источников дрейфа угловой скорости является температура окружающей среды. Для снижения дрейфа, вызванного тепловым воздействием, существует несколько подходов: модернизация компонентов изделия, температурная стабилизация и алгоритмическая компенсация.

Исследование компонентов ВОГ продемонстрировано в ряде научных работ: так, работы [2-4] посвящены исследованию модификации техники намотки для снижения теплового дрейфа ВОГ. Несмотря на перспективность приведенных в статьях методов, представленные результаты демонстрируют незначительное улучшение точностных характеристик.

Использование устройств, призванных стабилизировать температуру элементов ВОГ, должно нивелировать проблему возникновения теплового дрейфа. Однако элементы термостабилизации увеличивают массогабаритные характеристики прибора и энергопотребление.

Алгоритмический подход к уменьшению температурного дрейфа сигнала ВОГ подразумевает совершенствование алгоритмов управления и цифровой обработки сигнала с целью компенсации влияния температуры окружающей среды на полезный сигнал, и обычно включает в себя: фильтрацию сигнала, вычисление зависимости сигнала от температуры, последующую манипуляцию с сигналом и полученными температурными данными. Однако, при высоких скоростях изменения температуры окружающей среды становится актуальным местоположения датчиков температуры и, как следствие, задержки детектирования температуры относительно изменения температуры ЧЭ ВОГ, поскольку отсутствие синхронности может вызвать ошибку компенсации сигнала, ведущую к снижению точностных характеристик ВОГ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние задержки детектирования теплового воздействия на компенсацию дрейфа фазы саньяка в волоконно-оптическом гироскопе»

Цель работы.

Исследование задержки детектирования теплового воздействия в волоконно-оптическом контуре и его влияния на дрейф фазы Саньяка в волоконно-оптическом гироскопе для улучшения характеристик выходного сигнала ВОГ.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

• Исследовать задержки детектирования теплового воздействия в волоконно-оптическом контуре с использованием метода оптической частотной рефлектометрии;

• Оценить задержки детектирования теплового воздействия в волоконно-оптическом контуре алгоритмически;

• Компенсировать тепловой дрейф волоконно-оптического гироскопа с учетом задержки детектирования теплового воздействия в волоконно-оптическом контуре.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

• Предложен метод измерения задержки детектирования температуры в волоконно-оптическом контуре внешними температурными датчиками с использованием методов частотной рефлектометрии;

• Предложен метод компенсации дрейфа сигнала ВОГ, вызванного тепловыми воздействиями, с учетом задержки детектирования температуры окружающей среды относительно реакции выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа;

• Предложен и продемонстрирован алгоритмический метод оценки задержек детектирования датчиками температуры теплового воздействия на волоконно-оптический контур для повышения точностных характеристик волоконно-оптического гироскопа.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Практическое значение работы состоит в следующем:

Предложенные в работе методы позволяют анализировать и оценивать задержку между реакцией волоконно-оптического гироскопа на тепловое воздействие и временем регистрации этого теплового воздействия термодатчиками, установленными в конструкции чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа; при использовании нескольких термодатчиков метод позволяет оценить задержку для каждого из них в

отдельности; внесение в модель компенсации информации о задержке позволяет повысить точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа.

Положения, выносимые на защиту.

• Исследование распределения температуры в волоконно-оптическом контуре с использованием метода частотной рефлектометрии позволяет получить задержку детектирования температуры датчиками температуры, установленными на поверхности волоконно-оптического контура.

• Метод оценки задержек распространения теплового воздействия в волоконно-оптическом контуре с использованием методов оптимизации позволяет уменьшить погрешность компенсации теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа при резких изменениях температуры до 2 градусов Цельсия в минуту с величины стандартного отклонения 2.191°/ч до 0.049°/ч.

• Метод компенсации дрейфа фазы Саньяка волоконно-оптического гироскопа, учитывающий задержку детектирования температуры для каждого внешнего датчика температуры в отдельности, позволяет снизить тепловой дрейф сигнала волоконно -оптического гироскопа с величины стандартного отклонения 1.42°/ч до 0.04°/ч.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IX научно-практической конференции «Майоровские чтения» (Санкт-Петербург, Россия, 2017); на V, VI и VII Конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2016, 2017, 2018); на конференции им. Острякова (2020), на XXVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (2021).

Достоверность научных достижений.

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 Matlab. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными, а также подтверждены испытаниями на аттестованном стендовом оборудовании. Стендовое оборудование сертифицировано.

Публикации по теме работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в статьях, входящих в списки ВАК, Scopus и РИНЦ.

Структура и объем диссертации.

Настоящая диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, определена цель исследовательской работы, определены задачи для достижения поставленной цели.

В первой главе приведен принцип работы волоконно-оптического гироскопа (ВОГ). В основе ВОГ лежит эффект Саньяка: при распространении вдоль оптического контура двух пучков света в противоположных направлениях разность фаз между ними равна нулю, если система находится в покое; однако, при наличии угловой скорости вращения между пучками возникает разность фаз пропорциональная угловой скорости:

2пЮ (1) Д^ = —-П, ()

АоС

где Д^ - разность фаз между пучками света, 1,0 - длина и диаметр контура, А0 - длина волны в вакууме, с - скорость света в вакууме, П - угловая скорость. Схема интерферометра Саньяка представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Базовая схема интерферометра Саньяка

Также в главе продемонстрирована проблема теплового дрейфа сигнала ВОГ. Одним из источников дрейфа сигнала ВОГ является влияние на элементы ВОГ температуры окружающей среды. Ряд работ рассматривает влияние температуры на разные компоненты ВОГ [5-9], в том числе на источник оптического излучения, многофункциональную интегральную оптическую схему (МИОС) [10,11]. При этом, одним из важнейших элементов для исследования температурной зависимости ВОГ является чувствительный элемент (ЧЭ) - волоконно-оптический контур.

Литературный обзор показал два основных направления исследований снижения теплового дрейфа ВОГ, вызванного изменением температуры ЧЭ:

• Технологические методы снижения дрейфа;

• Алгоритмические методы снижения дрейфа.

Технологические методы в свою очередь включают в себя методы по

совершенствованию характеристик ЧЭ с целью снижения его чувствительности к температуре и методы по снижению теплового воздействия на ВОГ.

В работе [8] авторы рассматривают использование катушки волокна с воздушной сердцевиной (air-core fiber) демонстрируя снижение теплового дрейфа ВОГ на её основе по сравнению с аналогичной катушкой с волокном SMF-28. При этом, технологическая сложность изготовления и изменение эксплуатационных характеристик волокна с воздушной сердцевиной ставит под сомнение целесообразность его применения.

В работах [2-4,12] продемонстрирован подход к снижению теплового дрейфа ВОГ путем совершенствования метода намотки оптического волокна на корпус. Предлагаемые методы незначительно уменьшают тепловой дрейф ВОГ, что требует дополнительных работ по компенсации.

Технологический подход к стабилизации температуры не требует доработки самих элементов ВОГ, и состоит в минимизации тепловых воздействий на конструкцию прибора. Использование такого подхода детально рассмотрено в работах [13] и [14]. Несмотря на достоинства данного

подхода, использование дополнительных элементов в конструкции значительно увеличивает массу, габариты прибора и его потребляемую мощность.

Алгоритмические методы подразумевают компенсацию сигнала ВОГ путем вычисления величины дрейфа алгоритмическим путем и его вычитания из сигнала ВОГ. Известно, что источниками дрейфа сигнала ВОГ, вызванного изменением температуры, являются так называемый термооптический эффект Шупе [15] и упругооптический эффект (T-dot). При этом, изменение упругих деформаций в волокне, являются превалирующим фактором, влияющим на дрейф фазы Саньяка [16]. Последующие исследования позволили построить более точные модели волоконно-оптического контура [17,18].

На основе описанных исследований авторами различных научных коллективов разрабатываются алгоритмические методы по вычислению теплового дрейфа ВОГ и дорабатывают их, используя экспериментальные данные, получаемые при контролируемом тепловом воздействии на ВОГ.

Так, в работе [19] авторы приводят алгоритм оценки теплового дрейфа, включающий в себя информацию о температуре, её первой и второй производных. При этом коэффициенты получаемой зависимости определяются на основе экспериментальных данных.

В работах [6,20-22] продемонтстрировано использование нейросетевых алгоритмов для вычисления теплового дрейфа ВОГ: показана эффективность компенсации на основе многослойного персептрона (MLP), радиально-базисной сети (RBF), и сети на основе сигма-точечного фильтра Калмана (IUKF).

Литературный обзор продемонстрировал актуальность алгоритмической компенсации теплового дрейфа ВОГ; при этом, в условиях высокой скорости температуры (до двух градусов Цельсия) проявляется проблема задержки детектирования температуры: модель в работе [23] демонстрирует, что даже в случае установки датчиков температуры на поверхность ВОК детектируемая температура будет отличаться от температуры ЧЭ. В работе [24] на участках

резкого изменения температуры на графике скомпенсированного сигнала ВОГ заметно снижение эффективности компенсации, которое может быть вызвано отсутствием синхронизации между данными температуры, получаемыми с датчиков в конструкции ВОК и используемых для компенсации, и тепловым дрейфом ВОГ, что приводит к появлению выбросов в скомпенсированном сигнале.

В результате литературного обзора сформулирована цель работы и поставлены задачи.

Во второй главе подробно рассмотрена конструкция ВОК и модель теплового воздействия на него, демонстрирующая наличие задержки детектирования температуры. ВОК представляет собой оптическое волокно, которое уложено на бобину. Для снижения температурных пространственных градиентов в конструкции используется буферное волокно [23] (рисунок 2). При этом бобина может быть эллиптической формы [25] а также с дополнительными ребрами жесткости [26]. Одним из наиболее распространенных методов намотки оптического волокна является квадрупольная намотка [27]. При этом, для обеспечения монолитности конструкции и частичной релаксации механических напряжений в волокне зазоры между слоями волокна заполняются специальным компаундом [27].

Рисунок 2 Внешний вид ВОК (слева) и вид в разрезе с датчиками

температуры (справа)

Моделирование конструкции ВОК произведено в среде моделирования Comsol Multiphysics 5.4. Моделирование произведено со следующими допущениями:

• Модель построена с учетом идеальной укладки витков оптического волокна;

• В качестве измерителя температуры в модели используется стандартный датчик температуры Pt1000 в smd исполнении формата 0603;

• Расположение моделируемого датчика обусловлено реальной конструкцией ВОК;

• Модель не учитывает возможных особенностей конструкции ВОК: крепежных элементов, способов намотки, корпуса и пр., поэтому формы и размеры бобины, количество витков волокна и зазоры между ними взяты на базе макета ВОГ, используемого в данном исследовании.

Схематичное изображение модели в среде Comsol Multiphysics представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 Осесимметричная модель ВОК в разрезе с установленным на

поверхности термодатчиком Р^000

Описанная модель ВОК подвергалась тепловому воздействию, вызванному изменением температуры окружающей среды со средней скоростью 2 градуса Цельсия в минуту. Значения температуры в точке ВОК и на датчике температуры в процессе моделирования продемонстрировано на рисунке 4.

Время, секунды

Рисунок 4 Регистрируемая температура в модели ВОК: синим обозначена температура ВОК, оранжевым - температура датчика

На приближенной части графика продемонстрировано, что в момент наибольшей скорости изменения температуры значения температуры отличаются более чем на 1 градус Цельсия, что может значительно влиять на качество работы алгоритмов термокомпенсации.

Задержка детектирования температуры в том числе зависит от сборочного процесса ВОК, и её величина изменяется от датчика к датчику. Поскольку построить точную модель с учетом производственных особенностей затруднительно, необходимо рассмотреть методы по экспериментальному определению величины задержки детектирования.

В главе продемонстрирован обзор методов, которые могут применяться для проведения оценки задержки детектирования температуры. Так, использование датчиков температуры, закрепленных вблизи оптического волокна, как это предложено в работе [9], требует значительного изменения

конструкции, которое может повлечь за собой негативные последствия, в частности, при вибрационных воздействиях уровень шумов в сигнале ВОГ может значительно увеличиться. В случае же расположения датчиков на других элементах, продемонстрированные в работе [28] варианты также будут иметь задержку детектирования температуры В ОК.

Альтернативным вариантом является измерение температуры волокна оптическим методом. Измерение параметров окружающей среды с применением волоконных Брэгговских решеток в двулучепреломляющем волокне рассмотрено в литературе [29]. Однако, запись решеток в ЧЭ вносит в волокно неравномерности, снижает оптическую мощность сигнала и увеличивает уровень шумов, вызванных обратными отражениями. Помимо этого, запись решеток снижает прочностные характеристики волокна, поэтому в процессе укладки катушки повышается риск обрыва волокна, а также снижаются эксплуатационные характеристики ВОГ в целом.

Актуальным на сегодняшний день методом измерения температуры с использованием оптического волокна являются распределенные измерения с использованием рефлектометрии. Методы на основе частотной рефлектометрии позволяют с высоким пространственным разрешением детектировать температуру вдоль оптического волокна. В главе продемонстрирован способ оценки задержки детектирования температуры с использованием прибора на основе метода частотной рефлектометрии.

Особенностью измерений температуры с применением частотного рефлектометра является их относительность. Так, рефлектометр OBR 4600 (Luna Technologies) измеряет изменение температуры волокна относительно первой рефлектограммы, записанной с момента запуска.

Для оценки задержки детектирования с применением рефлектометра был собран стенд, изображенный на рисунке 5.

Рисунок 5 Схема измерения задержек детектирования температуры с

использованием рефлектометра

Измерения проводились при комнатной температуре с одновременной регистрацией рефлектограммы ЧЭ и показаний датчиков по внешнему периметру ВОК. Измерение проводилось согласно следующей последовательности: сначала в течение 10 минут производилась регистрация значений при комнатной температуре, затем при помощи нагревательного стола производилось тепловое воздействие на ВОК: температура нагревательного стола устанавливалась на величину +40°С. Через 50 минут нагрев останавливался и данные регистрировались еще 10 минут.

Для анализа данных был определен сегмент волокна во внешнем витке, который расположен ближе всего к датчику температуры, установленному снаружи ВОК. Температура этого сегмента и данные датчика температуры представлены на рисунке 6.

зо о

Л

15 2

о. ?

п о. 10 ®

500

1000

1500

2000

0

2500

Время, с

Рисунок 6 Температура, полученная внешним термодатчиком (синим) и температура сегмента волокна вблизи термодатчика (красным)

Оба способа измерения направлены на детектирование одинакового воздействия, их взаимосвязь можно оценить по коэффициенту корреляции Пирсона. Для оценки сдвига по времени одних измерений относительно других можно воспользоваться взаимнокорреляционной функцией. Максимум этой функции будет в точке, равной времени задержки детектирования температуры. При этом относительность измерений не повлияет на результат, поскольку корреляция не чувствительна к линейным преобразованиям.

Рисунок 7 Взаимнокорреляционная функция показаний температур, полученных рефлектометром и внешним датчиком

Анализ взаимнокорреляционной функции говорит о том, что существует задержка между детектированными величинами температуры величиной 112 секунд, с учетом периода опроса температурных данных абсолютная погрешность составляет ±6.5 секунд. Данное значение является конкретной величиной для соответствующей конфигурации ВОК и датчика температуры; при этом метод может быть применён для других конфигураций ВОК.

В третьей главе рассмотрен алгоритмический подход к оценке задержек детектирования температуры на базе экспериментальных данных теплового дрейфа ВОГ и данных температуры в различных точках конструкции ВОК. Основными недостатками использования методов на основе рефлектометрии является их относительность, а также высокая чувствительность оптической схемы к качеству выполненных соединений: в частности, при сварке волокон с целью формирования разъема для подключения возникают дополнительные обратные отражения от места сварки, повышающие уровень шумов.

Согласно международному стандарту [30] модель теплового дрейфа ВОГ описывается следующим образом:

где ЭтАТ - дрейф, обусловленный температурой, Dj.(dГ/dt) - дрейф, обусловленный изменением температуры во времени, /&£) - дрейф,

обусловленный изменением пространственного температурного градиента во времени.

Приведённая модель может применяться для алгоритмической компенсации теплового дрейфа ВОГ. Т.к. ВОГ оборудован ограниченным набором датчиков температуры [13], а обработка получаемых данных происходит с использованием цифрового решающего устройства [31], уравнение (2) может быть переписано в дискретной форме и модифицировано следующим образом:

(2)

N N

пкпЬпп = £ ЪЫ + £ ЪЫ • ч» (3)

1=1 1=1

где N - количество точек измерения температуры на ВОК, Р1 и -коэффициенты.

Согласно литературе [32-34], проведенному моделированию и измерениям, описанным во второй главе, детектирование температуры происходит с задержкой. Задержка в свою очередь приводит к некорректному формированию компенсирующего сигнала, использование которого ведёт к снижению точностных характеристик ВОГ. Поэтому необходимо внести учет задержки детектирования температуры при вычислении теплового дрейфа, выступающего в качестве компенсирующего сигнала:

N N

аы^,, = £ -т1]-т1 + £ Т11ьп-1 - т,] • щ №

1=1 1=1

где N - количество термодатчиков, т - время задержки детектирования температуры, т^ щ — коэффициенты линейной регрессии.

Использование корректных задержек детектирования сформирует компенсирующий сигнал максимально близкий к реальному тепловому дрейфу ВОГ. Оценить задержки детектирования можно с использованием итеративного алгоритма оптимизации: параметрами являются величины коэффициентов и временных сдвигов для каждого термодатчика, в качестве целевой функции, которая может оценивать схожесть сигналов, может быть использована корреляция Пирсона, а основной задачей алгоритма является поиск таких значений коэффициентов и сдвигов, при которых корреляция будет максимальна.

Для проведения описанного анализа в рамках данной работы был подготовлен стенд, изображенный на рисунке 8.

источник оптического излучения

Рисунок 8 Стенд для проведения измерений теплового дрейфа ВОГ

ВОК располагался во внутреннем объеме климатической камеры, в то время как остальные элементы ВОГ размещались снаружи при комнатной температуре. ВОК был оборудован 12 датчиками температуры, монтированными согласно рисунку 9.

Рисунок 9 Размещение датчиков температуры на конструкции ВОК

Для оценки величин задержек детектирования согласно описанному алгоритму необходимо записать данные температуры и угловой скорости в процессе теплового воздействия.

Тепловое воздействие на ВОК производилось согласно термопрофилю на рисунке 10 а. В рамках данной работы проведено два измерения, результаты дрейфа ВОГ представлены на рисунках 10 б и 10 в соответственно. Основными отличиями проведенных измерений является изменение

положения ВОК в климатической камере: во втором тесте ВОК был перевернут на противоположную поверхность. Данное изменение повлекло за собой изменение пространственных градиентов температуры в ВОК, что отразилось на форме и амплитуде теплового дрейфа сигнала ВОГ.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 V

(а)

(б)

(в)

Рисунок 10 Термопрофиль (а), тепловой дрейф ВОГ в первом положении (б) и во втором (в)

Записанные данные были проанализированы с использованием среды моделирования Matlab 2020Ь. Значения т были оценены с использованием алгоритма оптимизации на базе роя частиц по записанным данным из первого эксперимента, после чего для этих же данных была произведена компенсация теплового дрейфа ВОГ. Сигналы ВОГ без компенсации, при компенсации без учета задержек детектирования и с учетом задержек приведены на рисунке 11.

Рисунок 11 Сравнение дрейфа ВОГ при различных компенсациях

Информация о сдвигах температуры также была использована для компенсации теплового воздействия на показания ВОГ при втором эксперименте. Сравнение алгоритмов компенсации для второго эксперимента представлены на рисунке 12.

Рисунок 12 Сравнение дрейфа ВОГ при различных компенсациях

Сравнение точности ВОГ до и после компенсаций было оценено по стандартному отклонению (СКО) и размаху сигнала (реак-Ю-реак); соответствующие величины приведены в таблице 1 Ошибка! Источник ссылки не найден..

Таблица 1 Сравнение точности компенсации температурного воздействия

Тип сигнала СКО 1 тест, °/ч 1 тест Размах (peak-to-реак), °/ч СКО 2 тест, °/ч Размах (peak-to-peak) 2 тест, °/ч

Без компенсации 0.2654 8.2622 1.4259 1.6746

Компенсация согласно уравнению (4) 0.0719 1.0705 0.1522 0.6339

Компенсация с временными сдвигами 0.0447 0.4346 0.04785 0.2564

Результаты, продемонстрированные в таблице 1, показывают, что дополнение модели вычисления дрейфа ВОГ информацией о задержках позволяет значительно снизить СКО скомпенсированного сигнала и его размах.

В заключении приведены общие выводы по результатам проведенного научного исследования:

• При разработке современных высокоточных ВОГ, оснащенных датчиками температуры для осуществления термокомпенсации в процессе работы прибора, необходимо оценивать и учитывать в термокомпенсационной модели задержку детектирования температуры внешними датчиками температуры для повышения точностных характеристик приборов на базе ВОГ;

• Оценить задержку детектирования можно благодаря измерению температуры оптического волокна методом частотной рефлектометрии: так, в конструкции, описанной в работе, задержка составила 112 секунд;

• Для оценки задержки детектирования алгоритмически необходимо использовать экспериментальные данные,

полученные при тепловом воздействии на ВОК, и с использованием итеративных алгоритмов оптимизации определить задержку для каждого датчика;

• Применение метода оценки задержек детектирования оптимизационным алгоритмом позволило снизить СКО сигнала ВОГ с 1.42°/ч до 0.04°/ч.;

Публикации по теме НКР работы:

1. Smirnov D. Methods for Studying Temperature Characteristics of a FOG Sensing Coil // Smirnov, D., Deyneka, I., Kulikov, A., Strigalev, V., Meshkovsky, I. - 28th Saint Petersbg. Int. Conf. Integr. Navig. Syst. ICINS 2021. Concern CSRI Elektropribor, JSC, 2021. P. 27-28. Doi: 10.23919/icins43216.2021.9470869

2. Nikiforovskii D. Features of hardware implementation of Particle Swarm Optimization (PSO) on FPGA // Nikiforovskii D., Deyneka I., Smirnov D. - CEUR Workshop Proceedings. 2019. Vol. 2344.

3. Nikiforovskii D. The investigation of FOG output signal dependency on environment temperature at high rates of temperature change // Nikiforovskii, D., Smirnov, D., Deyneka, I., Nikitenko, A., Rupasov, A. - J. Phys. Conf. Ser. 2021. Vol. 1864, № 1. P. 012009.

4. Vostrikov E. V Application study of ultra high frequency modulation of laser radiation for fiber-optic gyroscope noise reduction // Vostrikov, E.V., Smirnov, D.S., Nikiforovskii, D.A., Pogorelaya, D.A., Aleinik, A.S. - J. Phys. Conf. Ser. 2020. Т. 1697. С. 012171.

5. Смирнов Д.С., Дейнека И.Г., Деветьяров Д.Р., Скляров Ф.В., Мухтубаев А.Б., Востриков Е.В. Оценка задержки детектирования температуры чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 6. С. 812-816. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-812-816

Другие:

6. Разумов А.Г., Исследование влияния нестационарных температурных режимов элементов схемы волоконно-оптического гироскопа на его точностные характеристики // Разумов А.Г., Смирнов Д.С., Никитенко А.Н. - Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - [год, электронный ресурс]. - Режим доступа:

https://kmu.itmo.ru/digests/article/6140, своб.

Список литературы

1. Udd E. Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists / ed. Spillman Jr W.B. John Wiley & Sons, 2011.

2. Wang Y. et al. Theoretical and experimental on the Shupe-like bias caused by thermal stress of fiber optic gyros // Optical Communication, Optical Fiber Sensors, and Optical Memories for Big Data Storage. 2016.

3. Wang Y. et al. Design and fabrication of high precision optical fiber coil based on temperature error model. 2018.

4. Zhang Z., Yu F. Analysis for the thermal performance of a modified quadrupolar fiber coil // Opt. Eng. 2018.

5. Галягин К.С. et al. Расчетный прогноз теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2012. Vol. 32. P. 127-140.

6. Klimkovich B.V. Influence of Random Error of Temperature Sensors on the Quality of Temperature Compensation of Fog Bias by the Neural Network // Giroskopiya i Navig. 2020. Vol. 28, № 4. P. 53-70.

7. Kurbatov A.M., Kurbatov R.A. Temperature characteristics of fiberoptic gyroscope sensing coils // J. Commun. Technol. Electron. 2013. Vol. 58, № 7. P. 745-752.

8. Blin S. et al. Reduced Thermal Sensitivity of a Fiber-Optic Gyroscope Using an Air-Core Photonic-Bandgap Fiber // J. Light. Technol. 2007. Vol. 25, № 3. P. 861-865.

9. Vahrameev E.I. et al. Termometriya bloka chuvstvitel'nosti volokonno-opticheskogo gyroscopa v usloviyakh teplovogo dreifa [Thermometry of sensing

block of fiber-optic gyroscope in a thermal drift conditions] // PNRPU Aerosp. Eng. Bull. 2010. № 30. P. 27-40.

10. Шарков И.А. Исследование и пути компенсации тепловых воздействий на сигнал волоконно-оптического гироскопа. Университет ИТМО, 2013.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смирнов Даниил Сергеевич, 2021 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Guochen Wang, Qiuying Wang, Bo Zhao, and Zhenpeng Wang, "Compensation method for temperature error of fiber optical gyroscope based on relevance vector machine," Appl. Opt. 55, 1061-1066(2016)

2. F. Yu, S. Fan, Y. Zhang, P. Wu and J. Chang. "Compensation method for temperature error of fiber optic gyroscope based on support vector machine," 2017 Forum on Cooperative Positioning and Service (CPGPS) , Harbin, 2017, pp. 16-21, doi: 10.1109/CPGPS.2017.8075090.

3. Вахрамеев Е.И., Гапягин K.C., Ошивалов M.A., Савин М.А. Методика численного прогнозирования и коррекции теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Приборостроение. 2017. №1.

ОРИГИНАЛ-МАКЕТ СТАТЬИ

УДК 53.096

Оценка задержки детектирования температуры чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа

Смирнов Даниил Сергеевич, Дейнека Иван Геннадьевич, Деветьяров Данила Ренатович, Скляров

Филипп Владимирович, Мухтубаев Азамат Булатович, Востриков Евгений Владимирович Аннотация

Применение алгоритмической температурной компенсации с использованием внешнего термодатчика требует дополнительной синхронизации реакции волоконно-оптического датчика на тепловое воздействие относительно времени регистрации этого воздействия внешним температурным датчиком. В работе демонстрируется подход к оценке задержки детектирования изменения температуры сегмента оптического волокна волоконно-оптического гироскопа относительно внешнего датчика температуры, установленного в конструкции волоконно-оптического контура. Оценка задержки производится на основании температуры сегмента оптического волокна, получаемых с использованием частотного рефлектометра высокого разрешения, и данных температуры датчика, установленного в конструкции волоконно-оптического контура. Произведена оценка задержки детектирования температуры чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа внешним датчиком температуры. Представленный в статье подход дает возможность оценить задержку детектирования температуры чувствительного элемента относительно внешнего датчика температуры для каждого датчика, установленного в конструкции. Получаемая величина может быть использована для улучшения эффективности компенсации теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа.

Ключевые слова

Волоконно-оптические датчики, волоконно-оптическая рефлектометрия, температурные измерения, задержка детектирования, волоконно-оптический гироскоп

Благодарности

Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, название проекта - «Создание производства волоконно-оптических гироскопов для контрольно-измерительных устройств и наземных транспортных систем», Соглашение №07511-2019-026 от 27.11.2019

Temperature detection delay estimation in a liber optic gyroscope sensing coil

Daniil Smirnov, Ivan Deyneka, Danila Devetyarov, Philipp Sklyarov, Azamat Mukhtubayev,

Evgenii Vostrikov

Abstract

If algorithmic temperature compensation is used, the external temperature sensor data and the thermal response of the fiber optic sensor must be synchronized. The paper considers an approach to estimate the temperature detection delay value of the external temperature sensor in a sensing coil assembly of a fiber-optic gyroscope. The delay estimation is based on a cross-correlation of temperature data from an external temperature sensor and temperature data of an optical fiber segment obtained using a distributed temperature measurement technique based on optical frequency reflectometry. The temperature detection delay between the sensing coil and the temperature sensor was estimated. The described approach allows to estimate temperature detection delay in a sensing coil assembly of a fiber-optic gyroscope. In case of using multiple temperature sensors, the delay for each temperature sensor can be estimated and taken it into account to improve the efficiency of the thermal drift compensation of the fiber optic gyroscope.

Keywords

Fiber-optic sensors, fiber-optic reflectometry, temperature measurement, temperature detection delay, fiber-optic gyroscope

Acknowledgements

This work was done at ITMO University and was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under Agreement №075-11-2019-026 of 27.11.2019, project title - "The production development of fiber-optic gyroscopes for applications in measuring instruments and land vehicle systems"

Введение

Приборы на основе волоконно-оптических датчиков получили широкое распространение в последние десятилетия. Рост спроса и повышение требований к характеристикам таких приборов выдвигают и новые проблемы таких датчиков, одной из которых является снижение точностных характеристик приборов на их основе, вызванное изменением температуры окружающей среды.

Одним из примеров таких приборов является волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), чьи характеристики подвержены снижению из-за температуры. Волоконно-оптический датчик измеряет угловую скорость вращения. Чувствительным элементом ВОГ является интерферометр Саньяка, который представляет собой замкнутый волоконно-оптический контур (BOK). Одной из актуальных проблем ВОГ является так называемый тепловой дрейф. Под воздействием температуры окружающей среды показания прибора изменяются [1]. При этом изменение температуры чувствительного элемента (ЧЭ) волоконно-оптического контура является одной из причин теплового дрейфа сигнала ВОГ.

Для компенсации теплового дрейфа алгоритмическим путем выведен ряд зависимостей сигнала угловой скорости ВОГ (далее - сигнал ВОГ) от температуры окружающей среды [2-6]. В работах [4,7] приводятся примеры применения алгоритмической компенсации сигнала ВОГ, при этом на участках изменения температуры окружающей среды с высокой скоростью (градусы в минуту) заметны выбросы в сигнале ВОГ, обусловленные в том числе задержкой детектирования температуры чувствительного элемента ВОГ. Проблема задержки детектирования температуры ЧЭ внешним датчиком температуры и её определения методом подбора рассмотрена в работе [8], однако, авторы рассматривают только один датчик температуры, расположенный вне BOK.

Для оценки задержки детектирования температуры необходимо знать температуру волокна ЧЭ ВОГ. Согласно литературе [9,10] одними из наиболее применимых методов измерения температуры оптического волокна являются методы на основе рефлектометрии.

В представленной работе демонстрируется подход к оценке задержки детектирования температуры ЧЭ ВОГ с использованием внешнего датчика температуры.

Особенности измерения температуры с применением рефлектометра

Одним из актуальных способов распределенного измерения температуры оптического волокна является частотная рефлектометрия (OFDR), основанная на явлении рассеяния Рэлея [11]. Распределенное измерение температуры может быть представлено как измерение с использованием массива линейных датчиков температуры, расположенных в сегментах оптического волокна. Благодаря развитию технологической базы современные частотные оптические рефлектометры позволяют измерять распределение температуры вдоль оптического волокна с пространственным разрешением до 1 мм [12] на расстоянии до нескольких километров [13]. При этом разделяется изменение сигнала, связанное с изменением температуры волокна от его деформацией [14].

Особенностью измерения температуры волокна методами рефлектометрии является его относительность. Методы на основе рассеяния Рэлея позволяют определять изменение распределения температуры вдоль волокна, но не определять абсолютное значение температуры. Так, рефлектометр Luna OBR 4600 (Luna Technologies) определяет изменение температуры волокна относительно первой записанной рефлектограммы [12]. Примеры распределенного измерения температуры вдоль оптического волокна, полученные с применением OFDR-рефлектометра, представлены в работе [15].

Описание предлагаемого метода измерения задержки детектирования с помощью рефлектометра

В рамках представленной работы оценка задержки детектирования температуры производилась для конструкции ВОК, представленной на рисунке 1. Одномодовое оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой ESC-4, выполненное по ТУ ЯЕИЛ.48-2008 [16], было уложено на бобину, изготовленную из стали, квадрупольной намоткой. Для обеспечения монолитности конструкции в процессе намотки волокно покрывалось компаундом [17]. Для снижения пространственных температурных градиентов [18] в конструкции ВОК по внутреннему и по внешнему диаметру уложены слои дополнительного буферного волокна.

Типовые размеры ВОК составляют: диаметр катушки - 150 мм, высота катушки -45 мм [19]. В качестве измерителя температуры использовался платиновый датчик pt 1000 [20]. Термодатчики в конструкции ВОК размещаются на поверхности компаунда, толщина которого может достигать I мм.

Рисунок 1 Конструкция волоконно-оптического контура: внешний вид (слева) и вид в разрезе с датчиками температуры (справа)

Fig 1 FOC appearance (left) and a cut view with a temperature sensors (right)

Схема экспериментального стенда для оценки времени задержки регистрации теплового воздействия представлена на рисунке 2.

В эксперименте использовался рефлектометр Luna OBR 4600 (Luna Technologies). Испытуемый ВОК располагался на подогреваемом столике, обеспечивающем нагрев от температуры от 25 до 40 °С.

Измерение температуры проводились на внешнем периметре ВОК (рис. 1) с одновременной регистрацией рефлектограммы. Период опроса термодатчика - 0,5 с. Длительность снятия рефлектограммы - 6 с.

Эксперимент и измерения проводились по следующему графику:

На приведенном графике распределение температуры в подводящем отрезке волокна обозначено красным цветом, распределение температуры на отрезке волокна между катушкой и подводящим волокном (синий цвет). В месте сварного соединения наблюдается «выброс» сигнала. Желтым цветом показано распределение температуры в катушке волокна, находящейся в контакте с нагревательным элементом.

Регистрируемая с помощью рефлектограмма содержит информацию о температуре подводящего волокна, что должно быть учтено при сопоставлении данных о температуре, полученных рефлектометром, и данных, полученных с термодатчиков.

С учетом информации о длине подводящего волокна, методе намотки и диаметре ВОК был выбран сегмент волокна, расположенный в наружном витке, поверх которого на компаунде установлен внешний датчик температуры. Сопоставление данных термодатчиков и участка соответствующего сегмента волокна представлено на рисунке 4.

Время, с

Рисунок 4 Результат измерения температуры внешним датчиком температуры (синим цветом) и данных температуры сегмента наружного витка волокна, полученных рефлектометром (красным цветом)

О 500 1000 1500 2000 2500

Time, seconds

Fig.4 Temperature from an external sensor (blue) and from a fiber segment (red) Так как два приведенных измерения связаны с детектированием одного и того же воздействия, их взаимосвязь можно оценить по коэффициенту корреляции Пирсона:

Заключение

В работе продемонстрирован подход к оценке задержки детектирования температуры оптического волокна чувствительного элемента волоконно-оптического гироскопа внешними датчиками температуры. Подход заключается в одновременном измерении температуры сегмента оптического волокна с использованием частотного рефлектометра и внешним датчиком температуры с последующим корреляционным анализом полученных данных. Высокая пространственная разрешающая способность OFDR-рсфлектометра позволяет измерять температуру сегмента волокна, находящегося на расстоянии, равном толщине компаунда от внешнего термодатчика, что даёт возможность оценить задержку детектирования температуры для каждого из них в отдельности. Этот подход может быть использован для увеличения эффективности компенсации теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа, особенно при высоких скоростях изменения температуры окружающей среды.

Литература

1. Lefevre Н.С. The fiber-optic gyroscope. Boston, Artech house, 2014. 407 p.

2. Савин M.A. Математическое моделирование дрейфа волоконно-оптического гироскопа в условиях внешних воздействий. Кандидатская диссертация. - Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2018 [Электронный ресурс]. Режим доступа:

https://pstu.ni/files/2/iile/adm/dissertacii/savin/diss SavinMA red25072018.pdf свободный. Яз. рус. (дата обращения 22.10.2021).

3. Nikiforovskii D. et al. The investigation of FOG output signal dependency on environment temperature at high rates of temperature change // J. Phys. Conf. Ser. 2021. Vol. 1864, № 1. P. 012009. Doi: 10.1088/1742-6596/1864/1/012009

4. Klimkovich B.V. Influence of Random Error of Temperature Sensors on the Quality of Temperature Compensation of Fog Bias by the Neural Network // Giroskopiya i Navig. 2020. Vol. 28, № 4. P. 53-70. Doi: 10.17285/0869-7035.0049

5. Wang G. et al. Compensation method for temperature error of fiber optical gyroscope based on relevance vector machine // Appl. Opt. 2016. Vol. 55, № 5. P. 1061. Doi: 10.1364/ao.55.001061

6. Jianli L. et al. Temperature error modeling of RLG based on neural network optimized by pso and regularization // IEEE Sens. J. 2014. Vol. 14, № 3. P. 912-919. Doi: 10.1109/JSEN.2013.2290699

7. Вахрамеев E. П., Галягин К. С., Пвонин А. С. Ошивалов, М. А. Прогноз и коррекция теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. Doi: 10.17586/0021-3454-2017-60-1-3238

8. WEI Х.-Т. et al. Analysis of Time Delay in Modeling and Compensation of Temperature Error for FOG // DEStech Trans. Environ. Energy Earth Sci. 2017. № edep. Doi: 10.12783/dteees/edep2016/5891

9. Smirnov D. et al. Methods for Studying Temperature Characteristics of a FOG Sensing Coil // 28th Saint Petersbg. Int. Conf. Integr. Navig. Syst. ICINS 2021. Concern CSRI Elektropribor, JSC, 2021. P. 27-28. Doi: 10.23919/icins43216.2021.9470869

10. Shi H. et al. Multi-factor fiber coil temperature distribution model of FOG based on distributed fiber temperaturesensor// AOPC 2017: Optoelectronics and Micro/Nano-Optics / ed. Qiu M. et al. SPIE, 2017. P. 62.

11. Lu P. et al. Distributed optical fiber sensing: Review and perspective // Appl. Phys. Rev. 2019. Doi: 10.1063/1.5113955

12. Luna Technologies. OBR 4600 Reflectometer // Photonics Spectra. 2019.

13. Ito F., Fan X., Koshikiya Y. Long-range coherent OFDR with light source phase noise compensation//J. Light. Technol. IEEE, 2012. Vol. 30, № 8. P. 1015-1024. Doi:

10.1109/JLT.2011.2167598

14. Froggatt M.E. Distributed strain and temperature discrimination in polarization maintaining fiber: pat. US 7,538,883 B2 USA. USA, 2009.

15. Roman M. et al. A spatially distributed fiber-optic temperature sensor for applications in the steel industry // Sensors (Switzerland). 2020. Vol. 20, № 14. P. 1-20. Doi: 10.3 390/s20143900

16. Мухтубаев А.Б. Влияние поляризационных преобразований на сдвиг фазы Саньяка в волоконно-оптическом гироскопе. Кандидатская диссертация. Университет ИТМО, 2020. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://fppo.ifmo,ru/?page 1=1 б&раge2=86&number file=6FlDE8633558BE5ACD4EC3B79AE 202ЕЕ свободный. Яз. рус. (дата обращения 22.10.2021).

17. Новиков Р.Л. Технологическое оборудование и методы повышения качества намотки волоконного контура волоконно-оптического гироскопа. Кандидатская диссертация. СПбГУ ИТМО, 2014. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://^po.ifmo.ru/?pagel-16&page2-86&number_file-5B9F43C6ABB5A25253C8F251731F 87Е1 свободный. Яз. рус. (дата обращения 22.10.2021).

18. Zhang Z., Yu F. Analysis for the thermal performance of a modified quadrupolar fiber coil//Opt. Eng. 2018. Vol. 57. Doi: 10.1117/l.oe.57.1.017109

19. Untilov A. A. et al. Results of fiber-optic gyro testing // Giroskopiya i Navig. 2017. Vol. 25, № 3. P. 78-85. Doi: 10.17285/0869-7035.2017.25.3.078-085

20. Рупасов A.B. Исследование метода локального температурного воздействия и его применение для компенсации дрейфа волоконно-оптического гироскопа. Кандидатская Диссертация. Университет ИТМО, 2014. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://fppo-ifmo.ru/7pagc 1=16&pape2=86&number filc=03FA365A54BlD83E9595BF531 1453 B5D свободный. Яз. рус. (дата обращения 22.10.2021).