Исследование и повышение точностных параметров волоконно-оптических гироскопов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Алейник, Артем Сергеевич

• Алейник, Артем Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алейник, Артем Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА С СОХРАНЕНИЕМ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЦИФРОВОЙ СХЕМОЙ ОБРАБОТКИ

1.1 Оптические гироскопы

1.2 Интерференционный волоконно-оптический гироскоп

1.3 Факторы, влияющие на точность и чувствительность волоконно-оптического гироскопа

1.4 Исследуемый интерференционный волоконно-оптический гироскоп с оптической схемой, сохраняющей состояние поляризации и цифровой схемой обработки

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2. КОМПЕНСАЦИЯ ИЗБЫТОЧНОГО ШУМА ИСТОЧНИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ГИРОСКОПЕ

2.1 Теоретический расчет и измерение величины избыточного шума эрбиевого суперлюминесцентного источника оптического излучения

2.2 Анализ измерительного блока интерференционного волоконно-оптического гироскопа

2.3 Компенсация избыточного шума интерференционного волоконно-оптического гироскопа при использовании оптических элементов, не сохраняющих состояние поляризации

2.4 Влияние состояния поляризации на степень компенсации избыточного шума в интерференционного волоконно-оптического гироскопа с сохранением поляризации

2.5 Метод компенсации избыточного шума

2.6 Интерференционный волоконно-оптический гироскоп с оптической схемой, полностью сохраняющей состояние поляризации и компенсацией избыточного шума источника

оптического излучения

2.7 Испытания волоконно-оптического гироскопа со схемой

подавления избыточного шума

2.8 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ПОИСК СПОСОБОВ УСТРАНЕНИЯ ЗОНЫ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИВОГ

3.1 Проблема «зоны нечувствительности» в интерференционном волоконно-оптическом гироскопе с закрытой схемой обработки

3.2 Влияние наводки модулирующего напряжения на сигнал фотоприемного устройства

3

3

Влияние дополнительного интерферометра Майкельсона

Методика измерения величины «зоны нечувствительности»

82

3.5 Испытания волоконно-оптического гироскопа в области малых угловых скоростей

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4. СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ГРАДИЕНТОВ И КОМПЕНСАЦИЯ ИХ ВЛИЯНИЯ НА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

4.1 Влияние температуры и температурных пространственно-временных градиентов на выходной сигнал интерференционного волоконно-оптического гироскопа

4.2 Реализация системы измерения температуры волоконно-оптического контура и многофункциональной интегрально-оптической схемы

4.3 Испытания системы измерения температуры многофункциональной интегрально-оптической схемы

4.4 Испытания системы измерения температуры в составе интерференционного волоконно-оптического гироскопа, компенсация температурного ухода выходного сигнала

4.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Список работ автора

137

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ АЦП - аналогово-цифровой преобразователь ВОК - волоконно-оптический контур ВОГ - волоконно-оптический гироскоп ДНГ - динамически настраиваемый гироскоп ИОИ - источник оптического излучения ИВОГ - интерференционный волоконно-оптический гироскоп КЛГ - кольцевой лазерный гироскоп

МИОС - многофункциональная интегрально-оптическая схема ММГ - микромеханический гироскоп ОВ - оптическое волокно ОГ - оптический гироскоп

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема

ПК - персональный компьютер

РВОГ - резонансный волоконно-оптический гироскоп

СКО - среднеквадратическое отклонение

СЛД - суперлюминесцентный диод

ФПУ - фотоприемное устройство

ФЭ - фазовый элемент

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ЭСИОИ - эрбиевый суперлюминесцентный источник оптического излучения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и повышение точностных параметров волоконно-оптических гироскопов»

ВВЕДЕНИЕ

Навигационные системы предъявляют жесткие требования к используемым чувствительным элементам как по точностным характеристикам, так и по эксплуатационным и экономическим. Активное развитие и непрерывное совершенствование элементной базы волоконной и интегральной оптики привело к появлению нового типа инерциальных датчиков угловых перемещений - ВОГ. Основными отличиями и преимуществами ВОГ по сравнению с механическими гироскопами являются: отсутствие подвижных деталей, устойчивость к ускорениям и вибрациям; малое время запуска; высокая чувствительность в широком диапазоне скоростей вращения; широкая полоса пропускания; высокая линейность передаточной характеристики; низкая потребляемая мощность; высокая надежность; большой срок службы (десятки лет); малые габариты и вес. В настоящее время ВОГ используются в качестве основного чувствительного элемента систем инерциальной навигации, систем ориентации и стабилизации положения объектов в пространстве [1]. Подавляющее большинство навигационных систем выпускаемых серийно на протяжении последних десяти лет в Европе, США и Японии построены на базе высокоточных ВОГ [2].

Современные ВОГ навигационного класса точности обладают чувствительностью и дрейфом нуля от 0.01 до 0.001 град/час и используются в навигационных системах морского, наземного и аэрокосмического базирования[3][4]. Мировыми лидерами в области производства ВОГ являются компании: Northrop Grumman [5], Ixsea [6], Honeywell [7] и KVH. В России в основном выпускаются ВОГ низкого класса точности, лидирующие позиции по производству в этом сегменте занимает ООО «Физоптика». В производстве ВОГ навигационного класса точности существует отставание от зарубежных производителей. В настоящее время российскими производителями ведутся активные исследования и работы в этом направлении: ОАО «Концерн «ЦНИИ

«Электроприбор», ОАО ПНППК, НПО «Оптолинк», ООО «Физоптика»[8]. Подробный обзор и анализ состояния разработок, а также производства современных ВОГ ближнего и дальнего зарубежья приведены в статьях [3] и [4]. Факторами, ограничивающими массогабаритные характеристики и стоимость ВОГ навигационного класса точности, являются источники и приемники оптического излучения, дорогостоящее специализированное оптическое волокно. Дальнейшее развитие ВОГ связано с созданием специализированных волокон с низкими оптическими потерями и низкой стоимостью, созданием низкокогерентных источников оптического излучения с высокой излучаемой мощностью и технологий высоконадежной компоновки гибридных фотонных устройств [4].

В области волоконно-оптической гироскопии в настоящее время ведутся исследования и работы по модернизации и поиску новых решений для повышения технических и экономических характеристик волоконно-оптических гироскопов. Вопрос повышения точности, надежности, а также улучшения эксплуатационных качеств ВОГ стоит особенно остро. На базе ЦНИИ "Электроприбор" кафедрой «Физики и Техники Оптической Связи» НИУ ИТМО уже более пяти лет ведутся работы по исследованию и улучшению технических характеристик ВОГ навигационного класса точности для использования в навигационных комплексах морского и наземного базирования. За это время был создан опытный образец бесплатформенной навигационной системы построенной на ВОГ, в настоящее время идет подготовка к промышленному производству.

Данная диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию ВОГ навигационного класса точности с целью повышения его точностных и эксплуатационных характеристик: исследование шумов в измерительном тракте прибора, поиск и реализации возможности их подавления, устранение нелинейности масштабного

коэффициента в области малых угловых скоростей, а также создание системы компенсации температурных воздействий.

В области волоконной оптики за последние годы достигнуты большие успехи: уровень потерь в кварцевом одномодовом оптическом волокне снижен практически до теоретически возможного уровня, качество и точность изготовления оптических элементов с каждым годом увеличивается, следовательно, уменьшаются оптические потери в этих элементах. Одновременно с этим совершенствуются и суперлюминесцентные источники, излучающие на длине волны 1.55 мкм, уровень выходной оптической мощности таких устройств достигает в настоящее время нескольких десятков милливатт [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]. Постоянно совершенствуются и предлагаются новые интегрально-оптические решения [17] и оптические схемы [18]. Таким образом, уровень оптической мощности, поступающей на ФПУ, в современных волоконно-оптических датчиках с каждым годом растет. Применительно к ВОГ, увеличение оптической мощности, поступающей с выхода интерферометра на фотоприемник, приводит к увеличению сигнала, а также отношения сигнал/шум и повышению точности ВОГ. Но при уровне оптической мощности превышающей единицы микроватт на входе ФПУ, дальнейшее увеличение оптической мощности не приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Причиной этому является шум интенсивности источника оптического излучения, который растет пропорционально с оптической мощностью [19][20][21]. Таким образом, одним из факторов, ограничивающих точность современных ВОГ, является шум интенсивности ИОИ [3]. В публикациях иностранных производителей упоминается о использовании компенсации избыточного шума в высокоточных ИВОГ приборах [3][22]. В литературе описано несколько подходов к решению проблемы избыточного шума. В одном из патентов США, автором предложено использовать дополнительный амплитудный модулятор. Зашумленный сигнал с ИОИ регистрируется ФПУ, а полученный сигнал подается на обратную связь

системы регулирования управляющей амплитудным модулятором. Таким образом, происходит стабилизация выходящего с модулятора оптического излучения [23]. Недостатком данного решения является введение в оптическую схему ВОГ амплитудного модулятора, который вносит дополнительные оптические потери. В одной из статей предложен оптический метод компенсации избыточного шума с использованием линии задержки на оптическом волокне [24]. Т.к. реализация данного метода требует использования дополнительной катушки оптического волокна, он является более дорогостоящим. В публикациях [25] и [26] предложен метод компенсации избыточного шума с использованием ответвителя 3x3. Реализация данного метода приведет к увеличению оптических потерь в ИВОГ, а также потребует полной переделки МИОС. Создание на базе МИОС ответвителя 3x3 является сложной задачей, приведет к увеличению числа стыковок ОВ с МИОС, снизит надежность и увеличит конечную стоимость прибора. Также в работах зарубежных авторов описан метод компенсации избыточного шума с использованием непосредственно модуляции током излучающего диода [27]. В высокоточных ИВОГ используются ЭСИОИ, обеспечивающие высокую стабильность центральной длины волны оптического излучения в широком диапазоне температур, поэтому данный метод может быть использован только в ВОГ низкого класса точности, в которых используются СЛД. Другим подходом является метод компенсации избыточного шума, в котором используются два ФПУ. Измеряется полезный сигнал и зашумленный сигнал источника оптического излучения, затем используется схема автоподстройки усиления в канале источника. Подавление избыточного шума достигается путем вычитания сигналов двух ФПУ [28] [29] . В данной диссертации предложен метод компенсации избыточного шума интенсивности ИОИ использующий оптическую схему ИВОГ, построенную полностью на элементах, сохраняющих состояние поляризации, и деление двух сигналов с ФПУ для подавления избыточного шума источника оптического излучения.

Предложенная схема легко реализуется в ИВОГ с цифровой схемой обработки и не приводит к увеличению стоимости прибора, не требует подстройки уровней оптической мощности на двух ФПУ. В данной работе исследована и продемонстрирована возможность повышения точности ВОГ при использовании данного метода.

Широко известным фактом является наличие зоны нечувствительности у КЛГ [6] [30], однако зона нечувствительности существует и у ВОГ компенсационного типа [31] [32] [33] [34] [35]. Это сдерживает широкое применение инерциальных измерительных модулей, построенных на базе волоконно-оптических гироскопов компенсационного типа в задачах, где требуется высокая чувствительность к малой угловой скорости. Примером таких применений могут служить наземные гиротеодолиты, навигационные модули космических аппаратов и подводных лодок. Поэтому требуется тщательное исследование нелинейности выходной характеристики волоконно-оптического гироскопа компенсационного типа, в том числе зоны нечувствительности в области малых угловых скоростей. При использовании ВОГ в навигационных системах, попадание рабочих угловых скоростей в область нелинейности будет приводить к навигационным ошибкам, что недопустимо. Поэтому вопрос исследования причин и механизмов, вызывающих возникновение зоны нечувствительности является актуальным.

Под влиянием изменений температуры окружающей среды в волоконно-оптической катушке возникают температурные градиенты, изменяющиеся во времени. Это приводит к появлению на выходе интерферометра сигнала, не зависящего от скорости вращения, т.е. к ошибке. В литературе это явление получило название эффекта Шупе [36] [30]. Применение специальной симметричной намотки ОВ на катушку позволяет значительно снизить влияние температуры на выходной сигнал ВОГ, но не решает проблему полностью [30]. Температурная стабилизация контура позволяет практически полностью устранить температурный дрейф выходного сигнала ВОГ, но это приводит к

значительному увеличению габаритов и энергопотреблению прибора в целом, что является крайне нежелательным [7]. Альтернативный путь, снижения температурной чувствительности - это температурная компенсация выходного сигнала ВОГ. Для её реализации необходим инструмент, который позволит измерять температурные градиенты в волоконно-оптической катушке с высокой точностью, линейностью и временной стабильностью поскольку ВОГ рассчитаны на срок эксплуатации не менее 10 лет. Поэтому создание системы измерения пространственно временных градиентов должно позволить реализовать температурную компенсацию выходного сигнала ИВОГ [37] [38].

Целью настоящей диссертационной работы является улучшение точностных характеристик ВОГ: уменьшение величины дрейфа и случайного ухода выходного сигнала, устранение нелинейности масштабного коэффициента.

Задачами, решаемыми в настоящей диссертации, являются теоретическое и экспериментальное исследование шумовых и передаточных характеристик элементов опытных образцов ВОГ, разработка модели и анализ полученных результатов, поиск методов улучшения точностных характеристик прибора, а именно: исследование передаточных и шумовых характеристик опытных образцов ВОГ; анализ полученных результатов и их теоретическое обоснование; создание метода компенсации избыточного шума ИОИ в ВОГ, внедрение в прибор, проверка эффективности разработанного метода; исследование с целью установления механизма, вызывающего появление зоны нечувствительности; создание методов борьбы с зоной нечувствительности ВОГ; теоретическое исследование и разработка концепции построения системы измерения пространственно-временных градиентов, испытание системы измерения пространственно-временных градиентов в составе интерферометра ВОГ.

Объектом исследования является ИВОГ компенсационного типа с цифровой схемой обработки и оптической схемой работающей на одной поляризационной моде.

Предметом исследования являются факторы ограничивающие точностные параметры ИВОГ и поиск путей их устранения.

При проведении исследования применялись общепринятые способы статистического и спектрального анализа случайных процессов. Математическое моделирование, обработка и проверка результатов осуществлялась с использованием пакетов прикладных программ для решения задач технических вычислений МаНаЬ и 8Ы1аЬ. Полученные результаты расчетов и моделирования согласуются с экспериментальными данными, в том числе, полученными при испытаниях на аттестованном стендовом оборудовании ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Стендовое оборудование сертифицировано, по результатам испытаний выпущены протоколы испытаний.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) предложен новый метод компенсации избыточного шума источника оптического излучения в ВОГ, метод защищен патентом

2) впервые исследованы механизмы, приводящие к снижению чувствительности ВОГ в области малых угловых скоростей

3) предложена оригинальная модель, описывающая влияние электрической наводки модулирующего напряжения на выходной сигнал ВОГ

4) предложена модель, описывающая влияние паразитных отражений в оптической схеме на сигнал ВОГ

5) предложена концепция построения системы измерения пространственно-временных градиентов температуры, на базе которой создана работающая система компенсации температурных влияний на выходной сигнал ВОГ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Впервые предложен метод цифровой компенсации избыточного шума ИОИ в ВОГ за счет введения в оптическую схему дополнительных элементов сохраняющих состояние поляризации оптического излучения

2) Предложена модель, описывающая влияние электромагнитных наводок на возникновение зоны нечувствительности ВОГ и создан метод уменьшения этого влияния

3) Предложена модель, описывающая влияние паразитных оптических отражений на сигнал ВОГ при малых угловых скоростях вращения и создан метод уменьшения этого влияния

Практическая ценность результатов состоит в следующем:

1) Предложенный метод компенсации избыточного шума источника оптического излучения в ВОГ позволяет снизить уровень шума в выходном сигнале от 1.1 до 3.1 раз в зависимости от уровня оптической мощности.

2) Предложены методы борьбы с причинами вызывающими появление зоны нечувствительности, которые позволили снизить область захвата зоны нечувствительности в ВОГ с 0.2 град/час до уровня менее 0.01 град/час, т.е. значений сравнимых с чувствительностью ВОГ.

3) Предложенная концепция построения системы измерения пространственно-временных градиентов позволяет ввести температурную компенсацию выходного сигнала ВОГ и уменьшить СКО выходного сигнала от 1.1 до 6 раз при различных направлениях температурного воздействия.

Область применения результатов:

Полученные результаты могут быть использованы при производстве ВОГ для повышения точности их показаний, а также в аналогичных интерферометрических датчиках, таких как волоконно-оптический датчик тока.

Диссертация состоит из четырех глав, в которых последовательно изложен материал проведенного исследования ИВОГ с целью повышения его точностных и эксплуатационных характеристик.

Первая глава посвящена обзору существующих ВОГ и особенностям их построения. Также рассмотрены принципы построения высокоточных ИВОГ, основных факторов ограничивающих их точность. В главе приводится описание исследуемого ИВОГ и особенностей его построения.

Вторая глава посвящена исследованию уровню шумов в измерительном тракте ИВОГ, в частности избыточному шуму, как источнику ограничивающего точность и чувствительность ВОГ при уровнях оптической мощности на ФПУ более нескольких десятков микроватт. В главе описан ход исследования, проведен анализ полученных результатов, предложен и реализован метод борьбы с избыточным шумом, представлены результаты испытаний.

Третья глава посвящена исследованию нелинейности масштабного коэффициента в области малых угловых скоростей, так называемой зоны нечувствительности, выявлению причин ее вызывающих и методам борьбы с ними. Дано математическое описание механизмов вызывающих появление зоны нечувствительности, а также предложены методы их решения и представлены результаты испытаний.

Четвертая глава посвящена проблеме чувствительности выходного сигнала ИВОГ к температуре. Произведен анализ, предложена и реализована система измерения пространственно-временных градиентов, позволившая провести исследования чувствительности ИВОГ к тепловым воздействиям и на основании факторного анализа построить модель позволившую скомпенсировать температурный дрейф, а также предложен и реализован метод коррекции электрооптического коэффициента по температуре, который позволил существенно сократить время готовности прибора.

В заключении, данной работы, подведены итоги и приведен анализ полученных результатов, а также обозначено дальнейшее направление исследований и работ по повышению точности ИВОГ.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Алейник, Артем Сергеевич

4.5 Выводы по главе

Предложенная и реализованная система измерения температуры ВОК и МИОС позволила реализовать корректировку коэффициента «2Пи» по температуре. Предложенный метод корректировки коэффициента «2Пи» уменьшил время готовности ИВОГ к работе до 1 секунды, т.е. времени получения одного показания температуры, а также позволил решить проблему изменения масштабного коэффициента ИВОГ при больших угловых скоростях вращения. Система измерения температуры ВОК в эксперименте по созданию и измерению тепловых воздействий на ИВОГ позволила скомпенсировать влияние температуры на выходные показания скорости вращения. Было установлено, что наибольшее влияние на выходной сигнал исследуемого ИВОГ оказывает абсолютное значение температуры, а также скорость её изменения (описывает 90% дисперсии). При температурной компенсации по полученной тепловой модели СКО выходного сигнала ИВОГ в среднем уменьшилось на 70%. В зависимости от направления и теплового воздействия компенсация позволила уменьшить СКО выходного сигнала ИВОГ от 1.1 до 6 раз. На основании выше сказанного можно сделать вывод, что предложенная система измерения температуры эффективна и позволяет решать поставленные задачи. В дальнейшем необходимо продолжить исследование тепловых воздействий на ИВОГ для получения большего количества статистического материала с целью создания системы компенсации температурных влияний на выходной сигнал ИВОГ в режиме реального времени, а также повышения величины компенсации температурных уходов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе проведен литературный обзор и анализ существующих ВОГ и решений, которые в них используются. Дано описание и обоснование используемых технических решений в исследуемом ИВОГ навигационного класса точности. Материал диссертационной работы посвящен исследованию ИВОГ навигационного класса точности, с целью улучшения его характеристик и параметров.

Проведены теоретические и практические работы по исследованию возможности компенсации избыточного шума, разработана волоконно-оптическая схема ИВОГ, сохраняющая состояние поляризации начиная от ИОИ, предложен и реализован новый метод компенсации избыточного шума. Разработанный экспериментальный ИВОГ с сохранением поляризации и компенсацией избыточного шума источника оптического излучения показал лучшие характеристики по точности, чем ИВОГ без компенсации избыточного шума. Уровень СКО выходного сигнала скорости вращения ИВОГ на неподвижном основании уменьшился в 2.5 раза. Внесенные изменения в оптическую схему привели к незначительному удорожанию оптической части ИВОГ. Результаты испытаний показали эффективность работы схемы компенсации избыточного шума и целесообразность ее применения в ИВОГ. Стоит также отметить тот факт, что данные принципы построения схемы компенсации избыточного шума могут быть использованы в других волоконно-оптических датчиках физических величин, например в волоконно-оптическом датчике тока. Область применения разработки: использование схемы компенсации избыточного шума в ИВОГ и других волоконно-оптических датчиках физических величин в качестве способа повышения их точности.

В ИВОГ существует зона нечувствительности, что приводит к нелинейности и потере чувствительности в области малых угловых скоростей вращения, это создает трудности для применения таких ИВОГ в системах инерциальной навигации. В результате проведенного исследования были обнаружены и даны объяснения механизмов возникновения мертвой зоны и приведено их математическое описание. Было установлено, что основной причиной появления «зоны нечувствительности» является влияние напряжения фазовой модуляции на сигнал ФПУ. На основании предложенного метода измерения и расчета получена величина создаваемой наводкой мнимой скорости вращения, которая в исследуемом ИВОГ составила 0.05 град/час. Также вычислена величина влияния модулирующего напряжения на сигнал ФПУ, она составила порядка -80 дБ. Для компенсации этого влияния был предложен и реализован в составе прибора метод программной компенсации наводки, который позволил уменьшить величину создаваемой наводкой мнимой скорости вращения до 0.01 град/час. В дальнейшем данная проблема была устранена повышением электромагнитной совместимости платы обработки ИВОГ, что привело к уменьшению величины влияния модулирующего напряжения на сигнал ФПУ до уровня -100 дБ и величина «зоны нечувствительности» с 0.2 град/час до уровня 0.05 град/час. Было установлено, что следующим по величине фактором вызывающим возникновение «зоны нечувствительности» ИВОГ является влияние на выходной сигнал паразитного интерферометра Майкельсона. Нами предложен и реализован метод программной компенсации влияния паразитного интерферометра Майкельсона, суть которого заключается в создании изменяющегося смещения границ модулирующего напряжения для предотвращения его «залипания» при малых угловых скоростях вращения. При таком подходе диапазон принимаемых абсолютных значений модулятора принудительно изменяется, но не происходит возникновения ошибки на ФПУ, так как. сброс осуществляется в штатном режиме на 2л вверх или вниз в зависимости от места пересечения границы. В итоге программа обработки ИВОГ остается неизменной, в неё добавляется лишь один независимый блок, который смещает программную границу с интервалом раз в 10 секунд.

Преимуществом предложенного метода является то, что он легко реализуем, не требует каких-либо изменений конструкции и алгоритма работы прибора. Использование данного метода позволило уменьшить в исследуемом ИВОГ величину зоны нечувствительности до величины менее 0.01 град/час, то есть до уровня сравнимого с чувствительностью прибора.

Предложенная система измерения температуры ВОК и МИОС позволила реализовать корректировку коэффициента «2Пи» по температуре. Предложенный метод корректировки коэффициента «2Пи» уменьшить время готовности ИВОГ к работе до 1 секунды, т.е. до времени получения одного показания температуры, а также позволил решить проблему изменения масштабного коэффициента ИВОГ при больших угловых скоростях вращения. На основе показаний системы измерения температуры ВОК в эксперименте по созданию и измерению тепловых воздействий удалось скомпенсировать влияние температуры на показания ИВОГ. На основе проведенных экспериментов показано, что предложенная система измерения пространственно-временных градиентов позволяет реализовать температурную компенсацию в ИВОГ, и позволяет на начальном этапе исследования температурной компенсации уменьшить температурные уходы выходного сигнала от 1.1 до 6 раз в зависимости от направления теплового воздействия. На основании вышесказанного можно сделать вывод, что предложенная система измерения температуры эффективна и позволяет решать поставленные задачи.

В дальнейшем планируется проведение исследования и проведение испытаний по набору статистических данных влияния температуры, её производной и пространственных температурных градиентов на сигнал ВОГ. Разработка алгоритмов компенсации ошибок сигнала ВОГ, вызванных температурными факторами, внедрение полученных результатов в программное обеспечение платы обработки ИВОГ. А также проведение исследования и разработка программного обеспечения для реализации возможности компенсации избыточного шума в системе из трех гироскопов с общим ИОИ в схеме с общей синхронизацией.

Большая часть предложенных идей реализована в работающем промышленном образце, проведенные испытания показали на улучшение точностных параметров ИВОГ. Результаты исследований, представленные в данной работе, используются в промышленном производстве высокоточных ИВОГ навигационного класса точности, а также могут быть использованы в производстве других волоконно-оптических датчиков для повышения их точности, например в волоконно-оптическом датчике тока.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алейник, Артем Сергеевич, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Филатов, Ю. В. Волоконно-оптический гироскоп: учебное пособие / Ю. В. Филатов. — СПб.: СПбГУ "ЛЭТИ", 2003. — 52 с.

2. Ohno, A. Applications and Technical Progress of Fiber Optic Gyros in Japan / A. Ohno, A. Kurokawa, T. Kumagai, S. Nakamura, K. Hotate // Optical Fiber Sensors: conference paper "Optical Society of America". — Cancún, Mexico, 2006.

3. Fiberoptic gyros for space, marine and aviation applications / G. A. Sanders [и др.] // SPIE. —1996. — №2837. — С. 61-71.

4. Сущенко, О. А. Обзор современного состояния волоконно-оптических датчиков угловой скорости и тенденции их развития / О. А. Сущенко, В. В. Пальчик // Електрошка та системи управлшня. — 2011. — №3 (29). — С. 74-84.

5. Pavlath, G. A. Fiber Optic Gyros: The Vision Realized / G. A. Pavlath // SPIE.

— 2006. —№6314. —C. 63140G-1-12.

6. Napolitano, F. Fiber-optic gyroscopes key technological advantages [Электронный ресурс] / iXSea, an iXBlue company. — Электрон, статья. — Режим доступа: http://www.ixsea.com/pdf/fog-key-advantages.pdf

7. Divakaruni, S. P. Fiber Optic Gyros - A Compelling Choice for High Precision Applications / S.J. Sanders, S.P. Divakaruni // Optical Fiber Sensors: conference paper "Optical Society of America". — Cancún, Mexico, 2006.

8. Прилуцкий, В. E. Интерферометрические волоконно-оптические гироскопы с линейным выходом [Электронный ресурс] / В.Е. Прилуцкий [и др.]// ООО "Оптолинк", МИЭТ, экспериментальный завод. — Электрон, статья.

— Режим доступа: http://www.optolink.ru/ftpgetfile.php?id=51

9. Bush, J. Broadband erbium source for fiber optic sensor applications / J. Bush, P. G. Davis // SPIE. — 1997. — №3180.

10. Wang, L. A. A Highly Efficient Polarized Superfluorescent Fiber Source for Fiber-Optic Gyroscope Applications / L. A. Wang, H. C. Su // IEEE photonics technology letters. — 2003. —№15 (10) . — С. 1357-1359.

11. A High-Stability Fiber Amplifier Source for the Fiber Optic Gyroscope / J. L. Wagener [и др.] // Journal of lightwave technology. — 1997. — №15 (9) . — C. 1689-1694.

12. 1550 nm Superluminescent Diodesv [Электронный ресурс] / Thorlabs. — Электрон. каталог. — Режим доступа: http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm7obj ectgroup_id=3902

13. SLD-76-HP: High-Power SLDs at 1440, 1480, 1560 nm [Электронный ресурс] / Superlum Diodes, Ltd. — Электрон, документ. — Режим доступа: http://www.superlumdiodes.com/pdf/76hp.pdf

14. Superluminescent diodes at 1.55 |im based on quantum-well and quantum-dot active regions / W. Li [и др.] // SPIE. — 2005. — №5739. — С. 116-121.

15. Shidlovski, V.R. Superluminescent Diodes for Optical Coherence Tomography / V.R. Shidlovski, J. Wei // SPIE. — 2002. — №4648. — C. 139-147.

16. Wide spectral width superluminescent diodes fabricated by quantum well intermixing / T.-K. Ong [и др.] // SPIE— 2003. — №4996. — С. 221-228.

17. Superluminescent Diode Monolithically Integrated with Novel Y-Branch by Bundle Integrated Waveguide for Fiber Optic Gyroscope / W. Lu [и др.] // SPIE.— 2007. — №6838. — С. 68380D- 1-10.

18. New interferometric fiber-optic gyroscope with amplified optical feedback / T. Yuhara [и др.] // Optical Society of America. — 1996. — №35 (3). — C. 381-387.

19. Blotekjaer, K. Fundamental noise sources which limit the ultimate resolution of fiber-optic sensors / K. Blotekjaer // SPIE. — 1998. —№3555. — C. 1-12.

20. Burns, W.K. Excess Noise in Fiber Gyroscope Sources / W.K. Burns, R.P. Moeller, A. Dandridge // SPIE. — 1990. — №1367. — C. 87-92.

21. Избыточный шум Er/Yb-волоконного суперфлуоресцентного источника излучения / Э.И. Алексеев [и др.] // Письма в ЖТФ. — 1997. — №23 (23). — С. 1-7.

22. Killian, К. High performance fiber optic gyroscope with noise reduction / K. Killian, M. Burmenko, W. Hollinger // SPIE. — 1994. — №2292. — C. 255-263.

23. Пат. US 6204921 B1 Соединенные Штаты Америки. System for supression of relative intensity noise in a fiber optic gyroscope [Текст] / Standjord L. K., Bay T., Adams G. W., Ang D.; заявитель и патентообладатель Honeywell, Inc.; опубл. 20.03.2001. —8 c.

24. Polynkin, P. All-optical noise-subtraction scheme for a fiber-optic gyroscope / P. Polynkin, J. de Arruda, J. Blake // Optics letters. — 2000. — №25 (3). — C. 147149.

25. Базаров, E.H. Компенсация избыточного шума в волоконно-оптическом гироскопе с ответвителем типа 3x3 / Е.Н. Базаров, Э.И. Алексеев // Письма в ЖТФ. — 1997. — №23 (15). — С. 36-38.

26. Волоконно-оптический гироскоп с подавлением избыточного шума источника излучения / Э.И. Алексеев [и др.] // Письма в ЖТФ. — 1998. — №24 (18). —С. 30-35.

27. Blin, S. Fiber-Optic Gyroscope Operated with a Frequency-Modulated Laser / S. Blin, M. J. F. Digonnet, G. S. Kino // SPIE. — 2008. — №7004. — C. 70044X- 14.

28. Пат. US 6370289 В1 Соединенные Штаты Америки. Apparaturs and method for electronic RIN reduction in fiber-optic sensors [Текст] / Bennett S. M.; заявитель и патентообладатель KVH Industries, Inc.; опубл. 9.04.2002. — 19 с.

29. Rabelo, R. C. SNR Enhancement of Intensity Noise-Limited FOGs / R. C. Rabelo, R. T. de Carvalho, J. Blake // Journal of lightwave technology. — 2000. — №18(12). —C. 2146-2150.

30. Lefevre, H. The Fiber-Optic Gyroscope / H. Lefevre ; Artech House. — London: 1992. —314 c.

31. Hai-Cheng, Y. Improved Performance Of Scale Factory Linearity In Closed-Loop IFOG / Y. Hai-Cheng, W. Wei, H. Lei // Journal of Chinese Inertial Technology. — 2007. — №15 (4). — C. 449-451.

32. Jun, P. Dead band phenomena of closed-loop fiber optic gyroscope and the experiment to eliminate dead band / P. Jun // Acta Aeronáutica Et Astronáutica Siniga. — 2001. — №22 (02) . — C. 177-179.

33. Ning-Fang, S. Method For Eliminating The Deadband Of FOG / S. Ning-Fang, W. X. Xiao, W. Zhan-Jun // Journal of Chinese inertial technology. — 2006. — №14(4). —C. 177-179.

34. Wei, W. Analysis On Dead-Band Mechanism Of Digital Closed-Loop FOG / W. Wei, F. Tie-Gang // Journal Of Chinese Inertial Technology. — 2007. — №14 (1).

35. Xiao-Feng, Z. Research on Dead Zone Error Reduction Technique in Closed-loop Fiber Optic Gyroscope / Z. Xiao-Feng, Z. Gui-cai // Piezoelectrics & Acoustooptics. — 2009. — №31 (2).

36. Shupe, D.M. Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer / D.M. Shupe // Applied Optics. — 1980. — №19 (5). — C. 654-655.

37. Temperature Compensation of FOG Scale Factor Based on CPSO-BPNN / D. Zhao [h «p.] // IEEE: Control and Decision Conference. — 2010. — c. 2898-2091.

38. Chen, X. Modeling Temperature Drift of FOG by Improved BP Algorithm and by Gauss-Newton Algorithm / X. Chen // ISNN. — 2004. — c. 805-812.

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

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

41. Shorthill, R. W. Fiber Ring Interferometer / R. W. Shorthill, V. Vali // Appl. Opt. —1976. —№15 (5).

42. Liu, R.Y. Test Results of Honeywell's First—Generation, High— Performance Interferoinetric Fiber-Optic Gyroscope / R.Y. Liu, T.F. El-Wailly, R.C. Dankwort// SPIE. — 1991. —№1585. — C. 262-275.

43. Fiber-optic gyroscope using an air-core photonic-bandgap fiber / H.K. Kim [h pp.] II SPIE. — 2005. — №5855. — C. 198-201.

44. Stable and wideband L-band erbium superfluorescent fiber source using improved bi-directional pumping configuration / W. Huang [h ^p.] // OSA. — 2007. — №15 (15). —C. 9778-9783.

45. Jinlong, C. Experimental optimization of an erbium-doped super-fluorescent fiber source / C. Jinlong, T. Manqing // Journal of Semiconductors. — 2011. — №32 (10). — c. 104007- 1-5.

46. Digonnet, M. J. F. Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers / M. J. F. Digonnet ; Marcel Dekker, Inc. — New York: 2001. —942 c.

47. Jinlong, С. Experimental optimization of an erbium-doped super-fluorescent fiber source for fiber optic gyroscopes / C. Jinlong, T. Manqing // Journal of Semiconductors. — 2011. —№32 (10). — C. 104007- 1-5.

48. Баскаков, С.И. Радиотехнические сигналы, цепи, устройства и системы / С.И. Баскаков ; Москва: Высшая школа. — 2005. —464 с.

49. Three axis motion simulation model AC3367-TCC [Электронный ресурс] / Acutronic Schweiz AG. — Электрон, документ. — Режим доступа: http ://www. acutronic. com/uploads/tx_AcutronicProducts/Datasheet-3 -Axis-RateTable-AC3367-TCC_03.pdf

50. Алейник, A.C. Методика испытаний экспериментального образца ВОГ-1 с компенсацией избыточного шума / А.С. Алейник, Д.А. Егоров, А.А. Унтилов, // ОАО "ЦНИИ "Концерн "Электроприбор".- СПб: 2010. — 2 с.

51. Алейник, А.С. Отчет об испытаниях экспериментального ВОГ-16 (с компенсацией и без компенсации избыточного шума) / А.С. Алейник // ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор".- СПб: 2010. — 6 с.

52. Тараканов, С.А. Разработка волоконно-оптического датчика магнитного поля и тока / С.А. Тараканов // Сборник трудов конференции молодых ученых, Выпуск 1. Оптотехника и оптическое приборостроение. — СПб: 2009. — С. 246-249.

53. Губин, В.П. Волоконно-оптический датчик тока на эффекте Фарадея /

B.П. Губин [и др.] // Фотон-экспресс. — 2007. — С. 64-65.

54. Chen, С. J. Interferometric Fiber Optic Gyroscope Dead Band Suppression /

C. J. Chen // Applied Physics Express. — 2008. — №072501. — C. 1-3.

55. Tao, Y. FOG deadband reason analysis and error compensation / Y. Tao, Q. Li, W. Yan-ji // Journal of Chinese inertial technology. — 2007. —№15 (3).

56. Chunxi, Z. Dead band nonlinearity of digital closed-loop FOG / Z. Chunxi, S. Ningfang, L. L. J. Jing // Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics. — 2007. — №33 (9). — C. 1046-1050.

57. Егоров, Д. А. Исследований зоны нечувствительности (минимальной измеряе-мой угловой скорости) экспериментального образца / Д.А. Егоров, P.O. Олехнович // ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", Протокол №004/0843. — СПб: 2009.

58. Пат. US 5999304 В1 Соединенные Штаты Америки. Fiber Optic Gyroscope With Deadband Error Reduction [Текст] / Sunders G., Dankwort R., Strandjord L., Bergh R.; заявитель и патентообладатель Honeywell, Inc.; опубл. 7.12.1999. —20 с.

59. Cai-hong, M. Application of pseudo-random modulation in full-digital closed-loop optic fiber gyroscope / M. Cai-hong, Y. Guo-guang // Electronic Engineering. — №29 (6). — 2003. — C. 80-83.

60. Пат. US 7633626 B1 Соединенные Штаты Америки. Fiber Optic Gyroscope Deadband Circumvention Apparatus and Method [Текст] / D.A. Tazartes G.A. Pavlath; заявитель и патентообладатель Northrop Grumman Guidance and Electronics Co.; опубл. 15.12.2009. — 9 с.

61. Пат. US 6744519 B1 Соединенные Штаты Америки. Methods And Apparatus For Fiber Optic Gyroscope Dead Band Error Suppression Modulation [Текст] / Lange С. H., Chen C.-J.; заявитель и патентообладатель Honeywell, Inc.; опубл. 1.06.2004. — 10 с.

62. Егоров Д.А., Унтилов А.А. Олехнович P.O., "Исследования зоны нечувствительности по угловой скорости ВОГ различных типов," ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", Протокол испытаний № 005/0843.- СПб: 2009.

63. Murphy, E. J. Broadband Optical Modulators Science, Technology, and Applications / E. J. Murphy, A. Chen. — s.l.: CRC Press, 2011. —532 c.

64. Пат. 2194246 Российская Федерация, MIIK7G01B9/02. Способ обработки сигнала кольцевого интерферометра волоконно-оптического гироскопа [Текст] / Андреев А.Г., Ермаков B.C., Курбатов A.M., Кель O.JL; Заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество Пермская научно-производственная приборостроительная компания, опубл. 2002.

65. Practical Temperature Measurement / R.N. Peter [и др.]; Great Britain — s.l.: BH, 2001. —372 c.

66. John, P. Tavener Platinum resistance thermometers as interpolation standarts for ITS-90 / P. John // Isotech Jour Term. — 1990. — №1 (1). — C. 31 -37.

67. Preston-Thomas, H. The international temperature scale of 1990 (ITS-90) / H. Preston-Thomas // Metrologia. — 1990. — №27. — C. 3-10.

68. Международный стандарт IEC60751 / Международная электротехническая комиссия. — 1995.

69. Horrigan, С. Handbook of temperature measurement. Vol. 2. Resistance and Liquid in Glass Thermometry / C. Horrigan, R.E. Bentley; Springer, 1998.

70. Wise, J.A. Liquid in Glass Thermometry / J.A. Wise // NBS Monograph. — №150.-1976.

71. Разработка двухрежимного гирогоризонткурсоуказателя на базе трехкомпонентного волоконно-оптического гироскопа / А.П. Колеватов [и др.] // Гироскопия и навигация. — №2 (57). — 2007. — С. 43-53.

72. Pavlath, G. A. Closed-loop fiber optic gyros / G. A. Pavlath // SPIE. — №2837 (46). — 1996.

73. Hinüber, E. Inertial Measuring Systems [Электронный ресурс] / E. Hinüber // ATZ. — Электрон. статья. — Режим доступа: http://www.imar.de/downloads/papers/atz_6_2002_printoff_en.pdf

74. Ruffin, Р. В. Fiber optic sensors second edition/ P. B. Ruffm, T.S. Francis, Y. S. Yin; CRC Press USA. — New York: Taylor & Francis Group, 2008. — 457 c.

75. Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction / S. V. Vaseghi; Second Edition: John Willey & Sons, Ltd, 2000. — 473 c.

76. Yin , S. Fiber Optic Sensors / S. Yin , P. B. Ruffm, F. T. S. Yu ; Second Edition: CRC Press, 2008. — 455 c.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА

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

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

А2. Исследование зоны нечувствительности волоконно-оптических гироскопов / A.C. Алейник, Г.Б. Дейнека, В.Е. Стригалев и др. // Гироскопия и навигация - 2010. - №4 (71). - С.77.

A3. Алейник, A.C. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа / A.C. Алейник // Гироскопия и навигация. - 2009. - №2 (65). -С.101.

Изобретения:

A4. Пат. 2444704 Российская Федерация, МПК G01C 19/72. Волоконно-оптический гироскоп / A.C. Алейник, И.К. Мешковский, В.Е. Стригалев ; патентообладатель Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор". -№ 2010144351/28 ; заявл. 26.10.10 ; опубл. 10.03.12, Бюл. № 16. - 14 с. : 1 ил.

Прочие публикации:

А5. Алейник, A.C. Повышение точности волоконно-оптического гироскопа / A.C. Алейник // Навигация и управление движением: Материалы докладов XI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб., 2009. - С.185-190.

А6. Исследование зоны нечувствительности волоконно-оптических гироскопов / A.C. Алейник, В.Е. Стригалев, Г.Б. Дейнека и др. // Рефераты докладов XXVII конференции памяти H.H. Острякова. - СПб, 2010.-С. 15.

А7. Алейник, A.C. Устройство для измерения пространственно-

временных градиентов температуры в волоконно-оптическом гироскопе / A.C. Алейник, В.Е. Стригалев // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. Выпуск 2. Оптотехника и оптические материалы. -СПб., 2010. - С.5.