автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Исследование и оптимизация точностных и динамических параметров волоконно-оптических интерферометрических датчиков

На правах рукописи

Дейнека Иван Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 НОЯ 2014

005554901

Санкт-Петербург - 2014

005554901

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Стригалёв Владимир Евгеньевич

Ведущая организация: ОАО «Концерн «НПО «Аврора»

Защита диссертации состоится "04" декабря 2014 г. в 15 ч. 50 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, ауд. 466.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru

Официальные оппоненты:

Филатов Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) декан ФИБС, заведующий кафедрой ЛИНС

Николаев Владимир Александрович

кандидат технических наук, доцент Начальник отдела коммуникаций СПБНЦ РАН

Автореферат разослан « £№£<£Й2014

года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук, профессор Денисюк И.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время стремительно развивается направление создания датчиков физических величин, построенных на основе волоконно-оптических интерферометров. Наиболее чувствительными системами измерения являются волоконно-оптические фазовые датчики интерферометрического типа. Чтобы зафиксировать интерференционную картину, выходной сигнал датчика подвергается сложной обработке, при этом цифровая обработка интерферометрического сигнала имеет ряд преимуществ над аналоговой.

В зависимости от вида интерференционной схемы в датчике (тип интерферометра), а также в зависимости от требуемых параметров (динамический диапазон, точность, рабочий температурный диапазон и др.) необходимо выбирать схему модуляции для обработки сигнала датчика. При этом оптимальный способ обработки сигнала датчика находится исходя из положения и стабильности рабочей точки. Способы обработки можно разделить на схемы с выбором и поддержанием рабочей точки интерферометра и схемы, где рабочую точку стабилизировать невозможно или нецелесообразно. Можно утверждать, что для создания измерительного комплекса для обработки показаний волоконно-оптических интерферометров требуется проанализировать общие принципы построения цифровой схемы обработки сигнала интерферометрического фазового датчика, выявить особенности схем как с выбором и поддержанием рабочей точки интерферометра, так и в случае, когда рабочую точку стабилизировать невозможно. Анализ методики построения цифровой схемы обработки сигнала интерферометрического датчика включает обзор видов модуляции и выбор оптимальной модуляции, а также выбор оптимального математического метода обработки показаний.

Цифровые методы обработки сигналов позволяют решать такие задачи как увеличение точности измерения, расширение температурного диапазона работы прибора, увеличение динамического диапазона, коррекция амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик (АЧХ и ФЧХ), при этом не требуется вносить изменений в оптическую схему. Поэтому тема диссертационной работы, посвященная исследованию и оптимизации точностных и динамических параметров волоконно-оптических интерферометрических датчиков, является весьма актуальной.

Целью работы является оптимизация точностных и динамических характеристик волоконно-оптических интерферометрических фазовых датчиков (ВОИФД) за счет анализа и выбора оптимальных модулирующих техник и использования математических решений для компенсации паразитных влияний на полезный сигнал и стабилизации показаний датчика.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

• теоретическое исследование различий и общих черт существующих цифровых схем обработки сигнала волоконно-оптических интерферометрических систем;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Практическое значение работы состоит в следующем:

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

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

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

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

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

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

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

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

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

Апробацпя работы. Основные положения и результаты материалов диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях:

- на VIII Всероссийской межвузовской конференции (Санкт-Петербург, Россия, 2011);

- на I, II и III Конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013). Диплом за лучший доклад на секции «Сенсоры и сенсорные сети» на II Конгрессе молодых ученых

- на международной научно-практической конференции «Sensorica -2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013);

- на XL, XU, XLII научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2011, 2012, 2013).

Объектом исследования являются образцы интерферометрических ВОГ, построенные по взаимной конфигурации волоконно-оптического интерферометра, с цифровой схемой обработки и оптической схемой, работающей на одной поляризационной моде в составе одноосного гироскопа, и опытные образцы ВОИДН, построенные на основе волоконно-оптической поляризационно-интерферометрической схемы с цифровой схемой обработки.

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

Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования используются при разработке и производстве ВОГ навигационного класса точности и ВОИДН.

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

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

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе, имеющей обзорный характер, рассмотрены особенности и принцип действия ВОИФД. Кратко представлены методы формирования выходного сигнала ВОИФД и обозначена проблема стабилизации рабочей точки интерферометра. Даны общие сведения и обозначены основные преимущества двух перспективных на сегодняшний день приборов на основе ВОИФД - волоконно-оптического гироскопа и волоконно-оптического интерферометрического датчика напряжения. На основе материала первой главы сделан вывод о необходимости построения компьютерной модели ВОИФД, на основании анализа которой может быть

спроектирована схема обработки, учитывающая особенности интерферометрической схемы датчика и условий его работы. Поставлена цель работы.

Вторая глава посвящена способам оптимизации параметров ВОИФД с выбором и стабилизацией положения рабочей точки интерферометра, на примере обработки сигнала ВОГ. Изложен общий принцип работы и перечислены основные элементы, из которых состоит ВОГ. Отмечены преимущества построения оптической схемы датчика по "взаимной конфигурации", сделан вывод о целесообразности выбора и стабилизации рабочей точки интерферометра в данной схеме. Кратко описано использование пилообразной фазосдвигающей модуляции, состоящей из двух режимов - так называемых "узкой" и "широкой" "пил", и метод разностной демодуляции с последующим интегрированием для обработки показаний ВОГ.

В рамках работы было проведено исследование механизма искажения фазочастотной характеристики (ФЧХ) ВОГ и обозначена проблема фазовой синхронизации трёх ВОГ в составе системы. Для решения проблемы был применен ряд способов коррекции ФЧХ ВОГ в составе системы. Создание и реализация фильтра с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ -фильтра) позволило получить инструмент для изменения фазовой задержки сигнала ВОГ и дало возможность уменьшить временные задержки между ВОГ с нескольких сотен до нескольких единиц микросекунд. Создание и реализация блока программного управления коэффициентом усиления фотоприемного устройства (ФПУ) дало возможность изменять коэффициент петлевого усиления в схеме обработки ВОГ. Однако оба вышеописанных способа приводят к решению задачи лишь при неизменных параметрах внешней среды и для стабильной работы требуют подстройки с использованием дополнительных обратных связей. Для стабилизации ФЧХ ВОГ в условиях изменяющейся температуры был разработан метод нормировки. В результате испытаний на трехосном приборе БИМ-3 (бесплатформенном инерциалыюм модуле), проведенных на базе ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», влияние изменения температуры на ФЧХ гироскопа было уменьшено: максимальная величина задержки сократилась в 4 раза, а диапазон изменения величины задержки составил 6-7 мкс, что более чем в 40 раз отличается от результатов работы схемы без введения нормировки. На рисунке 1 изображено изменение величины задержки между показаниями гироскопов х - г и у - ъ, соответственно, в зависимости от времени. При этом температура внешней среды изменялась в пределах от 24 до 29 °С.

I -20

& гч

48

1

■ : ; | "¿У у.'

4

{. часы

Рис. 1. Фазовые задержки ВОГ в составе системы без использования механизма нормировки (левый график) и с использованием механизма нормировки (правый график)

Уменьшение диапазона изменения величины задержки в условиях изменения температуры является основным преимуществом и достижением метода нормировки, так как если величина задержки изменяется в узких пределах, абсолютное значение задержки можно просто учитывать в навигационной постобработке. В целом, использование всех трёх методов представляет собой комплексное решение проблемы фазовой синхронизации трех ВОГ друг с другом в составе системы.

Во второй главе приводится решение прикладной задачи понижения частоты выходных данных ВОГ применительно к системам навигации. Был предложен способ последовательного понижения частоты дискретизации выходных данных ВОГ с использованием каскада из нескольких идентичных полуполосных цифровых фильтров нижних частот (ЦФНЧ), позволяющий устранить явление наложения спектров. В результате сравнения данного способа с методом фильтрации по алгоритму "скользящего среднего" отмечено увеличение соотношения сигнал/шум примерно на порядок. В дополнении к использованному методу фильтрации был реализован интерполятор, применение которого позволяет обеспечить временную задержку на выдачу сигнала на уровне не более 10 мс (при частоте выдачи выходного сигнала 100 Гц) без существенного искажения информации.

Также во второй главе приводится описание созданной компьютерной модели обработки сигнала ВОГ, рассмотрена принципиальная схема, блочная структура, работа основных блоков. Результаты моделирования согласуются с результатами, полученными в ходе эксплуатации волоконно-оптических приборов инерциальной навигации, производимых на базе ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор». Отмечено создание программного обеспечения (ПО) для цифрового устройства обработки сигнала ВОГ. В качестве цифрового устройства обработки применялась программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС).

В третьей главе представлен способ обработки сигнала ВОИДН. Описана интерферометрическая оптическая схема, перечислены основные элементы ВОИДН.

Фотоприемное устройство Анализатор

Цифровое устройство обработки ЦАП

Выходной сигнал Напряжение)

2

Фарадеевский Чувствительный Зеркало

ротатор элемент

Фотоприемное устройство

Рис. 2. Блок-схема ВОИДН со вспомогательной модуляцией и цифровой системой обработки и управления Проанализирован общий принцип работы датчика. В результате анализа делается вывод о нецелесообразности стабилизации рабочей точки интерферометра в данной схеме ВОИДН. Для обработки показаний датчика было предложено использовать пилообразную фазосдвигающую модуляцию, как показано на рисунке 3 (а):

и, В..

У, отн. ед.

5 I, отн. ед.

5 г, отн. ед.

Рис. 3. Временное соотношение пилообразного модулирующего сигнала V (а) и выходного интерферометрического сигнала У (б)

В схеме ВОИДН ЦАП генерирует ступенчатое пилообразное напряжение, которое поступает на модулятор, входящий в состав многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС). Амплитуда модулирующего пилообразного сигнала ("пилы") и выбирается, исходя из характеристик модулятора, так, чтобы модулятор за один период "пилы" вносил в сигнал сдвиг фаз равный 2я. Данный метод позволяет уйти от потребности выставления рабочей точки, так как вывод о внесенном сдвиге фаз делается по результатам обработки нескольких точек за период косинуса, а не по одному значению. Тем самым решается проблема влияния изменений условий окружающей среды на чувствительность датчика.

Сформулированы соображения, по которым выбирается оптимальное количество ступеней пилы >1, соответствующее числу отсчетов за период косинуса.

В качестве способа выделения полезного сигнала использован метод наименьших квадратов (МНК). В качестве базисных выбран следующий набор функций: {(р(х)} = {1, соз(х): зт(х)}. Фаза вычисляется с использованием функции арксинус или арккосинус. Результатом обработки N точек МНК является одно значение фазы.

Приводится описание созданной компьютерной модели обработки сигнала ВОИДН, рассмотрена принципиальная схема, блочная структура, работа основных блоков. Также в главе приводится решение задачи развёртывания фазы применительно к рассматриваемому методу обработки.

При обработке сигнала ВОИДН возникает проблема, связанная с зависимостью характеристик модулятора от температуры, вследствие чего меняется коэффициент соответствия модулирующего напряжения вносимому модулятором сдвигу фаз. В дальнейшем величину напряжения, соответствующую сдвигу фазы на 2п, будем называть И2ж. Отклонение значения и2я от реального приводит к ошибке определения входного воздействия. Фактически, способ измерения фазы в ВОИДН необходимо дополнить возможностью коррекции значения и2л в условиях изменяющейся температуры. Было разработано два способа коррекции:

• Подстройка коэффициента и2л путем введения отрицательной обратной связи и с использованием модулирующего пилообразного сигнала со «скачками» напряжения;

• Уменьшение влияния температуры на показания датчика путем генерации трехтактной формы модулирующего пилообразного сигнала.

На рисунке 4 показан вид пилообразного модулирующего сигнала для двух вышеописанных способов коррекции.

Рис. 4. Верхний график —модулирующий пилообразный сигнал со «скачками»

напряжения; нижний график - трехтактная форма модулирующего пилообразного сигнала. Т:и Т2 П соответствующие периоды модулирующих

сигналов

На основании анализа преимуществ и недостатков двух способов коррекции влияния температуры на показания датчика можно сделать вывод, что способ подстройки коэффициента II 2ж путем введения отрицательной обратной связи предпочтительнее для реализации в макете ВОИДН.

Для компенсаиии зависимости погрешности метода обработки от скорости изменения полезного сигнала ВОИДН был видоизменен модулирующий пилообразный сигнал. При рассмотрении метода обработки сигнала ВОИДН использовалось допущение, согласно которому за период модулирующего напряжения измеряемая фаза не изменяется. Однако в реальных условиях это допущение не соблюдается, и ошибка возрастает с увеличением скорости изменения фазы полезного сигнала.

Период абсолютной погрешности алгоритма соответствует изменению измеряемой фазы на к радиан. При этом зависимость средней величины абсолютной погрешности алгоритма и амплитуды ее периодичности от скорости изменения измеряемого фазового сигнала (угла наклона) -линейная. На рисунке 5 показано влияние скорости изменения фазы на абсолютную погрешность метода обработки.

Рис. 5. Зависимость абсолютной погрешности от времени для разных скоростей изменения фазы. Верхний график - измеряемая фаза с различающейся скоростью нарастания; нижний график -соответствующая абсолютная погрешность

В качестве меры устранения периодичности в восстановленном фазовом сигнале был видоизменен модулирующий пилообразный сигнал. Было предложено подавать на модулятор пилообразный сигнал знакопеременного наклона, изображенный в нижней части рисунка 6:

номер отсчета

Рис. 6. Верхний график — прежняя форма пилообразного модулирующего сигнала; нижний график — модулирующий пилообразный сигнал знакопеременного наклона При использовании предложенной формы модулирующего сигнала односторонние изменения в измеряемом фазовом сигнале за один период пилообразного модулирующего напряжения компенсируются, вследствие чего подавляется периодичность в восстановленном сигнале, как показано на рисунке 7.

Рис. 7. Зависимость абсолютной погрешности от времени при разных способах модуляции. Верхний график — изменение фазы во времени; нижний график - соответствующая абсолютная погрешность

В рамках данной работы были созданы и успешно прошли испытания макет и опытный образец ВОИДН для измерения переменного и импульсного напряжения. Испытания опытного образца ВОИДН проводились в испытательном центре ОАО «НИИВА» (научно-исследовательском институте высоковольтного аппаратостроения) на высоковольтном оборудовании. В качестве эталонного измерителя был использован цифровой мультиметр RIGOL DM3051. подключенный к высоковольтным вводам опытного образца с помощью сертифицированного емкостного делителя напряжения. На рисунке 8 приведены результаты работы опытного образца ВОИДН:

Измеренное значение «вазы оптического излучения

-шиши—ЩИ ' : i 1 1 1 1 ; ; i 1 1 май,

t i i i j I Г ' 1 1 ! j ! 1 ! i 1 I j

"V........ - i ( i i i ; i 1 t i 1 i ) 1 i 1 I i i 1

Рис. 8. Результаты работы опытного образца ВОИДН

Скачки относительной погрешности измеренного напряжения на рисунке 8 обусловлены разными амплитудно-частотными характеристиками цифрового мультиметра RIGOL DM3051, емкостного делителя напряжения и опытного образца.

Относительная погрешность показаний макета ВОИДН не превысила 2 %.

Результаты испытаний опытного образца ВОИДН в ОАО «НИИВА» на высоковольтном оборудовании согласуются с результатами, полученными в ходе моделирования.

Также в третьей главе представлено описание разработанного программного обеспечения (ПО) для цифрового устройства обработки сигнала ВОИДН. В качестве цифрового устройства обработки применялась программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). В четвертой главе описывается оригинальный метод коррекции температурной зависимости полуволнового напряжения модулятора, входящего в состав ВОГ.

Для коррекции изменения электрооптического коэффициента от температуры в процессе работы внутри программы был введен коэффициент, условно названный U2lr. Для корректировки U2lr была введена так называемая "вторая обратная связь". На рисунке 9 изображена визуализация принципа второй обратной связи на примере выхода ВОГ на режим:

Рис. 9. Визуализация принципа работы второй обратной связи

В результате исследований было выявлено, что при больших ускорениях ВОГ наблюдается взаимное влияние первой и второй обратных связей. Кроме того, при близких к нулю скоростях вращения вторая обратная связь практически неработоспособна из-за малого количества переходов с "узкой" "пилы" на "широкую" и с "широкой" на "узкую". Для радикального решения этой проблемы было предложено корректировать \]2ж по информации об абсолютном значении температуры МИОС. Так как

зависимость коэффициента и2ж от температуры близка к линейной, корректировка сводится к решению уравнения вида

У = к(х- 23) + Ъ,

где х — температура МИОС, 23 — нормировочный параметр, к и Ь — коэффициенты, получаемые в результате эксперимента для каждого гироскопа в отдельности, У — искомое значение коэффициента и2л-Коэффициент Ь определяется как значение коэффициента и2ж для температуры МИОС, равной нормировочному параметру, т.е. составляющей 23°С.

Однако и метод коррекции коэффициента и2я по значению температуры МИОС имеет свой недостаток - из-за амортизации прибор должен проходить периодическую калибровку для нахождения коэффициентов подстройки, а эта возможность доступна только для опытных образцов и недопустима в условиях штатной работы прибора на объекте.

Исходя из того, что оба метода коррекции коэффициента 1]2ж имеют как преимущества, так и недостатки, были сформулированы принципы одновременного функционирования обоих методов, согласно которым одновременная работа двух методов коррекции должна происходить вне зависимости от скорости вращения ВОГ. Также прибор должен сохранять точность показаний в течение всего срока эксплуатации, а, следовательно, влияние амортизации на работу коррекции коэффициента и2я должно быть сведено к минимуму. Наконец, время выхода ВОГ на режим должно быть минимальным.

Для визуализации принципов совместной работы обоих методов коррекции используется блок-схема, представленная на рисунке 10:

Рис. 10. Блок-схема совместной работы двух методов коррекции коэффициента и2ж

Вторая обратная связь используется в качестве основного способа коррекции коэффициента \]2ж по ходу эксплуатации ВОГ, а коррекция коэффициента и2я по показаниям датчика температуры МИОС должна использоваться в качестве дополнительного способа коррекции. Критерием,

определяющим, какой способ коррекции использовать в данный момент, является сигнал ошибки первой обратной связи и скорость вращения ВОГ. Данные с АЦП поступают на блоки первой и второй обратных связей. Компаратор анализирует величины сигнала ошибки и скорости вращения ВОГ, полученные после блока первой обратной связи. Блок выбора и коррекции коэффициента и21Г получает информацию как с блока второй обратной связи, так и с блока опроса датчика температуры МИОС. Блок анализирует сигнал с компаратора и делает выбор в пользу одного из двух методов коррекции. Блок выбора и коррекции коэффициента и2я также сравнивает коэффициенты и2т полученные при помощи двух методов. Поскольку процесс старения прибора является длительным, в основном изменять коэффициенты к и Ь можно достаточно редко - например один раз в сутки. Однако в случае, если зафиксировано критическое несоответствие коэффициентов и2л, массив данных для перекалибровки сужается, и коррекция происходит быстрее.

В случае, когда предпочтение отдаётся второй обратной связи, запускается режим перекалибровки. Блок формирования модулирующего напряжения выдает на ЦАП данные с учетом изменившегося значения коэффициента и211.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

• Построены компьютерные модели, реализующие алгоритмы работы ВОГ и ВОИДН, позволяющие также анализировать и проводить отладку математических методов обработки и разрабатываемого ПО.

• Описан механизм искажения ФЧХ ВОГ. Проанализированы и программно реализованы методы коррекции ФЧХ ВОГ в составе системы: использование БИХ - фильтра и метода программного управления коэффициентом усиления ФПУ. Создан и программно реализован метод стабилизации фазочастотной характеристики волоконно-оптического гироскопа и временного фазового согласования волоконно-оптических гироскопов в составе трёхосной навигационной системы в условиях изменяющейся температуры. Проведено экспериментальное исследование, результаты которого показали уменьшение максимальной величины задержки в 4 раза и уменьшение диапазона изменения величины задержки с 280 до 7 мкс.

• Предложен способ оптимизации понижения частоты дискретизации выходных данных ВОГ со 120 КГц до 100 Гц. Способ может быть применен для нужд навигационных систем в целях увеличения точности их показаний и повышения их помехоустойчивости.

• Создан новый способ формирования модулирующего напряжения для волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика, представляющий собой кусочно-пилообразный сигнал знакопеременного

наклона. Способ позволяет уменьшить погрешность измерений волоконно-оптического интерферометрического датчика напряжения. Способ программно реализован.

• Разработан способ обработки сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика со вспомогательным ступенчатым пилообразным модулирующим сигналом. Способ программно реализован. На основе способа были созданы и успешно прошли испытания опытный образец и макет волоконно-оптического интерферометрического датчика напряжения. Относительная погрешность измеренного напряжения макета ВОИДН не превысила 2 %.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ

Из перечня ВАК:

1. Дейнека И.Г., Тараканов С. А., Шрамко О. А. Изучение магнитооптического эффекта Фарадея. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2008. №4(49), с. 84-89. - 0,375 п.л./0,125 п.л.

2. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г, Шарков И.А. Модификация схемы обработки данных фазового интерферометрического акустического датчика. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2012. - Вып. 5. - № 81. - С. 20-25. -140 с. - ISSN 2226-1494. - 0,375 п.л./0,15 п.л.

3. Егоров Д.А., Драницына Е.В., Унтилов A.A., Дейнека Г.Б., Шарков И.А., Дейнека И.Г. Снижение влияния изменения температуры на выходной сигнал волоконно-оптического гироскопа Гироскопия и навигация / ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор". - Санкт-Петербург, 2012. - Вып. №4 (79). - С. 10-20. - ISSN 2075-0927. - 0,6875 п.л./0,15 п.л.

4. Алейник A.C., Дейнека И.Г., Макаренко A.A., Мехреньгин М.В., Стригалев В.Е. Стабилизация фазовой характеристики сигнала фазового волоконно-оптического датчика в условиях изменения температуры. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. СПб: СПб НИУ ИТМО, 2013. - Выпуск 6(88). - С. 26-31. - 0,3125 п.л./0,125 п.л.

5. Мирошниченко Г.П., Дейнека И.Г., Погорелая Д.А., Шуклин Ф.А., Смоловик М.А. Способ измерения фазы интерферометрического сигнала. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и

оптики. СПб: СПб НИУ ИТМО, 2013. - Выпуск 6(88). - С. 61-67. - 0,4375 п.л./0,14 п.л.

6. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Разработка блока генерации

гармонических сигналов для схемы цифровой обработки информации волоконно-оптического гидрофона. // Известия вузов. Приборостроение. НИУ ИТМО. - Санкт-Петербург, 2013. - № 12. - С. 68-71. - 0,25 п.л./0,0625 п.л.

Изобретения:

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

Другие публикации:

1. Шрамко O.A., Дейнека И.Г., Аксарин С.М., Плотников М.Ю., Рупасов A.B. Исследование пространственного распределения выходного оптического излучения полосковых волноводов, выполненных на основе ниобата лития. // Сборник тезисов VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, 2011. - Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2011. Выпуск 2. - С. 71-72. - 0,125 п.л./0,025 п.л.

2. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Расширение функциональных возможностей схемы электронной обработки сигналов волоконно-оптического акустического датчика интерферометрического типа. // Сборник тезисов докладов I всероссийского конгресса молодых ученых, 2012. - Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2012. Выпуск 2. - С. 380-381. -0,125 пл./0,0625 п.л.

3. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Расширение функциональных возможностей схемы электронной обработки сигналов волоконно-оптического акустического датчика интерферометрического типа // Сборник трудов I Всероссийского конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург: СПб НИУ ИТМО, 2012 - С. 54-58. - 0,3125 п.л./0,1 п.л.

4. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Построение схемы цифровой обработки сигналов в волоконно-оптических акустических датчиках на брэгговских решетках // Сборник тезисов докладов II конгресса молодых ученых. -Санкт-Петербург: СПб: НИУ ИТМО, 2013 выпуск 4,2013, с.174-175. -0,125 п.л./0,0625 п.л.

5. Дейнека И.Г., Плотников М.Ю. Стабилизация фазовой характеристики сигнала волоконно-оптического гироскопа в условиях изменения температуры // Сборник тезисов докладов II конгресса молодых ученых. -Санкт-Петербург: СПб: НИУ ИТМО, 2013. Выпуск 4. - С. 169. - 0,0625 п.л./0,035 п.л.

6. Плотников М.Ю., Дейнека И.Г. Построение схемы цифровой обработки сигналов в волоконно-оптических акустических датчиках на брэгговских решетках // Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых

ученых. - Санкт-Петербург: СПб: НИУ ИТМО, 2013. - С. 122-125. - 0,25 п.л./0,0625 пл.

7. Смоловик М.А., Шуклин Ф.А., Никитенко А.Н., Алейник A.C., Аксарин С.М., Дейнека И.Г. Применение электрооптических методов измерений в волоконно-оптических датчиках высоких напряжений. Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых СПб: НИУ ИТМО, 2013. - С. 189-195. - 0,4375 п.л./0,08 п.л.

8. Макаренко A.A., Мехреньгин М.В., Дейнека И.Г., Волковский С.А. Оптимизация способа понижения частоты выдачи данных о скорости вращения волоконно-оптического гироскопа. // Сборник тезисов докладов П1 Всероссийского конгресса молодых ученых, выпуск 4, 2014, с. 166-167. - 0,125 п.лУ0,05 п.л.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 46 69. Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.