автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Исследование и пути компенсации тепловых воздействий на сигнал волоконно-оптического гироскопа

На правах рукописи

Шарков Илья Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПУТИ КОМПЕНСАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СИГНАЛ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543076

Санкт-Петербург - 2013

005543076

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном университете информационных технологий механики и оптики на кафедре физики и техники оптической связи.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мешковский Игорь Касьянович

Официальные оппоненты: Балошин Юрий Александрович, доктор

технических наук, профессор, Санкт-Петербургский национальный университет информационных технологий механики и оптики, профессор

Соколов Александр Вячеславович, кандидат технических наук, ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», заместитель генерального директора по инновациям

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственное предприятие

«Дальняя связь»

Защита диссертации состоится "19" декабря 2013 г. в 17 ч. 10 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. 359.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

Бурункова Ю. Э.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Уже три десятилетия волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) успешно используются в системах навигации, ориентации и стабилизации. За это время технологии изготовления оптических компонентов были значительно улучшены, что позволило ВОГ перейти из ниши датчиков угловой скорости средней точности к классу датчиков навигационной точности. На сегодняшний день прецизионные ВОГ вытесняют кольцевые лазерные гироскопы класса точности 0,01-0,001°/ч и используются в навигационных системах морского, наземного и аэрокосмического базирования. Потенциальная точность такого ВОГ составляет 7 • 10-4°/ч.

Основная проблема заключается в том, что при кажущейся простоте прибора и высокой чувствительности его к угловой скорости вращения он в то же время чрезвычайно подвержен различным внешним воздействиям, что приводит к паразитным дрейфам и, как следствие, к снижению точности измерений. К таким воздействиям относятся нестационарные температурные поля, акустические шумы и вибрации, переменные электрические и магнитные поля и т.д. В процессе эксплуатации в рабочем диапазоне температур ВОГ испытывает широкодиапазонную и динамическую тепловую нагрузку, которая оказывает значительное влияние на его выходную характеристику. Так Т.Окоси в книге «Волоконно-оптические датчики» 1986г., отмечает, что в ВОГ при длине оптического волокна в 1км от колебаний температуры в пределах 0,01°С может возникать дрейф показаний, соизмеримый со скоростью вращения земного шара, т.е. порядка 12 — 13°/ч. Известно, что технология квадрупольной намотки волокна на катушку в совокупности с выбором материала каркаса, температурной экранировкой оптического контура и применением специальных типов пропиточных компаундов должна давать надежные результаты по минимизации дрейфа ВОГ, возникающего из-за изменения температуры.

Однако, как показали эксперименты, одних только широко известных методов борьбы с температурной зависимостью выходного сигнала ВОГ недостаточно для обеспечения точности показаний ВОГ на уровне 0,01°/ч, требуемой для использования приборов в системах навигационного класса точности. Наиболее очевидным путем повышения точности прибора в этом

случае является термостатирование. С другой стороны применение компенсационных методов уменьшения влияния температурных воздействий на полезный сигнал волоконно-оптического гироскопа, в отличие от термостатирования, не требует увеличения массово-габаритных характеристик, энергопотребления, а также позволяет значительно сократить время готовности прибора и снизить его себестоимость.

Целью работы является улучшение точностных характеристик ВОГ за счет уменьшения дрейфа нуля и ухода масштабного коэффициента в выходном сигнале, возникающих при тепловом воздействии на волоконно-оптический гироскоп.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

• теоретическое исследование влияния температурных воздействий на отдельные элементы ВОГ, вызывающих изменение сигнала гироскопа; выявление среди них элементов, которые оказывают наибольшее влияние на сигнал ВОГ;

• создание математических моделей, описывающих влияние температуры на сигнал ВОГ;

• разработка и внедрение системы измерения температуры многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС) и пространственно-временных градиентов температуры, возникающих в волоконно-оптическом контуре;

• разработка экспериментальных методов исследования влияния температурных воздействий на отдельные элементы ВОГ;

• проведение исследований с целью установления влияния температурных воздействий на отдельные элементы ВОГ, вызывающие дрейф нуля и уход масштабного коэффициента;

• разработка методов, позволяющих уменьшить тепловой дрейф нуля и уход масштабного коэффициента в сигнале ВОГ.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые: 1. Предложен новый метод стабилизации масштабного коэффициента, путем введения алгоритма компенсации влияния температуры на значение полуволнового напряжения электрооптического модулятора.

2. Предложен новый метод и создана аппаратура для исследования влияния температурных воздействий на отдельные элементы конструкции ВОГ.

3. Исследованы механизмы появления дрейфа нуля в сигнале ВОГ при воздействии температуры на источник излучения и МИОС.

4. Предложен метод компенсации температурного дрейфа нуля ВОГ при помощи методов факторного анализа и создан оригинальный программно-аппаратный комплекс для набора массива данных влияния ассиметричных тепловых воздействий на сигнал ВОГ.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Предложенный метод стабилизации масштабного коэффициента позволил исключить ошибку, вызванную влиянием друг на друга первой и второй обратной связи, используемых в цифровой системе обработки сигнала ВОГ. Применение данного метода позволяет производить подстройку величины полуволнового напряжения во всем диапазоне угловых скоростей, позволяет уменьшить время готовности прибора вплоть до момента взятия первого отсчета температуры.

2. Данные, полученные в результате исследований влияния температуры активных элементов ВОГ на выходной сигнал прибора, позволили выявить основные причины влияния тепловых полей на сигнал ВОГ. На основе этих данных предложены новые конструктивные решения и рекомендации по внесению изменений в технологию изготовления ВОГ.

3. Применение методов факторного анализа позволило уменьшить дрейф нуля в сигнале ВОГ, вызванный влиянием температурных пространственно-временных градиентов на волоконно-оптический контур.

Защищаемые положения:

1. Метод стабилизации масштабного коэффициента, путем введения алгоритма компенсации влияния температуры на значение полуволнового напряжения.

2. Получены экспериментальные зависимости влияния элементов волоконно-оптического гироскопа на выходной сигнал прибора при тепловом воздействии. Установлено, что наибольший вклад в отклонение

выходного сигнала ВОГ при тепловых воздействиях оказывают в порядке убывания: МИОС, волоконно-оптический контур, источник излучения.

3. Построена модель влияния тепловых воздействий на сигнал ВОГ, которая показывает хорошее соответствие с экспериментальными данными.

4. Метод уменьшения теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа при помощи методов факторного анализа, позволяющего вычислить наиболее важные факторы, оказывающие влияние на сигнал гироскопа и позволяющий рассчитать поправочные коэффициенты, используемые в алгоритмах компенсации в реальном времени.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской межвузовской конференция молодых ученых 2011 г., на I и II Всероссийском конгрессе молодых ученых. (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013); доклад на последней был удостоен дипломом за лучший доклад на секции «Информационно-измерительные технологии»; на XLI, XLII научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013); на VI международной конференции XXVIII конференция памяти Н.Н.Острякова в ОАО "Консерн "ЦНИИ Электроприбор.

Объектом исследования являются образцы интерферометрических ВОГ компенсационного типа с цифровой схемой обработки и оптической схемой, работающей на одной поляризационной моде в составе одноосного гироскопа.

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 MatLab и MathCad. 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.

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

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 5 наименований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести оригинальных глав и заключения, изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка и 4 таблицы, список цитированной литературы содержит 97 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики диссертации, сформулирована цель работы 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 вопросы, связанные с основными достижениями в области волоконно-оптической гироскопии. Рассмотрены принципы построения ВОГ: метод измерения фазы Саньяка, смещающая модуляция, компенсация фазы. Отмечены основные особенности и проблемы построения высокоточного ВОГ. Рассмотрены основные факторы, ограничивающие точность ВОГ, и используемые методы борьбы с ними. Проанализированы достоинства и недостатки используемых различными производителями ВОГ подходов, уменьшающих влияние тепловых воздействий на сигнал гироскопа. На основе материала первой главы обозначены основные механизмы влияния тепловых воздействий на сигнал ВОГ (рис. 1). Поставлена цель исследования данных механизмов и возможных методов компенсации.

Тепловое воздействие

Рис. 1 .Механизмы влияния тепловых воздействий на выходной сигнал ВОГ

Вторая глава посвящена инструментам, используемым в данной исследовательской работе. Описана система измерения пространственно-временных градиентов в оптической катушке ВОГ, необходимая для измерения распределения тепловых полей внутри волоконно-оптического контура и измерения температуры МИОС. Дано подробное описание идеологии данной системы, описана принципиальная схема и конструкция. Рассмотрен алгоритм обработки отсчетов АЦП и обоснована высокая точность получаемых данных при помощи этой системы.

Описаны предложенные диссертантом оригинальная методика и установка, позволяющие пространственно разносить элементы ВОГ, не нарушая его работоспособность, и производить исследования влияния температурных воздействий на элементы ВОГ.

Представлен предложенный и созданный диссертантом стенд для создания ассиметричных тепловых полей, позволяющий проводить в автоматизированном режиме длительные исследования влияния температурных пространственно-временных градиентов на сигнал ВОГ.

В третьей главе рассматривается МИОС (отличие от злектрооптического модулятора заключается в том, что МИОС включает в себя помимо самого электрооптического модулятора поляризатор, ответвитель и элементы стыковки с волокном), как один из наиболее важных элементов ВОГ. Описан наиболее распространенный в настоящее время способ обработки информации, поступающей с фотоприемника кольцевого интерферометра, основанный на компенсационном методе считывания разности фаз Саньяка. Метод заключается во введении в оптическую схему так называемого элемента оптической обратной связи, с помощью которого осуществляется обнуление разности фаз Саньяка. В качестве элемента оптической обратной связи используется широкополосный интегрально-оптический фазовый модулятор. Введение обратной связи,

заключается во

введении фазового сдвига

пропорционального скорости вращения, что позволяет вернуть сигнал в рабочую точку (рис.2). Это достигается путем

постоянного увеличения напряжения, подаваемого на модулятор. Скорость вращения становится пропорциональной усредненному значению скорости нарастания управляющего напряжения ¿11(0 деленной на полуволновое

напряжение и,,-, т.е. Можно показать, что ип прямо входит в

масштабный коэффициент, т.е. оказывает непосредственное влияние на точность показаний гироскопа (1),(2):

—-"— ——

с!

С 23

с_ *

ехоросга р-ращатк

Рис. 2. Прямоугольная фазовая модуляция с обратной связью.

ОД = МК-ДУОО,

(1)

мк

(2)

где

МК - масштабный коэффициент;

0 - диаметр волоконно-оптического контура;

1 - длина световода чувствительной катушки; Я - длина волны излучения источника;

с - скорость света в вакууме;

Дг/(£) - скорость нарастания управляющего напряжения, как функция времени;

О,. — величина полуволнового напряжения электрооптического модулятора (определяет напряжение, которое необходимо приложить к двухплечевому модулятору, чтобы обеспечить разность фаз света в двух плечах равную тс);

£2(1) - угловая скорость вращения как функция времени.

Стабильность масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа в большей степени зависит от величины и^, так как при воздействии на гироскоп внешних дестабилизирующих факторов наибольшим изменениям из всех величин, определяющих величину масштабного коэффициента, подвержена величина полуволнового напряжения фазового модулятора.

С целью выявления причин нестабильности полуволнового напряжения было проведено теоретическое исследование влияния на него различных факторов. Основным параметром, способным внести изменение в разность фаз оказался зависящий от температуры электрооптический коэффициент Поккельса. При использовании наибольшего электрооптического коэффициента г33:

и = ^ (3)

П 2п03Г331/

При помощи механизма автоподстройки полуволнового напряжения (вторая обратная связь) была экспериментально построена зависимость Ьтге(Т), представленная на рис.3.

1.001

□.399

!• 0.998 а

К аяз? 0 996 0.996 0.934

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Т. "с

Рис. 3. Экспериментально полученная зависимость полуволнового напряжения Un от температуры (датчик температуры МИОС).

Линейность полученной зависимости согласуется с результатами, полученными ранее авторами других публикаций, а параметры зависимости меняются от образца к образцу. На основе полученных данных был предложен оригинальный метод стабилизации масштабного коэффициента при помощи аппроксимации зависимости Un(T) линейной функцией (4) и вычисления значения полуволнового напряжения по данным датчика температуры, установленном на кристалле МИОС.

Un(T)=kT + b (4)

Для исследования данного алгоритма была разработана в среде Qt программная модель, описывающая работу модулятора, подтверждающая преимущество данного метода перед использованием метода автоматической подстройки полуволнового напряжения через вторую обратную связь. Было показано, что применение предложенного метода позволило развязать первую и вторую обратные связи в ВОГ, уменьшить время прогрева прибора и значительно снизить дрейф масштабного коэффициента во всем диапазоне допустимых скоростей вращения ВОГ.

С целью выявления других механизмов влияния температуры МИОС на сигнал ВОГ были произведены экспериментальные исследования влияния тепловых воздействий на МИОС (рис.4), которые обнаружили значительный дрейф нуля. При этом ошибка определения скорости составила сЮош = 1,5 • 1<Г2 (°/ч) ■ К"1.

у = -0 Ю057039-Х 1.0114

......

.......

Щц ...jSSW.

Рис. 4. Экспериментальное исследование сигнала ВОГ при тепловых воздействиях на МИОС.

Так же было обнаружено влияние температуры МИОС на оптическую мощность (рис.5), детектируемую фотоприемником, что является следствием оптических потерь, возникающих в МИОС при его нагреве. Это позволило сделать вывод, что одной из основных причин влияния МИОС на дрейф сигнала ВОГ является влияние паразитного интерферометра, возникающего в месте стыковки МИОС с волокном.

х 10*®

Время. N.

Рис. 5. Экспериментальное исследование оптического сигнала интерферометра (АЦП1) при тепловых воздействиях на МИОС.

В четвертой главе обсуждается влияние волоконно-оптического контура на сигнал ВОГ при воздействии на него изменяющихся во времени

33.5 31.5

о 29 5 го 27 5 Й 25.5 | 23.5 21.5 19.5 17.5 15.5

тепловых полей. Построена модель волоконно-оптического контура с квадрупольной намоткой, позволяющая вычислить характер влияния теплового воздействия на сигнал ВОГ.

Рисунок б. Результат моделирования отклика гироскопа при тепловых воздействиях на волоконно-оптический контур.

При помощи модели было выяснено, что изменение температуры во времени в волоконно-оптическом контуре приводит к дрейфу нуля в выходном сигнале ВОГ (рис.6). Также модель показала наличие анизотропии в ВОК относительно центра волоконно-оптического контура.

С целью проверки полученных результатов были произведено экспериментальное исследование влияния температуры на волоконно-

Рис. 7. Экспериментальное исследование сигнала ВОГ при тепловых воздействиях на волоконно-оптический контур.

При изменении температуры со скоростью 2,5 °К/час ошибка определения скорости вращения составила (Юош = 9,8 • 10_3 (°/ч) • К-1. Полученные данные хорошо согласуются с построенной математической моделью. Видно, что волоконно-оптический контур чувствителен к воздействию временных градиентов температуры, поэтому целесообразно увеличить степень тепловой изоляции волоконно-оптического контура.

Наличие анизотропных свойств в волоконно-оптическом контуре относительно центра намотки волокна позволяет предложить еще один способ уменьшения влияния интерферометра на сигнал ВОГ при изменении температурных полей: учет центра волоконно-оптического контура при расположении внутри прибора. Согласно работам, проведенным в рамках исследования распределения тепловых полей внутри разрабатываемых трехосных ВОГ1, было выявлено, что основные градиенты направлены снизу вверх. Если расположить волоконно-оптический контур таким образом, чтобы ось наименьшей чувствительности совпадала с осью наибольшего возрастания градиентов можно значительно уменьшить влияние тепловых полей на волоконно-оптический контур при изменении температуры снаружи прибора.

В пятой главе рассматривается вопрос влияния температурной нестабильности источника излучения на выходной сигнал ВОГ, построенного по схеме с обратной связью. Известно, что нагрев источника в основном приводит к изменению величины масштабного коэффициента. В работе произведен расчет влияния величины центральной длины волны эрбиевого широкополосного источника излучения на величину масштабного коэффициента и сигнал ВОГ по данным влияния температурных воздействий на центральную длины волны (рис.8).

1 Громов Д.С., Шарков A.B. Тепловые режимы гироскопических приборов на базе волоконно-оптических гироскопов/ Известия вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 1

Температура, С

Рис. 8. Влияние температуры на центральную длину волны источника при стабилизации по мощности

При скорости вращения прибора 13°/ч (скорость вращения Земли) ошибка определения скорости должна составить сШош = 7,2 • Ю-5 (°/ч) • К-1, но уже при скорости вращения 1°/с ошибка составит величину сШош = 1,9 • Ю-2 (°/ч) • К-1. Полученный результат сравнен с экспериментальными данными, полученными при нагреве источника в термокамере при детектировании скорости вращения Земли (рис.9).

Покззэния БОГ »теипература 8 термокамере

Рис. 9. Экспериментальное исследование сигнала ВОГ при тепловых воздействиях на источник излучения

При этом ошибка определения скорости составила с!Г2ош = 3 ■ 10"3 (°/ч) • К-1, т.е. значительно больше рассчитанной ранее для масштабного коэффициента. Дополнительный эксперимент с переворотом

плоскости гироскопа на 180° показал, что обнаруженная ошибка связана с дрейфом нуля, а не с изменением масштабного коэффициента. Очевидно, что возникающая при нагреве источника излучения ошибка показаний ВОГ (из-за дрейфа нуля и изменения масштабного коэффициента) не позволяет достичь необходимой точности ВОГ в 0,01°/ч (За) уже при незначительном изменении температуры. Полученные в работе данные обусловили необходимость доработки источника. Введение алгоритма нормировки оптической мощности, детектируемой фотоприемником, позволило устранить обнаруженный дрейф нуля. Изменение МК предложено компенсировать за счет введения поправочных коэффициентов, учитывающих уход центральной длины волны при изменении температуры.

В шестой главе рассматривается метод компенсации обнаруженного теплового дрейфа нуля ВОГ при помощи методов факторного анализа. Для получения необходимых для данного метода данных использовался разработанный стенд для создания температурных градиентов, описанный в первой главе. При помощи стенда с разных сторон ВОГ создавались меняющиеся во времени температурные градиенты рис. 10.

Время.ч

Рис. 10. Влияния температурных пространственно-временных градиентов

на показания ВОГ.

На основе полученных данных строится матрица корреляции размером 55 на 55. При рассмотрении коэффициентов корреляции показаний ВОГ с показаниями датчиков температуры обнаруживается наличие их пропорциональной зависимости. Что очевидно, т.к. наибольший вклад в

дрейф вносит МИОС имеющий пропорциональную зависимость от температуры. Далее при помощи метода главных компонент находится матрица счетов и матрица нагрузок, выбирается решение, которое имеет наибольшую взаимосвязь с показаниями ВОГ и производится "поворот" матрицы нагрузок на это решение. В результате получается набор факторов, оказывающих влияние на сигнал ВОГ. После выбора фактора, описывающего наибольшую часть дисперсии, становится возможным расчет поправочных коэффициентов в формуле компенсации температурной зависимости показаний ВОГ. Для компенсации влияния температуры МИОС использовалась формула (5).

Сс = с-(т1-т;)-^, (5)

с V 1 а(Т1)'

где С- вектор, содержащий исходные показания ВОГ;

Сс- вектор, содержащий данные, полученные после компенсации;

Тх- вектор, состоящий из данных, полученных с первого датчика температуры.

Следующим шагом является компенсация зависимости показаний от производной температуры по времени, для этого используется формула (6).

Gc = G - (DTX)

<r(G)

(6)

ст(ЦТа)'

где ОТ, - вектор, производных данных первого датчика температуры по времени.

Результаты применения метода компенсации приведены на рис 13.

1296 12.92 ? 12 86

1 12.84 J

I 12.8 I '-'76

° 12.72 12.68 12,54 12.6

Показания ВОГ до компенсации с уср. по 100с (ср зн =12 827ч.. СКО=0.0717ч.)

Данные после компенсации с уср по 100с (ср ?н.-12627ч.. СК"0=0.0337ч.)

••'••• -J& ..........{.. : ■ f»

h J\J f

.................... f. : T ' "'Ay,

: : : : ; :

30

Время,ч

Рис.11 .Показания ВОГ после второго шага компенсации. СКО исходных данных 0,071 °/час, СКО после компенсации 0, 033°/час

В результате проведенных исследований можно сказать, что предложенный алгоритм компенсации тепловых воздействий на ВОГ, основанный на факторном анализе позволяет уменьшить СКО (среднеквадратичное отклонение) выходного сигнала ВОГ в 2 — 3 раза. Кроме того, метод показал повторяемость получаемых результатов от пуска к пуску.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

• На основе литературных данных были выявлены основные элементы ВОГ, которые оказывают влияние на сигнал гироскопа при тепловом воздействии.

• Предложена и апробирована методика исследования влияния теплового воздействия на элементы ВОГ. Выявлены основные механизмы влияния этих воздействий на выходной сигнал ВОГ. Установлено, что

о при температурном воздействии ВОГ наибольший вклад в дрейф нуля

вносят в порядке убывания: МИОС, катушка, источник излучения о электроника при тепловом воздействии практически не оказывает

влияния на сигнал ВОГ; о изменение температуры МИОС оказывает влияние на МК из-за

чувствительности электрооптического коэффициента к температуре; о на дрейф нуля оказывает воздействие паразитные интерферометры, обусловленные отражением света от границ состыкованных элементов оптической схемы; о изменение температуры волоконно-оптический контур оказывает влияние на сигнал ВОГ, пропорциональное изменению производной температуры катушки по времени; о изменение масштабного коэффициента в сигнале ВОГ при тепловых воздействиях на источник происходит из-за смещения центральной длины волны источника излучения; о тепловые воздействия на источник приводят также к дрейфу нуля пропорциональному изменению температуры источника.

• Предложенный метод стабилизации масштабного коэффициента путем расчета и корректировки значения полуволнового напряжения позволил исключить взаимодействие первой и второй обратных связей, используемые в цифровой системе обработки сигнала ВОГ. Применение

данного метода позволяет производить подстройку величины полуволнового напряжения во всем диапазоне измеряемых прибором скоростей и вибрации.

• Предложенный алгоритм компенсации тепловых воздействий на ВОГ, основанный на факторном анализе позволяет уменьшить СКО выходного сигнала ВОГ в 2-3 раза. Кроме того, метод показал повторяемость получаемых результатов от пуска к пуску.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ

Из списка ВАК:

1. 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.

2. 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.

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

Другие публикации:

4. Шарков И.А., Волковский С.А. Исследование температурного дрейфа в волоконно-оптическом' гироскопе. Сборник тезисов VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, выпуск 1, СПб ГУ ИТМО, 2011, С. 94.

5. Шарков И.А., Шаркова O.A., Михреньгин М.В., Волковский С.А. Компенсация температурного дрейфа показаний волоконно-оптического гироскопа. Сборник тезисов докладов II Всероссийского конгресса молодых ученых, выпуск 1, СПб НИУ ИТМО, 2013, С.131-132.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел.(812)2334669 Объем 1 п. л. Тираж 100 экз.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

04201453323

На правах рукописи

Шарков Илья Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПУТИ КОМПЕНСАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СИГНАЛ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО

ГИРОСКОПА

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Мешковский Игорь Касьянович

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................6

ГЛАВА 1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.........................................................................................11

1.1. Принцип работы волоконно-оптического гироскопа..................................11

1.2. Обобщенная модель шумов и нестабильностей..........................................12

1.3. Ф азовый м одулятор........................................................................................13

1.4. Волоконно-оптический контур......................................................................19

1.5. Источник излучения.......................................................................................26

1.6. Алгоритмические методы компенсации выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа......................................................................................................27

1.7. Выводы по главе.............................................................................................30

ГЛАВА 2. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................35

2.1. Система измерения пространственно-временных градиентов в волоконно-оптическом гироскопе.......................................................................................................35

2.2. Программно-аппаратный комплекс для создания тепловых пространственно-временных градиентов........................................................................38

2.3. Стенд для исследования изменения сигнала волоконно-оптического гироскопа при оказании тепловых воздействий на его отдельные элементы............40

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВОЗМУЩЕННОЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСХЕМЫ НА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА...........43

3.1. Стабилизация масштабного коэффициента.................................................43

3.2. Дрейф нуля в сигнале ВОГ, связанный с термическим возбуждением многофункциональной интегрально-оптической схемы...............................................50

3.3. Выводы по главе.............................................................................................57

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВОЗБУЖДЕННОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КОНТУРА НА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА...........................................................58

4.1. Механизм возникновения ошибки в сигнале волоконно-оптического гироскопа при тепловых воздействиях на волоконно-оптический контур.................58

4.2. Экспериментальное исследование дрейфа показаний ВОГ при тепловом воздействии на ВОК..........................................................................................................66

4.3. Методы уменьшения влияния нестационарных тепловых полей в ВОК на сигнал ВОГ.........................................................................................................................71

4.4. Выводы по главе.............................................................................................74

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВОЗМУЩЕННОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА ...............................................................................................................75

5.1. Расчет влияния стабильности центральной длины волны на стабильность масштабного коэффициента.............................................................................................75

5.2. Экспериментальное исследование влияния источника излучения на сигнал ВОГ.........................................................................................................................76

5.3. Экспериментальное исследование влияния остальных элементов на

сигнал ВОГ.........................................................................................................................78

5.4. Вывод по главе................................................................................................79

ГЛАВА 6. ФАКТОРНЫЙ АНАЛИЗ КАК ОСНОВА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО МЕТОДА КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ДРЕЙФА ВОГ...........................81

6.1. Факторный анализ...........................................................................................81

6.2. Классификация методов факторного анализа..............................................82

6.3. Общий алгоритм факторного анализа..........................................................84

6.4. Метод главных компонент.............................................................................88

6.5. Алгоритм метода главных компонент..........................................................91

6.6. Практическое применение метода факторного анализа для компенсации сигнала ВОГ при тепловых воздействиях.......................................................................93

6.7. Выводы по главе............................................................................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................100

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................104

СПИСОК РАБОТ АВТОРА...................................................................................112

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь ВОГ - волоконно-оптический гироскоп ВОК - волоконно-оптический контур

ИВОГ - интерференционный волоконно-оптический гироскоп

МИОС - многофункциональная интегрально-оптическая схема

МК - масштабный коэффициент

ЕСК - персональный компьютер

СКО - среднеквадратическое отклонение

ФА - факторный анализ

ВВЕДЕНИЕ

Уже три десятилетия волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) успешно используются в системах навигации, ориентации и стабилизации. За это время технологии изготовления оптических компонентов были значительно улучшены, что позволило ВОГ перейти из ниши датчиков угловой скорости средней точности к классу датчиков навигационной точности. На сегодняшний день прецизионные ВОГ вытесняют кольцевые лазерные гироскопы класса точности 0,01-0,001°/ч и используются в навигационных системах морского, наземного и аэрокосмического

I • ~4

базирования [1, 2, 3]. Потенциальная точность такого ВОГ составляет 7 10 °/ч .

Основная проблема заключается в том, что при кажущейся простоте прибора и высокой чувствительности его к угловой скорости вращения он в то же время чрезвычайно подвержен различным внешним воздействиям, что приводит к паразитным дрейфам и, как следствие, к снижению точности измерений. К таким воздействиям относятся: нестационарные температурные поля, акустические шумы и вибрации, переменные электрические и магнитные поля и т.д. В процессе эксплуатации в рабочем диапазоне температур ВОГ испытывает широкодиапазонную и динамическую тепловую нагрузку, которая оказывает значительное влияние на его выходную характеристику. Так в [4] автор отмечает, что в ВОГ при длине оптического волокна в 1км от колебаний температуры в пределах 0,01°С может возникать дрейф показаний, соизмеримый со скоростью вращения земного шара, т.е. порядка 12 — 13°/ч. Известно [5, 6], что технология квадрупольной намотки волокна на катушку в совокупности с выбором материала каркаса, температурной экранировкой оптического контура и применением специальных типов пропиточных компаундов должна давать надежные результаты по минимизации дрейфа ВОГ, возникающего из-за изменения температуры.

Однако, как показала теория и практика [7, 8, 9, 10], одних только широко известных пассивных методов борьбы с температурной зависимостью выходного сигнала ВОГ недостаточно для обеспечения точности показаний ВОГ на уровне 0,01°/ч, требуемой для использования приборов в системах навигационного класса точности. Наиболее очевидным путем повышения точности прибора в этом случае является термостатирование [11]. С другой стороны применение компенсационных методов уменьшения влияния температурных воздействий на полезный сигнал

волоконно-оптического гироскопа, в отличие от термостатирования, не требует увеличения массово-габаритных характеристик, энергопотребления, а также позволяет значительно сократить время готовности прибора и снизить его себестоимость [А2].

В настоящее время ВОГ производятся многими индустриально развитыми странами (США (Northrop Grumman [12, 13], KVH Industries [14, 15], Honeywell [16]), Франция (IXSEA [17] [18]), Израиль (Cielo [19]), Япония [20] (Mitsubishi Precision Company Ltd, Tokimec Inc. and Japan Aviation Electronics Industry Ltd) и др.). В нашей стране создание прецизионных ВОГ является весьма молодым направлением. В этой области работают компании НПО «Оптолинк», ОАО ПНППК, НИИ ПМ [21, 22, 23, 24], ООО «Физоптика»[25, 26] , ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор» [27] С 2005 г. на кафедре «Физики и Техники Оптической Связи» Санкт-Петербургского НИУ ИТМО ведутся работы по созданию прецизионных ВОГ, построенных по схеме с обратной связью и неучтенным уходом не более 0,01°/ч, а также навигационных приборов на их основе [9]. Существует множество публикаций, в которых обсуждается проблема теплового дрейфа [28, 3, 24, 29, 30, 31] и т.д. На основе этих материалов можно с уверенностью сказать о невозможности создания ВОГ навигационного класса точности без учета влияния температурного дрейфа. Поэтому тема диссертационной работы, посвященная исследованию и поиску путей компенсации тепловых воздействии на сигнал волоконно-оптических гироскопов отечественного производства, является весьма актуальной.

Целью работы является улучшение точностных характеристик ВОГ за счет уменьшения дрейфа нуля и ухода масштабного коэффициента в выходном сигнале, возникающих при тепловом воздействии на волоконно-оптический гироскоп.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

• теоретическое исследование влияния температурных воздействий на отдельные элементы ВОГ, вызывающих изменение сигнала гироскопа; выявление среди них элементов, которые оказывают наибольшее влияние на сигнал ВОГ;

• создание математических моделей, описывающих влияние температуры на сигнал ВОГ;

• разработка и внедрение системы измерения температуры многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС) и пространственно-временных градиентов температуры, возникающих в ВОК;

• разработка экспериментальных методов исследования влияния температурных воздействий на отдельные элементы ВОГ;

• проведение исследований с целью установления влияния температурных воздействий на отдельные элементы ВОГ, вызывающие дрейф нуля и уход масштабного коэффициента;

• разработка методов, позволяющих уменьшить тепловой дрейф нуля и уход масштабного коэффициента в сигнале ВОГ.

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

1. Предложен новый метод стабилизации масштабного коэффициента, путем введения алгоритма компенсации влияния температуры на значение полуволнового напряжения электрооптического модулятора.

2. Предложен новый метод и создана аппаратура для исследования влияния температурных воздействий на отдельные элементы конструкции ВОГ.

3. Исследованы механизмы появления дрейфа нуля в сигнале ВОГ при воздействии температуры на источник излучения и МИОС.

4. Предложен метод компенсации температурного дрейфа нуля ВОГ при помощи методов факторного анализа и создан оригинальный программно-аппаратный комплекс для набора массива данных влияния ассиметричных тепловых воздействий на сигнал ВОГ.

Практическое значение работы состоит в следующем:

Предложенный метод стабилизации масштабного коэффициента позволил исключить ошибку, вызванную влиянием друг на друга первой и второй обратной связи, используемых в цифровой системе обработки сигнала ВОГ. Применение данного метода позволяет производить подстройку величины полуволнового напряжения во всем диапазоне угловых скоростей, позволяет уменьшить время готовности прибора вплоть до момента взятия первого отсчета температуры.

Данные, полученные в результате исследований влияния температуры активных элементов ВОГ на выходной сигнал прибора, позволили выявить основные причины влияния тепловых полей на сигнал ВОГ. На основе этих данных

предложены новые конструктивные решения и рекомендации по внесению изменений в технологию изготовления ВОГ.

Применение методов факторного анализа позволило уменьшить дрейф нуля в сигнале ВОГ, вызванный влиянием температурных пространственно-временных градиентов на ВОК.

Защищаемые положения:

1. Метод стабилизации масштабного коэффициента путем введения алгоритма компенсации влияния температуры на значение полуволнового напряжения.

2. Получены экспериментальные зависимости влияния элементов волоконно-оптического гироскопа на выходной сигнал прибора при тепловом воздействии. Установлено, что наибольший вклад в отклонение выходного сигнала ВОГ при тепловых воздействиях оказывают в порядке убывания: МИОС, ВОК, источник излучения.

3. Построена модель влияния тепловых воздействий на сигнал ВОГ, которая показывает хорошее соответствие с экспериментальными данными.

4. Метод уменьшения теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа при помощи методов факторного анализа, позволяющего вычислить наиболее важные факторы, оказывающие влияние на сигнал гироскопа и позволяющий рассчитать поправочные коэффициенты, используемые в алгоритмах компенсации в реальном времени.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской межвузовской конференция молодых ученых 2011 г., на I и II Всероссийском конгрессе молодых ученых. (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013); доклад на последней был удостоен дипломом за лучший доклад на секции «Информационно-измерительные технологии»; на XLI, XLII научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012, 2013); на VI международной конференции XXVIII конференция памяти Н.Н.Острякова в ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор.

Объектом исследования являются образцы ИВОГ компенсационного типа с цифровой схемой обработки и оптической схемой, работающей на одной поляризационной моде в составе одноосного гироскопа.

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 MatLab и MathCad. 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.

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

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 5 наименований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести оригинальных глав и заключения, изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка и 4 таблицы, список цитированной литературы

ГЛАВА 1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП В УСЛОВИЯХ

ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

1.1. Принцип работы волоконно-оптического гироскопа

В 1913 году Жоржем Саньяком был открыт эффект, который получил имя открывателя и лег в основу принципа работы всех современных оптических гироскопов. Сущность эффекта заключается в следующем: если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при неподвижном контуре разность фаз обоих лучей, прошедших весь контур, будет равна нулю. При вращении оптического контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые набеги лучей неодинаковы, и разность фаз лучей будет пропорциональна угловой скорости С1 вращения контура [32].

Для измерения возникающей разности фаз лучей в ОГ используется интерферометр Саньяка [33]. В зависимости от конструкции интерферометра различают два типа оптических инерциальных датчиков. Первый, кольцевой лазерный гироскоп (ЛГ) - прибор, в котором контур образован трубкой, заполненной активной газовой рабочей смесью гелия и неона, и системой зеркал, образующими замкнутый путь (кольцевой лазер). Второй - волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), в котором замкнутый контур образован многовитковой катушкой

Рисунок 1.1 — Принципиальная схема ВОГ.

Если замкнутый контур датчика образовать нитью оптического волокна, намотанного на цилиндрическую катушку, то выражение для фазы Саньяка будет иметь следующий вид [37]:

• П,

(1.1)

где Я - это длина волны света в вакууме, с - скорость света в вакууме, £> -диаметр волоконной катушки, Ь = лЖ) - длина волокна (Ы - количество витков), П - измеряемая угловая скорость вращения [38].

1.2. Обобщенная модель шумов и нестабильностей

Рассматривая обобщенную модель шумов и нестабильностей ВОГ можно сказать, что выходной сигнал ВОГ П кроме полезного сигнала содержит также медленно меняющуюся составляющую - сдвиг нуля и0 и шумовую составляющую иш.