автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование метода локального температурного воздействия и его применение для компенсации дрейфа волоконно-оптического гироскопа

Рупасов Андрей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ЛОКАЛЬНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ДРЕЙФА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2014 ^ ^ ^ 2014

005554972

005554972

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики на кафедре световодной фотоники.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук, доцент Стригалёв Владимир Евгеньевич

Котов Олег Иванович, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры радиофизики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Ильичев Игорь Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории квантовой электроники Физико-технического института имени А.Ф.Иоффе РАН

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Защита диссертации состоится « 9 » декабря 2014 года в 17 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, 49, ауд. 314а.

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 http://fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан « б » /¿¿ус 2014 г.

Ученый секретарь \

Диссертационного I .

совета,

\

Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений развития волоконно-оптических фазовых датчиков последнего десятилетия является разработка датчика угловой скорости (волоконно-оптического гироскопа). Несмотря на постоянное совершенствование технологий создания волоконно-оптических гироскопов температурная нестабильность остается одним из главных факторов, ограничивающих точность ВОГ. Согласно целому ряду работ, посвященных проблеме температурного дрейфа, нестабильность выходного сигнала, вызванная изменением температуры, может быть обусловлена множеством причин, никак не связанных между собой. Наличие сразу нескольких процессов, протекающих одновременно и независимо друг от друга, приводит к непредсказуемым изменениям в выходном сигнале прибора. Поэтому эффективное подавление тепловых эффектов невозможно без дифференцированного подхода к исследованию температурных свойств волоконно-оптического гироскопа.

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

Результаты исследований показали наличие целого ряда различных процессов, приводящих к изменению характеристик элементов при их нагреве и, соответственно, к ошибке показаний ВОГ.

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

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

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

• разработка экспериментальных методик по исследованию температурных свойств элементов ВОГ,

• разработка конструктивных и алгоритмических методов компенсации температурного дрейфа гироскопа.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

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

- Предложен новый метод температурной калибровки электрооптического фазового модулятора по полуволновому напряжению для любой температуры источника света.

- Впервые установлен основной источник дрейфа сигнала ВОГ при температурных воздействиях на многофункциональную интегрально-оптическую схему с Х-разветвителем, выполненную на основе кристалла 1лМЬОз по технологии диффузии титана.

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

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

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Данные, полученные в результате исследований температурных характеристик элементов волоконно-оптического гироскопа, позволили выявить основные причины влияния тепловых полей на выходной сигнал прибора. На основе этих данных предложены новые конструктивные решения и рекомендации по внесению изменений в технологию изготовления ВОГ на базе ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

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

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

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

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

2. Метод температурной калибровки электрооптического фазового модулятора МИОС по полуволновому напряжению для любой температуры источника света.

3. Установлены основные источники дрейфа сигнала ВОГ при температурных воздействиях на многофункциональную интегрально-оптическую схему с Х-разветвителем, выполненную на основе кристалла LiNbOj по технологии диффузии титана.

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

5. Метод подавления температурной нестабильности чувствительного элемента ВОГ, намотанного по квадрупольной схеме, заключающийся в коррекции длин плеч волоконного контура.

Апробация работы. Основное результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, Санкт-Петербург, Россия, 13 апреля 2011 года; на XV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, Россия 12-15 марта 2013 года; на II Всероссийском конгрессе молодых ученых, Санкт-Петербург, Россия 9-12 апреля 2013 года; на XXI Санкт-Петербургская международной конференции по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, Россия, 26-28 мая 2014года.

Объектом исследования являются образцы ВОГ

интерферометрического типа с обратной связью, с цифровой схемой обработки сигналов и оптической схемой, работающей на одной поляризационной моде.

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

Внедрение результатов. Результаты представленных исследований используются в промышленном производстве инерциальных измерительных модулей на базе ВОГ навигационного класса точности, а также могут применяться при производстве других волоконно-оптических датчиков для повышения их точностных характеристик.

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

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе, имеющей обзорный характер, рассмотрены основные причины возникновения температурной ошибки выходного сигнала ВОГ, связанные с основными элементами прибора: волоконным контуром, многофункциональной интегрально-оптической схемой, источником излучения. Описаны основные используемые методики исследования температурных свойств отдельных элементов гироскопа. Проанализированы преимущества и недостатки применяемых методов повышения стабильности выходного сигнала в условиях изменяющейся температуры. На основе первой главы обозначены основные эффекты, влияющие на температурную стабильность ВОГ, поставлена цель исследования механизмов температурного дрейфа и разработки методов его компенсации.

Во второй главе дается описание объекта исследования - волоконно-оптического гироскопа интерферометрического типа с обратной связью с цифровой схемой обработки сигналов и оптической схемой, работающей на одной поляризационной моде. Описан метод дифференциального исследования температурных характеристик ВОГ, позволяющий выделять необходимый элемент из общей структуры и проводить изолированные температурные испытания.

Представлен программно-аппаратный комплекс, разработанный диссертантом для исследования анизотропных свойств ВОГ, позволяющий создавать тепловое воздействие на волоконный контур в различных радиальных направлениях по заданному временному закону. Дано описание конструкции комплекса, приведены структурная и электрическая схемы.

В третьей главе рассматривается влияние температуры источника света на ошибку выходного сигнала ВОГ. Проведен анализ температурных изменений основных параметров гироскопа: спектра, мощности и поляризации оптического сигнала на входе в систему, мощности интерференционного сигнала, полуволнового напряжения фазового электрооптического модулятора. По результатам экспериментов установлено, что искажения в выходном сигнале ВОГ, вызванные температурным изменением спектра источника света, преимущественно связаны с дрейфом нуля, а не с масштабным коэффициентом (при скорости вращения Земли). Объяснение зависимости дрейфа волоконно-оптического гироскопа от спектра оптического сигнала ранее не встречалось в

известных источниках литературы, и было представлено впервые. Механизм влияния спектральных свойств источника света на дрейф ВОГ связан с искажениями модулирующего сигнала фазового модулятора, а также рассогласованием частоты фазовой модуляции и собственной частоты волоконного контура, зависящей от спектра оптического сигнала.

На рис. 1 представлена временная диаграмма модулирующих и интерференционных сигналов в ВОГ, построенная на основе математической модели. Интерферирующие волны модулируются с некоторой задержкой, равной времени распространения света по волоконному контуру (рис. 1 (а)). В идеальном случае длительность одного такта модулирующего сигнала, обозначенная г/, должна соответствовать времени распространения света в ВОК - т. Если это условие соблюдается, тогда моменты включения и выключения модулятора для обеих волн совпадают, и фаза, вносимая модулятором в каждую волну, будет одинаковой. В противном случае, когда т/ Ф т, моменты включения и выключения модулятора для двух интерферирующих волн имеют некоторое смещение, равное Ат = г/ — т, вследствие чего на промежутке времени Ат волны модулируются дважды. В итоге, если модулирующий сигнал искажен, эти искажения накладываются, и разностный фазовый сдвиг для двух интерферирующих волн будет различаться (рис. 1 (б) и (в)).

Модулирующие сигналы для двух волн интерферометра

(а)

Время, мкс

Разность фаз интерферирующих волн

(в)

Время, мкс

Интерференционный сигнал

|4и„ 1йи"

\лллл) К/\/\/\л1 Элладу Клла/^ \ЛЛЛЛ/

г г

Время, мкс Т1

(в)

Моменты взятия отсчета АЦП

Рисунок 1 - Временная диаграмма сигналов ВОГ: (а) - модулирующие сигналы, (б) — результирующая разность фаз интерферирующих волн, (в) ■ интерференционный сигнал

В зависимости от величины смещения Лт искажения фазы для каждой из интерферирующих волн вычитаются с различным сдвигом, при этом результирующая разность фаз на двух соседний тактах может заметно различаться по амплитуде и фазе (рис. 1 (б)). Соответствующие искажения будут наблюдаться и в интерференционном сигнале. На рис. 1 (в) видно, что амплитуда искажений на одном такте АИц меньше амплитуды искажений на соседнем такте ЛИ'22- Кроме того искажения на соседних тактах отличаются по фазе.

При цифровой обработке сигналов ВОГ в определенные моменты времени АЦП снимает значение интерференционного сигнала, и разность этих значений пропорциональна измеряемой скорости вращения. Частота снятия отсчетов АЦП, как правило, совпадает с частотой фазовой модуляции, но при этом имеется некоторое смещение по времени между ЦАП и АЦП, необходимое для того, чтобы исключить вероятность попадания отсчета на переходный процесс интерференционного сигнала. Из-за искажений в интерференционном сигнале, которые отличаются по амплитуде и фазе, между значениями отсчетов, снимаемых АЦП, появляется разница даже в отсутствие вращения (рис. 1 (в)). Эта разница пропорциональна ошибке измеряемой угловой скорости АОег. При этом величина и знак ошибки /Ю„ существенно зависят от задержки ЦАП относительно АЦП (т.е. от момента снятия отсчета).

В реальном приборе невозможно настроить частоту фазовой модуляции точно под собственную частоту волоконного контура, так как время распространения света в ВОК зависит от его групповой скорости, при этом значение групповой скорости для каждой длины волны из спектра оптического сигнала различно:

где L — длина волоконного контура. Продолжительность такта фазовой модуляции фиксирована и равна г¡. При этом каждая компонента спектра оптического сигнала будет иметь своё смещение Ат(Х) = т/ - т(Х) и давать вклад в результирующий интерференционный сигнал с учетом искажений модулирующего сигнала. Тогда при отсутствии вращения результирующий интерференционный сигнал будет равен:

¿2

4(0 = /0 + /0 • • cos ДФ(А,0^Я >

л

где Iz(t) - результирующий интерференционный сигнал как функция от времени, 10 - интенсивность интерферирующих волн, X/ и /Ь - граничные значения спектра источника света, 1ц(Х) - нормированная функция спектра источника света, АФ(Х,0 - разность фаз интерферирующих волн как функция от длины волны света и времени, которая также зависит от амплитуды и частоты шумовой составляющей в модулирующем сигнале.

Также стоит отметить, что схема цифровой обработки сигналов ВОГ оперирует дискретным набором частот, которые могут не совпадать с

собственной частотой волоконного контура. Поэтому, у двух интерферирующих волн изначально присутствует смещение модулирующих сигналов, которое определяет величину искажений в интерференционном сигнале.

При изменении температуры источника света изменяется его спектр, центральная длина волны, и, вследствие этого, собственная частота волоконного контура. Соответственно, изменяются параметры фазовой модуляции и форма искажений интерференционного сигнала. В результате возникает дрейф выходного сигнала ВОГ.

По измеренным параметрам опытного образца ВОГ был произведен расчет дрейфа для нескольких значений времени взятия отсчетов АЦП, при изменении температуры источника света от 15°С до 35°С. Среднее значение дрейфа выходного сигнала ВОГ составило 0,039 °/ч. При смещении момента взятия отсчетов АЦП расчетное значение дрейфа изменялось от 0,02 °/ч до 0,06 °/ч. Для сравнения, по результатам эксперимента дрейф выходного сигнала ВОГ при тех же температурных условиях составил 0,02 °/ч. При смещении момента снятия отсчетов АЦП в исследуемом образце ВОГ наблюдалось значительное изменение выходного сигнала.

В качестве метода подавления дрейфа, обусловленного влиянием спектра источника света на параметры модуляции, была использована методика снятия нескольких отсчетов на каждом такте интерференционного сигнала и последующего их усреднения. При этом измеряемая угловая скорость пропорциональна разнице средних значений интерференционного сигнала, и если интервал осреднения превышает период колебаний шума, ошибка, вызванная искажением интерференционного сигнала, ликвидируется.

Также предложен метод температурной калибровки полуволнового напряжения фазового модулятора, при котором исключается влияние изменения спектра оптического сигнала, вызванного температурным воздействием на источник света, на масштабный коэффициент ВОГ.

В четвертой главе рассматриваются температурные характеристики многофункциональной интегрально-оптической схемы, выполненной на основе кристалла иЫЬОз по технологии диффузии титана. В ходе исследования были установлены критические узлы МИОС, влияющие на выходной сигнал ВОГ при изменении температуры. Для изолированного нагрева использовался низкоомный чип-резистор, через который пропускали электрический ток. Нагревательный элемент устанавливался на испытуемые элементы так, чтобы присутствовал физический контакт. Для улучшения теплопередачи использовалась теплопроводящая паста. Температура нагревателя измерялась термопарой, а также качественно контролировалась с помощью тепловизора. Значение температуры доходило 47°С.

На рис. 2 представлены примеры снимков МИОС с нагревательным элементом, полученные с помощью тепловизора. На снимках видны контуры многофункциональной интегрально-оптической схемы с электродами и узлами стыковки. По цветовой гамме видно, что температура МИОС примерно

совпадает с температурой окружающей среды, а температуры нагревательного элемента значительно их превышает.

На рис. 3 представлены графики выходного сигнала ВОГ, сигнала интерферометра и температуры термодатчика МИОС при локальном нагреве узлов стыковки выходных концов волоконного контура (порты С и Э МИОС), интегрально-оптического разветвителя МИОС, области выхода волноводов через скошенную грань МИОС (так называемого паразитного интерферометра).

Из графиков рис. 3 видно, что смещение нуля в сигнале гироскопа возникает только при нагреве интегрально-оптического разветвителя и узлов стыковки волоконного контура (порты С и Э МИОС). Реакция выходного сигнала на нагрев портов С и О, проявляющаяся в виде симметричных выбросов вверх и вниз в моменты перепадов температуры, связаны с температурными свойствами входного и выходного концов волоконного контура. В этом случае смещение нуля зависит от скорости изменения температуры, а не от её абсолютного значения.

Рисунок 2 - Температурное распределение МИОС с локальным нагревателем: (а) - нагрев узла стыковки волоконно-оптического разветвителя; (б) - нагрев узла стыковки 1-го конца волоконного контура; (в) - нагрев узла стыковки 2-го конца волоконного контура; (г) - нагрев интегрально-оптического разветвителя

МИОС

О

"» 23

I22 ¡21

I 13

| 12.95

I 12,9

£ 12.85 о

| 12. О

Ргзветвитель

I Нагреватель

аразитный Нагреватель

£ £ г ^ Ь------------- ---------------- ----------'

3 5 6 Время, ч Зыходной сигнал ВОГ 8 9 Реакция на нагрев узлов стыковки

Реакция на агрев имтегрально-разветвителя волоконного контура \ / . г/ ¡4= X

У® 1% 1 ш

1 - осреднение |2 - осреднение о 100 с; о 15 мин. | ® ® 1= • Г | \ .} ; 1 1 1 \_и | |

Время, ч Сигнал интерферометра

Рисунок 3 - Выходные данные ВОГ при локальном нагреве паразитного интерферометра, интегрально-оптического разветвителя, портов С и Э МИОС: (а) - температура термодатчика МИОС, (б) - выходной сигнал ВОГ, (в) -сигнал интерферометра

Нагрев интегрально-оптического разветвителя вызывает заметное смещение нуля сигнала гироскопа, пропорциональное величине перепада температуры. В результате анализа различных физических эффектов, возникающих в МИОС, был выделен пироэлектрический эффект, как один из наиболее мощных факторов, приводящих к дрейфу нуля. Влияние пироэлектрического эффекта в МИОС заключается в формировании поверхностных зарядов в кристалле 1л1МЮз при изменении его температуры. Возникающая разность потенциалов (порядка 300В при изменении температуры кристалла на 1°С) создает мощное электрическое поле в кристалле, способное существенно изменить характеристики МИОС.

Одной из причин возникновения ошибки выходного сигнала ВОГ является нестабильность параметров фазового модулятора, в частности, паразитной амплитудной модуляции. Паразитная амплитудная модуляция в фазовом модуляторе обусловлена изменением показателя преломления волновода в МИОС, от которой зависят условия волноводного распространения и потери оптического сигнала в модуляторе. Оптический сигнал, проходящий через фазовый модулятор, приобретает не только некоторое фазовое смещение, но и смещение по интенсивности, которое может влиять на результирующий интерференционный сигнал. Паразитная амплитудная модуляция может воздействовать непосредственно на рабочие волны, распространяющиеся по волоконному контуру, а также на сигнал паразитного интерферометра в МИОС.

В случае, когда значение паразитной амплитудной модуляции в МИОС не зависит от абсолютной величины электрического поля в кристалле, а определяется только относительным его изменением, ошибка измерения угловой скорости, вызванная наличием паразитного интерференционная сигнала, является определенной константой.

Если величина паразитной амплитудной модуляции зависит от абсолютного значения напряженности электрического поля в кристалле линейно, тогда при пилообразной смещающей прямоугольной модуляции интенсивность интерферирующих волн будет изменяться одинаково и пропорционально смещению прямоугольного модулирующего сигнала. При постоянной скорости вращения гироскопа изменение интерференционного сигнала, вызванное паразитной амплитудной модуляцией, будет постоянным для любого значения напряженности электрического поля в кристалле. Дрейф выходного сигнала ВОГ при этом не возникает. Однако если величина паразитной амплитудной модуляции меняется (вследствие изменения напряженности электрического поля в модуляторе), соответственно, изменяется ошибка в показаниях ВОГ.

Если зависимость паразитной амплитудной модуляции от абсолютного значения напряженности электрического поля в кристалле нелинейная, тогда при пилообразной смещающей прямоугольной модуляции в МИОС изменение интерференционного сигнала, вызванное паразитной амплитудной модуляцией, будет зависеть от абсолютного значения напряженности электрического поля. Соответственно, ошибка выходного сигнала ВОГ может изменяться на каждом такте модулирующего сигнала.

При модуляции на собственной частоте волоконного контура ВОГ происходит частичная компенсация паразитной амплитудной модуляции в МИОС. Поэтому, для измерения величины паразитной амплитудной модуляции использовалась методика понижения частоты модуляции. В случае, когда период модуляции значительно превышает время распространения света по волоконному контуру, обе волны испытывают паразитную амплитудную модуляцию с одним знаком, и на выходе схемы ВОГ наблюдается изменение интенсивности интерференционного сигнала. При этом величина амплитудной модуляции будет описываться выражением:

где Л1 - размах колебаний интерференционного сигнала, вызванных паразитной амплитудной модуляцией, 1ср - среднее значение интенсивности сигнала без модуляции.

Для исследования зависимости паразитной амплитудной модуляции от напряжения на электродах модулятора была использована методика, по которой с платы электронной обработки на фазовый модулятор МИОС подавался прямоугольный модулирующий сигнал амплитудой 1,6 В, средний уровень которого смещался в диапазоне -7,5В .. +7,5В. При этом измерялось

значение амплитудной модуляции (АМ). На рис. 4 представлены графики зависимости АМ от величины смещения модулирующего сигнала.

АМ, %

-8 -6-4 -2 0 2 4 68

Смещение модулирующего напряжения, В

Рисунок 4 - Экспериментальная зависимость величины паразитной амплитудной модуляции фазового модулятора от смещения модулирующего сигнала для двух образцов ВОГ

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что паразитная амплитудная модуляция нелинейно зависит от абсолютного значения электрического поля в кристалле, вызванного смещением среднего уровня модулирующего сигнала. Из графиков видно, зависимость АМ для разных гироскопов может существенно отличаться, это объясняется различными параметрами сборки МИОС и волоконно-оптических элементов (обратными отражениями и потерями в местах стыковки). Кроме того, в ходе эксперимента замечено, что на измеряемое значение паразитной амплитудной модуляции оказывает влияние температура окружающей среды. Изменение электрического поля в данном эксперименте составило 1,5-103В/м, в то время как электрическое поле, индуцируемое пироэлектрическим эффектом, имеет порядок 105 В/м, что несомненно вызовет большие изменения в параметрах модуляции.

Таким образом, установлено, что изменение паразитной амплитудной модуляции, обусловленное значением напряженности электрического поля в кристалле МИОС, вызывает ошибку выходного сигнала ВОГ. Причиной изменения абсолютного значения напряженности электрического поля может являться разность потенциалов боковых граней МИОС, обусловленная скоплением поверхностных зарядов, индуцируемых перепадом температуры, т.е. пироэлектрическим эффектом. Предложен метод подавления пироэлектрического эффекта в интегрально-оптическом модуляторе, который заключается в нанесении на продольные грани МИОС проводящего серебряного клея и замыкании этих граней друг с другом. При этом заряды, индуцируемые на поверхности кристалла при изменении температуры, равномерно распределяются и не создают электрического поля в волноводах. Это позволяет снизить влияние температуры МИОС на выходной сигнал ВОГ в 20 раз (с 6-Ю"2 (°/ч)-К"' до 3-10"3 (°/ч) К ').

В пятой главе приводятся результаты исследования температурных характеристик чувствительного элемента ВОГ. Для оценки влияния

температуры чувствительного элемента на выходной сигнал ВОГ была построена математическая модель ВОГ, учитывающая влияние изменения длины свободных концов волоконного контура, намотанного по квадрупольной схеме. Построение температурной модели разделялось на три основных этапа: расчет температурного поля волоконного контура, расчет паразитной разности фаз в волоконном контуре с заданным температурным полем и вычисление интеграла ошибки угловой скорости, накапливающейся на всей длине волоконного контура.

Суммарный паразитный набег фазы А (О от всех элементов оптического волокна М, расположенных в волоконном световоде на расстоянии -С, определялся по величине коэффициента преломления в момент 1-(Ь — ()па/с, где - длина волоконного контура:

Д(/) =<?•/,

о д(

а 1п Ас

где щ - показатель преломления оптического волокна при температуре О °С, ат - коэффициент зависимости показателя преломления от температуры (величина порядка 10_:7оС), коэффициент температурного расширения волокна существенно меньше, имеет порядок 1(Г6/°С, и поэтому не учитывается. Для ВОГ связь теплового сдвига фаз с ошибкой определения скорости вращения имеет вид:

4 '

где Бс — общая площадь всех витков катушки, а интеграл 1 рассчитывается как сумма трех интегралов, описывающих вклад в дрейф входного и выходного отрезков волоконного контура, а также самой волоконной катушки.

Представленная модель позволяет учитывать трехмерное распределение тепла в чувствительном элементе, а также влияние длины плеч волоконного контура на его температурные свойства. Согласно расчетным и экспериментальным данным возникающий при нестационарных тепловых нагрузках дрейф нуля имеет в основном пропорциональную зависимость с производной температуры ВОК по времени (рис. 5).

В ходе работы были исследованы анизотропные свойства волоконного контура ВОГ, заключающиеся в том, что величина возникающего теплового дрейфа нуля зависит от направления распространения тепла в волоконном контуре. Для исследования зависимости дрейфа выходного сигнала ВОГ от направления температурного воздействия на волоконный контур применялся разработанный диссертантом программно-аппаратный комплекс, описанный во второй главе. В ходе эксперимента создавалось изолированное температурное воздействие в разных точках по периметру волоконного контура в заданном порядке.

Температура волоконного контура

\

1 1 1 1

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66

Время, ч

11 Выходной сигнал ВОГ. Осреднение по 15 мин.

е

5 13.5

! I I Л '

\ - 1 Л, X

! . . .....1 ■ ■ .... .....Ту" ......1-М. Г

> 13

I.

\П.5

О

г ю о

I.- о ¡5 -10

Производная температуры

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66

Время, ч

Рисунок 5 - Изменения выходного сигнала ВОГ при температурных воздействиях на волоконный контур

Экспериментальные данные, представленные на графике рис. 6 (а), свидетельствуют об отсутствии ярко выраженной зависимости дрейфа выходного сигнала ВОГ от направления температурного воздействия, оказываемого на волоконный контур, что качественно совпадает с результатом моделирования на рис. 6 (б).

210

120 . 4 * . 60 ♦ 30

ОД 0,2

Дрейф нуля, 7ч *

♦

Ч ♦ 330

240 * » * * 300

90 270

(а) (б)

Рисунок 6 - зависимости дрейфа сигнала ВОГ от направления тепловых воздействий: (а) - экспериментальные данные, (б) - данные моделирования

На основе разработанной математической модели предложен метод компенсации дрейфа выходного сигнала ВОГ, вызванного температурными воздействиями на чувствительный элемент, который заключается в оптимизации чувствительного элемента путем регулирования длины плеч волоконного контура. Согласно расчетным данным, представленным на рис. 7,

угловая ошибка, равная результату интегрирования угловой скорости за время температурного воздействия, изменяет знак по мере отмотки волокна с катушки и при определенном значении / величина ошибки становится равной нулю.

Для подтверждения эффективности предложенного метода был проведен эксперимент, в ходе которого с одного из концов волоконного контура последовательно отматывалось 3, 10, 20 и 30 витков волокна и проводилась запись выходного сигнала гироскопа при определенном температурном воздействии. Закон изменения температуры во всех запусках был одинаковый. Результаты эксперимента представлены на рис. 8.

0,04 0,03 0,02 0,01 0

-0,01 -0,02 -0,03 -0,04

¡зз

5 10 15 ..... 25 30 35

ЕЭ352 шшт.......

Рисунок 7 - Расчетная зависимость ошибки определения угла от разности длин свободных концов волоконного контура

од

0,08

0,06

0,04

С 0,02

с!

о-

о -0,02

-0,04

Н -0,06

О

-0,08

-0,1

¡3

¡ша

1— ШЕЯ-

2 4 6 8 12 14 16 18 20

¡ёшйг !

Рисунок 8 - Экспериментальная зависимость ошибки определения угла от разности длин свободных концов волоконного контура

По результатам экспериментальных исследований при отмотке 20 витков удалось уменьшить дрейф выходного сигнала, вызванный нагревом волоконного контура, с 0,55 °/ч до 0,27 °/ч, а ошибку определения угла - с 0,0816° до -0,033°. При этом по графику на рис. 8 видно, что оптимальное состояние, при котором угловая ошибка равна нулю, получается при разности длин плеч волоконного контура 9 м (15 витков). Результаты эксперимента качественно совпадают с результатами моделирования. Незначительно расхождение в количестве витков, при отмотке которых наблюдается минимальная угловая ошибка ВОГ, объясняется наличием дефектов намотки исследуемого волоконного контура.

Таким образом, предложенный метод позволяет минимизировать реакцию выходного сигнала ВОГ на изменение температуры волоконного

контура, и уменьшить ошибку определения угла, являющегося результатом интегрирования сигнала скорости вращения, до нулевого значения.

Одним из возможных путей подавления температурной зависимости выходного сигнала ВОГ является алгоритмическая компенсация. Как показали исследования температурных свойств отдельных элементов ВОГ, температурная нестабильность чувствительного элемента является основным фактором, влияющим на дрейф измеряемой угловой скорости. При этом реакция выходного сигнала ВОГ пропорциональна производной температуры волоконного контура по времени. Также установлено, что температурная чувствительность дрейфа ВОГ не зависит от направления температурного воздействия на волоконный контур.

Предложенный метод компенсации дрейфа выходного сигнала ВОГ заключается в учете производной усредненной температуры чувствительного элемента по 8-ми датчикам, установленным на волоконном контуре. Модель, описывающая зависимость выходного сигнала ВОГ от производной усредненного значения температуры, выглядит следующим образом:

где р - коэффициент зависимости сигнала ВОГ от производной температуры, /' — производная усредненного значения температуры по восьми датчикам, й -среднее значение сигнала ВОГ при /'=0. Для определения коэффициента р гироскоп устанавливался в термокамеру, температура в которой изменялась по заданному закону в диапазоне +15 .. +35 °С. При этом регистрировался выходной сигнал ВОГ и производная усредненной температуры по датчикам на чувствительном элементе. На рис. 9 представлен график полученной зависимости выходного сигнала ВОГ от производной усредненной температуры.

Зависимость показаний ВОГ от производной усредненной температуры волоконного контура

Производная усредненной температуры, *С/ч

Рисунок 9 - График зависимости выходного сигнала ВОГ от производной усредненной температуры волоконного контура

По результатам эксперимента СКО выходного сигнала ВОГ в запуске без компенсации составило 0,062 °/ч, а в запуске с применением компенсации при тех же температурных условиях СКО выходного сигнала составило 0,021 °/ч. Эффективность предложенного метода компенсации температурного дрейфа ВОГ подтверждается результатами испытаний четырех других образцов ВОГ, полученными при различных температурных воздействиях.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. На основе литературных данных были выявлены основные механизмы возникновения дрейфа выходного сигнала ВОГ при температурных воздействиях на его отдельные элементы, а также рассмотрены основные методы подавления температурного дрейфа ВОГ.

2. Разработан и создан программно-аппаратный комплекс для создания локальных температурных воздействий в различных радиальных направлениях ВОГ. С помощью метода изолированных температурных испытаний выявлены основные механизмы, приводящие к температурному дрейфу ВОГ. Установлено, что

• Изменение температуры источника света влияет преимущественно на его спектральные свойства.

• Дрейф выходного сигнала ВОГ, вызванный изменением спектра оптического сигнала, связан с искажениями модулирующего сигнала, а также рассогласованием частоты фазовой модуляции и собственной частоты волоконного контура, зависящей от спектра оптического сигнала.

• Зависимость ошибки выходного сигнала ВОГ от изменения температуры МИОС обусловлена параметрами фазового модулятора, а именно паразитной амплитудной модуляцией. При этом изменение паразитной амплитудной модуляции в МИОС связано с пироэлектрическим эффектом в кристалле.

• Дрейф выходного сигнала исследуемого ВОГ не зависит от направления температурного воздействия, оказываемого на волоконный контур.

• Изменение длины плеч волоконного контура влияет на его температурные свойства.

3. Представлена математическая модель влияния температуры чувствительного элемента на дрейф выходного сигнала ВОГ, которая позволяет учитывать трехмерное распределение тепла в волоконном контуре, а также подбирать оптимальные параметры чувствительного элемента, обеспечивающие наилучшую температурную стабильность выходного сигнала гироскопа.

4. На основе математической модели предложен метод компенсации температурной нестабильности чувствительного элемента ВОГ, заключающийся в коррекции длины плеч волоконного контура. Предложенный метод позволяет уменьшить ошибку определения угла,

являющуюся результатом интегрирования измеряемой скорости вращения, до нулевого значения.

5. Предложен метод алгоритмической компенсации дрейфа выходного сигнала ВОГ, заключающийся в учете производной усредненного значения температуры, и позволяющий снизить СКО выходного сигнала ВОГ при изменении температуры от 15 до 35 °С в 3 раза. Эффективность метода подтверждается повторяемостью результатов для других образцов ВОГ, а также для различных температурных условий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. И.А. Шарков, А.В. Рупасов, В.Е. Стригалев, С.А. Волковский. Влияние температурной нестабильности характеристик источника на показания волоконно-оптического гироскопа. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013. Вып.6. - №86. - .31-35, 0,3125 п.л. /0.078 п.л.

2. О.А. Шрамко, А.В. Рупасов, Р.Л. Новиков. Исследование зависимости степени сохранения поляризации в чувствительном элементе волоконно-оптического гироскопа от радиуса намотки волокна // Гироскопия и навигация. - Санкт-Петербург, 2013, Вып. №2 (81), С.148, 0,0625 п.л. /0,02 п.л.

3. О.А. Шрамко, А.В. Рупасов, Р.Л. Новиков, Аксарин С.М. Метод исследования h-параметра анизотропного световода от радиуса изгиба // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2014.-Вып. №1(89), С.26-30, 0,3125 п.л./0,078 п.л.

В других изданиях:

1. О.А. Шрамко, И.Г. Дейнека, С.М. Аксарин, М.Ю. Плотников, А.В. Рупасов. Исследование пространственного распределения выходного излучения полосковых волноводов, выполненных на основе ниобата лития // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - С. 71-72, 0,125 п.л. / 0,025 п.л.

2. И.К. Мешковский, Г.П. Мирошниченко, А.В. Рупасов, В.Е. Стригалёв, И.А. Шарков. Исследование влияния тепловых воздействий на работу волоконно-оптического датчика угловой скорости. XXI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 26-28 мая 2014, Санкт-Петербург, Россия. - Санкт-Петербург: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2014. - С. 191-202, 0,75 п.л. /0,15 п.л.

3. I.K. Meshkovsky, G.P. Miroshnichenko, A.V. Rupasov, V.E. Strigalev, I.A. Sharkov. INFLUENCE OF THERMAL EFFECT ON PERFORMANCES OF THE FIBER OPTIC GYROSCOPE // 21 st. Saint-Petersburg international conference on integrated navigated systems, 26-28 may 2014, Saint-Petersburg, Russia. - Saint-Petersburg, Concern CSRI Elektropribor, JSC, 2014. pp.245-253, 0,5625 п.л. / 0,1125 п.л.

Формат: 60x84 1/16 Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Тираж: ЮОэкз. Заказ: 321 Отпечатано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., д. 14 +7(812) 9151454, zakaz@tibir.ru, www.tibir.ru