Компенсация избыточного шума в волоконно-оптическом гироскопе с ответвителем типа 3´3

3.2. Компенсация избыточного шума в волоконно-оптическом гироскопе с ответвителем типа 3´3.

Один из путей повышения точности волоконно-оптических гироскопов связан с использованием в них суперфлуоресцентных волоконных источников излучения. Такие источники близки по свойствам к тепловым и характеризуются высоким уровнем избыточного шума. Эксперименты показывают, что избыточный шум доминирует над другими шумами уже при мощностях на фотодетекторе порядка 10 mW . Поэтому проблема уменьшения его влияния на точность гироскопов представляет большой интерес.

В когерентно-оптической связи для подавления избыточного шума гетеродина используется балансное детектирование. Балансное детектирование можно применить и в волоконно-оптических гироскопах, используя в качестве опорного сигнала излучение источника, задержанное на время прохождения света по оптическому тракту волоконно-оптических гироскопов.

Однако реализация балансного детектирования в обычной ”минимальной” схеме волоконно-оптических гироскопов с входным и контурным ответвителями типа 2´2 сопряжена с рядом трудностей, связанных с обеспечением когерентного взаимодействия информативного и опорного сигналов. Эта проблема решается значительно проще при использовании в схеме волоконно-оптического гироскопа направленного ответвителя типа 3 ´ 3.

Рис 3.2. Схема волоконно-оптического гироскопа с ответвителем типа 3´3.

На рис.3.2. представлена простейшая схема волоконно-оптического гироскопа с ответвителем типа 3 ´ 3. Излучение от источника (3) поступает через направленный ответвитель типа 3 ´ 3 (4) на входы чувствительного контура (5), а затем - на фотодетекторы (1) и (2), выходы которых подключены к дифференциальному усилителю (6). Каждая из встречных волн L и S в схеме (см. рисунок) является и информативной (сигнальной) и одновременно — опорной для другой волны, причем с точностью до множителя, в случае идеального направленного ответвителя имеем:

  (3.5)

  (3.6)

Здесь A и j - соответственно амплитуда и фаза волн, а j₀-невзаимный (саньяковский) фазовый сдвиг. Сигналы, поступающие на фотодетекторы:

(3.7)

(3.8)

где j₁ - разность фаз сигналов, прошедших через направленный ответвитель по ”прямому” и ”перекрестному” каналам.

Токи фотодетекторов (которые считаются идентичными):

(3.9)

где n₁ и n₂ - шумы фотодетектирования.

На выходе дифференциального усилителя

(3.10)

Таким образом, избыточный шум, обусловленный фоновой засветкой фотодетекторов, оказывается скомпенсированным. Из (3.9-3.10) следует также, что волоконно-оптический гироскоп с контурным направленным ответвителем типа 3´3 и балансным детектированием работает в квадратурном режиме, его оптический масштабный коэффициент такой же, как и в ”минимальной” схеме, однако электрический масштабный коэффициент меньше, поскольку j₁ ¹ p/2.

Рассмотренная схема представляет интерес для волоконно-оптического гироскопа грубого и среднего классов точности. Для волоконно-оптических гироскопов высокой точности можно использовать модифицированную ”минимальную” схему с направленным ответвителем типа 3´3. В этом случае в оба канала включаются дополнительные элементы 7, 8, обеспечивающие возможность повышения точности устройства за счет снижения уровня поляризационных шумов, устранения паразитной модуляции и других неблагоприятных факторов, рассмотренных в дипломной работе.

3.3. Компенсация обратного рэлеевского рассеяния

Обратное рэлеевское рассеяние (основной механизм потерь в волокне с низкими потерями) является важным фактором, который может существенно снижать чувствительность ВОГ.

Сущность этого эффекта состоит в том, что каждая первичная волна, противоположно распространяющаяся в световодном контуре, возбуждает маломасштабные неоднородности в волокне, которые в свою очередь действуют как индуцированные дипольные излучатели. Световод «захватывает» часть рассеянного излучения и канализирует его в обратном направлении.

Рис 3.3. Обратнорассеянные волны в контуре ВОГ (схема).

Вклады от каждого элементарного рассеивателя суммируются векторно и образуют полное рассеянное поле в каждом направлении. Если контур не возмущен, то амплитуда и фаза поля стабильны во времени. Поскольку элементарные рассеиватели распределены случайно вдоль волокна, можно оценить лишь среднеквадратическое значение амплитуды каждой обратнорассеянной волны относительно полной обратнорассеянной мощности.

Предсказать фазу каждой волны весьма затруднительно. Обратнорассеянные волны обладают некоторой степенью когерентности относительно двух первичных волн и поэтому суммируются с первичными волнами также векторно со случайными фазами. Фазы результирующих двух волн в общем случае из-за влияния окружающих условий не идентичны (рис. 3.3.).

Следовательно, на выходе волоконного контура появляется составляющая фазового сдвига, обусловленная обратным рэлеевским рассеянием, и при любом одиночном измерении неразличимая от фазы, индуцированной вращением контура (фазы Саньяка), т. е. появляется ошибка в измерении угловой скорости вращения контура.

Рис 3.4. Обратнорассеянные волны в контуре ВОГ (векторная диаграмма).

Интерес представляет оценка ошибки ВОГ, обусловленной обратным рэлеевским рассеянием. Оценить неопределенность измерения фазы Саньяка и соответственно ошибку в измерении угловой скорости, обусловленной обратным рэлеевским рассеянием, можно по упрощенной методике, предложенной в работе [4].

Полагаем, что затухание излучения в волокне  обусловлено рэлеевским рассеянием (  коэффи­циент ослабления, L - длина контура). При этом теряе­мая энергия равномерно рассеивается по длине волокна с коэффициентом направленного рассеяния G вдоль волок­на (1 < G < 1,5). Для равномерно рассеянного излучения приближенно справедлив закон Ламберта.

Учитывая эти условия, можно получить отношение мощности части от полного рассеянного излучения, «перехватываемой» во­локонным сердечником, и появляющегося на выходе кон­тура, к мощности первичной волны на выходе контура ( векторная диаграмма на рис. 3.3.):

 (3.11)

В соотношении (3.11) P_S - мощность обратнорассеянной (вторичной) волны на выходе контура, P₁ - мощность пер­вичной (сигнальной) волны после одного прохождения в контуре, P₀ - мощность излучения на входе одного плеча контура, - телесный угол ввода излучения волокон­ного сердечника ( b - линейный угол).

Величину  можно разложить в ряд Маклорена, и при малом ограничиться двумя первыми членами раз­ложения. Тогда получим

(3.12)

Как следует из векторной диаграммы (рис. 3.4.), при ком­бинации двух пар противоположно распространяющихся в контуре волн максимальное приращение фазы, обуслов­ленное эффектом обратного рассеяния, можно выразить в виде

(3.13)

Это значение фазы, полученное при одиночном измерении, приводит к ошибке в измерении угловой скорости враще­ния. Для определения угловой скорости вращения, соответ­ствующей этому значению фазы (эквивалентной ошибке измерения угловой скорости), используем ранее получен­ную формулу Саньяка:

(3.14)

Имеем

(3.15)

где N - число витков контура; D - диаметр витка.

Подставляя N=L / pD в это выражение, имеем

(3.16)

Для получения численной оценки используем следующие значения параметров:

l = 1 мкм,

N = 318,

D = 1 м,

b = 0.1 рад,

G = 1,

L = 1000 м .

Подставляя эти значения, получаем максимальную фазовую ошибку при одном обходе контура  рад, которая линейно преобразуется в ошибку измерения угловой скорости  = 341 град/ч ( 0.095 град/с). Полученный результат свидетельствует о значительности ошибки и приводит к выводу о необходимости применения специальных мер или использования устройств, минимизирующих ошибку, обусловленную обратным рэлеевским рассеянием.

Способы минимизации ошибки ВОГ, обусловленной обратным рэлеевским рассеянием могут быть связаны с уменьшением взаимной когерентности между первичной и вторичной (рассеянной) волной. При этом, однако, ряд способов, уменьшающих когерентность, одновременно уменьшают взаимность между двумя первичными волнами, что весьма нежелательно. Но такие способы, как частотная модуляция первичного сигнала или физическая моду­ляция длины контура (контролируемым образом), умень­шая когерентность, не вносят дополнительной невзаимно­сти в контур.

 Если эффективность модуляции достаточно высока, т. е. если в отсчетный интервал времени число длин волн, укладывающихся на длине контура, изменяется зна­чительно, то вторичная (рассеянная) волна суммируется с появляющейся первичной волной со случайной фазой. Ес­ли измерение осуществляется с частотой q в единицу вре­мени и если фаза вторичной волны изменяется случайно между отсчетами, то неопределенность углового положения контура по истечении данного интервала времени опреде­ляется процессом «случайного блуждания» и дается вы­ражением :

(3.17)

Для приведенных выше численных значений контура ВОГ, приняв q = 10 отсч./с. и интегрируя в течение часа, полу­чается ошибка (экстраполированный дрейф) 1,27 град/ч^1/2.

Следует отметить, что в существующих ВОГ ошибка, обусловленная обратным рассеянием, уменьшается за счет некоторых неизбежно присутствующих факторов, еще не­достаточно изученных, но уменьшающих степень когерен­тности между первичной и вторичной волнами .

Например, во многих системах ВОГ используется модуляция излучения, которая может рандомизировать до некоторой степени фазу рассеяной волны, хотя эта модуляция может ис­пользоваться в ВОГ для совершенно других целей (к приме­ру для удобства регистрации сигнала). Некоторая сте­пень рандомизации фазы неизбежно имеет место вследст­вие механических и тепловых воздействий на волоконный контур; эти воздействия, однако, производят другие ошиб­ки (если они не полностью взаимны). Изменения частоты лазерного излучателя также могут быть источником рандомизации.

Все же, несмотря на указанные факторы, вклад в общую ошибку ВОГ эффектами обратного рассеяния может быть еще значительным или даже доминирующим. При непрерывном совершенствовании конструкции ВОГ чувствительность последнего к механическим и теп­ловым возмущениям будет уменьшаться, естественно ожидается неизбежное увеличение степени когерентности рас­сеянных волн. Эффекты остаточных влияний окружающих условий (механических и температурных изменений) раз­виваются медленно, что не позволяет выбрать частоту не­зависимых случайных отсчетов достаточно высокой для существенного уменьшения ошибки, обусловленной обрат­ным рассеянием. Частоту отсчетов нужно выбирать так, чтобы вторичные (рассеянные) волны были некоррелиро­ваны по фазе.

Для этого необходим дополнительный ана­лиз, однако кажется вероятным, что влияние вторичных волн может быть сделано очень малым. К примеру, если в ВОГ использовать импульсную генерацию с импульса­ми, вводимыми в контур на частоте c / nL (т. е. длитель­ность импульса равна времени обхода контура), а часто­ту несущей импульса сдвигать на величину c / nL в течение периода (т. е. размах частотного сдвига составляет (c / nL) в секунду) для рандомизации фазы рассеянной волны, то при п = 1.5 и L = 1000 м число отсчетов q =  в секунду.

Тогда ошибка (экстраполированный дрейф) за счет рэлеевского рассеяния становится равной град/ (при «случайном блуждании» 1 с) или град/ч^1/2 (при «случайном блуждании» 1 ч) . Для волоконного контура длиной 1000 м такая ошибка потребует измене­ния частоты источника излучения в 200 кГц на проход (на импульс) или 40 ГГц/с.

Ошибка измерения угловой ско­рости вращения контура за счет обратного рэлеевского рассеяния может быть минимизирована уменьшением сте­пени взаимной когерентности между первичной и рассеян­ной волнами. Она может быть уменьшена снижением ве­личины проинтерферировавшей с прямой волной мощно­сти обратнорассеянной волны.

Уменьшение когерентности можно реализовать с помо­щью фазовой модуляции первичной волны, что рандомизирует фазы обратнорассеянных волн. Изменения окружа­ющих условий и уменьшение длины когерентности источ­ника излучения также могут сыграть роль в уменьшении влияния эффектов обратного рэлеевского рассеяния. Одна­ко, даже с учетом выше указанных моментов, неопреде­ленность в измерениях угловой скорости, обусловленная обратным рассеянием, может составлять значительную ве­личину (намного больше фотонного предела).

Величину мощности обратнорассеянной волны, интер­ферирующей с прямой волной, можно значительно умень­шить используя импульсный сигнал, длительность которо­го значительно короче времени распространения луча в контуре t . Это уменьшение имеет место вследствие того, что в любой данный момент короткий импульс лока­лизуется в соответственно коротком сегменте волоконного контура. В результате лишь часть поля обратнорассеянной волны может приходить на выход в совпадении с прямым сигнальным импульсом. (рис 3.5.). Несовпадающее с импульсом обратнорассеянное поле может быть исключено временным стробированием.

Использование короткого импульса не только значи­тельно снижает уровень мощности обратнорассеянного из­лучения при совпадении (примерно в 1000 раз при длитель­ности импульса = 5 нс в контуре длиной 1000 м), но и позволяет определить расположение сегмента волоконно­го контура, где это излучение «зарождается». Обратнорассеянное излучение, обнаруживаемое в течение интер­вала

(3.18)

(в совпадении с прямым импуль­сом), «зарождается» только от рассеивателей, сосредото­ченных в пределах соответствующего сегмента волокна на середине контура в интервале

(3.19)

 где L - длина контура и - групповая скорость импульса.

Таким образом, если входной импульс сделать корот­ким, то число источников обратного рассеянного излучения уменьшается и определяется длиной короткого сегмента волокна .

Например, если Dt = 5 нс, то Dz = 1 м; при Dt =1 нс, Dz = 0,2 м. Поскольку расположение этого сегмента известно, его границы могут быть определены и физически изолированы от оставшейся части контура. Дальнейшего увеличения чувствительности ВОГ можно достигнуть уменьшением обратного рассеянного излучения лишь от этого короткого сегмента контура (по-видимому, это можно реализовать соответствующей оптимальной об­работкой сигнала).

Для уменьшения фазовой ошибки, обусловленной обратным рэлеевским рассеянием, может быть предложен способ усреднения в течении постоянной интегрирования системы обработки.

Похожие работы

Волоконно-оптические системы

Скачать

67879

12

0

... большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь ...

Индикаторный гиростабилизатор телекамеры

Скачать

30892

0

6

... за счет использования двигателя стабилизации меньших габаритов, имеющего меньший момент сухого трения вокруг оси вращения и меньший коэффициент демпфирования. Габаритные размеры гиростабилизатора телекамеры с наружным кардановым подвесом оказываются меньше, чем с внутренним, т.к. в последнем случае для получения достаточных рабочих углов поворота платформы необходимо выполнение подвеса по ...

Нанотехнологии в медицине

Скачать

50223

0

3

... , подобных квантовым точкам, обещает большую точность и снижение стоимости путем использования методов производства, разработанных для полупроводниковой промышленности [2].   Приложения современных нанотехнологии в медицине Сегодня мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. ...