Разработка метода повышения точности волоконно-оптического датчика угловой скорости

Работа посвящена разработке метода повышения точности волоконно-оптического датчика угловой скорости. Проведено исследование паразитной амплитудной модуляции электрооптического фазового модулятора, входящего в состав датчика. Разработаны методы алгоритмической компенсации влияния паразитной амплитудной модуляции фазового модулятора на выходной сигнал датчика. Предложенные методы компенсации позволяют уменьшить среднеквадратичное отклонение и дрейф выходного сигнала волоконно-оптического датчика угловой скорости.

Цель: разработка метода повышения точности волоконно-оптического датчика угловой скорости, позволяющего компенсировать влияние паразитной амплитудной модуляции фазового модулятора на выходной сигнал датчика.
Задачи:
- исследовать явление паразитной амплитудной модуляции фазового модулятора;
- выявить зависимости величины паразитной амплитудной модуляции от модулирующего напряжения, температуры и мощности оптического излучения;
- создать программную модель влияния паразитной амплитудной модуляции на выходной сигнал волоконно-оптического датчика угловой скорости;
- дополнить традиционную схему демодуляции сигнала волоконно-оптического датчика угловой скорости алгоритмом компенсации паразитной амплитудной модуляции.

Одним из наиболее перспективных и давно исследуемых волоконно-оптических интерферометрических датчиков является волоконно-оптический датчик угловой скорости (ВОДУС), принцип действия которого основан на эффекте Саньяка [1].

Рисунок 1 – Типичная конфигурация ВОДУС

Исследования методов создания высокоточных ВОДУС явялются актуальными вследствие ряда их преимуществ: 

• отсутствие подвижных деталей,
• высокая чувствительность,
• устойчивость к электромагнитным помехам.

Для поддержания рабочей точки интерферометра ВОДУС примененяется электрооптический фазовый модулятор. Однако, один из его недостатков заключается в паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) [2], следствием которой является снижение точностных характеристик ВОДУС [3].

Таким образом, данная работа посвящена разработке метода, позволяющего компенсировать влияние паразитной амплитудной модуляции фазового модулятора на выходной сигнал датчика. 

На данный момент на кафедре световодной фотоники, на которой я обучаюсь, имеется опытный образец волоконно-оптического датчика угловой скорости (ВОДУС): существует рабочая оптоэлектронная схема, разработан традиционный алгоритм обработки сигнала ВОДУС, мпроведен ряд исследований, по которым написано множество статей. Один из макетов ВОДУС показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема ВОДУС, разработанная кафедрой световодной фотоники Университета ИТМО

Для измерения ПАМ от модуляирующего напряжения было собрано две оптические схемы, одна их которых позволяет измерить ПАМ на проход в каждом плече модулятора, а вторая позволяет измерить суммарную ПАМ в обеих плечах. С помощью оптических аттеньюаторов исследовалась как меняется заивимость ПАМ от мощности оптического излучения, а также с помощью термокамеры исследовалось изменения зависимости ПАМ от температуры.

Для дальнейших исследований была создана программная модель обработки сигнала ВОДУС в Matlab Simulink. В модели использовался известный алгоритм обработки сигнала ВОДУС с отрицательной обратной связью [4]. С помощью моделирования оценивалось влияние измеренной ПАМ на выходной сигнал ВОДУС, а также разрабатывался способ компенсации влияния ПАМ на точностные характеристики ВОДУС.

По результатам измерений коэффициента ПАМ от напряжения отдельно в верхнем и нижнем плечах модулятора получились заивисмости, представленные на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимости коэффициентов ПАМ от модулирующего напряжения.

Измеренные зависимости ПАМ были внесены в модель, результаты моделирования приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Влияние ПАМ на выходной сигнал ВОДУС: а) сигнал модуляции, б) выходной сигнал скорости вращения, в) выходной сигнал в крупном масштабе

По результатам исследований [5] скорректированный сигнал фотоприемника  предлагается считать по формуле:

где: , ;  и – коэффициенты ПАМ в верхнем и нижнем плечах соответственно,  и – напряжение модуляции на нечетном и четном шаге соответственно.

Компенсацию ПАМ по суммарной зависимости в обоих плечах в собранном ВОГ можно производить исходя из предположения, что .

Тогда скорректированный сигнал фотоприемника  предлагается считать по формуле:

.

Результаты исследований сведены в таблицу.

Таблица 1. Дрейф сигнала угловой скорости δ, °/час при усреднении по 10 секундам

Угловая скорость	Дрейф сигнала угловой скорости δ, °/час
	k2oc= 0	k2oc= 0.01
	Без компенсации	Без компенсации	С компенсацией	С компенсацией по сумме
1°/час	1.2e-5	3.3e-5	0	-6.0e-7
13°/час	1.8e-5	2.0e-4	0	-2.8e-6
130°/час	7.3e-5	2.2e-3	0	-2.2e-5
2000°/час	1.0e-3	3.3e-2	0	-3.0e-3
18000°/час	9.5e-3	1.9e-1	0	2.2e-3

Согласно таблице, ПАМ вносит основной вклад в дрейф сигнала угловой скорости при работающей второй обратной связи, которая ошибочно подстраивает масштабный коэффициент модулятора, тем самым увеличивая погрешность вычислений. Однако, подстройка масштабного коэффициента в ВОДУС необходима, поэтому дальнейшие исследования проводились при работающей второй обратной связи. Таблица показывает, что дрейф сигнала при k_2oc = 0.01 особенно существенен при больших скоростях: дрейф сигнала увеличивается на два порядка по сравнению со случаем, когда k_2oc = 0. 

Алгоритм компенсации по зависимостям ПАМ, измеренным отдельно в каждом плече модулятора, позволяет скомпенсировать ошибку, обусловленную ПАМ, с точностью до расчетной ошибки Matlab (10^-9). Алгоритм компенсации ПАМ по сумме способствует снижению дрейфа сигнала на несколько порядков.

Измерение суммарной зависимости в собранном приборе представляется более простой задачей, чем измерение ПАМ отдельно в разных плечах заранее перед сборкой оптической схемы ВОДУС.

Таким образом, достигнуты следующие результаты:

• разработан метод измерения паразитной амплитудной модуляции фазового модулятора в ВОДУС;
• получена зависимость величины паразитной амплитудной модуляции от модулирующего напряжения;
• создан алгоритм компенсации паразитной амплитудной модуляции в схеме обработки сигнала ВОДУС;
• снижен дрейф и СКО выходного сигнала ВОДУС.

1. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики — Л.: Ленинград, Энергоатомиздат, 1990. — 256 c.
2. C. Ishibashi, J. Ye, and J. L. Hall, Analysis/reduction of residual amplitude modulation in phase/frequency modulation by an EOM// Quantum Electronics and Laser science Conference, Conference. – 2002. – pp. 91–92
3. J. Sathian, E. Jaatinen, Reducing residual amplitude modulation in electro-optic phase modulators by erasing photorefractive scatter//Optics express. – 2013. – №21. – P. 12309–17.
4. Н.С. Lefevre, Fiber Optic Gyroscope, London: Artech House, 2014. – 401 p.
5. Погорелая Д.А., Смоловик М.А. Исследование влияния паразитной амплитудной модуляции фазового электрооптического модулятора на сигнал волоконно-оптического гироскопа // Сборник трудов IX Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2015» - 2015. - С. 532-534

The work deals with the development of a method to improve the accuracy of fiber-optic angular rate sensor. There was made the study of the parasitic amplitude modulation of electro-optic phase modulator which is a necessary part of the sensor. Methods of algorithmic compensation of the parasitic amplitude modulation of the phase modulator on the output signal of the sensor were made. The proposed compensation methods reduce the standard deviation and drift of the output signal of the fiber-optic sensor of angular velocity.