Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современной литературы 12
1.1. Особенности волоконно-оптических фазовых датчиков интерферометрического типа 12
1.2. Методы формирования выходного сигнала и проблема стабилизации рабочей точки интерферометра 14
1.3. Перспективные направления использования волоконно-оптических интерферометрических фазовых датчиков 19
1.4. Выводы по главе 24
ГЛАВА 2. Способы оптимизации параметров интерферометрического фазового датчика с выбором и стабилизацией рабочей точки интерферометра (на примере вог) 26
2.1. Особенности обработки сигнала ВОГ 26
2.2. Использование пилообразной фазосдвигающей модуляции для обработки показаний ВОГ 28
2.3. Способ выделения сигнала ошибки методом разностной демодуляции с последующим интегрированием 29
2.4. Способы коррекции ФЧХ 30
2.5. Решение задачи понижения частоты выдачи выходных данных ВОГ применительно к системам навигации 37
2.6. Программная модель ВОГ и реализация схемы обработки на ПЛИС 45
2.7. Выводы по главе 49
ГЛАВА 3. Способы оптимизации параметров интерферометрического фазового датчика для случая, когда рабочую точку нецелесообразно стабилизировать (на примере воидн) 51
3.1. Особенности обработки сигнала ВОИДН 51
3.2. Использование пилообразной фазосдвигающей модуляции для обработки показаний ВОИДН 57
3.3. Способ выделения полезного сигнала с использованием метода наименьших квадратов 59
3.4. Проблема нелинейности преобразования измеряемого сигнала 65
3.5. Способ решения задачи развёртывания фазы 67
3.6. Способы коррекции влияния температуры на показания ВОИДН 70
3.7. Компенсация зависимости погрешности метода обработки от скорости изменения полезного сигнала ВОИДН. 88
3.8. Выбор оптимального количества ступеней пилообразного модулирующего напряжения. 91
3.9. Программная модель ВОИДН и реализация схемы обработки на ПЛИС 93
3.10. Экспериментальная проверка работоспособности макета ВОИДН 96
3.11. Выводы по главе 100
ГЛАВА 4. Исследование взаимного влияния первой и второй обратных связей друг на друга и метод параллельной работы второй обратной связи с обратной связью по температуре 101
4.1. Проблема коррекции температурной зависимости полуволнового напряжения модулятора, входящего в состав МИОС 101
4.2. Проблема взаимного влияния первой и второй обратных связей 104
4.3. Проблема амортизации и изменения параметров ВОГ со временем 106
4.4. Принципы одновременного функционирования второй обратной связи и коррекции полуволнового напряжения МИОС по температуре 107
4.5. Выводы по главе 111
Заключение 113
Основные выводы и результаты исследования 114
Список литературы 116
- Перспективные направления использования волоконно-оптических интерферометрических фазовых датчиков
- Способ выделения сигнала ошибки методом разностной демодуляции с последующим интегрированием
- Способ выделения полезного сигнала с использованием метода наименьших квадратов
- Проблема амортизации и изменения параметров ВОГ со временем
Перспективные направления использования волоконно-оптических интерферометрических фазовых датчиков
Волоконно-оптические интерферометрические фазовые датчики широко применяются в различных отраслях промышленности [8, 9, 10, 11]. В рамках диссертации рассматриваются два перспективных на сегодняшний день прибора на основе волоконно-оптических интерферометрических датчиков волоконно-оптический гироскоп и волоконно-оптический интерферометрический датчик напряжения.
Волоконный оптический гироскоп (ВОГ) - оптико-электронный прибор, измеряющий угловую скорость и углы поворота объекта, на котором он установлен. Принцип действия ВОГ основан на вихревом (вращательном) эффекте Саньяка.
Интерес зарубежных и отечественных фирм к оптическому гироскопу базируется на потенциальных возможностях его применения в качестве чувствительного элемента вращения в инерциальных системах навигации, управления и стабилизации. Этот прибор в ряде случаев может полностью заменить сложные и дорогостоящие электромеханические (роторные) гироскопы и трехосные гиростабилизированные платформы.
Возможность создания реального высокочувствительного ВОГ появилась лишь с промышленной разработкой одномодового диэлектрического световода с малым затуханием. Именно конструирование ВОГ на таких световодах определяет уникальные свойства прибора. К этим свойствам относят: потенциально высокую чувствительность (точность) прибора, которая уже сейчас на экспериментальных макетах достигает 0,005 град/ч и менее; малые габариты и массу конструкции; ничтожное потребление энергии, что имеет немаловажное значение при использовании ВОГ на борту передвижного объекта; большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей (в частности, например, одним прибором можно измерять скорость поворота от 0,01 град/ч до 300 град/с); отсутствие вращающихся механических элементов (роторов) и подшипников, что повышает надежность и удешевляет их производство; практически мгновенную готовность к работе; нечувствительность к большим линейным ускорениям и, следовательно, работоспособность в условиях высоких механических перегрузок; высокую помехоустойчивость, низкую чувствительность к мощным внешним электромагнитным воздействиям благодаря диэлектрической природе волокна; слабую подверженность проникающей гамма-нейтронной радиации. Волоконный оптический гироскоп может быть применен в качестве жестко закрепленного на корпусе носителя чувствительного элемента (датчика) вращения в инерциальных системах управления и стабилизации. Механические гироскопы имеют так называемые гиромеханические ошибки, которые особенно сильно проявляются при маневрировании носителя (самолета, ракеты, космического аппарата). Эти ошибки еще более значительны, если инерциальная система управления конструируется с жестко закрепленными или «подвешенными» непосредственно к телу носителя датчиками. Перспектива использования дешевого оптического датчика вращения, который способен работать без гиромеханических ошибок в инерциальной системе управления, есть еще одна причина особого интереса к оптическому гироскопу.
В настоящее время ВОГ охватывают все большие направления использования: гражданскую и военную авиацию, космические аппараты, ракеты различных классов [12]. Подавляющее большинство навигационных систем выпускаемых серийно на протяжении последних десяти лет в Европе, США и Японии построены на базе высокоточных ВОГ [13]. Производством ВОГ и приборов на их основе занимаются ведущие мировые компании: Northrop Grumman [14, 15, 16], Ixsea [17], Honeywell [18], Cielo [19] и KVH [20, 21]. В России исследованиями и производством ВОГ занимаются: ООО «Физоптика» [22] [23], ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» [24], ОАО ПНППК, НИИ ПМ [25, 26, 27, 28], НПО Оптолинк [29].
В настоящий момент области волоконно-оптической гироскопии ведутся исследования по улучшению характеристик ВОГ. Уже более восьми лет на кафедре «Световодной фотоники» СПб НИУ ИТМО совместно с ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» ведутся работы по созданию прецизионных ВОГ, построенных по схеме с обратной связью и неучтенным уходом не более 0,01/ч [A3], а также навигационных приборов на их основе [30].
Внедрение цифровых информационных технологий в процесс производства, преобразования и распределения электроэнергии приводит к необходимости создания новых средств ее регистрации и контроля.
Традиционные электромагнитные измерительные трансформаторы напряжения плохо совместимы с современными микропроцессорными устройствами (большие габариты и вес, высокая избыточность аналогового выходного сигнала, плохая масштабируемость, низкая помехоустойчивость и т.д.). Они подвержены нежелательным феррорезонансным явлениям, обусловленным насыщением магнитопровода. Их серьезной проблемой остаются повышенные взрывоопасность и пожароопасность.
Волоконно-оптический интерферометрический датчик напряжения – прибор регистрации и контроля напряжения. ВОИДН относится к новому поколению измерительных систем, которые не просто заменяют традиционные измерительные трансформаторы, а позволяют создавать интеллектуальные электрические сети (типа «SmartGrid»), обеспечивая необходимую точность измерений, и позволяют контролировать и управлять электрическими сетями в режиме реального времени
Способ выделения сигнала ошибки методом разностной демодуляции с последующим интегрированием
Другим способом решения проблемы является компенсация влияния температурных и механических воздействий на положение рабочей точки интерферометра. Производить компенсацию можно, изменяя длину компенсационного волокна. Однако динамическое изменение длины компенсационного волокна невозможно производить в автоматическом режиме, поэтому этот способ не имеет перспектив в условиях быстро изменяющихся внешних воздействий.
Для того, чтобы производить коррекцию положения рабочей точки в реальном времени, возможно введение дополнительной разностной модуляции, позволяющей оценить величину и знак изменения разности фаз, вызванный влиянием температурных или механических воздействий. В этом случае появляется возможность, зная, насколько то или иное температурное или механическое воздействие сдвигает разность фаз, скорректировать этот сдвиг. При этом коррекция может производиться как подачей корректирующего напряжения на модулятор, так и изменением температуры выбранного элемента схемы. Так как уход фазы от температуры может превышать возможности модулятора (обычно модулятор может сдвигать фазу в пределах десятка радиан), коррекция посредством изменения температуры элемента схемы выглядит предпочтительнее для увеличения динамического диапазона ВОИДН. Такое решение потребует дополнительных изменений в схеме датчика, например установки элемента Пельтье. Фактически, вышеупомянутое решение представляет собой способ стабилизации положения рабочей точки с применением замкнутой петли обратной связи.
Однако все вышеперечисленные решения, основанные на коррекции ухода положения рабочей точки интерферометра, не могут учитывать то, что причиной ухода рабочей точки может быть как изменение полезного сигнала, так и паразитное влияние изменяющихся внешних факторов (температуры, давления, и т.д.). Следовательно, при применении схемы с замкнутой петлёй обратной связи, как в ВОГ, может возникнуть ситуация, когда обратная связь будет корректировать не полезный сигнал, вызванный изменением измеряемой величины, а сигнал, вызванный температурной или иной зависимостью рабочей точки интерферометра, что приведет к ошибкам показаний ВОИДН в случае использования разностной демодуляции.
Кроме того, на сегодняшний день весьма актуальной является задача мультиплексирования и обработки показаний сигналов от нескольких чувствительных элементов. Примером может служить измерение трех фаз тока в волоконно-оптическом датчике тока, или применение массива чувствительных элементов в системах охраны периметра. Использование нескольких чувствительных элементов значительно усложняет задачу стабилизации рабочей точки интерферометра, так как в этом случае рабочих точек становится несколько. В этом случае значительно возрастают требования к быстродействию модулятора, АЦП и ЦАП. Таким образом, можно сделать вывод о нецелесообразности стабилизации рабочей точки интерферометра в данной схеме ВОИДН. В целом можно утверждать, что в схеме, где рабочая точка зависит от нескольких элементов, стабилизация рабочей точки является труднореализуемой задачей, а в случае мультиплексирования сигналов нескольких чувствительных элементов становится практически нереализуемой.
Использование пилообразной фазосдвигающей модуляции для обработки показаний ВОИДН
Ввиду нецелесообразности стабилизации рабочей точки интерферометра в схеме, приведенной на рисунке 3.1, было предложено использовать для обработки показаний ВОИДН пилообразную фазосдвигающую модуляцию [64]. Данный метод позволяет уйти от потребности выставления рабочей точки, так как вывод о внесенном сдвиге фаз делается по результатам обработки нескольких точек за период косинуса, а не по одному значению. Тем самым решается проблема влияния изменений условий окружающей среды на чувствительность приема.
На рисунке 3.3 изображен предложенный модулирующий пилообразный сигнал (далее - “пила”). В схеме ВОИНД ЦАП генерирует ступенчатое пилообразное напряжение, которое поступает на модулятор, входящий в состав МИОС. Амплитуда пилы U выбирается, исходя из характеристик модулятора, так, чтобы модулятор за один период пилы вносил в сигнал сдвиг фаз равный 2 , то есть равный периоду косинусоидального интерферометрического отклика.
Способ выделения полезного сигнала с использованием метода наименьших квадратов
На первый взгляд, чем больше ступеней приходится на один период пилообразного модулирующего сигнала, тем точнее будет детектирован вид интерферометрического сигнала. Но, поскольку ресурсы платы обработки ограничены, необходимо выбрать оптимальное количество ступеней пилы N. На рисунках 3.3, 3.15 и 3.16 изображен вид модулирующего напряжения с N=20 (без учета ступени-скачка на 2pi). Однако, после исследований зависимости погрешности метода от скорости изменения измеряемой фазы, стало понятно, что чем больше ступеней приходится на один период пилообразного модулирующего сигнала, тем дольше модулирующий сигнал «выписывает» период интерферометрического отклика, и тем реже делается вывод о величине полезного фазового сигнала (при условии равенства частот следования ступеней). В результате, алгоритм «не успевает» за изменением измеряемого фазового сигнала и погрешность растет. По результатам моделирования необходимо было выбрать количество ступеней таким образом, чтобы можно было достаточно точно восстановить форму интерферометрического сигнала, но при этом алгоритм должен был успевать за изменением фазового сигнала. На рисунке 3.22 видно, насколько отличается абсолютная погрешность метода для N = 10 и 20 при прочих равных условиях и при данной скорости нарастания фазы.
Зависимость абсолютной погрешности от количества ступеней пилообразного модулирующего напряжения. Верхний график – изменение фазы во времени; нижний график – абсолютная погрешность метода Таким образом, по результатам моделирования было выбрано оптимальное количество ступеней за один период модулирующего напряжения N=10.
Рассмотрим общую схему по фрагментам, выделенным цветами. Серым цветом выделены наиболее важные фрагменты алгоритма, моделирующие сигнал модуляции, работу модулятора и интерферометра, алгоритм вычисления фазы методом наименьших квадратов (МНК), алгоритм коррекции коэффициента 2Pi и алгоритм развертывания фазы (слева направо). Блок «DAC» моделирует ступенчатый пилообразный сигнал модуляции, который поступает на следующий блок «Modulator+Interferometer».
В блоке «Modulator+Interferometer» задана функция, моделирующая работу модулятора, в ней задается соответствие подаваемого напряжения сдвигу фаз, вносимому в световой сигнал. В этом же блоке косинусоидальная функция интерференции учитывает сдвиг фазы светового сигнала, заданный модулятором и измеряемым сигналом напряжения (светло-зеленый блок U_signal). Желтые блоки «temperature» и «twopi_real» моделируют изменение температуры, которое влечет изменение коэффициента 2Pi модулятора, из-за чего меняется соответствие подаваемого на модулятор напряжения сдвигу фаз, вносимому в световой сигнал.
Фрагмент красных блоков вносит аддитивные и мультипликативные шумы в сигнал интерференции. Параметры блоков заданы так, что общий шум не превышает 2% от значения сигнала (что соответствует экспериментальным данным), шум имеет равномерное распределение.
Далее сигнал накапливается в блоке черного цвета – буфере – и поступает на следующий блок серого цвета «MNK», который реализует алгоритм нахождения фазы методом наименьших квадратов. Вычисленная информация о фазе поступает на блок развертывания фазы «phase_unwrap», задача которого удаление разрывов в выходном фазовом сигнале, несущем информацию об измеряемом сигнале напряжения.
Оранжевым цветом выделена цепь блоков, устраняющая постоянную составляющую в сигнале интерференции. Для этого используется коэффициент С1 из метода наименьших квадратов, описанного выше в формуле (3.12). Данный коэффициент несет информацию о величине постоянной составляющей в сигнале.
Из блока «MNK» информация о значении сигнала интерференции в момент “скачка” модулирующего напряжения и после “скачка” передается на блок коррекции коэффициента 2Pi «U2pi_correction». Здесь, исходя из разницы значений сигнала в момент “скачка”, осуществляется коррекция коэффициента 2РІ с помощью отрицательной обратной связи. Значение коэффициента обратной связи задается в блоке «kfdbl», выделенном розовым цветом. В блоке «DAC», исходя из данных обратной связи, корректируется амплитуда пилообразного напряжения, подаваемого на модулятор.
Голубым цветом выделено положение виртуальных осциллографов. Темно-зеленым цветом выделены блоки, в которых вычисляется абсолютная и относительная погрешность схемы обработки. Темно-синим цветом выделены блоки задержки, разделяющие циклы модуляции во времени.
На основании модели было разработано программное обеспечение для цифрового устройства обработки сигнала ВОИДН. В качестве цифрового устройства обработки была использована программируемая логическая интегральная схема.
В рамках данной работы был создан опытный образец ВОИДН для измерения переменного и импульсного напряжения и проведены его испытания [A14]. До того, как испытывать опытный образец, структурная схема которого изображена на рисунке 3.2, проводились предварительные испытания в лабораторных условиях на макете ВОИДН. На рисунках 3.25 и 3.26 приведены результаты работы макета при воздействии постоянного (рисунок 3.25) и ступенчато изменяющегося (рисунок 3.26) напряжений:
Проблема амортизации и изменения параметров ВОГ со временем
Можно сформулировать главный принцип одновременного функционирования второй обратной связи и коррекции коэффициента U2 по показаниям датчика температуры МИОС:
Вторая обратная связи используется в качестве основного способа коррекции коэффициента U2 по ходу эксплуатации ВОГ, а коррекция коэффициента U2 по показаниям датчика температуры МИОС должна использоваться в качестве дополнительного способа коррекции. Критерием, определяющим, какой способ коррекции использовать в данный момент, будет сигнал ошибки первой обратной связи и величина подставки. По сигналу ошибки можно будет судить о том, в какой степени первая обратная связь скомпенсировала скорость вращения. По величине подставки можно будет судить о том, с какой скоростью вращается ВОГ. Таким образом, совместное использование двух методов коррекции приводит к возможности коррекции коэффициента U2 вне зависимости от абсолютного значения скорости вращения ВОГ в пределах динамического диапазона прибора.
Как уже упоминалось, в то время как вторая обратная связь является подстройкой, независящей от амортизации параметров прибора, коррекция по показаниям датчика температуры МИОС основывается на коэффициентах, полученных в результате калибровки, и не может учитывать изменений, происходящих с ВОГ во время эксплуатации. Этот недостаток может привести к ошибке вычисления коэффициента U2 при изменениях, появляющихся в ходе эксплуатации прибора и связанных, в первую очередь, со старением компонентов ВОГ. Решением данной проблемы является по динамическая подстройка коэффициентов и при использовании второй обратной связи. Принцип подстройки выглядит следующим образом:
В те моменты, когда используется коэффициент U2, полученный с помощью второй обратной связи, анализируется разница показаний двух методов коррекции. Если разница превышает допустимое значение, выбираемое по результатам моделирования, полученный методом анализа показаний датчика температуры МИОС коэффициент U2 корректируется, выравниваясь с коэффициентом U2, полученным методом второй обратной связи. Таким образом, достигается независимость коррекции коэффициента U2 от амортизационных факторов.
Блок-схема совместной работы двух методов коррекции коэффициента U2 Данные с АЦП поступают на блоки первой и второй обратных связей. Компаратор анализирует величины сигнала ошибки и подставки, полученные после блока первой обратной связи. Блок выбора и коррекции коэффициента U2 получает информацию как с блока второй обратной связи, так и с блока опроса датчика температуры МИОС. Блок анализирует сигнал с компаратора и делает выбор в пользу одного из двух методов коррекции. Блок выбора и коррекции коэффициента U2 также сравнивает коэффициенты U2, полученные при помощи двух методов. Поскольку процесс старения прибора является длительным, в основном изменять коэффициенты и можно достаточно редко - например один раз в сутки. Однако в случае, если зафиксировано критическое несоответствие коэффициентов U2, массив данных для перекалибровки сужается, и коррекция происходит быстрее.
В случае, когда предпочтение отдаётся второй обратной связи, запускается режим перекалибровки. Алгоритм перекалибровки сводится к следующему: Во время коррекции по второй обратной связи блок выбора и коррекции коэффициента U2 регистрирует температуру МИОС; Каждому новому коэффициенту U2 ставится в соответствие значение температуры МИОС; Диапазон температур, регистрируемый датчиком, установленным на МИОС, разбивается на зоны, например по 0.1 С. Коэффициенты и2, соответствующие определенной зоне, например 22.1 С - 22.2 С, усредняются с целью уменьшения массива хранимых в цифровом устройстве обработки данных;
По истечении времени, установленного на перекалибровку, строится линейная аппроксимация зависимости коэффициента U2, полученного при использовании второй обратной связи, от температуры МИОС;
В настоящей работе проведен литературный обзор и анализ решений, применяемых при создании и обработке показаний ВОИФД. Дано описание и обоснование используемых технических решений, использованных при обработке показаний ВОГ и ВОИДН. Материал диссертационной работы посвящен оптимизации точностных и динамических характеристик ВОИФД за счет анализа и выбора оптимальных модулирующих техник и использования математических решений для компенсации паразитных влияний на полезный сигнал и стабилизации показаний датчика.
Были созданы программные модели ВОГ и ВОИДН, на основании моделей было разработано программное обеспечение для цифровых устройств обработки сигналов ВОГ и ВОИДН.
На основании программных моделей были оптимизированы методы обработки сигналов ВОГ и ВОИДН. Были проведены экспериментальные исследования методов,
разработанных для увеличения точности и стабильности показаний ВОГ и ВОИДН. При этом использовались образцы интерферометрических ВОГ, построенные по взаимной конфигурации волоконно-оптического интерферометра, и опытные образцы ВОИДН, построенные на основе волоконно-оптической поляризационно-интерферометрической схемы с цифровой схемой обработки.
Данные, полученные в результате эксперимента, показали корректность построенных моделей. Результаты настоящего исследования используются в разрабатываемых и производимых волоконно-оптических гироскопах навигационного класса точности и волоконно-оптических интерферометрических датчиках напряжения. Полученные результаты могут найти применение в аналогичных интерферометрических датчиках, таких как волоконно-оптический датчик тока, давления и др
Похожие диссертации на Исследование и оптимизация точностных и динамических параметров волоконно-оптических интерферометрических датчиков
