Методы обработки информации в лазерном гироскопе с прецизионной регистрацией перемещений интерференционной картины

Лазерные гироскопы как прецизионные датчики угловых перемещений и угловых скоростей являются одними из наиболее распространенных средств автономной инерциальной навигации. Требования к ним весьма высоки: чтобы обеспечить автономное определение местоположения с точностью не хуже 1,8 км (1 а) за час полета, необходимо, чтобы суммарная погрешность измерения угловой скорости не превышала 0,02 °/ч.

Включение в состав лазерного гироскопа цифрового управляющего процессора позволило достичь ряда преимуществ [1]:

— обеспечить эффективное управление запуском прибора;

— осуществить тестирование элементов гироскопа и формирование сигнала о его работоспособности;

— упростить системы автоматического управления кольцевым лазером и формирования частотной подставки;

— реализовать алгоритмы компенсации тепловых дрейфов.

Однако существующие в настоящее время методы и устройства, применяемые при обработке информационных сигналов, имеют ряд существенных недостатков:

1) высокий уровень флуктуаций в выходном сигнале лазерного гироскопа, связанный с необходимостью ошумления частотной подставки и шумом квантования;

2) дополнительную погрешность, которая появляется в результате вычитания из выходных данных результатов регистрации колебаний кольцевого лазера относительно корпуса гироскопа с помощью дополнительного датчика угловой скорости;

3) избыточное количество вспомогательных устройств, предназначенных для контроля и коррекции работы лазерного гироскопа, — существует потребность в сокращении функциональных узлов и упрощении конструкции.

Предпосылка для целенаправленного поиска новых решений заключается в том, что информация, необходимая для работы систем автоматического управления периметром кольцевого резонатора и вибрационной подставкой содержится в первичных сигналах. В случае создания надежных алгоритмов ее выделения отпадет необходимость во вспомогательных датчиках.

Кроме перечисленных задач, заслуживает внимания перспектива создания новой методики регистрации одной из ключевых метрологических характеристик лазерного гироскопа — порога синхронизации встречных волн в кольцевом лазере, основанной на извлечении информации лишь из первичных сигналов лазерного гироскопа и исключающей необходимость использования прецизионных испытательных стендов.

Целью настоящей работы является поиск методов обработки информации в лазерном гироскопе без использования иных источников данных, кроме квадратурных сигналов, отражающих перемещения интерференционной картины, сформированной выведенными из кольцевого резонатора лазерными пучками.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

— моделирование влияния возмущений квадратурных сигналов, типичных для лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой, на искажения восстановленного временного ряда значений разности фаз встречных волн (фазы Саньяка);

— определение характеристик информационного тракта в условиях возмущений квадратурных сигналов;

— поиск типа и параметров цифрового фильтра для подавления колебаний на частоте вибрационной подставки в выходном сигнале;

— количественное описание погрешности регистрации угловых перемещений, обусловленной фильтрацией подставки, и определение их связи с параметрами фильтра и характеристиками механического вращения;

— упрощение конструкции лазерного гироскопа за счет исключения избыточных функциональных узлов;

— разработка методики измерения порога синхронизации встречных волн, основанной на выделении необходимой информации из квадратурных сигналов и нечувствительной к неравномерности вращения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Способ регистрации перемещений интерференционной картины в реальном времени, основанный на дискретизации и цифровой обработке квадратурных сигналов, развит применительно к лазерным гироскопам с вибрационной частотной подставкой.

2. Количественно описано влияние возмущений квадратурных сигналов на адекватность регистрации изменений разности фаз встречных волн, генерируемых кольцевым гелий-неоновым лазером.

3. Теоретически и экспериментально обоснован способ определения величины паразитной емкостной связи между информационными каналами лазерного гироскопа путем выделения колебаний разности фаз квадратурных сигналов на частоте подставки.

4. Продемонстрирована возможность настройки кольцевого резонатора на центральную частоту лазерного перехода по изменению амплитуд квадратурных сигналов.

5. Обнаружена связь особенностей спектра производной от фазы Сань-яка — выходного сигнала лазерного гироскопа с методической погрешностью измерения порога синхронизации встречных волн в кольцевом лазере.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Дискретизация квадратурных сигналов, содержащих возмущения, типичные для лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой, позволяет в реальном времени достичь чувствительности к изменениям разности фаз встречных волн 0,03 радиана — одного порядка с точностью регистрации интерференционной картины в лабораторных условиях.

2. Узкополосная фильтрация выходного сигнала лазерного гироскопа вызывает погрешность измерений углового перемещения, пропорциональную произведению квадратного корня из углового ускорения на ширину полосы подавления.

3. Регистрация порога синхронизации при обработке квадратурных сигналов осуществима, если скорость углового движения лазерного гироскопа превышает 2% и обеспечивает разнесение спектров компонент выходного сигнала, отражающих механическое вращение и связь встречных волн.

Научно-практическое значение результатов диссертации:

1. Реализованный подход позволяет обновлять выходные данные с частотой не менее 5 кГц и подавлять шум квантования в выходном сигнале лазерного гироскопа.

2. Практическое применение найденных алгоритмов в сервисной электронике открывает путь для упрощения конструкции лазерного гироскопа за счет отказа от системы регистрации мощности лазерного излучения и датчика колебаний моноблока относительно корпуса прибора.

3. Обнаруженная связь погрешности измерений угловых перемещений с угловым ускорением и полосой подавления фильтра позволяет удалить колебания на частоте подставки из выходного сигнала и использовать лазерный гироскоп в системах инерциальной навигации высокой точности для регистрации угловых перемещений объекта, быстро маневрирующего с угловыми ускорениями до 1000 °/с2.

4. Разработана методика измерения порога синхронизации при однонаправленном механическом вращении кольцевого лазера, которая позволяет отказаться от использования прецизионного поворотного устройства, нечувствительна к неравномерности вращения, и исключает человеческий фактор при измерениях и обработке результатов.

5. Методика измерения порога синхронизации в режиме частотной подставки не требует специального стенда и реализуема даже на стадии эксплуатации лазерного гироскопа.

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов моделирования данным, полученным экспериментально, и применением методов измерений, основанных на разных принципах регистрации и обработки информации.

Реализация и внедрение результатов осуществлены в ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики» при создании новых алгоритмов цифровой обработки квадратурных сигналов лазерных гироскопов.

Апробация работы. Результаты исследований представлены на 9 научно-технических конференциях: XVII, XVIII и XIX международных конференциях по интегрированным навигационным системам, г. Санкт-Петербург, 2010, 2011, 2012 гг.- XXVII и XXVIII Всероссийских конференциях памяти H.H. Острякова, г. Санкт-Петербург, 2010, 2012 гг.- XV и XVI международных научных конференциях «Решетневские чтения», г. Красноярск, 2011, 2012 гг.- XXXVII и XXXVIII международных научных конференциях «Гагаринские чтения», Москва, MATH, 2011, 2012 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 15 работ, в том числе три статьи — в журналах, входящих в перечень ВАК.

Первая глава диссертации представляет собой аналитический обзор литературы, в котором рассмотрены формирование информационного сигнала в лазерном гироскопе с вибрационной частотной подставкой и способы обработки квадратурных сигналов. В качестве базового прибора использован кольцевой гелий-неоновый лазер KJI-1, разработанный в ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики».

Изменения фазы Саньяка отражают перемещения интерференционной картины, образованной встречными лазерными пучками, выведенными из кольцевого лазера. Сервисная электроника лазерного гироскопа выделяет информацию об изменениях фазы Саньяка, а также автоматически управляет частотной подставкой и периметром кольцевого лазера.

Применяемый в настоящее время способ преобразования первичных сигналов в информацию об угловых перемещениях кольцевого лазера позволяет фиксировать изменения фазы Саньяка лишь на %1п радиан (п = 1 -г 4), чему соответствует номинальная чувствительность к угловым перемещениям порядка 1″, недостаточная для эффективной фильтрации подставки с амплитудой около 100″ .

В качестве альтернативы рассмотрен метод прецизионной регистрации перемещений интерференционной картины [2], используемый в лазерной интерферометрии и включающий следующие стадии:

— дискретизацию первичных квадратурных сигналов;

— аппроксимацию эллипсом множества точек, соответствующего оцифрованному участку реализации на плоскости переменных и.

— восстановление временного ряда для разности фаз встречных волн.

Альтернативный подход удобен для алгоритмической реализации и не требует использования иных источников информации, кроме секционированного фотоприемника. Потенциальные возможности прецизионного метода позволяют:

— регистрировать изменения разности фаз встречных волн, генерируемых кольцевым лазером, величиной в сотые доли радиана, что соответствует чувствительности к угловым перемещениям порядка 0,01″ ;

— увеличить частоту обновления выходной информации об угловых перемещениях до 10 кГц;

— автоматически адаптировать лазерный гироскоп к изменяющимся условиям его функционирования.

В обзоре проанализированы способы выделения информации об изменениях фазы Саньяка и удаления частотной подставки из выходного сигнала:

— метод синхронных измерений, при котором каждое изменение фазы Саньяка определяется строго за период подставки;

— фильтрация подставки из выходного сигнала;

— вычитание из выходных данных сигнала, характеризующего подставку (для регистрации последнего необходим дополнительный датчик угловой скорости, регистрирующий движение кольцевого лазера относительно корпуса лазерного гироскопа).

Анализ публикаций показал, что для реализации в лазерной гироскопии методики прецизионной регистрации перемещений интерференционной картины в реальном времени необходимо:

— определить влияние на точность измерений возмущений первичных сигналов с учетом специфики их формирования в кольцевом лазере;

— обеспечить приемлемую инерционность реакции системы обработки данных на изменения угловой скорости в условиях фильтрации компоненты, созданной вибрационной частотной подставкой.

Во второй главе приведены результаты исследований влияния возмущений первичных сигналов на результат восстановления фазы Саньяка. В качестве причин, искажающих квадратурные сигналы, проанализированы следующие факторы, воздействующие на информационный тракт лазерного гироскопа:

— модуляция мощностей встречных волн, генерируемых вращающимся кольцевым лазером, возникающая из-за обратного рассеяния оптического излучения элементами кольцевого резонатора;

— паразитная емкостная связь между информационными каналами;

— инерционность приемного тракта;

— аддитивные помехи, в том числе шумы различного происхождения.

Выполнено моделирование влияния каждого из перечисленных факторов на временной ряд значений фазы Саньяка, восстановленный в результате цифровой обработки первичных сигналов. В качестве истинных значений фазы приняты результаты численного интегрирования дифференциального уравнения для разности фаз встречных волн. После этого в квадратурные сигналы были внесены искажения, имитирующие возмущающее воздействие, а затем в соответствии с алгоритмом обработки квадратурных сигналов [2] восстановлен временной ряд.

Отклонения восстановленного временного ряда от заданных значений фазы отражает невязка, которая охарактеризована четырьмя параметрами:

— среднее значение модуля невязки;

— среднеквадратичное отклонение восстановленных значений фазы Саньяка от ее истинных значений;

— относительное отклонение амплитуды колебаний с частотой подставки в восстановленном сигнале от заданной амплитуды колебаний угловой скорости;

— результат синхронного детектирования невязки, в качестве опорного принят «синусный» сигнал лазерного гироскопа.

Паразитная модуляция квадратурных сигналов вследствие обратного рассеяния лазерного излучения в оптическом резонаторе промоделирована на основе аналитического решения дифференциальных уравнений для интенсив-ностей встречных волн, генерируемых кольцевым лазером. Результаты определения параметров первичных сигналов показали, что этот эффект сопровождается колебаниями смещений, амплитуд и дополнительного фазового сдвига на частоте подставки и ее высших гармониках.

Паразитная емкость С между информационными каналами изменяет падения напряжений на сопротивлениях Я. усилителей первичных сигналов. Показано, что фазовый сдвиг сигналов совершает гармонические колебания на частоте подставки с амплитудой, пропорциональной произведению ЯС.

Фотодиод и усилитель, используемые для регистрации первичных сигналов, обладают инерционностью, характеризующейся постоянной времени, что также приводит к погрешностям при регистрации быстрых перемещений интерференционной картины. Обнаружено, что при гармонических вращательных колебаниях кольцевого лазера амплитуды первичных сигналов про-модулированы на второй гармонике частоты подставки, а их фазы синхронно отстают от фазы Саньяка.

Аддитивная шумовая составляющая в первичных сигналах обусловлена совместным воздействием следующих причин:

— дробовым шумом и флуктуациями темнового тока фотодиода;

— тепловым шумом напряжения;

— шумом квантования;

— шумами усилителя первичных сигналов;

— флуктуациями мощности лазерного излучения.

С учетом известных выражений для источников теплового, дробового шума, а также шума квантования, получены оценки отношения сигнал/шум в первичном сигнале. Выполнены исследования влияния отношения сигнал/шум на среднеквадратичный разброс зарегистрированных угловых положений корпуса лазерного гироскопа и среднего значения модуля невязки. Полученные результаты показывают устойчивость к аддитивному шуму результатов применения реализованного алгоритма для обработки квадратурных сигналов.

Анализ влияния источников возмущений первичных сигналов на восстановление фазы Саньяка и характеристики невязки, показал, что результаты обработки в наибольшей степени чувствительны к емкостной связи между информационными каналами и шуму в первичных сигналах. Паразитная модуляция встречных волн искажает, главным образом, составляющую вторичного сигнала, отражающую обратное рассеяние лазерного излучения внутри кольцевого резонатора, а инерционность приемного тракта приводит к погрешностям при определении амплитуды подставки. Искажения значений фазы Саньяка из-за инерционности приемного тракта наиболее существенны лишь для колебаний на частоте подставки. Выполненный анализ показывает, что результирующая среднеквадратичная ошибка определения значений фазы Саньяка для полезной составляющей сигнала не превышает 30 мрад. Результаты моделирования позволяют сформулировать количественные требования к информационному тракту.

В заключительной части главы приведены результаты цифровой обработки экспериментально зарегистрированных первичных сигналов кольцевого лазера, совершающего гармонические колебания относительно корпуса гироскопа, и получена оценка величины параметра Я С паразитной емкостной связи.

Третья глава содержит результаты исследований цифровой фильтрации вибрационной частотной подставки из выходного сигнала лазерного гироскопа с учетом следующих особенностей его применения в системах инер-циальной навигации:

— значительные угловые ускорения (до 1000%2) и угловые скорости (до 400%) при быстром маневрировании;

— необходимость обеспечить повышенную частоту обновления навигационной информации (5−10 кГц).

Высокая чувствительность к изменениям фазы Саньяка дает возможность в качестве альтернативы прямому вычитанию использовать цифровой режекторный фильтр. В результате исследований выбраны тип и параметры фильтра, обеспечивающего сочетание требуемого быстродействия с допустимой задержкой выходного сигнала. Предложенный алгоритм удаления подставки апробирован с помощью математических моделей лазерного гироскопа и цифрового устройства, разработанного для обработки его первичных сигналов. Проанализированы искажения, внесенные в зарегистрированные угловые перемещения, и обнаружена связь дополнительной погрешности, вызванной узкополосной фильтрацией колебаний на частоте подставки, с величиной углового ускорения и шириной полосы подавления фильтра.

Представлены результаты моделирования процесса выделения информационного сигнала при цифровой обработке и режекторной фильтрации первичных данных лазерного гироскопа, использованного в качестве датчика угла крена для участка, имитирующего маневренный полет продолжительностью 400 секунд. Как правило, погрешность колеблется около нулевого среднего и не содержит накапливающейся составляющей.

В заключительной части главы представлены результаты экспериментальных исследований зависимостей амплитуд первичных сигналов от малых колебаний периметра кольцевого резонатора. Продемонстрирована возможность настройки кольцевого резонатора на центральную частоту лазерного перехода, регистрируя колебания амплитуды одного из первичных сигналов.

Четвертая глава посвящена разработке способа регистрации порога синхронизации встречных волн — ключевой характеристики, определяющей возможность использования кольцевого лазера в системах инерциальной навигации. Разработанный способ основан на выделении информации только из характеристик движения интерференционной картины, сформированной выведенными из кольцевого резонатора лазерными пучками.

В спектре сформированного сигнала идентифицированы два частотных диапазона. Область низких частот соответствует колебаниям угловой скорости из-за вибраций поворотного устройства. Высокочастотный диапазон содержит компоненты, отражающие лишь взаимодействие встречных волн, вызванное обратным рассеянием лазерного излучения внутри кольцевого резонатора. Продемонстрирована и практически реализована возможность разделить с помощью синхронного детектирования реальные колебания угловой скорости вращения, вызванные несовершенством испытательного оборудования, и искажения скорости изменения фазы Саньяка вследствие слабой связи и определить величину порога синхронизации. Найдены ограничения величины постоянной составляющей угловой скорости, выполнение которых позволяет получить корректный результат.

Выполнено моделирование воздействия различных источников возмущений первичных сигналов на погрешности определения порога синхронизации. Наибольшие погрешности вызывают паразитная модуляция мощностей встречных волн и аддитивный шум.

Исследована возможность измерить порог синхронизации в условиях вращательных гармонических колебаний кольцевого лазера, соответствующих вибрационной частотной подставке. Систематическая погрешность измерения порога быстро возрастает при увеличении амплитуды подставки, что делает результаты измерений недостоверными.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и приведен список публикаций автора по теме диссертации.

Основные результаты, достигнутые в диссертационной работе, сводятся к следующему:

1. Развит метод выделения информации о вращении кольцевого лазера, который позволяет осуществить прецизионную регистрацию перемещений интерференционной картины, сформированной выведенными из резонатора лазерными пучками.

2. Проанализированы источники возмущений квадратурных сигналов лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой и определено их влияние на восстановленный временной ряд значений фазы Саньяка. Разработаны методики количественного описания искажений выходного сигнала и характеристик информационного тракта.

3. Экспериментально продемонстрирована возможность управления периметром кольцевого резонатора при колебаниях зеркала с инфранизкой частотой, преобразованных в модуляцию амплитуд квадратурных сигналов.

4. Определены требования к узкополосному режекторному фильтру и реализовано подавление колебаний на частоте подставки в выходном сигнале лазерного гироскопа.

5. Найдены режимы однонаправленного вращения кольцевого лазера, при которых диапазон частот в спектре производной от фазы Саньяка, отражающий взаимодействие встречных волн, не перекрывается со спектром механического вращения, и разработан способ измерений порога синхронизации.

6. Способ измерений порога синхронизации модифицирован применительно к условиям гармонических вращательных колебаний кольцевого лазера, соответствующих вибрационной подставке. Определены вклады возмущений квадратурных сигналов в погрешность измерения.

Статьи, опубликованные автором в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Алексеев С. Ю., Борисов М. В., Захаров М. А., Мишин В. Ю., Морозов Д. А., Молчанов А. В., Чиркин М. В. Определение порога синхронизации встречных волн в кольцевом лазере при обработке первичных квадратурных сигналов // Радиотехника. — 2012. — № 3 — С. 165−170.

2. Мишин В. Ю., Молчанов А. В., Чиркин М. В. Проблема цифровой обработки первичных квадратурных сигналов в лазерных гироскопах // Приборы — 2013. -№ 1 (151), С. 33−38.

3. Алексеев С. Ю., Борисов М. В., Захаров М. А., Мишин В. Ю., Молчанов А. В., Морозов Д. А., Чиркин М. В. Методика измерения порога синхронизации при изготовлении и эксплуатации прецизионных кольцевых лазеров // Гироско-пия и навигация. — 2013. — № 2 — С. 75−83.

Статьи, опубликованные в других изданиях, и материалы конференций:

4. Chirkin M.V., Mishin V.Yu., Molchanov A.V., Morozov D. A, Zakharov M.A. Ring laser digital signal processing in evaluating laser gyro characteristics // Proceedings of 17th Saint-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. — St. Petersburg, Russia, 31 May — 02 June, 2010. — P. 60−62.

5. Чиркин M.B., Молчанов A.B., Морозов Д. А., Мишин В. Ю., Алексеев С. Ю. Реконструкция угловых перемещений по первичным сигналам лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой // Рефераты докладов XXVII Всероссийской конференции памяти Н. Н. Острякова. Санкт-Петербург, 12−14 октября 2010.-С. 12−13.

6. Chirkin M.V., Mishin V.Yu., Molchanov A.V., Morozov D.A. Extracting angular motion from laser gyro quadrature signals // Proceedings of 18th Saint-Petersburg International Conference on Integrated Navigation System. — St. Petersburg, Russia, 30 May — 01 June, 2011. — P. 48−50.

7. Алексеев С. Ю., Мишин В. Ю., Молчанов A.B., Морозов Д. А., Чиркин М. В. Цифровая обработка сигналов кольцевого лазерного гироскопа // Сборник научных трудов XV Международной научной конференции «Решетневские чтения», Красноярск 10−12 ноября, 2011. — 4.1. — С. 154−155.

8. Alekseev S.Yu., Chirkin M.V., Mishin V.Y., Morozov D.A., Borisov M.V., Molchanov A.V., Zakharov M.A. Technological aspects of precision ring laser production: synchronization threshold measurements in manufacture and operation // Proceedings of 19th Saint-Petersburg International Conference on Integrated Navigation System. — St. Petersburg, Russia, 28 — 30 May, 2012. — P. 54 -56.

9. Мелехин B.H., Мишин В. Ю., Молчанов A.B., Чиркин М. В. Цифровая фильтрация вибрационной частотной подставки из информационного сигнала лазерного гироскопа // Рефераты докладов XXVIII Всероссийской конференции памяти Н. Н. Острякова. Санкт-Петербург, 9−11 октября, 2012. — С. 12.

10. Мишин В. Ю., Молчанов А. В., Серебряков А. Е., Чиркин М. В. Цифровая фильтрация вибрационной частотной подставки в выходном сигнале лазерного гироскопа // Сборник научных трудов XVI Международной научной конференции «Решетневские чтения», Красноярск 7−9 ноября, 2012. — 4.1. — С. 158−159.

11. Мишин В. Ю. Возмущения квадратурных сигналов и погрешность лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой // XXXVII Гагарин-ские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции. — Москва, 5−8 апреля 2011 г. М.: МАТИ, 2011. — Т. 3. — С. 104−105.

12. Мишин В. Ю. Метрологические испытания лазерного гироскопа на основе цифровой обработки квадратурных сигналов // XXXVIII Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции. — Москва, 10−14 апреля 2012. М.: МАТИ, 2012. — Т. 3. — С. 65−67.

13. Мишин В. Ю., Морозов Д. А., Чиркин М. В. Идентификация источников случайной погрешности лазерного гироскопа // Электроника. Межвузовский сборник научных трудов. Рязань: РГРТУ, 2010. — С. 65−70.

14. Мишин В. Ю., Морозов Д. А., Чиркин М. В. Особенности цифровой обработки квадратурных сигналов кольцевого лазерного гироскопа // Электроника. Межвузовский сборник научных трудов. Рязань: РГРТУ, 2011. — С. 68−72.

15. Алексеев С. Ю., Захаров М. А., Мишин В. Ю., Молчанов А. В., Морозов Д. А., Чиркин М. В. Измерение порога синхронизации встречных волн в кольцевом лазерном гироскопе // Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах. Межвузовский сборник научных трудов. Рязань: РГРТУ, 2012.-С. 11−17.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.