Эффект «мертвой зоны» в трехосевых волоконно-оптических гироскопах: механизм, моделирование и подавление.

Поскольку трехосевые волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) все чаще стремятся к миниатюризации и высокой точности, эффект «мертвой зоны», вызванный межосевыми оптическими перекрестными помехами, стал критическим узким местом, ограничивающим производительность при измерениях с низкой угловой скоростью. Мертвая зона возникает, когда выходной сигнал гироскопа перестает реагировать на изменения входной угловой скорости ниже определенного порогового значения. Для таких приложений, как управление ориентацией спутника, требующих работы вблизи нулевой угловой скорости, нелинейная ошибка смещения, вносимая мертвой зоной, напрямую снижает точность системы. В данной статье рассматривается проблема межосевых оптических перекрестных помех в трехосевых ВОГ, использующих архитектуру с общим источником света; анализируются лежащие в основе физические механизмы, количественно оценивается влияние на пороговые характеристики и проводится сравнительная оценка существующих основных стратегий смягчения этой проблемы.

**Физические причины возникновения мертвой зоны и модель межосевых оптических перекрестных помех**

Мертвая зона — это нелинейный эффект, характерный для цифровых волоконно-оптических гироскопов с замкнутым контуром управления. Традиционно основным источником помех, вызывающих мертвую зону, считается электрическая перекрестная связь ступенчатого напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, с сигналом детектора. Однако в трехкоординатной архитектуре с общим источником проблема сложнее: один источник на основе сверхлюминесцентного диода (SLD) одновременно управляет тремя ортогональными осями после разделения с помощью разветвителя 1×3. Отраженный свет создает каналы оптических перекрестных помех между осями; при низких угловых скоростях эти перекрестные помехи оптической интенсивности накладываются на интенсивность помех, потенциально подавляя полезный сигнал.

Для количественной характеристики этого эффекта в одном исследовании был предложен метод возбуждения с разомкнутой петлей для измерения коэффициентов перекрестных помех оптического обратного отражения между осями. Включение этих коэффициентов в модель управления с замкнутой петлей показывает, что увеличение коэффициента перекрестных помех приводит к мультипликативному расширению порога гироскопа, что непосредственно приводит к расширению зоны нечувствительности. Этот механизм можно формализовать следующим образом: когда фаза периодического возмущения в канале обратной связи и эквивалентная фаза перекрестных помех удовлетворяют определенным условиям, система входит в зону нечувствительности, и фаза выходного сигнала синхронизируется с нулем.

**Количественная характеристика пороговых значений мертвой зоны**

Влияние мертвой зоны на систему заключается не только в существовании «нечувствительного диапазона», но и в том, что границы этого диапазона динамически смещаются из-за таких факторов окружающей среды, как космическое излучение и колебания температуры. Космическое излучение вызывает снижение мощности источника света и увеличение потерь в волокне, тем самым уменьшая коэффициент усиления системы (K₁) и расширяя диапазон мертвой зоны. Экспериментальные данные показывают, что порог мертвой зоны некомпенсированного трехосного гироскопа может достигать порядка 0,2°/ч, что неприемлемо для высокоточных приложений, требующих разрешения чрезвычайно малых угловых скоростей.

Следует отметить, что мертвая зона возникает по нескольким причинам. Помимо межосевых оптических перекрестных помех, еще одной существенной причиной является электрическая перекрестная связь. Аналоговый управляющий сигнал фазового модулятора, подвергающийся сбросу через цифровую ступенчатую обратную связь, генерирует различные режимы работы; возникающие перекрестные помехи, проявляющиеся в виде изменений амплитуды и фазы выходного сигнала детектора, становятся особенно выраженными во время переходов состояний в четырехстадийной схеме модуляции. Поскольку эти два механизма часто действуют одновременно в трехосевых системах, моделирование мертвой зоны требует учета как оптических, так и электрических параметров.

Сравнительный анализ схем подавления

Для устранения вышеупомянутых причин образования «мертвых зон» были разработаны три основные стратегии подавления, каждая из которых отличается по механизму действия и эффективности:

 Метод статического переключения рабочей точки (переключения смещения). Этот метод, воздействуя на физическую причину межосевых оптических перекрестных помех, активно переключает статическую рабочую точку гироскопа таким образом, чтобы сигнал перекрестных помех больше не накладывался на остаточную фазу замкнутой системы. Экспериментальные результаты впечатляют: этот подход снижает пороговое значение с 0,2°/ч до менее 0,01°/ч, эффективно повышая точность измерений при низких скоростях вращения. Его преимущество заключается в непосредственном воздействии на механизм оптических перекрестных помех без внесения дополнительных ошибок смещения.

 Метод периодической пертурбационной суперпозиции (дизеринг). В систему вводится периодическая пертурбационная фаза с нулевым средним значением, φ₀, для преодоления условия блокировки в мертвой зоне посредством «дизеринга». Когда амплитуда дизеринга достаточно велика (φ₀ ≥ φ₁), мертвая зона может быть полностью устранена. В практических инженерных приложениях технология дизеринга с использованием треугольной волны позволила снизить ошибку мертвой зоны высокоточных гироскопов с 0,08°/ч до менее 0,001°/ч. Эффективность метода была подтверждена в трехосной системе с использованием 900 метров оптического волокна; эффективность подавления зависит от конкретной комбинации амплитуды дизеринга, частоты и коэффициента усиления петли. Однако чрезмерная амплитуда дизеринга может вносить дополнительный шум, что требует тщательного компромисса.

 Комбинированный метод аналоговой аддитивной обратной связи и четырехстадийной демодуляции на основе отношения. Этот метод решает проблему, начиная с пути электрической перекрестной связи: в традиционной четырехстадийной модуляции операции сброса, связанные с каждым состоянием модуляции, являются основной причиной мертвой зоны. Метод аналоговой аддитивной обратной связи значительно снижает частоту операций сброса, сбрасывая только фазу обратной связи во время модуляции; эксперименты показывают, что это может снизить мертвую зону ниже порогового значения измерения 0,022°/ч. Однако из-за присущей электрической перекрестной связи природы этот метод все еще вносит дополнительное смещение приблизительно -0,06°/ч. Для смягчения этого эффекта метод дополнительно комбинируется с методом четырехстадийной демодуляции на основе отношения; путем регулирования коэффициента демодуляции сигнала обратной связи ослабляется корреляция между последовательностями модуляции и демодуляции, тем самым контролируя дополнительное смещение и одновременно подавляя мертвую зону.

В целом, эти три типа схем подходят для различных сценариев применения: схема подавления оптических перекрестных помех наиболее эффективна для трехосевых архитектур с общим источником света; метод дизеринга прост в реализации, но требует управления шумом; а схемы подавления электрических перекрестных помех лучше подходят для одноосевых и дискретных систем. Для кремниевых фотонных гироскопов, стремящихся к сверхвысокой степени интеграции, в недавних исследованиях был предложен совместный алгоритм подавления, который объединяет скачкообразное изменение фазы с отбрасыванием образца; этот подход подавляет мертвую зону, одновременно уменьшая случайное блуждание углов более чем на 26%, что отражает тенденцию к объединению нескольких стратегий, а не к использованию одного метода.

Вкратце, эффект мертвой зоны в трехосевых волоконно-оптических гироскопах представляет собой системную проблему, возникающую в результате взаимодействия множества факторов. Межосевые оптические перекрестные помехи и электрические перекрестные связи являются физическими первопричинами мертвой зоны, причем их влияние значительно усиливается в архитектурах с общими источниками света и высоким уровнем интеграции. В настоящее время метод статического переключения смещения рабочей точки обеспечивает наилучшие результаты для подавления оптических перекрестных помех, метод дизеринга обладает наиболее широкой областью применения, а комбинированные схемы модуляции представляют собой передовые методы подавления электрических перекрестных помех. По мере развития трехосевых гироскопов в направлении интеграции на уровне чипа, сочетание подавления межволноводных перекрестных помех (например, чипы на основе легированного германием кремниевого волновода, достигающие уровня перекрестных помех ниже -40 дБ) и алгоритмических стратегий совместного подавления вполне может стать ключевым путем к полному решению проблемы мертвой зоны.