ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №3

УДК: 531.383-11:681.7

Аналитическая и компьютерная математические модели шума

выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа,

анализ и верификация

Д.М. Спиридонов ^1,2, Д.В. Обухович ²

¹ Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

410012, Саратов, ул. Астраханская, 83

² НПК «Оптолинк», 124489, Москва, Зеленоград, Сосновая аллея, 6А, стр.5

Статья поступила в редакцию 30 января 2024 г.

Аннотация. Целью данной работы является определение основного источника шума в выходном сигнале волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) и путей его снижения. Для достижения заявленной цели было разработано две математических модели шумовой составляющей выходного сигнала ВОГ. Эти модели основаны на фундаментальных выражениях, определяющих дробовый и тепловой шум, а также на выражении для избыточного шума источника оптического излучения. Общее выражение аналитической модели учитывает четыре фундаментальных источника шума в ВОГ и их влияние на шумовую составляющую его выходного сигнала через связь измеряемой мощности оптического излучения с действующей на ВОГ угловой скоростью. Компьютерная модель разработана в среде «Octave». Она реализует циклическое (с заданным количеством циклов) выполнение алгоритма работы ВОГ с замкнутым контуром обратной связи по измерению угловой скорости. В компьютерной модели шум от четырех независимых источников суммируется с заданным полезным сигналом. Вычисление шума выходного сигнала в компьютерной модели реализуется как накопление массива из результатов циклического выполнения кода модели с последующим применением к данному массиву операции вычисления спектральной плотности шума. В работе проведен анализ влияния глубины вспомогательной фазовой модуляции, величины средней мощности оптического излучения, падающего на фотоприемник и сопротивления резисторов обратной связи трансимеданстного усилителя фототока на уровень шумовой составляющей выходного сигнала. Определен источник шума, имеющий наибольшее значение в выходном сигнале. Определен общий вид зависимостей, характеризующих влияние численных значений изменяемых параметров модели на вклад каждой из шумовых составляющих и на общий уровень шума выходного сигнала ВОГ. Для подтверждения корректности моделей было проведено сравнение результатов, полученных с помощью рассматриваемых моделей и экспериментальных данных, полученных при измерении шума выходного сигнала выборки из серийно выпускаемых ВОГ. Расхождение между результатами моделирования и эксперимента составило не более 10 %.

Ключевые слова: волоконно-оптический гироскоп, ВОГ, дробовый шум, избыточный шум, тепловой шум, шум темнового тока, шум интенсивности, суперлюминесцентный диод, СЛД, интерферометр Саньяка, эффект Саньяка.

Автор для переписки: Спиридонов Дмитрий Михайлович, spiridonov_d_m@mail.ru

Литература

1. Sagnac G. The Luminiferous Ether is Detected as a Wind Effect Relative to the Ether Using a Uniformly Rotating Interferometer. – 1913.

2. Sagnac G. Regarding the proof for the existence of a luminiferous ether using a rotating interferometer experiment // Comptes Rendus de l’Academie des Sciences. – 1913. – Т. 157. – С. 1410-1413.

3. Guattari F. et al. Touching the limit of FOG angular random walk: Challenges and applications // 2016 DGON Intertial Sensors and Systems (ISS). – 2016. – С. 1-13.

4. Андронова И.А., Малыкин Г.Б. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка // Успехи физических наук. – 2002. – Т. 172. – №. 8. – С. 849-873.

5. Спиридонов Д.М., Игнатьев А.А., Обухович Д.В. Математическая модель шумов выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа // ПРОБЛЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И БИОФОТОНИКИ SFM-2021. – 2021. – С. 72-77.

6. Baney D.M., Sorin W.V. Broadband frequency characterization of optical receivers using intensity noise // Hewlett Packard Journal. – 1995. – Т. 46. – С. 6-6.

7. LEFÈRE H.C. Fundamentals of the interferometric fiber-optic gyroscope //Optical review. – 1997. – Т. 4. – №. 1A. – С. 20-27.

8. Микляшев А.В. Погрешность волоконно-оптического гироскопа при угловых колебаниях // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2019. – Т. 62. – №. 11. – С. 982-988.

Для цитирования:

Спиридонов Д.М., Обухович Д.В. Аналитическая и компьютерная программная математические модели шума выходного сигнала волоконно-оптического гироскопа, анализ и верификация. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.3.7