Linearization and modulation depth control techniques of open-loop interferometric fiber optic gyroscopes

Orientadores: Elnatan Chagas Ferreira, Rodrigo Moreira BacurauDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Os giroscópios interferométricos a fibra óptica (IFOGs) de malha aberta apresentam, em geral, menor custo do que os de malha fechada, sendo, muitas vezes, os mais adequados para aplicações de médio-alto desempenho. No entanto, esses dispositivos apresentam, na maioria das vezes, linearidade, fundo de escala, e estabilidade do fator de escala inferiores a IFOGs de malha fechada. Desta forma, propôs-se neste trabalho novas técnicas para aprimoramento da linearidade, com a expansão da região não ambígua do sinal de reposta do sensor, e controle da profundidade de modulação de IFOGs malha aberta. As técnicas propostas constituem-se como aprimoramentos da técnica de demodulação Mean Value, desenvolvida anteriormente na Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP. Na técnica de demodulação Mean Value, a informação de velocidade angular é obtida a partir da subtração do valor médio de dois semiciclos negativos consecutivos do sinal de saída do interferômetro de Sagnac. A melhoria da linearidade e estabilidade da profundidade de modulação foram conseguidas através de modificações no circuito eletrônico de demodulação existente e da implementação de novas técnicas de processamento digital de sinais na unidade de processamento do sensor. Para o desenvolvimento das técnicas propostas, foi necessário desenvolver uma simulação computacional do IFOG malha aberta desenvolvido na UNICAMP em projetos anteriores. O simulador construído em LabVIEW é capaz de simular as principais características ópticas e eletrônicas envolvidas na modulação e demodulação de IFOGs de malha aberta baseados na técnica Mean Value. As técnicas propostas foram implementadas, inicialmente no simulador, utilizando um funde escala de ±0,8 radianos (Defasagem de Sagnac). As simulações resultaram em valores de erro de não linearidade máximo de 35 ppm em relação ao fundo de escala; e um controle da profundidade de modulação que não permite variações maiores que 130 ppm, mesmo em ambientes com variação térmica. Ensaios experimentais com um IFOG de malha aberta confirmaram a melhoria da estabilidade do sensorAbstract: Open-loop interferometric fiber optic gyroscopes (IFOGs) are generally less costly than closed-loop IFOGs, and are often best suited for medium-high performance applications. However, these devices have lower linearity, dynamic range, and scale factor stability than closed-loop IFOGs. In this work, it¿s proposed new techniques to improve the linearity, with an expansion of the unambiguous region of the sensor¿s output signal, and a modulation depth control of open-loop interferometric fiber-optic gyroscopes. These techniques are improvements to the Mean Value demodulation technique, previously developed at the State University of Campinas ¿ UNICAMP. In the Mean Value demodulation technique, the angular velocity information is obtained by subtracting the mean value of two consecutive negative semi-cycles from the Sagnac interferometer output signal. Improved linearity and modulation depth control were achieved through modifications to the existing demodulation electronics and the implementation of new digital signal processing techniques in the sensor processing unit. For the development of the proposed techniques, it was necessary to build a computer simulation of the open-loop IFOG developed in UNICAMP in previous projects. The LabVIEW program is able to simulate the main optical and electronic characteristics involved in the modulation and demodulation of open-loop IFOGs based on the Mean Value technique. The proposed techniques were initially implemented in the simulator, using a dynamic range of ±0,8 radians (Sagnac Phase Shift). The simulations resulted in maximum nonlinearity error values of 35 ppm in relation to the full scale, and a modulation depth control that does not allow variations greater than 130 ppm, even in environments with thermal variation. Experimental tests with an open-loop IFOG confirmed the improvement of the sensor¿s scale factor stabilityMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestre em Engenharia Elétrica135388/2016-3CNP