DE19730522C1 - Verfahren zur Erhöhung der Stabilität eines faseroptischen Kreises und damit stabilisierter faseroptischer Kreisel - Google Patents
Verfahren zur Erhöhung der Stabilität eines faseroptischen Kreises und damit stabilisierter faseroptischer KreiselInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf faseroptische Interferometer, insbesondere
faseroptische Kreisel zur Bestimmung von Drehraten, bei denen Licht aus einer
vorzugsweise stabilisierten Lichtquelle, insbesondere einer Laserdiode (LD) oder
einer Superlumineszenzdiode (SLD), nach zweimaliger Strahlteilung mit gleichen
Lichtintensitätsanteilen in die beiden Enden einer Faserspule eingestrahlt wird.
Die beiden Lichtanteile werden nach ihrem Weg durch die (in der Regel) aus
polarisations- oder nicht polarisationserhaltender Monomodefaser hergestellte
Spule am zweiten Strahlteiler, dem Hauptstrahlteiler, interferierend überlagert.
Nach Rücklauf durch einen Polarisator wird am ersten, näher bei der Lichtquel
le liegenden Strahlteiler möglichst der halbe Anteil des interferierenden Lichts
ausgekoppelt und beaufschlagt einen Photodetektor, dessen Ausgangssignal
nach Verstärkung und Analog-/Digitalwandlung einer Frequenzanalyse und Si
gnalauswertung zur Gewinnung eines Drehratensignals zugeführt wird. Das fa
seroptische Interferometer, insbesondere Drehratensensoren mit diesem prinzi
piellen Aufbau sind sowohl in Open-Loop-Anordnung als auch mit geschlossener
Regelschleife, also als Closed-Loop-Anordnung bekannt. Zur Erhöhung der Me
ßempfindlichkeit ist es auch bekannt, den die Faserspule durchsetzenden Licht
strom in der Phase so zu modulieren, daß der Arbeitspunkt für die Signalaus
wertung stets im Kennlinienbereich maximaler Meßsignaländerungen bei einer
Änderung der Drehrate liegt. Diese Modulation kann periodisch oder statistisch
verteilt erfolgen.
Die Fig. 2 veranschaulicht den typischen bekannten Aufbau eines Sagnac-Typ-
Faserkreisels in Open-Loop-Anordnung. Das Licht einer hinsichtlich Intensität
und Wellenlänge stabilisierten Lichtquelle, insbesondere einer LSD gelangt über
eine Faserstrecke auf einen ersten Strahlteiler 2, von dort über einen Polarisa
tor 3 auf einen zweiten Strahlteiler, den Hauptstrahlteiler 4. Von den beiden der
Lichtquelle 1 abgewandten Aus-/Eingängen gelangen die durch Strahlteilung
entstandenen Teillichtströme auf die beiden Ein-/Ausgänge einer Faserspule 6,
wobei zwischen den Aus-/Eingängen des Hauptstrahlteilers 4 bzw. den Ein-/
Ausgängen der Faserspule 6 einerseits ein Depolarisator 5 und andererseits ein
Phasenmodulator 7 angeordnet sind. Der Depolarisator 5 dient bei Verwendung
von nicht polarisationserhaltender Monomodefaser dazu, die Interferenzfähigkeit
des Lichtes sicherzustellen; er entfällt, wenn polarisationserhaltende Faser ver
wendet wird. Der Phasenmodulator 7 wird durch einen Modulationsoszillator 8
angesteuert, der die Phase des für die Signalauswertung vorgesehenen Lichtan
teils periodisch oder nach einem bekannten quasi-stochastischen Modulations
verfahren jeweils in einem Arbeitspunkt maximaler Empfindlichkeit hinsichtlich
einer Drehung der Faserspule 6 um ihre Achse verschiebt. Die im Hauptstrahl
teiler 4 nach Durchlaufen der Faserspule 6 interferierenden Lichtanteile durch
laufen wiederum den Polarisator 3 und werden über den ersten Strahlteiler 2 zu
einem möglichst großen (halben) Anteil auf einen Photodetektor 9 geleitet, des
sen Ausgangssignal zunächst in 10 verstärkt und in bestimmter Weise gefiltert,
sodann in 11 A/D-gewandelt und anschließend in 12 einer Frequenzanalyse und
einer Signalauswertung 13 zur Gewinnung des Drehratensignals Ω zugeführt
wird.
Die Genauigkeit eines Faserkreisels - insbesondere bei Open-Loop-Konfigu
ration - hängt unter anderem von der Skalenfaktorstabilität ab. Der Skalenfak
tor seinerseits bzw. dessen Stabilität ist unter anderem von den Eigenschaften
der Lichtquelle abhängig. Um die Lichtquelle hinsichtlich ihres Nullpunktes
bzw. gegen Wellenlängenänderungen aufgrund verschiedener Ursachen, wie Um
welteinflüsse, alterungs- und herstellungsbedingte Schwankungen usw. zu sta
bilisieren sind erhebliche Anstrengungen unternommen worden, wofür die
Druckschriften DE 40 37 118 C1, DE 38 05 905 C2 sowie EP 0 611 950 B1 als
ausgewählte Beispiele dienen mögen.
Es wurde jedoch festgestellt, daß solche Bemühungen zur Stabilisierung der
Lichtquelle bzw. durch Kompensation von Lichtquellenwellenlängenänderungen
nicht ausreichen, um den Skalenfaktor - soweit die Lichtquelle diesen beeinflußt
- ausreichend stabil zu halten, wenn eine bestimmte Meßgenauigkeit verlangt
wird.
Bei Closed-Loop-Aufbau andererseits bereiten vor allem zwei Einflußgrößen,
nämlich die Nullpunktdrift (Biasdrift) und das Signalrauschen (Random Walk)
im Meßsignal, verursacht vor allem durch die elektrische Ansteuerung der
Lichtquelle und durch Übersprechen der Modulationsspannung am I/O-Chip
auf die Lichtquellenelektronik, besondere Genauigkeitsprobleme.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die Stabilität des Skalenfaktors
eines faseroptischen Sagnac-Interferometers, insbesondere eines Faserkreisels
in Open-Loop-Aufbau, bzw. die reproduzierbare Genauigkeit eines Faserkreisels
in Closed-Loop-Anordnung hinsichtlich der Einflüsse der Nullpunktdrift und
des Random Walk zu verbessern.
Um den Skalenfaktorfehler bei Open-Loop Faserkreiseln gering zu halten, wurde
zunächst die Verwendung eines optischen Isolators untersucht. Die Ergebnisse
waren jedoch aufgrund zumindest teilweise fehlender Reproduzierbarkeit nicht
befriedigend. Aber auch aus Kostengründen wurde dieser Lösungsansatz als
wenig erfolgversprechend eingestuft.
Es wurde jedoch auch beobachtet, daß das vom Interferometer zurückkommen
de Licht, das zu einem gewissen Anteil reflektiert wird und zurück in das Inter
ferometer gelangt, den Skalenfaktor verschlechtert. Diese Rückstreuung oder
Reflexion kann z. B. an der Lichtquelle und/oder am Detektor erfolgen und
hängt vom Aufbau ab. Meist nicht vermeidbar sind Rückstreuungen an der
Lichtquelle, z. B. durch Beeinflussung der abgegebenen Lichtleistung durch das
vom Interferometer zurückkommende Licht. Daraus folgt die Erkenntnis, daß
der zum Interferometer (z. B. von der Lichtquelle aus) zurückgestreute Anteil an
moduliertem Licht beseitigt werden müßte, und zwar entweder durch
Unterdrückung oder durch Kompensation. Als weitere Ursache der Lichtmodula
tion wurde erkannt, daß bei kompakten Aufbauten ein Übersprechen der Modu
lationsspannung in die Lichtquellenelektronik unvermeidlich ist und zu einer
Modulation der Lichtintensität führt.
Auf dieser Erkenntnis basierend entstand die technische Lehre der Erfindung
dahingehend, daß zur Erhöhung der Skalenfaktorstabilität bei Faserkreiseln in
Open-Loop-Anordnung die Lichtquelle mit einem kleinen Modulationsstrom zu
beaufschlagen sei, dessen Phasenlage und Amplitude so geregelt weden, daß das das Interfero
meter durchsetzende Licht unmoduliert bleibt, also keinen Modulationsanteil
enthält.
Für Faserkreisel mit Signalrückstellung, also mit geschlossenem Regelkreis,
läßt sich mit dem gleichen Prinzip einer kompensierenden Modulation der Licht
quelle eine erhebliche Reduzierung der Nullpunktdrift und/oder des Random
Walk erreichen.
Ein Faserkreisel vom Sagnac-Typ, bei dem eine Stabilisierung gemäß der Erfin
dung erfolgt, ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug
auf die Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Faserkreisels vom Sagnac-Typ in
Open-Loop-Anordnung mit Regelung der Lichtquelle gemäß der
Erfindung;
Fig. 2 den bereits erläuterten prinzipiellen Aufbau eines bekannten
Faserkreisels in Open-Loop-Technik; und
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Sagnac-Typ-Faserkreisels in
Closed-Loop-Aufbau mit digitaler Rückstellung und Regelung der
Lichtquelle gemäß der Lehre der Erfindung.
Bereits anhand der Fig. 2 erläuterte Teile, Abschnitte und Funktionsweisen des
Faserkreiselsaufbaus gemäß Fig. 1 werden nachfolgend nicht mehr näher erläu
tert.
Wie oben erwähnt, ist es das Ziel der Erfindung, die Lichtmodulationen, die ins
besondere in das Interferometer gelangen, hinsichtlich der Anteile von modulier
tem Licht und ihres Einflusses auf die Genauigkeit der Skalenfaktorstabilität
bzw. des Nullpunkts und der Einflüsse des Random Walk zu beseitigen oder zu
mindest erheblich zu reduzieren. In anderen Worten, es ist sicherzustellen, daß
kein moduliertes Licht in das Interferometer gelangt, das stört.
Um dies zu erreichen ist gemäß der Erfindung (vgl. Fig. 1) ein die Lichtquelle 1
beeinflussender Regelkreis vorgesehen mit einem zusätzlichen Detektor 14
dessen Referenz- oder Ansteuersignal z. B. an einem ohnehin freien Aus-/Ein
gang des ersten Strahlteilers (Kopplers) 2 abgegriffen wird. Das Ausgangssignal
des zusätzlichen Detektors 14 liefert nach Filterung und/oder Verstärkung in
15 einen im Vergleich zum die Lichtquelle 1 (Laserdiode) erregenden DC- oder
Gleichstrom kleinen Modulationsanteil, der in der Amplitude und Phase so ein
gestellt wird, daß das Licht, das von der Lichtquelle 1 aus in die Faser und da
mit in das Interferometer gelangt, keinen modulierten Anteil mehr enthält.
Die Fig. 3 veranschaulicht das Prinzip-Blockschaltbild eines Faserkreisels mit
digitaler Rückstellung. Die auch bei dem Faserkreisel ohne Rückstellung gemäß
Fig. 2 bzw. 1 vorhandenen Baugruppen und Bauteile mit gleicher oder ähnlicher
Funktion sind auch bei der Darstellung in Fig. 3 mit den gleichen Bezugshin
weisen versehen, so daß insoweit eine erneute Erläuterung erübrigt werden
kann.
Zu den die geschlossene Regelschleife über einen Faserkreiselaufbau nach Fig.
3 bestimmenden Baugruppen gehört eine Skalenfaktorregelstrecke mit einem
Demodulator 16 und einem Verstärkungsfilter 17, dessen Ausgangssignal den
Verstärkungsfaktor eines den Phasenmodulator 7 ansteuernden regelbaren
Verstärkers 18 bestimmt. Der Modulationsoszillator 8 liefert Modulationsmuster
unterschiedlicher Höhe: Modulo-2π-Phasensprünge liefern die Referenz für den
Demodulator 16, dagegen bilden Modulo-π/2-Phasensprünge die Referenz für
den Synchrondemodulator 19, dessen Ausgangssignal über ein Verstärkungsfil
ter 20 einerseits und einen digitalen Rampengenerator 21 andererseits das
Rückstellsignal bzw. das Drehratensignal ΔΩ bereitstellt. Das den Arbeitspunkt
bestimmende Modulationssignal des Modulationsoszillators 8 bzw. das Rück
stellsignal vom digitalen Rampengenerator 21 werden in einer Additionsstufe 22
kombiniert und bestimmen das Eingangssignal für den regelbaren Verstärker
18.
Beim Faserkreisel mit digitaler Rückstellung (Closed-Loop) wird der Skalenfak
tor wesentlich durch den Phasenmodulator beeinflußt, der die Rückstellung der
Sagnac-Phase vornimmt und dessen Anstellsignal durch den steuerbaren Ver
stärker 18 nachgeregelt wird. Dadurch ist der Einfluß der Lichtmodulation auf
den Skalenfaktor vernachlässigbar. Dagegen können Lichtquellenmodulationen
eine Nullpunktdrift bei periodischer Modulation und eine Erhöhung des Rau
schens (Random Walk) bei statistischer Modulation bewirken. Dabei sind im
allgemeinen die direkten Einkopplungen der Modulatorspannungen in die Licht
quellenelektronik dominant.
Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen ist nach der Erfindung auch bei dem Fa
serkreisel mit geschlossener Regelschleife gemäß Fig. 3 an einem Aus-/Eingang
des ersten Strahlteilers 2 ein weiterer Detektor 14 vorhanden, durch den ein
kleines Modulationssignal nach Filterung und Verstärkung 15 auf die Lichtquel
le 1 gelangt, wodurch die Lichtmodulation und damit mögliche Signalrauschan
teile bzw. eventuelle Nullpunktfehler kompensierbar sind.
Erfolgreiche Versuche haben gezeigt, daß es aufgrund der Erfindung mit
vergleichsweise geringen Zusatzkosten möglich ist, Faserkreisel in Open-Loop-
Technik mit wesentlich besserer Skalenfaktorgenauigkeit herzustellen. Für
Faserkreisel mit Rückstellung werden die Einflüsse des Random Walk reduziert
und die Nullpunktstabilität verbessert. Gegenüber anderen bekannten oder vor
geschlagenen Möglichkeiten lassen sich die Gesamtkosten für einen Faserkreisel
mit sehr hoher Genauigkeit reduzieren.
Claims (2)
1. Verfahren zur Erhöhung der Stabilität eines interferometrischen Faser
kreisels von Sagnac-Typ, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) zu
sätzlich zur normalen DC-Erregung mit einem kleinen Modulationsstrom beauf
schlagt wird, dessen Phasenlage und Amplitude so geregelt werden, daß das von
der Lichtquelle in das Interferometer (1-4, 6-9) gelangende Licht unmoduliert
bleibt, also keinen Modulationsanteil enthält.
2. Interferometrischer Sagnac-Typ-Faserkreisel, dessen Interferometer
- 1. eine Lichtquelle (1),
- 2. einen ersten (2) und einen zweiten Strahlteiler (4),
- 3. eine an die der Lichtquelle (1) und die dem ersten Strahlteiler (2) abge kehrten Ausgänge des zweiten Strahlteilers (4) angekoppelte Faserspule (6),
- 4. einen ein Ende der Faserspule (6) mit einem Modulationssignal beauf schlagenden Phasenmodulator (7), sowie
- 5. einen an einen Eingang des ersten Strahlteilers (2) angeschlossenen Auswertungsdetektor (9) umfasst, der das interferierende, von der Faserspule zurückkommende Licht erfaßt und dessen Ausgang auf eine Frequenzanalyse- und Signalauswerteschaltung (12, 13) zur Ausgabe einer Drehrate (Ω; ΔΩ) ge schaltet ist,
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110201 |