DE3040202A1

DE3040202A1 - Ringlaser

Info

Publication number: DE3040202A1
Application number: DE19803040202
Authority: DE
Inventors: Gary Dean Mission Viejo Calif. Babcock; Thomas Joe Thousand Oaks Calif. Hutchings
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1979-11-05
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1981-05-14
Also published as: SE448576B; IT8049966A0; IT1146216B; CA1168740A; SE8007703L; DE3040202C2; GB2062950A; FR2469025B1; IL61156A; JPS5674978A; FR2469025A1; CH652245A5; JPS5933994B2; GB2062950B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Ringlaser, die zur Verxiendung als Winkelgeschwindigkeitsfühler geeignet sind. Solche Ringlaser werden häufig auch als Ringlaser-Gyroskope bezeichnet. Bei einem solchen Winkelgeschwindigkeitsfühler ist der Unterschied zwischen den Frequenzen der sich in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzenden Strahlungsenergie oder Lichtwellen ein Maß für die Ge-

« schwindigkeit der Winkeldrehung der Struktur, in der

die sich fortpflanzenden Wellen umlaufen.

Ringlaser-Gyroskope, die sich in entgegengesetzte Richtungen fortpflanzende Laserstrahlen verx^enden, sind bekannt. Sie werden verwandt, um die Drehung des Ringlasers um eine besondere Achse zu messen, indem festgestellte bzw. gefühlte Abschnitte von sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden Wellen kombiniert ΐ/erden, um eine Schwebungsfrequenz bei dem Unterschied zwischen den entgegengesetzten Wellen zu erzeugen. Wenn der Ringlaserkörper um die vorbestimmte Achse gedreht wird, wird die Frequenz der sich in einer Richtung fortpflanzenden Wellen innerhalb des Laserhohlraums erhöht und die Frequenz der sich in der entgegengesetzten Richtung fortpflanzenden Wellen verringert sich innerhalb des Laserhohlraumes- Wenn die Wellen bestimmt werden und die sich ergebenden Signale einander überlagert werden, ist die Schwebungsfrequenz proportional der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Lasers.

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Damit ein Eingläser-Gyroskop bei kleinen Drehgeschwindigkeiten richtig arbeiten kann, muß das Frequenz-Einschließen oder "Einschließen" unterdrückt v/erden. Dieses Phänomen tritt auf, wenn zwei in einem Resonanzhohlraum entgegengesetzt, mit nur geringfügig unterschiedlichen Frequenzen umlaufende Wellen auf einander zu zu einer einzigen !Frequenz gezogen werden. Bei niedrigen Winkelgeschwindigkeiten der Drehung des Einglasers, bei denen die Frequenzunterschiede zwischen zwei entgegengesetzten Wellen sehr klein sind, werden die Wellen aufeinanderau gezogen, so daß keine Schwebungsfrequenz auftritt und das Gyroskop gegenüber kleinen Winkelgeschwindigkeiten der Drehung unempfindlich ist. Die Wirkung des Einschließens ist im einzelnen in "Laser Applications", herausgegeben von Monte Ross, Academic Press, Inc., Hew York, New York, 1971 ia dem Artikel "The Laser Gyro" von Frederick Aronovritz, Seiten 133 - 200 beschrieben.

Der wesentliche Grund für die Einschließ-Kopplung liegt in der gegenseitigen Energiestreuung der Strahlen in die Richtung des jeweils anderen Strahls. Diese gegenseitige Streuung oder Rückstreuung wird im einzelnen in dem Artikel von Aronowitz auf den Seiten 14-8 - 153 beschrieben. Kurz gesagt wird der Frequenzunterschied zwischen zwei sich einander entgegengesetzt fortpflanzenden Wellen in einem Ringlaser in etwa durch die folgende Gleichung beschrieben:

τ-

= a + b

worin ^P den momentanen Phasenunterschied zwischen den entgegengesetzt umlaufenden Wellen bedeutet, a der Winkelgeschwindigkeit des Einglasers proportional und b proportional

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der Größe der rückgestreuten Energie ist. Wenn a kleiner als b ist, ist die Schwebungsfrequenz gleich UuIl und der Einglaser ist eingeschlossen. Um ein Ausgangssignal zu erhalten, welches ein Haß für die Drehgeschwindigkeit des Hinglaserkörpers ist, muß a größer als b sein.

Eine Maßnahme dafür, das Einschließen zu unterbinden, besteht darin, den Ringlaserkörper winkelmäßig um seine empfindliche Achse mechanisch in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingungen oder durch dieses Zittern der Laserstruktur wird eine Rotationsgeschwxndigkeit dem Gyroskop aufgeprägt, so daß während de? meisten Zeit a größer als b ist und die Effekte von b minimalisiert oder ausgeschlossen sind. Ein Gyroskop, bei dem ein mechanisches Zittern verwandt wird, ist in der US-PS 4,115,004 angegeben, die am 19.Sept. 1978 an Thomas J. Hutchings and Virgil E. Sanders erteilt worden ist.

Die US-PS 4,152,071 beschreibt den am nahesten kommenden Stand der Technik, der dem Erfinder bekannt ist. Die Vorrichtung gemäß dieser Patentschrift verx^endet einen Ringlaser mit drei Spiegeln, der eine Weglängensteuerung an einem der Spiegel und eine Steuerung für das Einschließen an einen zweiten Spiegel aufweist, um die Spiegelstellungen zu steuern. Die Weglängensteuerung ist eine schnelle und die Steuerung für das Einschließen ist eine langsamere Servoeinrichtung. Der dritte Spiegel überträgt teilweise Licht von dem Laserstrahl auf einen Lichtfühler. Das Signal von dem Lxchtfühler wird durch die zwei Servo einrichtungen verarbeitet und die Vorrichtung gemäß dieser Patentschrift

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steuert den Spiegel für das Einschließen mit der Zittergeschwindigkeit , um die Amplitudenänderung von nur einem Laserstrahlsignal zu minimalisieren.

Wenn die Frequenzen der zueinander entgegengesetzt laufenden Wellen durch das mechanische,winkelmäßige Zittern des Einglasers um seine Meß- bsw. Fü'alachr.o frequenzmoduliert xverden, sollte die Gummo dor ModulnI'ion-(AH)-Hiillleurven der zwei gegenläufigen Wellen gleich sein.

Wenn an der Oberfläche der Spiegel eine Rückstreuung auftritt, werden die Wechselstromamplituden der Signale durch die Interferenz der rückgestreuten Welle mit der Hauptwelle erhöht oder erniedrigt. Es ist deshalb eine Zielsetzung der Erfindung, die Wechselstromamplituden der sich gegenläufig ausbreitenden Wellen einzustellen, indem die Spiegel nach innen und nach außen bewegt werden, bis die Summe der Wechselstroinamplituden der sich gegenläufig ausbreitenden Wellen einen möglichst kleinen Wert aufweist.

Ein Mechanismus zum Einstellen der Wechselstromamplituden der zwei sich gegenläufig ausbreitenden Wellen besteht darin, die Spiegel mit einem Signal servozusteuern, welches ein Maß des Unterschiedes der Wechselstromamplitude zwischen zwei aufeinanderfolgenden Summen der gemessenen gegenläufigen Wellen ist. Nachdem das Signal, welches die Summe der sich gegenläufig ausbreitenden Wellen darstellt, bei einem Spiegel minimalisiert worden ist, kann der Vorgang an den anderen Spiegeln wiederholt werden. Andererseits können alle drei

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Spiegel auch gleichzeitig gesteuert werden. Wenn eine gleichzeitige Steuerung vorliegt, mag es wünschenswert sein, die Ansprechzeit der verschiedenen Servoeinrichtungen unterschiedlich auszubilden, so daß die Servoeinrichtungen keine Schwingungen der Spiegel hervorrufen.

Nachdem die Spiegel gesteuert worden sind, um die Summe der sich gegenläufig ausbreitenden Wellen zu minimalisieren, können sie dann wahlweise gesteuert werden, um den Unterschied zwischen den sichgegenläufig fortpflanzenden Wellen zu minimalisieren.

Der Vorgang wird dann wiederholt, um die Summe der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen zu minimalisieren.

Der Grundgedanke dieser Erfindung ist nicht auf einen dreiseitigen Ringlaser "beschränkt, der typischerweise drei Spiegel aufweist. Er kann auch beispielsweise bei einem Ringlaser mit vier Spiegeln, mit sechs Spiegeln oder mit acht Spiegeln verwandt werden, und er ist nicht auf diese Anzahl von Spiegeln begrenzt.

Wenn einer oder mehrere Spiegel nach der Erfindung servogesteuert werden, wird vorzugsweise ein Spiegel mit einer schnellen Servosteuerung gesteuert, um die Gesamtlänge des Laserweges zu steuern, mi die Wellenlänge bei der KuIlwinkelge schwindigke it aufrechtzu erhalt en.

Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung, werden beispielsweise zwei Spiegel eines Ringlasers mit drei Spiegeln erfindungsgemäß langsam servogesteuert und der dritte Spiegel

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wird gemäß dem Stand der Technik schnell servogesteuert, um den Laser abzugleichen bzw. einzustellen und die Wellenlänge "bei Null-Winkelgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.

Es ist auch möglich und es liegt innerhalb des Grundgedankens der Erfindung, in Hinblick auf die Steuerung der Spiegel einen Kompromiss derart zu schließen, daß beispielsweise der Spiegel Nr. 1 verwandt wird, um die Gesamtlänge des Laserweges zu steuern, während die Spiegel Nr. 2 und 3 nach dieser Erfindung gesteuert werden. Dann kann nach einem Zeitintervall der Spiegel Nr. 2 verwandt werden, um die Gesamtlänge des Laserweges zu steuern, während die Spiegel Nr. 1 und 3 erfindungsgemäß servogesteuert werden. Die Spiegel Nr. 1 oder 3 können dann verwandt werden, um die Gesamtlänge des Laserweges zu steuern, während die übrigen Spiegel erfindungsgemäß servogesteuert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Wechselstromamplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen bestimmt und die Summe ihrer Wechselstromamplituden wird in einem logischen Schaltkreis gespeichert, welcher Teil eines Mikroprozessors sein kann. Die Wechselstromamplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen werden erneut bestimmt und addiert. Die Wechselstromamplitude der neuen Summe wird von dem gespeicherten Summensignal subtrahiert. In Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Differenz wird eine Spannung an die Kristalle gelegt, die eine Spiegelstellung steuern, um den Spiegel schrittweise nach innen oder außen zu bewegen. Die Signale werden erneut bestimmt, addiert und verglichen. Das Verfahren wird fortgesetzt, bis eine minimale Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Summen-

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Signalen sichergestellt ist. Dieses Minimum zeigt sich durch die Änderung des Vorzeichens der Differenz.

Die Meßvorgänge können erneut wiederholt werden, wobei jedoch eine zweite Spiegelstellung in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen den Summensignalen eingestellt wird, welche durch die Wechselstromamplituden der zwei sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen erzeugt worden sind.

Die Meßvorgänge können häufig wiederholt werden um die verschiedenen Spiegel auf eine minimale. Differenz zwischen den aufeinanderfolgenden, gemessenen Summen der Wechselstromamplituden der zwei sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen einzustellen.

Nachdem die Summen der Wechselstromamplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen minimalisiert worden sind, liegt es auch innerhalb des Erfindungsgedanken, die Differenzen ebenfalls zu minimalisieren. Hierfür werden bei einer typischen Ausführungsform der Erfindung die Wechselstromamplituden subtrahiert und gespeichert. Die Stellung eines Spiegels xirird dann um einen Schritt bzw. schrittweise verändert und die Wechselstromamplituden werden erneut subtrahiere. Die Differenzen werden verglichen und der Spiegel wird erneut in einer Richtung um einen Schritt verstellt, um die Differenz zu minimalisieren. Da die Spiegelstellungen zuerst so positioniert worden sind, um die Summe zu minimalisieren, ist es nicht angezeigt, die Differenzsignale vollkommen zu minimalisieren, da dies die Summensignale stark beeinflussen bzw. beeinträchtigen könnte.

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Demgemäß sollte nur eine vorbestimmte Anzahl von. Differenzsignalen, beispielsweise fünf errechnet werden, bevor die Vorrichtung in die Betriebsart zurückkehrt, bei der die. Summensignale minimalisiert werden.

Es ist mithin eine Zielsetzung der Erfindung, die optische Streuung in einem Einglaser zu minimalisieren.

Eine besondere Zielsetzung der Erfindung besteht darin, die optische Streuung in einem solchen Einglaser zu minimalisieren, indem der Laser um die Meß-bzxtf. Kihlachse eine Zitterbewegung ausführt.

Es ist eine weitere, besondere Zielsetzung der Erfindung, wenigstens einen Eckspiegel eines Einglasers in eine Stellung servozusteuern, um die Summe der Wechselstromamplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen zu minimalisieren.

Es ist wiederum eine andere, besondere Zielsetzung der Erfindung wenigstens einen Eckspiegel eines Einglasers in eine Stellung servozusteuern, um die Differenz der Wechselstromamplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen zu minimalisieren.

Es ist wiederum eine weitere besondere Zielsetzung der Erfindung, aufeinanderfolgende Spiegel in der vorhergehend angegebenen Weise aufeinanderfolgend servozusteuern.

Eine Zielsetzung der Erfindung besteht auch darin, die vorhergehend genannten Zielsetzungen durch Verwendung eines digitalen Eechners zu erreichen.

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Weitere Zielsetzungen ergeben sich aus der ins einzelne gehenden Beschreibung der Erfindung, der Zeichnungen und der Ansprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines typischen Ringlasers, bei dem die Eckspiegel so verbunden sind, daß ihre Stellung servogesteuert werden kann,

I¹Xg. 2 ein Rechenflußdiagramm für eine typische Summierroutine, um ein Eckspiegelsystem erfindungsgemäß servozusteuern, und

Fig. 3 ein wahlweises Flußdiagramm einer Differenzroutine für eine mögliche Ausfuhrungsform nach der Erfindung.

Es wird nun auf die Fig. 1 bezug genommen, die einen Ringlaser zur Verwendung als ein Gyroskop zeigt, der typischerweise in einen im wesentlichen massiven Block 10 untergebracht ist. Ein polygonaler Kanal 12 für einen Laserstrahlengang, der durch Pfeile 14 angedeutet ist, ist in dem Block 10 ausgebildet und enthält ein Lasergas wie z.B. eine Mischung aus Helium 3, UTeon 20 und Neon 22. Der Laserweg ist dreieckförmig dargestellt, kann jedoch andere, polygonale Formen aufweisen und muß nicht in einer Ebene liegen. Typischervreise ist der Weg dreieckig oder rechteckig. An den Ecken des polygonalen Weges befinden sich Eckspiegel 16A, 16B, 16C, um das Laserlicht in die Ringkonfiguration zu reflektieren, in der sich das Laserlicht sowohl im ühr-

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zeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn längs des Laserweges ausbreitet. Der Laser wird in Verstärkungsabschnitten 18 angeregt, in denen Elektronen und Ionen durch das Lasergas zwischen den Kathoden 24· und Anoden 26 wandern. Zusätzliche Kanäle 28 verbinden die Anoden 26 und Kathoden 28 mit den Verstärkerabschnitten 18.

Die Länge des Laserweges wird dadurch gesteuert, daß einer der Spiegel 16A, 16B, 16G nach innen oder außen verstellt wird, damit die Weglänge ein Vielfaches einer Wellenlänge des Laserlichtes ist. Eine solche Positionierung wird durch den Schaltkreis 32 gesteuert. Durch die Erfindung wird angestrebt, alle Spiegel 16A, 16B, 16G bezüglich der Kuckstreuung zu korrigieren. Wenn ein besonderer Spiegel zur Korrektur der Rückstreuung verbunden wird, wird er nicht durch den Steuerschalt kreis 32 für die Hohlraumlänge gesteuert. Demgemäß bewifet der logische Schaltkreis 34-* daß der Schaltkreis 32 Steuersignale abwechselnd zu den Spiegeln 16A,16B, 160 während der Perioden abgibt, wenn der besondere Spiegel nicht gemäß der Erfindung korrigiert wird.

Jeder Spiegel weist einen piezoelektrischen Wandler 36A, 36B bzw. 36C auf, der beispielsweise von der Art sein kann, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 74·,619 beschrieben ist, die am 12.Sept. 1979 von thomas J. Hutchings et.al. unter dem Titel "Steuerbarer Spiegel" angemeldet wurde und auf Litton Systems, Inc. übertragen wurde, den Anmelder dieser Patentanmeldung.

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Die Holilraumlängensteuerung kann beispielsweise von der Art sein, wie sie in der US-PS 4,152,072 beschrieben und beansprucht ist, welche am 1. Mai 1979 an Thomas J.Hutchings ausgegeben worden ist und auf die Litton Systems, Inc., die Anmelderin dieser Patentanmeldung übertragen worden ist.

Bei niederen Winkelgeschwindigkeiten haben die sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen nahezu die gleiche Frequenz und es besteht die Neigung, daß sie sich mit der gleichen Frequenz einschließen. Dieses Phänomen wird als Einschließen bezeichnet. Das Einschließen wird durch Rückstreuung von Licht aus einer Fortpflanzungsrichtung *in die andere Fortpflanzungsrlchtung und die Synchronisierung des Primärlichtes mit dem rückgestreuten Licht hervorgerufen.

Eine der Techniken zur Minimalisierung von Rückstreuung besteht darin, sicherzustellen, daß die Winkelgeschwindigkeit des Ringlaser-Gyroskops nur während eines kleinen Anteils der gesamten Zeit innerhalb des Einschließbereiches der Winkelgeschwindigkeiten liegt. Durch mechanisch hervorgerufenes Zittern des Ringlasers mittels einer Zittereinrichtung 42 um seine Meß-bzw. Fühlachse 80 kann man sicherstellen, daß lediglich für einen kleinen Anteil der Zeit die Winkelgeschwindigkeit klein ist. Das Zittern kann zyklisch, sinusförmig oder zufällig erfolgen. Das Zittern bewirkt eine Frequenzmodulation an den sich gegenläufig fortpflanzenden Ringlaserwellen. Durch Einstellen der Zitterfrequenz oder -geschwindigkeit und der Zitteramplitude kann man sicherstellen, daß dia Winkelgeschwindigkeit des ■Ringlasers während eines sehr kleinen Prozentanteils der Zeit innerhalb des Einschließbereiches liegt.

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Die effektive Weglänge der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen kann auch unter Verwendung von Faraday-Effekten differenziell einem Zittern ausgesetzt werden, wie es beispielsveise in der US-PS 3,373?65O "beschrieben ist, die J.E.Killpatrick für einen "Laser-Winkelgeschwindigkeits-Fühler" erteilt wurde.

Um das Einschließphänomen weiter zu verringern, ist es wünschenswert, die Spiegel 16A,16B und 16C so anzuordnen, daß die Rückstreuung minimalisiert wird.

* Es hat sich herausgestellt, daß die Rückstreuung der Spiegel minimalisiert werden kann, wenn die Summe der Wechselstromamplituden der frequenzmodulierten Umhüllungen minimalisiert wird.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird deshalb die Summe der Wechselstromamplituden der frequenzmodulierten Umhüllungen für einen ersten Spiegel, dann für den folgenden, daraufhin für den nächstfolgenden usvr. minimalisiert, bis eine Minimalisierung für alle Spiegel erfolgt ist.

Nachdem die Summe der Wechselstromamplituden der frequenzmodulierten Umhüllungen für alle Spiegel minimalisiert worden ist, besteht eine Verfeinerung der Technik nach der Erfindung darin, die Spiegel aufeinanderfolgend so zu bewegen, daß die Differenz zwischen den Wechselstromamplituden der frequenzmodulierten Umhüllungen minimalisiert wird. Um jedoch zu vermeiden, daß die Einstellung für die Minimalisierung der Summe aufgehoben wird, werden die Differenzen nur verringert, jedoch nicht notwendigerweise minimalisiert.

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Beispielsweise kann die Größe der Auslenkung der Spiegel auf einen vorbestimmten kleinen Wert während der Hinimalisierung der Differenzsignale beschränkt werden.

Wenigstens zwei der Spiegel 16A., 16B oder 1SC sind teilweise durchlässig, so daß ein Paar fotoempfindlicher Einrichtungen, wie z.B. die Fotodioden 44 und 46, verxirandt werden kann um die einzelnen Laserstrahlen zu überwachen. Zwei weitere Nachweiseinrichtungen an einem getrennten, durchlässigen Spiegel zusammen mit einer geeigneten Eombinierungseinrichtung, wie es z.B. in der US-PS 3_?373,65O dargestellt ist,werden in der üblichen Weise verwandt, um das Über-

fr.

lagerungsdifferenzfrequenz-Gyroskopsignal zu messen. Die Ausgangssignale solcher fotoempfindlicher Einrichtungen 44 und 46 werden dem Hohlraumlängensteuerungsschaltkreis zugeführt, wie es durch die ankommenden Pfeile dargestellt ist, und zur Steuerung der Gesamtlänge des Laserhohlraums verwandt. Die Ausgangssignale der fotoempfindlichen Einrichtungen werden auch dem logischen Schaltkreis 34 zugeführt, wie es durch die ankommenden Pfeile angedeutet ist, und zur Minimalisierung der Rückstreuung der Spiegel nach der Erfindung verwandt.

Die Verbindung 50 zwischen dem logischen Schaltkreis J4- und dem Hohlraumlängensteuerungsschaltkreis 32 zeigt an, daß der logische Schaltkreis den Hohlraumlängensteuerungs schaltkreis ansteuert, damit dieser die Steuerung von einem Spiegel auf einen anderen umschaltet, wenn die verschiedenen Spiegel nach der Erfindung korrigiert werden.

Typischerweise werden die Fühler 44 und 46 an einem Spiegel verwandt, wobei ein zweiter Spiegel verwandt wird, um die Hohlraumlänge zu steuern, und ein dritter Spiegel bezüg-

lieh der Rückstreuung korrigiert wird. Die Spiegel werden dann aufeinanderfolgend umgeschaltet, wie es im folgenden "beschrieben wird.

Die Steuerung der Wandler 36A,36B und 36C ist durch die "bei diesen Wandlern ankommenden Pfeile angedeutet.

Typischerweise erzeugt die Zittereinrichtung ein Zittern von "bis zu 500 Schwingungen pro Sekunde, und die Zitteramplitude ist derart, daß die Frequenz der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen über einen Bereich von bis zu größenmäßig + 25O.OOO Schwingungen pro Sekundre frequenzmoduliert wird. Dies bedeutet, daß das Zittern zyklisch bei Frequenzen erfolgen kann, welche typischerweise 5OO Schwingungen pro Sekunde nicht überschreiten, und daß das Zittern sinusförmig erfolgen kann. Wenn das Zittern zufällig erfolgt, sollte die höchste JTrequenzkomponerite der frequenzmodulierten, sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen in der Größenordnung ^ 25O.OOO Schwingungen pro Sekunde sein-

Vorzugsweise enthält der Hohlraumlängensteuerungsschaltkreis 32 eine Servoeinrichtung, die verglichen mit der Ansprechgeschwindigkeit des logischen Schaltkreises 34 schnell ist, so daß die Hohlraumlänge kontinuierlich durch die Bewegung eines Spiegels abgeglichen wird, um eine Bewegung der anderen Spiegel zu ermöglichen, welche zur .Minimalisierung der Rückstreuung bewegt werden.

Es wird nun auf die E¹Ig. 2 bezug genommen, in der sich "L" auf die innere-äußere Stellung der Spiegel 16A, 16B, 16C und der piezoelektrischen Wandler 36A, 36B und 36G bezieht. Der Index "i" bezieht sich darauf, welcher Wandler

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36A, 36B oder 36C "bezeichnet ist. Es wird noch, darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Wandler und Spiegel nicht auf drei beschränkt werden muß. Die Indizes "1,2,3" entsprechen "A,B,C" bei dem gezeigten Beispiel mit drei Spiegeln, wenn jene an dem "L" ausgeschrieben sind.

Die Bezeichnung "AM^, AK₂" bedeutet die Wechselstromamplitude der frequenzmodulierten Signale, die beispielsweise durch die Fühler 44 bzw. 46 bestimmt werden.

Die Bezeichnung "A^,, Ap" bezieht sich auf die Signale, welche gespeichert worden sind und die ,das Signal darstellen, welches von den zxirei optischen Fühlern bestimmt wurde, wie z.B. durch die !Fühler 44 und 46. Die Bezeichnung "A^, An" bezieht sich auf die Signale, welche unmittelbar vor der Bestimmung der A^, A^ Signale gespeichert wurden. Das Signal "A" bezieht sich auf die Gleichung A = (A^ + Ao) - (A^ + A^), wenn sich die Vorrichtung in der Betriebsart befindet, bei der die Summe der zwei sich gegenläufig fortpflanzenden Wechselstromsignalamplituden minimalisiert werden soll, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Es wird auch darauf hingewiesen, daß das Verfahren nach der Erfindung ohne einen Rechner durchgeführt werden kann. Beispielsweise könnten zwei Wechselspannungsmesser mit den Fühlern,wie den Fühlern 44 und 46 verbunden sein. Ihre Summe könnte tabellenmäßig erfaßt werden. Dann könnte einige Sekunden später die Lage von einem der Wandler 36B, 36C in die eine oder andere Richtung um einen vorbestimmten kleinen Schritt bewegt werden. "Wenn die Summe der abgelesenen Spannung zunimmt, könnte die Bewegungsrichtung umgekehrt

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werden. Die Wandler könnten fortlaufend bewegt werden, bis die Summe der Ablesungen minimalisiert worden ist.

In ähnlicher Weise könnte auch eine analoge Servovorrichtung verwandt werden. Die von den !"ühlern 44,46 festgestellten Signale könnten mit einem Tiefpassfilter gefiltert xierden und dann einem Spitzen-Spannungsmesser zugeführt werden, daraufhin einem Summierschaltkreis, dessen Ausgang verwandt werden könnte, um einen Wandler 36A oder 36B servozusteuern, bis die Summe minimalisiert ist.

Die von Hand zu betätigenden und analogen mechanischen Einrichtungen sind in den Figuren nicht dargestellt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß Ii¹Xg. 2 werden JLy, und Ap ausgelesen und gespeichert. A,, und A~ werden zu A, und A^ übergeführt und der Wandler 3&B wird um eine vorbestimmte, kleine Größe schrittweise bewegt und neue A^, und Ap werden gespeichert. Die tatsächliche Übertragung der Signale von einem Speicherplatz zu einem anderen dauert notwendigerweise nicht lange, solange der Bechner den Ort einer jeden Dateninformation erfaßt. A^j + Ag wird von A^ + A₁, subtrahiert. Wenn das Vorzeichen von A negativ ist, bedeutet dies, daß die schrittweise Bewegung des Wandlers 36B in der richtigen Richtung erfolgte, so daß das Steuersignal I^ für den Wandler 36B erneut um eine Größe AV mit dem gleichen Vorzeichen wie vorhergehend erhöht wird, und der Vorgang wird wiederholt, bis A positiv wird.

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Wenn A positiv wird, wird Lp um -,AV erhöht. Das A Signal schwingt dann etwas um diesen minimalen Wert. NachdemAV das Vorzeichen während einer vorbestimmten Anzahl "n" geändert hat, wird die Steuerung L₂ auf L, umgeschaltet, was den Wandler 36C steuert. Der gesamte Vorgang wird erneut für den Wandler 36C wiederholt, "bis der minimale Wert von A wieder erreicht ist. Der Vorgang wird wiederum wiederholt, um den Wandler 36A zu steuern.

Wenn, während der Minimalisierung der Summe der Wechselstromamplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen der gesteuerte Wandler an das Ende seines Bereiches kommt, so wird dies festgestellt und ein Zuwachs V₁ des Steuersignals von. entgegengesetzter Polarität wird an den Wandler angelegt, damit der gesteuerte Spiegel im wesentlichen um eine Wellenlänge des Laserlichtes von seiner Endbereichslage wegspringt.

Nachdem die Summe der Wechselstromamplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen minimalisiert worden, ist, ist es wünschenswert, jedoch nicht notwendig, die Differenzen zwischen den Wechselstromamplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen zu verringern. Hierfür■ wird gemäß Fig. 3 die Differenz zwischen A^, und Ao gespeichert und die Lage des gesteuerten Wandlers erhält einen Zuwachs um eine vorbestimmte Größe AV. Die Signale werden, erneut eingelesen und die neue Differenzamplitude wird von der alten Differenzamplitude subtrahiert, um festzustellen, ob der Bewegungszuwachs des Wandlers in der richtigen Richtung erfolgte. Wenn dies der Fall ist,

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wird der Vorgang wiederholt. Wenn dies nicht der Pail ist, wird das Vorzeichen von Ä"V umgekehrt. Der Vergleich erfolgt lediglich eine vorbestimmte Anzahl "m" von Malen, da die Minimalisierung der Differenz die vorhergehende, durch Minimalisierung der Summe erreichte Einstellung zunichte machen kann. Demgemäß verändert die m~malige ("beispielsweise fünfmal) Verringerung der Differenz lediglich die Lage der Wandler und Spiegel von dem Wert weg, bei dem die Summe minimalisiert ist. Der Gewichtsfaktor n/m xi/ird so ausgewählt, wie er am "besten für jedes Gyroskop geeignet ist.

Nachdem die Differenz m-mal an einem Spiegel verringert worden ist, wird der Vorgang auf einen zweiten Spiegel und dann auf einen dritten Spiegel umgeschaltet.

Nachdem die Differenz "bei den gesamten Spiegeln verringert worden ist, wird die Minimalisierung der Summe der Wechselstromsignale "bei den gesamten Spiegeln wiederholt.

Die Reihenfolge wird fortgesetzt.

Während ein Spiegel erfindungsgemäß eingestellt worden ist, wird ein anderer Spiegel mittels der schnellen Servosteuerung 32 für die Hohlraumlängensteuerung eingestellt, so daß die relativ langsame Bewegung des Spiegels nach der Erfindung den Laser nicht verstimmt.

Somit wird die Lage der Spiegel des Lasers fortschreitend eingestellt, um Rückstreuung und damit das Einschließen zu minimalisieren.

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Durch die Erfindung wird also ein einer Zitterbewegung ausgesetzter Ringlaser geschaffen, der insbesondere zur Verwendung als ein Gyroskop geeignet ist, wobei die Rückstreuung von den Spiegeln durch eine Servosteuerung der Spiegel in innere und äußere Lagen minimalisiert wird, so daß die Summe der AM-Amplituden der sich gegenläufig fortpflanzenden Wellen auf einen minimalen Wert verringert wird, woraufhin die Spiegel ferner servogesteuert werden, um die Differenz zwischen den iM-implituden zu verringern.

Obgleich die Erfindung im einzelnen vorhergehend beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, daß die Erfindung auf diese Beschreibung beschränkt sein soll, sondern lediglich in Übereinstimmung mit der Kombination dieser Beschreibung in Zusammenschau mit den anliegenden Ansprüchen.

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Claims

Woodland Hills, California 91365, USA

Ringlaser

Patentansprüche

j Einglaser mit einer Vielzahl von Eckspiegeln, mit Wandlern zur Steuerung der Lage der Eckspiegel, mit einer Vorrichtung zum Feststellen der Wechselstromainplituden der zwei sich gegenläufig fortpflanzenden, frequenzmodulierten Laserwellen, mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer differentiellen Zitterbewegung der Laserweglängen und mit einer SerWOsteuerungseinrichtung zum Steuern der Lage von wenigstens einem der Spiegel, um die Weglänge des Lasers zu steuern und

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TELEFON (OSB) 22 28 60

TßLEGRAUME VOMAHAT

TELEKOPIERER

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abzustimmen, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (32) zur Minimalisierung der Rückstreuung von wenigstens einem der Spiegel (16A,16B, 16G) und zum Verringern des Einschließens "bei dem ßinglaser vorgesehen ist, wobei diese eine mit der PestStellvorrichtung (44,46) verbundene Vorrichtung zur Erzeugung von zwei Signalen, die ein Maß für die Amplituden sind, eine Summiereinrichtung, die zum Empfang der Signale verbunden ist und ein Summensignal erzeugt, welches ein Maß für die Summe der Signale darstellt,und eine Einrichtung umfaßt, um die Lage von wenigstens einem der Spiegel (16A,16B_S16G) servozusteuern, wodurch das Summensignal minimalisierbscr ist.
2. Einglaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Servosteuerung-Übertragungseinrichtung vorgesehen ist, um Steuersignale aufeinanderfolgend von einem Spiegel auf den anderen zu übertragen.
3. Einglaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung, durch die das Bewegungsende der Wandler (36A,36B,36C) feststellbar ist, und eine Einrichtung vorgesehen siid, um die Lage der Wandler und Spiegel um im wesentlichen eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen des Laserlichtes schrittweise zu verändern.
4. Einglaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Servoeinrichtung digitale Servoeinrichtungen sind und daß die übertragungseinrichtung einen digitalen Eechner umfaßt.

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5. Ringlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Servoeinrichtung digitale Servoeinrichtungen sind und daß die tJbertragungseinrichtung einen digitalen Rechner umfaßt.
6. Ringlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Servoeinrichtung digitale Servoeinrichtungen sind und daß die Übertragungseinrichtung einen digitalen Rechner umfaßt.
7- Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet , daß vorgesehen sind eine Vorrichtung zum Subtrahieren der zwei Signale, die ein Maß für die Wechselstromamplituden sind, wodurch ein Differenzsignal erzeugbar ist, welches ein Maß für die absolute Amplitude der Differenz zwischen den subtrahierten Signalen darstellt, eine Servosteuer-Übertragungseinrichtung mit einer Einrichtung zum !Feststellen, wenn das Summensignal minimalisiert ist, damit die Steuerung der Lage der gesteuerten Spiegel (16A,16B,16C) von dem Summensignal auf das Differenzsignal übertragbar ist,und eino Einrichtung zur Begrenzung der Bewegung der Spiegel (16A,16B,16C) bei Steuerung mit dem Differenzsignal.
8. Ringlaser nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet , daß eine Servosteuerung-Übertragungseinrichtung zur aufeinanderfolgenden Übertragung der Steuersignale von einem Spiegel auf einen anderen Spiegel vorgesehen ist.

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9. Ringlaser nach. Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung, durch die das Bewegungsende der Wandler (36A,36B,36C) feststellbar ist, und eine Einrichtung vorgesehen sind, um die Lage der Wandler und Spiegel um im wesentlichen eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen des Laserlichtes schrittweise zu verändern.
10. Einglaser nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet , daß die Servoeinrichtung digitale Servoeinrichtungen sind und daß die Übertragungseinrichtung einen digitalen Rechner umfaßt. .
11. Ringlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Servoeinrichtung digitale Servoeinrichtungen sind und daß die Übertragungseinrichtung, einen digitalen Rechner umfaßt.
12. Ringlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Servoeinrichtung digitale Servoeinrichtungen sind und daß die Übertragungseinrichtung einen digitalen Rechner umfaßt.
13. Ringlaser nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet , daß eine Servosteuerung-Übertragungseinrichtung mit einer Einrichtung zum Feststellen der Bewegung der gesteuerten Spiegel in Abhängigkeit von dem Differenz signal vorgesehen ist, um die Steuerung der Lage der gesteuerten Spiegel von der Steuerung durch das Differenzsignal auf eine solche durch das Summensignal umzuschalten.

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14. Einglaser nach Anspruch 13? dadurch gekennzeichnet , daß eine Servo steuerung-Übertragungseinrichtung vorgesehen ist, um Steuersignale aufeinanderfolgend von einem Spiegelauf den anderen zu übertragen.
15· Einglaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung, durch die das Bewegungsende der Wandler (36A, 36B, 36C) feststellbar ist, und eine Einrichtung vorgesehen sind, um die Lage der Wandler und Spiegel um im wesentlichen eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen des Laserlichtes schrittweise zu verändern.
16. Einglaser nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß die Servoeinrichtung digitale Servoeinrichtungen sind und daß die Übertragungseinrichtung einen digitalen Rechner umfaßt.
17· Einglas er nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Servoeinrichtung digitale Servoeinrichtungen sind und daß die Übertragungseinrichtung einen digitalen Eechner umfaßt.
18. Einglaser nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet , daß die Servoeinrichtung digitiale Servoeinrichtungen sind und daß die übertragungseinrichtung einen digitalen Eechner umfaßt.
19. Einglaser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, 10 bis 12, 16,17 oder 18, dadurch gekennzeichnet , daß durch den digitalen Eechner die Steuerung der Laserweglänge von einem Spiegel, dessen Wandler bezüglich der Eückstreuungs-

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korrektur gesteuert wird, auf einen anderen Spiegel

schaltbar ist.
20. Verfahren zum Verringern der Rückstreuung bei einer Zitterbewegung ausgesetzten Ringlasern, die einstellbare Eckspiegel und eine Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Signale aufweisen, die ein Maß für die sich gegenläufig fortpflanzenden, frequenzmodulierten Laserwellen. sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Amplituden der elektrischen Signale bestimmt werden, daß diese Amplituden additiv miteinander kombiniert werden und daß die Lage von wenigstens einem der Spiegel derart eingestellt daß die kombinierten Amplituden minimalisiert werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Amplituden der elektrischen Signale subtraktiv verknüpft werden und daß die Lage von wenigstens einem der Spiegel eingestellt wird, um den absoluten Wert von dem letztgenannten Verknüpfungswert zu verringern.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß die Spiegel aufeinanderfolgend innerhalb einer vorbestimmten, begrenzten Bewegungsstrecke eingestellt werden, um die letztgenannten Verknüpfungswerte zu verringern.
23- Verfahren nach Ansprach 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Spiegel aufeinanderfolgend eingestellt werden, um das kombinierte Signal zu minimal isieren.

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24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Amplituden der elektrischen Signale subtraktiv verknüpft werden und daß die Lage von wenigstens einem der Spiegel eingestellt wird, um den absoluten Wert des letztgenannten Verknüpfungswertes zu verringern.
25. Verfahren nach Anspruch 24-, dadurch gekennzeichnet , daß die Spiegel aufeinanderfolgend innerhalb einer vorbestimmten, begrenzten Bewegungsstrecke eingestellt werden, um die letztgenannten Verknüpfungswerte zu verringern- ,

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