DE3429802A1

DE3429802A1 - Optisches interferometer, insbesondere faseroptiklaserkreisel, und verfahren zum phasennullen von faseroptiklaserkreiseln

Info

Publication number: DE3429802A1
Application number: DE19843429802
Authority: DE
Inventors: Ivan A. Stamford Conn. Greenwood
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1983-08-11
Filing date: 1984-08-13
Publication date: 1985-02-21
Also published as: SE8403639D0; FR2551543A1; SE8403639L; GB2145222B; FR2551543B1; GB8411798D0; US4545682A; AU3164284A; GB2145222A; IT1174234B; JPS6060513A; NO842909L; IT8421744A0

Description

3429302

Optisches Interferometer, insbesondere Faseroptiklaserkreisel, und Verfahren zum Phasennullen von Faseroptiklaserkreiseln

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Interferometer, insbesondere einen Faseroptiklaserkreisel, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung, einen Faseroptiftlaserkreisel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art und ein*Verfahren zum Phasennullen von Faseroptiklaserkreiseln der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Gattung.

In den letzten Jahren ist eine Reihe von Konstruktionen für Faseroptiklaserkreisel bekannt geworden, welche nach dem Prinzig des Sagnac-Interferometers arbeiten, wobei wesentlich ist, daß Licht, welches sich in einander entgegengesetzten Richtungen in einer Faseroptikspule fortpflanzt, mit einer geringen Zeitdifferenz und somit optischen Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen austritt, wenn die Faseroptikspule sich um ihre Achse dreht (Artikel "Fibre Optic Gyroscopes" von Culshaw und Giles in "3. Phys. E. Sei. Instrum.", Band 16, 1983, Seiten 5 bis 15).

In jüngerer Zeit sind auch Verfahren zum Phasennullen von Faseroptiklaserkreiseln bekannt geworden (US-PS 42 73 444 sowie 42 99 490), wobei auf einen ersten Teil der von einer Lichtquelle emittierten Lichtstrahlung eine feste Frequenz und auf einen zweiten Teil dieser Lichtstrahlung eine veränderliche Frequenz auf moduliert wird. Der modulierte erste Lichtstrahlungsteil durchläuft eine Lichtbahn mit einer Empfindlichkeitsachse, um welche herum Drehungen gemessen werden sollen, in einer Richtung, der modulierte zweite Lichtstrahlungsteil in entgegengesetzter Richtung. Die beiden Lichtstrahlungsteile erfahren jeweils vor dem Eintritt in die Lichtbahn die Modulation mit der festen Frequenz und nach dem Austritt aus der Lichtbahn die Modulation mit der veränderlichen Frequenz bzw. vor dem Eintritt in die Lichtbahn die Modulation mit der veränderlichen Frequenz und nach dem Austritt aus der Lichbahn die Modulation mit der festen Frequenz, so daß sie in derselben Weise beinflußt werden. Es wird ein Signal erzeugt, welches die Phasendifferenz zwischen dem modulierten ersten Lichtstrahlungsteil und dem modulierten zweiten Lichtstrahlungsteil repräsentiert, die sich dann ergibt, wenn die Lichtbahn sich um die Empfindlichkeitsachse dreht, während die Lichtstrahlungsteile durch sie hindurchlaufen. Dieses Signal wird integriert,

wobei der entsprechende Integrator die veränderliche Frequenz ändert, um ein Signal hervorzubringen, das eine Phasendifferenz gleich Null repräsentiert. Die Differenz zwischen der festen Frequenz und der veränderlichen Frequenz stellt also die Drehgeschwindigkeit der Lichtbahn bzw. der Faseroptikspule um ihre Empfindlichkeitsachse dar.

Zwar sind diese Faseroptiklaserkreisel genau, doch erfordern sie teure Frequenzschieber, um die veränderliche Frequenz so zu ändern, daß die Phasendifferenz zu Null wird. Gemäß US-PS 42 73 444 werden gewöhnlich zwei akustooptische Baueinheiten verwendet, welche schwierig herzustellen und teuer sind, einen verhältnismäßig großen Energiebedarf haben, mit Schwierigkeiten bezüglich der Streuung akustischer Energie behaftet sind und generell nicht als eine für die Produktion zweckmäßige Lösung angesehen werden. Man hat erkannt, daß elektrooptische Frequenzschieber günstiger sind, welche man als optische Einseitenbandmodulatoren in Betracht gezogen hat, ohne jedoch bisher einen zufriedenstellenden derartigen Modulator gebaut zu haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Interferometer bzw. einen Faseroptiklaserkreisel der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bzw. welcher sich bei hoher Genauigkeit durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und aus billigen, zuverlässigen sowie stabilen Bauteilen hergestellt werden kann, welche verhältnismäßig wenig Energie verbrauchen, so daß die Kosten im Vergleich zu denen einschlägiger bekannter Geräte wesentlich geringer sind. Auch soll ein Verfahren der eingangs angegebenen Art geschaffen werden, welches alle die genannten Vorteile zu erzielen erlaubt.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 2 bzw. 7 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Faseroptiklaserkreisels nach Patentanspruch 2 sind in den Patentansprüchen 3 bis 6 angegeben, vorteilhafter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentanspruch 7 in den Patentansprüchen 8 bis 10.

Statt die erwähnten bekannten Frequenzschieber zu verwenden, wird erfindungsgemäß die Faseroptikiaserkreisel-Lichtquelle bzw. die Lichtquelle eines anderen optischen Interferometers in einer geschlossenen Rückkopplungs- oder Servoschleife so getrieben, daß sich das gewünschte Phasennullen ergibt. Der Kern der

Erfindung besteht darin, daß zwei um die Frequenzdifferenz Δ-CJ unterschiedliche Frequenzen sich jeweils sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem Uhrzeigersinn in der Faseroptikspule des Gerätes fortpflanzen, im Gegensatz zum Stande der Technik, wo sich nur eine Frequenz in jeder dieser beiden Richtungen fortpflanzt. Durch entsprechende Phasenmodulationen wird jede Frequenz und jede Richtung "markiert", so daß eine gewünschte Kombination extrahiert werden kann und alle anderen Kombinationen ausgeschlossen werden können.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Faseroptiklaserkreisels;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Faseroptiklaserkreisels;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der elektrischen Steuereinheit des Faseroptiklaserkreisels gemäß Fig. 2; und
10

Fig. 4 eine grafische mathematische Darstellung der optischen Signale an

verschiedenen Stellen des Faseroptiklaserkreisels gemäß Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 gelangt beim bekannten Faseroptiklaserkreisel mit Phasennullung nach US-PS 42 99 490 die Lichtstrahlung eines Einfrequenzlasers i zu einem ersten Strahlteiler 2, welcher einen ersten Teilstrahl zu einem ersten Photodetektor 3 reflektiert und einen zweiten Teilstrahl zu einem zweiten Strahlteiler 4 durchläßt. Letzterer läßt einen dritten sowie einen vierten Teilstrahl in das eine bzw. das andere Ende einer Faseroptikspule 5 eintreten, weiche sich in derselben in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen und dann, wenn die Faseroptikspule 5 sich um ihre Symmetrie- bzw. Empfindlichkeitsachse 5' dreht, eine nicht reziproke relative Phasenverschiebung erfahren, weil sich dabei die relativen Bahnlängen des dritten und des vierten Teilstrahls ändern. Beispielsweise wird bei einer Drehung der Faseroptikspuie 5 im Uhrzeigersinn die Bahnlänge des sich in derselben Richtung fortpflanzenden vierten Teilstrahls langer und diejenige des sich entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzenden dritten Teilstrahls kurzer.

Der dritte Teilstrahl passiert vor dem Eintritt in die Faseroptikspuie 5 einen optischen Phasenschieber 6, der vierte Teilstrahl näfch dem Austritt aus der Faseroptikspule 5, so daß diese beiden Teilstrahlen beim Mischen an einem zweiten Photodetektor 7 dieselbe Frequenz aufweisen, obwohl ihre Frequenzen beim Durchlaufen der Faseroptikspule 5 unterschiedlich sind. Der optische Phasenschieber 6 bewirkt durch die Änderung der Frequenz des einen Teilstrahls gegenüber derjenigen des anderen Teilstrahls in der Faseroptikspule 5 eine nicht reziproke relative Phasenverschiebung, welche zum Nullen der rotationsbedingten nicht reziproken relativen Phasenverschiebung benutzt werden kann, und erlaubt ferner das Hervorbringen einer oszillierenden relativen Phasenverschiebung, also eines sogenann-

■'-ψ-

ten "Phasenzitterns", zwischen dem dritten und dem vierten Teilstrahl zur Verwirklichung einer ac-Signalerfassung.

• Bei einer Änderung der Drehgeschwindigkeit der Faseroptikspule 5 wird ein Signal erfaßt, welches der ersten Harmonischen des "Phasenzitterns" mit einer Amplitude entspricht, die der Änderung der Drehgeschwindigkeit proportinal ist. Dieses Signal wird einem synchronen Demodulator in einem elektronischen Rückkopplungssystem 8 zugeführt, wo es gleichgerichtet wird und eine Tiefpaßfilterung erfährt.

Das die Drehgeschwindigkeitsänderung repräsentierende Ausgangssignal des elektronischen Rückkopplungssystems 8 geht einem Integrator 9 zu, dessen Ausgangsspannung der Drehgeschwindigkeit proportional ist und welchem ein spannungsgesteuerter Oszillator 9' nachgeschaltet ist, der dann bei dem dritten und dem vierten Teilstrahl die nicht reziproke relative Phasenverschiebung bewirkt, welche die nicht reziproke relative Phasenverschiebung aufgrund der Drehgeschwindigkeitsänderung nullt, und der ein digitales Kreiselausgangssignal liefert, nämlich eine zur Drehgeschwindigkeit der Faseroptikspule 5 proportionale Frequenz.

Der erste Photodetektor 3 überwacht äußere Laseramplitudenschwankungen und beaufschlagt einen Verstärkungsregelungsverstärker zur Signalniveaunormalisierung im elektronischen Rückkopplungssystem 8 mit einem Korrektursignal.

Wie eingangs erwähnt, ist die Herstellung eines geeigneten optischen Phasenschiebers 6 technisch schwierig und tnit verhältnismäßig hohen Kosten verbunden.

Beim Faseroptiklaserkreisel gemäß Fig. 2 ist eine Lichtquelle 10 vorgesehen, welche von einem Amplitudenmodulator 11 getrieben wird. Die Lichtquelle 10 sollte ein breites optisches Spektrum von Gaußscher Form aufweisen, um Rückstreuungsrauschen und den Kerr-Effekt gering zu halten. Die Amplitude der von der Lichtquelle 10 gelieferten Lichtstrahlung wird entsprechend einer Treibspannung moduliert, welche dem Amplitudenmodulator 11 von einer elektronischen bzw. elektrischen Steuereinheit 15 her über eine erste Ausgangsleitung 13 derselben zugeht, in welcher die Treibspannung erzeugt wird.

Von der Lichtquelle 10 geht ein Strahl 12 modulierten Lichtes aus, welcher auf einen ersten optischen Richtkoppler 14 gerichtet ist, der als Strahlteiler dient.

Ein Teil des Lichtstrahls 12 gelangt durch ein optisches Polarisationselement 16 hindurch zu einem zweiten optischen Richtkoppler 18, welcher über eine erste optische Abzweigung 20 und eine zweite optische Abzweigung 22, in welcher ein üblicher optischer Phasenmodulator 24 angeordnet ist, mit einer Faseroptikspule 26 verbunden ist.

Der optische Phasenmodulator 24 dient dazu, die erwähnte oszillierende relative Phasenverschiebung bzw. das erwähnte "Phasenzittern" zwischen den sich in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzenden Lichtstrahlen zum phasenempfindlichen ac-SignaLerfassen hervorzubringen, und erlaubt die Unterdrückung unerwünschter Signalkomponenten· Der sich im Uhrzeigersinn fortpflanzende Lichtstrahl CW erfährt eine Phasenmodulation nach dem Passieren der gesamten Faseroptikspule 26 und nach dem Austritt aus derselben an der Stelle 28, der sich entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzende Lichtstrahl CCW dagegen vor dem Eintritt in die Faseroptikspule 26, so daß die beiden Lichtstrahlen CW und CCW beim Durchlaufen der Faseroptikspule 26 mit der oszillierenden relativen Phasenverschiebung bzw. dem "Phasenzittern" behaftet sind.

Der vom zweiten optischen Richtkoppler 18 kommende Lichtrückstrahl wird im optischen Polarisatinselement 16 polarisiert und dann im ersten optischen Richtkoppler 14 geteilt, so daß er mit den darin enthaltenen, gemischten optischen Signalen auf einen Photodetektor 34 fällt, dessen Ausgangssignal der elektrischen Steuereinheit 15 über eine Eingangsleitung 42 derselben zugeht, um die elektrische Steuereinheit 15 zu treiben, welche über eine zweite Ausgangsleitung 30 den optischen Phasenmodulator 24 mit einem Steuersignal beaufschlagt und auf einer dritten Ausgangsleitung 40 ein Kreiselausgangssignal liefert, welches die Drehung der Faseroptikspule 26 um deren Symmetrie- bzw. Empfindlichkeitsachse 38 wiedergibt.

Die Lichtquelle 10 ist vorzugsweise von einer superstrahlenden Diode, beispielsweise der Diode GOLS 3000 der Firma GENERAL OPTRONICS CORPORATION, New Jersey, USA, gebildet, jedoch kann auch eine Licht emittierende Diode oder eine Laserdiode verwendet werden. Als Amplitudenmodulator 11 kann beispielsweise der analoge Laserübertrager GOANA der Firma GENERAL OPTRONICS CORPORATION, New Dersey, USA, eingesetzt werden. Als optische Richtkoppler 14 und 18 können beispielsweise die D-Faseroptikkoppler der Firma ANDREW CORPORATION, Orland Park, Illinois, USA, verwendet werden. Ein geeignetes

optisches Polarisationselement 16 ist beispielsweise von der Firma YORK TECHNOLOGY LTD., Winchester, Großbritannien, erhältlich. Die optischen Richtkoppler 14 und 18 sowie das optische Polarisationselement 16 erfüllen einen ähnlichen Zweck, wie die entsprechenden Komponenten des geschilderten Faseroptiklaserkreiseis gemäß Fig. 1. Die Konstruktion für statt dessen geeignete Faseroptikrichtkoppler läßt sich dem Artikel "Single Mode Fiber Optic Components" von R.A. Bergh et al in "SPIE", Band 326, "Fiber Optics-Technology 82", 1982, Seite 137, entnehmen. Der optische Phasenmodulator 24 kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie in dem Artikel "Closed-Loop, Low-Noise Fiber-Optic Rotation Sensor" von Davis und Ezekiel in "Optics Letters", Oktober 1981, Band 6, Nr. 10, Seite 505, beschrieben. Als Photodetektor 34 kann beispielsweise der Siliziumphotodetektor C30815 der Firma RCA, USA, benutzt werden.

Fig. 4 veranschaulicht mathematisch die Signaltransposition zwischen der Lichtquelle 10 und dem Photodetektor 34. Die Lichtquelle 10 liefert ohne die Modulation durch den Amplitudenmodulator 11, welcher ihren Treiber darstellt, ein optisches Dauerstrichsignal cos (CO_Q . t). Der Einfachheit halber sei angenommen, daß der Amplitudenmodulator 11 mit einer Modulation von 100 % arbeitet, wenngleich dieses nicht unbedingt erforderlich ist und die folgenden Gleichungen verallgemeinert werden können. Mit der modulierenden Schwingung bzw. dem Modulationssignal

cos [Aüj.t/2+<}>₀sinu^(t+T) ]

bei 100 %iger Modulation ergibt sich für den modulierten Lichtstrahl 12 der Lichtquelle 10 der elektrische Vektor

E=cos(io_o"t)· cos [Aut/2+<$>_Q sin ω^(. =cos Γω^+Δω^ν^+φ-. sin ω

⁺ cos Qu)Qt-aut/2-<p_Q sin ω · (t+τ)!} .

Fig. 4 zeigt schematisch den modulierten Lichtstrahl 12 der Lichtquelle 10 mit einem oberen Seitenband und einem unteren Seitenband, wie durch die beiden vorstehenden Gleichungskomponenten definiert, welche jeweils eine Phasenmodulationsamplitude {L und eine Phasenmodulationsfrequenz O m sowie die zeitliche Verzögerung L beim Lichtdurchgang durch die Faseroptikspule 26 beinhalten, ferner die GrößeΔίΟ > welche als Drehgeschwindigkeitsmaß im Kreiselausgangssignal vorhanden

sowie eine Komponente des Phasennullungsfehlersignals sein soll. Sowohl das obere als auch das untere Seitenband durchläuft die Faseroptikspule 26 sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem Uhrzeigersinn, so daß sich in derselben zwei optische Signalkomponenten CW im Uhrzeigersinn und zwei optische Signalkomponenten CCW entgegen dem Uhrzeigersinn fortpflanzen, wie in Fig. k veranschaulicht. Wenn die Faseroptikspule 26 dreht, dann ruft sie die nicht reziproke relativer Phasenverschiebung $_NR hervor. Zusätzlich zur Lichtverzögerung um das Zeitintervall t wird daher im optischen Phasenmodulator 2k den optischen Signalkomponenten CW die Phasenverschiebung L· sin (tO m . t)und den optischen Signalkomponenten CCW die Phasenverschiebung <t>_Q sin^CO · (t -^)J hinzugefügt.

Am Photodetektor 3k kommt also ein im Uhrzeigersinn laufendes optisches Signal CW und ein entgegen dem Uhrzeigersinn laufendes optisches Signal CCW an, welches aus den beiden Komponenten A und B bzw. C und D gemäß Fig. k besteht. Unter Vernachlässigung von Proportionalitätskonstanten und geringen üblichen Verzögerungen gilt für das optische CW-Signal

(α)

+οθ8[(ω₀-Δω/2)(t-T)+^_NR/2], (B)

und für das optische CCW-Signal

E_ccw=cos[(u>₀+Au>/2). α-τ)+φ_ο sin ^tJrφ_Q είη(ω_ώ(1:-τ))-φ_ΝΚ/2] (C) +cos[(ü>₀-Aü>/2) (t-rW₀ ^δ1η(ω^Φ₀ ^είη(^ω _η;(^ί:-τ))-Φ_ΝΚ/2], (D)

Bei der Komponente A wird die Phasenmodulation ^_n sinJCJ · (t + t Hvorn Amplitudenmodulator 11 nach der Lichtverzögerung u in der Faseroptikspule 26 zu L· sin (&) . t) wozu derselbe Ausdruck vonrr optischen Phasenmodulator 2k her hinzukommt, wohingegen bei der Komponente B die beiden Phasenmodulationsausdrücke entgegengesetzte Vorzeichen haben und sich daher gegenseitig aufheben.

Formt man die vorstehenden Ausdrücke für die beiden Komponenten C und D jeweils bezüglich des mittleren Teils in der Klammer unter Anwendung der Beziehung sinoC + $infi) = 2 sin [( «< + ß> )/2] cos [(# - fi )/2] bzw, sin A - sin^ =2 cos [( 0< + Jb )/2] sin [(U -ya )/2] unround wählt man ferner die Phasenmodulationsfrequenz (O so, daß der Ausdruck cos (CJ. ^ 12) - 0 und der Ausdruck _ni /2) = 1 wird, dann ergibt sich für das optische CCW-Signal

^KCCW " ^cos I ίω_ο+Δ^) (t-ΐϊ - ^_NR/2]' (C)

+cos [(W₀-^f) (t-r)-2^₀ sin(u_i|^_NR/23_; (D),

wie in Fig. k veranschaulicht.

Mit der Beziehung cosO<. . cos/£ = 1/2 cos (c< -Jj ) + 1/2 cos ((X +/> ) und unter Vernachlässigung von Proportionalitätsfaktoren aus Gründen der Einfachheit sowie derjenigen Ausdrücke, welche das Zweifache der in allen Gleichungen für die Komponenten A bis D vorkommenden optischen Frequenz ^O _n enthalten und im Photostrom nicht in Erscheinung treten, ergeben sich für die Komponenten A bis D die folgenden Kreuzprodukte:

AD - cos (Δω* - Δω* + <J>_NR + 4φ₀ sin u^t) ,

BC = cos (Δω* - Δω* - 4>_NR) ,

AB = cos (Δω* - Δω-τ + 2φ₀ sin u^t) ,

CD » cos(A(u-t - Δω-τ + 2φ- sin wt) , AC « οοε(φ_ΝΚ + 2φ₀ sin ui^t) ,

BD = οοδ(φ_ΝΚ + 2φ₀ sin

Nur bei den Kreuzprodukten AD und BC können der Ausdruck ^tO'l- sowie die Größe $_NR gemeinsam auftreten, da nur in diesen Fällen unterschiedliche optische Frequenzen einander entgegengesetzten Richtungen zugeordnet sind.

Fig. 3 veranschaulicht die elektrische Steuereinheit 15, in welcher die durch die vorstehenden sechs Gleichungen wiedergegebenen Komponenten des Ausgangssignals des Photodetektors 34 verarbeitet werden, womit ein üblicher phasenempf ind-' licher Detektor W über die Eingangsleitung 42 der elektrischen Steuereinheit 15 beaufschlagt wird.

Mit der Beziehung cos ( 0( + 6 ) = cosO^. cosX-sin0( . sin>» ergibt sich für das Kreuzprodukt

AD = cos (Δω* - Δω·τ + Φ_Νβ) cos (4ψ₀ sin u^t)

Da der Ausdruck cos (u«sin x) die ßcsselschcn Funktionen 3~, 3„ ... und der Ausdruck sin (u»sin x) die Besselschen Funktionen J,, 3,, ... liefert und ferner nur Ausdrücke mit der Phasenmodulationsfrequenz CO interessieren, wird von den Kreuzprodukten AD, AB usw. nur der zweite Teil beibehalten, so daß sich dafür ergibt:

AD β -sinUfajt - Δω.τ + <^_R) (2J₁ (4 φ₀) sin BC = 0,

AB = CD = -sin (Δωΐ - Δω.τ) (2^(2(J)₀) sin u

AC = BD = -sin(i_NR) (2^(2φ₀) sin ω

Somit kann die elektrische Steuereinheit 15 nunmehr mit einem vereinfachten j 5 Satz von Ausdrucken arbeiten, nämlich mit den durch die vorstehenden Gleichungen wiedergegebenen drei Ausdrucken, deren Summe im phasenempfindlichen Detektor 44 mit dem Faktor sin ( W ■ t) multipliziert wird. Das entsprechende Ausgangssignal des Detektors 44 geht über dessen Ausgangsleitung 46 einem Tiefpaßfilter 48 zu, welches dann auf seiner Ausgangsleitung 50 das Ausgangssignal .

E 2[J^) sin (Δω-t - Δω<τ + Φ_ΝΚ)+2^(.2φ₀) sin (.Δω-t - Δω-τ}

₁₀ sin Φ_ΝΚ]

liefert.

Wählt man die Phasenmodulationsampiitude L· so, daß für die Besselsche Funktion 3| (2<4q) = 0 gilt, was an der ersten Nullstelle hinter dem Koordinatennullpunkt bei ^₀ = 1,9158 der Fall ist, dann, nimmt die Besselsche Funktion 3.(4 ^J den Wert 0,1673 an und ergibt sich für das Ausgängssignal des Tiefpaßfilters 48:

E_g = -2 χ 0.1673 sin (-Δω* + φ + Δω*)_#

Dor Ausdruck Δ(>0 . t wird mittels eines üblichen elektronischen bzw. elektrischen Einseitenbandmoudlators 52 eliminiert, welcher an die Ausgangsleitung 50 des Tiefpaßfilters 48 angeschlossen ist und um Δ W . t herunterschiebt. Normalerweise reicht dazu eine einfache Multiplikation mit dem Faktor sin (&U) . t) nicht aus, weil der 2 Δ 60 . t-Restausdruck für Δ(Ο< 50 Hz noch im Rückkopplungs- bzw. Servoschleifendurchlaßbereich von in der Regel 100 Hz liegen kann. Daher wird vorzugsweise entsprechend der Beziehung (sin( K +A ) - cos OC . sin 4> )lcos ju - sin o{ mit 0<, = (- Δ CO . L + (o_NR) und Jj - A00 - t heruntergeschoben, wobei cos0( = 1 wird, weil der Ausdruck (-Δ0Ο · L + ^mo) ^unc* ^so~ mit der Winkel OC. bei Null vernachlässigbar klein wird, so daß der Einseitenbandmoudlator 52 auf seiner Ausgangsleitung 56 das Ausgangssignal

είη(-Δω.τ + φ + AuH;)-sin Δω-t

_E. ₌ .0.33«

= -0.334 6 sin (-Δω.τ + φ )

liefert, welches verallgemeinert ein Maß für den Fehler beim Phasennullen des Faseroptiklaserkreisels gemäß Fig. 2 darstellt und dessen Form mit derjenigen des Ausgangssignals des elektronischen Rückkopplungssystems 8 des Faseroptiklaserkreisels gemäß Fig. 1 identisch ist.

Es brauchen nicht die beiden Größen sin ( PC +/6 ) bzw. sin (- ACO . T*+ (έ_Νο + ACO · t) und cos (o(. +/& ) bzw. cos (- ώ W . T + iL_R + Δίο . t) erzeugt zu werden, was schwierig sein könnte, und die Größe AtO kann sowohl innerhalb der Informationsbandbreite liegen als auch größer sein. Wesentlich für diese Art der Einseitenbandmodulation ist allerdings, daß die Größe cos PC bzw. cos (- Λ tO · u + ^mr) iⁿ hinreichender Näherung gleich 1 gesetzt werden kann, was jedoch zutrifft, weil der Winkel PC bzw. der Ausdruck (- &bO · L + $kj_R) durch die noch geschilderte Rückkopplungs- bzw. Servoschleife auf Null zu getrieben bzw. gleich Null gemacht wird.

Die Trennung des Kreuzproduktes AD vom Kreuzprodukt BC der obigen Gleichungen erfordert sowohl die Lichtquellenphasenmodulation als auch die Faseroptikspulenphasenmodulation, da keine dieser beiden Phasenmodulationen allein nur den Ausschluß des einen Kreuzproduktes AD bzw. BC ohne das andere Kreuzprodukt BC bzw. AD gewährleistet.

Um eine Rückkopplungs- bzw. Servoschleife zu bilden, ist die Ausgangsleitung 56 des Einseitenbandmodulators 52 zur Filterung von dessen Ausgangssignal an einen üblichen Integrator 58 oder ein anderes Filter angeschlossen, dessen Ausgangsleitung 60 mit einem üblichen spannungsgesteuerten Oszillator 62 verbunden ist.

Dieser weist einerseits eine Ausgangsleitung 64 auf, welche zu einem üblichen elektronischen bzw. elektrischen Phasenmodulator 66 führt, und ist andererseits ausgangsseitig an die dritte Ausgangsleitung 40 der elektrischen Steuereinheit 15 angeschlossen, auf welcher er ein digitales Kreiselausgangssignal liefert, nämlich eine zur Drehgeschwindigkeit der Faseroptikspule 26 proportionale Frequenz, welches auch einem zweiten Eingang des Einseitenbandmodulators 52 über eine Leitung 54 zugeht. Der Phasenmodulator 66 erzeugt die Treibspannung für den Amplitudenmodulator 11 und ist an die erste Ausgangsleitung 13 der elektrischen Steuereinheit 15 angeschlossen.

Die feste Phasenmodulationsfrequenz CO wird in einem Oszillator 70 erzeugt, welcher damit über eine este Ausgangsleitung 82 einen zweiten Eingang des phasenempfindlichen Detektors 44, über eine zweite Ausgangsleitung 80, einen ersten Verstärker 78 sowie die zweite Ausgangsleitung 30 der elektrischen Steuereinheit 15 den optischen Phasenmodulator 24 und über eine dritte Ausgangsleitung 76, einen zweiten Verstärker 72 mit anderer Verstärkung und dessen Ausgangsleitung 68 einen zweiten Eingang des elektrischen Phasenmodulators 66 beaufschlagt.

Bei der geschilderten, für die Besselfunktionargumentselektion einfachsten Lösung ist dieselbe Phasenmodulationsamplitude #„ für den die Lichtquelle 10 treibenden Ampütudenmoduiator 11 und den optischen Phasenmodulator 24 angenommen und ferner vorausgesetzt, daß die im Oszillator 70 für den elektrischen Phasenmodulator 66 und den optischen Phasenmodulator 24 erzeugte Phasenmodulationsfrequenz (O so gewählt ist, daß die Größe sin ( CO . L /2) = 1 ist. Jedoch müssen diese Bedingungen nicht unbedingt erfüllt sein und sind auch andere Ausführungsformen mit unterschiedlichen Phasenmodulationsamplituden ?L sowie Phasenmodulationsfrequnzen 60 für die besagten Baueinheiten möglich, ebenso wie ein Modulationsindex kleiner als 100 % angewendet werden kann.

Darüberhinaus kann die Erfindung auch zur Messung anderer nicht reziproker Phasenverschiebungen eingesetzt werden, beispielsweise in Verbindung mit Faraday-Effekt-Stromsensoren.

- Leerseite -

Claims

PATENTANWALT
DIPL.-INGi WOLF D. OEDEKOVEN 3 A 2 9 8 O 2

13.08.1984 l/Da

THE SINGER COMPANY, Stamford, Connecticut 0690», USA

Patentansprüche
10

(ΐλ Optisches Interferometer, insbesondere Faseroptiklaserkreisel, mit

a) einer Lichtquelle und einer Faseroptikspule, welche optisch derart miteinander gekoppelt sind, daß sich in der Faseroptikspule zwei Lichtstrahlen in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen,

b) einem Photodetektor zum Empfang der von der Faseroptikspule kommenden Lichtstrahlen und zur Abgabe eines derjenigen nicht reziproken relativen Phasenverschiebung der Lichtstrahlen entsprechenden Ausgangssignals, welche die Faseroptikspule entsprechend dem zu messenden Phänomen bewirkt, und

c) einem optischen Phasenmodulator für die Lichtstrahlen, welcher bezüglich der Faseroptikspule asymmetrisch angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) ein Amplitudenmodulator (11) vorgesehen ist,..welcher die Lichtquelle (10) treibt und mit einem Signal veränderlicher Frequenz beaufschlagbar ist, das durch ein Signal fester Frequenz ίθ phasenmoduliert ist, und

e) der optische Phasenmodulator (24) mit einem Signal fester Frequenz 60 beaufschlagbar ist, um eine entsprechende Phasenmodulation der Lichtstrahlen (CW und CCW) zu bewirken, so daß

f) der Photodetektor (34) ein Ausgangssignal liefert, welches der dem zu messenden Phänomen entsprechenden, nicht reziproken relativen Phasenverschiebund und der durch die veränderliche Frequenz des dem Amplitudenmodulator (11) zugeführten Signals hervorgerufenen, nicht reziproken relativen Phasen verschiebung der Lichtstrahlen (CW und CCW) entspricht, wobei

g) die feste Frequenz &} und die feste Amplitude ^ der dem Amplitudenmodulator (11) und dem optischen Phasenmodulator (24) zugeführten Signale so gewählt sind, daß unerwünschte Signalkomponenten im Ausgangssignal des

IQ Photodetektors (34) verschwinden,

h) das Ausgangssignal des Photodetektors (34) in ein Signal umwandelbar ist, welches nur eine Funktion der algebraischen Summe der beiden nicht reziproken relativen Phasenverschiebungen der Lichtstrahlen (CW und CCW) ist, j5 wenn diese Summe klein ist, und

i) die veränderliche Frequenz des dem Amplitudenmodulator (11) zugeführten Signais so einstellbar ist, daß das umgewandelte Signal verschwindet, und die veränderliche Frequenz dann ein Maß für das zu messende Phänomen sowie das Interferometer- bzw. Kreiselausgangssignal darstellt.
2. Faseroptikiaserkreisel mit

a) einer Lichtquelle und einer um eine Empfindlichkeitsachse drehbaren Faseroptikspule, welche optisch derart miteinander gekoppelt sind, daß sich in der Faseroptikspule zwei Lichtstrahlen in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen,

b) einem Photodetektor zum Empfang der von der Faseroptikspule kommenden Lichtstrahlen und zur Abgabe eines der Drehgeschwindigkeit der Faseroptikspule entsprechenden Ausgangssignals,

c) einem optischen Phasenmodulator für den einen Lichtstrahl zwischen der Lichtquelle und der Faseroptikspule und für den anderen Lichtstrahl zwischen der Faseroptikspule und dem Photodetektor, und

—_ 3" -

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d) einer Steuereinheit für den optischen Phasenmodulator, welche mit dem Ausgangssignal des Photodetektors beaufschlagbar ist und ein der Drehgeschwindigkeit der Faseroptikspule entsprechendes Kreiselausgangssignal in Form einer veränderlichen Frequenz liefert,

gekennzeichnet durch

e) einen Amplitudenmodulator (11), welcher die Lichtquelle (10) treibt, wobei

f) die Steuereinheit (15) zur Erzeugung eines phasenmodulierten Treibsignals" für die Lichtquelle (10) auf den Amplitudenmodulator (11) rückgekoppelt ist.
3. Faseroptiklaserkreisel nach Anspruch 2, dadurch' gekennze ichnet , daß die Steuereinheit (15) einen phasenempfindlichen Detektor (44) aufweist, weleher mit dem Ausgangssignal des Photodetektors (34) und einem Signal fester Frequenz Co beaufschlagbar ist.
4. Faseroptiklaserkreisel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (15) einen Einseitenbandmodulator (52) aufweist, welcher mit dem Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors (44) und dem der Drehgeschwindigkeit der Faseroptikspule (26) entsprechenden Kreiselausgangssignai der Steuereinheit (15) beaufschlagbar ist und ein dem Phasennullungsfehler entsprechendes Ausgangssignal liefert.
5. Faseroptiklaserkreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (15) einen über einen Integrator (58) mit dem Ausgangssignal des Einseitenbandmoduiators (52) beaufschlagbaren spannungsgesteuerten Oszillator (62) zur Erzeugung der Frequenz aufweist, welche der Drehgeschwindigkeit der Faseroptikspule (26) entspricht und das Kreiselausgangssignal der Steuereinheit (15) darstellt.
6. Faseroptiklaserkreisel nach Anspruch 5, dadurch gekennze ichnet , daß die Steuereinheit (15) einen Phasenmodulator (66) aufweist, welcher mit dem Ausgangssignal veränderlicher Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (62) und zur Phasenmodulation desselben mit einem Signal fester Frequenz iO beaufschlagbar ist und ein entsprechendes Ausgangssignal an den Amplitudenmodulator (11) abgibt.
7. Verfahren zum Phasennullen von Faseroptiklaserkreiseln mit einer Lichtquelle und einer um eine Empfindlichkeitsachse drehbaren Faseroptikspule, welche optisch derart miteinander gekoppelt sind, daß sich in der Faseroptikspule zwei Lichtstrahlen in einander entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen, und mit einem Photodetektor zum Empfang der von der Faseroptikspule kommenden Lichtstrahlen und zur Abgabe eines der Drehgeschwindigkeit der Faseroptikspule entsprechenden Ausgangssignals, wobei;,;=.

a) der eine Lichtstrahl vor dem Eintritt in die Faseroptikspule und der andere Lichtstrahl nach dem Austritt aus der Faseroptikspule optisch phasenmoduliert wird und

b) das Ausgangssignal des Photodetektors in eine entsprechende, veränderliche Frequenz umgewandelt wird, welche das Kreiselausgangssignal darstellt,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) die Lichtstrahlung der Lichtquelle (10) derart amplitudenmoduliert wird, daß die durch die Drehung der Faseroptikspule (26) bewirkte, nicht reziproke relative Phasenverschiebung der Lichtstrahlen (CW und CCW) genullt wird, und

d) ein Signal für die Amplitudenmodulation rückgeführt wird, welches der veränderlichen Frequenz entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderliche Frequenz aus dem Ausgangssignal des Photodetektors (34) mittels eines phasenempfindlichen Detektors (44) unter Verwendung einer festen Frequenz 60 gewonnen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Phasenerfassung eine Einseitenbandmodulation unter Verwendung der veränderlichen Frequenz durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Einseitenbandmodulation eine Schwingung mit der veränderlichen Fre-

Frequenz erzeugt wird, welche durch eine Schwingung der festen Frequenz U) phasenmoduliert und dann als Signal zur Ar

lung der Lichtquelle (10) rückgeführt wird.

m phasenmoduliert und dann als Signal zur Amplitudenmodulation der Lichtstrah-