DE3854584T2

DE3854584T2 - Fehlerkorrekturvorrichtung am Zitterumkehrpunkt und Verfahren dafür.

Info

Publication number: DE3854584T2
Application number: DE3854584T
Authority: DE
Inventors: Rodney W Benoist
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1987-01-30
Filing date: 1988-01-06
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2008-01-07
Also published as: EP0287188A2; DE3854584D1; CA1290433C; EP0287188A3; EP0287188B1; JPS63194380A; US4844615A; JPH0624278B2

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Drehsensoren, insbesondere Ringlaserkreisel Drehsensoren. Genauer gesagt betrifft diese Erfindung Vorrichtungen und Verfahren zum Verringern des "Random-walk"-Fehlers eines Ringlaserkreisels, welcher durch die Tendenz gegenläufiger Strahlen eines Ringlaserkreisels zur Kopplung auf eine gemeinsame Frequenz bei kleinen Rotationsraten bzw. -geschwindigkeiten hervorgerufen wird.
Ein Ringlaserkreisel nutzt den Sagnac-Effekt zur Rotationsbestimmung. Zwei gegenläufige Lichtstrahlen bzw. -bündel in einer ebenen geschlossenen Schleife haben Durchlaufzeiten, deren Differenz direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit der Schleife um eine Achse senkrecht zur Ebene der Schleife ist. Die Schleife muß nicht planar sein, jedoch weist der planare Ringlaserkreisel den einfachsten, optischen Pfadtyp auf.
Es gibt im wesentlichen zwei Grundtechniken, um mit Hilfe des Sagnac-Effektes Rotationen zu bestimmen. Eine erste Technik stellt der interferometrische Ansatz dar, bei welchem die Phasenverschiebungsunterschiede zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen gemessen werden, die von einer externen Quelle, typischerweise einem Laser, in einen Sagnac- Ring eingeführt werden.
Der Ring kann durch Spiegel, welche die Lichtstrahlen um den Pfad lenken, oder durch eine optischen Faserwicklung definiert sein. Lichtstrahlen, welche den Pfad verlassen, interferieren und erzeugen ein Muster von hellen und dunklen Linien, ein sogenanntes Streifenmuster. Absolute Änderungen des Streifenbildes zeigen eine Rotation des Ringes an. Die primäre Schwierigkeit bei solchen Anordnungen liegt darin, daß die Änderungen bei den Rotationsgeschwindigkeiten sehr klein sind, welche in Leitsystemen Anwendung finden.
Der Ringlaserkreisel nutzt die Resonanzeigenschaften eines geschlossenen Hohlraumes, um die Sagnac-Phasendifferenz zwischen gegenläufigen Lichtstrahlen in eine Frequenzdifferenz umzuwandeln. Die hohen optischen Frequenzen von ungefähr 10¹&sup5; Hz für in Ringlaserkreiseln verwendetes Licht bewirken, daß die kleinen Phasenänderungen zu Schwebungsfrequenzen werden, welche leicht meßbar sind.
Ein Ringlaserkreisel hat eine Sensorachse, welche durch die geschlossenen, durch die gegenläufigen Lichtstrahlen durchlaufenen Pfade verläuft. Wenn der Ringlaserkreisel nicht um seine Sensorachse rotiert, sind die optischen Pfade für die beiden gegenläufigen Lichtstrahlen von identischer Länge, so daß die beiden Lichtstrahlen identische Frequenzen besitzen. Die Rotation des Ringlaserkreisels um seine Sensorachse bedingt, daß die effektive Pfadlänge für in Rotationsrichtung verlaufendes Licht zunimmt, während sich die effektive Pfadlänge für die in entgegengesetzte Richtung zur Rotation verlaufende Welle verringert.
Ringlaserkreisel können als passiv oder aktiv klassifiziert werden, je nachdem, ob das Laser- oder Verstärkungsmedium sich außerhalb oder innerhalb des Hohlraumes befindet. Bei aktiven Ringlaserkreiseln wird der Hohlraum, welcher durch den geschlossenen optischen Pfad definiert ist, zum Oszillator und die ausgesandten Lichtstrahlen aus den beiden Richtungen sind kombinierbar, um miteinander zu schweben, so daß sich eine Schwebungsfrequenz ergibt, die ein Maß für die Rotationsgeschwindigkeit darstellt. Der Oszillatoransatz bedeutet, daß Freguenzfiltereigenschaften des Hohlraumresonators um viele Größenordnungen näher unter einem passiven Hohlraum liegen und ein Potential für eine sehr genaue Rotationserfassung ergeben. Heutzutage liegen die wesentlichen Ringlaserkreisel-Rotationssensoranstrengungen auf dem Gebiet des aktiven Ringlaserkreisels. Alle derzeitigen kommerziell verfügbaren optischen Rotationssensoren sind aktive Ringlaserkreisel.
Bei dem aktiven Ringlaserkreisel wird die Länge des geschlossenen optischen Pfades durch mindestens einen bewegbaren Spiegel gesteuert, so daß ein Intensitätsmaximum beibehalten wird. Eine maximale Intensität wird erreicht, wenn die komplette geschlossene Pfadlänge ein ganzes Vielfaches (ungefähr 10&sup6;) der Wellenlänge beträgt, für welche die Laserverstärkung ein Maximum darstellt. Intensitätsmaxima werden getrennt durch eine pfadlängenänderung um eine Wellenlänge ermittelt. Die Wellenlängenanzahl der Pfadlänge wird als Modus des Laserkreisels bezeichnet.
Wenn die Rotationsrate eines Ringlaserkreisels innerhalb eines bestimmten Bereiches ist, verschwindet der Frequenzunterschied zwischen den Strahlen. Dieses Phänomen wird "Frequenz-Lock-in" oder "Modenkopplung" genannt und stellt die größte Schwierigkeit bei Ringlaserkreiseln dar, da bei kleinen Rotationsgeschwindigkeiten der Ringlaserkreisel fälschlicherweise eine Nicht-Rotation des Systems anzeigt. Wenn die Potationsgeschwindigkeit eines Ringlaserkreisels bei einem Wert über der Lock-in-Schwelle beginnt und sich danach reduziert, so verschwindet der Frequenzunterschied zwischen beiden Strahlen bei einer bestimmten Eingangs-Rotationsgeschwindigkeit. Diese Eingangs-Rotationsrate nennt man die Lock-in-Schwelle und kann mit ΩL bezeichnet werden. Der Rotationsgeschwindigkeitsbereich, in dem das Lock-in stattfindet, wird als das "Totband" eines Ringlaserkreisels bezeichnet.
Das Lock-in entsteht durch die Kopplung des Lichtes zwischen den Strahlen. Die Kopplung resultiert primär aus der Rückstreuung von den Spiegeln, welche die Strahlen auf den geschlossenen Pfad einschränken. Die Rückstreuung bedingt, daß der Strahl in jeder Richtung eine kleine Komponente mit der Frequenz des in der anderen Richtung ausbreitenden Strahls besitzt. Der Lock-in-Effekt eines Ringlaserkreisels ist der Kopplung ähnlich, welche seit langem beobachtet und bei konventionellen elektronischen Oszillatoren verstanden wurde.
Zusätzlich zur Erzeugung fehlerhafter Rotationsgeschwindigkeits-Informationen, welche von einem Ringlaserkreisel ausgegeben werden, erzeugt das Lock-in stehende Wellen, welche auf der Spiegeloberfläche erscheinen. Diese stehenden Wellen können ein Gitter aus stark und gering absorbierenden Bereichen erzeugen, welche wiederum lokale Verluste erzeugen und damit die Kopplung und auch das Lock-in vergrößern. Die Spiegel können dauerhaft beschädigt werden, wenn der Ringlaserkreisel unter Lock-in-Bedingungen betrieben wird.
Jede Unmöglichkeit zur genauen Messung niedriger Rotationsgeschwindigkeiten reduziert die Effektivität eines Ringlaserkreisels in Navigationssystemen. Hier wurde substantielle Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet, um diese Effekte des Lock-ins zu reduzieren bzw. auszumerzen und damit die Brauchbarkeit von Ringlaserkreiseln in solchen Systemen zu verbessern.
Es gibt verschiedene Ansätze zur Lösung dieses Lock-in-Problems. Diese Ansätze bestehen darin, die Frequenzdifferenz zwischen den gegenrotierenden Strahlen derart vorzuspannen, daß der Lock-in-Bereich entweder für die komplette oder für den größten Teil der Betriebs zeit des Laserkreisels vermieden wird. Elektro-optische Einrichtungen, wie etwa eine Faradayzelle oder ein magnetischer Spiegel, können verwendet werden, um die Frequenzen vorzuspannen; oder der Laserkreisei kann durch den Gyroskop-Körper vorgespannt werden. Eine typische Anwendung besteht in der periodischen Umkehrung der Geschwindigkeit gemäß den elektrischen oder mechanischen Verfahren, da oftmals der Genauigkeitsgrad für die angelegte Vorspannung nicht bekannt ist, welcher für eine anfängliche Navigation erforderlich ist. Die Geschwindigkeitsumkehrungen ermöglichen eine Ausmittelung der angelegten Vorspannung.
Der bekannteste und erfolgreichtste Ansatz besteht darin, den Ringlaserkreisel mechanisch um seine Achse so schwingen zu lassen, daß das System ständig durch das Totband schwingt und niemals komplett einlockt. Das mechanische Oszillieren des Ringlaserkreisels wird normalerweise "dithern" genannt. Ein typischer Ringlaserkreisel "dithert" bei ca. 400 Hz mit einer Winkelversetzung von einigen Arc-Minuten.
Das Dithern des Ringlaserkreisels wird durch Montage des Ringlaserkreiselrahmens auf einer flexiblen Vorrichtung mit einer Vielzahl von Flügeln oder Lamellen erreicht, die sich vom zentralen Punkt erstrecken. Jeder Flügel hat ein Paar von piezoelektrischen Elementen auf ihren gegenüberliegenden Seiten inontiert. Diesen piezoelektrischen Elementen werden derart Spannungen zugeführt, daß sich ein piezoelektrisches Element auf jeweils einer Seite des Flügels ausdehnt, während das andere piezoelektrische Element sich auf der anderen Seite des Flügels zusammenzieht. Der Effekt dieser Längenänderung der piezoelektrischen Elemente wird durch die Fixierung des piezoelektrischen Elementes an dem Flügel auf den Flügel übertragen. Eine Vergrößerung der Länge einer Seite jedes Flügels und die Verkürzung der anderen Seite bewirkt eine Verbiegung oder Krümmung des Flügels, so daß eine kleine Rotation um die Ringlaserkreisel-Achse stattfindet. Die Spannungen oszilliert, so daß die Flügel konstant in Phase vibrieren und der Ringlaserkreiselrahmen, welcher an den Flügeln befestigt ist, ebenfalls um die Achse rotiert.
Die Amplitude des Ditherns wird im allgemeinen sorgfältig gesteuert und überwacht. Da die Dither-Oszillations-Winkelgeschwindigkeit und der relative Versatz zur Stütz struktur konstant überwacht werden können, sind sie vom Ausgangssignal des Ringlaserkreisels ausnehmbar. Trotz alledem hat sich gezeigt, daß ein konstantes Dithern, aufgrund des verbleibenden "Lock-in"-Fehlers nicht geeignet ist. Eine typische Anwendung besteht darin, ein Random- bzw. Zufallssignal der Amplitude des Dither-Treiberverstärkers zu überlagern.
Selbst bei Dithern gibt es aufgrund des "Lock-in" einen Rückstand. Wenn das Vorzeichen bzw. die Richtung der Frequenzdifferenz umgekehrt wird, tendieren die beiden Lichtstrahlen zum Lock-in, da an einigen Punkten der Frequenzunterschiede zwischen ihnen gleich Null ist. Da der Ausgangswinkel des Ringlaserkreisel im allgemeinen von dem Freguenzunterschied abgeleitet wird, kumuliert ein Fehler im Ausgangswinkel. Die Zeitperioden, in denen beide Strahlen miteinander gekoppelt sind, sind gewöhnlicherweise sehr kurz, so daß der resultierende Ausgangswinkel-Fehler für jeden einzelnen Vorzeichen-Wechsel sehr klein ist. Trotz alledem kumulieren diese Fehler, die vom Lock-in während der Vorzeichen-Umkehrung des Frequenzunterschiedes resultieren, und können irgendwann signifikant werden, besonders bei Präzisions-Navigations-Systemen. Dieser Fehler wird manchmal "Random-Walk" oder "Random-Drift" genannt.
Ein Ringlaserkreisel kann auf einem Kardan- bzw. Tragsystem befestigt sein. Normalerweise werden bei einem Kardanbefestigungssystem die Erfassungsachsen der Ringlaserkreisel relativ zu einer Anfangsreferenz oder relativ zu Koordinaten, welche zur Erde fixiert sind, fest eingerichtet.
Ein weiteres Verfahren zum Befestigen der Ringlaserkreisel besteht in deren Befestigung an einem Fahrzeug, so daß die Sensorachsen mit einem Set aus Orthogonalachsen auf dem Fahrzeug ausgerichtet sind. Beschleunigungsmesser sind zudem an dem Fahrzeug befestigt und ein computer wandelt Daten von den Beschleunigungsmessern und den Rotationssensoren in Navigationskoordinaten um. Diese Anordnung wird als Festschnall-Mechanisierung (strapped down mechanization) bezeichnet. Der Ringlaserkreisel ist aufgrund seiner Skalenfaktor-Genauigkeit und seines dynamischen Bereiches für ein festgeschnalltes System geeigneter als ein Spinrotorkreisel. Die Skalenfaktorgenauigkeit eines Ringlaserkreisels beträgt normalerweise das fünf bis zehnfache der Genauigkeit eines Spinrotorkreisels.
Das US-Patent 4,115,004 von Hutchings et al. und angemeldet von Litton Systems, Inc., Anmelder der vorliegenden Erfindung, beschreibt ein Doppelfedersystem, welches ein Gegengewicht zum Ringlaserkreiselgehäuse montiert, so daß die Oszillationsbewegung des Gehäuses aufgrund von Kreiseloszillation verringert wird. Dieses Doppelfedersystem umfaßt ein erstes Set aus Federn, welches zwischen dem Gehäuse und dem Kreisel befestigt ist, und ein zweites Set aus Federn, welches zwischen dem Gehäuse und dem Gegengewicht befestigt ist.
Das US-Patent 4,309,107 von McNair et al, und angemeldet von Litton Systems, Inc., Anmelder der vorliegenden Erfindung, beschreibt einen Ringlaserkreisel-Dithermechanismus für das Isolieren von Vibrationsenergie, die durch das Dithern des Kreisels erzeugt wird, und welcher verhindert, daß diese Energie zum Kreisel-Befestigungsgehäuse übertragen wird. Mcnair et al. beschreibt ein Dreifedersystem zum Befestigen eines Kreisels an einem Gehäuse oder Kasten, zum Befestigen eines Gegengewichtes am Kreisel und zum Befestigen des Gegengewichtes an dem Gehäuse. Diese Anordnung verringert den Umfang an Winkelvibrationsenergie, welche zu dem Kreiselgehäuse durch die Verwendung des Gegengewichtes übertragen wird, um eine Reaktion auf die Schwingungen bzw. Oszillationen innerhalb des Kreisels zu liefern, welche durch das mechanische Dithern bewirkt wurden, so daß ein Lock-in vermieden wird.
Das US-Patent 3,464,657 von Bullard beschreibt ein einziges Paar von Federn, welches mit dem Rahmen und der Befestigungsplattform eines Flugzeuginstumentes verbunden ist, um die Vibrationsenergie von dem Instrument zu isolieren.
Das US-Patent 3,373,650 von Killpatrick beschreibt ein Dithersystem, bei welchem eine variierende Freguenz-Vorspannung an mindestens einen der gegenläufigen Strahlen angelegt wird. Killpatrick beschreibt eine Faradayzelle und zwei Viertelwellenplatten im Pfad der sich gegenläufig ausbreitenden Lichtstrahlen. Die Faradyzelle umfaßt eine Spule, welche durch einen oszillierenden Strom erregt wird, so daß ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt wird, das mit den gegenläufigen Strahlen zusammenwirkt. Die variierende Vorspannung bzw. Bias bewirkt eine variierende Frequenzdifferenz zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Strahlen. Diese Freguenzdifferenz ist im allgemeinen größer als die Frequenzdifferenz, welche bei der Lock-in-Schwelle auftritt. Die Polarität der Freguenzdifferenz wird periodisch gewechselt, so daß das Zeitintegral der Freguenzdifferenz über dem Zeitintervall zwischen Vorzeichenumkehrungen im wesentlichen Null ist.
Das US-Patent 3,467,472 beschreibt ein Dither-System, welches dem von Killpatrick im US-Patent 3,373,650 beschriebenen ähnlich ist. Jedoch wird in diesem Patent offenbart, den Vorspannungsbetrag beliebig zu ändern, um den Random-Walk zu verringern, welcher aus dem Lock-in resultiert, wenn die Vorzeichenänderung der Vorspannung umgekehrt wird.
Das US-Patent 4,248,534 beschreibt einen Ringlaserkreisel, welcher eine dreieckige Blockanordnung aufweist und welcher einen dreieckig geformten Laserresonanzhohlraum umfaßt, der durch drei Eckspiegel festgelegt ist, die einen Ausgangsspiegel aufweisen. Der Kreisel wird sinusförmig gedithert, um Lock-in-Effekte bei niedrigen Winkelrotationsgeschwindigkeiten zu verringern, und der Kreiselausgang wird gegenüber Fehlern korrigiert, welche durch das Lock-in an den Enden jeder Schwingung erzeugt werden, wenn die Dithergeschwindigkeit Null entspricht, indem die Wechselspannungsausgänge der Photodiode kumuliert werden, welche die Lichtintensität des Interferenzmusters bei jeder Null-Dithergeschwindigkeit mißt. Wenn der kumulierte Phasenfehler 2π erreicht, wird ein überlauf- oder Auffüllimpuls erzeugt und zum normalen Kreiselausgang hinzuaddiert, wodurch die kumulierten Fehler korrigiert werden, welche durch das Lock-in bei Null-Dithergeschwindigkeit erzeugt werden.
Das US-Patent 4,526,469 von Egli et al. beschreibt eine Diskriminanten-Vorrichtung für Ringlaserkreisel. Die Diskriminante wird einer bewerteten Vektorsumme der Kopplungsenergie zwischen den gegenläufig ausbreitenden Wellen zugeordnet und kann zur Kennzeichnung von relativen Größenänderungen der Lock-in-Rate verwendet werden. Die Diskriminante wird in einem geschlossenen Pfad bzw. einer geschlossenen Schleife verwendet, um den durch die gegenläufigen Wellen durchwandernden Pfad zu ändern, so daß die bewertete Vektorsumme der dazwischen gekoppelten Energie eingestellt wird, wodurch die Lock-in-Effekte verringert werden.
Das US-Patent 4,529,311 beschreibt ein Ringlaserkreiselsystem, welches einen inkrementalen Fehlerparameter verwendet, welcher der momentanen Phasendifferenz zwischen zwei gegenläufigen Strahlen eines Winkelgeschwindigkeitssensors eines Ringlasers zugeordnet ist, um ein Set von Fehlerparametern zu erzeugen, die dem Lock-in-Fehlerbeitrag entsprechen, welcher den Sensorausgang aufweist. Die Fehlerparameter können für die Kompensierung des Gyro-Ausganges für den Lock-in-Fehler verwendet werden, oder die Parameter können bei einer Steuerschleife für das indirekte Verringern des in dem Sensorausgang enthaltenen Fehlers eingesetzt werden, oder eine Kombination sowohl aus der Fehlerverringerung als auch aus der Fehlerkompensation kann verwendet werden.
Das am 1. Juli 1986 erteilte US-Patent Nr. 4,597,667, angemeldet von Litton Systems, Inc., Anmelder der vorliegenden Erfindung, beschreibt eine Dither-Steuereinrichtung für ein Winkelrotations-Erfassungssystem eines Ringlaserkreisels, bei welchem ein Sensor ein Signal erzeugt, welches die Ditherwinkelbewegung darstellt. Der Antriebsschaltkreis für das Dithern des Ringlaserkreisel-Elementes bzw. -Körpers wird bei Zeitintervallen abgetastet, welche kürzer als die Eigenoszillationsdauer des Ringlaserkreisel-Elementes sind Die Absolutwerte der Abtastungen werden gemittelt, um eine Messung zu erzielen, welche dem Durchschnitt der Spitzenamplitude des Ditheroszillationssignales proportional ist. Wenn die Spitzenamplitude bis zu einem vorgegebenen Minimalwert abklingt, wird ein Antriebsmoment auf dem Ringlaserkreisel aufgebracht. Wenn die Abtastungssumme ausreichend zunimmt wird im Ringlaserkreisel ein Oszillieren bei dessen Eigenfrequenz ermöglicht, während die Amplitude langsam auf den Minimalwert abklingt, bei welchem wiederum das Antriebsmoment aufgebracht wird. Hierdurch werden die maximale Dithereingangsgeschwindigkeit und die Dithertiefe, im Durchschnitt, auf den gewünschten Wert gesteuert.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Lock-in-Fehlerkorrekturverfahren, indem ein wirkungsvolles Verfahren zum Verringern des Random-Walk-Fehlers eines Element-geditherten Ringlaserkreisels geschaffen wird.
Die Erfindung schafft ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 3, für das Korrigieren der Random- Walk-Fehler, welche durch das Koppeln zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen in einem Ringlaserkreisel verursacht werden, welcher um eine Sensorachse element- bzw. körpergedithert ist.
Die Korrekturberechnung für den Drehwinkel erfolgt vorzugsweise entsprechend der Gleichung:
ΔψKorrektur = BL[2π(Bmωd)&supmin;¹]1/2sin(φH + &epsi; ± π/4).
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend lediglich durch ein Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines auf einer Stützanordnung befestigten Ringlaserkreisels;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Ringlaserkreisel von Fig. 1;
Fig. 3 eine Teilschnittansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 1, welche einen an einer Ditherfeder befestigten piezoelektrischen Treiber darstellt;
Fig. 4 graphisch die Ausgangsschwebungsfrequenz eines Ringlaserkreisels als Funktion der Rotationsgeschwindigkeit;
Fig. 5 nach vorne reflektiertes und rückgestreutes Licht von einem Spiegel, welcher in einem Ringlaserkreisel von Fig. 1 enthalten sein kann;
Fig. 6A und 6B die Ausgangswellenform des Ringlaserkreisels von Fig. 1 für die Rotationsgeschwindigkeiten, welche von dem Lock-in-Schwellenwert entfernt bzw. dem Lock-in-Schwellenwert nahe sind;
Fig. 7 ein Blockdiagramm der Umkehrkorrekturvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ein Blockdiagramm eines Intensitätsdemodulators, welchen die Umkehrkorrekturvorrichtung von Fig. 7 aufweist;
Fig. 9 graphisch Variationen des Random-Walk-Koeffizienten, der Summensignalgröße und der Summensignalphase als Funktionen der Temperatur des Ringlaserkreisels von Fig. 1;
Fig. 10 ein Pfadlängen-Steuersystem, welches der Ringlaserkreisel der Fig. 1 und 2 aufweisen kann;
Fig. 11 graphisch Analogsignale, welche die Ausgänge von zwei heterodynen Photodetektoren darstellen, die in dem Ringlaserkreisel von Fig. 1 enthalten sind, kurz vor und kurz nach einer Umkehrung der Ditherbewegung; und
Fig. 12 ein Blockdiagramm eines analogen Umkehrdetektors, welcher auf dem Erfassen des Zeitpunktes basiert, wenn die Änderungsrate der beiden heterodynen Signale Null ist.
Gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein Ringlaserkreisel 10 auf einer Stütze 12 befestigt. Der Ringlaserkreisel 10 ist als Beispiel für viele derartige Vorrichtungen, auf welche die vorliegende Erfindung anwendbar ist, dargestellt und beschränkt die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform des in den Fig. 1 und 2 dargestellten und hierin beschriebenen Ringlaserkreisels 10.
Der Ringlaserkreisel 10 wird durch einen flexiblen Mechanismus 14 gestützt, welche mehrere Federn 16 bis 18 aufweist, die mit einem Rahmen 20 und der Stütze 12 verbunden sind. Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt drei Federn, jedoch kann in der Erfindung jede Anzahl von Federn zur Anwendung kommen. Gemäß den Fig. 2 und 3 können die Federn 16 bis 18 als dünne Rechtecke ausgebildet sein, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf ihre Anwendbarkeit auf Federn mit derartigen Formen beschränkt.
Gemäß den Fig. 2 und 3 sind jeweils ein Paar von piezoelektrischen Wafern bzw. Scheiben 16A, 16B, 17A, 17B, 18A und 18B auf den Federn 16 bis 18 befestigt, welche in einem zentralen Hohlraum 31 im Rahmen 20 montiert sind. Die piezoelektrischen Waver 16A und 16B haben im wesentlichen rechteckige Formen und sind an gegenüberliegenden Seiten der Feder 16 befestigt. Die piezoelektrischen Waver 16A und 16B sind vorzugsweise durch ein geeignetes Haft- bzw. Klebemittel an der Feder 16 befestigt.
Der piezoelektrische Waver 16A ist derart gepolt, daß bei Anlegen einer Treiberspannung an den piezoelektrischen Waver 16A sich dieser wahlweise ausdehnt oder zusammenzieht. Der piezoelektrische Waver 16B ist auch gepolt und hat ein Paar gegenüberliegender Elektroden 26 und 28, welche damit verbunden sind. Die piezoelektrischen Waver 16A und 16B können entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, so daß das Anlegen des gleichen Treibersignals an diese beiden Waver bewirkt, daß sich ein Waver, beispielsweise der Waver 16A ausdehnt, während sich der andere Waver 16B zusammenzieht. Wenn die Waver 16A und 16B die gleichen Polaritäten aufweisen, müssen die Treiberspannungen entgegengesetzte Polaritäten haben, um die erwünschte Wirkung von alternierendem Expandieren und Kontrahieren zu erzielen. Die Polaritäten und Treiberspannungen der piezoelektrischen Waver 17A, 17B, 18A und 18B sind im wesentlichen mit denen der piezoelektrischen Waver 16A bzw. 16B identisch. Die Federn 16, 17 und 18 verformen sich somit, wenn sich die piezoelektrischen Waver 16A, 17A und 18A zusammenziehen, während sich die piezoelektrischen Waver 16B, 17B und 18B ausdehnen, so daß sich der Rahmen 20 um die Stütze 12 im Uhrzeigersinn dreht. Eine Vorzeichenänderung der Treiberspannung bewirkt eine Drehung des Rahmens 20 um die Stütze 12 im Gegenuhrzeigersinn.
Bezugnehmend auf Fig. 2 verläuft ein im Rahmen 20 ausgebildeter Hohlraum 30 zwischen mehreren Spiegeln 32-35, welche Licht um einen geschlossenen Pfad innerhalb des Hohlraumes 30 lenken. Ein Verstärkungsmedium 38 ist innerhalb des Hohlraumes 30 gehalten. Das Verstärkungsmedium umfaßt normalerweise eine Mischung aus Helium- und Neongasen. Das Anlegen einer Erregungsspannung an einem Paar von Anoden 42A und 42B und eine Kathode 44 bewirkt bekannte Energieniveauübergänge in der Gasmischung, so daß sich gegenläufig ausbreitende, koherente Lichtstrahlen im Hohlraum 30 erzeugt werden.
Die beiden gegenläufigen Strahlen werden einer Rotationsinduzierten Phasenverschiebung bei der Zirkulation um den Hohlraum 30 durch aufeinander folgende Reflektionen von den Spiegeln 32-35 unterworfen, wenn sich der Hohlraum 30 um seine Längsachse dreht. Die Änderungsrate bzw. -geschwindigkeit der Phasendifferenz der beiden gegenläufigen Strahlen bezeichnet die Rotationsgeschwindigkeit des Ringlaserkreisels 10 um dessen Längsachse. Da der Hohlraum 30 als Resonanzhohlraum für die beiden Strahlen wirkt, wird die Frequenz jedes Strahles eng definiert, so daß Änderungen der Phasenverschiebung erfaßbar sind.
Einer der Spiegel, etwa der Spiegel 32 ist teildurchlässig, so daß ein Teil von jedem Strahl ein Prisma 48 erreicht, welches an der Rückseite des Spiegels 32 befestigt ist. Das Prisma 48 ist derart ausgebildet, daß es die gegenläufigen Strahlen kombiniert oder überlagert, so daß sie miteinander interferieren, bevor sie auf ein Paar von Photodetektoren 50A und 50B auftreffen. Die kombinierten Strahlen erzeugen Interferenzstreifen, welche sich quer über die Detektoren 50A und 50B bewegen. Die Ausgänge der Detektoren 50A und 50B werden im allgemeinen Überlagerungssignal bzw. Heterodyn- Signal genannt. Die von den Detektoren 50A und 50B ausgegebenen Signale werden im folgenden als Überlagerungssignal A oder HET A bzw. als Überlagerungssignal B oder HET B bezeichnet. Die Frequenzdifferenz oder Schwebungsfrequenz der beiden Strahlen ist aus der Bewegung der Interferenzstreifen quer über die Detektoren 50A und 50B erkennbar. Dementsprechend identifiziert die Bewegungsrichtung der Streifen die Drehrichtung. Jeder komplette Zyklus des Interferenzmusters entspricht π-Phasenwinkeln bzw. Phasen-Radians oder einem Zyklus der Schwebungsfrequenz und entspricht folglich einer festen Winkel-Rotationszunahme. Bei jedem kompletten Zyklus des Interferenzmusters wird ein Signal erzeugt, welches als Überlagerungszählung bzw. -zählwert bezeichnet wird. Bei einem Ringlaserkreisel 10 mit 28cm Pfadlänge beträgt der Skalenfaktor ungefähr 1,8 Arc-Sekunden der Rotation pro Überlagerungszählwert.
Die Frequenz des Schwebungssignals, welches erzeugt wird, wenn die beiden Frequenzen sich an den Detektoren 50A und 50B überlagern, ist zu der Rotationsgeschwindigkeit des Ringlaserkreisels 10 um dessen Längsachse direkt proportional. Gemäß Fig. 4 sperren (lock) die gegenläufigen Strahlen bei der gleichen Frequenz, wenn die Drehgeschwindigkeit eines einfachen nicht vorgespannten Ringlaserkreisels 10 auf die Lock-in-Schwellengeschwindigkeit ΩL verringert wird. Die Frequenzen der gegenläufigen Strahlen entsprechen einander für einen Rotations-Geschwindigkeitsbereich von ±ΩL, welcher das in Fig. 4 dargestellte Lock-in-Totband darstellt. Der Signalausgang vom Ringlaserkreisel 10 ist in der Nähe des Totbandes nicht-linear, was ein Verlassen des Ausganges von einem idealen Ringlaserkreisel darstellt.
Gemäß Fig. 5 wird angenommen, daß das Lock-in hauptsächlich durch von den Spiegeln 32-35 rückgestreute Strahlung bewirkt wird. Da die gegenläufigen Strahlen auf jeden der Spiegel 32-35 mit einem Einfallswinkel von 45º auftreffen, würde bei idealen optimal flachen Spiegeln keine rückgestreute Strahlung entstehen. Der Hauptteil jedes Strahls wird beispielsweise vom Spiegel 32 gemäß den Reflektionsgesetzen nach vorne reflektiert. Obwohl jedoch die Spiegel 32-35 hochqualitativ sind bewirken Oberflächenungenauigkeiten einige spiegelnde Reflektionen jedes Strahls in alle Richtungen. Licht von einem Strahl, welches in einem akzeptablen festen Winkel für den entgegengesetzt gerichteten Strahl rückgestreut wird, koppelt sich mit diesem. Der akzeptable feste Winkel (acceptance solid angle) hängt von der Lichtwellenlänge und dem Durchmesser des Hohlraumes 30 ab. Bei einem typischen viereckigen Ringlaserkreisel 10 mit einem 45º-Einfallwinkel wird eines von 106 Teilen der kompletten spiegelnden Reflektion von irgendeinem der Spiegel 32-35 in den akzeptablen Winkel winkel des gegenläufigen Strahles gestreut.
Gemäß Fig. 6A ist der Ausgang des Detektors 50 als Funktion der Zeit sinusförmig, wenn die Rotationsgeschwindigkeit von der Lock-in-Schwelle weit entfernt ist. Bezugnehmend auf Fig. 68 wird der Ausgang des Detektors 50 von der erwünschten sinusförmigen Wellenform verzerrt, wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit nahe der Lock-in-Schwelle befindet. Bei einem typischen Ringlaserkreisel mit einer Hohlraumlänge von 49cm beträgt die Lock-in-Schwelle (Schwellenwert) ungefähr 100º/Std. Somit ist für das Erhalten von zufriedenstellenden Ergebnissen von dem Ringlaserkreisel 10 nicht nur die Vermeidung des Lock-in erforderlich, sondern es muß auch vermieden werden, daß sich die Rotationsgeschwindigkeiten nahe dem Totband befinden.
Die Differentialgleichung, welche die Eingangsgeschwindigkeit, die Ausgangsgeschwindigkeit und den Lock-in-Fehler betrifft, ist
ψ = ω + BL Sinψ (1)
wobei:
ψ die Frequenzdifferenz zwischen gegenläufigen Strahlen darstellt;
Sinn ψ die Phasendifferenz im Bogenmaß zwischen den gegenläufigen Strahlen darstellt;
ω die Eingangsrotationsgeschwindigkeit darstellt; und
BL die Lock-in-Geschwindigkeit ist.
Die obige Gleichung erleichtert das Verständnis für das Lock-in-Phänomen. Bei ω ≤BL existiert ein Wert für ψ derart, daß ψ = 0 ist und es existieren keine Ausgangszählwerte vom Ringlaserkreisel 10. Ein typischer BL-Wert ist 0,1º/sek., welcher ein vielfaches der Rotationsgeschwindigkeit der Erde beträgt. Wenn eine oszillierende Vorspannung an den Ringlaserkreisel 10 durch mechanisches Dithern des Rahmens angelegt wird, ist die Eingangs-Rotationsgeschwindigkeit
ω = ωo + Bmcos (ωDt) (2)
und die Phasendifferenz beträgt
ψ = ωo+ Bmcos (ωDt) + BLsin ψ (3)
wobei
ωo = die Nichtdither-Eingangsgeschwindigkeit darstellt;
ωD= die Dither-Winkelfrequenz ist; und
Bm = die Dithergradgeschwindigkeit, welche den Maximalwert der Ditherwinkelgeschwindigkeit pro Ditherzyklus beträgt.
Selbst beim Dithern sind die verbleibenden Rückkopplungswirkungen zwischen den gegenläufigen Strahlen nicht vernachlässigbar. Bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten entsteht bei dem Ringlaserkreisel 10 an Richtungsumkehrpunkten der Ditherschwingungen ein Fehler. Dieser Fehler ist kumulativ und stellt eine Hauptfehlerquelle bei Ringlaser-Rotationssensoren dar. Die Eigenheit des verbleibenden Lock-in-Fehlers besteht in einem "random-walk" im Ausgangswinkel des Ringlasergyros. Das Ausgangs-random-walk wird als weisses Rauschen in der Winkelgeschwindigkeit beschrieben und durch den Lasergyro-random-walk-Koeffizient parameterisiert. Die mathematische Beziehung zwischen dem Lock-in-Koeffizienten, BL, den Ditherparametern und dem random-walk-Koeffizienten wurde durch Hammons und Ashby, "Mechanically Dithered RLG at the Quantum Limit", IEEE NAECON 1978 abgeleitet. Obige Gleichung (3) für die gegenläufige Strahlen-Phasendifferenz des geditherten Lasergyros wird zum Berechnen des zufälligen, kumulativen Fehlers des Lock-in-Fehlerterms BL sind verwendet. Aufähnliche Weise ist es möglich, analytisch den Beitrag des Fehlerterms vor jedem Durchlauf durch das Sperrband zu berechnen, welcher pro Dither-Zyklus zweimal auftritt. Es wurde ermittelt, daß der Fehler für jeden Durchlauf durch das Sperrband wie folgt ausgedrückt werden kann:
Δψ = BL[2π(BmωD)&supmin;¹]1/2sin(ψT±π/4) (4)
wobei ψT den Wert der Phasendifferenz der gegenläufigen Strahlen bei der Umkehrung darstellt und die Vorzeichenwahl für den π/4-Term durch die Richtungsumkehr bei der Umkehrung bestimmt wird: CCW zu cW oder CW zu CCW.
Es ist somit theoretisch möglich, die verbleibenden Dither- Fehler zu berechnen und gleichzeitig eine Korrektur für jede Umkehrung zu bilden. Diese Korrektur wird zu den Ausgangszählwerten des Kreisels hinzuaddiert. Die Ditherparameter ωD und Bm sind gesteuerte Variablen, welche um wenige Prozent von Zyklus zu Zyklus variieren. Für das Bilden einer Korrektur können die Dither-Variablen als ihre Durchschnittswerte verwendet werden. Die Schlüsselvariablen zum Bilden der Korrektur sind der Wert ψT bei jeder Umkehrung und der Wert der Lock-in-Geschwindigkeit, BL, welcher ein Maß für die Kopplung (Rückstreuung) zwischen den Strahlen darstellt.
Da die Phasendifferenz zwischen den Strahlen mittels optischer Interferenz am Überlagerungsdetektor (Heterodyndetektor) gemessen wird, werden die beiden Überlagerungsdetektor-Ausgänge zur Basis für das Erfassen von Umkehrungen. Ein Problem bei der Verwendung einer Umkehrphasendifferenz, φH, welche von den Überlagerungssignalen abgeleitet wird, besteht darin, daß die Überlagerung von der Kopplungsphase durch einen Phasenwert &epsi; versetzt ist, welcher eine Funktion der optischen Platzierung des Überlagerungsdetektors ist. Diese Versetzung kann als ψT = φH + &epsi; ausgedrückt werden. Zudem muß die Größe der Korrektur in geeigneter Form zur Größe des Kopplungskoeffizienten BL zwischen zwei Strahlen skaliert werden. Sowohl &epsi; als auch BL sind Funktionen der Zeit und Temperatur. Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Phasenwertes &epsi; und der Größe des Kopplungskoeffizienten BL aus der Summe der Intensitätsschwankungen der individuellen Strahlen unter Verwendung synchroner Demodulationsverfahren mit den beiden Überlagerungssignalen als Referenzwerte.
Das physikalische Koppeln der beiden gegenläufigen Strahlen beeinflußt sowohl die Frequenzdifferenz der beiden Strahlen als auch die Intensität der beiden Strahlen, wobei die Eingangsgeschwindigkeit den Treiberfaktor darstellt. Die Laser-Gyrogleichungen für die Frequenz und die Intensitätsmodulation zusammen mit experimentellen Ergebnissen können in verschiedenen Quellen, etwa in Aronowitz und Lim, "Positive Scale Factor Correction in the Laser Gyro", IEEE Journal of Quantum electronics, Ausg. QE-13, Nr. 5, Mai 1977 gefunden werden. Das Verfahren dieses Artikels und anderer ähnlicher Literaturstellen besteht darin, die grundsätzlichen Ringlasergleichungen für einzelne Strahlintensitäten und einzelne Strahlfrequenzen in Form einer Summe der Intensitätsvariablen und einer Differenz der Frequenzvariablen umzuschreiben. Die Frequenz-Zieheffekte aufgrund des Lock-in können der Summenintensitätsvariablen unter geeigneten vereinfachenden Annahmen zugeordnet werden. Bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß für die hierin beschriebene Ringlaserkreiselklasse das physikalisch abgeleitete Summenintensitätssignal für die Ableitung der Kopplungsvariablen verwendbar ist, welche zum Ausführen eines Umkehr-Korrekturverfahrens erforderlich sind.
Figur 7 zeigt die Grundidee der vorliegenden Erfindung. Der in Fig. 2 dargestellte Befestigungsblock bzw. -element 49 trennt die Laserstrahlen vielmehr in zwei diskrete Strahlen als daß er eine Interferenz der beiden verursacht, wie es bei dem Prisma 48 der Fall ist. Die beiden in Fig. 7 mit CW und CCW bezeichneten Strahlen können derart verarbeitet werden, daß sie die Länge des Hohlraumes 30 steuern. Bei der vorliegenden Erfindung werden diese getrennten Strahlen zudem zum Überwachen der Phasenverschiebung &epsi; zwischen der Kopplungsphase der beiden gegenläufigen Strahlen im Ringlaserkreisel 10 und den Überlagerungsdetektoren 50A und 50B verwendet. Diese getrennten Strahlen werden ferner in der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen der Größe BL der Kopplung zwischen den beiden gegenläufigen Strahlen in dem Ringlaserkreisel 10 eingesetzt. Die für die Intensitäten der getrennten Lichtstrahlen kennzeichnenden elektrischen Signale CW, CCW werden aufaddiert, um ein SUM-Singal zu erzeugen, welches anschließend mit den Überlagerungssignalen HET A, HET B von den Detektoren 50A und 50B demoduliert wird. Die demodulierten Signale SUM A, SUM B werden durch eine CPU 93 verarbeitet, um aus deren Größe die Phasenverschiebung &epsi; zwischen den Überlagungsdetektorsignalen und der Kopplungsphase zu bestimmen.
Die Überlagerungssignale HET A, HET B werden in den Umkehrdetektor 90 eingegeben, von dem ein Ausführungsbeispiel in Fig. 12 dargestellt ist, und welcher ein für die Phase φH bei Umkehrung kennzeichnendes Signal und ein für den Drehsinn jeder Umkehrung kennzeichnendes Signal P(P = ±1) erzeugt und dem CPU 93 zuführt. Die Überlagerungssignale HET A, HET B werden auch vom Umkehrdetektor 90 zu einem Intensitätsdemodulator 92 ausgegeben, von dem ein Ausführungsbeispiel detailliert in Fig. 8 dargestellt ist, und welcher zudem die Intensitäten CW, CCW der einzelnen, im Ringlaserkreisel 10 ausbreitenden Strahlen kennzeichnende Signale empfängt.
Fig. 8 stellt ein Blockdiagramm eines in Fig. 7 gezeigten Intensitätsdemodulators 92 dar. Gemäß Fig. 8 werden die beiden getrennten Signale cw und CCW, welche die getrennten, durch einen teilreflektierenden Spiegel 99 übertragenen Strahlenintensitäten kennzeichnen, erfaßt und einem Paar von Verstärkern 100 bzw. 102 zugeführt. Die Verstärkungen der Verstärker sind einstellbar, so daß Unterschiede in dem Photodetektor-Ansprechverhalten kompensiert werden. Die Ausgänge der Verstärker 100 und 102 werden aufsummiert und anschließend einem Hochpaßfilter 104 zugeführt, um den Fehler zu verringern, welcher durch Ungleichheiten resultiert, welche dennoch in den Verstärkungen der Verstärker 100 und 102 existieren können. Das verstärkte Intensitätssummensignal wird mit einer geeigneten Überwachungseinrichtung, wie etwa einem Oszilloskop 106, überwacht, um zu bestimmen, ob es erforderlich ist, daß die Verstärkungen der Verstärker 100 und 102 eingestellt werden. Das Summensignal wird durch einen variablen Zusatzverstärker (gain amplifier) 108 verstärkt, wobei die Verstärkung des Verstärkers 108 derart eingestellt ist, daß ein Abschneiden des Summensignals bei dessen Maximalwert vermieden wird, wobei das Summensignal normalerweise eine Funktion der Temperatur ist. Die Verstärkungen der Verstärker 100, 102 und 104 müssen lediglich für die anfängliche Kalibrierung eingestellt werden. Sofern sie eingestellt sind ist keine weitere Einstellung erforderlich.
Der Ausgang des Verstärkers 108 wird einem Paar von Demodulatoren 110 und 112 zugeführt, welche zudem die Eingänge HET A, HET B empfangen, die von den Überlagerungsdetektoren A bzw. B abgeleitet werden. Die Ausgänge der Demodulatoren 110, 112 werden Tiefpaßfiltern 114 bzw. 116 zugeführt. Die Ausgänge der Tiefpaßfilter 114 und 116 werden abgetastet bzw. gesampled, um ein Summen-A-Signal bzw. ein Summen-B- Signal zu erzielen, welche dem CPU 93 zugeführt werden. Der CPU 93 bestimmt aus deren jeweiligen Größen die Phasenverschiebung &epsi;, auf welche oben Bezug genommen wurde.
Fig. 9 zeigt graphisch Daten auf, welche mit dem Ringlaserkreisel 10 erhalten wurden, um die Wirkung des Umkehrkorrekturverfahrens der Erfindung als Funktion der Temperatur darzustellen. Die Graphen umfassen Ausdrucke der Veränderung der Phasenverschiebung E und des Kopplungskoeffizienten BL, wobei das Summensignal SUM als Funktion der Temperatur dargestellt ist. Die Temperatur, die Random-Walk-Koeffizienten und die Summen-Signalparameter wurden unter Verwendung geeigneter Einheiten und Skalenfaktoren bzw. Maßstabsfaktoren ausgedruckt. Die Graphen der Fig. 9 zeigen, daß der Random- Walk-Koeffizient BL als Funktion der Temperatur die gleiche wesentliche Änderung wie die Größe SUM des Summensignals aufweist. Deshalb wird die Größe des Summensignals verarbeitet, um den Random-Walk-Koeffizienten BL zu bestimmen. Die Random-Walk-Koeffizienten wurden jede Minute basierend auf 60 Proben berechnet, von denen jede für die Zeitdauer von einer Sekunde aufgenommen wurde. Bei diesem Gyroskop ist ersichtlich, daß sich die optische Phase des überlagerungssignals bei jeder 3ºC Temperaturänderung um einen kompletten Zyklus dreht.
Erfindungsgemäß wird die Umkehrkorrektur für das Ausgangssignal für jede Dither-Umkehrung wie folgt erzeugt:
Δψ Korrektur = BL[2π(Bmωd)&supmin;¹]1/2sin(φH + &epsi; ± π/4), (5)
wobei die Variablen wie vorher definiert sind. Das Vorzeichen des π/4-Terms in obiger Gleichung hängt davon ab, ob die Umkehrung CCW zu CW oder CW zu CCW ist. Das positive Vorzeichen wird verwendet, wenn die Umkehrung CW zu CCW ist. Die Korrektur des Ausgangssignals wird somit unter Verwendung der Gleichung (5) aus den Variablen BL, φH und E berechnet, welche von den Variablen SUM, SUM A und SUM B und aus der bekannten Variation (Fig. 9) von BL mit SUM bestimmt werden.
Die Umkehrkorrektur der vorliegenden Erfindung basiert auf der Theorie, daß der kumulierte Schwebungsphasenfehler aus den Strahlungsintensitätsschwankungen bestimmbar ist. Das Umkehrkorrekturverfahren umfaßt die Bestimmung der Umkehrpunkte und das Sampeln der geeigneten Signale, welche der Strahlungsintensität zugeordnet sind, um ein Korrektursignal zu erzeugen. Die Korrekturen für jede Umkehrung werden kumuliert und den Überlagungsimpulszählwerten hinzuaddiert, wenn die Größe der Korrektur die Zählwertauflösung übersteigt.
Die vorliegende Erfindung liefert die Möglichkeit, alle verbleibenden Element- bzw. Körperditherfehler zu entfernen, so daß lediglich die Quantengrenze von ungefähr 3 x 10&supmin;&sup4;º (Std.)-0,5 zum Geschwindigkeitsrauschen beiträgt. In der Praxis beschränken jedoch die Meßgenauigkeit der Umkehrung und Variationen der Ditherbewegung die Verbesserung.
Gemäß Fig. 9 zeigt der für die korrigierten Gyroskop-Proben berechnete Random-Walk-Koeffizient, daß der Phasenfehler nicht zufällig sondern sinusförmig dem Umkehrpunkt zugeordnet ist. Der verbleibende Dither-Fehler kann berechnet werden, wenn sowohl die Phase des Schwebungssignals bei jeder Umkehrung als auch der Lock-in-Koeffizient BL bekannt sind. Da der Ringlaserkreisel 10 normalerweise bei einer Frequenz von ungefähr 400 Hz gedithert wird und da zwei Umkehrungen pro Ditherzyklus auftreten, muß die Umkehrphase als das zweifache der Ditherfrequenz oder bei ungefähr 800 Hz bestimmt werden.
Die Schwankungen der Strahlungsintensitäten sind der momentanen Schwebungsphase und -amplitude direkt zugeordnet. Jedoch beträgt die Intensitätsmodulation nur ungefähr 1% bis 5% der kompletten Intensität jedes Strahles und die Intensitäten weisen ein Rauschen auf, aufgrund von anderen elektrischen und mechanischen Wirkungen bzw. Effekten, welche die Strahlen modulieren. In der Theorie ist es möglich, die Umkehrung und die Umkehrphase in der Phase der getrennten Strahlen zu erfassen. In der Praxis ist es einfacher, die Umkehrung und die Umkehrphase durch die beiden Überlagerungssignale zu erfassen, welche eine direkte Messung der Schwebungsphase an der Stelle der Überlagerungsdetektoren 50A und 50B liefern. Die Verwendung der Überlagerungssignale hat den Nachteil, daß die Umkehrphase der Überlagerungssignale nicht mit der Kopplungsphase der Strahlen identisch ist, sondern um einen festen Phasenbetrag versetzt ist, der durch die Geometrie der Platzierung der Detektoren 50A und 50B bestimmt ist. Diese Phasenverschiebung kann durch einen nachfolgend zu beschreibenden Rückkopplungsschaltkreis bestimmt werden. Der Rückkopplungsschaltkreis liefert zudem eine Meßung der Amplitude von Kreuz-Strahlenkopplung, welche zum Liefern einer Meßung des Lock-in-Koeffizienten und zum Skalieren der Korrektur verwendbar ist.
Fig. 11 zeigt graphisch die Analogsignale, welche den Ausgang der beiden Überlagerungsdetektoren kurz vor und nach einer Umkehrung repräsentieren. Fig. 11 zeigt zudem rechteckige Logiksignale, welche von den Überlagerungssignalen für das Antreiben der Ausgangs-Logik-Zähleinrichtungen abgeleitet werden können. Eine typische Anwendung besteht darin, einen Zählwert jedem Eck der beiden rechteckigen Signale durch eine diskrete Hardwarelogik zuzuordnen. Hierdurch wird der nominale 2 Arc-Sekunen-Skalenfaktor pro kompletter Streifenbewegung auf 0,5 Arc-Sekunden pro Zählung skaliert. Fig. 11 zeigt die Umkehrung des Vor- und Nachlaufes zwischen dem Überlagerungs-A-Signal und dem Überlagerungs-B-Signal, welche bei Umkehrung stattfinden. Beim Umkehrpunkt ist die Geschwindigkeitsänderung (Steigung) jedes Analogsignals Null. Diese Eigenschaft wird ausgenutzt, um den Umkehrpunkt zum Sampeln der Überlagerungssignale bei der Umkehrung zu erfassen.
Der Schaltkreis erzeugt zudem ein (Betriebs-)Bereitschaftssignal und ein Drehsinnsignal. Das Bereitschaftssignal informiert den Computer, daß die Daten für die Verarbeitung bereit sind. Das Drehsinnsignal zeigt, welche Umkehrung (CCW/CW oder CW/CCW) erfaßt wurde. Der Computer verwendet das Spursignal, um die Umkehrerfassungsschaltung zum Spurmodus nach der Vervollständigung der Verarbeitung einer Umkehrung zurückzuführen. Das magnetische Abgreifsignal liefert das Drehsinnsignal und liefert zudem eine Einrichtung zum Erfassen der Geschwindigkeit der Ditherschwingungen. Das Begrenzen der Umkehrerfassungsperiode auf einen Bereich des Ditherns mit niedrigerem Absolutwert der Geschwindigkeit eliminiert Falscherfassungen von simultanen Nullsteigungen bei hohen Geschwindigkeiten. Ein weiterer Vorteil des Schaltkreises besteht darin, daß keine Umkehrung angezeigt wird, wenn die Eingangsdrehgeschwindigkeiten die anfängliche Umkehrung von der Ditherumkehrung weg und außerhalb eines vorgegebenen Geschwindigkeitsbereiches bewegen.
Bei dem Ringlaserkreisel 10 wird die Hohlraumlänge durch das Umsetzen des Spiegels 33 zum Verkürzen oder Verlängern des Hohlraumes gesteuert. Der Hohlraum ändert die Länge, wenn sich die Temperatur des Rahmens ändert. Diese Längenänderung verändern die Resonanzfrequenz des Hohlraumes, welche konstant gehalten werden sollte. Das US-Patent 4,383,763, welches am 17. Mai 1993 an Hutchings et al. erteilt wurde, Anmelder sind Litton Systems Inc., beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Pfadlänge des Ringlaserkreisels 10 durch das Biegen eines Spiegels. Andere Hohlraumlängensteuerverfahren können bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Die am 2. Oktober 1984 eingereichte US-Patentanmeldung 656,944 für eine Pfadlängensteuereinrichtung für einen Ringlasergyroskop, angemeldet von Litton Systems, Inc., beschreibt ein Pfadlängensteuersystem, welches bei der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist.
Gemäß Fig. 10 kann der Spiegel 33 als Diaphragma ausgebildet sein. Die äußeren Ränder 150 des Spiegels 33 sind mit einer im wesentlichen zylindrischen Stütze 152 verbunden. Ein im allgemeinen zylindrischer Sockel 156 verläuft von der Rückseite des zentralen Bereiches des Spiegels 33. Ein ringförmiger Hohlraum 158 ist zwischen der Stütze 152 und dem Sockel 156 angeordnet. Der Bereich des Spiegels 33, welcher dem Hohlraum 158 benachbart ist, ist sehr dünn und ermöglicht eine Axialbewegung des Zentrums des Spiegels 33 und des Sockels 156. Eine dünne Membran 160 stützt ein Lagerelement 162 benachbart einem Ende des Sockels 156. Mehrere piezoelektrische Wandler 164 sind an den Seiten der dünnen Membran 160 montiert, so daß das Anlegen einer Spannung an die Wandler bewirkt, daß die Membran 160, das Lagerelement 162, der Sockel 156 und der Spiegel 33 sich entlang der Achse des Sockels 156 bewegen.
Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm des Schaltkreises, welcher den Umkehrdetektor 90 von Fig. 7 aufweisen kann. Ein die Änderungsgeschwindigkeit jedes Überlagerungssignals darstellendes Signal wird durch Differenzierungsschaltkreise 200 und 202 gebildet. Die beiden differenzierten Signale werden an ein UND-Gatter 204 zugeführt, um den Moment jeder Umkehrung zu bestimmen. Die Zeitdauer, bei welcher eine gültige simultane Erfassung der Nullsteigung der beiden Überlagerungssignale als gültige Umkehrung akzeptiert wird, ist durch das Ausbilden eines Geschwindigkeitsfensters 210 basierend auf dem magnetischen Abgriff 60 beschränkt. Der magnetische Abgriff 60 erzeugt elektrische Signale, welche von der Winkelgeschwindigkeit des Rahmens 20 relativ zur Stütze 12 abhängen. Der Zweck besteht darin, eine unechte Erfassung von Umkehrungen zu vermeiden. Die Überlagerungssignale werden Sample- und Halteschaltkreisen 206 und 208 zugeführt, welche die Werte der Überlagerungssignale bei der Probenahmezeit sperren. Ein den Drehsinn (Richtung der Umkehrung) kennzeichnender logischer Wert wird zusammen mit einem Bereitschaftssignal auch gesperrt, um einen Eingang zu einem (nicht dargestellten) Computer, daß eine Umkehrung erfaßt wurde, zu liefern. Durch trigonometrische Logik, welche den gesampleten Wert von HET A (Überlagerung A) und HET B verwendet, wird die Phase der Überlagerungsumkehrung φH mit Bezug auf HET A bestimmt. Die HET A- und HET B-Signale stellen das Sampeln einer Sinuskurve bei gesonderten 90º-Intervallen dar. Diese Logik umfaßt eine Schätzfunktion der Peakgröße von HET A. Somit ist die Entstehungsänderung oder langsame Zeitänderung der Größe von HET A kein Beschränkungsfaktor für die Erfindung. Das Spurlogiksignal setzt diskret den Umkehrdetektor in einen Zustand zurück, so daß die nächste Umkehrung erfaßt wird, nachdem der Computer die gesampelten Signale eingelesen hat.
Alternative Verfahren zum Erfassen der Umkehrungen und Bestimmung der Phasen der Umkehrungen bei den Überlagerungssignalen sind möglich, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die rechteckigen Überlagerungssignale können auch zum Erfassen von Überlagerungsumkehrphasen eingesetzt werden. Wiederum bezugnehmend auf Fig. 11 ändert sich die Richtung der Zählwerte von +1 zu -1 nachdem das Gyroskop die Richtung umkehrt. Die Zeitintervalle TA und TB können aufgezeichnet und verwendet werden, um den Phasenwert der Überlagerungsumkehrung zu berechnen, basierend auf den bekannten Parametern der Ditherbewegung.
Das Verfahren dieser Erfindung kann bei Ringlasergyroskops eingesetzt werden, welche nicht sinusförmig gedithert werden. Beispielsweise kann das oben beschriebene Verfahren angewandt werden, um Korrekturen für einen geschwindigkeitsvorgespannten Kreisel zu erzeugen, dessen Geschwindigkeit bzw. Rate periodisch umgekehrt wird. Die analytische Form der Korrektur bei jeder Umkehrung beträgt dann
Δψ = BL[2π(kα)&supmin;¹]1/2sin (φH+&epsi;±π/4) (6)
wobei α die Beschleunigung des Gyroskops am Umkehrpunkt und K der Skalenfaktor des Gyroskops ist.

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren von Random-Walk-Fehlern, welche durch das Koppeln zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen in einem Ringlaserkreisel (10) verursacht werden, welcher bei einer Frequenz ω D um eine Sensorachse mit einem Dithergrad Bm körpergedithert wird, wobei der Ringlaserkreisel (10) ein Paar von Überlagerungssignalen HET A und HET B erzeugt, welche bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels (10) gesampelt werden, um die Phasendifferenz zwischen den beiden gegenläufigen Lichtstrahlen darzustellen, so daß die Rotation um einen Winkel ψ um die Sensorachse angezeigt wird, indem die Kopplungsgröße zwischen den beiden Strahlen gemessen und indem eine Korrektur des Drehwinkels ψ als Funktion des Kopplungskoeffizienten BL zwischen den beiden Strahlen und der Phasendifferenz der gegenläufigen Strahlen bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels (10) berechnet wird, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) Zusammenzählen eines Paares von elektrischen Signalen, welche jeweils die Intensitäten (CW, CCW, Fig. 7, 8) von zwei getrennten gegenläufigen Lichtstrahlen darstellen, um ein Intensitätssummensignal SUM zu erzeugen;

(b) Prüfen des Ringlaserkreisels (10), um die Änderung des Kopplungskoeffizienten BL als Funktion des Intensitätssummensignals SUM zu bestimmen;

(c) Demodulieren des Intensitätssummensignals durch Mischen des Signals (110) mit dem Überlagerungssignal HET A, welches bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels gesampelt wurde, um ein SUM-A-Signal zu erzeugen;

(d) Demodulieren des Intensitätssummensignals durch Mischen des Signals (112) mit dem Überlagerungssignal HET B, welches bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels gesampelt wurde, um ein SUM-B-Signal zu erzeugen;

(e) Verarbeiten (90, Fig. 7) der Überlagerungssignale HET A, HET B, um die Phasendifferenz φH bei einer Geschwindigkeitsumkehrung zwischen den Überlagerungssignalen und um den Drehsinn P jeder Geschwindigkeitsumkehrung (P = ±1) zu bestimmen;

(f) Verarbeiten des SUM-Signals entsprechend der vorgegebenen Änderung, welche im Schritt (b) erhalten wurde, um die Größe BL der Kopplung zwischen den beiden gegenläufigen Lichtstrahlen für jede Geschwindigkeitsumkehrung zu bestimmen;

(g) Verarbeiten der SUM-A- und SUM-B-Signale in einem CPU (93), um aus deren Größen die Phasenverschiebung &epsi; zwischen den Überlagerungssignalen und der Kopplungsphase der gegenläufigen Lichtstrahlen zu bestimmen; und

(h) Berechnen einer Korrektur, Δψ Korrektur, für dem Drehwinkel ψ als Funktion der Kopplungsgröße BL zwischen den beiden Strahlen, des Drehsinns P, der Phasenverschiebung &epsi; und der Phasendifferenz φH bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels unter Verwendung der Gleichung:

ΔψKorrektur = BL[2π(Bmωd)&supmin;¹]1/2sin(φH + &epsi; + Pπ/4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Geschwindigkeitsfensters, um Ditherumkehrungen zurückzuweisen, wenn die Winkeldithergeschwindigkeit von Null um einen vorgegebenen Wert abweicht.

3. System zum Korrigieren von Random-Walk-Fehlern, welche durch das Koppeln zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen in einem Ringlaserkreisel (10) verursacht werden, welcher bei einer Frequenz ω D um eine Sensorachse bei einem Dithergrad Bm körpergedithert wird, wobei der Ringlaserkreisel (10) bei Verwendung ein Paar von Überlagerungssignalen HET A und HET B erzeugt, welche bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels (10) gesampelt werden, um die Phasendifferenz zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen anzuzeigen, so daß ein Drehwinkel ψ um die Sensorachse angezeigt wird, indem die Kopplungsgröße zwischen den beiden Strahlen gemessen und indem eine Korrektur des Drehwinkels ψ als Funktion des Kopplungskoeffizienten BL zwischen den beiden Strahlen und der Phasendifferenz der gegenläufigen Strahlen bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels (10) berechnet werden, gekennzeichnet durch:

(a) eine Einrichtung zum Addieren eines Paares von elektrischen Signalen, welche die Intensitäten (CW, CCW, Fig. 7, 8) der beiden getrennten gegenläufigen Lichtstrahlen anzeigen, um ein Intensitätssummensignal SUM zu erzeugen;

(b) eine Einrichtung zum Prüfen des Ringlaserkreisels, um die Änderung des Kopplungskoeffizienten BL als Funktion des Intensitätssummensignals SUM zu bestimmen;

(c) eine Einrichtung zum Demodulieren des Intensitätssummensignals SUM durch Mischen des Signals (110) mit dem Überlagerungssignal HET A, welches bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels gesampelt wurde, um ein SUM-A-Signal zu erzeugen, und zum Demodulieren des Intensitätssummensignals SUM durch Mischen des Signals (112) mit dem Überlagerungssignal HET B, welches bei Geschwindigkeitsumkehrungen des Ringlaserkreisels gesampelt wurde, um ein SUM-B-Signal zu erzeugen; und

(d) eine Einrichtung (CPU 93) zum Verarbeiten der Überlagerungssignale HET A und HET B und des Intensitätssummensignals SUM, um die Phasendifferenz φH zwischen den Überlagerungssignalen und um die Drehrichtung P jeder Geschwindigkeitsumkehrung (P = ±1) zu bestimmen, um aus den Größen von SUM A und SUM B die Phasenverschiebung E zwischen den Überlagerungssignalen und der Kopplungsphase der gegenläufigen Lichtstrahlen zu bestimmen, und zum Verarbeiten des SUM-Signals entsprechend der vorgegebenen Änderung, welche durch die Prüfeinrichtung erhalten wird, um die Kopplungsgröße BL zwischen den beiden gegenläufigen Lichtstrahlen für jede Geschwindigkeitsumkehrung zu bestimmen;

und zum Berechnen aus den vorgenannten Variablen eine Korrektur, Δψ Korrektur, um den Drehwinkel ψ unter Verwendung der Gleichung zu berechnen:

Δψ Korrektur = Bl[2π(Bmωd)&supmin;¹]1/2sin(φH + &epsi; ± π/4).

4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verwendung eines Geschwindigkeitssensors, um Ditherumkehrungen zurückzuweisen, wenn die Winkeldithergeschwindigkeit von Null um einen vorgegebenen Wert abweicht.

5. Ringlaserkreisel (10) mit einem System nach Anspruch 3 oder 4, um Random-Walk-Fehler darin zu korrigieren.