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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Gyroskope. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Gyroskope
und deren Signalverarbeitungselektronik.
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Hintergrund
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Bei dem interferometrischen faseroptischen Gyroskop
(interferometric fiber optic gyroscope = IFOG) handelt es sich um
eine bewährte
Technologie zur genauen Messung von Winkeldrehbewegungen. Weil das
IFOG einen optischen Aufbau mit fester Beschaffenheit ohne bewegliche
Teile darstellt, kann es für
langlebige Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit wie z. B. Landfahrzeugnavigation
verwendet werden.
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Die Anforderungen an ein Gyroskop,
das für die
Verwendung in Landnavigationssystemen mit gekoppeltem Koppelnavigations-(dead-reckoning
= DR) und GPS-(Global Positioning System) Eingang bestimmt ist,
werden mehr von Kosten- als von Leistungsbetrachtungen bestimmt.
Der Kreisel wird als Lückenfüller für jene Systeme
verwendet, bei denen ein Ausfall nicht zulässig ist. Die GPS Daten können dann
periodisch dazu verwendet werden, die Koppelnavigations-Sensoren
zu korrigieren, was die Anforderungen an jeden von ihnen herabsetzt.
Die Kosten von dieser Art von Landnavigationssystemen hängt stark
von den Kosten für
das eingesetzte Gyroskop ab. Obwohl sich das IFOG wegen seines breiten Leistungsbereiches
gut für
Anwendungen wie z. B. Landnavigation eignet, ist eine weitere Kostensenkung
in der optischen Konfiguration und der elektronischen Signalverarbeitung
des Gyroskops erforderlich, um diese Technik für viele Systeme, wie z. B. Landnavigationssysteme,
wirtschaftlich einsetzbar zu machen.
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Das grundlegende Funktionsprinzip
hinter dem IFOG ist der Sagnac-Effekt. Bei diesem Effekt erfahren
zwei sich gegeneinander ausbreitende Wellen, die ein Schleifeninterferometer
durchlaufen, eine Phasendifferenz, wenn die Schleife um ihre Achse rotiert
wird. Das IFOG verwendet faseroptische Komponenten, um das Sagnac-Interferometer
zu bilden. Die genaue Messung von der durch die Rotation verursachten
Sagnac-Phasendifferenz
erfordert, dass die parasitären
Phasendifferenzen, die sich mit der Umgebung verändern können, unterdrückt werden. Aus
diesem Grund wird das Prinzip der optischen Reziprozität verwendet,
um Teile der gegeneinander laufenden Wellen, die das Interferometer
entlang eines gemeinsamen Pfades durchlaufen, auszuwählen. Veränderungen
des Systems durch die Umgebung verändern die Phasen beider Wellen
gleichmäßig und
es ergibt sich kein Unterschied in der Phasenverzögerung;
der Sensor ist gegenüber
Umgebungseinflüssen
stabil. Die Anwendung der optischen Reziprozität in der IFOG-Architektur führt zu dem,
was allgemein als "Minimalkonfiguration" bezeichnet wird.
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In dem IFOG mit Minimalkonfiguration
(minimum configuration = MC) wird das Licht von der Quelle ausgegeben,
durchläuft
den ersten Koppler, in dem die Hälfte
des Lichts abgeleitet wird und die Hälfte durch den Polarisator
in das Interferometer gesendet wird. Ein zweiter Koppler spaltet
das Licht auf in zwei sich gegeneinander ausbreitende Strahlen mit
näherungsweise
gleicher Intensität,
die die Windung durchlaufen. Anschließend rekombinieren die beiden
Lichtstrahlen bei dem zweiten Koppler, wo sie interferieren. Dieser
vereinigte Lichtstrahl durchläuft dann
den Polarisator ein zweites Mal in der entgegengesetzten Richtung,
und die Hälfte
des Lichts wird vom ersten Koppler zum Detektor geleitet. Der erste
Koppler ist kein Bestandteil des optischen reziproken Sagnac-Interferometers.
Sein einziger Zweck ist es, einen Teil des zurückkehrenden Lichtes in einen
Detektor zu lenken und die direkte Kopplung von Lichtenergie von
der Quelle zum Detektor zu minimieren. Um die auf den Detektor fallende
optische Leistung zu maximieren, beträgt das optimale Aufspaltungsverhältnis dieses
Kopplers 3 dB. Dies führt zu einem
inhärenten
Systemverlust von 6 dB, da dieser Koppler zweimal durchlaufen wird.
Er ist unabhängig
von der Einfügungsdämpfung des
Kopplers.
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Um die Komplexität der optischen Konfiguration
und Kosten zu reduzieren und dennoch das Prinzip der Reziprozität zu erhalten,
wird eine "Reduzierte
Minimalkonfiguration" verwendet.
Bei dem IFOG mit reduzierter Minimalkonfiguration (reduced minimum
configuration = RMC) ist der erste Koppler entfernt und der Ausgang
des Interferometers wird durch einen an der Rückfläche der Lichtquelle positionierten
Detektor ausgelesen. Das Licht durchläuft den Hohlraum der Quelle,
bevor es vom Detektor empfangen wird. Das RMC-Kreiselinstrument
erhält
das Prinzip der optischen Reziprozität, da das Licht immer noch
einen gemeinsamen optischen Pfad durchläuft. Der inhärente systembedingte
Verlust von 6 dB des ersten Kopplers ist beseitigt. Ebenso kann
die Quelle, abhängig
vom Typ der gewählten
Lichtquelle und dem Betriebsbereich des Treiberstroms, als optischer
Verstärker
für das
zurückkommende
Licht fungieren. Deshalb ist das Signal-Rauschverhältnis der Ausführung des
RMC-Gyroskopes so gut wie das des herkömmlichen MC-Gyroskopes und
kann potentiell besser sein. Viele Gehäuse von Niedrigpreis-Laserdioden
enthalten einen Rückflächen-Photodetektor.
Folglich wird der Detektor vom Hersteller der Laserdiode bereitgestellt
und die Kosten für
die Beschaffung eines eigenen Detektors sind bei diesem Aufbau beseitigt.
Ebenso erübrigt
sich die Ausstattung und das Labor, das benötigt wird, um die Ausgangsfaser
des ersten Kopplers auf einen separaten Detektor zu justieren. Der
Detektor ist vom Hersteller der Laserdiode an der Rückfläche angeordnet. Wenn
die Eingangsanschlussfaser auf die optische Quelle ausgerichtet
wird, wird der Ausgang mit der selben Tätigkeit automatisch auf den
Detektor ausgerichtet. Die RMC beseitigt ebenso zwei Faser-an-Faser
Verbindungs-Spleiße
und reduziert dabei weiter die Kosten für die optische Montage.
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In beiden Arten von IFOGs wird ein
piezoelektrischer Wandler (piezo-electric transducer = PZT) verwendet,
um die Phasendifferenz zwischen den zwei gegenläufigen Lichtstrahlen zu modulieren.
Diese Phasenmodulation dient zwei Zwecken. Einer ist es, das Interferometer
auf einen empfindlicheren Arbeitspunkt zu verschieben oder voreinzustellen.
Der andere ist es, das erfasste Signal von DC nach AC umzusetzen,
um die Genauigkeit der elektrischen Signalverarbeitung zu verbessern.
Bei sinusförmiger Phasenmodulation
besteht das Ausgangssignal des Interferometers aus einer Endlosfolge
von Sinus- und Kosinuswellen, deren Amplituden über eine Bessel-Funktionen
zueinander in Beziehung stehen. Das Grundsignal (engl.: fundamental
signal) liegt bei der angelegten Modulationsfrequenz mit nachfolgenden ungeraden
und geraden harmonischen Signalen. Viele Ansätze zur Signalverarbeitung,
die das Verhältnis
der Amplituden der ersten vier harmonischen Signale verwenden, sind
vorgeschlagen worden, um die Drehgeschwindigkeit zu erfassen und
gleichzeitig einen stabilen, linearen Ausgangsskalenfaktor zu erhalten.
Die Implementierung dieser Ansätze
in analoger und/oder digitaler Elektronikhardware ist jedoch komplex
und teuer. Ebenso ist die Verwendung der Lichtquelle sowohl als
Lichtsender als auch als Verstärker
nicht ohne Probleme. Eine Verzerrung des Interferometersignals kann
infolge des Durchlaufens der Lichtquelle vor der Detektion und infolge
von Bandbreitenbegrenzungen der Rückfläche des Photodetektors auftreten.
Die Amplituden der harmonische Signale können verändert werden, was zu einem
gemessenen Fehler des Ausgangsrotationsskalenfaktors führt, wenn
der Aufbau des RMC-Gyroskopes mit den herkömmlichen Signalverarbeitungsverfahren
für Oberwellenverhältnisse
verwendet wird. Dies ist ein signifikantes Hindernis bei multiharmonischen
Verarbeitungsmethoden. Deshalb ist eine wesentlich einfachere Auslegung
der Signalverarbeitung, die nicht von einem Fehler in den relativen
Amplituden der harmonischen Signale beeinflusst wird, wünschenswert.
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Der Skalenfaktor (d. h. die gemessene
Ausgaberate gegen die angelegte Eingangsrate) verläuft infolge
der intrinsischen Linearität
des Sagnac-Effekts für
den verwendeten Bereich der Drehgeschwindigkeit linear und für größere Geschwindigkeiten
sinusförmig.
Das schwierigere Problem ist jedoch die Aufrechterhaltung eines
konstanten Skalenfaktors bei Veränderungen
der Umgebung (d. h. Temperatur, Vibration, etc.) und während der
Lebenszeit des Sensors.
EP
0 551 874 A2 offenbart einen faseroptischen Kreisel mit
einem Licht aussendenden Halbleiterelement von der Bauart, die vorwärts und rückwärts gerichtete
Lichtstrahlen aussendet. Der Ausgang eines Photodetektors wird synchron
von einem modulierten Signal detektiert und detektiert dabei eine
Winkelgeschwindigkeit, die an die optische Faserwindung angelegt
wird. Ein Gleichanteil des elektrischen Photodetektorsignals wird
von einem Lichtmengenstabilisator als Regelsignal dazu verwendet,
die Lichtleistung des vorwärts
gerichteten Lichtstrahls konstant zu halten. Der Gleichanteil des Photodetektorsignals
hängt ab
von Veränderungen bei
der Faserankopplung und von temperaturabhängigen Änderungen beim Laserwirkungsgrad
und ist deshalb für
die Aufrechterhaltung eines konstanten Skalierfaktors nicht verwendbar.
Weiterhin erlaubt die Verwendung des Gleichanteils des von der Rückfläche ausgesandten
Lichtes nicht die Korrektur von Änderungen
der Einfügungsdämpfung des
kreiseloptischen Schaltkreises, von der ebenso bekannt ist, dass
sie sich mit der Temperatur in einem Ausmaß ändert, dass sich ein signifikanter
Fehler im Skalenfaktor ergäbe.
Ebenso sind Gleichsignalverstärker
offenkundig instabil mit der Temperatur.
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Die
US
4,776,700 beschreibt einen faseroptisches Gyroskop mit
verbessertem Aussteuerungsbereich und verbesserter Stabilität des Skalenfaktors,
das Mittel zur Demodulation des erfassten Ausgangs des Gyroskopes
umfasst, um erste und zweite Spannungspegel entsrechende proportional
zu den Sinus- und
Kosinuskomponenten von diesem erfassten Ausgang abzugeben. Diese
ersten und zweiten Spannungspegel werden je weils zwischen einer Rückkopplungsschaltung,
die den Ansteuerungspegel stabilisiert, umgeschaltet.
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Die
EP 0 586 242 A1 offenbart ein Phasenmodulations-Gyroskop.
Ein APC (= automatic power controller) Schaltkreis steuert ein lichtaussendendes Gerät an, um
Lichtstrahlen durch die Bereitstellung eines passenden Stromes auszusenden.
Eine Überwachungsphotodiode überwacht
die Lichtleistung, die nach rückwärts von
der Lichtquelle ausgesendet wird. Der Ausgang der Überwachungs-Photodiode
ist über
einen Widerstand mit dem APC-Schaltkreis zur Regelung des Steuerstromes
der Lichtquelle verbunden.
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Die
US
4,842,409 beschreibt eine Ringinterferometereinheit mit
einer optischen Einmodenfaser, einem Strahlungsteiler und einem
Modenfilter, der optisch an eine kohärente Lichtquelle gekoppelt
ist. Die Quelle kann eine Halbleiterdiode von der Bauart sein, die
abhängig
von der Vorspannung alternativ als Lichtsender und Empfänger arbeitet.
Alternativ kann die Quelle eine Licht aussendende Halbleiterdiode
sein, die mit ihrer Frontfläche
an den Modenfilter und mit ihrer Rückfläche an einen Detektor gekoppelt ist,
wobei die genannte Diode als Lichtverstärker arbeitet.
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Die
DE 37 42 201 A1 offenbart einen Detektor,
der an der Rückfläche eines
Halbleiterlasers oder einer Superluministenzdiode angebracht ist.
Das Ausgangssignal des Detektors ist ein Gleichsignal mit einem überlagerten
Wechselsignal, das die Modulationsfrequenz f
mod und
dessen Harmonische n × f
mod enthält.
Die zwei Teile des Signals werden durch den Filter voneinander getrennt.
Das Gleichsignal wird an eine Steuerungselektronik geleitet, die
die Leistung der Lichtquelle steuert, wobei die Steuerungselektronik
die Leistung der Lichtquelle durch den Bias-Strom stabilisiert.
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Die
US
4,848,910 offenbart ein faseroptisches Interferometersystem
mit einer optischen Baugruppe und einer elektronischen Baugruppe,
die die Phasenmodulation und die Amplitudenmodulation bereitstellt.
Die Baugruppe umfasst einen Modulator zur Modulation der optischen
Leistung der Laserdiode und einen Frequenzgenerator. Der Leistungsmodulator
wird durch eine Rückkopplungsschleife,
die den an die Rückseite
der Laserdiode gekoppelten Photodetektor umfaßt, stabilisiert. Der Photodetektor liefert
ein Signal, das proportional zu der Lichtleistung ist, die er von
der Laserdiode entweder direkt, oder nachdem es um den Interferometerring
herumgelaufen und durch die Laserdiode zurückgekommen ist, erhält. Dieses
Signal weist eine Hauptkomponente bei der Frequenz fl auf, bei der
die Lichtleistung, die von der Diode ausgesendet wird, moduliert
wird, und eine Komponente mit einer sehr viel niedrigeren Amplitude,
die von den Schwebungen zwischen den zwei gegeneinander laufenden
Lichtstrahlen kommt, die beide in Amplitude und in Phase moduliert
sind und die auf dem Rückweg
vom Interferometerring durch die Laserdiode zurückgelaufen sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist ein Gegenstand der vorliegender
Erfindung, ein IFOG-Signalverarbeitungssystem bereitzustellen, das
sowohl für
die Ausführung
der MC- als auch der RMC-Gyroskope gut arbeitet.
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Es ist ein weiterer Gegenstand der
vorliegenden Erfindung, ein IFOG-Signalverarbeitungssystem bereitzustellen,
das einfach und preiswert herzustellen ist.
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Es ist noch ein weiterer Gegenstand
der vorliegenden Erfindung, ein IFOG-System bereitzustellen, das
die Drehgeschwindigkeit der Sensorwindung genau bestimmt.
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Es ist auch noch ein weiterer Gegenstand der
Erfindung, ein IFOG-System bereitzustellen, das während umgebungsbedingter Änderungen
einen konstanten Skalenfaktor beibehält.
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Es ist ein weiterer Gegenstand der
Erfindung, ein IFOG-System mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik
bereitzustellen, das unwesentliche optische Komponenten und Spleiße beseitigt.
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Die vorangehenden Gegenstände werden durch
ein verbessertes IFOG-System bereitgestellt, das Kreiselmittel für den Empfang
eines Lichtstrahls umfaßt,
die den genannten Lichtstrahl in zwei Teile spalten und die ein
Kreiselsignal erzeugen, Modulatormittel zur Modulation von Phasendifferenzen
der genannten Lichtteile in den genannten Kreiselmitteln, Mittel
zur Abstimmung der Tiefe der Phasenmodulation der genannten Modulatormittel
und Mittel zur Erhaltung einer konstanten Ausgabe eines Erfassungsmittels.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung, die ein IFOG-System in Übereinstimmung mit Prinzipien der
gegenwärtigen
Erfindung zeigt;
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2 ist
eine schematische Darstellung, die ein IFOG-System in Übereinstimmung mit Prinzipien der
gegenwärtigen
Erfindung zeigt;
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3(a) ist
eine Kurve mit Leistungsdaten in Form einer Allan-Varianzanalyse
für ein
IFOG-System mit Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung;
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3(b)ist
eine Kurve mit Leistungsdaten in Form der Temperaturempfindlichkeit
der Vorspannung (engl.: bias temperature sensitivity) für ein IFOG
mit Minimalkonfiguration der vorliegenden Erfindung;
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4(a)ist
eine Darstellung mit Leistungsdaten in Form einer Allan-Varianzanalyse
für ein IFOG-System
mit reduzierter Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung;
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4(b) ist
eine Darstellung von Leistungsdaten in der Form von Temperaturabhängigkeit
der [bias: Vorspannung, des Ruhestroms, des Steuerstromes, Meßfehler?]
der IFOG mit reduzierter Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung;
und
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Tabelle 1 ist eine Tabelle mit Leistungsdaten der
Systemleitung von Gyroskopen mit Minimalkonfiguration und reduzierter
Minimalkonfiguration der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Während
die Erfindung für
verschiedene Modifikationen und alternative Ausgestaltungen geeignet
ist, wurden besondere Ausführungsformen
davon anhand eines Beispiels in den Zeichnungen gezeigt und werden
hierin im Detail beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden,
dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die speziell eröffneten
Ausgestaltungen zu beschränken,
sondern im Gegenteil ist es die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente
und Alternativen, die unter den Gedanken und den Anwendungsbereich
der Erfindung wie unten definiert fallen, mit einzuschließen.
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Ein verbessertes IFOG-System der
vorliegenden Erfindung ist unten beschrieben und in 1 dargestellt. Die Lichtquelle 1 sendet
Licht aus, das von Polarisator 2 polarisiert wird. Das
Licht wird durch einen zweiten Koppler 3 in zwei einander
entgegenlaufende Strahlen gleicher Intensität aufgespalten, die die Messspule 4 durchlaufen
und sich dann am zweiten Koppler 3 überlagern und interferieren.
Der neu überlagerte
Lichtstrahl durchläuft
dann den Hohlraum der Quelle 1 und wird vom Detektor 5 empfangen.
Detektor 5 ist ein Photodetektor und ein Transimpedanzverstärker mit
Licht als Eingang und Spannung als Ausgang. Der Ausgang von Detektor 5 wird
durch Verstärker 6 geleitet,
der das Ausgangssignal des Sensors auf einen nachweisbaren Pegel vergrößert. Die
gesamte elektrische Verstärkung
beträgt
in dieser Ausführungsform
etwa 1 Million. Der Ausgang des Verstärkers ist an Demodulator 7 gelegt.
Demodulator 7 ist ein phasenempfindlicher Detektor, der
ein Signal von Oszillator 8 empfängt. Wenn die Phasen und Frequenzen
von den zwei Signalen, die in den Demodulator 7 eintreten,
gleich sind, befindet sich der Ausgang in einem Maximum, wenn sie
verschieden sind, wird der Ausgang vermindert. Oszillator 8 und
PZT-Phasenmodulator 9, wie unten ausführlicher beschrieben wird,
erhalten die Interferometertiefe der Phasenmodulation (engl.: interferometer
depth of phase modulation). LD-Treiber 10, wie unten genauer
beschrieben wird, ist ein Hochpassfilter und Gleichrichter, der
die Intensität
des Lichtquellenstroms regelt.
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Eine weitere Ausführungsform des verbesserten
IFOG-Systems der
vorliegenden Erfindung wird in 2 gezeigt.
Die Lichtquelle 21 sendet Licht aus, das vom Polarisator 22 polarisiert
wird. Das Licht wird vom Koppler 23 in zwei einander entgegenlaufende
Strahlen mit annäherungsweise
gleicher Intensität
aufgespalten, die die Messspule 24 durchlaufen und sich
dann im Koppler 23 überlagern
und interferieren. Der neu überlagerte
Lichtstrahl durchläuft dann
die Kavität
von Quelle 21 und wird von Detektor 25 empfangen.
Der Detektor ist ein Photodetektor, der Licht als Eingangssignal
empfängt
und Strom als Ausgangsignal erzeugt.
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Viele Niedrigpreis-Halbleiter-Lichtquellenbaugruppen
enthalten einen Rückflächen-Photodetektor.
Folglich wird der Detektor von einem Lichtquellenhersteller bereitgestellt.
Durch die Verwendung dieses Ansatzes werden die Kosten für die Beschaffung
eines separaten Detektors beseitigt. Der Detektor 25 ist
vom Hersteller der Lichtquelle auf die Rückfläche justiert. Wenn die Eingangsanschlussfaser
auf die optische Quelle ausgerichtet ist, ist der Ausgang in demselben
Arbeitsgang automatisch auf den Detektor ausgerichtet. Dieser Ansatz
beseitigt ebenso mehrere Faserspleiße. Die Integration des Polarisators
auf diesem Koppler kombiniert mit dem Anschließen (engl.: pigtailing) der
Koppler-/Polarisatoreinheit auf der Lichtquelle könnte die
Anzahl der optischen Spleiße
weiter reduzieren.
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Für
die meisten Landnavigationsanwendungen ist der Eingangsbereich der
Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch die Geschwindigkeit und den
Wendekreisradius des Fahrzeugs beschränkt. Zum Beispiel ist für Hochleistungsautos
ein maximaler Geschwindigkeitsbereich von +/– 100°/sek. ausreichend. Wegen dieser
Begrenzung kann der Sagnac-Skalenfaktor der Messspule so ausgelegt
werden, dass dieser maximale Geschwindigkeitsbereich gut innerhalb
eines im wesentlichen linearen Bereichs der Ausgangsübertragungsfunktion
des Gyroskopes liegt. Die Messspule ist unter Verwendung einer kurzen
Faserspule, das auf eine Rolle mit kleinem Durchmesser aufgewickelt
ist, aufgebaut. Mit dieser Art von Aufbau kann die Drehgeschwindigkeit direkt
von der Amplitude der Grundschwingung oder der ersten harmonischen
Schwingung bestimmt werden. Da die Phase und Frequenz der Grundschwingung
wohl bekannt sind, ist die effektivste Weise, die Amplitude zu bestimmen,
die der synchronen Demodulation.
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Das Kreisel-Breitbandsignal wird
durch Transimpedanzvorverstärker 26,
der den Strom in Spannung umwandelt, und Verstärker 27, der das Spannungssignal
auf einen messbaren Pegel verstärkt, geleitet.
Dieses Spannungssignal wird dann an einen Tiefpassfilter (low pass
filter = LPF) 28 angelegt, dessen Eckfrequenz bei der Grundfrequenz
F1 vor dem Prozess der synchronen Demodulation liegt. Der Tiefpassfilter 28 entfernt
alle Oberwellen von dem Spannungssignal und lässt nur noch die Grundfrequenz übrig. Das
Signal wird dann an den Synchrondemodulator 29 weitergeleitet.
Synchrondemodulator 29 erhält als anderes Eingangssignal
ein Spannungssignal von einem Colpitts-Oszillator und einem Verstärkerschaltkreis 33.
Da der Ausgang von Schaltkreis 33 durch einen Phasenschieber
und einen Tiefpassfilter 32 geleitet wird, wird das Signal
auf die Grundfrequenz mit derselben Phasenverschiebung gelockt,
wie das Signal, das vom Verstärker 27 bereitgestellt
wird. Der Ausgang von Demodulator 29 befindet sich in einem
Maximum, wenn die Phasen und Frequenzen seiner Eingangssignale gleich
sind, und er ist proportional zur Größe des Kreiselausgangssignals
bei der Modulationsfrequenz. Dieser Ausgang wird durch Tiefpassfilter 30 geleitet,
wo ein Gleichsignal proportional zur Drehgeschwindigkeit erzeugt
wird. Zum Schluss verstärkt
DC-Verstärker 31 das
resultierende Signal. Die Demodulation erzeugt einen linearen Ausgang über einen
sehr weiten dynamischen Bereich der Eingangsgeschwindigkeit. Die
Auflösung
der Drehungsmessung wird bestimmt durch den Rauschfaktor des verwendeten
Transimpedanzvorverstärkers 26 und
die Bandbreite der Messung.
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Die Aufrechterhaltung eines konstanten
Skalenfaktors während
umgebungsbedingter Veränderung
erfordert, dass zwei Arbeitspunkte des Kreisels genau eingehalten
werden. Zuerst muss der Betrag des Kreiselsignals am Ausgang von
Verstärker 27 konstant
sein. Um dies zu erreichen, nutzt die Erfindung die Tatsache, dass
die Amplitude des zweiten harmonischen Signals F2 für Sensoren
mit kurzer Spulenlänge
relativ konstant ist über
den gesamten Geschwindigkeitsbereich (engl.: rate range). Folglich wird
das Breitbandkreiselsignal bei der zweiten harmonischen Frequenz
F2 vom Hochpassfilter 35 hochpassgefiltert (HPF), vom Zweiweggleichrichter 36 gleichgerichtet,
vom Integrierer 37 integriert und verglichen und vom Quellentreiber 38 an
die Quelle 21 angelegt. Das resultierende Gleichsignal
wird dazu verwendet, die gemessene optische Leistung an der Quelle 21 durch
Erhöhung
oder Absenkung des Lichtquellenstromes auf einen konstanten Wert zu
regeln und dadurch die optische Leistung zur Verfügung zu
stellen. Hochpassfilter 35 kann erforderlich sein, um den
Ein fluss des Grundsignals F1 auf den Schaltkreis zur Leistungsnivellierung
bei hohen Drehgeschwindigkeiten zu reduzieren.
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Der zweite wichtige Arbeitspunkt
des Kreisels, der eingehalten werden muss, ist die Tiefe der Interferrometerphasenmodulation,
die am PZT-Phasenmodulator 34 geregelt wird. Die Tiefe
der Phasenmodulation wird von der Amplitude der Sinuswellentreiberspannung,
die an den PZT-Phasenmodulator 34 angelegt wird, festgelegt.
Jedoch garantiert lediglich eine Ansteuerung mit einer Sinuswelle
mit einer festen Frequenz und einer festen Amplitude keine feste
Tiefe der Phasenmodulation. Mit der Zeit und den Umgebungsbedingungen
driftet die Resonanzfrequenz (Fr) des PZT-Modulators 34.
Ebenso schwankt der Skalenfaktor (Qm) der Umwandlung der mechanischen
zur optischen Phasenverschiebung. Wie oben erörtert, nutzt die Erfindung
den PZT-Phasenmodulator 34 als einen aktiven Teil des Oszillatorschaltkreises,
indem der Ausgang des Colpitts-Oszillators und der einstellbare
Verstärkungssteuerungsverstärker (adjustable
gain control = AGC) 33 an Phasenschieber und Tiefpassfilter 32 (eingestellt
auf die erste Grundfrequenz) angelegt wird. Weil der PZT-Modulator 34 Teil
des aktiven Rückkopplungsschaltkreises
ist, wird jede Änderung in
der PZT-Resonanzfrequenz verfolgt. Veränderungen von Qm und Fr verändern ebenso
die dynamische Impedanz des PZT, was die Antriebsamplitude beeinflusst.
Der Colpitts-Oszillator
und der AGC-Verstärker 33 werden
dazu verwendet, eine stabile Sinuswellenamplitude zur Ansteuerung
bei allen Umgebungsbedingungen zu erhalten, wenngleich andere eigenresonante
Oszillatoren ebenfalls verwendet werden könnten.
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Dadurch wird ein Kreiselsystem mit
vereinfachter Signalverarbeitungselektronik bereitgestellt, bei
dem die Amplitude des Kreiselgrundsignals synchron demoduliert wird,
um die Drehgeschwindigkeit des Sensors zu bestimmen. Das zweite
harmonische Kreiselsignal wird dazu verwendet, die Intensität der Lichtquelle
zu regeln. Die Verwendung des Verhältnisses dieser Signale ist
nicht erforderlich. Die Tiefe der Phasenmodulation wird durch die
Verwendung eines eigenresonanten Oszillatoransatzes mit der PZT
als Teil des aktiven elektronischen Schaltkreises erhalten. Diese
Anordnung beseitigt unwesentliche optische Komponenten und Spleiße des Systems und
erlaubt die Herstellung eines günstigeren
Gyroskopes. Die Verwendung des Kreiselinstruments mit reduzierter
Minimalkonfiguration mit diesem Ansatz mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik
ergibt einen Drehgeschwindigkeitssensor mit sehr attraktivem Preis-Leistungs-Verhältnis zur
Verwendung in vielen Anwendungen der Landfahrzeugnavigation, wie
zum Beispiel Anwendungen, die die Verwendung von Koppelnavigationssensoren
erfordern, die an GPS-Systeme gekoppelt sind. Das IFOG-Signalverarbeitungssystem
ist einfach und preiswert herzustellen, bestimmt die Drehgeschwindigkeit
der Sensorspule genau und erhält
einen konstanten Skalenfaktor während
umgebungsbedingter Änderungen.
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In einer alternativen Ausführungsform
kann ein IFOG mit Minimalkonfiguration, eher als ein IFOG mit reduzierter
Minimalkonfiguration, mit der oben in Bezug auf 2 beschriebenen Signalverarbeitungselektronik
verwendet werden. In dieser Ausführungsform
ist die Quelle-/Detektoranordnung durch einen Laser und Detektor
ersetzt, und ein erster Koppler ist zwischen dem Laser und dem Polarisator eingefügt. Der
Betrieb des Restes des Schaltkreises ist wie oben beschrieben. Die
Verwendung des Gyroskopes mit Minimalkonfiguration mit diesem Ansatz mit
vereinfachter Signalverarbeitungselektronik ergibt einen Drehgeschwindigkeitssensor
mit sehr attraktivem Preis-Leistungsverhältnis für die Verwendung in vielen
Landfahrzeugnavigationsanwendungen wie zum Beispiel Anwendungen,
die die Verwendung von Koppelnavigationssensoren erfordern, die an
GPS-Systeme gekoppelt sind. Das IFOG-Signalverarbeitungssystem ist einfach
und preiswert herzustellen, bestimmt die Drehgeschwindigkeit der
Sensorspule genau und erhält
einen konstanten Skalenfaktor während
umgebungsbedingter Änderungen.
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In gegenwärtigen Experimenten wurden zwei
Kreiselsysteme konstruiert und getestet. Die erste Einheit war eine
standardmäßige Minimalkonfiguration
mit offener Rückkopplung
für alle
Fasern wie in dem vorangehenden Abschnitt beschrieben. Die zweite
Einheit war identisch, mit der Ausnahme, dass sie verändert wurde
durch die Entfernung des ersten Kopplers und durch die Erfassung
des Kreiselsignals von der Rückflächendiode
des Lasers wie oben in Verbindung mit 2 beschrieben.
Alle optischen Komponenten wurden hergestellt unter Verwendung der
Andrew Ecore® polarisationserhaltenden
(PM) Faser. Die verwendete Länge
der Sagnac-Spule war 75 Meter mit einem nominalen Durchmesser von
65 Millimetern. Der Modulator wurde dadurch hergestellt, dass ein
piezoelektrischer Übertrager
(PZT) mit Faser umwickelt wurde. Es wurde eine Standard-Kompaktdisk-Laserdioden-Lichtquelle
verwendet. Der optische Schaltkreis wurde integriert mit einer analogen
Demodulatorelektronikbaugruppe in einer Einheit mit einem rechteckigen
Formfaktor (4,25 × 3,25 × 1,5 Inch,
etwa 108 × 83 × 38 mm),
die 0,55 Pfund (etwa 0,25 kg) wog. Die Einheit arbeitete bei einer
nicht aufbereiteten Spannung von +12 V Gleichspannung, so wie sie
in einem Automobil verendet wird, und der Ausgang war eine differentielle Analogspannung.
Eine gesamte Leistungsaufnahme von 2 Watt war typisch für das fertige
Gyroskop mit Elektronik.
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Beide Kreiselkonfigurationen durchliefen mehrere
Tests, um die Hauptleistungsparameter zu messen. Eine Zusammenfassung
der Ergebnisse verglichen mit einem kommerziell verfügbaren Bauteil,
dem Andrew AUTOGYRO® Navigator, ist in Tabelle
1 gezeigt. Die 3a und 4a vergleichen die mit der
Allan Varianzanalyse bestimmte Winkelzufallsbewegung (ARW) und die
Stabilität
der Nullpunktverschiebung der Kreisel mit minimaler Konfiguration
gegen die der Kreisel mit reduzierter Minimalkonfiguration. Beide
Kreisel hatten ARW Werte von näherungsweise
20°/h/√Hz und
Grenzen der Nullpunktsverschiebungsstabilität von 1°/h/√Hz nach einer Laufzeit von
12 Minuten. 3b und 4b vergleichen die Nullpunktverschie bung
der Temperaturempfindlichkeit. Ein Temperaturbereich von –40 bis +75°C wurde für diesen
Test verwendet. Der herkömmliche
Kreisel mit Minimalkonfiguration übertraf den Kreisel mit reduzierter
Minimalkonfiguration um einen Faktor von 2 zu 1. Dies liegt jedoch
hauptsächlich
an den Unterschieden in der Temperaturempfindlichkeit der analogen
Demodulationselektronik. Die Temperaturempfindlichkeit der Nullpunktverschiebung
für die
Minimalkonfiguration wurde bei 0,03°/s oder 108°/h als Standardabweichung gemessen.
Die reduzierte Konfiguration erbrachte 0,07°/s oder 252°/h. Die Nichtlinearität des Skalenfaktors
war, wie in Tabelle 1 gezeigt, ähnlich.
Für den
typischen Fahrzeugdrehgeschwindigkeitsbereich von +/– 50°/s wurde
ein Pegel von 0,2% RMS erhalten.