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Interferometrische
faseroptische Kreisel (faseroptische Gyroskope) verwenden in der
Regel als Lichtquelle zum Erzeugen von Licht bei Wellenlängen in
dem Nahinfrarotbereich zwischen 0,83 Mikrometer und 1,55 Mikrometer
einen Festkörperlaser (Halbleiterlaser).
Diese Art von Lichtquelle emittiert breitbandiges Licht, dessen
breitbandige Spektralkomponenten innerhalb des faseroptischen Kanals miteinander
in Wechselwirkung treten und eine als relatives Intensitätsrauschen
bekannte Art von Rauschen erzeugen. Relatives Intensitätsrauschen
ist ein begrenzender Faktor bezüglich
der Rauschleistung von faseroptischen Kreiseln. Im Stand der Technik
sind mehrere Ansätze
verwendet worden, um die Effekte von relativem Intensitätsrauschen
zu reduzieren. Dazu zählen:
- (a) Rauschsubtraktion im offenen Kreis;
- (b) ein Regelkreissystem unter Verwendung von Biasmodulationsrückkopplung
und
- (c) ein Regelkreissystem unter Verwendung einer Lichtquellenpumpstromrückkopplung.
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Verfahren
(a) ist in der Praxis begrenzt, da es einen Referenzkanal verwendet,
von dem angenommen wird, daß er
eine perfekte Verstärkungsstabilität aufweist.
Verfahren (b) dient zum Reduzieren von relativem Intensitätsrauschen,
verschlechtert aber die Kreiselbiasstabilität und die Kreiselskalierfaktorlinearität. Verfahren
(c) ist hinsichtlich der Bandbreite begrenzt und unterdrückt keine
höherfrequenten
Komponenten des relativen Intensitätsrauschens. Diese höherfrequenten
Komponenten tragen signifikant zu einer Ausgabezufälligkeit
und einer entsprechenden Verschlechterung bei der Leistung des faseroptischen
Kreises bei. Das resultierende Signal-Rauschverhältnis setzt auf der Basis des
Beitrags des relativen Intensitätsrauschens
ein Grundrauschen fest, was die Effektivität eines Servosystems oder Re gelkreises
wie etwa (c) begrenzt, der oder das Phasenmodulation des Lichtquellenpumpstroms
verwendet.
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Eine
gewöhnlich
implementierte Art von interferometrischem faseroptischem Kreisel 100,
wie in 1A gezeigt, verwendet Biassignalmodulation, um
Empfindlichkeit gegenüber
einer Drehung der faseroptischen Meßspule 103 zu erhalten.
Bei Betrieb wird das von der Lichtquelle 110 emittierte
Licht von einem Biasmodulator 108 moduliert. Der Biasmodulator 108 erzeugt
in der Regel ein Rechteckwellensignal, das an einen Phasenmodulator 109 angelegt wird.
Ein Strahlteiler (der Teil eines integrierten Optikbausteins 112 ist)
trennt das modulierte Licht in zwei Wege, die sich in entgegengesetzten
Richtungen durch die phasenoptische Meßspule 103 ausbreiten. Das
von der Meßspule 103 zurückkehrende
Licht wird unter Verwendung eines Abgriffkopplers 104 abgetastet.
Das abgetastete Licht wird an einen Fotodetektor 105 angelegt,
der das optische Signal in Form eines Stroms erfaßt und den
erfaßten
Strom in eine Spannung konvertiert. Die Ausgabe des Fotodetektors 105 wird
dann von einem Analog-Digital-(A/D)-Umsetzer 106 in ein
digitales Signal umgewandelt. Die digitale Ausgabe von dem A/D-Umsetzer 106 wird
von einem Demodulator 107 unter Verwendung eines vom Biasmodulator 108 gelieferten Taktsignals
demoduliert. Mit einer synchronen Demodulation des Biassignals bei
der Biasmodulationsfrequenz werden Kreiselmeßspulendrehinformationen extrahiert,
um ein Kreiselausgangssignal zu erhalten. Die Biasschleifensteuerelektronik 111 enthält einen Regelkreissignalgenerator
und eine Ausleseschaltung (nicht gezeigt), die auf Leitung 113 eine
Impulsfolgeausgabe liefert, wobei jeder Impuls gleichwertig einem
Inkrement einer Winkeldrehung der faseroptischen Meßspule 103 ist.
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1B ist
ein Diagramm, das eine zum Steuern der Intensität einer Faserlichtquelle verwendete Servoschleife
nach dem Stand der Technik zeigt. Wie in 1B gezeigt,
verwendet das System 100 eine Rückkopplungsschleife zum Steuern
der Faserlichtquelle 110 durch Verwendung einer relativ schmalbandigen
(etwa 100 bis 200 Kilohertz) Servoelektronik 140, um den
Faserlichtquellenpumpstrom über
einen Pumpstromcontroller 150 zu variieren. Dieses Verfahren
verwendet Intensitätsmodulation des
Lichts, damit die Servoschaltungsanordnung niederfrequentere Komponenten
des relativen Intensitätsrauschens
kompensieren kann. Wegen der praktischen Obergrenze bei der Frequenz
der Pumpstrommodulation ist dieses Verfahren jedoch an sich auf
eine Unterdrückung
von relativ niederfrequenten Komponenten des relativen Intensitätsrauschens
begrenzt.
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Das
Abtasten der analogen Ausgabe des Fotodetektors 105 erzeugt
ein von dem Stand der Technik nicht behandeltes Problem. Das Abtasten
des Fotodetektorausgangssignals bewirkt, daß bei Oberschwingungen der
Biasmodulationsfrequenz Komponenten des relativen Intensitätsrauschens
erscheinen, und bewirkt auch, daß bei der Abtastfrequenz Überlagerungsfrequenzprodukte
erscheinen, plus/minus der Oberschwingungsfrequenzen. Diese Komponenten
des relativen Intensitätsrauschens müssen unterdrückt werden,
um den Beitrag des relativen Intensitätsrauschens zu der Leistung
des faseroptischen Kreisels zu entfernen.
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Der
Ausgang des Demodulators 107 ist empfindlich gegenüber Signalen
bei der Biasmodulationsfrequenz und den ungeraden Oberschwingungen der
Biasmodulationsfrequenz. Die Empfindlichkeit gegenüber ungeraden
Oberschwingungen am Eingang ist proportional zum Kehrwert der Oberschwingungszahl
(d.h. 1/3, 1/5, 1/7 für
die dritte, fünfte
und siebte Oberschwingung). Das Gesamtausgangsrauschen des Demodulators
ist der RSS (root-sum-square – quadratischer
Mittelwert) der individuellen Rauschkomponenten. Weil die Empfindlichkeit
gegenüber
Eingangsrauschen bei den ungeraden Oberschwingungen mit der Oberschwingungszahl
schnell abzunehmen scheint, dachte man, daß ein das relative Intensitätsrauschen
unterdrückendes Servorauschen
nur bei der Biasmodulationsfrequenz und den ersten paar ungeraden
Oberschwingungen der Biasmodulationsfrequenz reduzieren müßte. Das Eingangsrauschen
für einen
einen niederfrequenten Servo verwendenden faseroptischen Kreisel
nimmt schnell zu, wenn die Leerlaufverstärkung des Servos mit höheren Frequenzen
abzunehmen beginnt. Das Rauschspektrum am Eingang des Analog-Digital-Umsetzers 106 (wenn
der Servo in Betrieb ist) nimmt schnell zu und weist höhere Spitzen
auf als das Rauschspektrum, das beobachtet wird, wenn der Servo
nicht verwendet wird. Wegen der schnellen Zunahme beim Rauschen
und bei den höheren
ungeraden Oberschwingungen und weil es viele ungerade Oberschwingungen
gibt, die zur Gesamtrauschausgabe des Demodulators 107 beitragen,
begrenzt der Rauschbeitrag der höheren
Oberschwingungen die am Ausgang des Demodulators realisierte Gesamtrauschreduzierung.
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Die
Bandbreite des Servos nach dem Stand der Technik, wie durch die
Frequenzantwort auf Variationen in der Pumpleistung bestimmt, ist
aufgrund des Vorliegens einer Sektion erbiumdotierter optischer
Faser, die Teil der Lichtquelle 110 ist, auf etwa 3 Kilohertz
(kHz) begrenzt. Um die Bandbreite des Servos nach dem Stand der
Technik über
3 kHz hinaus zu vergrößern, wird
die Gesamtverstärkung
so erhöht,
daß die
Leerlaufverstärkung
bei Frequenzen über
3 kHz viel größer als
Eins ist, wodurch effektiv die Frequenzabsenkung der Erbiumfaser
kompensiert wird. Das Ausmaß der
Verstärkungszunahme wird
jedoch durch die Stromgrenzen der Pumpdiode begrenzt. Wenn die Verstärkung zu
stark heraufgesetzt wird, dann wird die Pumpdiode mit Rauschstrom
gesättigt,
was für
den Kreiselbetrieb unerwünschte
Effekte produziert. Wegen dieser Einschränkung ist die Bandbreite des
Servos nach dem Stand der Technik auf etwa 100 kHz begrenzt. Für diese
Art von Servo mit relativem Intensitätsrauschen ist die am Ausgang
des Demodulators realisierte Gesamtrauschreduktion auf etwa einen
Faktor von 4 begrenzt.
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Ein
faseroptischer Kreisel mit hoher Leistung erfordert einen am Demodulatorausgang
realisierten Rauschreduktionsfaktor von 8. Um diese Größe der Rauschreduktion
zu erzielen, diktiert die Eingang-zu-Ausgangsübertragungsfunktion des Modulators,
daß die
Servobandbreite etwa 800 kHz oder höher sein muß. Deshalb wird ein Intensitätsmodulator
mit einer Bandbreite, die höher
ist als die des Stands der Technik, benötigt, um die Intensität des an die
Kreiselmeßspule
angelegten Lichts zu steuern.
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LÖSUNG
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die vorausgegangenen Probleme und erreicht in der Technik einen
Fortschritt durch Bereitstellen eines Systems, das relatives Intensitätsrauschen
in einem faseroptischen Kreisel unterdrückt. Bei dem vorliegenden System
fungiert eine Rückkopplungsschleife (Servoschleife).
die einen breitbandigen Intensitätsmodulator,
einen Abgriffskoppler, einen Fotodetektor und einen breitbandigen
Servocontroller umfaßt,
dahingehend, Intensitätsfluktuationen
in dem Lichtweg des faseroptischen Kreisels auf ein signifikant
niedrigeres Niveau zu treiben, als mit Verfahren nach dem Stand
der Technik erreichbar ist.
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Aus
US-A-5,761,225 ist ein faseroptischer Verstärker bekannt. Aus US-A-5,627,644
ist die Bereitstellung einer Kerr-Effekt-Kompensation durch Abgleichen
der optischen Leistung in faseroptischen Kreiseln bekannt. Aus US-A-5,293,545
ist eine optische Quelle mit reduziertem relativem Intensitätsrauschen
bekannt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein System zur Unterdrückung von relativem Intensitätsrauschen
und/oder Lichtintensitätsfluktuationen
in einem faseroptischen Kreisel unter Verwendung einer Lichtquelle
bereitgestellt, wobei das System folgendes umfaßt:
einen Intensitätsmodulator
zum Erzeugen eines intensitätsmodulierten
Lichts durch Modulieren von von der Lichtquelle emittiertem Licht;
einen
Abgriffskoppler zum Empfangen des intensitätsmodulierten Lichts und Abtasten
eines Teils davon zum Bereitstellen eines abgetasteten Signals;
einen
Fotodetektor zum Erfassen des abgetasteten Signals als einen Strom
und Konvertieren des abgetasteten Signals in ein detektiertes Signal
mit einer Spannung proportional zu dem Strom; und
eine Servosteuerlogik,
die auf das detektierte Signal reagiert, zum Erzeugen eines Fehlersignals,
um zu bewirken, daß der
Intensitätsmodulator
die Intensität des
von der Lichtquelle empfangenen Lichts variiert, um Intensitätsfluktuationen
des Lichts an dem Fotodetektor aufzuheben und dadurch das relative
Intensitätsrauschen
zu unterdrücken.
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Die
vorliegende Erfindung erstellt weiterhin ein Verfahren zur Unterdrückung von
relativem Intensitätsrauschen
in einem faseroptischen Kreisel bereit, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte umfaßt:
Empfangen
von von einer Lichtquelle emittiertem Licht und Abtasten eines Teils
des Lichts zum Bereitstellen eines abgetasteten Signals;
Erfassen
des abgetasteten Signals zum Bereitstellen eines eine Intensität des Lichts
darstellenden Steuersignals und
Variieren der Intensität des von
der Lichtquelle empfangenen Lichts als Reaktion auf das Steuersignal zum
Aufheben von Intensitätsfluktuationen
des Lichts und dadurch Unterdrücken
des relativen Intensitätsrauschens.
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus einer Lektüre der folgenden Beschreibung
davon in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
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1A ein
Blockdiagramm eines faseroptischen Kreisels nach dem Stand der Technik;
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1B ein
Diagramm, das eine Servoschleife nach dem Stand der Technik zeigt,
die zum Steuern der Intensität
einer Faserlichtquelle verwendet wird;
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2 ein
Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung, das eine Intensitätsmodulationsservoschleife
zeigt; und
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3 ein
Schemadiagramm der Elektronik, die die breitbandige Servoschleife
der vorliegenden Erfindung steuert.
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1B ist
ein Blockdiagramm eines Verfahrens nach dem Stand der Technik zum
Reduzieren von relativem Eingangsrauschen in einem faseroptischen
Kreisel. Die vorliegende Erfindung läßt sich durch einen Vergleich
von 2 mit 18 besser würdigen.
Wie in 18 gezeigt, verwendet das System 100 eine
Rückkopplungsschleife
zum Steuern der Faserlichtquelle 110 unter Verwendung einer
realtiv schmalbandigen (etwa 100–200 kHz) Servoelektronik 140,
um den Faserlichtquellenpumpstrom über Block 150 zu variieren.
Bei diesem Verfahren wird Intensitätsmodulation des Lichts verwendet,
damit die Servoschaltungsanordnung niederfrequentere Komponenten
von relativem Intensitätsrauschen
kompensieren kann. Wegen der praktischen Obergrenze der Frequenz
der Pumpstrommodulation ist dieses Verfahren jedoch an sich auf
die Unterdrückung
von niederfrequenteren Komponenten des relativen Intensitätsrauschens
begrenzt.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines faseroptischen Kreises 200, das
ein Ausführungsbeispiel
der Lichtintensitätsmodulationsservoschleife 201 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Die Faserlichtquelle 210 ist in der Regel
ein Festkörperlaser
(Halbleiterlaser), der Licht mit Wellenlängen im Nahinfrarotbereich
zwischen 0,83 Mikrometer und 1,55 Mikrometer erzeugt. Die Intensität des Lichts
von der Lichtquelle 210 wird durch einen elektrooptischen
Intensitätsmodulator 215 moduliert,
der beispielsweise ein Niobat- oder Protonenaustauschlithiumniobatintensitätsmodulator
mit eindiffundiertem Titan sein kann. Das modulierte Licht wird
dann unter Verwendung des Abgriffskopplers 220 abgetastet,
um einen Teil des Lichts am Ausgang des Intensitätsmodulators 215 zu messen.
Man beachte, daß die
durch Bezugszahl 102 (in 1)
gezeigte Schaltungsanordnung einen grundlegenden faseroptischen
Kreisel nach dem Stand der Technik umfaßt und zu dem Zweck gezeigt wird,
einen beispielhaften Referenzrahmen für das vorliegende System 200 bereitzustellen.
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Das
abgetastete Licht wird dem Fotodetektor 230 zugeführt, der
das optische Signal in Form eines Stroms erfaßt und den erfaßten Strom
in eine Spannung konvertiert. Der Fotodetektor 230 enthält eine Fotodiode
und einen Transimpedanzverstärker.
Das Ausgangssignal von dem Fotodetektor 230 wird dann an
einen breitbandigen Servocontroller 240 angelegt, der eine
negative Rückkopplung
an den Hochgeschwindigkeitsintensitätsmodulator 215 liefert,
um Intensitätsfluktuationen
am Fotodetektor aufzuheben und dadurch die Servoschleife zu stabilisieren.
Wie unten ausführlicher
erläutert,
weist der Servocontroller 240 eine Bandbreite von etwa
1 Megahertz auf, die ausreichend breitbandig ist, um die Intensitätsmodulation
des Lichts zu steuern und dadurch relatives Intensitätsrauschen
einschließlich
hochfrequenter Komponenten davon, die vom Stand der Technik nicht
unterdrückt
wurden, zu unterdrücken.
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Im
Kontext von System 100 ist die Servoschleife 201 der
vorliegenden Erfindung bevorzugt an dem durch Referenzzahl 125 identifizierten
Punkt in die Schaltung geschaltet, wobei Leitung 202 mit dem
Koppler 104, und Leitung 203 mit dem Fotodetektor 105 verbunden
ist. Alternativ könnte
die Servoschleife 201 bei Referenzzahl 126 im
System 100 zwischen Koppler 104 und integriertem
Optikbaustein 112 geschaltet sein.
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3 ist
ein Schemadiagramm der Elektronik, die in einem Ausführungsbeispiel
des Servocontrollers 240 verwendet wird, um die breitbandige
Servoschleife 201 der vorliegenden Erfindung zu steuern.
Wenn bei Betrieb die Lichtintensität am Fotodetektor 230 zuzunehmen
beginnt, liefert der Servocontroller 240 ein negatives
Rückkopplungssignal
an den Intensitätsmodulator 215,
die Lichttransmission durch den Intensitätsmodulator 215 herabzusetzen, was
bewirkt, daß das
Lichtniveau am Fotodetektor 230 entsprechend abnimmt. Da
die Schaltung keine unendliche Verstärkung aufweist, muß am Fotodetektor
eine gewisse Intensitätsfluktuation
vorliegen, um ein Signal bereitzustellen, so daß die Servoschleifenschaltungsanordnung
ein negatives Rückkopplungsignal
erzeugen kann.
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Die
Restlichtintensitätsfluktuation
am Fotodetektor 230 bei einer gegebenen Frequenz hängt von
der Leerlaufverstärkung
der ganzen Servoschleife 201 ab. Für relativ hohe Leerlaufverstärkungen
ist die Rauschreduktion am Fotodetektor ungefähr proportional dem Kehrwert
der Leerlaufverstärkung.
Um bei einer gegebenen Frequenz eine hohe Rauschreduktion zu erzielen,
muß die
Leerlaufverstärkung
bei dieser Frequenz hoch sein. Die Übertragungsfunktion des Demodulators 107 zeigt,
daß das
Intensitätsrauschen
auf mindestens 800 kHz reduziert werden muß, und deshalb muß die Leerlaufverstärkung der ganzen
Rückkopplungsschleife
mindestens bis zu 800 kHz größer als
Eins sein. Um Rauschen bei der Biasmodulationsfrequenz (in der Regel
20 kHz) und den ersten wenigen ungeraden Oberschwingungen der Biasmodulationsfrequenz
(wo die Empfindlichkeit des Demodulators relativ hoch ist) signifikant
zu reduzieren, muß die
Leerlaufverstärkung
größer als
50 sein.
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Die
erste Stufe (Operationsverstärker 301 und
assoziierte Kondensatoren C1, C2 und Widerstände R1, R2, R3) der Servocontrollerschaltung 240 liefert
eine Schleifenverstärkung
bei Frequenzen bei der Biasmodulationsfrequenz und bei vielen der
ungeraden Oberschwingungen davon. Die Verstärkung der ersten Stufe nimmt
bei Frequenzen unter der Biasmodulationsfrequenz ab, und wird in
erster Linie durch C1, R1 und R3 bestimmt. Die Spitze der Verstärkung liegt
ungefähr
um die Biasmodulationsfrequenz herum und wird in erster Linie durch
R1 und C2 bestimmt. Damit die Servoschleife stabil ist, muß die Verstärkung dieser
Stufe im wesentlichen konstant mit der Frequenz sein, wenn die Gesamtleerlaufverstärkung Eins
kreuzt (etwa 2 MHz). Bei hohen Frequenzen (über 500 kHz) wird die Verstärkung dieser
Stufe in erster Linie durch R1 und R2 bestimmt und ist deshalb mit
der Frequenz konstant.
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Die
zweite Stufe der Servocontrollerschaltung 240 (Operationsverstärker 302 und
assoziierte Kondensatoren C3, C4 und Widerstände R4, R5) stellt ebenfalls
eine Schleifenverstärkung
bei Frequenzen bei der Modulationsfrequenz und vielen der ungeraden
Oberschwingungen davon bereit. Die Verstärkung der zweiten Stufe nimmt
bei Frequenzen unter der Biasmodulationsfrequenz ab und wird in erster
Linie durch C3, R4 und R5 bestimmt. Die Spitze der Verstärkung liegt
ungefähr
um die Biasmodulationsfrequenz herum und wird in erster Linie durch R4 und
C4 bestimmt. Damit die Schleife stabil ist, muß die Verstärkung dieser Stufe nicht mit
der Frequenz konstant sein, wenn die Gesamtleerlaufverstärkung Eins
kreuzt (etwa 2 MHz). Deshalb hängt die
Verstärkung
dieser Stufe bei hohen Frequenzen über 500 kHz immer noch in erster
Linie von R4 und C4 ab. Es wird bevorzugt, daß die Werte der Widerstände R1,
R5 und Kondensatoren C1, C4 derart ausgewählt werden, daß die höchstmögliche Leerlaufverstärkung erzielt
wird und gleichzeitig eine stabile Rückkopplungsschleife aufrechterhalten
wird.