DE102006012965A1

DE102006012965A1 - Messung der optischen Leistung eines Lichtwellenleiter-Kreisels mit offener Schleife

Info

Publication number: DE102006012965A1
Application number: DE102006012965A
Authority: DE
Inventors: Leon North Andover Kristal; Mark Dover Bowser; Rocco Canton Pennacchio
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2006-10-19
Also published as: US7295322B2; FR2884606A1; US20060232782A1; FR2884606B1; JP5294542B2; JP2006292753A

Abstract

Die Offenbarung beschreibt Lichtwellenleiter-Kreisel mit integrierten Leistungsmessfähigkeiten, Verfahren und Vorrichtungen. Insbesondere beschreibt sie das Bestimmen der optischen Leistung eines Lichtwellenleiter-Kreisels durch zeitweises Einstellen des Phasenunterschieds zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen, Messen der Änderung der Lichtintensität, die von der Phasenunterschied-Einstellung verursacht wird, und Verwenden der gemessenen Änderung der Lichtintensität zusammen mit bekannten Kenngrößen des Lichtwellenleiter-Kreisels zum Berechnen eines optischen Leistungswerts. Das zeitweise Einstellen des Phasenunterschieds wird vorzugsweise auf eine Weise ausgeführt, um den normalen Betrieb des Lichtwellenleiter-Gyroskops nicht zu stören.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Lichtwellenleiter-Kreisel mit offener Schleife und Verfahren zum Messen der optischen Leistung.
Ein optischer Kreisel misst das Interterenzmuster, das von zwei Lichtstrahlen erzeugt wird, die sich in entgegengesetzten Richtungen innerhalb eines verspiegelten Rings (Laser- oder "Ringlaser"-Kreisel) oder einer Lichtwellenleiterschleife (Lichtwellenleiter-Kreisel) ausbreiten zum Erfassen sehr kleiner Änderungen einer Bewegung. Optische Kreisel basieren auf einem Prinzip, das als "Sagnac-Effekt" bezeichnet wird, der am Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt wurde. Optische Kreisel weisen eine Mehrzahl von Anwendungen auf, aber sind insbesondere geeignet zur Verwendung in Leit-, Navigations- und Steuerungssystemen, wie zum Beispiel jenen von Flugzeugen und Raumschiffen. Ein Beispiel eines optischen Kreisels kann in dem US-Patent Nr. 4,545,682 gefunden werden, auf dessen Inhalt durch Bezugnahme hingewiesen wird.

Es gibt eine Mehrzahl verschiedener Arten von Lichtwellenleiter-Kreisel einschließlich zumindest Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel (IFOGs, interferometer fiber optic gyroscopes) und Resonator-Lichtwellenleiter-Kreisel (RFOG, resonator fiber optic gyroscopes). IFOGs sind phasenempfindliche Vorrichtungen, wobei der Sagnac-Effekt eine optische Phasendifferenz zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen/-wellen in einer rotierenden Lichtwellenleiterspule erzeugt. RFOG sind frequenzempfindliche Vorrichtungen, wobei der Sagnac-Effekt einen Frequenzunterschied zwischen zwei resonanten Strahlen in einem Ring-Lichtwellenleiterraum erzeugt, der auf resonante Frequenzen im Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn verriegelt ist.

IFOGs werden typischerweise entweder in einer Konfiguration mit offenem Kreis oder geschlossenem Kreis betrieben. In der Konfiguration mit geschlossenem Kreis wird eine Phasenverschiebung erzeugt, die gleich stark ist wie die Phasenverschiebung, die von dem Sagnac-Effekt erzeugt wird, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist, und die Stärke der erzeugten Phasenverschiebung wird dann von der Vorrichtung erfasst, die sie erzeugt.

Zum Bereitstellen einer erhöhten Empfindlichkeit bei kleinen Drehfrequenzen kann ein IFOG eine Phasenmodulation zwischen den gegenläufigen Lichtstrahlen einführen. Eine Erklärung einer solchen Bias-Modulation kann in der US-Patentanmeldung Nr. 10/078,182 (Veröff.-Nr. US 2003/0169428) gefunden werden, auf dessen Inhalt durch Bezugnahme hingewiesen wird.

In vielen Fällen wird ein IFOG einen optischen Empfänger oder andere Mechanismen zum Umwandeln der Lichtausgabe (die eine Kombination der zwei gegenläufigen Strahlen ist) mittels einer Spulenanordnung in ein analoges oder digitales Signal aufweisen. Als der Begriff, der hierin verwendet wird, bedeutet die "optische Leistung" des IFOGs eine Messung der Leistung des Lichts, das von der Spulenanordnung ausgegeben und in den optischen Empfänger eingeführt wird.

1 zeigt ein schematisches Diagramm eines beispielhaften IFOGs. In 1 weist ein IFOG eine Lichtwellenleiterschleife 3, einen optischen Phasenmodulator (OPM) 5, einen Koppler 7, eine Lichtquelle 9, einen Photodetektor 11 und eine Steuerungseinheit 13 auf. Ein Lichtsignal von der Lichtquelle 9 wird in Signale im Uhrzeigersinn (cw) und Gegenuhrzeigersinn (ccw) aufgeteilt, die durch die Lichtwellenleiterschleife 3 und den OPM 5 laufen, bevor sie in dem Koppler 7 rekombiniert werden und auf den Photodetektor 11 gerichtet werden. Die Ausgabe des Photodetektors 11 wird in der Steuerungseinheit 13 bereitgestellt, die den OPM 5 und, wahlweise, die Lichtquelle 9 steuert.

2 stellt die Pfade dar, denen die cw- und ccw-Signale des IFOG 1 folgen. Wie gezeigt, läuft das cw-Signal von dem Punkt P1 bei dem Koppler 7 durch einen Punkt P3 auf der Schleife, durch den OPM 5 und zurück in den Koppler 7 in dem Punkt P2. Das ccw-Signal läuft von dem Punkt P2 bei dem Koppler 7, durch den OPM 5, durch Punkt P3 auf der Schleife 3 und zurück in den Koppler 7 in dem Punkt P1.

3 stellt ein Verfahren zum Steuern des OPM 5 dar, wobei der OPM 5 einen Phasenunterschied von 45 Grad während jedes Intervalls T0-T3 einführt, wobei das Vorzeichens des eingeführten Phasenunterschieds wechselt. In einigen Fällen entsprechen die Zeitintervalle der Durchgangszeit von Licht, das durch die Schleife 3 läuft, so dass es einen 90° Phasenunterschied zwischen den cw- und ccw-Signalen gibt, wenn sie erneut in den Koppler 7 eintreten.

4 stellt ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des IFOG 1 aus 1 dar. In 4 weist der IFOG 1' alle Komponenten des IFOG 1 aus 1 auf, außer dass er zwei OPMs 5A und 5B aufweist, die beide Teil eines einzelnen integrierten optischen Chips 5C am Platz des OPM 5 aus 1 sind. Die OPMs 5A und 5B werden gesteuert (über eine Steuerung des IOC 5C), um jedem eine Hälfte der Phasenverschiebung bereitzustellen, die von den cw- und ccw-Signalen gesehen wird.

5 stellt die Pfade dar, denen die cw- und ccw-Signale des IFOG 1' folgen. Wie gezeigt, läuft das cw-Signal von Punkt P1 an dem Koppler 7 durch den OPM 5A, durch den Punkt P3 auf der Schleife 3, durch den OPM 5B und zurück in den Koppler 7 an Punkt P2. Das ccw-Signal läuft von Punkt P2 an dem Koppler 7, durch den OPM 5B, durch Punkt P3 auf der Schleife 3, durch den OPM 5A und zurück in den Koppler 7 an Punkt P1.

6 stellt ein Verfahren zum Steuern der OPMs 5A und 5B dar, wobei die OPMs 5A und 5B beide einen Phasenunterschied von 22,5° während jedes Intervalls T0-T3 einführen, wobei das Vorzeichen des eingeführten Phasenunterschieds zwischen Zeitintervallen wechselt, und der von dem OPM 5A eingeführte Phasenunterschied im Vorzeichen von demjenigen von dem OPM 5B eingeführten entgegengesetzt ist. Die Zeitintervalle T0-T3 entsprechen jeweils der Durchlaufzeit von Licht, das durch die Schleife 3 läuft, so dass die OPMs 5A und 5B insgesamt 45° (2 mal 22,5) zu jedem der cw- und ccw-Signale hinzufügen mit dem Ergebnis, dass es einen 90°-Phasenunterschied zwischen den cw- und ccw-Signalen gibt, wenn sie erneut in den Koppler 7 eintreten.

Es ist anzumerken, dass für sowohl den IFOG 1 als auch den IFOG 1', die OPMs (5, 5A und 5B) zum Steuern des Phasenunterschieds zwischen den cw- und ccw-Signalen verwendet werden, wenn sie in dem Koppler 7 rekombiniert werden, bevor sie an den Photodetektor 11 bereitgestellt werden, wobei das Signal an Punkt P4, das in den Photodetektor 11 eintritt, bzw. davon erfasst wird, das Interferenzsignal ist, das sich aus der Kombination der cw- und ccw-Signale ergibt. In sowohl dem Verfahren aus 3 als auch dem Verfahren aus 6 werden die OPM zum Einführen eines Phasenunterschieds von 90° zwischen den cw- und ccw-Signalen gesteuert. Als solches können beide Verfahren in Bezug darauf beschreiben werden, wie der Phasenunterschied gesteuert wird, wie in 7 gezeigt ist, die anzeigt, dass der Phasenunterschied zwischen den cwund ccw-Signalen während der Intervalle T0-T4 immer 90° ist.

Wie diskutiert werden wird, verwenden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung alternative Verfahren zum Steuern als jene, die in den 3 und 6-8 dargestellt sind, und Steuern von OPM zum Erzeugen von Mustern von Phasenunterschieden wird beschrieben. Als solches ist es nützlich, das Muster aus 7 zu verallgemeinern, so dass das Muster aus 7 als wiederholte erste Phasenunterschied D1 gesehen wird. D1, das nicht 90° zu sein braucht, wird in jedem Intervall während einer Sequenz von Intervallen T0-T4 eingeführt. Als solches stellt 8 das gleiche Steuerungsmuster vor wie 7, aber ohne einen Wert für D1 explizit zu identifizieren.

Die Erfindung ist auf Lichtwellenleiter-Kreisel mit integrierten Leistungs-Messfähigkeiten gerichtet und betrifft Verfahren und die Vorrichtung. Insbesondere ist die Erfindung auf das Bestimmen der optischen Leistung eines Lichtwellenleiter-Kreisels gerichtet, indem jede Änderung der Lichtintensität, die einer bekannten Änderung des Phasenunterschieds entspricht, gemessen wird, und die gemessene Änderung der Lichtintensität zusammen mit der Änderung des Phasenunterschieds und bekannten Kenngrößen des FOG zum Berechnen eines optischen Leistungswerts verwendet wird. Noch genauer wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine optische Leistung bestimmt, indem der Phasenunterschied zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen zeitweise angepasst wird, und die gemessene Änderung der Lichtintensität zusammen mit bekannten Kenngrößen des FOG zum Berechnen eines optischen Leistungswerts verwendet wird. Die zeitweise Anpassung im Phasenunterschied wird vorzugsweise in einer solchen Weise gemacht, um den Normalbetrieb des FOG nicht zu stören.

Das genaue Wesen der Erfindung, genauso wie Ziele und Vorteile daraus, werden aus einer Betrachtung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung offensichtlich, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den Figuren davon bezeichnen, und wobei:
1 eine schematische Ansicht eines optischen Kreisels ist.
2 ein schematisches Diagramm ist, das Pfade im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn durch einen Abschnitt des Kreisels aus 1 darstellt.
3 eine Tabelle ist, die ein Steuerungsverfahren des optischen Phasenmodulators des Kreisels aus 1 darstellt.
4 eine schematische Ansicht eines optischen Kreisels ist.
5 ein schematisches Diagramm ist, das Pfade im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn durch einen Abschnitt des Kreisels aus 4 darstellt.
6 eine Tabelle ist, die ein Steuerungsverfahren des optischen Phasenmodulators des Kreisels aus 4 darstellt.
7 eine Tabelle ist, die ein Steuerungsverfahren von Phasenunterschieden zwischen cw- und ccw-Signalen in einem optischen Kreisel darstellt, das den Verfahren aus 3 und 6 entspricht.
8 eine Tabelle ist, die ein verallgemeinertes Steuerungsverfahren eines Phasenunterschieds zwischen cw- und ccw-Signalen in einem optischen Kreisel darstellt.
9 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Messen optischer Leistung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist.
10 eine Tabelle ist, die ein Steuerungsverfahren eines Phasenunterschieds zwischen cw- und ccw-Signalen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt.
11 eine Tabelle ist, die ein anderes Steuerungsverfahren eines Phasenunterschieds zwischen cw- und ccw-Signalen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt.
12 eine Tabelle ist, die noch ein anderes Steuerungsverfahren eines Phasenunterschieds zwischen cw- und ccw-Signalen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt.
13 eine Tabelle ist, die ein Steuerungsverfahren eines optischen Phasenmodulators zum Erreichen des Verfahrens aus 13 darstellt.
14 ein Graph ist, der Modulationssignale darstellt, die dem von 14 dargestellten Verfahren entsprechen.
15 eine schematische Ansicht eines optischen Kreisels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist.
Es wird jetzt Bezug genommen auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, wovon Beispiele in der begleitenden Zeichnung dargestellt sind. Während die Erfindung zusammen mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist es verständlich, dass diese Ausführungsformen nicht beabsichtigen, die Erfindung zu beschränken. Im Gegenteil ist beabsichtigt, dass die Erfindung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdeckt, die innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung, wie sie durch die angefügten Patentansprüche definiert ist, enthalten sind.
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details erklärt, um ein tiefes Verständnis der Erfindung zu verschaffen. Jedoch wird es von einem Fachmann verstanden werden, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Details angewendet werden kann. In anderen Fällen wurden wohlbekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltkreise nicht im Detail beschreiben, um die wichtigen Aspekte der Erfindung nicht unnötigerweise zu verdecken.
Es wurde gefunden, dass die optische Leistung, wenigstens für Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel (IFOGs, interferometer fiber optic gyroscopes) bestimmt werden kann, indem der Phasenunterschied zwischen zwei sich entgegengesetzt ausbreitenden Lichtstrahlen zeitweise angepasst wird, die Änderung der Lichtintensität, die von der Phasenunterschied-Anpassung bewirkt wird, gemessen wird, und die gemessene Änderung der Lichtintensität zusammen mit bekannten Kenngrößen des Lichtwellenleiter-Kreisels (FOG, fiber optic gyroscope) zum Berechnen eines optischen Leistungswerts verwendet wird. Dieses Verfahren ist in 9 als Verfahren 50 dargestellt, das Schritte 51, 53 und 55 aufweist. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Verwendung eines solchen Verfahrens durch Bereitstellen eines Kreisels, d.h. Gyroskops, mit einem oder einer Mehrzahl von Mechanismen zum Durchführen der Schritte 51, 53 und 55 vereinfacht wird.
Eine Ausführungsform des Verfahrens 50 aus 9 ist in 10 dargestellt, wobei der Phasenunterschied |cw-ccw| zwischen Uhrzeigersinn- und Gegenuhrzeigersinn-Signalen eines Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisels (IFOG) für drei Zeitintervalle auf D1 konstant gehalten wird und dann auf D2 für ein viertes Zeitintervall geändert wird. Die Änderung der optischen Leistung, die in der Änderung des Phasenunterschieds während eines Intervalls T3 resultiert, kann zum Bestimmen eines optischen Leistungswerts für das IFOG verwendet werden. Insbesondere stellt der Unterschied zwischen einem ersten Lichtintensitätswert (oder einem Durchschnitt von Lichtintensitätswerten), der dem Phasenunterschied von einem der Intervalle T0-T2 entspricht, und einem zweiten Lichtintensitätswert, der einer Periode T3 entspricht, ein Maß der optischen Leistungsausgabe des IFOG bereit.
Die Einführung eines zeitweisen Phasenunterschieds kann nur gelegentlich auftreten, z.B. in Antwort auf eine eingegebene Anfrage zum Bestimmen der optischen Leistung, oder kann periodisch auftreten. In 11 ist der Phasenunterschied |cw-ccw| für drei Intervalle auf einem ersten Wert D1 gehalten, für ein viertes Intervall in D2 geändert, wieder für drei weitere Intervalle auf D1 gehalten, und dann bei einem vierten Intervall wieder in D2 geändert. Als solches wird der Unterschied D2 periodisch bei jedem vierten Intervall eingeführt. Zur Klarheit kann gesagt werden, dass die Messperiode des Verfahrens aus 11 vier Intervalle umfasst, d.h. dass ein vier Zeitintervalle langes Muster von Phasenunterschieden angewendet wird. Folglich stellt 11 zwei Messperioden dar, eine erste Messperiode, die Intervalle T0-T3 aufweist, und ein zweites Messperiode, die Intervalle T4-T7 aufweist. In einigen Fällen kann ein Zeitintervall, währenddessen die Phasendifferenz zum Erzeugen einer Änderung der Lichtintensität zum Zwecke des Bestimmens der optischen Leistung geändert wird, hier als ein Leistungs-Abweichungsintervall bezeichnet werden.
Obwohl 11 ein Verfahren darstellt, das eine Messperiode mit vier Intervallen anwendet, wird sich die Anzahl von Intervallen in einer Messperiode allgemein zwischen Ausführungsformen ändern. Ferner kann sich das Muster von Phasenunterschieden, die während einer Messperiode auftreten, zwischen mehr als zwei verschiedenen Phasenunterschieden ändern. Das ist in 12 dargestellt, wo ein Zehn-Intervall, drei Werte-Verfahren verwendet wird. Wie dargestellt, wird der Phasenunterschied |cw-ccw|, während jeder Messperiode (T0-T9 und T10-T19), konstant auf D1 für vier Intervalle gehalten, für ein fünftes Intervall in D2 geändert, für ein sechstes Intervall in D3 geändert, für ein siebtes Intervall zurück geändert in D2 und für die übrigen drei Intervalle jeder Messperiode (T0-T9 und T10-T19) zurück geändert in D1.
Das zeitweise Einstellen des Phasenunterschieds wird vorzugsweise auf solch eine Weise gemacht, um den normalen Betrieb des IFOG nicht zu stören, d.h. ohne einen Verlust von Basis-Rotationsdaten. Das erlaubt eine periodische Verifikation des IFOG ohne jeden Verlust in der Funktionalität. Das gerade beschriebene Verfahren zum Ändern des Phasenunterschieds |cw-ccw|, das in 12 dargestellt ist, vollbringt das.
Das Muster von Phasenunterschieden des Verfahrens aus 12 kann vollbracht werden, indem die optischen Phasenmodulatoren (OPMs) 5A und 5B des IFOG 1' aus 4, wie in 12 und 13 dargestellt, gesteuert werden. In 13 ändert sich ein Eingabesignal an OPM 5A (versorgt von der Steuerungseinheit 13) zwischen positiven und negativen Werten einer ersten Amplitude A1 für Intervalle T0-T3, ändert sich zwischen positiven und negativen Werten mit der Amplitude A2 für Intervalle T4 und T5 und ändert sich dann zwischen positiven und negativen Amplitudenwerte A1 für die übrigen der Messperiode, d.h. Intervalle T6-T9. Dieses Muster wird für eine zweite Messperiode T10-T19 und für nachfolgende Messperioden (nicht gezeigt) wiederholt. 14 stellt eine Darstellung eines solchen Signals über eine Messperiode dar, die im Intervall T(n) beginnt und nach Messperiode T(n+9) endet. Das Verwenden solch eines Musters, wobei positive und negative Werte einer zweiten Amplitude für eine gerade Zahl von Zeitintervallen eingeführt werden, verursacht eine Änderung der Lichtintensität, die zur Bestimmung der Ausgabeleistung geeignet ist, aber nicht die IFOG-Fähigkeit zum Abtasten und Berichten einer Rotation stören.
Es sollte angemerkt werden, dass das verwendete Änderungsmuster bewirkt, dass D2 mit D1 und D3 fällt, da D3 die Summer von zwei Änderungen ist. Als solches, obwohl die Änderung möglich ist, die von der Verwendung von entweder D2 resultiert, schließt das Verwenden der Intensitätsänderung, die von D3 bewirkt wird, die Verwendung von zweimal dem Signal als der Änderung, die von D2 bewirkt wird, mit entsprechenden Vorteilen ein.
Eine andere Ausführungsform eines IFOG, der Mechanismen zum Durchführen von Schritten 51, 53 und 55 des Verfahrens aus 9 aufweist, ist in 15 dargestellt. In 15 weist ein bevorzugter FOG 90 eine Steuerungsanordnung 100, eine Spulenbaugruppe 200 und eine SLD 300 auf. Die Steuerungsanordnung 100 weist ein Optisch/Digital-Wandlermodul 110, ein Feldprogrammierbares Gatearray (FPGA, field programmable gate array) 120, ein Ausgabe-Modulatormodul 140 und einen Oszillator 150 auf.
Das FOG 90 verwendet zusätzlich zu dem Berechnen eines optischen Leistungswerts den berechneten Wert zum Bestimmen, ob der optische Leistungswert über oder unter einem Schwellenwert ist. Dieser Prozess wird als Durchführung eines BIT-Tests bezeichnet. Als solcher weist ein BIT-Test die Schritte 51, 53 und 55 aus 9 auf, aber weist auch ein Bestimmen, ob die optische Leistung über oder unter einem Schwellenwert ist, und Senden eines BIT-Pass-Signal falls es ist, und eines BIT-Fehler-Signals, falls es nicht ist, auf.
Das Optisch/Digital-Wandlermodul 110 weist einen optischen Empfänger 112, einen Vorverstärker 114, einen Spike-Filter 116, einen Signal-Verbesserer 117 und einen Analog/Digital (A/D)-Wandler 118 auf. Der optische Empfänger 112 ist eine Photodiode oder ein andere Vorrichtung, die das Licht der kombinierten Strahlausgabe der Spulenanordnung 200 in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Vorverstärker 14 wird zum Einstellen der Amplitude des erzeugten Signals verwendet und der Spikefilter 116 entfernt die Spitzen (Spikes), wenn sich das Modulationssignal ändert und kreuzt über die Spitze des Interferenzmusters. Der Signal-Verbesserer 117 verstärkt das analoge Signal weiter und stellt eine Tiefpassfilterung bereit zum Auslöschen hochfrequenten Rauschens vor dem Abtasten in dem Analog/Digital-Wandler 118. Der Vorverstärker 114, der Spike-Filter 116 und der Signal-Verbesserer 117 werden zum Formen des von dem optischen Empfänger 112 ausgegebenen Signals in eine Signalform, die für eine Eingabe in den A/D-Wandler 118 geeignet ist, verwendet. Der A/D-Wandler 118 wandelt das verstärkte und gefilterte analoge Signal von dem optischen Empfänger in ein digitales Signal um, das in den FPGA einzuführen ist, wo es mit der Modulationsfrequenz digital demoduliert wird. Die Modulationsfrequenz ist von dem FPGA auf der Basis der Zeit eingestellt, die Licht zum Durchlaufen der Länge (die sich zwischen Ausführungsformen ändern kann) der Spule 230 der Spulenanordnung 200 benötigt. Für die Ausführungsform aus 15 ist die Frequenz ungefähr 80 kHz.
Der FPGA 120 ist zum Implementieren eines wesentlichen Abschnitts der Funktionalität der Steuerung 100 einschließlich Demodulation des Signals, das von dem Optisch/Digital-Wandlermodul 110 bereitgestellt ist, Bestimmen und Ausgeben eines digitalen Werts, der entweder Winkelfrequenz, Position oder andere gewünschte Daten (wie weiter beschrieben in Bezug auf das serielle Datenregister 127), und Erzeugen des Modulations- und Phasenrampensignals, das an einen integrierten optischen Chip (IOC) anzulegen ist, der zum Einstellen der Phase oder einer anderen Kenngröße des sich entgegengesetzt ausbreitenden Strahlen in der Spule verwendet wird, programmiert. Als solches demoduliert der Demodulator 121 mit der Fundamentalfrequenz und gibt einen Wert aus, der dem Fehler in der Steuerungsschleife proportional ist. Der Integrierer 123 integriert den Wert von dem Demodulator 121 über die Zeit, die die Frequenz repräsentiert, mit der der FOG rotiert und gibt diese Ausgabe an eine Rampengenerator- und Modulationseinheit 125 aus. Ausgaben des Rampengenerators 125 werden an das Modulationsmodul 140 und einen seriellen Datenregister 127 übermittelt.
Der FPGA 120 weist vorzugsweise auch einen Gain-Demodulator 122, einen Gain-Integrierer 124, einen Taktschaltkreis 126, eine Zwei-Takt-Verzögerungseinheit 128, einen Vergleicher 129, eine Verzögerungseinheit 130 und einen BIT-Taktpuls-Generator 131 auf. Der BIT-Taktpuls-Generator 131 erzeugt ein Signal, das die BIT-Funktion startet, d.h. die Einführung einer Änderung in der Phasenmodulation, die ein Änderung in der Phasenunterschied bewirkt, die zum Machen einer Bestimmung der optischen Leistung verwendet werden kann. Die Zeit zwischen BIT-Funktion-Startsignalen ist die Messperiode für den FOG 90. Beim Implementieren des FOG 90 wurde der BIT-Takt-Pulsgenerator 131 eingestellt, um alle zehn Sekunden zu signalisieren, aber es kann jedes Intervall eingestellt werden. Die Ausgabe des Taktpulsgenerators 131 löst den Rampengenerator 125 zum Produzieren eines Phasenmodulationsunterschieds in einem Modulationszyklus aus. Beim Implementieren des FOG 90 war die normale Modulation bei plus und minus 90°. Der Wert wird um x Grad verändert, was eine Modulation von 90-x Grad und -90+x Grad für einen oder eine Mehrzahl von Zyklen bereitstellt. Weder Modulation bei 90 Grad noch der Wert x sind kritisch und diese BIT-Funktion kann auf andere Modulationsarten angewendet werden. Es sollte angemerkt werden, dass der BIT-Test bei entweder 90°-x oder -90°+x gestartet werden kann, da in jedem Fall das Ergebnis das gleiche sein würde.
Der BIT-Takt-Pulsgenerator 131 stellt auch ein Auslösesignal an der Verzögerungseinheit 130 bereit. Die Verzögerungseinheit 130 verzögert den Auslöser um einige Zyklen, um die Verzögerung in dem FPGA 100 und dem optisch/Digital-Wandler 110 zu berücksichtigen. Die Verzögerung ist so, dass der Vergleicher 129 das Ergebnis des (-90°+x)-Signals mit dem -90°-Modulation gerade vor dem Start des BIT-Tests vergleicht. Ein genaueres Ergebnis könnte erhalten werden, indem über die zwei Proben vor der 90-x-Probe gemittelt wird, aber es so zu machen ist nicht notwendig.
Die Zwei-Takt-Verzögerungseinheit 128 verzögert das -90°-Modulationsergebnis für den Komparator, so dass es an dem Komparator zur gleichen Zeit gegenwärtig ist wie das -90+x-Signal.
Der Komparator 129 gibt ein BIT-Pass-Signal aus, falls die Ausgabe des Komparators 129 größer ist als der Wert, den die Verstärkungen (Gain) und die angewendete Änderung in dem Modulationssignal bestimmt wurden zum Repräsentieren der optischen Leistungs-Schwelle. Fall er kleiner ist als dieser Wert, gibt er ein BIT-Fail-Signal aus.
Modul 140 weist einen Gain-DAC 141, einen Rampen-Multiplizierer-DAC 142 und einen Verstärker 148 auf. Der Gain-DAC 141 stellt einen Bezug zu dem Rampen-Multiplizierer-DAC 142 bereit, so dass das an den IOC 220 angelegte Rampensignal ermöglicht ist, sich über einen 2-Pi-Bereich plus die Modulation von 180° zu ändern. Der Verstärker 148 konditioniert die DAC-Ausgabe zum Bereitstellen der richtigen Ansteuerung des IOC 220.
Der Gain-Modulator 122 demoduliert das Signal des A/D-Wandlers 118 und stellt dieses Signal an dem Gain-Integrierer 124 bereit. Der Gain-Integrierer 123 wird aktualisiert, wenn der Rampengerneator 124 bestimmt, dass das benötigte Rampensignal außerhalb des Bereichs des Rampen-Multiplizierer-DACs 142 ist. Der Rampengenerator 123 führt einen Reset durch, der den IOC 220 zum Reset auf einen benachbarten Rand ansteuert. Der Gain-Integrierer 124 vergleicht die Ausgabe des A/D-Wandlers 118 vor dem Reset mit dem Wert nach dem Reset und stellt ein zum Ansteuern des Fehlers auf Null.
Die Spulenbaugruppe 200 weist eine Kopplerbaugruppe 210, einen IOC 220 und eine 2,5 Kilometer lange Lichtwellenleiterspule 230 auf. Es sollte angemerkt werden, dass die Länge der Spule wahrscheinlich zwischen Ausführungsformen variieren wird, wobei die Länge für die Erfindung nicht kritisch ist, außer als ein Faktor beim Bestimmen einer Zeitintervalldauer. Jedoch ist es wahrscheinlich, dass viele Ausführungsformen eine Länge zwischen 1 Meter und 10000 Meter aufweisen. Ferner wird in Erwägung gezogen, dass Längen zwischen ungefähr 120 Meter und 3000 Meter besonders vorteilhaft sind. Die Spulenanordnung 200 weist als Eingabe Licht von der Super-Lumineszenzdiode (SLD, super luminescent diode) 300 und die Modulations- und Phasen-Rampenspannung von dem FOG-Elektronik-Steuermodul 100 auf. Die Kopplerbaugrupe 210 weist einen oder eine Mehrzahl von Kopplern auf und ist zum Aufteilen von Licht von der SLD 300 in zwei Strahlen und zum Einführen dieser Strahlen in den IOC 220, und zum Kombinieren der zwei Strahlen nachdem sie durch die Spule 230 gelaufen sind und zum Einführen der kombinierten Strahlen aus der Spulenanordnung 200 in die Steuerungseinrichtung 100 eingerichtet. Die IOC 220 führt die Funktion des Phasenschiebens von beiden Strahlen in entgegengesetzten Richtung durch, wenn sie durch den IOC 220 hindurchlaufen zum Aufheben des Phasenunterschieds zwischen den zwei Strahlen in Antwort auf die Ausgabe von dem FOG-Steuerung.
Das Schnittstellen-Array 400 weist eine Mehrzahl der Eingängen und Ausgängen an dem Steuergerät 100 auf. Es stellt abhängige Spannung an dem FOG und einen fortlaufenden Takt für das serielle Datenregister 127 bereit. Das fortlaufende Daten-Ausgabesignal weist die Ausgabedaten von dem FOG auf. Das kann Winkelposition- und/oder-Frequenz, BIT-Testergebnisse und andere Daten einschließen.
Es sollte aus dem vorangegangenen offensichtlich sein, dass das Konzept des Messens optischer Leistung durch zeitweises Anpassen der Phase zwischen gegenläufigen Lichtstrahlen allgemeine Anwendbarkeit aufweist. Obwohl insbesondere für IFOGs gut geeignet, ist es in jeder Vorrichtung anwendbar, die gegenläufige Lichtstrahlen verwendet, wo der Phasenunterschied zwischen den Strahlen auf einen ersten Wert eingestellt werden kann und eine Änderung für ein ausreichend lange Zeitspanne verhindert werden kann, zum Bereitstellen eines ersten Lichtintensitätswerts und dann auf einen zweiten Unterschied eingestellt werden kann und eine Änderung für eine ausreichend lange Zeitspanne verhindert werden kann, zum Bestimmen der Intensitätsänderung, die von der Änderung des Phasenunterschieds bewirkt wird. Als solches kann es in jeder Art von Vorrichtung angewendet werden, für die es Sinn macht, eine optische Leistung zu messen, und die optische Leistung kann bestimmt werden, indem die Phase zwischen gegenläufigen Lichtstrahlen angepasst wird.
Jedes Verfahren zum Berechnen von Leistung, zumindest teilweise aus einer oder einer Mehrzahl überwachter Ausgaben, kann verwendet werden. Obwohl das bevorzugte Verfahren zum Verwenden der Intensitätsänderung eines sich ergebenden Lichtsignals und bekannter Kenngrößen der Vorrichtung ist, können in einigen Fällen andere Verfahren verwendet werden.
Es ist ein Erwägung gezogen, dass die hierin offenbarte Vorrichtung und das Verfahren zum Vereinfachen der Messung der optischen Leistung auf jeder Stufe des Herstellungsprozesses eines Drei-Achsen-Cluster-Kreiselsystems verwendet werden kann. Während des Herstellungsprozesses wird der Verlauf der Lichtwellenleiter, die aus dem Drei-Achsen-Cluster herauskommen, verfolgt und permanent relativ zu einer optischen Quelle und einem optischen Empfänger angeordnet. Da jeder Lichtwellenleiter um eine Ecke herum verfolgt wird, ist es entscheidend, die Abschwächung der optischen Leistung zu minimieren, und fähig zu sein, optische Leistung schnell und einfach zu messen, vereinfacht den Herstellungsprozess in großem Maße. Das Berechnen der optischen Leistung aus einer stimulierten Phasenverschiebung ist auch nicht-invasiv, d.h. die Lichtwellenleiter müssen nicht bewegt werden, um die optische Leistungsmessung zu machen.
Es ist auch in Erwägung gezogen, dass die Verwendung des hierin offenbarten Verfahrens zum Messen der optischen Leistung zahlreiche andere Vorteile bietet. Als ein Beispiel kann sich im Verlauf einer Zeitspanne (z.B. Monate) die mechanischen Ausrichtungen der Lichtwellenleiter an den Kopplungspunkten in einem FOG-System verschieben, wodurch die optische Leistung verändert wird. Verwenden des hierin offenbarten Verfahrens vereinfacht die Bestimmung des Trends. Als ein anderes Beispiel können sich über einen Temperaturverlauf die mechanischen Ausrichtungen der Lichtwellenleiterkopplungen und der inhärenten Verluste der Lichtwellenleiter in der Spule verändern, was eine Änderung der optischen Leistung an dem Empfänger bewirkt. Verwenden des hierin beschriebenen Leistungsmessverfahrens stellt ein schnelles einfaches Verfahren zum Überwachen dieser Phänomene bereit. Noch weitere Beispiele betreffen FOGs auf Satelliten. Für FOGs auf Satelliten durchläuft der Lichtwellenleiter einen allgemein bekannten Strahlungs-Lichtwellenleiter-Verdunkelungsprozess aufgrund eines Ionisationsprozesses in dem Lichtwellenleiter. Zusätzlich zerfällt die SLDoptische Quelle über eine Zeitspanne von Jahren. Das hierin beschriebene Leistungsmessverfahren stellt einen schnellen leichten Weg zum Überwachen dieses Prozesses bereit. Es ist auch in Erwägung gezogen, dass der Prozess der Charakterisierung der FOG-Winkel-Zufallsbewegung (ARW, angle random walk) in Abhängigkeit des Stroms der optischen Quelle SLD unter Verwendung des hierin beschriebenen Leistungsmessverfahrens schneller und einfacher gemacht wird. Ferner könnte, da die Steuerungsschleife für Betrieb in einem gegebenen Bereich der optischen Leistung entworfen ist, er zum Einstellen der Verstärkung in dem FPGA oder dem analogen Schaltkreis verwendet werden, oder der SLD-Ansteuerungsstrom, der die optische Leistung bestimmt, zum Bereitstellen einer konstanten Bandbreite.
Optische Kreisel können in dem Grad variieren, in dem sie die hierin offenbarten Verfahren einschließen. Als solches können einige Kreisel Eingänge bereitstellen, um eine extern eingebbare Einstellung des Phasenunterschieds zu ermöglichen, und Ausgänge, um eine externe Messung der Lichtintensität mit Leistungswerten, die extern berechnet werden, zu ermöglichen. Andere Kreisel können intern eine vollständige Auflage aufweisen und einen Mechanismus zum Ausgeben eines optischen Leistungswertes bereitstellen, entweder auf einer regulären Basis oder in Antwort auf einen externen Auslöser.
In einigen Fällen kann ein bestimmter Kreisel eine Funktionalität bereitstellen, die die Selbst-Kalibrierung vereinfacht, anstelle eines Verwendens einer manuellen Prozedur zum Einstellen der anfänglichen Leistung unserer FOG's, die ein Einfügen einer variablen Stromquelle und Einstellen derselben, bis eine gewünschte Ausgangsleistung erhalten ist, aufweist. Diese Technik würde es dem FOG erlauben, auf Anweisung in einen Selbst-Kalibrierungsmodus einzutreten, wo der Strom mit einem Digital-Analog-Wandler, einem digitalen Potentiometer oder einer anderen digitalen Vorrichtung geändert werden könnte, bis die gewünschte Leistung mit dem hierin beschriebenen Verfahren ausgelesen wird.
In einigen Fällen könnte die Leistung entweder kontinuierlich oder periodisch überwacht werden, um die optische Leistung einzustellen, um einen Betrieb bei einer konstanten Leistung bereitzustellen. Das könnte zum Minimieren der FOG-Leistungsanforderungen verwendet werden, indem mit einem geringeren Ansteuerungsstrom gearbeitet wird, der Leistungsanforderungen für sowohl die Lichtquelle als auch den TEC minimiert, was die Lichtquelle auf einer konstanten Temperatur hält. Das würde Anforderung an das anfängliche Einstellen der optischen Leistung auf einen höher als benötigten Wert eliminieren, so dass eine Herabsetzung der Leistung in dem System mit der Zeit, der Temperatur usw., berücksichtigt wird. Es könnte auch zum Bereitstellen einer geringeren Einheits-Leistung zu Zeitpunkten verwendet werden, wenn System-Leistungsanforderungen aufgrund einer geringen Batterieleistung oder anderer Bedürfnisse oder herabgesetzten Betriebserfordernissen minimiert werden müssen.
In einigen Fällen könnte das hierin beschriebene Verfahren zum Überwachen der optischen Leistung mit der Zeit verwendet werden. Diese Daten können mittels Telemetrie aufgezeichnet und/oder ausgesendet werden und zum Erfassen statistischer Daten über die Alterung der Vorrichtungen verwendet werden. Die Daten könnten auch entweder FOG-intern oder extern verwendet werden, um Fehler vorherzusagen, so dass die Hardware vor Fehlern während des Einsatzes zur Reparatur zurückgeholt werden könnte.

Claims

Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel, bei dem die Intensität eines Interferenzsignals gemessen wird, das eine Kombination eines ersten Lichtsignals und eines zweiten Lichtsignals außer Phase mit dem ersten Lichtsignal misst, aufweisend: mindestens ein Steuergerät, das einen Unterschied zwischen einer ersten gemessenen Intensität des Interferenzsignals und einer zweiten gemessenen Intensität des Interferenzsignals berechnet; wobei die erste gemessene Intensität aus einem ersten Phasenunterschied zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal zu einem ersten Zeitpunkt resultiert; die zweite gemessene Intensität aus einem zweiten Phasenunterschied zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal zu einem zweiten Zeitpunkt resultiert; und der Absolutwert des ersten Phasenunterschieds sich von dem Absolutwert des zweiten Phasenunterschieds unterscheidet.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: mindestens einen optischen Phasenmodulator, der einen zeitlich veränderbaren Phasenunterschied zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal einführt, wobei der erste Phasenunterschied der zeitveränderliche Phasenunterschied zu einem ersten Zeitpunkt ist und der zweite Phasenunterschied der zeitveränderliche Phasenunterschied zu dem zweiten Zeitpunkt ist; wobei das mindestens eine Steuergerät das Vorzeichen oder das Vorzeichen und die Amplitude des zeitveränderlichen Phasenunterschieds in regelmäßigen Intervallen variiert; und das mindestens eine Steuergerät bewirkt, dass ein zeitveränderlicher Phasenunterschied einen Absolutwert aufweist, der dem Absolutwert des zweiten Phasenunterschieds für eine gerade Anzahl von aufeinander folgenden regelmäßigen Intervallen gleich ist.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 2, wobei: die Anzahl aufeinander folgender Intervalle zwei ist, die zwei aufeinander folgenden Intervalle ein erstes Leistungsabweichungsintervall und ein zweites Leistungsabweichungsintervall aufweisen; das Vorzeichen des zeitveränderlichen Phasenunterschieds sich zwischen dem ersten Leitungsabweichungsintervall und dem zweiten Leistungsabweichungsintervall ändert; und die zweite gemessene Intensität aus dem zeitveränderlichen Phasenunterschied zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal während des zweiten Leistungsabweichungsintervalls resultiert.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 3, wobei das mindestens eine Steuergerät den berechneten Intensitätsunterschied zwischen der ersten Intensität und der zweiten Intensität zum Berechnen eines optischen Leistungswerts für den Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel verwendet.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 4, wobei der Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel auch interne Verstärkungen des Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisels zum Berechnen des optischen Leistungswerts verwendet.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 5, wobei der Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel ein Fehlersignal ausgibt, wenn der optische Leistungswert unter einen in dem Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gespeicherten Schwellenwert fällt.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 5, wobei der Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel den optischen Leistungswert des Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisels mit regelmäßigen Intervallen berechnet, und der Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel eine interne Taktsteuerung aufweist, die eine Berechnung von optischer Leistung mit den regelmäßigen Intervallen anstößt.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel, der zeitweise Änderungen in einem Phasenunterschied zwischen gegenläufigen Lichtstrahlen zum Berechnen einer optischen Leistung verwendet.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 8, wobei die gegenläufigen Lichtstrahlen eine Lichtwellenleiterschleife durchlaufen und die zeitweisen Änderungen des Phasenunterschieds eine Störung verursachen, die für ungefähr drei nachfolgende Zeitintervalle andauert, wobei die Dauer jedes Zeitintervalls ungefähr gleich der Durchgangszeit der gegenläufigen Signale durch die Lichtwellenleiterschleife hindurch ist.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 9, wobei der Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel ein Fehlersignal ausgibt, falls die bestimmte optische Leistung unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts fällt.
Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel gemäß Anspruch 10, wobei der Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel die optische Leistung des Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisels an einer Mehrzahl von Zeitpunkten bestimmt und ein Fehlersignal ausgibt, falls der prozentuale Unterschied zwischen einer zuletzt bestimmten optischer Leistung und einer vorhergehend bestimmten optischen Leistung oder einer optischen Leistung, die aus einer Mehrzahl von vorher bestimmten optischen Leistungen berechnet ist, einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Verfahren zum Erhalten eines optischen Leistungswerts für einen Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisel, aufweisend: Bestimmen eines Betrags einer Änderung in der Lichtintensität, die von einer Änderung in dem Phasenunterschied zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen bewirkt wird; und Verwenden des bestimmten Betrags einer Änderung in der Lichtintensität zum Berechnen eines optischen Leistungswerts.
Verfahren gemäß Anspruch 12, ferner aufweisend: zeitweises Einstellen des Phasenunterschieds zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen, die außer Phase sind; Bestimmen eines Betrags einer Änderung in der Lichtintensität, die von dem Phasenunterschied-Einstellung bewirkt wird; und Verwenden des bestimmten Betrags der Änderung in der Lichtintensität zum Berechnen eines optischen Leistungswerts.
Verfahren gemäß Anspruch 13, ferner aufweisend: Aufrechterhalten des Absolutwerts des Phasenunterschieds zwischen den zwei gegenläufigen Lichtstrahlen für einen ersten Satz von aufeinander folgenden Intervallen; und Aufrechterhalten des Absolutwerts des Phasenunterschieds zwischen zwei gegenläufigen Lichtstrahlen für einen zweiten Satz von aufeinander folgenden Intervallen; wobei sowohl der erste Satz von aufeinander folgenden Intervallen als auch der zweite Satz von aufeinander folgenden Intervallen Intervalle mit gleichförmiger Dauer aufweisen, wobei die Dauer gleich der Durchgangszeit von Licht durch eine Lichtwellenleiter-Detektionsschleife des Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisels ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, ferner aufweisend Verwenden von einem oder einer Mehrzahl interner Verstärkungen des Interferometer-Lichtwellenleiter-Kreisels mit dem bestimmten Änderungsbetrag zum Erhalten des optischen Leistungswerts.
Verfahren gemäß Anspruch 15, ferner aufweisend Aufzeichnen optischer Leistungswerte und/oder Änderungen mit der Zeit in erhaltenen optischen Leistungswerten.