DE102015117942A1

DE102015117942A1 - Gyroskopwinkelgeschwindigkeitsberechnung für ein interferometrisches faseroptisches Gyroskop

Info

Publication number: DE102015117942A1
Application number: DE102015117942.3A
Authority: DE
Inventors: Shaun M. Detloff; James K. Gingrich
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: CN105547279B; FR3027668A1; JP2016085213A; CN105547279A; FR3027668B1; US10502585B2; JP6771277B2; DE102015117942B4; US20160116301A1

Abstract

Ein Verfahren weist das Zuführen einer optischen Eingabe an ein interferometrisches faseroptisches Gyroskop (IFOG) mit einer ersten Frequenz und dann einer verschiedenen zweiten Frequenz; das Erfassen einer Differenz in Antworten des IFOG auf die optische Eingabe bei der ersten und der zweiten Frequenz; und das Berechnen einer Gyroskopwinkelgeschwindigkeit als eine Funktion der Differenz und eines Korrekturterms auf.

Description

HINTERGRUND
Während des Betriebs eines interferometrischen faseroptischen Gyroskops (IFOG), können driftbezogene Fehler mit der Zeit wachsen. Um driftbezogene Fehler zu korrigieren, kann der Skalierungsfaktor des IFOGs rekalibriert werden.
Während des Betriebs, kann ein Ereignis eintreten, das die Leistung des IFOGs herabsetzt. Zum Beispiel bewirkt ein Ereignis, dass die faseroptische Spule des IFOGs sich verdunkelt. Um eine solche Herabsetzung zu kompensieren, kann der Skalierungsfaktor des IFOGs rekalibriert werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform hierin, umfasst ein Verfahren das Zuführen einer optischen Eingabe zu einem interferometrischen faseroptischen Gyroskop (IFOG) mit einer ersten Frequenz und dann einer verschiedenen zweiten Frequenz; das Detektieren einer Differenz in Antworten des IFOG auf die optische Eingabe bei der ersten und der zweiten Frequenz; und das Berechnen einer Gyroskopwinkelgeschwindigkeit (engl.: gyro rate) als eine Funktion der Differenz und eines Korrekturterms.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hierin, weist ein System ein interferometrisches faseroptisches Gyroskop (IFOG), eine faseroptische Lichtquelle zum Zuführen einer optischen Eingabe zu dem IFOG mit einer ersten Frequenz und dann einer verschiedenen zweiten Frequenz; einen Photodetektor zum Erfassen von Antworten des IFOG auf die optische Eingabe bei der ersten und der zweiten Frequenz; und einen Prozessor zum Berechnen einer Gyroskopwinkelgeschwindigkeit als eine Funktion einer Differenz der Antworten und eines Korrekturterms auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hierin, weist ein Verfahren für ein interferometrisches faseroptisches Gyroskop (IFOG) die Schritte des Beaufschlagens einer bekannten Winkelgeschwindigkeit auf das IFOG und das Bestimmen von Skalierungsfaktoren des IFOG für optische Eingaben bei einer ersten und einer zweiten Frequenz, das Bereitstellen einer optischen Eingabe zu dem IFOG mit der ersten Frequenz und das Erfassen einer ersten Antwort des IFOG; das Schalten der optischen Eingabe auf die zweite Frequenz und das Erfassen einer zweiten Antwort des IFOG; und das Nutzen einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Antwort, der bekannten Winkelgeschwindigkeit und der Skalierungsfaktoren zum Bestimmen eines IFOG-Korrekturterms auf. Der Korrekturterm repräsentiert eine Summe von zeitabhängigen Fehlern in der ersten und der zweiten IFOG-Antwort.
Diese Merkmale und Funktionen können unabhängig in verschiedenen Ausführungsformen erreicht werden oder können in anderen Ausführungsformen kombiniert werden. Weitere Details der Ausführungsformen können mit Bezug auf die folgende Beschreibung und Zeichnungen erkannt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Darstellung eines Systems mit einem interferometrischen faseroptischen Gyroskop.
2 zeigt eine Darstellung eines Verfahrens zum Berechnen einer Gyroskopwinkelgeschwindigkeit in dem interferometrischen faseroptischen Gyroskop.
3 zeigt eine Darstellung eines Verfahrens zum Schätzen zeitabhängiger Fehler während eines Betriebs des interferometrischen faseroptischen Gyroskops.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf 1 weist ein interferometrisches faseroptisches Gyroskopsystem 100 ein interferometrisches faseroptisches Gyroskop (IFOG) 110 auf. Das IFOG 110 kann eine faseroptische Sensorspule 112, eine Strahlteileroptik 114, und einen Koppler 116 aufweisen. Das System 100 weist des Weiteren eine Faser-Lichtquelle 120 auf, die eine optische Eingabe an das IFOG 110 bereitstellt. Die Strahlteileroptik 114 teilt die optische Eingabe in zwei Lichtstrahlen auf, die sich in entgegengesetzte Richtung durch die Sensorspule 112 ausbreiten. Bei der Rückkehr zu dem Eintrittspunkt, treten diese zwei sich entgegengesetzt ausbreitenden Lichtstrahlen aus der Sensorspule 112 aus, werden rekombiniert durch die Strahlteileroptik 114 und erfahren Interferenz. Wenn es eine Rotation um eine Achse der Sensorspule 112 gibt, werden relative Phasen der zwei austretenden Strahlen, und daher die Position ihrer Interferenzränder, gemäß der Winkelgeschwindigkeit der Rotation geändert. Dies ist bekannt als Sagnac-Phasenänderung. Die Sagnac-Phasenänderung (ϕ) kann als ϕ = 2πLD / λcΩ ausgedrückt werden, wobei L und D eine Länge und ein Durchmesser der Sensorspule 112 sind, λ eine mittlere Wellenlänge des Quellenlichts im Vakuum und Ω eine Gyroskopwinkelgeschwindigkeit ist.
Das System 100 weist des Weiteren ein Photodetektor 130 zum Erfassen der Sagnac-Phasenänderung auf. Der Photodetektor 130 weist eine induzierte Spannung auf, die mit der Lichtintensität variiert. Ein Ausgangssignal (z. B. die induzierte Spannung) des Photodetektors 130 folgt typsicherweise dem Kosinus der Phasenvariation zwischen den zwei aus der Sensorspule 112 austretenden Strahlen.
Die Faser-Lichtquelle 120 ist dazu ausgebildet, die optische Eingabe mit einer ersten Frequenz zu dem IFOG 110 bereitzustellen, und dann zu einer zweiten Frequenz zu schalten. Zum Beispiel kann die Faser-Lichtquelle 120 eine erste Quelle zum Bereitstellen von Licht mit der ersten Frequenz, eine zweite Quelle zum Bereitstellen von Licht mit der zweiten Frequenz und einen optischen Schalter zum Schalten der optischen Eingabe zwischen der ersten und der zweiten Quelle aufweisen. Der Photodetektor 130 erfasst zwei verschiedene Phasenänderungen (IFOG-Antworten).
Das System 100 weist des Weiteren einen Prozessor 140 zum Berechnen einer Gyroskopwinkelgeschwindigkeit in Antwort auf eine Ausgabe des Photodetektors 130 auf. Der Prozessor 140 kann des Weiteren die Faser-Lichtquelle 120 dazu anweisen, die optische Eingabe zwischen der ersten und der zweiten Frequenz zu schalten.
Zusätzlich wird Bezug genommen auf 2, die ein Verfahren zum Nutzen des Systems 100 zum Ermitteln der Gyroskopwinkelgeschwindigkeit darstellt. Bei Block 210 führt die Faser-Lichtquelle 120 einer optischen Eingabe zu dem IFOG 110 mit einer ersten Frequenz zu und schaltet dann zu einer verschiedenen zweiten Frequenz. Zwei verschiedene Sagnac-Phasenänderungen werden erzeugt. Der Photodetektor 130 erfasst diese erste und zweite Antwort des IFOG 110.
Bei Block 220 bestimmt der Prozessor 140 eine Differenz in den IFOG-Antworten auf die optische Eingabe. Die Differenz kann durch Messen einer Differenz in Spannungen bestimmt werden, die die erste und die zweite Antwort präsentieren.
Bei Block 230 berechnet der Prozessor 140 die Gyroskopwinkelgeschwindigkeit als eine Funktion von der Differenz und einem Korrekturterm. Ein Beispiel einer Gleichung zum Berechnen der Gyroskopwinkelgeschwindigkeit ist unten in Gleichung (4) bereitgestellt.
Der Korrekturterm ist vorberechnet gemäß einem vorbestimmten ersten und einem vorbestimmten zweiten Skalierungsfaktor bei der ersten und der zweiten Frequenz für das IFOG 110. Zum Beispiel können die Skalierungsfaktoren und der Korrekturterm in einer Fabrik vorberechnet werden, bevor das IFOG 110 in Dienst gestellt wird.
Während des Betriebs des IFOGs 110 werden sich eine Vorspannung und der erste und der zweite Skalierungsfaktor mit der Zeit ändern. Dazu beitragende Faktoren umfassen Änderungen in der Eingabeachse, Faserabnutzung und Temperaturänderungen. Für ein herkömmliches IFOG erfordern diese zeitabhängigen Fehler eine Rekalibration. Nicht jedoch für das IFOG 110. Solange über die Änderung in dem ersten und dem zweiten Skalierungsfaktor ungefähr dieselbe ist, wird der Korrekturterm stabil bleiben und die Gyroskopwinkelgeschwindigkeit kann immer noch als eine Funktion der Differenz und des Korrekturterms berechnet werden. Das bedeutet, dass die Funktion beim Block 230 wiederholt werden kann, ohne das IFOG 110 rekalibrieren zu müssen.
Während des Betriebs des IFOG 110 kann ein Ereignis auftreten, das die Leistung des IFOG 110 herabsetzt. Zum Beispiel kann ein Ereignis bewirken, dass die Sensorspule 112 sich verdunkelt. Dieses Ereignis wird bewirken, dass der erste und der zweite Skalierungsfaktor sich gleich ändern. Für ein herkömmliches IFOG würde dieses Ereignis in einer Rekalibration resultieren. Nicht jedoch bei dem IFOG 110. Die Funktion bei Block 230 kann wiederholt werden, ohne das IFOG 110 rekalibrieren zu müssen.
Es wird auf die 3 Bezug genommen. Ein Verfahren zum Bestimmen des Korrekturterms (C) wird nun beschrieben. Das System 100 kann dazu genutzt werden, sein eigenen Korrekturterm (C) zu bestimmen.
Bei Block 310 werden ein erster und ein zweiter Skalierungsfaktor (SF₁ und SF₂) für das IFOG 110 bestimmt. Eine bekannte Winkelgeschwindigkeit kann auf das IFOG 110 beaufschlagt werden, die Faser-Lichtquelle 120 führt eine optische Eingabe zu dem IFOG 110 mit einer ersten oder eine zweiten Frequenz (f₁ oder f₂) zu. Der Photodetektor 130 misst die IFOG-Antwort, und der Prozessor 140 nutzt ein Modell zum Bestimmen des Skalierungsfaktors (SF₁ oder SF₂). Zum Beispiel kann der Skalierungsfaktor von ϕ = 2πLD / λcΩ abgeleitet werden.
Bei Block 320 stellt die Faser-Lichtquelle 120 eine optische Eingabe an das IFOG 110 mit der ersten Frequenz (f₁) bereit, und der Photodetektor 130 erfasst die erste Antwort des IFOG 110. Dann schaltet die Faser-Lichtquelle 120 die optische Eingabe auf die zweite Frequenz (f₂), und der Photodetektor erfasst die zweite Antwort des IFOG 110. Daher erfasst der Photodetektor 130 zwei verschiedene Sagnac-Phasenänderungen bei den zwei verschiedenen Skalierungsfaktoren (SF₁ und SF₂).
Bei Block 330 nutzt der Prozessor 140 eine Differenz zwischen der ersten und der zweiten Antwort, die bekannte Winkelgeschwindigkeit und die Skalierungsfaktoren, um den Korrekturterm (C) für das IFOG 110 zu bestimmen. Ein Modell zum Berechnen des Korrekturterms (C) kann wie folgt abgeleitet werden.
Unter Berücksichtigung des folgenden Modells von IEEE Standard 952-1997 ("IEEE Standardspezifizierung Format Richtlinie und Testprozedur für Einachsen-Interferometrische-faseroptische-Gyroskope" (englisch IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros”): s0·(^Δn/_Δt) = (I + E + D)·s0er (1) wobei s0 der Skalierungsfaktor ist, (^Δn/_Δt) die Ausgabeantwort des IFOG 110 ist, I die optische Eingabe zu dem IFOG 110 ist (°/hr), E die Umgebungssensitivität des IFOG 110 ist (°/hr), D die Driftgeschwindigkeit (°/hr) ist und s0er der Skalierungsfaktorfehlerterm ist.
Der Term (^Δn₁/_Δt) kann umgeschrieben werden als Ω + Df.
Der Term Df repräsentiert zeitabhängige Fehler, die die Driftgeschwindigkeit (D) sowie andere Umgebungssensitivitäten (E) umfassen kann. Daher werden die erste und die zweite Antwort auf die optische Eingabe bei der ersten und der zweiten Frequenz f₁ und f₂ in den Gleichungen (2) und (3) wiedergegeben. (^Δn₁/_Δt) = Ω + Df₁ (2) (^Δn₂/_Δt) = Ω + Df₂ (3)
Gleichung (4) drückt die bekannte Gyroskopwinkelgeschwindigkeit (Ω) mit den gemessenen IFOG-Antworten, den gemessenen Skalierungsfaktoren (SF₁ und SF₂) und dem Korrekturterm (C) aus: Ω = ((^Δn₁/_Δt) – (^Δn₂/_Δt) – C)/(¹/_SF₁ – ¹/_SF₂) (4) wobei Df₁ + Df₂ = C. Der Korrekturterm (C) repräsentiert die Summe der zeitabhängigen Fehler in der ersten und der zweiten IFOG-Antwort. Der Korrekturterm (C) kann aus Gleichung (4) berechnet werden.
Bei Block 340 kann der Prozessor 140 den Korrekturterm (C) zur späteren Verwendung beim Berechnen der Gyroskopwinkelgeschwindigkeit speichern. Die Skalierungsfaktoren (SF₁ und SF₂) können als ein konstanter Wert vereinfacht werden. Zum Beispiel, falls (¹/_SF₁ – ¹/_SF₂) = 2 ist, kann der Prozessor 140 die Gleichung (5) zum Berechnen der Gyroskopwinkelgeschwindigkeit nutzen. Ω = ((^Δn₁/_Δt) – (^Δn₂/_Δt) – C)/2 (5)
Es gibt keine minimale oder maximale Differenz zwischen der ersten und der zweiten Frequenz, solange wie beide Frequenzen die Gyroskop-Winkelgeschwindigkeit genau messen können. Jede Frequenz hängt von einem Fasertyp, Phasenmodulation, Spulenbiegung und Spulenlänge ab. Die Frequenzen können Infrarotfrequenzen sein.
Ein System und ein Verfahren hierin sind nicht auf die voranstehenden Beispiele beschränkt. Z. B. kann die Faser-Lichtquelle Licht mit mehr als zwei Eingabefrequenzen bereitstellen. Jede zusätzliche Frequenz kann dazu genutzt werden, die Kalibration zu validieren, die bei der ersten und der zweiten Frequenz durchgeführt wurde.
Das IFOG 110 kann entweder eine offene Konfiguration oder eine geschlossene Konfiguration aufweisen. Das IFOG 110 kann aktiv oder passiv, multi-modal oder einzel-modal, digital oder analog sein. Typische Anwendungen des Systems 100 sind Vermessungswesen, Stabilisierung und Inertialnavigationssysteme.
Obwohl ein System 100 voranstehend beschrieben wurde, das ein einziges IFOG 110 aufweist, ist ein System hierin nicht beschränkt. Ein Mehrachsensystem kann ein IFOG 110 für jede Achse aufweisen. Jedes IFOG 110 kann seinen eigenen Korrekturterm aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE Standard 952-1997 (”IEEE Standardspezifizierung Format Richtlinie und Testprozedur für Einachsen-Interferometrische-faseroptische-Gyroskope” [0024]

Claims

Verfahren, mit den folgenden Schritten: Zuführen (210) einer optischen Eingabe an ein interferometrisches faseroptisches Gyroskop (110) mit einer ersten Frequenz und dann einer verschiedenen zweiten Frequenz; Detektieren (220) einer Differenz in Antworten des interferometrischen faseroptischen Gyroskops (110) auf die optische Eingabe bei der ersten und der zweiten Frequenz; und Berechnen (230) einer Gyroskopwinkelgeschwindigkeit als eine Funktion der Differenz und eines Korrekturterms.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Korrekturterm eine Summe von zeitabhängigen Fehlern in den Antworten des interferometrischen faseroptischen Gyroskops repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gyroskopwinkelgeschwindigkeit nicht als eine Funktion eines kalibrierten Skalierungsfaktors berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Korrekturterm vorberechnet wird gemäß einem initialen ersten und einem initialen zweiten Skalierungsfaktor korrespondierend zu der ersten und der zweiten Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 4, des Weiteren mit dem Fortsetzen des Wiederholens des Berechnens der Gyroskopwinkelgeschwindigkeit ohne Kalibrierung beider Skalierungsfaktoren, falls zeitabhängige Fehler auftreten oder ein Ereignis auftritt, das bewirkt, dass beide Skalierungsfaktoren sich gleich ändern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gyroskopwinkelgeschwindigkeit (Ω) berechnet wird als Ω = ((^Δn₁/_Δt) – (^Δn₂/_Δt) – C)/(¹/_SF₁ – ¹/_SF₂) wobei SF₁ und SF₂ vorbestimmte Skalierungsfaktoren des interferometrischen faseroptischen Gyroskops korrespondierend zu der ersten und der zweiten Frequenz sind, C der Korrekturterm ist, und (^Δn₁/_Δt) – (^Δn₂/_Δt) die Differenz in Antworten des IFOG auf die optische Eingabe bei der ersten und der zweiten Frequenz ist.
System (100), mit: einem interferometrischen faseroptischen Gyroskop (110); einer faseroptischen Lichtquelle (120) zum Zuführen einer optischen Eingabe zu dem interferometrischen faseroptischen Gyroskop (110) mit einer ersten Frequenz und dann einer verschiedenen zweiten Frequenz; einem Photodetektor (130) zum Erfassen von Antworten des interferometrischen faseroptischen Gyroskops (110) auf die optische Eingabe bei der ersten und der zweiten Frequenz; und einem Prozessor (140) zum Berechnen einer Gyroskopwinkelgeschwindigkeit mittels einer Funktion einer Differenz der Antworten und eines Korrekturterms.
System nach Anspruch 7, wobei der Korrekturterm eine Summe von zeitabhängigen Fehlern in den Antworten des interferometrischen faseroptischen Gyroskops repräsentiert.
System nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Gyroskopwinkelgeschwindigkeit nicht als eine Funktion eines kalibrierten Skalierungsfaktors berechnet wird.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Korrekturterm vorberechnet ist gemäß einem originalen ersten und einem originalen zweiten Skalierungsfaktor bei der ersten und der zweiten Frequenz.
System nach Anspruch 10, des Weiteren mit dem wiederholten Berechnen der Gyroskopwinkelgeschwindigkeit ohne Kalibrieren beider Skalierungsfaktoren, falls zeitabhängige Fehler auftreten oder ein Ereignis auftritt, das bewirkt, dass beide Skalierungsfaktoren sich gleich ändern.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Gyroskopwinkelgeschwindigkeit (Ω) berechnet wird als Ω = ((^Δn₁/_Δt) – (^Δn₂/_Δt) – C)/(¹/_SF₁ – ¹/_SF₂) wobei SF₁ und SF₂ vorbestimmte Skalierungsfaktoren des interferometrischen faseroptischen Gyroskops sind korrespondierend zu der ersten und der zweiten Frequenz, C der Korrekturterm ist, und (^Δn₁/_Δt) – (^Δn₂/_Δt) die Differenz in Antworten des interferometrischen faseroptischen Gyroskops auf die optische Eingabe bei der ersten und der zweiten Frequenz ist.
Verfahren für ein interferometrisches faseroptisches Gyroskop, mit den folgenden Schritten: Beaufschlagen (310) einer bekannten Winkelgeschwindigkeit auf das interferometrische faseroptische Gyroskop und Bestimmen von Skalierungsfaktoren des interferometrischen faseroptischen Gyroskops für optische Eingaben mit einer ersten und einer zweiten Frequenz; Bereitstellen (320) einer optischen Eingabe an das interferometrische faseroptische Gyroskop mit der ersten Frequenz und Erfassen einer ersten Antwort des interferometrischen faseroptischen Gyroskops; Schalten der optischen Eingabe auf die zweite Frequenz und Erfassen einer zweiten Antwort des interferometrischen faseroptischen Gyroskops; und Nutzen (330) einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Antwort, der bekannten Winkelgeschwindigkeit, und den Skalierungsfaktoren zum Bestimmen eines Korrekturterms des interferometrischen faseroptischen Gyroskops, der eine Summe von zeitabhängigen Fehlern in der ersten und der zweiten Antwort des interferometrischen faseroptischen Gyroskops repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Korrekturterm (C) berechnet wird aus Ω = ((^Δn₁/_Δt) – (^Δn₂/_Δt) – C)/(¹/_SF₁ – ¹/_SF₂) wobei Ω die bekannte Winkelgeschwindigkeit ist, SF₁ und SF₂ die Skalierungsfaktoren entsprechend der ersten und der zweiten Frequenz der optischen Eingabe sind, und (^Δn₁/_Δt) – (^Δn₂/_Δt) die Differenz und der ersten und der zweiten Antwort des interferometrischen faseroptischen Gyroskops ist.