DE1804262A1 - Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser fuer Luft-,Raum- und Wasserfahrzeuge - Google Patents

Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser fuer Luft-,Raum- und Wasserfahrzeuge

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DE1804262A1
DE1804262A1 DE19681804262 DE1804262A DE1804262A1 DE 1804262 A1 DE1804262 A1 DE 1804262A1 DE 19681804262 DE19681804262 DE 19681804262 DE 1804262 A DE1804262 A DE 1804262A DE 1804262 A1 DE1804262 A1 DE 1804262A1
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laser
toroidal
light source
cylindrical
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Dipl-Phys Klaus-Joachi Brauser
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Airbus Defence and Space GmbH
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Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/721Details
    • G01C19/722Details of the mechanical construction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66Ring laser gyrometers

Description

  • Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge zur Messung kleiner Winkelgeschwindigkeiten.
  • Es sind schon Anordnungen zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten bekannt geworden und zwar durch Messung der Phasendifferenz zwischen einem mit und einem entgegen der Rotation umlaufenden Lichtstrahl. Diese Anordnungen erfordern einen viel zu großen Platzbedarf um wirtschaftlich überhaupt verwertet werden zu können.
  • Eine andere bekannte Anordnung zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten beruht auf dem Verfahren zur Messung der Frequenzverschiebung zwischen einem mit und einem entgegen der Rotation umlaufenden Lichtstrahl in einem optischen Resonanzkasten. Diese Anordnung bereitet Schwierigkeiten bei der Messung kleiner Drehgeschwindigkeiten durch Kopplung beider Frequenzen unterhalb einer relativ hohen Schwelle.
  • Weitere Anordnungen sind bekannt geworden, bei denen die Empfindlich keit eines Sagnax-Interferometers durch mehrfachen Umlauf mittels Luoite-Röhren bzw. durch Lichtleitfasern erzielt wird. Diese Anordnungen weisen gegenüber den vorgenannten Anordnungen wesentliche Vorteile auf, besitzen Jedoch für die Zweoke der Luft- und Raumfahrt zur Zeit noch zu hohe Absorptionsverlusta.
  • Aufgabe der Erfindung ist ei, diode Nachteile zu beseitigen und eine Anordnung zur Messung kleiner Winkelgeschwindigkeiten zu Navigationszwecken bei Luft-, Raum- und Wasserfahrzeugen zu schaffen, welche absolut unabhängig von der Gravitation ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß um eine lagemäßig einstellbare kohärente Lichtquelle in einem bestimmten Abstand ein Zylinder- oder Toroidspiegel angeordnet ist, und vor dem Auslaßfenster zum Interferometer Je ein Prisma für die Aus lenkung des Lichtstrahls nach vorbestimmtem Umlauf und je ein schwenkbarer Hohlspiegel gelagert ist. Durch diese Anordnung und diese Maßnahmen ist ein Instrument geschaffen, bei dem der mehrfache Lichtumlauf durch vielfache Reflexion erzeugt wird, wobei jedoch der Reflexionswinkel des ein fallenden Strahls X 3 450 + zu ist, die umlaufende Fläche also bei jedem Umlauf um den vorzugebenden Winkel 5 gedreht wird und nach einer bestimmten Umlaufzahl k nur der k-fach umgelaufende Strahl in das Interferometer austreten kann.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Zylinder oder Toroidspiegel suf einer Quarzkreisscheibe aufgebracht ist und diese Scheibe vakuumdicht so zwischen zwei Invar- oder Quarzacheiben angeordnet ist, daß ein evakuierbarer Hohlraum gebildet wird. Durch diese Maßnahmen wird ein mal die natürliche Streuung des zur Verwendung kommenden kohärenten Lichtbündels kompensiert und zum anderen eine Anordnung geschaffen, die weitestgehend wärmeunempfindlich ist.
  • als kohärente Lichtquelle In einer speziellen Ausführungsform wird vorgesohlagen, daß ein Laser in einer Quarzscheibe von bestimmter Stärke eingebettet ist, welche mittels eines Feintriebes drehbar gelagert ist. Auch diese Maßnahmen dienen der Wärmeunempfindlichkeit des Gerätes sowie der Einstellung und Variierung des 3infallwinkele der Laserstrahles.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß gegenüber der Austrittsöffnung des Lasers ein vakuumdichter Raum im Träger des Zylinder- oder Toroidspiegels gebildet ist, der das Prisma bzw. die Prismen und den bzw. die schwenkbaren teildurchlässigen Spiegel aufnimmt.
  • Diese Maßnahme erlaubt eine platzs,arende und gedrungene Bauweise des Instrumentes.
  • Ferner wird vorgeschlagen, daß zur Auslenkung des Strahles nach bestimmten Umlauf an definierter Stelle des Zylinder- oder Toroidspiegei eine Facette oder ein Auslenkspiegel angeordnet ist und außerdem der Hohlspiegel 8o ausgebildet und angeordnet ist, daß der austretende divergierende Laserstrahl bei f fokussiert wird.
  • Weitere Einzelheiten, Maßnahmen und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei immer nur einer der beiden umlaufenden Lichtstrahlen berücksichtigt ist.
  • Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt, entlang der Linie I - I gemäß Fig. 2, Fig. 2 eine schematische Darstellung im Schnitt entlang der Linie II - II gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine schematische larstellung eines Strahlenverlaufs in einen Zylinderspiegel.
  • In einem Zylinderspiegel mit einem bestimmten Radius wird ein Lichtstrahl, der unter einem WinkelK gleich 450 einfällt, gemäß den Reflexionsgesetzen so reflektiert, daß die Strecken a zwischen den einzelnen Reflexionspunkten gleich sind. Ebenfalls sind gleich die Dreiecke, die aus zwei Reflexionspunkten (AB, BC, CD, DA) und dem Mittelpunkt M des Kreises, der sich aus dem Zylinderquerschnitt ergibt, gebildet werden. Der reflektierte Strahl eines Umlaufs mündet also genau beim Strahleingangspunkt A. Wird nun der Einfallwinkelum um einen Betrag#größer als 45° gewählt, so ändert sich die Lage der Reflexionspunkte in B , C usw. Der Zentriwinkel Jedes Dreiecks AMB', B'MC' usw. beträgt hierbei 90° - 2&. Auch in diesem Falle sind alle Winkels gleich und damit auch alle Dreiecke. Im ersten Umlauf erreicht der Strahl A' und es bleibt eine Restdreiocksfläche AMA' übrig. Der Zentriwinkel dieses Dreiecks aber beträgt 8 8J'und ist bestimmbar durch die Genauigkeit der Einstellung des Winkels W. Nun ergibt sich nach k-fachem Umlauf aber ein Winkel im Dreieck AMA' von (1) k.#=### Die vom Strahl umlaufene Fläche F ist: (2) n.a¹ .R sinα =n.n² cos# sinα < n.a12 da d1/2=R cosα, und (cosα-sinα)#1, 2 Der Strahl fällt bei A nach der n-ten Reflexion in das Interferometer wo es mit einem entsprechenden Anteil des durch den Strahlenteiler einfallenden Lichtstrahls interferiert. Für die Empfindlichkeit des Verfahrens ergibt sich dann: für zwei entgegengeestzt umlaufende Lichtstrahlen oder, da a/2 = R.cosα für zwei entgegengesetzt umlaufende Lichtstrahlen.
  • wobei CC - Winkelgeschwindigkeit 2 = Wellenlänge des Laserlichts c - Lichtgeschwindigkeit n - Anzahl der Reflexionen " 4 k Nun läßt sich der Winkel,fi auch bestimmen nach dem Verfahren der Kompensation der natürlichen Strahldivergenz eines Laserstrahls.
  • Ein Laserstrahl hat die natürliche Divergenz t, diebei da, 0,057° liegt. Diese Divergenz würde ganz allgemein zur fortlaufenden Strahlaufweitung führen, wenn statt (fder Wert in Gleichung 1 eingesetzt würde.
  • @s ergibt sich dann Durch Kompensationslinaon könnte der Versuch unternomxen werden, die Divergenz von der Größe 4 k# zu beseitigen.
  • Nach eines Ausführungebeimpiel der Erfindung wird hleren der Zylinderspiegel 10 selbst ausgenutzt. Sorgt san durch Linsen oder durch Ausbildung des Zylinderepiegeis 10 al Toroidspiegel dafür, daß das Lioht voa Punkt r divergiert - wobei der Divergenswinkel#sei - so wird der divergierende Lichtstrahl a' die Fl@che B''' B'' beleachten. Ist f genau der Schnittpunkt der Winkelhalbierenden des Winkels AMB' mit der Seitenlänge a' des Dreiecks AB'M, so sind alle Dreiecke 3'C'M, B'' M und B'' C'' M deckungsgleich und um den Winkel zueinander verdreht. Entsprechend den Reflexionsgesetzen bleibt dieses Verhältnis bei beliebigem k erhalten, d.h. die endgültige Divergenz nach k- Umlaufen ist die ursprüngliche. Bei sehr kleinem Winkel konnman außerdem annehmen, daß alle im obigen Sinne definierten Punkte f', F" und f''' bei f' zusammenfallen.
  • Eine Divergenz in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 3 läßt sich wie folgt eliminieren. Bezeichnet man den Schnittpunkt der Strecke f f' mit dem Radius R - M3' mit S, so erhält man den Radius r der Toroidspiegelfläche aus der Bedingung, daß alle von f ausgehende Strahlen nach f' reflektiert werden wie folgt : (6) @@@@ 2 ein da der Winkel bei B' definitionsgemäß = 450 + 1@@ der Winkel bei S@90° und der Winkel bei f-450 - S.
  • Für jede Abweichung = z @ gilt nun das gleiche, es bleibt daher, wählt man r als den Toroidradius gemäß Gleichung (6), jede Abweichung unverändert. Insbesondere bleiben jegliche Lichtwege konstant, da keine Längendivergenz mit der Anzahl k der Umläufe auftritt. Die einzige Phasendifferenz, die aus dem Weglängenuntorschied der Strecken f B'' @@@@@ entsteht, bleibt also auch nach k Umläufen erhalten und kann vor dem Interferometer beispielsweise durch geeignete Glaskeile, kompensiert werden. Voraussetzung hier - ist eine möglichat genaue Spiegelflächenherstellung.
  • Reflexionaverluste können bei dem heutigen Stand dor Teobnik so klein gehaten werden, daß eine große Umlenfschi k erroicht werdeb kann, Nachfolgend ist nun eiSe Anordnung beschrieben, bei der die Streuverluste bei k-facher Umlenkung des Lichtstrahls durch die fokussierenden Eigenschaften des ToroidsDiegels besonders klein gehalten Bei einem Ausführungsbeispiel befindet sich die verspiegelte Toroidfläche 10 auf @ benförmigen Quarzring 11, der zwischen zwei Quarz oder Inva@ @ iben 12, 13 vakuumdicht angeordnet ist. Die Laseranordnung 20 ist ebenfalls in einer Quarzscheibe 30 eingebettet, und zwar dergestalt, daß sie mittels eines Feintriebes 40 gegebenenfalls samt der Quarz scheibe 30 verschwenkbar gelagert ist. Es kann sich beispielsweise um einen sogenannten Gaslaser handeln, an dessen beiden runden durchlässig e Spiegel 41,42 angeordnet sind. Dem Laserausgang 43 gegenüber befindet sich ein Strahlteiler, bestehend &us einem teildurchlässigen Spiegel 44 und einem undurchlässigen Spiegel 45, sowie ein vakuum&ichter Raum 14, der in den Vakuumraum 15 zwischen der Quarz scheibe 30 und der Toroidfläche 10 des Quarzzinges 11 übergeht. In diesem Raum 14 sind zwei schwenkbar gelagerte Spiegel 50 - vorzugsweise Hohlspiegel - angeordnet, die die austretenden Laserstrahlen zum Umlauf auf die ToroidspiegelflS-che 10 umlenken, In einem bestimmten Abstand von den Hohlspiegeln 50 sind Prismen 51 angeordnet, die Je einer Facette 53 in dem Toroidspiegel 10 zugeordnet sind und die k-fach umlaufenen Laserstrahlen auf ein lnterferometer 60 ablenken. Der Vakuumraum 14 wird an seinem Ausgang zum Interferometer 60 durch eine planparallele Platte 54 abgeschlossen. Die Faoetten 53 in der Toroidspiegelfläche 10 sind kleiner als der Abstand weier sufeinander-folgender Reflexionspunkte, jedoch größer als der Strshlqernchnitt. Diese Facetten sind an den Punkten angeordnet, die die letzten Reflexionspunkte der Laserstrahlen vor dem Austritt sind.
  • Das erfindungsgemäBe Gerät funktioniert zur optischen Drehgesohwiniigkeitsmessung für Luft- Raum- und Wasserfahrzeuge wie folgtt GewShnlich werden drei Toroidspiegel im Fahrzeug in drei zueinander senkrechten Ebenen (bez. Achsen) angeordnet. Die durch Drehung um diese Achsen entstehende * enverschiebung in den drei Interferometern wird durch geeignete Empfanger (Fotovervielfacher o.ä.) abgenommen, verstärkt und integriert. Die Drehwinkel werden als Zeitfunktion dem Navigationsrechner zugeführt, der aus diesen Werten sowie aus den auch hierbei notwendigen anderen Wegmessungen den Fahrzeugort berechnet. Hierbei wird die Toroidspiegelanordnung wie eine Trägheitsplattform benutzt.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsme-er für Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge zur Messung kleiner Winkelgeschwindigkeiten durch Interferenz eines mit und eines gegen die Drehrichtung umlaufenden Lichtstrahles einer kohärenten Lichtquelle, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß um eine lagemäßig einstellbare kohärente Lichtquelle (20) in einem bestimmten Abstand ein Zylinder - oder Toroidspiegel (10) angeordnet ist und vor dem Auslaßfenster (54) zum Interferometer (60) Je ein Prisma (51) für beide Lichtstrahlen nach vorbestimmtem Umlauf und Je ein schwenkbarer Hohlspiegel (50) gelagert ist 2, irehgeschwindikeitsmesaer nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -s e i c h n e t , daß als kohärente Lichtquelle (20) ein Laser verwendet wird.
    3. Drehgsachwindigkeitamesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Zylinder- oder Toroidspiegel (10) auf einer Quarzkreisscheibe (1t) aufgebracht ist und diese Scheibe (oil) vakuumdicht so wischen zwei Invar- oder Quarsscheiben (12, 13) angeordnet ist, daß ein evakuierbarer Hohlraum (15) gebildet wird.
    4. Drahgeschwindigkaltsmezser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n s e i c h n e t , daß der Laser (20) in einer Quar.-scheibe (30) von bestimmter Stärke eingebettet ist und mittels eines Peintriebes (40) drehbar gelagert ist.
    54 Drehgeschwindigkeitsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß gegenüber der Austrittsöffnung (43) des Lasers (20) ein vakuumdichter Raum (14) im Träger (11) des Zylinder- oder Toroidspiegels (10) gebildet ist, der die Prismen (51) und die schwenkbaren Spiegel (50) aufnimmt.
    6o irehgeschwindigkcitsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h ne t , daß zur Auslenkung der Strahlen nach bestimmtem Umlauf an definierter Stelle des Zylinder oder Tcroidspiegels (10) Je eine Facette (53) oder ein entsprechender Auslenkspiegel angeordnet ist.
    7. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e iec h n e t t daß die Hohlspiegel (50) so ausgebildet und angeordnet sind, daß der austretende divergierende Laserstrahl in einem Punkt f (55) fokussiert wird, In Betracht gezogene Druckschriften: US-PS 3,102,953 L e e r s e i t e
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2580390A1 (fr) * 1985-04-10 1986-10-17 Hamamatsu Photonics Kk Gyrosysteme a laser de type cylindrique

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2580390A1 (fr) * 1985-04-10 1986-10-17 Hamamatsu Photonics Kk Gyrosysteme a laser de type cylindrique

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