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Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-,
Raum- und Wasserfahrzeuge zur Messung kleiner Winkelgeschwindigkeiten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese Maßnahme erlaubt eine platzs,arende und gedrungene Bauweise
des Instrumentes.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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@s ergibt sich dann
Durch Kompensationslinaon könnte der Versuch unternomxen werden, die Divergenz von
der Größe 4 k# zu beseitigen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.