DE1804262C - Lichtoptischer Drehgeschwindigkeitsmesser für Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge - Google Patents

Description

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 bekanntgeworden, 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 bekanntgeworden, bei denen die Empfindlichkeit eines Sagnac-Interferometers durch mehrfachen Umlauf mittels Lucite-Röhren bzw. durch Lichtleitfasern erzielt wird. Diese Anordnungen weisen gegenüber den vorgenannten Anordnungen wesentliche Vorteile auf, besitzen jedoch für die Zwecke der Luft- und Raumfahrt zur Zeit noch zu h.->he Absorptionsverluste.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese 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 und weitgehend wärmeunempfindlich 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 zur Auslenkung beider Lichtstrahlen 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 einfallenden Strahls α = 45 +λ ist, die umlaufende Fläche also bei jedem Umlauf um den vorzugebenden Winkel γ gedreht wird und nach einer bestimmten Umlaufzahl k nur der A-fach umgelaufeneStrahlindasInterferomcteraustretenkann.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Zylinderoder Toroidspiegel auf einer Quarzkreisscheibe aufgebracht ist und diese Scheibe vakuumdicht so /wischen zwei Scheiben aus Material mit kleinstem thermischem Ausdehnungskoeffizienten oder Quar/-scheibcn angeordnet ist. daß ein evakuierbarer Hohlraum gebildet wird. Durch diese Maßnahmen wird einmal die natürliche Streuung des zur Verwendung kommenden kohärenten Lichtbündels kompensiert und zum anderen eine Anordnung geschaffen, die weitestgehend wärmeunempfindlich ist.

In einer speziellen Ausfuhrungsform wird vorgeschlagen, daß als kohärente Lichtquelle 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 Bin* «teilung und Variierung des Einfallwinkels des Laser-

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung

wird vorgeschlagen, daß gegenüber der Austritts-

öffnung des Lasers ein vakuumdjehter 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 platzsparende und

gedrungene Bauweise des Instrumentes.

Ferner wird vorgeschlagen, daß zur Auslenkung

ίο des Strahles nach bestimmten Umlauf an definierter Stelle des Zylinder- oder Toroidspiegels eine Facette oder ein Auslenkspiegei angeordnet ist und außerdem der Hohlspiegel so ausgebildet und angeordnet ist, daß der austretende divergierende Laserstrahl bei / fokussiert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen beschrieben, wobei immer nur einer der beiden umlaufenden Lichtstrahlen berücksichtigt ist. Es zeigt

F i g. I eine schematische Darstellung im Schnitt, entlang der Linie I-I gemäß Fig. 2,

F i g. 2 eine schematische Darstellung im Schnitt, entlang der Linie H-II gemäß Fig. 1,
F i g. 3 einf schematische Darstellung eines

Strahlenverlaufs in einem Zylinderspiegel.

In einem Zylinderspiegel mit einem bestimmten Radius wird ein Lichtstrahl, der unter einem Winkel n gleich 45' einfallt, gemäß den Reflexionsgesetzen so reflektiert, daß die Strecken α zwischen

den einzelnen Reflexionspunkten gleich sind. Ebenfalls sind gleich die Dreiecke, die aus zwei Reflexionspunkten {AB, BC, CD, DA) und dem Mittelpunkt Λί des Kreises, der sich aus dem Zylinderquerschnitt ergibt, gebildet werden. Der reflektierte Strahl eines

Umlaufs mündet also genau beim Strahleingangspunkt A. Wird nun der Ek'aHwinkel η um einen Betrag Λ 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°-2Λ. Auch in diesem Falle sind alle Winkel u gleich und damit auch alle Dreiecke. Im ersten Umlauf erreicht der Strahl A\ und es bleibt eine Restdreiecksfläche AMA' übrig. Der Zentriwinkel dieses Dreiecks aber beträgt 8 Λ und ist bestimmbar durch die Genauigkeit der Einstellung des Winkels «. Nun ergibt sich nach /c-fachem Umlauf aber ein Winkel im Dreieck AMA' von

/i y = ΜΛ (I)

Die vom Strahl umlaufene Fläche F ist

/1 ■ a
■»

da und

R sin 11 ■- η ■ R¹ cosa sin <t g ;/ a'² . 12)

- R cos n

(cos 11 - sin «J <« I .

Der Strahl fallt bei A nach der »Men Reflexion in

das Interferometer, wo es mit einem entsprechenden

Anteil des durch den Strahlenteiler einfüllenden Licht' Strahls interferiert. Für die Empfindlichkeit des Ver*

fahren* ergibt sich dann

mu' · R sin 1/

<\iiiii' R sin ti

Tür zwei entgegengesetzt umlaufende Lichtstrahlen oder, Uu

-y = R · cos u ,

2 in R¹ cos u · sin «
ι ζ - „

lic

4 πι R² cos a · sin u

η (4)

Rir zwei' entgegengesetzt umlaufende Lichtstrahlen, wobei

= Winkelgeschwindigkeit,

= Wellenlänge des Laserlichts,

= Lichtgeschwindigkeit,

= Anzahl der Reflexionen = 4 k.

Nun läßt sich der Winkel ;- auch bestimmen nach dem Verfahren der Kompensation der natürlichen Strahldivergenz eines Laserstrahls. Ein Laserstrahl hat die natürliche Divergenz f, die bei etwa 0,057 liegt. Diese Divergenz würde ganz allgemein zur fortlaufenden Strahlaufweitung führen, wenn statt

Λ der Wert Λ' = ή ± ^ in Gleichung (I) eingesetzt

würde.

Es ergibt sich dann:

= k-γ ±ik-

(5)

Circh Kompensationslinsen könnte der Versuch unternommen werden, diese Divergenz von der Größe 4 kf zu beseitigen.

Nach der Erfindung wird hierzu der Zylinderspiegel 10 selbst ausgenutzt. Sorgt nan durch Linsen oder durch Ausbildung des Zylinderspiegels 10 als Toroidspiegel dafür, dab das Licht vcm Punkt / divergiert — wobei der Divergenzwinkel t sei — so wird der divergierende Lichtstrahl a' die Fläche B'" B" beleuchten. Ist / genau der Schnittpunkt der Winkelhalbierenden des Winkels AMB' mit der Seitenlänge a' des Dreiecks AB¹M, so sind alle Dreiecke B'C'M, B'" C" M und B" C" M deckungsgleich und um den Winkel Λ' ^ Λ zueinander verd^Teh.. Entsprechend den Reflexionsgesetzen bleibt dieses Verhältnis bei beliebigem k erhalten, d. h., die endgültige Divergenz nach fc-Umläufen ist die ursprüngliche. Bei sehr kleinem Winkel Λ kann man außerdem annehmen, daß alle im obigen Sinne definierten Punkte /', F" und C" bei f zusammenfallen.

Eine Divergenz in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 3 IUOt sich wie folgt eliminieren. Bezeichnet man den Schnittpunkt der Sirecke / /' mit dem Radius R = MB' mit S₄ so erhält man den Radius r dsr Toroidspiegel fläche aus der Bedingung, daß alle von f ausgehende Strahlen nach /' reflektiert werden, wie folgt:

da der Winkel bet B' deflnitionsgemüQ « = 45- + λ.

und der Winkel bei

ist der Winkel bei S =
/ = 45 -S,

Für jede Abweichung r' < t 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 Weglängenunterschied der Strecken / B" ;> % ^ / B"'

entsteht, bleibt also auch nach k Umläufen erhalten und kann vor dem Interferometer beispielsweise durch geeignete Glaskeile kompensiert werden. Voraussetzung hierfür ist eine möglichst genaue Spiegelflächenherstellung.

Reflexionsverluste können bei dem heutigen Stand der Technik so klein gehalten werden, daß eine große Umlaufzahl k erreicht werden kann. Nachfolgend ist nun eine Anordnung gocnäß F i g. 2, 3 beschrieben,

ίο bei der die Streuverluste bei k-facher Umlenkung des Lichtstrahls durch die fokussierenden Eigenschaften des Toroidspiegels besonders klein gehalten werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel befindet sich die ver-

spiegelte Toroidfläche 10 auf einem scheibenförmigen Quarzring 11, der zwischen zwei Quarz- oder Invarscheiben 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 Quarzscheibe 30 verschwenkbar gelagert ist. Es kann sich beispielsweise um einen sogenannten Gaslaser handeln, an dessen beiden Enden durchlässige Spiegel 41, 42 angeordnet sind. Dem Laserausgang 43 gegenüber befindet sich ein Strahlteiler, bestehend aus einem teildurchlässigen Spiegel 44 und einem undurchlässigen Spiegel 45, sowie ein vakuumdichter Raum 14, der in den Vakuumraum 15 zwischen der Quarzscheibe 30 und der Toroidfläche 10 des Quarzringes 11 übergeht. In diesem Raum 14 sind zwei schwenkbar gelagerte Spiegel 50 — vorzugsweise Hohlspiegel - angeordnet, die die austretenden Laserstrahlen zum Umlauf auf die Toroidspiegelfläche 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 fc-fach umlaufenen Laserstrahlen auf ein Interferometer 60 ablenken. Der Vakuumraum 14 wird an seinem Ausgang zum Interferometer 60 durch eine planparallele Platte 54 abgeschlossen. Die Facetten 53 in der Toroidspiegelfliiehe 10 sind kleiner als der Abstand zweier aufeinanderfolgender Reflexionspunkte. jedoch größer als der Strahlqucrschnitt Diese Facetten sind an den Punkl-n angeordnet, die die letzten Reflexionspunkte der 1 aserstrahlen vor dem Austritt sind

Das erfindungsgemäb- Gerät wird zur optischen Drehgeschwindigkeitsmessung fur Luft-, Raum- und Wasserfahrzeuge wie folgt angeordnet: Drei der

Toroidspiegel werden im Fahrzeug wie bekannt in drei zueinander senkrechten Ebenen (bzw. Achsen) angeordnet. Die durch Drehung um diese Achsen entstehende Phasenverschiebung in den drei Inter« ferometern wird durch geeignete Empfänger (Foto-

<>$ vervielfacher o. ii.) abgenommen, verstärkt und integriert. Die Drehwinkel werden als Zeitfunktion dem Navigationsrechner zugeführt, der aus diesen Werten sowie aus den auch hierbei notwendigen anderen

gmcssungcn den Kahrzeujtort berechnet. Hierbei d die Toroidspicgelanordnung wie eine Träghcitsitrorm benutzt.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Lichtoptischcr Drchgcsehwindigkcitsmcsscr für Luft-. Raum- und Wasserfahrzeuge zur Messung kleiner Winkelgeschwindigkeiten durch Interferenz eines mit und eines gegen die Drehrichtung umlaufenden Lichtstrahles einer kohärenten Licht- to quelle, dadurch gekennzeichnet, da 1.1 um eine lagcmäßig einstellbare kohärente Lichtquelle (20) in einem bestimmten Abstund ein Zylinder- oder 1*oroids|piegel (10) angeordnet ist und vor dem Auslaßfenster (54) zum Interferomcter (60) je ein Prisma (51) zur Auslenkung beider Lichtstrahlen nach vorbestimmtem Umlauf und je ein schwenkbarer Hohlspiegel (50) gelagert ist.

2. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß als kohärente Lichtquelle (20) ein Laser verwendet wird.

3. Drehgeschwindigkeitsmesser nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, da 13 der Zylinder- oder Toroidspiegcl (10) auf einer Quarzkreisscheibe(II) aufgebracht ist und diese Scheibe (II) vakuum^ t so zwischen zwei Schei ben aus Material mit kleinst' thermischem Ausdehnungskoeffizienten oder Quarzscheiben (12.13; angeordnet ist. daß ein evakuierbarer Hohlraum (15) gebildet wird.

4. Drehgeschwindigkeitsmesser nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dci Laser (20) in einer Quarzscheibe (30) von bestimmter Stärke eingebettet ist und mittels eine« Kcinlriebcs (40) drehbar gelagert ist.

5. Drchgcschwindiglceitsmcsscr nach den Ansprüchen I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Austriltsöffnung (43) des Lasers (20 ein vakuumdichter Raum (14) im Träger (II) de« Zylinder- oder Toroidspiegels (10) gebildet ist. dci die Prismen (51) und die schwenkbaren Spiegel (50) aufnimmt.

6. Drchgcschwindigkeitsmcsser nach einem odei mehreren der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslenkung der Strahlen nach bestimmtem Umlauf an definierter Stelle de« Zylinder- oder Toroidspiegels (10) je eine l'aceltt (53) oder ein entsprechender Auslenkspiegel angeordnet ist.

7. Drchgcschwindigkcitsmesser nach einem odei mehreren der vorangegangenen Ansprüche I bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlspiegel (50 so ausgebildet und angeordnet sind, daß der austretende divergierende Laserstrahl in einem Punkt / (55) fokussiert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen