DE19730522C1

DE19730522C1 - Verfahren zur Erhöhung der Stabilität eines faseroptischen Kreises und damit stabilisierter faseroptischer Kreisel

Info

Publication number: DE19730522C1
Application number: DE19730522A
Authority: DE
Inventors: Klaus Hilpert; Michael Neukirch; Wolfgang Dr Ecke; Eberhard Dr Handrich
Original assignee: Litef GmbH
Current assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2017-07-17
Also published as: WO1999004222A1; US5953122A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf faseroptische Interferometer, insbesondere faseroptische Kreisel zur Bestimmung von Drehraten, bei denen Licht aus einer vorzugsweise stabilisierten Lichtquelle, insbesondere einer Laserdiode (LD) oder einer Superlumineszenzdiode (SLD), nach zweimaliger Strahlteilung mit gleichen Lichtintensitätsanteilen in die beiden Enden einer Faserspule eingestrahlt wird. Die beiden Lichtanteile werden nach ihrem Weg durch die (in der Regel) aus polarisations- oder nicht polarisationserhaltender Monomodefaser hergestellte Spule am zweiten Strahlteiler, dem Hauptstrahlteiler, interferierend überlagert. Nach Rücklauf durch einen Polarisator wird am ersten, näher bei der Lichtquel le liegenden Strahlteiler möglichst der halbe Anteil des interferierenden Lichts ausgekoppelt und beaufschlagt einen Photodetektor, dessen Ausgangssignal nach Verstärkung und Analog-/Digitalwandlung einer Frequenzanalyse und Si gnalauswertung zur Gewinnung eines Drehratensignals zugeführt wird. Das fa seroptische Interferometer, insbesondere Drehratensensoren mit diesem prinzi piellen Aufbau sind sowohl in Open-Loop-Anordnung als auch mit geschlossener Regelschleife, also als Closed-Loop-Anordnung bekannt. Zur Erhöhung der Me ßempfindlichkeit ist es auch bekannt, den die Faserspule durchsetzenden Licht strom in der Phase so zu modulieren, daß der Arbeitspunkt für die Signalaus wertung stets im Kennlinienbereich maximaler Meßsignaländerungen bei einer Änderung der Drehrate liegt. Diese Modulation kann periodisch oder statistisch verteilt erfolgen.

Die Fig. 2 veranschaulicht den typischen bekannten Aufbau eines Sagnac-Typ- Faserkreisels in Open-Loop-Anordnung. Das Licht einer hinsichtlich Intensität und Wellenlänge stabilisierten Lichtquelle, insbesondere einer LSD gelangt über eine Faserstrecke auf einen ersten Strahlteiler 2, von dort über einen Polarisa tor 3 auf einen zweiten Strahlteiler, den Hauptstrahlteiler 4. Von den beiden der Lichtquelle 1 abgewandten Aus-/Eingängen gelangen die durch Strahlteilung entstandenen Teillichtströme auf die beiden Ein-/Ausgänge einer Faserspule 6, wobei zwischen den Aus-/Eingängen des Hauptstrahlteilers 4 bzw. den Ein-/ Ausgängen der Faserspule 6 einerseits ein Depolarisator 5 und andererseits ein Phasenmodulator 7 angeordnet sind. Der Depolarisator 5 dient bei Verwendung von nicht polarisationserhaltender Monomodefaser dazu, die Interferenzfähigkeit des Lichtes sicherzustellen; er entfällt, wenn polarisationserhaltende Faser ver wendet wird. Der Phasenmodulator 7 wird durch einen Modulationsoszillator 8 angesteuert, der die Phase des für die Signalauswertung vorgesehenen Lichtan teils periodisch oder nach einem bekannten quasi-stochastischen Modulations verfahren jeweils in einem Arbeitspunkt maximaler Empfindlichkeit hinsichtlich einer Drehung der Faserspule 6 um ihre Achse verschiebt. Die im Hauptstrahl teiler 4 nach Durchlaufen der Faserspule 6 interferierenden Lichtanteile durch laufen wiederum den Polarisator 3 und werden über den ersten Strahlteiler 2 zu einem möglichst großen (halben) Anteil auf einen Photodetektor 9 geleitet, des sen Ausgangssignal zunächst in 10 verstärkt und in bestimmter Weise gefiltert, sodann in 11 A/D-gewandelt und anschließend in 12 einer Frequenzanalyse und einer Signalauswertung 13 zur Gewinnung des Drehratensignals Ω zugeführt wird.

Die Genauigkeit eines Faserkreisels - insbesondere bei Open-Loop-Konfigu ration - hängt unter anderem von der Skalenfaktorstabilität ab. Der Skalenfak tor seinerseits bzw. dessen Stabilität ist unter anderem von den Eigenschaften der Lichtquelle abhängig. Um die Lichtquelle hinsichtlich ihres Nullpunktes bzw. gegen Wellenlängenänderungen aufgrund verschiedener Ursachen, wie Um welteinflüsse, alterungs- und herstellungsbedingte Schwankungen usw. zu sta bilisieren sind erhebliche Anstrengungen unternommen worden, wofür die Druckschriften DE 40 37 118 C1, DE 38 05 905 C2 sowie EP 0 611 950 B1 als ausgewählte Beispiele dienen mögen.

Es wurde jedoch festgestellt, daß solche Bemühungen zur Stabilisierung der Lichtquelle bzw. durch Kompensation von Lichtquellenwellenlängenänderungen nicht ausreichen, um den Skalenfaktor - soweit die Lichtquelle diesen beeinflußt - ausreichend stabil zu halten, wenn eine bestimmte Meßgenauigkeit verlangt wird.

Bei Closed-Loop-Aufbau andererseits bereiten vor allem zwei Einflußgrößen, nämlich die Nullpunktdrift (Biasdrift) und das Signalrauschen (Random Walk) im Meßsignal, verursacht vor allem durch die elektrische Ansteuerung der Lichtquelle und durch Übersprechen der Modulationsspannung am I/O-Chip auf die Lichtquellenelektronik, besondere Genauigkeitsprobleme.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die Stabilität des Skalenfaktors eines faseroptischen Sagnac-Interferometers, insbesondere eines Faserkreisels in Open-Loop-Aufbau, bzw. die reproduzierbare Genauigkeit eines Faserkreisels in Closed-Loop-Anordnung hinsichtlich der Einflüsse der Nullpunktdrift und des Random Walk zu verbessern.

Um den Skalenfaktorfehler bei Open-Loop Faserkreiseln gering zu halten, wurde zunächst die Verwendung eines optischen Isolators untersucht. Die Ergebnisse waren jedoch aufgrund zumindest teilweise fehlender Reproduzierbarkeit nicht befriedigend. Aber auch aus Kostengründen wurde dieser Lösungsansatz als wenig erfolgversprechend eingestuft.

Es wurde jedoch auch beobachtet, daß das vom Interferometer zurückkommen de Licht, das zu einem gewissen Anteil reflektiert wird und zurück in das Inter ferometer gelangt, den Skalenfaktor verschlechtert. Diese Rückstreuung oder Reflexion kann z. B. an der Lichtquelle und/oder am Detektor erfolgen und hängt vom Aufbau ab. Meist nicht vermeidbar sind Rückstreuungen an der Lichtquelle, z. B. durch Beeinflussung der abgegebenen Lichtleistung durch das vom Interferometer zurückkommende Licht. Daraus folgt die Erkenntnis, daß der zum Interferometer (z. B. von der Lichtquelle aus) zurückgestreute Anteil an moduliertem Licht beseitigt werden müßte, und zwar entweder durch Unterdrückung oder durch Kompensation. Als weitere Ursache der Lichtmodula tion wurde erkannt, daß bei kompakten Aufbauten ein Übersprechen der Modu lationsspannung in die Lichtquellenelektronik unvermeidlich ist und zu einer Modulation der Lichtintensität führt.

Auf dieser Erkenntnis basierend entstand die technische Lehre der Erfindung dahingehend, daß zur Erhöhung der Skalenfaktorstabilität bei Faserkreiseln in Open-Loop-Anordnung die Lichtquelle mit einem kleinen Modulationsstrom zu beaufschlagen sei, dessen Phasenlage und Amplitude so geregelt weden, daß das das Interfero meter durchsetzende Licht unmoduliert bleibt, also keinen Modulationsanteil enthält.

Für Faserkreisel mit Signalrückstellung, also mit geschlossenem Regelkreis, läßt sich mit dem gleichen Prinzip einer kompensierenden Modulation der Licht quelle eine erhebliche Reduzierung der Nullpunktdrift und/oder des Random Walk erreichen.

Ein Faserkreisel vom Sagnac-Typ, bei dem eine Stabilisierung gemäß der Erfin dung erfolgt, ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Faserkreisels vom Sagnac-Typ in Open-Loop-Anordnung mit Regelung der Lichtquelle gemäß der Erfindung;

Fig. 2 den bereits erläuterten prinzipiellen Aufbau eines bekannten Faserkreisels in Open-Loop-Technik; und

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Sagnac-Typ-Faserkreisels in Closed-Loop-Aufbau mit digitaler Rückstellung und Regelung der Lichtquelle gemäß der Lehre der Erfindung.

Bereits anhand der Fig. 2 erläuterte Teile, Abschnitte und Funktionsweisen des Faserkreiselsaufbaus gemäß Fig. 1 werden nachfolgend nicht mehr näher erläu tert.

Wie oben erwähnt, ist es das Ziel der Erfindung, die Lichtmodulationen, die ins besondere in das Interferometer gelangen, hinsichtlich der Anteile von modulier tem Licht und ihres Einflusses auf die Genauigkeit der Skalenfaktorstabilität bzw. des Nullpunkts und der Einflüsse des Random Walk zu beseitigen oder zu mindest erheblich zu reduzieren. In anderen Worten, es ist sicherzustellen, daß kein moduliertes Licht in das Interferometer gelangt, das stört.

Um dies zu erreichen ist gemäß der Erfindung (vgl. Fig. 1) ein die Lichtquelle 1 beeinflussender Regelkreis vorgesehen mit einem zusätzlichen Detektor 14 dessen Referenz- oder Ansteuersignal z. B. an einem ohnehin freien Aus-/Ein gang des ersten Strahlteilers (Kopplers) 2 abgegriffen wird. Das Ausgangssignal des zusätzlichen Detektors 14 liefert nach Filterung und/oder Verstärkung in 15 einen im Vergleich zum die Lichtquelle 1 (Laserdiode) erregenden DC- oder Gleichstrom kleinen Modulationsanteil, der in der Amplitude und Phase so ein gestellt wird, daß das Licht, das von der Lichtquelle 1 aus in die Faser und da mit in das Interferometer gelangt, keinen modulierten Anteil mehr enthält.

Die Fig. 3 veranschaulicht das Prinzip-Blockschaltbild eines Faserkreisels mit digitaler Rückstellung. Die auch bei dem Faserkreisel ohne Rückstellung gemäß Fig. 2 bzw. 1 vorhandenen Baugruppen und Bauteile mit gleicher oder ähnlicher Funktion sind auch bei der Darstellung in Fig. 3 mit den gleichen Bezugshin weisen versehen, so daß insoweit eine erneute Erläuterung erübrigt werden kann.

Zu den die geschlossene Regelschleife über einen Faserkreiselaufbau nach Fig. 3 bestimmenden Baugruppen gehört eine Skalenfaktorregelstrecke mit einem Demodulator 16 und einem Verstärkungsfilter 17, dessen Ausgangssignal den Verstärkungsfaktor eines den Phasenmodulator 7 ansteuernden regelbaren Verstärkers 18 bestimmt. Der Modulationsoszillator 8 liefert Modulationsmuster unterschiedlicher Höhe: Modulo-2π-Phasensprünge liefern die Referenz für den Demodulator 16, dagegen bilden Modulo-π/2-Phasensprünge die Referenz für den Synchrondemodulator 19, dessen Ausgangssignal über ein Verstärkungsfil ter 20 einerseits und einen digitalen Rampengenerator 21 andererseits das Rückstellsignal bzw. das Drehratensignal ΔΩ bereitstellt. Das den Arbeitspunkt bestimmende Modulationssignal des Modulationsoszillators 8 bzw. das Rück stellsignal vom digitalen Rampengenerator 21 werden in einer Additionsstufe 22 kombiniert und bestimmen das Eingangssignal für den regelbaren Verstärker 18.

Beim Faserkreisel mit digitaler Rückstellung (Closed-Loop) wird der Skalenfak tor wesentlich durch den Phasenmodulator beeinflußt, der die Rückstellung der Sagnac-Phase vornimmt und dessen Anstellsignal durch den steuerbaren Ver stärker 18 nachgeregelt wird. Dadurch ist der Einfluß der Lichtmodulation auf den Skalenfaktor vernachlässigbar. Dagegen können Lichtquellenmodulationen eine Nullpunktdrift bei periodischer Modulation und eine Erhöhung des Rau schens (Random Walk) bei statistischer Modulation bewirken. Dabei sind im allgemeinen die direkten Einkopplungen der Modulatorspannungen in die Licht quellenelektronik dominant.

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen ist nach der Erfindung auch bei dem Fa serkreisel mit geschlossener Regelschleife gemäß Fig. 3 an einem Aus-/Eingang des ersten Strahlteilers 2 ein weiterer Detektor 14 vorhanden, durch den ein kleines Modulationssignal nach Filterung und Verstärkung 15 auf die Lichtquel le 1 gelangt, wodurch die Lichtmodulation und damit mögliche Signalrauschan teile bzw. eventuelle Nullpunktfehler kompensierbar sind.

Erfolgreiche Versuche haben gezeigt, daß es aufgrund der Erfindung mit vergleichsweise geringen Zusatzkosten möglich ist, Faserkreisel in Open-Loop- Technik mit wesentlich besserer Skalenfaktorgenauigkeit herzustellen. Für Faserkreisel mit Rückstellung werden die Einflüsse des Random Walk reduziert und die Nullpunktstabilität verbessert. Gegenüber anderen bekannten oder vor geschlagenen Möglichkeiten lassen sich die Gesamtkosten für einen Faserkreisel mit sehr hoher Genauigkeit reduzieren.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Stabilität eines interferometrischen Faser kreisels von Sagnac-Typ, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) zu sätzlich zur normalen DC-Erregung mit einem kleinen Modulationsstrom beauf schlagt wird, dessen Phasenlage und Amplitude so geregelt werden, daß das von der Lichtquelle in das Interferometer (1-4, 6-9) gelangende Licht unmoduliert bleibt, also keinen Modulationsanteil enthält.

2. Interferometrischer Sagnac-Typ-Faserkreisel, dessen Interferometer

1. eine Lichtquelle (1),
2. einen ersten (2) und einen zweiten Strahlteiler (4),
3. eine an die der Lichtquelle (1) und die dem ersten Strahlteiler (2) abge kehrten Ausgänge des zweiten Strahlteilers (4) angekoppelte Faserspule (6),
4. einen ein Ende der Faserspule (6) mit einem Modulationssignal beauf schlagenden Phasenmodulator (7), sowie
5. einen an einen Eingang des ersten Strahlteilers (2) angeschlossenen Auswertungsdetektor (9) umfasst, der das interferierende, von der Faserspule zurückkommende Licht erfaßt und dessen Ausgang auf eine Frequenzanalyse- und Signalauswerteschaltung (12, 13) zur Ausgabe einer Drehrate (Ω; ΔΩ) ge schaltet ist,

gekennzeichnet durch einen an einen weiteren Aus-/Eingang des ersten Strahlteilers (2) angeschlossenen weiteren Detektor (14), dessen Ausgangssignal nach Verstär kung als Vorgabesignal auf einen Eingang einer Verstärkungs- und Phasenregel schaltung (15) gelangt, durch welche die Lichtquelle (1) mit einem Modulations strom beaufschlagt wird, der hinsichtlich Phase und Amplitude derart abgestimmt ist, daß das in das Interferometer (1-4, 6-9) abgestrahlte Licht kei nen modulierten Anteil enthält.