DE2934191A1

DE2934191A1 - Interferometer-gyroskop

Info

Publication number: DE2934191A1
Application number: DE19792934191
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1978-08-23
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1980-03-13
Also published as: JPS5530691A; FR2434371A1; JPS6316690B2; DE2934191C2; FR2434371B1; CA1126841A; GB2028497B; GB2028497A; US4208128A

Description

23. August 1979 79-T-3679

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, Kalifornien 90245, V.St.A.

Interferometer-Gyroskop

Die Erfindung bezieht sich auf ein Interferometer-Gyroskop, und zwar insbesondere auf Interferometer-Gyroskope, welche eine ausgeglichene heterodyne oder überlagerungs-Phasenfeststellung verwenden.

Aus US-PS 4 013 365 sind bereits Interferometer-Gyroskope bekannt.

In der deutschen Patentanmeldung P .Γ....«/...·;?.'.? (am gleichen Tage wie die vorliegende Anmeldung auf den Namen der gleichen Anmelderin eingereichte Patentanmeldung mit dem Anwaltsaktenzeichen 79-T-368O und dem Titel "Interferometer-Gyroskopvorrichtung") ist ein Interferometer-Gyroskop beschrieben, welches ein ausgeglichenes Heterodynphasenfeststellsystem verwendet. Das Gyroskop verwendet dabei eine einzige Laserquelle, die in zwei Komponenten aufgespalten wird, deren jede durch einen akusto-optischen Modulator läuft, um Signal- und Bezugslicht-Komponenten zu erzeugen. Die Signalkomponente wurde aufgespalten und in entgegen drehenden Richtungen durch einen Fasersolenold oder eine Spule geleitet, worauf dann die Signale nach Durchlaufen der faseroptischen Spule mit der Bezugskomponente gemischt wurden, um eine doppeltes heterodynes Phasenfeststeil- oder Detektorsystem zu bilden.

030011/0731

Da die Signalkomponente durch die gesamte Länge der optischen Faser geleitet wird, die Bezugskomponente aber überhaupt nicht in die optische Faser eingegeben wird, sollte die Quellenemissionskohärenzlänge größer sein als die Länge der faseroptischen Spule. Dies kann in einigen Anwendungsfällen eine relativ ernste Einschränkung hinsichtlich der verwendbaren Lichtquelle bedeuten.

Kurze Beschreibung der Erfindung: Im Hinblick auf obige Ausführungen liegt der Erfindung das Ziel zugrunde, ein verbessertes Interferometer-Gyroskop vorzusehen, welches eine ausgeglichene Heterodynphasenfeststellschaltung verwendet. Ferner sieht die Erfindung ein Interferometer-Gyroskop der beschriebenen Bauart vor, bei welchem die Kohärenzlängenanforderungen des Standes der Technik stark verringert werden. Dieses sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch aus der Beschreibung sowie der Zeichnung.

Allgemein sieht die Erfindung ein Interferometer-Gyroskop vor, welches eine optische Faser aufweist, die um eine Achse spulenartig herumgewickelt ist, deren Rotationsrate gemessen werden soll. Eine erste mit einer ersten Frequenz modulierte Lichtkomponente wird in die optische Faser in einer Richtung eingegeben. Eine zweite mit einer zweiten Frequenz modulierte Lichtkomponente wird in die optische Faser in einer entgegengesetzten Richtung eingegeben und Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Lichtkomponenten, erzeugt durch die Drehung der optischen Faser um ihre Empfindlichkeitsachse, zeigen die Rotationsoder Drehrate der optischen Faser um die Achse an.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer einzigen Figur beschrieben, die schematisch ein erfindungsgemäßes Interferometer-Gyroskop zeigt.

030011/0731

Ins einzelne gehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele. Das in der Figur gezeigte Interferometer ist allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Das Gyroskop 10 weist eine Lichtquelle 11 auf, die für Zwecke der vorliegenden Beschreibung eine Frequenz w_Q haben soll. Die Lichtquelle im vorliegenden Ausführungsbeispiel braucht, wie im folgenden noch beschrieben wird, nicht notwendigerweise von einer Laserquelle gebildet zu sein, obwohl eine derartige Laserquelle mit Vorteil verwendet werden kann. Es kann in der Tat, wenn gewünscht, eine Glühlichtquelle benutzt werden, ohne daß dadurch die Schaltung nicht betriebsfähig wäre.

Das von der Lichtquelle 11 kommende Licht wird auf einen Strahlenspalter 13 gerichtet, um in zwei Teile aufgeteilt zu werden, wobei ein erster Teil durch den Strahlenspalter 13 in Richtung des Pfeiles 14 verläuft, während der andere Teil vom Strahlenspalter 13 in Richtung des Pfeiles 15 reflektiert wird. Der Teil 14 des Lichts wird auf einen akustooptischen Modulator 18 gerichtet, wie beispielsweise einen Frequenzschieber der Bragg-Bauart oder einen Oberflächenelastischenwellenzinkoxidinterdigitalwandler, der elektrisch mit einem Signal der Frequenz w~ von einer Frequenzquelle 20 betrieben wird. Die Ausgangsgröße des akusto-optischen Modulators 18 ist daher ein Lichtstrahl mit einer Frequenz ^W _o ^+W2* Der Fachmann erkennt, daß andere Arten optischer Modulatoren in gleicher Weise mit Vorteil verwendet werden können, beispielsweise elektro-optische Modulatoren und dergleichen. Der modulierte Strahl vom akusto-optischen Modulator 18 wird auf einen Strahlenspalter 21 gerichtet, um teilweise reflektiert und in einen optischen Pfad 24 eingegeben zu werden, um teilweise zu einer Bezugsfeststell- oder Detektorschaltung 25 übertragen zu werden.

In gleicher Weise wird der in Richtung des Pfeiles 15 laufen- · de Teil des Lichtes auf einen akusto-optischen Modulator 27 ähnlicher Bauart wie der akusto-optische Modulator 18 gelenkt. Der akusto-optische Modulator 27 wird elektrisch durch ein Signal der Frequenz W₁ von einer Frequenzquelle 28 betrieben, um

030011^0731

einen Ausgangslichtstrahl mit einer Frequenz w + W₁ zu erzeugen. Der Ausgangslichtstrahl vom akusto-optischen Modulator 27 wird auf einen Strahlenspalter 30 gerichtet, der einen Teil des Strahls reflektiert, der in die optische Bahn oder den optischen Pfad 24 eingegeben wird und der einen Teil des Strahls hindurch überträgt, um zum Bezugsdetektor 25 geleitet zu werden.

Der Bezugsdetektor 25 weist einen Strahlenspalter 33 auf, auf welchen das Licht von den Strahlenspaltern 21 und 30 auftrifft. Das Licht von den Strahlenspaltern 21 und 30 wird jeweils partiell reflektiert und partiell durch den Strahlenspalter 33 übertragen, um auf die Photodioden 35 und 36 aufzufallen. Die Kathoden der Photodioden 35 und 36 sind miteinander verbunden,und sie werden als Eingangsgröße an einen Verstärker 39 angelegt, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die gleich der Kombination der Signale, empfangen von den Strahlenspaltern 21 und 30, ist, und zwar mit einer Frequenz W₁ "W-.

Der optische Pfad 24 weist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Länge aus faseroptischem Material auf, welches um eine Empfindlichkeitsachse 40 herumgewickelt ist. Der optische Pfad 24 sieht daher eine scheinbare Pfadverlängerung und Verkürzung für das an jedem Ende eintretende Licht vor, wenn eine Rotation um die Empfindlichkeitsachse 40 erfolgt, wie dies durch den Pfeil 41 dargestellt ist. Der Lichtpfad 24 kann alternativ mit Spiegeln oder reflektierenden Oberflächen in der Art gemäß US-PS 4 013 365 aufgebaut sein, wobei aber vorzugsweise, wie erwähnt, ein optisches Fasermaterial Verwendung findet. Wenn ein optisches Fasermaterial benutzt wird, so können auch optische Fasern der Multi-Mode-Type leicht verwendet werden, obwohl ein Einzelmodematerial bevorzugt wird. Derartige optische Fasern sind im Handel verfügbar und ihre Eigenschaften sind dem Fachmann vertraut.

030011/0731

Die Teile des in den optischen Pfad 24 eingegebenen Lichts werden von dort entfernt und man läßt sie durch die Strahlenspalter 21 und 30 zu einer zweiten Signalfeststell- oder Detektorschaltung 43 laufen. Die Detektorschaltung 43 weist einen Strahlenspalter 44 auf, auf dessen jeder Seite man Licht vom optischen Pfad auftreffen läßt. Das vom Strahlenspalter 44 reflektierte und hindurchübertragene Licht wird zu einem Paar von Photodioden 47 und 48 geleitet, deren Kathoden miteinander verbunden sind und als Eingang an einem Verstärker 50 liegen.

Wenn, wie bekannt, ein optischer Pfad um die Empfindlichkeitsachse verdreht wird, so erfährt das Licht im Pfad eine scheinbare Verlängerung und Verkürzung des Pfads bei seinem Lauf, was eine relative Phasenänderung zwischen den Komponenten des Lichts ergibt, welches in entgegengesetzten oder entgegen drehenden Richtungen innerhalb des Pfades läuft. Somit besitzt, wie gezeigt, das Licht vom optischen Pfad 24, welches auf den Strahlenspalter 21 auftrifft, die Frequenz w + W₁ mit der Phase +φ, und in gleicher Weise besitzt das auf den Strahlenspalter 30 auftreffende Licht die Frequenz w_Q + w„ mit der Phase - φ. Wenn die beiden Lichtstrahlen miteinander verglichen oder voneinander subtrahiert werden durch die Feststellschaltung 43 und sodann verstärkt werden, so beträgt die Frequenz des Signals W₁ - w_ mit einer Phase + 2/φ. Die Ausgangsgrößen der Verstärker 39 und 50 können dann durch eine Phasendetektorschaltung 52 verglichen oder subtrahiert werden, um eine Ausgangsgröße 53 zu erzeugen, welche die zweifache Phasendifferenz eingeführt im Signal repräsentiert, und zwar durch die Verdrehung des optischen Pfades 24 um seine Empfindlichkeitsachse.

030011/0731

Es sei bemerkt, daß die relative Frequenz des durch den Bezugssignaldetektor 25 detektierten Signals die Differenz zwischen den Oszillatoren 20 und 28 oder W₁ - w„ ist. Diese Frequenz kann leicht innerhalb einer Zwischenfrequenz gewählt werden, beispielsweise kann in vielen Anwendungsfällen eine Zwischenfrequenz in der Größenordnung von mehreren Kilohertz zweckmäßig sein.

Es sei bemerkt, daß im beschriebenen Ausführungsbeispiel sowohl die Frequenz w.. als auch die Frequenz w₂ beim Licht von Lichtquelle 11 beide vollständig entlang der Länge des durch die optische Faser 24 gebildeten optischen Pfads laufen. Daher werden jedwede Verzögerungen, die nicht mit der Drehung des optischen Pfades in Beziehung stehen und denen die eine Frequenz ausgesetzt ist, mit Wahrscheinlichkeit auch bei der anderen Frequenz auftreten. Dies bedeutet einen Unterschied hinsichtlich der einleitend genannten Konstruktion, bei welcher eine erste Frequenz der Lichtquelle aufgeprägt wurde und durch den optischen Pfad lief, wohingegen eine zweite Bezugsfrequenz,angelegt an die Lichtquelle, lediglich für die darauffolgende Kombination mit der die erste Frequenz führenden Lichtquelle zum Zwecke des Detektierens verfügbar gemacht wurde. Somit war wiederum die an den Photodetektoren festgestellte Frequenz eine Gleichspannungs- oder Null-Frequenz und nicht eine leicht handhabbare Zwischenfrequenz.

Die Elemente des Interferometer-Gyroskops des Anspruchs 10 können leicht durch integrierte optische und elektronische Schaltungsverfahren hergestellt werden. Somit können mit Ausnahme des faseroptischen Pfads 24 und der verwendeten Lichtquelle alle Elemente leicht beispielsweise auf einem Substrat ausgebildet werden, auf dem eine integrierte optische Schaltung beispielsweise aus Halbleitermaterial ausgebildet wird, um so eine besonders stabile Interferometervorrichtung zu erhalten.

1 /073

Zusammenfassend weist das erfindungsgemäße Interferometer— Gyroskop eine gewickelte (gespulte) optische Faser auf, und zwar mit einem Paar von akusto-optischen Modulatoren zum Modulieren erster und zweite Frequenzen auf zwei Komponenten, die durch Aufteilung des Lichts von einer Lichtquelle gebildet wurden. Die Lichtquelle muß nicht das hohe Ausmaß an Quellenkohärenz zeigen, das bisher erforderlich war, und kann daher in vielen Anwendungsfällen eine Glühbirne sein. Die ersten und zweiten modulierten Lichtkomponenten werden in entgegengesetzten oder gegendrehenden Richtungen in die optische Faser eingegeben, worin sie Phasenänderungen erfahren infolge der scheinbaren Änderung der optischen Länge der optischen Faser bei Drehung der Faser um eine Empfindlichkeitsachse. Sodann werden die Lichtkomponenten nach ihrer Entfernung aus der Faser vereinigt und mit den an den Eingang angelegten Signalen verglichen. Die Phasendifferenz dazwischen wird sodann als ein Maß für die Drehrate der optischen Faser um die Empfindlichkeitsachse verwendet.

Die eingangs genannte Anmeldung "Interferometer-Gyroskopvorrichtung" bildet auch einen Teil der vorliegenden Offenbarung und ist beigefügt.

030011

Claims

Patentansprüche

1.1 Interferometer-Gyroskop mit einer Lichtquelle, gekennzeichnet durch Mittel zum Modulieren eines Teils der Lichtquelle mit einer ersten Frequenz,

Mittel zum Modulieren eines anderen Teils der Lichtquelle mit einer zweiten Frequenz,

einen optischen Pfad, der eine Zone umschließt, deren Drehung um eine Empfindlichkeitsachse gemessen werden soll, Mittel zur Leitung des mit der ersten Frequenz modulierten Teils durch den Lichtpfad in einer Richtung, Mittel zur Leitung des mit der zweiten Frequenz modulierten Teils durch den Lichtpfad in einer entgegengesetzten Richtung,

Mittel zur Vereinigung der zwei Teile zur Bildung eines kombinierten Bezugssignals,

Mittel zur Vereinigung der zwei Teile nach Durchlauf des Lichtpfads zur Bildung eines kombinierten Drehabfühlsignals, und Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen dem kombinierten Bezugssignal und dem kombinierten Drehfühlsignal.

2. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Quelle inkohärenten Lichtes ist.

3. Gyroskop nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Pfad eine spulenartig aufgewickelte optische Faser umfaßt.

4. Gyroskop nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Pfad eine Mehrfach-Mode-optische-Faser aufweist.

030011/0731

5. Gyroskop nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen dem kombinierten Bezugssignal und dem kombinierten Drehfühlsignal zwei Paare von Photodioden (35,36,47,48) aufweisen, wobei jedes Paar zum Empfang eines entsprechenden der kombinierten Signale angeordnet ist, und wobei ferner ein Paar von Verstärkern (50,39) vorgesehen ist, deren Eingänge mit einem entsprechenden Paar von Photodioden verbunden sind, und wobei ferner ein Phasendetektor (52) die Ausgangsgrößen der Verstärker empfängt.

6. Gyroskop, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine um eine Achse zur Spule gewickelte optische Faser, wobei um diese Achse herum die Drehrate der optischen Faser gemessen werden soll,

eine mit einer ersten Frequenz modulierte erste Lichtkomponente, die in die optische Faser in einer Richtung eingegeben wird,

eine mit einer zweiten Frequenz modulierte Lichtkomponente, die in die erwähnte optische Faser in einer entgegengesetzten Richtung eingegeben wird, und

Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Lichtkomponenten, erzeugt durch Drehung der optischen Faser um die Achse zur Anzeige der Drehrate der optischen Faser um die Achse.

7. Gyroskop nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer ersten Frequenz modulierte erste Lichtkomponente, die in die optische Faser in einer Richtung eingegeben wird, eine Lichtquelle umfaßt, sowie einen akusto-optischen Modulator, angeordnet zum Empfang des Lichts von der Lichtquelle, und ferner einen Oszillator mit einer Ausgangsgröße auf der ersten an den akusto-optischen Modulator angelegten Frequenz und mit Mitteln zum Empfang der Ausgangsgröße von dem akusto-optischen Modulator und zur Leitung der empfangenen Ausgangsgröße in die optische

030011/0731

3- 293A191

Faser in der erwähnten einen Richtung, und wobei die mit einer zweiten Frequenz modulierte Lichtkomponente,die in die optische Faser in einer entgegengesetzten Richtung eingegeben wird, folgendes aufweist:

einen zweiten akusto-optischen Modulator, angeordnet zum Empfang eines zweiten Teils des Lichts von der Lichtquelle, einen zweiten Oszillator mit einem Ausgang auf der zweiten Frequenz und angelegt an den akusto-optischen Modulator zur Erzeugung einer Ausgangsgröße der mit der zweiten Frequenz modulierten Lichtquelle, und zweite Mittel zum Empfang der Ausgangsgröße von dem zweiten akusto-optischen Modulator und zur Leitung der empfangenen Ausgangsgröße in die optische Faser in der erwähnten entgegengesetzten Richtung.

8. Gyroskop nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten Lichtkomponenten erste und zweite Paare von Photodioden aufweisen, wobei das erste Photodiodenpaar zum Empfang modulierten Lichts vor der Eingabe in die optische Faser dient, während das zweite Photodiodenpaar zum Empfang modulierten Lichts nach dem Durchgang durch die optische Faser dient, und wobei ferner erste und zweite Verstärker die Ausgangsgrößen der entsprechenden ersten und zweiten Photodiodenpaare empfangen, und schließlich ein Phasendetektor die Ausgangsgrößen der Verstärker aufnimmt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches mit der Phasendifferenz dazwischen in Beziehung steht.

9. Gyroskop nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine inkohärente Lichtquelle ist, und daß die optische Faser eine Mehrfach-Modeoptische-Faser ist.

10. Interferometer-Gyroskop, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Lichtquelle, gekennzeichnet durch

eine faseroptische Spule (24), die einen Lichtpfad um eine Drehachse der faseroptischen Spule herum definiert, um welche herum die Drehrate gemessen werden soll, eine integrierte optische Schaltung mit folgenden Elementen: einen ersten Strahlenteiler oder -spalter zum Empfang von Licht von der Lichtquelle zur Teilung der Lichtquelle in einen und einen weiteren Teil,

ein Paar von akusto-optischen Modulatoren, deren jeder den entsprechenden einen oder anderen Teil der Lichtquelle empfängt und die empfangenen Teile mit ersten bzw. zweiten Frequenzen moduliert, und

Reflexionsmittel zur Leitung des einen und anderen Teils von moduliertem Licht in eine erste und eine entgegengesetzte Richtung der faseroptischen Spule zum Durchgang durch die faseroptische Spule, und ferner mit einer integrierten Schaltung, die folgendes aufweist:

erste Photodiodenmittel, angeordnet zum Empfang und zur Kombination des einen und anderen Teils des modulierten Lichts vor der Eingabe lh die faseroptische Spule, zweite Photodiodenmittel, angeordnet zum Empfang und zur Kombination des einen und anderen Teils des modulierten Lichts nach dem Durchgang durch die faseroptische Spule, erste und zweite Verstärker, deren jeder zum Empfang der entsprechenden Ausgangsgrößen der ersten und zweiten Photodiodenmittel geschaltet ist, um ein verstärktes Signal zu erzeugen,

Mittel zur Feststellung der Phasendifferenz zwischen den verstärkten Signalen zur Anzeige der Drehrate der faseroptischen Spule um die erwähnte Achse, erste und zweite Oszillatoren zur Erzeugung von ersten bzw. zweiten Frequenzen zum Anlegen an die jeweiligen akustooptischen Modulatoren.

010011/0731

11. Gyroskop nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche/ insbesondere nach Anspruch 10/ dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Laserlichtquelle aufweist.

12. Gyroskop nach Anspruch 10/ dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine inkohärente Lichtquelle ist.

13. Gyroskop nach einem oder mehreren der Ansprüche 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die faseroptische Spule eine Länge aus Mehrfach-Moden-Faseroptikmaterial ist.

030011/0731