DE2934192A1 - INTERFEROMETER GYROSCOPE DEVICE - Google Patents
INTERFEROMETER GYROSCOPE DEVICEInfo
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- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers 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
Description
-ν--ν-
23. August 1979 79-T-368OAug 23, 1979 79-T-368O
ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, Kalifornien 90245, V.St.A.ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, California 90245, V.St.A.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Interferometer-Gyroskop, und zwar insbesondere auf ein solches, bei dem die Phasenfeststellung zwischen entgegengesetzt umlaufenden Lichtstrahlen in einem Lichtpfad mit einem weiteren Signal kombiniert wird, um die Phasenfeststellung dazwischen zu erleichtern.The invention relates to an interferometer gyroscope, and in particular to one at the phase detection between oppositely rotating light beams in a light path with a Another signal is combined to facilitate phase detection in between.
Laser-Gyroskope sind bereits bekannt, und zwar gibt es zwei Typen, das sogenannte Rind-Laser-Gyroskop und das Ring-Interferometer-Gyroskop. Diese beiden Gyroskop-Arten sind in US- PS 4 013 365 beschrieben.Laser gyroscopes are already known, and there are two types, the so-called beef laser gyroscope and that Ring interferometer gyroscope. These two types of gyroscopes are described in U.S. Patent 4,013,365.
Kurz gesagt kann ein Interferometer-Gyroskop, auf welches sich die vorliegende Erfindung bezieht, durch eine in Fig. 1 gezeigte Struktur beschrieben werden. Im Betrieb wird das von einer Laserlichtquelle kommende Licht aufgeteilt und jeder Teil des geteilten Strahls wird zum Lauf in einer Gegendrehrichtung um einen Pfad oder eine Bahn gezwungen oder eingeschränkt. Wenn der Pfad einerIn short, an interferometer gyroscope can point to which the present invention relates to be described by a structure shown in FIG. Operational the light coming from a laser light source is split and each part of the split beam becomes the Forced or restricted movement around a path or a path in the opposite direction of rotation. If the path is a
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Rotation ausgesetzt ist, so ist die scheinbare Pfadlänge in einer Richtung, durchlaufen durch einen Teil des Strahls, länger als die wahre Pfadlänge, wohingegen die scheinbare Länge des Pfads in der anderen Richtung kürzer ist als die wahre Pfadlänge. Dies ist der sogenannte Sagnac-Effekt. Die scheinbare Pfadlängenänderung hat Phasenverschiebungen in den die Pfade in jeder Richtung durchlaufenden Lichtstrahlen zur Folge, und zwar gegenüber dem Zustand der dann herrschen würde, wenn sich der Pfad im Ruhezustand befände. Diese Phasendifferenz kann gemessen werden, und aus dieser Messung kann die Drehung des Pfades bestimmt werden.Rotation is the apparent path length in a direction traversed by a portion of the ray longer than the true path length, whereas the apparent length of the path in the other direction is shorter than that true path length. This is the so-called Sagnac effect. The apparent change in path length has phase shifts in the light rays traversing the paths in each direction, compared to the state of the then prevailing would if the path were at rest. This phase difference can be measured and from this measurement the rotation of the path can be determined.
Bei den bekannten Vorrichtungen werden die Lichtstrahlteile nach dem Durchgang des Lichtpfades in Gegendrehrichtungen nach Durchlaufen des gewünschten Pfades kombiniert. Die kombinierten Wellen werden zueinander addiert oder voneinander subtrahiert, was von dem speziellen Ausmaß der während des Durchgangs des Lichtpfads erfahrenen Phasenverschiebung abhängt. Die Ausgangsgröße ist daher lediglich Licht mit veränderbarer Intensität, wobei die Intensitätsveränderung die Geschwindigkeit oder Rate der Drehung des optischen Pfades angibt. Man erkennt "daher, daß die bekannten Vorrichtungen singular lichtempfindlich sind. Das heißt also, daß dann, wenn die Lichtquelle, die das zu teilende und in diesen Signalpfad einzuführende Licht erzeugt, Intensitätsänderungen erfährt, die Ausgangsgröße in gleicher Weise ihre Intensität ändern wird, was als eine Drehung des Lichtpfades interpretiert werden kann. Daher müssen zur Sicherstellung der Gyroskopgenauigkeit insbesondere bei Trägheitsführungsanwendungsfallen und dergleichen spezielle Schritte vorgesehen werden, um in sorgfältiger Weise die Intensität der Lichtquelle zu überwachen.In the known devices, the light beam parts are rotated in opposite directions after passing through the light path combined after following the desired path. The combined waves are added to each other or from each other subtracts, which depends on the particular amount of phase shift experienced during the passage of the light path. The output variable is therefore only light with variable intensity, with the change in intensity indicates the speed or rate of rotation of the optical path. One recognizes "therefore that the known devices are singularly sensitive to light. So that means that when the light source, which is to be divided and in this The light to be introduced in the signal path is generated, the intensity changes, and the output variable in the same way its intensity will change, which can be interpreted as a rotation of the light path. Therefore need to make sure the gyroscope accuracy especially in inertial guidance application cases and the like special steps are provided to carefully adjust the intensity monitor the light source.
Kurze Beschreibung der Erfindung. Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein verbessertes Interferometer-Gyroskop anzugeben, welches relativ unempfindlich gegenüber Intensitätsänderungen des von der Quelle kommenden Lichts ist. Weiter- Brief description of the invention. The invention has set itself the goal of specifying an improved interferometer gyroscope, which is relatively insensitive to changes in the intensity of the light coming from the source. Further-
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hin bezweckt die Erfindung, ein Interferometer-Gyrsokop anzugeben, welches eine Bezugssignalquelle aufweist für einen Vergleich gegenüber dem in einem optischen Pfad in Gegendrehrichtung laufenden Licht zur Bestimmung der Phasenverschiebung und der Drehrate oder Geschwindigkeit des optischen Pfades. Ferner sieht die Erfindung ein Interferometer-Gyroskop der beschriebenen Bauart vor, welches unter Verwendung integrierter optischer sowie integrierter elektronischer Schaltungsverfahren hergestellt werden kann.the invention aims to provide an interferometer gyrsoscope, which has a reference signal source for comparison with that in an optical path in the opposite direction of rotation running light to determine the phase shift and the rotation rate or speed of the optical path. Furthermore, the invention provides an interferometer gyroscope of the type described, which is using integrated optical as well as integrated electronic circuit processes can be produced.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.Further advantages, objectives and details of the invention emerge in particular from the claims and from the description of exemplary embodiments based on the drawing.
Allgemein weist das erfindungsgemäße Interferometer-Gyroskop eine Lichtquelle sowie einen optischen Pfad auf, der eine Zone umschreibt, in die erste und zweite Teile des Lichts eingekoppelt werden, um den Pfad in entgegengesetzten Richtungen zu durchlaufen. Eine Bezugslichtquelle ist vorgesehen, mit der das im optischen Pfad eingekoppelte Licht kombiniert wird, nachdem dies den Pfad traversiert hat, um Phasenunterschiede dazwischen für den Vergleich zur Anzeige der Pfaddrehung zu erzeugen. Ferner sind Mittel vorgesehen, um die Phasendifferenz zwischen dem Licht nach Durchlaufen des Pfades in jeder Richtung, kombiniert mit dem Licht der Bezugslichtquelle, vorzusehen.In general, the interferometer gyroscope according to the invention has a light source and an optical path that has a Zone circumscribes into which the first and second parts of the light are coupled to the path in opposite directions Directions to traverse. A reference light source is provided with which the light coupled into the optical path is combined after it has traversed the path to Generate phase differences between them for comparison to display the path rotation. Funding is also provided around the phase difference between the light after traversing the path in each direction, combined with the light of the Reference light source to be provided.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das von der Signalquelle kommende Licht geteilt und moduliert mit ersten und zweiten Frequenzen, um eine Signalquelle und eine Bezugsquelle vorzusehen. Die Signalquelle wird geteilt und an eine optische Faser in Gegendrehrichtungen angelegt. Nachdem das Licht die optische Faser durchlaufen hat, wird es mit dem Licht der modulierten Bezugsquelle verglichen, und die Phasendifferenz dazwischen wird bestimmt, um die Drehgeschwindigkeit der optischen Faser um eine Empfindlichkeitsachse anzugeben. According to a further exemplary embodiment of the invention, the light coming from the signal source is divided and modulated at first and second frequencies to provide a signal source and a reference source. The signal source is shared and applied to an optical fiber in opposite directions of rotation. After the light has passed through the optical fiber, will it is compared to the light from the modulated reference source, and the phase difference therebetween is determined to determine the speed of rotation of the optical fiber around a sensitivity axis.
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In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Ring-Laser-Interferometer-Gyroskops;1 shows a schematic representation of a known ring laser interferometer gyroscope;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Laser-Interferometer-Gyroskops gemäß einem Aspekt der Erfindung; 2 is a schematic representation of a laser interferometer gyroscope according to one aspect of the invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ring-Laser-Interferometer-Gyroskops.Fig. 3 is a schematic representation of a preferred embodiment of an inventive Ring laser interferometer gyroscope.
In den verschiedenen Figuren sind Lichtpfade durch gestrichelte Linien und elektrische Verbindungen sowie mechanische Elemente durch ausgezogene Linien dargestellt.In the various figures there are light paths through dashed lines and electrical connections as well as mechanical ones Elements represented by solid lines.
Ins einzelne gehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Laser-Interferometer-Gyroskope sind bereits bekannt und ein typisches Beispiel dieser Art ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Dieses bekannte Interferometer-Gyroskop 10 weist drei ..reflektierende Oberflächen 11, 12 und 13 getragen von einem gemeinsamen Trägheitsrahmen (nicht gezeigt) auf. Licht von einer Laserlichtquelle wird von jeder der reflektierenden Oberflächen 11-13 in Gegendrehrichtungen reflektiert. Dies wird dadurch erreicht/ daß man das Licht von der Laserquelle 16 auf einen Strahlenspalter 17 auftreffen läßt, der einen ersten Teil des Lichtstrahls vom Laser 16 in die durch Pfeil 18, angedeutete Richtung aussendet, während ein zweiter Teil in Richtung des Pfeiles 19 ausgesandt wird. Das in der Richtung des Pfeiles 18 laufende Licht wird von den Oberflächen 11, 12 und 13, in dieser Reihenfolge, reflektiert, um sodann vom Strahlenspalter 17 wiederum reflektiert zu werden, um durch einen Detektor 22 detektiert zu werden. Der zweite Teil des in Richtung des Pfeils 19 laufenden Strahls wird der Reihe nach den reflektierenden Oberflächen 13,Detailed description of preferred exemplary embodiments. Laser interferometer gyroscopes are already known and a typical example of this type is shown schematically in FIG. This well-known interferometer gyroscope 10 has three .. reflective surfaces 11, 12 and 13 supported by a common inertial frame (not shown). Light from a laser light source is used by everyone the reflective surfaces 11-13 in opposite directions of rotation reflected. This is achieved by the light from the laser source 16 striking a beam splitter 17 lets, which emits a first part of the light beam from the laser 16 in the direction indicated by arrow 18, while a second part is sent out in the direction of arrow 19. The light traveling in the direction of arrow 18 is from the surfaces 11, 12 and 13, in that order, reflected, in order then to be reflected again by the beam splitter 17 in order to be detected by a detector 22. The second part of the beam running in the direction of arrow 19 is successively the reflective surfaces 13,
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12 und 11 reflektiert, um sodann durch den Strahlenspalter 17 in Richtung des Detektors 22 zu laufen. Die erzeugte Interferenzmusterverschiebung ist von einer Form, bei der die am Detektor 22 detektierte Lichtintensität sich entsprechend der Rate der Winkelrotation des Trägheitsrahmens ändert, der die reflektierenden Oberflächen 11-13 trägt. Die Drehung des Trägheitsrahmens ist durch den kreisförmigen Pfeil 24 angedeutet. Das Interferenzmuster wird durch die scheinbare Differenz der Pfadlänge erzeugt, die durch die gegenrotierenden Lichtstrahlen infolge der Winkelverdrehung des Trägheitsrahmens gesehen wird. Das Interferometer-Gyroskop des Standes der Technik hat jedoch die oben erwähnten Nachteile, die die vorliegende Erfindung vermeiden soll.12 and 11 are reflected in order to then pass through the beam splitter 17 to run in the direction of the detector 22. The generated fringe shift is of a form in which the light intensity detected at the detector 22 changes according to the Changes the rate of angular rotation of the inertial frame supporting the reflective surfaces 11-13. The rotation of the inertial frame is indicated by the circular arrow 24. The interference pattern is determined by the apparent difference of the Path length generated by the counter-rotating light rays as a result of the angular rotation of the inertial frame will. The prior art interferometer gyroscope, however, suffers from the above-mentioned disadvantages that the present invention has should avoid.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das in Fig. 2 gezeigte Interferometer-Gyroskop 30 ähnlich aufgebaut wie das Interferometer-Gyroskop 10 und besitzt einen Lichtpfad oder Ring 34, der an drei Ecken durch reflektierende Oberflächen 31, 32 und 33 definiert ist, welch letztere von einem (nicht gezeigten) Trägheitsrahmen getragen werden. Ein Strahlenspalter 35 ist am Vertikalrahmen der vierten Ecke des Lichtpfads angeordnet, um den Ring zu vervollständigen für eine Aufteilung des Lichts von einer Lichtquelle, wie beispielsweise der Laserquelle 36, und zwar erfolgt die Aufteilung des Lichts in zwei Strahlen, die in den Lichtpfad in gegendrehenden Richtungen,angedeutet durch die Pfeile 38 und 39, eingegeben werden. Der Ring 34 wird durch die reflektierenden Oberflächen 31-33 definiert und ein Strahlenspalter 35 bildet einen optischen Pfad, der eine Zone umschließt, die eine Empfindlichkeitsachse (senkrecht zur Papierebene) besitzt, um die herum der optische Pfad rotiert, dessen Drehgeschwindigkeit oder-rate gemessen werden soll.According to one aspect of the invention, the interferometer gyroscope 30 shown in FIG. 2 is constructed similarly to the interferometer gyroscope 10 and has a light path or ring 34 which at three corners by reflective surfaces 31, 32 and 33 is defined, the latter being carried by an inertial frame (not shown). A beam splitter 35 is arranged on the vertical frame of the fourth corner of the light path to complete the ring for dividing the Light from a light source, such as laser source 36, the light is split into two beams, which are entered into the light path in counter-rotating directions, indicated by the arrows 38 and 39. The ring 34 is defined by reflective surfaces 31-33 and a beam splitter 35 forms an optical path that is a Encloses a zone that has a sensitivity axis (perpendicular to the plane of the paper) around which the optical path rotates, whose rotational speed or rate is to be measured.
Zwei Strahlenspalter 42 und 43 sind im Lichtpfad vorgesehen, um das entgegengesetzt rotierende oder umlaufende Licht innerhalb des Lichtpfades zu unterbrechen, um das im Gegenumlauf befindliche Licht zu entfernen, nachdem dies seinen Lauf um denTwo beam splitters 42 and 43 are provided in the light path, to interrupt the oppositely rotating or circulating light within the light path, to the counter-rotating light Remove light after this has run its course
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Ring 34 herum vollendet oder im wesentlichen vollendet hat. Somit verläßt der Teil des Lichts von der Signalquelle 36, der in Richtung des Pfeils 38 umläuft, den Strahlenspalter 35, um vom Strahlenspalter 42 durchgelassen zu werden, worauf dann die Reflexion der Reihe nach von den reflektierenden Oberflächen 31, 32 und 33 erfolgt, um auf den Strahlenspalter 43 aufzutreffen, wo die Entfernung aus der Lichtbahn in Richtung des Pfeiles 45 erfolgt. In gleicher Weise wird der Teil des Lichts, der den Strahlenspalter 35 in Richtung des Pfeils 39 verläßt, sodann von den reflektierenden Oberflächen 33, 32 und 31 reflektiert, um aus dem Lichtpfad durch den Strahlenspalter 42 in Richtung des Pfeils 46 entfernt zu werden.Ring 34 has completed or substantially completed around. Thus, that portion of the light leaves from the signal source 36, which revolves in the direction of arrow 38, the beam splitter 35 to be transmitted by the beam splitter 42, whereupon Then the reflection takes place in turn from the reflective surfaces 31, 32 and 33 in order to hit the beam splitter 43, where the distance from the light path in Direction of arrow 45 takes place. In the same way, the part of the light that the beam splitter 35 in the direction of the Arrow 39 leaves, then reflected from the reflective surfaces 33, 32 and 31 to get out of the light path through the beam splitter 42 to be removed in the direction of arrow 46.
Zusätzlich zum Licht von der Lichtquelle 36 ist eine zusätzliche oder Bezugslichtquelle 50 in der Interferometer-Gyroskopschaltung 30 vorgesehen. Das Licht von der zweiten Lichtquelle 50 wird durch einen Strahlenspalter 51 in zwei Teile aufgeteilt, von denen einer zu einem ι. t_rahlenspalter 52 hin und der andere zu einem Strahlenspalter 53 hin gerichtet wird. Die Strahlenspalter 52 und 53 sind zusätzlich zum Empfang des geteilten Lichtstrahls von der Quelle 50 in den Lichtpfaden angeordnet, um vor den Strahlenspaltern 42 bzw. 4 3 abgelenktes Licht zu empfangen. Das Resultat besteht daher darin, daß das aus dem Ring in den Gegendrehrichtungen entfernte Licht, welches in Richtung der Pfeile 46 und 45 läuft, kombiniert und verglichen wird mit den Bezugsstrahlen von der Lichtquelle 50. Dieser Vergleich erfolgt jeweils durch Detektierung der Kombination des Lichts entfernt aus dem Ring und der Bezugsstrahlen auf den entsprechenden Photodioden 56 und 57. Da wiederum das Interferenz-Gyroskop Licht mit geänderter Phase erzeugt infolge der Winkeldrehung des Lichtpfades, wird nach Kombination mit dem Bezugsstrahl von der Quelle 50 Licht mit einer Intensität abhängig von der Rotationsrate auf den Photodioden 56 und 57 detektiert. Die Ausgangsgröße der Photodioden 56 und 57 wird sodann an Verstärker 59 und 60 alsIn addition to the light from the light source 36, an additional or reference light source 50 is provided in the interferometer gyroscope circuit 30. The light from the second light source 50 is split into two parts by a beam splitter 51, one of which becomes an ι. t_ray splitter 52 and the other is directed towards a beam splitter 53. The beam splitters 52 and 53 are arranged in the light paths in addition to receiving the split light beam from the source 50 in order to receive deflected light in front of the beam splitters 42 and 43, respectively. The result is therefore that the light removed from the ring in the opposite directions of rotation, which runs in the direction of arrows 46 and 45, is combined and compared with the reference rays from the light source 50. This comparison is made in each case by detecting the combination of the light removed from the ring and the reference beams on the corresponding photodiodes 56 and 57. Again, since the interference gyroscope generates light with a changed phase due to the angular rotation of the light path, after combination with the reference beam from the source 50 light with an intensity depending on the rotation rate the photodiodes 56 and 57 are detected. The output of the photodiodes 56 and 57 is then sent to amplifiers 59 and 60 as
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elektrisches Signale angelegt und die Phasendifferenz wird durch einen Phasendetektor 61 bestimmt. Die Ausgangsgröße des Phasendetektors 61 repräsentiert daher die Phasendifferenz der aus dem Ring entfernten Lichtsignale und repräsentiert daher die Winkeldrehung des Rings.electrical signals are applied and the phase difference becomes determined by a phase detector 61. The output variable of the phase detector 61 therefore represents the phase difference of the light signals removed from the ring and therefore represents the angular rotation of the ring.
Da in der Tat der Bezugsstrahl konstant ist und das aus dem Ring entfernte Licht in jeder Richtung die gleiche Phasenverschiebung, aber mit unterschiedlichen Richtungen oder Vorzeichen, erfährt, repräsentiert die Ausgangsgröße vom Phasendetektor 61 zweifach die Phasendifferenz, erzeugt durch die Drehrate des Rings·Since in fact the reference ray is constant and the light removed from the ring has the same phase shift in every direction, but with different directions or signs, experiences, represents the output quantity of the Phase detector 61 twice the phase difference, generated by the rate of rotation of the ring
Bei dem in Fig. 2 zeigten Ausführungsbeispiel wird die Signallichtquelle 36 als eine "Signal"-Quelle bezeichnet und die Bezugslichtquelle wird als "LO"- oder Empfangs- oder Überlagerungs-Oszillator bezeichnet. Dies dient zur Veranschaulichung der analogen Natur des Betriebs des Interferenz-Gyroskops 30 für einen heterodynen elektronischen Verarbeitungsbetrieb. Das heißt, das Licht von der Signalquelle wird "moduliert" während seines Durchlaufs des Pfads um den Ring herum und wird sodann mit einem Bezugssignal oder Überlagerungs-Oszillator-Signal "gemischt" in einer Weise ähnlich der Heterodyn-Verarbeitung oder Überlagerungsverarbeitung eines elektronischen Signals mit einem anderen.In the embodiment shown in FIG. 2, the signal light source is 36 is referred to as a "signal" source and the reference light source is referred to as a "LO" or receive or Superposition oscillator called. This is to illustrate the analog nature of the interference gyroscope operation 30 for a heterodyne electronic processing plant. That is, the light from the signal source is "modulated" as it traverses the path around the ring and is then compared with a reference signal or Local oscillator signal "mixed" in a manner similar to heterodyne processing or heterodyne processing one electronic signal with another.
Da ein Vergleich gemacht wird zwischen den Phasendifferenzen zwischen Licht entfernt aus jeder Gegendrehrichtung und der Bezugswelle, ist das Interferometer-Gyroskop-Ausführungsbeispiel der Fig. 2 im wesentlichen intensitätsabhangig. Wenn beispielsweise die Intensität des Lichts von der Signalquelle 36 aus irgendeinem Grund abnimmt, so erzeugen die zwei Ausgangsgrößen, jeweils mit einer Bezugswelle verglichen, eine Phasendifferenz, die im wesentlichen die gleiche ist, obwohl die Quellenintensität sich geändert hatte. Demgemäß muß derSince a comparison is made between the phase differences between light removed from each reverse rotation direction and the Reference shaft, is the interferometer gyroscope embodiment of FIG. 2 essentially as a function of the intensity. For example, if the intensity of the light from the signal source 36 decreases for some reason, the two outputs, each compared to a reference wave, produce one Phase difference that is essentially the same even though the source intensity has changed. Accordingly, the
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Betrieb der Vorrichtung nicht so genau überwacht werden, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist und es können daher Interferometer-Gyroskope der Trägheits-Bauart leicht vorgesehen werden. Da zudem zwei Ausgangssignale abgeleitet werden, kann jede Zweideutigkeit einer Intensitätsänderung am Ausgang aufgelöst werden, um die Drehrichtung der Vorrichtung durch Erzeugung von Quadratsignalen zu bestimmen, was an sich auf dem Gebiet der Elektronik und Navigation bekannt ist.Operation of the device cannot be monitored as closely as the prior art and can therefore, inertial-type interferometer gyros can easily be provided. Since also two output signals are derived any ambiguity of a change in intensity at the output can be resolved to determine the direction of rotation of the device by generating square signals to determine what is known per se in the field of electronics and navigation is.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ring-Laser-Interferometer-Gyroskops ist in Fig. 3 gezeigt und im ganzen mit70 bezeichnet. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist als eine integrierte elektronische Schaltung und als integrierte Optikanordnung dargestellt und beschrieben, obwohl die dabei beschriebenen Prinzipien auch mit diskreten Komponenten verwirklicht werden können.A preferred exemplary embodiment of a ring laser interferometer gyroscope according to the invention is shown in FIG. 3 and designated as a whole with 70. The embodiment of Fig. 3 is as an integrated electronic circuit and shown and described as an integrated optical arrangement, although the principles described are also included discrete components can be realized.
Eine Laser-Lichtquelle 71, die ein Heliumneongas-Laser oder ein verteilter Rückkopplungs-Galliumarsenid-Injektionslaser sein kann, erzeugt einen auf einen ersten Strahlenspalter einfallenden Eingangestrahl. Der auf den Strahlenspalter 72 einfallende Strahl wird in zwei Teile aufgespalten, von denen der eine in Richtung des Pfeils 74 und der andere in Richtung des Pfeils 75 gelenkt wird. Der in Richtung des Pfeils 74 geleitete Strahl trifft auf einen akusto-optischen Modulator 78 auf, der beispielsweise ein Oberflächenelastischerwellenzinkoxidinterdigitalwandler sein kann. Der Fachmann erkennt, daß andere Arten von optischen Modulatoren in gleicher Weise mit Vorteil verwendet werden können, beispielsweise ein elektro-optischer Modulator und dgl.A laser light source 71 which is a helium neon gas laser or a distributed feedback gallium arsenide injection laser can be, generates an input beam incident on a first beam splitter. The one on the beam splitter 72 incident beam is split into two parts, one in the direction of arrow 74 and the other in the direction of arrow 75 is directed. The beam guided in the direction of arrow 74 hits an acousto-optic modulator 78, which is, for example, a surface elastic wave zinc oxide interdigital transducer can be. Those skilled in the art will recognize that other types of optical modulators can work equally can be used with advantage, for example an electro-optical modulator and the like.
Der akusto-optische Wandler 78 empfängt ein Signal von der Signalquelle 80 mit beispielsweise der Frequenz W2· SomitThe acousto-optic converter 78 receives a signal from the signal source 80 at, for example, the frequency W2 · Thus
ist die Lichtausgangsgröße vom akusto-optischen Modulator 78 ein Lichtstrahl mit einer Frequenz gleich der Frequenz w_ der Quelle 71 plus der Frequenz der Modulationsfrequenzquelle w~the light output from the acousto-optic modulator 78 is a light beam with a frequency equal to the frequency w_ of the source 71 plus the frequency of the modulation frequency source w ~
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Dieses Signal wird im folgenden als die "Signalfrequenz" bezeichnet.This signal is hereinafter referred to as the "signal frequency".
Der Lichtstrahl mit der Signalfrequenz vom akusLO-optischen Modulator 78 wird durch einen Strahlensnalter 79 in zwei Strahlen aufgespalten, die durch Strahienspalter 81 und 82 in einen Lichtpfad 84 in Gegenumlaufrichtungen gegeben werden. Der Lichtpfad 84 im dargestellten Ausführungsbeispiel wird durch eine optische Faser gebildet. Die optische Faser gehört zu einer im Handel verfügbaren Bauart. Obwohl eine Mehrfach-Moden-Faser verwendet werden kann, so sollte die Faser doch vorzugsweise eine Einzel-Moden-Faser für den Betrieb mit größtem Wirkungsgrad sein. Die Faser kann mehrere Windungen besitzen, um einen Pfad zu definieren, um den das angelegte Signal in Gegenumlaufrichtungen durchlaufen kann. Wie im Falle der bekannten Interferometer-Gyroskope wird die Empfindlichkeit des Gyroskops durch Erhöhung der Anzahl der Windungen der Faser erhöht. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß die optische Faser eine Anzahl von Windungen aufweisen kann, um eine Länge von annähernd einem Kilometer auszunutzen, wobei sich ein zufriedenstellender oder zweuK-mäßiger Betrieb ergibt.The light beam with the signal frequency from the akusLO-optical Modulator 78 is split into two beams by beam splitter 79, which are split by beam splitter 81 and 82 are placed in a light path 84 in opposite directions of rotation. The light path 84 in the illustrated embodiment is formed by an optical fiber. The optical fiber is of a commercially available type. Although a Multi-mode fiber can be used, but preferably the fiber should be a single-mode fiber for the Be operating with the greatest efficiency. The fiber can have multiple turns to define a path around which the applied signal can pass in opposite directions of rotation. As is the case with the well-known interferometer gyroscopes Increased the sensitivity of the gyroscope by increasing the number of turns of the fiber. For example, it was found that the optical fiber can have a number of turns, for a length of approximately one kilometer to take advantage of, being a satisfactory or two-dimensional Operation results.
Der Signalstrahl wird nach Durchlaufen des Lichtpfads 84 herausgenommen und auf Photodetektoren, wie beispielsweise Photodioden 86 und 87# geleitet, und zwar zusammen mit einem Bezugsstrahl.The signal beam is taken out after passing through the light path 84 and applied to photodetectors such as Photodiodes 86 and 87 # routed along with a reference beam.
Der oben erwähnte Bezugsstrahl wird durch den zweiten Teil der Signalquelle erzeugt, und zwar reflektiert vom Strahlenspalter 72 längs des durch Pfeil 75 angegebenen Pfades. Dieser Strahl wird zu einem zweiten akusto-optischen Modulator 88 von ähnlichem Aufbau wie der akusto-optische Modulator 78 geleitet, und er empfängt ein Signal vom Signalgenerator 89 mit einer Frequenz von beispielsweise W1. Somit ist die Ausgangsgröße des zweiten akusto-optischen Modulators 88 ein Lichtstrahl mit der Frequenz wo+w,.. Dieser Bezugsstrahl wird durch einen Strahlenspalter 90 in zwei Strahlen The above-mentioned reference beam is generated by the second part of the signal source, reflected from the beam splitter 72 along the path indicated by arrow 75. This beam is directed to a second acousto-optic modulator 88 of similar construction to the acousto-optic modulator 78, and it receives a signal from the signal generator 89 at a frequency of, for example, W 1 . Thus, the output of the second acousto-optic modulator 88 is a light beam with the frequency w o + w, .. This reference beam is split by a beam splitter 90 into two beams
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aufgeteilt, deren jeder zu einer entsprechenden Photodiodesplit each of them to a corresponding photodiode
86 bzw. 87 durch Strahlenspalter 92 bzw. 93 geleitet wird. Auf diese Weise ist das an die Photodiode 86 angelegte Signal W0+w..-0 und in gleicher Weise ist das an die Photodiode86 and 87 is passed through beam splitters 92 and 93, respectively. In this way, the signal applied to the photodiode 86 is W 0 + w ..- 0, and likewise it is to the photodiode
87 angelegte Signal wo+w.. +φ. Der Ausdruck "φ" repräsentiert die Phasendifferenz, welche das Signal erfährt beim Durchlaufen der optischen Faser 84 infolge der Drehung der optischen Faser um ihre Empfindlichkeitsachse (eine Achse senkrecht zur Papierebene, in der die optische Faser dargestellt ist) .87 applied signal w o + w .. + φ. The term "φ" represents the phase difference which the signal experiences as it traverses the optical fiber 84 as a result of the rotation of the optical fiber about its axis of sensitivity (an axis perpendicular to the plane of the paper in which the optical fiber is shown).
Die Ausgangsgrößen der Photodioden 86 und 87 werden an die Verstärker 85 bzw. 96 angelegt, deren Ausgangsgrößen durch einen Phasendetektor 97 verglichen werden, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die die Phasendifferenz, oder wie oben erwähnt, zweimal die Phasendifferenz angibt, und zwar infolge der Summierung und Differenzbildung, wobei sich diese Phasendifferenz durch die optische Faser ergibt.The output variables of the photodiodes 86 and 87 are applied to the amplifiers 85 and 96, respectively, and their output variables through a phase detector 97 can be compared to produce an output which is the phase difference, or as above mentioned, twice specifies the phase difference, namely as a result of the summation and subtraction, with this phase difference through the optical fiber.
Wie bereits oben erwähnt, kann die Elektronik der Signalgeneratoren 80 und 89, der Verstärker 95 und 96 und auch des Phasendetektors 97 als Teil einer integrierten Schaltung hergestellt werden, die in bequemer Weise als ein Teil der oben beschriebenen optischen Schaltung ausgebildet sein kann.As already mentioned above, the electronics of the signal generators 80 and 89, the amplifiers 95 and 96 and also the phase detector 97 as part of an integrated circuit which can conveniently be formed as part of the optical circuit described above can.
Da zudem die Ausgangsgröße des Interferometer-Gyroekops 70 als eine Spannung proportional zur Phasendifferenz zwischen den zwei Lichtstrahlen erscheint, gibt es zahlreiche Verfahren zur elektronischen Verarbeitung des Signals, welches als eine Funktion proportional zur entwickelten Phase ausgelesen werden kann. Beispielsweise könnte ein Hochfrequenztakt durch die Phase in einem Kanal gebildet werden, wobei der Zählerstand durch die Phase im anderen Kanal bei einem Null-Kreuzungspunkt gestoppt wird. Der Hochfrequenztakt könnte sodann durch einen einfachen Zähler gezählt werden, was als Ausgangsgröße einen Wert ergeben würde, der gleich der die Differenzphase repräsentierenden Zeitperiode ist.In addition, since the output of the interferometer gyrocope 70 When a voltage appears proportional to the phase difference between the two light beams, there are numerous methods for the electronic processing of the signal, which is read out as a function proportional to the developed phase can be. For example, a high frequency clock could be formed by the phase in a channel, wherein the counter reading is stopped by the phase in the other channel at a zero crossing point. The high frequency clock could then be counted by a simple counter, which would result in a value as an output variable that is the same is the time period representing the difference phase.
030013/0649030013/0649
Zusammenfassend sieht die Erfindung ein Interferometer-Gyroskop vor, welches eine Lichtquelle aufweist, wobei das Licht aufgeteilt und in einen Lichtpfad in Gegendrehrichtungen eingegeben wird. Das Licht wird nach Durchlaufen des Pfades aus den beiden Gegendrehrichtungen entnommen und die entnommenen Strahlen werden mit einem Bezugssignal kombiniert. Die Phasendifferenz zwischen den zwei kombinierten Signalen wird bestimmt, um so eine Anzeige für die Drehung oder Rotation des optischen Pfades anzugeben, um den herum das Licht umlief. Bei einem Ausführungsbeispiel werden das Signal und die Bezugssignale mit Frequenzen moduliert, bei denen die Differenz zwischen diesen Frequenzen eine Frequenz ist, die leicht durch die elektronische Schaltung verarbeitbar ist.In summary, the invention provides an interferometer gyroscope which has a light source, the Light is split and entered into a light path in opposite directions of rotation. After passing through the Path taken from the two opposite directions of rotation and the removed beams are combined with a reference signal. The phase difference between the two combined signals is determined so as to provide an indication of the rotation or indicate rotation of the optical path around which the light traveled. In one embodiment, these will be Signal and the reference signals are modulated with frequencies at which the difference between these frequencies is a Is frequency that is easily processable by the electronic circuit.
Die am gleichen Tage von der gleichen Anmelderin eingereich-The documents submitted on the same day by the same applicant
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te deutsche Patentanmeldung P (Anwaltsaktenzeichen 79-T-3679) mit dem Titel "Interferometer-Gyroskop" bildet einen Teil der vorliegenden Offenbarung und ist daher dieser Anmeldung beigefügt.te German patent application P (attorney's file number 79-T-3679) with the title "interferometer gyroscope" forms part of the present disclosure and is therefore attached to this application.
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