DE2941618A1

DE2941618A1 - Verfahren zur messung absoluter drehungen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2941618A1
Application number: DE19792941618
Authority: DE
Inventors: Dr.techn. Peter 7900 Ulm Russer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1979-10-13
Filing date: 1979-10-13
Publication date: 1981-04-23
Also published as: DE2941618C2

Description

"Verfahren zur Messung absoluter Drehungen und Anordnung
zur Durchführung des Verfahrens" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung absoluter Drehungen unter Verwendung des Sagnac-Effekts, wobei ein von einer monochromatischen Lichtquelle ausgehender Lichtstrom zunächst in Teillichtströme annähernd gleicher Intensität aufgespalten wird, wobei weiterhin zwei einander zugeordnete l'eillichtströme einen eine Fläche wenigstens einfach umschließenden Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen und wobei schließlich die Teillichtströme wieder zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt werden und dieser auf einen Photodetektor weitergeleitet wird.
Absolute räumliche Drehungen, d. h. Drehungen gegenüber einem Inertialsystem lassen sich unter Verwendung des Sagnac-Effekts messen. Eine ausführliche Darstellung des Sagnac-Effekts findet sich z.B. in der Druckschrift: "Reviews of Modern Physics"39, No. 2 (1967), 9. 475 - 493, "Sagnac-Effect" von E. J. Post. Zur Messung der Drehgeschwindigkeit wird ein Lichtweg benutzt, welcher eine Fläche ein-oder mehrfach umschließt. Die Führung des Lichts im Lichtweg erfolgt durch Spiegel und/oder Lichtleiter. Besonders vorteilhaft ist die Realisierung eines Lichtwegs mit Hilfe von Lichtleitfasern, da hierdurch eine große Anzahl von Umläufen des Lichts ermöglicht werden. Ringinterferometer sind aus der Literatur bekannt - siehe z.B. V. Vali, R.W.
Shorthill, M. F. Berg: "Freanel-Fizeau effect in a rotating optical fiber ring interferometer'1, Applied Optics 16, Nr. 10 (1977), S. 2605 - 2607, oder R. Ulrich, N.Johnson "Fiber-ring interferometer: polarization analysis", Optics Letters 4 (1979), S. 152 - 154.
Der von einer Lichtquelle ausgehende Lichtstrom wird bei allen diesen Anordnungenin zwei Teillichtströme aufgeteilt, welche den Lichtweg in zueinander entgegengesetzter Richtung durchlaufen und nach DurchlauSen des Lichtwegs wieder vereinigt und so zur Interferenz gebracht werden. Dreht sich der Lichtweg um eine Drehachse, welche senkrecht zu der vom Lichtweg umschlossenen Fläche ausgerichtet ist, eo ändern sich die Laufzeiten der Teillichtströme durch den Lichtweg und zwar in der Weise, daß die Laufzeit für den in Drehrichtung umlaufenden Teillichtstrom größer wird und die Laufzeit für den entgegengesetzt umlaufenden Teillichtstrom kleiner wird. Die Drehgeschwindigkeit kann sodann interferometrisch gemessen werden. Der Zusammenhang zwischen der Drehgeschwindigkeit n und der dadurch bewirkten Phasenverschiebung A ist durch die Beziehung gegeben. Darin bedeuten: : : Phasendifferenz der Teillichtströme nach deren Zusammenführung F : die vom Lichtweg umschlossene Fläche N : Anzahl der Windungen des Lichtwegs um die Fläche F c : Vakuumlichtgeschwindigkeit Vakuumwellenlänge des Lichtes #: Drehgeschwindigkeit (= Winkelgeschwindigkeit) des Lichtweges L um eine Achse A normal zur Fläche F.
Die Messung der Drehgeschwindigkeit kann auch in bekannter Weise auf eine Frequenzmessung zuückgeführt werden - siehe z.B. R.F. Cahill, E. Udd: "Phase-nulling fiber optic laser gyro", Optics Letztere 4, No. 3 (1979), S. 93 - 95. Dabei wird durch einen an einem Ende des Lichtweges befindlichen Einseitenbandmodulator die Frequenz eines Teillichtstroms vor dem N-fachen Umlauf um die Fläche F, die Frequenz des in entgegengesetzter Richtung umlaufenden Teillichtstroms jedoch nach dem N-fachen Umlauf um die Fläche F verschoben.
Die Frequenzverschiebung erfolgt dabei in beiden Fällen um den gleichen Betrag f1 und in gleicher Richtung. Zwar haben beide Teillichtströme während ihres Umlaufs um die Fläche F um f1 unterschiedliche Frequenzen, haben aber vor der Wiedervereinigung beide den Modulator durchlaufen und sind daher interferenzfähig. Die Phasenverschiebung der Teillichtströme hängt von f1 ab Wird durch Wahl von f1 z.B.
auf Interferenzmaximum abgeglichen, so besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Drehgeschwindigkeit und f1 gegeben durch Darin bedeuten: 1 : Umfang einer Widnung des Lichtweges um die Fläche F f1 : Modulationsfrequenz für Abgleich bei f10: Modulationsfrequenz für Abgleich bei Q 0 n : Brechungsindx des Lichtwegs In der deutschen Patentanmeldung P 29 34 794.2 wurde bereite die Verwendung von zwei Einseitenbandmodulatoren vorgeschisgen. Diese Einseitenbandmodulatoren befinden sich entweder beide hintereinandfr an einem Ende des Lichtweges oder Je einer befindet sich an Jedem Endes des Lichtweges.
Die Einseitenbandmodulatoren verschieben die Lichtfrequenz um + f1 bzw. + f2, wobei die Vorzeichen von f1 und f2 bei Anordnung beider Einseitenbandmodulatoren an den verschiedenen Enden des Lichtweges gleich sind, bei Anordnung der beiden Einseitenbandmodulatoren am gleichen Ende des Lichtweges Jedoch entgegengesetzt sind. Als Folge davon unterscheiden sich die Frequenzen der in beiden Richtungen umlaufenden Teillichtatröme um f2-f1. Der Zusammenhang zwischen f2-f1 und der Drehgeschwindigkeit Q ist linear, wenn durch Beinflussung von £1 und/oder f2 der Einfluß der Drehung auf die Interferenz kompensiert wird. Bei Verwendung zweier Strahlenteiler kann erreicht werden, daß die ruhende Anordnung auf das Interferenzmaximum nullter Ordnung abgeglichen ist. Es gilt dann Interferometriscfi Drehgeschwindigkeitsmesser haben eine technische Bedeutung für den Bau von Lagereferenzsystemen.
Dazu ist es im allgemeinen erforderlich, die Drehgeschwindigkeiten um verschiedene Achsen zu messen. Zur Messung der Raumdrehung eines starren Körpers genügt die Messung der Drehgeschwindigkeiten um drei linear unabhängige (vorzugsweise orthogonale) Achsen. Die Drehwinkel erhält man durch zeitliche Integration der Drehgeschwindigkeiten.
Werden bei Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen, die man i.A.
nicht als starre Körper betrachten kann einzelne Teile voneinander unabhängig in ihrer Lage stabilisiert, so ist dazu eine größere Anzahl voneinander unabhängiger Drehgeschwindigkeitsmesser erforderlich.
Diese Anordnungen erfordern Jedoch einen großen Aufwand.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben mit dessen Hilfe dieser Aufwand reduziert werden kann und trotzdem eine sehr genaue Messung absoluter Drehupnmögllch ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der von der monochromatischen Lichtquelle Q ausgehende Lichtstrom in 2m Teillichtströme ms 1 aufgespalten wird, von denen Jeweils zwei einander zugeordnet sind, daß die einander nicht zugeordneten Teillichtströme m voneinander unabhängige Lichtwege durchlaufen, welche unterschiedliche Flächen F1 ... Fm umschließen und daß die Lichtwege derart angesteuert werden, daß die einander nicht zugeordneten m Teillichtströme mit im Zeit- oder Frequenzbereich orthogonalen Signalen moduliert sind.
Die Erfindung soll anhand der in den Figuren 1 bis 20 dargestellten Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben werden.
Aus FIG. 1 ist die prinzipielle Aufteilung eines von einer Lichtquelle Q ausgehenden Lichtstroms durch ein strahsufteilendes Element T in eine Anzahl von Teillichtströmen, welche die Lichtwege L1, L2, L3 in einander entgegengesetzte Richtung durchlaufen, ersichtlich. Die Lichtwege L1 L2. L3 umschließen die Flächen F1 F2 F3. Nach Durchlaufen der Lichtwege werden die Lichtströme durch das strahenlaufen der Element T wider zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt und dieser auf einen Photodetektor D weitergeleitet.
In FIG. 2 besteht das st@ahlenaufteilende Element T aus einem Hauptstrahlenteiler T1 und zwei weiteren strahlenaufteilenden Elementen T2 und T3. Ein in das Tor 1 oder 2 des Strahlenteilers T1 eingekc,ppelter Lichtstrahl wird zunächst auf die Tore 3 und 4 von T1 aufgeteilt. Das strahlenaufteilende Elemtent T2 teilt sodann den aus 3 austretenden Lichtstrahl auf die Lichtwege Li (mit will1 ... m - in vorliegendem Beispiel ist m-3) auf. Nach Durchlaufen der Lichtwege Li wird diese erste Gruppe von Teillichtströmen in T3 vereinigt und dem Tor 4 von T1 zugeführt. Ebenso wird der aus Tor 4 austretende Licht strom im strahlenaufteilenden Element T3 auf die Lichtwege Li aufgeteilt. Diese zweite Gruppe von Teillichtströmen durchläuft die Lichtwege Li nun in entgegengesetzar Richtung zur ersten Gruppe von Teillicht strömen, wird in T2 wieder vereinigt und Tor 3 von T1 zugeführt. Die den Toren 3 und 4 zuteführten Lichtströme werden in T1 vereinigt und auf die Tore 1 und 2 aufgeteilt.
FIG. 3 zeigt eine Anordnung nach FIG 1 oder FIG. 2, bei der das Licht von der Lichtquelle Q in Tor 1 von T1 eingekoppelt wird und die über T2, T3 und T1 wieder vereinigten Teillichtstrahlen bei Tor 2 ausgekoppelt und dem Photodetektor D zugeführt werden. Aus dem Ausgangssignal S des Photodetektors D wird die Information über die Drehgeschwindigkeiten 2 i (i=1 ... m) um die Drehachse Ai gewonnen.
Im folgenden werden unterschiedliche Anordnungen für die Strahlaufteilung auf die Lichtwege Li und die damit verbundenen Methoden zur Verarbeitung des Ausgangssignals des Photodetektors D beschrieben.
FIG. 4 zeigt eine Anordnung nach FIG. 3 bei der die strahlenaufteilenden Elemente T2 und T3 als optische Schalter ausgebildet sind, welche in zeitlicher Reihenfolge, zyklisch umlaufend die Lichtwege L. mit T1 verbinden.
1 T1 FIG. 5 zeigt den zeitlichen Ablauf der Verbindung der Lichtwege L. mit den Toren 7, bzw. 4 durch T21 bzw. T31.
Die Laufzeit der Teillichtströme durch die Lichtwege Li ist für alle Li annähernd gleich und wird mit # L bezeichnet. Die Periodendauer t p für einen zyklischen Umlauf der schaltenden Strahlenaufteiler T21 T31 ist tp = # L / r, (4) wobei r eine ganze Zahl ist. Außerdem gilt für das Zeitintervall ##, währenddessen eine bestimmter Lichtweg Li mit T1 optisch verbunden ist ## = # p / m (5) Das Ausgangssignal S des Photodetektors Q ist im Zeitintervall (j#p + (i-1) ##, j# p + i##) ein Maß für wobei J ganzzahlig ist und der Zusammenhang von und # entsprechend Gl. (1) durch gegeben ist.
Für eine Länge der Lichtwege von beispielsweise Jeweils 300 m und einen Brechungsindex n - 1,5 des lichtleitenden Mediums der Lichtwege ist die Laufzeit der Teillichtströme #2. Nimmt man weiterhin für m und r die Werte m - 3 und r = 10 an, so folgt #p = 150 ns und ## = 15 ns.
Das Ausgangssignal S von D wird in einem Verstärker VD verstärkt und dann über einen mit T21, T31 synchron umlaufenden elektrischen Schalter auf die Tiefpässe TP1, TP2 ...
verteilt, wobei Jeder Tiefpaß eine Grenzfrequenz fg = 1/2#p (7)...
hat. Die elektrischen Signale an den Ausgängen der TPi sind ein Maß für die #i. Zeitliche Änderungen der Drehgeschwindigkeit können mit einer Grenzfrequenz fg erfaßt werden. Im Gegensatz zu Gl. (4) besteht auch die Möglichkeit, das Zeitintervall h' , währenddessen ein bestimmter Lichtweg mit T1 optisch verbunden ist, groß im Vergleich zu LL zu wählen (FIG. 6). Das Ausgangssignal des Photodetektors D ist im Zeitintervall (j# p + # L + (i-1) ## j# p + i##) ein Maß für #i, wobei der Zusammenhang von i und und çi ebenfalls durch Gl. (6) gegeben ist. In dem Zeitintervall (j# p + i##, j# p + # L + i ##) kann keine Messung erfolgen. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Verwendung langsamer optischer Schalter für T21 und T31.
Bei großen Periodendauern #p entsprechend FIG. 6 ist auch die Verwendung mechanisch betätigter optischer Schalter möglich, sofern das dabei erzielbare fg für die Anwendung des Drehgeschwindigkeitsmessers ausreichend ist.
Die Strahlenaufteiler T21, T31 werden in bekannter Weise durch optische Schalter realisiert. FIG. 7 zeigt schematisch einen unter Verwendung einer Bragg-Zelle realisierten optischen Schalter. Bragg-Zellen werden z.B. in den Druckschriften: E. L. Gordon, 'A Review of Acoustooptical Deflection and Modulation Devices" Proceedings of the IEEE 54, No. 10 (1966) S. 1391 - 1401 and R. Adler, "Interaction between light and sound" IEEE Spectrum, May 1967, S. 42-548 beschrieben. Der Generator G1 liefert eine Wechaelspannung der Frequenz f, mit wecher der elektroakustische Wandler W1 angesteuert wirt Im Medium Ml wird eine von W1 in Richtung auf S1 fortschreitende akustische Welle angeregt. M1 ist durch den akustischen Sumpf S1 akustisch reflexionafrei abgeschlossen.Eine Lichtwelle mit der Wellenlänge #o = c/fo, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, wird um den zweifachen Braggwinkel abgelenkt, wobei v die Schallgeschwindigkeit im Medium Ml ist. Zur Ablenkung um unterschiedliche Winkel 2iB, 2#b'', wird wird mit unterschiedlichen Frequenzen f', f'' und moduliert. Die Schallgeschwindigkeit von Bleimolybdat PbM004 beispielsweise beträgt 3630ms-¹. Benutzt man eine Lichtwelle der Wellenlänge #o = 633nm und Wert die Bragg-Zelle in zeitlicher Folge mit Wechselspannungen der Frequenzen f' = 30MHz, f'' I 50MHz, f " ' = 70MHz an, so erhält man die Ablenkwinkel 2#'B = 23'56'', 2#B'' = 39'54'', 2GB't = 55'51". Zur Erzielung maximaler Intensität des gestreuten Lichtstrahls wird der einfallende Lichtstrahl um den mittleren Braggwinkel iB' zum Lot geneigt. Die Frequenz des Lichtstrahls wird dabei von f0 auf fO+f' bzw.
fo+f'' bzw. fo+f''' verschoben. Das ist jedoch bei dieser Anwendung ohne Belang, da T21 und T31 zu gleichen Zeiten mit den gleichen Frequenzen angesteuert werden und somit in Jedem Lichtweg beide Teillichtströme daher die gleiche Frequenz aufweisen.
FIG. 8 zeigt schematisch eine Anordnung nach FIG. 4 unter Verwendung zweier Bragg-Zellen nach FIG. 7 als T21 und T31.
Der steuerbare Generator G1 erzeugt eine Wechselspannung der Frequenz fi (fi= f', fell, f''') mit welcher T21, T31 angesteuert werden. Der von Q stammende Lichtstrahl wird in T1 auf T21 und T31 aufgeteilt. Die Teillichtströme werden bei Modulation von T21 und T31 mit der Frequenz f' bzw.
f'' f " ' in den Lichtweg L1 bzw. L2, L3 eingekoppelt.
G2 ist ein Steuergenerator, welcher den Zeitverlauf der Frequenz von G1 steuert.
FIG. 9A zeigt den Zeitverlauf von f(i).
FIG. 9B zeigt die Zeitabhängigkeit des Schalt zustandes von T21 bzw. T31. Entsprechend dem Schaltzustand von T21 bzw.
T31 enthäl das Ausgangs signal S von D Information über 1' 2 oder 3 (FIG. 9C). Der Schalter 5 wird ebenfalls von G2 und zwar synchron mit T21 und T31 gesteuert. Die Steuerung erfolgt in der Weise, daß in den Zeitintervallen während derer der Lichtweg L1 bzw. L2, L3 über T21 und T31 optisch mit T1 verbunden ist, der Tiefpaß TP1 bzw. TP2, TP3 über den Schalter 5 mit dem Ausgang des Verstärkers VD verbunden ist.
Anstelle akustooptischer Ablenkeinrichtungen, wie Bragg-Zellen, können sich andere Ablenkeinrichtungen, wie etwa elektrooptische Ablenkeinrichtungen Verwendung finden. Solche Ablenkeinrichtungen sind unter anderem in dem Buch von Iwan P. Kaminow "An introduction to electrooptical devices" Academic Press NewYork and Iordm 1974 beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit zur Aufspaltung oder Wiedervereinigung von Lichtströmen ist in der Druckschrift: Siemens Forschungs und Entwickl.-BericbteM. 6 (1977) Nr. 5 Springer-Verlag 1977 " "Abstimmempfindlichkeit der Schalt zustände des Mach-Zehnder-Interferenzwellenleitermodulators" von P. Baues beschrieben. Hier erfolgt die Umschaltung durch kaskadierte Zweiwegschalter CFIG. 11), welche elektrisch ansteuerbar sind.
In FIG. 10 wird durch Einführung des Hilfsstrahlenteilers TH dafür gesorgt, daß die Teillichtatröme von der Aufspaltung im Strahlenteiler T1 bis zur Wiedervereinigung in T1 in beiden Umlaufrichtungen genau den gleichen Weg durchlaufen. Um eine Fortpflanzung in nie einem Schwingungsmodus zu erreichen, ist es zweckmäßig den Lichtweg wenigstens zum Teil durch einen Monomod-Lichtwellenleiter M zu führen. Weiterhin ist es vorteilhaft einen Polarisator P einzuführen um einen definierten Polarisationezustand zu erzeugen.
Mit Hilfe der in den Anordnungen gemäß FIG. 8 oder FIG. 10 verwendeten Bragg-Zellen, kann den einzelnen Teillichtströmen auch eine Modulation aufgeprägt werden CFIG. 12).
Die Bragg-Zellen T22 und T32 wirken hier als Einseitenbandmodulatoren. Wird z.B. die Zelle T22 mit den Frequenzen f1(i) ... f1(m) und die Zelle T32 mit den Frequenzen f2(i) ... f2Cm) moduliert und im Zeitmultiplex angsteuert, so überlagern sich die Teillichtströme in T1 nach Umlauf um die Flächen F1 ... Fm derart, daß in ihnen zu verschiedenen Zeiten die Frequenzanteile fO + f1' + 2' ... f + (m) + fo(m) enthalten sind. Die Frequenzen f1(i) und f2(i) (i= ,...m) dürfen für gleichesi nur einen kleinen Unterschied aufweisen, damit in beiden Fällen die Teillichtströme in die Lichtwege L1 ... Lm abgelenkt werden.
Entsprechend G1. (3) gilt dann für die Drehungen der Lichtwege L1 .. L die Gleichung Beispiel: Die Bragg-Zelle T22 soll im Zeitmultiplex mit den Frequenzen f1' = 30 MHz, f1'' = 50 MHz, f1''' = 70 MHz moduliert werden. T32 im Zeitmultiplex mit f2', f2'', f2''' Weiterhin sei Ao 1 633 nm - 0 0,633 x 10 m, n = 1,5, 1(@) 2# x 0,15 m, F I 0,152 x #m² Zur Messung der muß dsß elektrische Ausgangssignal des Photodetektors (D) einen maximelen Wert aufweisen. Dies sei z.B. der Fall für f2, w 30 MHz, f2'' = 50,000316MHz, f 1 70,0158 MHz. Eingesetzt in die G1. (9) folgt daraus 0,#2= 1 mrad/s,# 3 . 50 mrad/s.
in FIG. 13 ist eine Regelung für die Anordnung nach FIG. 12 aufgezeichnet, Die Bearbeitung der Lichtströme erfolgt im Zeitmultiplex. Das Ausgangssignal ee Photodetektors D wird einer Regeleinrichtung RG zugeführt aus der Regelsig- nale abgeleitet werden. Hierdurch wird wenigstens eine der Frequenzen f1(t) oder f2(t) derart nachgeregelt, daß das Ausgangssignal des Photodetektors D einen extremalen Wert annimmt. Die Frequenzdifferenz f2(t) - f1(t) nimmt dabei in zeitlicher Reihenfolge die Werte f2' - f1'... f2(m) - f1(m) an. Diese sind ein Maß für die In der Regelschaltung gemäß FIG. 14 ist ebenfalls eine Bearbeitung der Lichtströme und der elektrischen Signale in Zeitmultiplex vorgesehen. Das Ausgangssignal des Photodetektors D wird zunächst einem Verstärker VD und sodann in zeitlicher Aufeinanderfolge über Tiefpässen TR1 ... TRm Regeleinrichtungen R1 .. Rm zugeführt.
Hierdurch wird mindestens eine der beiden Gruppen von Frequenzen f1' ... f1(m) oder f2' ... f2(m) derart nachgeregelt, daß das Ausgangssignal des Photodetektors D einen extremalen Wert annimmt. Aus den Frequenzen 1' ...
f1(m) - f2' ... f2(m) werden schließlich die Frequenzdifferenzen f2' - f1' ... f2(m) - f1(m) gebildet.
Eine Anordnung, welche im Frequenzmultiplexbetrieb arbeitet ist in FIG. 15 wiedergegeben. Hier wird z.B. die Bragg-Zelle T23 gleichzeitig mit den Frequenzen f1', f1'', fl"' und die Bragg-Zelle T33 gleichzeitig mit den Frequenzen f2', f2'', f2''' moduliert. Die Frequenzen f2', f2'', f2'' sollen mit den Wobbelfrequenzen fH', R' t H' " ' frequenzmoduliert sein. Aus den Lichtwegen kommen dann gleichzeitig die mit den Frequenzen fo + 1 + f2', fo + f1'' + und fo + f1''' + f2''' modulierte Lichtsignale, wobei den f2(i) noch die Wobbelfrequenzen fH(i) überlagert sind.
Wählt man die Frequenzdifferenz Jeweils zweier dieser Signale größer als die Bandbreite des auf den Photodetektor D folgenden Verstärkers VD (FIG) 16), so entspricht das elektrische Signal am Ausgang von VD der Summe der Lichtintensitäten ICt) . Dabei ist yt) die Intensität der beiden interferierenden Teillichtstrahlen des i-ten Lichtweges am Ort des Photodetektors D.
Wählt man für die gewobbelte Frequenz f2(t) den Ansatz fo(i)(t) = f20(i)(t) + #f2(i)sin (2#fh(i) t + #H(i) (10) so erhält man für I(i) Gleichung 11 wird in eine Fourier-Reihe entwickelt und nur die Frequenzanteile bei fH(i) berücksichtigt: (I(i)(t) Spektralkomponente von I(i)(t) bei fH(l)) wobei J1 die gewöhnliche Besselfunktion erster Ordnung ist.
Für #fH(i)# Li # 1 gilt Man wird daher fH(i) genügend klein wählen um das Argument von I1 möglichst groß zu machen. Durch Korrelation von I = # I(i)(t) (14) mit sin (2#fH(i) (t- #L(i)/2 + #H(i)) in phasenempfindlichen Gleichrichtern PG(i) erhält man In der Regelsignalgewinnung RSG(i) wird aus R(i) ein Regelsignal abgeleitet, welches den Mittelwert f20(i) der vom jeweiligen Generator G2(i) erzeugten Frequenz f2(t) so regelt, daß R(i) gleich null ist. Die Anzeigen AN(i) messen die Frequenzdifferenzen f20(i) f # (i) und daraus werden dieQ(i) bestimmt.
FIG. 16 zeigt das Blockschaltbild der Regelschaltung zu FIG. 15. Die strahlenaufteilenden Modulatoren T21 und T31 werden mit den Frequenzen f1 1 und t (i) der Generatoren G1(i) und G2(i) moduliert. Die Frequenzen '2 f (i) sind um G1(i) und G2(i) moduliert. Die Frequenzen f2(i) sind um den Mittelwert f20(i) gewobbelt, wobei #f2(i) der Frequenzhuh und fH(l) die Wobbelfrequenz ist. Die Generatoren (i) erzeugen die Wobbelsignale. Die Generatoren G1(i) erzeugen die Frequenzen f1(i). die entweder feste Werte haben oder ebenfalls mit t (i) moduliert sind oder anstelle der f2(i) mit fH(i)H moduliert sind.
Das Ausgangssignal des Photodetektors D wird zunächst in VD linear verstärkt, sodann in den phasenempfindlichen Gleichrichtern mit mit den Wobbelsignalen der Frequenzen fH(i) korreliert, sodaB an den Ausgängen der PG(i) die Signale R(i) entsprechend G1. (15) vorliegen. Daraus werden in bekannter Weise in den Schaltungen zur Regelsignalgewinnung RSG(i) Regelsitnale zur Regelung der Mittelwerte f20Ci) der Frequenzen 2 i) gebildet.
In den FIG. 17 und 18 sind weitere Möglichkeiten für die Aufspaltung bzw. Wiedervereinigung von Licht strömen dargestellt. Bei der Anordnung gemäß FIG. 17 wird der von der Lichtquelle Q ausgehende Lichtstrom zunächst in m Teillichtströme und sodann jeder der m Teillichtströme auf zwei einander zugeordnete Teillichtströme aufgespalten, welche einen Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Anschließend werden die einander zugeordneten Teillichtströme wieder zu m Teillichtströmen und schließlich die m Teillichströme zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt, der auf den Photodetektor D weitergeleitet wird.
Bei der Anordnung gemäß FIG. 18 wird dagegen der von der Lichtquelle Q ausgehende Licht strom zunächst in k Lichtströme und Jeder der k Licht ströme sodann in eine Gruppe von weiteren Teillichtströmen aufgespalten. Die Summe aller Teillichströme in allen Gruppen muß gleich 2m sein.
Die Aufspaltung in den Gruppen erfolgt in der Weise, daß einander zugeordnete Teillichtatröme gebildet werden, welche Jeweils einen Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Anschließend werden die Teillicht- ströme der Gruppen wieder zu k Teillichtströmen und die k Teillichtströme schließlich zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt welcher auf den Photodetektor D weitergleitet wird.
Die Anordnung gemäß FIG. 18 kann z.Bt zur Messung der absoluten Drehung mehrerer Plattformen PL1, PL2, PL3 dienen, die völlig willkürliche und voneinander unabhängige Drehbewegungen ausführen. Eine solche Anordnung ist In FIG.
19 aufgezeichnet, Da lediglich die von den einzelnen Flächen umschloßenen Lichtwege zur Messung herangezogen werden, müssen demnach lediglich diese Lichtwege mit den Plattformen PL1, PL2, PL3 etarr verbunden sein. Die Auswertung kann dann zentral an einer beliebigen andern Stelle erfolgen.
Zur Einhaltung eines definierten Polarisationszustandes ist die Einfügung von Plarisationsstellgliedern pS(i) mit veränderbarer Doppelbrechung im Lichtweg zweckmäßig. Hierzu kenn beispielsweise ein Teil des Lichtstromes ausgekoppelt und einer Polarisationsregeleinrichtung zugeführt werden. In dieser Regeleinrichtung werden dann in bekannter Weise Regelsignale gebildet, welche auf das zugehörige Polarisationsstellglied einwirken.
In FIG. 20 ist ein Beispiel für eine Pblarisationsregelung unter Verwendung dreier Stellgieder Ej(i) (j- 1, 2, 3,) für jeden Lichtweg L(i) (i= 1 ... m) aufgezeichnet.
Wird z.B. einem Stellgied E(i) über den Addierverstärker V.(i) ein schwaches Modulationssignal Ci) als Anteil des a Ci) zugeführt, so ist auch Parameters Qå zugeführt, so ist auch im Ausgangssignal I von D eine Komponente des Signals SMå 1 enthalten. Diese Komponente hat positives Vorzeichen für den Fall, daß sich I bei einer geringfügigen Veränderung von # (i) ebenfalls vergrößert und hat negatives Vorzeichen für den Fall daß sich I bei einer gemingfügigen Vergrößerung von verkleinert. Es kann daher durch Vergleich der Signale SM(i) festgestellt werden, ob eine Erhöhung von Ci) zu J einer Erhöhung oder zu einer Verkleinerung von I führt. Dieser Vergleich erfolgt durch die Korrelatoren Kj(i). Durch die Ausgangssignale der Kj(i) werden beispielsweise aus Speichern oder Integratoren bestehenden Regelschaltungen G@(i) angesteuert, deren Ausgansaignale über die Addierverstärker Vj 1 auf die Ei (i) weitergeleitet werden. Dadurch werden den Steuerparametern Q (i) konstante Größen zugeführt derart, daß I als Funktion der Qj 1 einen maximalen Wert annimmt.

Claims

Paten1,ansprüche Ve'fahren zur Messung absoluter Drehungen unter Verwendung des Sagnac-Effekts, wobei ein von einer monochromaischen Lichtquelle ausgehender Lichtstrom zunächst in Teillichtströme annähernd gleicher Intensität aufgespalten wird, wobei weiterhin zwei einander zugeordnete Teillichtströme einen eine Fläche wenigstens einfach umschließenden Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen und wobei schließlich die Teillichtströme wieder zu einem einzigen Licht strom vereinigt werden und dieser auf einen Photodetektor weitergeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der von der monochromatischen Lichtquelle (Q) ausgehende Lichtstrom in 2m Teillichtströme (m > 1) aufgespalten wird, von denen jeweils zwei einander zugeordnet sind, daß die einander nicht zugeordneten Teillichtatröme m voneinander unabhängige Lichtwege durchlaufen, welche unterschiedliche Flächen (F1 F Fm) umschließen und daß die Lichtwege derart angesteuert werden, daß die einander nicht zugeordneten m Teillichtströme mit im Zeit- oder Frequenzbereich orthogonalen Signalen moduliert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwege multiplexartig angesteuert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwege der einander nicht zugeordneten Teillichtströme zeitlich nacheinander angesteuert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwege der m einander nicht zugeordneten Teillichtströme in zyklischer Reihenfolge angesteuert werden, derart daß die Lichtquelle (Q) und der Photodetektor (D) jeweils während bestimmter Zeitintervalle über einen der Lichtwege miteinander verbunden sind und daß die Ausgangssignale des Photodetektors (D) während dieser Zeitintervalle zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit CL $ ... Q (m) ausgewertet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Fhotodetektors (D) über einen Verstärker (VD) m Tiefpässen (TP1... TPm) zugeführt werden, derart daß während eines Zeitintervalls indem ein bestimmter Lichtweg angesteuert ist ein diesem Lichtweg zugeordneten Tiefpaß (TP1 ... TPm) mit dem Photodetektor (D) verbunden ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz der Tiefpässe gleich 1/2 t p gewählt wird, wobei rp die Periodendauer eines Umlaufs ist bei dem alle Lichtwege in zyklischer Reihenfolge angesteuert werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (Q) ausgehende Lichtstrom zunächst in zwei Teillichtströme und sodann Jeder der zwei Teillichtströme in zwei Gruppen von Je m Teillichtströmen aufgespalten wird derart, daß Jeweils ein Teillichtstrom der einen Gruppe einem Teillichtstrom der anderen Gruppe zugeordnet ist, daß die einander zugeordneten Teillichtströme jeweils einen Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, daß die zwei Gruppen von Je m Teillichtströmen anschließend wieder zu zwei Teillichtströmen und die zwei Teillichtstr8me schließlich zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt werden, und dieser auf den Photodetektor (D) weitergeleitet wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (Q) ausgehende Lichtstrom zunächst in m Teillichtströme und sodann Jeder der m Teillichtströme auf zwei einander zugeordnete Teillichtströme aufgespalten wird, welche einen Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, daß anschließend die einander zugeordneten Teillichtströme wieder zu m Teillichtströmen und schließlich die m Teillichtströme zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt werden, der auf den Photodetektor (D) weitergeleitet wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (Q) ausgehende Licht strom zunächst in k Lichtströme und Jeder der k Lichtströme sodann in eine Gruppe von weiteren Teillichtströmen aufgespalten wird, derart daß die Summe aller Teillichtströme in allen Gruppen gleich 2m ist, daß die Aufspaltung in den Gruppen der Weise erfolgt, daß einander zugeordnete Teillichtströme gebildet werden, welche Jeweils einen Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, daß anschließend die Teillichtströme der Gruppen wieder zu k Teillichtströmen und die k Teillichtströme schließlich zu einem einzigen Lichtstrom ver- einigt werden und dieser auf den Photodetektor (D) weitergleitet wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillichtströme mit den Frequenzen f1,(t) ... f1(m)(t) und den Frequenzen f2'(t) . (m)(t) derart moduliert werden, daß die einander zugeordneten Teillichtströme eine der Frequenzdifferenzen f2'(t)-f1'(t), .., f2(m)(t)-f1(m)(t) aufweisen, daß die Frequenzen f1'(t) ... 1(m )(t) und/oder f1'(t) ... f2 (t) derart variiert werden, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) als Funktion von f2'(t)-f1'(t), ... , f2(m)(t)-f1(m)(t) einen extremalen Wert annimmt und daß aus den für diesen Fall gültigen Beziehung, wobei C1 ... c(m) und C2 C2(m) Konstanten der zur Messung verwendeten Anordnung sind, durch Messung von Betrag und Vorzeichen von f2'(t)-f1'(t), f2(m)(t)-f1(m) Betrag und vorzeichen der Drehgeschwindigkeiten 2 2 Q (m) bestimmt werden
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der Lichtströme und der elektrischen Signale im Zeitmultiplex erfolgt, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) einer Regeleinrichtung (RG) zugeführt wird, aus der Regelsignale abgeleitet werden, durch welche wenigstens eine der Frequenzen f1(t) oder f2(t) derart nachgeregelt wird, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) einen extremalen Wert annimmt und daß aus der Frequenzdifferenz f2(t) - f1(t) die Frequenzdifferenz f21(t) - f11(t) ... (m)(t) ) gebildet werden.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der Lichtströme und der elektrischen Signale im Zeitmultiplex erfolgt, daß das Ausgangssignal des Photodetektors(D) einem Verstärker (Vg) und sodann in zeitlicher Aufeinanderfolge über Tiefpässen (Tr1 ... TRm) Regeleinrichtungen (R1 ... Rm) zugeführt wird, durch welche mindestens eine der beiden Gruppen von Prequenzen (f1' ... f1(m) oder (f2' ... f2(m) derart nachgeregelt wird, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) einen extremalen Wert annimmt und daß aus den Frequenzen f1' ... f1(m) und f2' ... f2(m) die Frequenzdifferenzdifferenzen f2' - f1' ... f2(m) - f1(m) gebildet werden.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillichtströme mit den Frequenzen (i) f (m) und den Frequenzen f2(i)(t) = f21Ct) f2(m)(t) moduliert werden, wobei die Frequenzen f2(i)(t) um die Frequenz f20(@) mit dem Hub #f2(@) und der Wobbelfrequenz fH(l) frequenzmoduliert werden, daß die Teillichtströme um die Modulationsfrequenzen verschoben werden, derart daß die einander zugeordneten Teillichtströme eine Frequenzdifferenz (i)(t) - (i)(t) aufweisen, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) verstärkt und mit m Signalen der Wobbelfrequenz fH(i) korreliert wird, daß daraus m Reçelsignale gewonnen werden, welche die Frequenzen f20 so beeinflussen, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) als Funktion der Frequenz @ (i) einen maximalen Wert annimmt und daß aus den für diesen Fall gültigen Beziehungen wobei C1(i) - c2Ci) Konstanten der zur Messung verwendeten Anordnung sind, durch Messung von Betrag und Vorzeichen von f20(i) - (i) Betrag und Vorzeichen der Drehgeschwin- digkeiten # (i) bestimmt werden.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß deModulation der Lichtströme sowie die Verarbeitung der elektrischen Signale im Frequenzmultiplex erfolgt, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) einem Verstärker (VD) zugeführt wird, welcher derart bemessen ist, daß das elektrische Signal I(t) am Verstärkerausgang der Summe der Lichtintensitäten I(i)(t) entspricht, wobei I(i)(t) die Intensität der einander zugeordneten Teillichtströme des i-ten Lichtweges ist, daß die Lichtintensitäten I(i)(t) mit den Signalen der Wobbelfrequenzen f(i)(t) in phasenempfindlichen Gleichrichtern (PG' ... PG(m)) korreliert werden, daß die korrelierten Signale CR ... R(m)) Einrichtungen zur Regelt signalgewinnung (RSG' ... RSG(m)) zugeführt werden, aus denen Regelsignale abgeleitet werden, durch welche die Frequenzen f10Ci) -rnd/oder f20(i) derart nachgeregelt wird, daß die korrelierten Signale (R' ... R(m)) null werden und daß sodann aus den Frequenzen f20(i) und f1(i) die Frequenzdifferenzen f20(i) - f1(i) gebildet werden.
15. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtsender eine monochromatische Lichtquelle (Q) und als Lichtempfänger ein Photodetektor CD) vorgesehen ist, daß im Strahlengang zwischen Lichtquelle (Q) und Photodetektor (D) ein strahlenteilendes Element (T) angeordnet ist, das zur Aufspaltung des von der Lichtquelle (Q) ausgehenden Lichtstroms in 2m Teillichtströme (m > 1) von denen Jeweils zwei einander zugeordnet sind, sowie zur Wiedervereinigung der beiden Teillichtströme in einen von den Photodetektor (D) weitergeleiteten Lichtstrom dient und daß zur Führung der einander zugeordneten Teil- lichtströme Lichtleitfaser (L1 ... Lm) vorgesehen sind, welche unterschiedliche Flächen (F1 ... Fm) umschließen.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen Lichtquelle C) und strahlenteilendem Element (T), sowie zwischen strahlenteilendem Element (t) und Photodetektor (D) eLn Hilfstrahlenteiler (TH) vorgesehen ist.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen Lichtqilelle (Q) und strahlenteilendem Element (T) sowie zwischen strahlenteilendem Element CT) und Photodetektor (D) zusätzlich ein Polarisator (P) und ein Monomod-Lichtwellenleiter (M) angeordnet ist.
18. Anordnung nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlenteilende Element (T) wenigstens zwei optische Schalter (T2, T3; T21' T31) enthält.
19. Anordnung nach den Ansprüchen 1?? bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Schalter Bragg-Zellen (T21' T31;T22, Tf2) sind.