DE2941618C2

DE2941618C2 -

Info

Publication number: DE2941618C2
Application number: DE19792941618
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.Techn. 7900 Ulm De Russer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1979-10-13
Filing date: 1979-10-13
Publication date: 1989-11-09
Also published as: DE2941618A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung absoluter Drehungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der DE 28 04 103 A1. Dort wird ein faseroptisches Ringinterferometer beschrieben, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Strahlenteiler, einem eine kreisförmige Fläche umschließenden Lichtweg, z. B. ein spulenförmig aufgewickelter Monomode-Lichtwellenleiter, und einer Detektoranordnung.

Bei einer solchen Anordnung wird das von der Lichtquelle ausgesandte Licht im Strahlenteiler in zwei Teillichtströme annähernd gleicher Intensität aufgespalten, damit eine gute (kontrastreiche) Interferenzerscheinung ermöglicht wird. Die Teillichtströme durchlaufen den Lichtweg in entgegengesetzten Richtungen und interferieren in dem Strahlenteiler. In Abhängigkeit von einer Drehung des Lichtwegs um die Normale der Fläche entstehen für die beiden Teillichtströme optische Laufzeitunterschiede, die zu einem davon abhängigen Interferenzmuster an der Detektoranordnung führen. Dieses Interferenzmuster wird ausgewertet und daraus die Drehung bestimmt. Zur Verbesserung des Interferenzmusters wird in den Strahlengang mindestens ein Polarisationsfilter eingefügt. Ein solches Ringinterferometer ist lediglich zu Messungen von Drehungen um die Längsachse der Spule geeignet.

Mit derartigen Ringinterferometern werden unter Verwendung des Sagnac-Effektes absolute Drehungen gemessen, d. h. Drehungen gegenüber einem Inertialsystem. Eine ausführliche Darstellung des Sagnac-Effekts findet sich z. B. in der Druckschrift: "Reviews of Modern Physics" 39, No. 2 (1967), S. 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: "Fresnel-Fizeau effect in a rotating optical fiber ring interferometer", Applied Optics 16, Nr. 10 (1977), S. 2605-2607 oder R. Ulrich, M. Johnson "Fiber-ring interferometer:polarization analysis", Optics Letters 4 (1979), S. 152-154.

Der von einer Lichtquelle ausgehende Lichtstrom wird bei allen diesen Anordnungen in zwei Teillichtströme aufgeteilt, welche den Lichtweg in zueinander entgegengesetzter Richtung durchlaufen und nach Durchlaufen 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, so 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 Ω und der dadurch bewirkten Phasenverschiebung ΔΦ ist durch die Beziehung

gegeben. Darin bedeuten:

ΔΦ: Phasendifferenz der Teillichtströme nach deren Zusammenführung
F: die vom Lichtweg umschlossene Fläche
N: Anzahl der Windungen des Lichtwegs um die Fläche F
c: Vakuumlichtgeschwindigkeit
g₀: Vakuumwellenlänge des Lichtes
Ω: 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 zurückgeführt werden - siehe zum Beispiel R. F. Cahill, E. Udd: "Phase-nulling fiber optic laser gyro", Optics Letters 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:

: Umfang einer Windung des Lichtweges um die Fläche F
f₁: Modulationsfrequenz für Abgleich bei Ω
f₁₀: Modulationsfrequenz für Abgleich bei Ω=0
n: Brechungsindex des Lichtwegs

In der deutschen Patentanmeldung P 29 34 794.2 wurde bereits die Verwendung von zwei Einseitenbandmodulatoren vorgeschlagen. Diese Einseitenbandmodulatoren befinden sich entweder beide hintereinander an einem Ende des Lichtweges oder je einer befindet sich an jedem Ende 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 Teillichtströme um f₂-f₁. Der Zusammenhang zwischen f₂-f₁ und der Drehgeschwindigkeit Ω ist linear, wenn durch Beeinflussung von f₁ 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

Interferometrische 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 liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe der Aufwand zur Messung der Drehgeschwindigkeiten um verschiedene Achsen reduziert werden kann und trotzdem eine sehr genaue Messung absoluter Drehungen möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 18 näher beschrieben.

Aus Fig. 1 ist die prinzipielle Aufteilung eines von einer Lichtquelle Q ausgehenden Lichtstroms durch ein strahlenaufteilendes Element T in eine Anzahl von Teillichtströmen, welche die Lichtwege L₁, L₂, L₃ in einander entgegengesetzter Richtung durchlaufen, ersichtlich. Die Lichtwege L₁, L₂, L₃ umschließen die Flächen F₁, F₂, F₃. Nach Durchlaufen der Lichtwege werden die Lichtströme durch das strahlenaufteilende Element T wieder zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt und dieser auf einen Photodetektor D weitergeleitet.

In Fig. 2 besteht das strahlenaufteilende Element T aus einem Hauptstrahlenteiler T₁, und zwei weiteren strahlenaufteilenden Elementen T₂ und T₃. Ein in das Tor 1 oder 2 des Strahlenteilers T₁ eingekoppelter Lichtstrahl wird zunächst auf die Tore 3 und 4 von T₁ aufgeteilt. Das strahlenaufteilende Element T₂ teilt sodann den aus 3 austretenden Lichtstrahl auf die Lichtwege L _i (mit i=1 . . . m - in vorliegendem Beispiel ist m=3) auf. Nach Durchlaufen der Lichtwege L _i wird diese erste Gruppe von Teillichtströmen in T₃ vereinigt und dem Tor 4 von T₁ zugeführt. Ebenso wird der aus Tor 4 austretende Lichtstrom im strahlenaufteilenden Element T₃ auf die Lichtwege L _i aufgeteilt. Diese zweite Gruppe von Teillichtströmen durchläuft die Lichtwege L _i nun in entgegengesetzter Richtung zur ersten Gruppe von Teillichtströmen, wird in T₂ wieder vereinigt und Tor 3 von T₁ zugeführt. Die den Toren 3 und 4 zugeführten 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 Ω _i (i=1 . . . m) um die Drehachse A _i gewonnen.

Im folgenden werden unterschiedliche Anordnungen für die Strahlaufteilung auf die Lichtwege L _i 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 _i mit T₁ verbinden.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Ablauf der Verbindung der Lichtwege L _i mit den Toren 3 bzw. 4 durch T₂₁ bzw. T₃₁.

Die Laufzeit der Teillichtströme durch die Lichtwege L _i ist für alle L _i annähernd gleich und wird mit τ _L bezeichnet. Die Periodendauer τ _p für einen zyklischen Umlauf der schaltenden Strahlenaufteiler T₂₁, T₃₁ ist

τ _p = τ _L/r (4)

wobei r eine ganze Zahl ist. Außerdem gilt für das Zeitintervall Δτ, währenddessen ein bestimmter Lichtweg L _i mit T₁ optisch verbunden ist

Δτ = τ _p/m (5)

Das Ausgangssignal S des Photodetektors D ist im Zeitintervall (j τ _p+(i-1) Δτ, j τ _p+i Δτ) ein Maß für Φ: wobei j ganzzahlig ist und der Zusammenhang von Φ _i und Ω _i 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 T₂. Nimmt man weiterhin für m und r die Werte m=3 und r=10 an, so folgt τ _p=150 ns und Δτ=15 ns.

Das Ausgangssignal S von D wird in einem Verstärker V _D verstärkt und dann über einen mit T₂₁, T₃₁ synchron umlaufenden elektrischen Schalter 5 auf die Tiefpässe TP 1, TP 2 bis TP _m verteilt, wobei jeder Tiefpaß eine Grenzfrequenz

f _g = 1/2 τ _p (7)

hat. Die elektrischen Signale an den Ausgängen der TP _i sind ein Maß für die Ω _i. Zeitliche Änderungen der Drehgeschwindigkeit können mit einer Grenzfrequenz f _g erfaßt werden. Im Gegensatz zu Gl. (4) besteht auch die Möglichkeit, das Zeitintervall Δτ′, währenddessen ein bestimmter Lichtweg mit T₁ optisch verbunden ist, groß im Vergleich zu τ _L zu wählen (Fig. 6). Das Ausgangssignal des Photodetektors D ist im Zeitintervall (j τ _p+τ _L+(i-1) Δτ, j τ _p+i Δτ) ein Maß für Φ _i, wobei der Zusammenhang von Φ _i und Ω _i ebenfalls durch Gl. (6) gegeben ist. In dem Zeitintervall (j t _p+i Δτ, j τ _p+τ _L+i Δτ) kann keine Messung erfolgen. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Verwendung langsamer optischer Schalter für T₂₁ und T₃₁. Bei großen Periodendauern τ _p entsprechend Fig. 6 ist auch die Verwendung mechanisch betätigter optischer Schalter möglich, sofern das dabei erzielbare f _g 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, Mai 1967, S. 42-54, beschrieben. Der Generator G 1 liefert eine Wechselspannung der Frequenz f, mit welcher der elektroakustische Wandler W 1 angesteuert wird. Im Medium M 1 wird eine von W 1 in Richtung auf S 1 fortschreitende akustische Welle angeregt. M 1 ist durch den akustischen Sumpf S 1 akustisch reflexionsfrei abgeschlossen. Eine Lichtwelle mit der Wellenlänge λ₀=c/f₀, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, wird um den zweifachen Braggwinkel

abgelenkt, wobei v die Schallgeschwindigkeit im Medium M 1 ist. Zur Ablenkung um unterschiedliche Winkel 2R _B′, 2R _B′′, 2R _B′′′ wird mit unterschiedlichen Frequenzen f′, f′′ und f′′′ moduliert. Die Schallgeschwindigkeit von Bleimolybdat PbM₀O₄ beispielsweise beträgt 3630 ms^-1. Benutzt man eine Lichtwelle der Wellenlänge λ₀=633 nm und steuert die Bragg-Zelle in zeitlicher Folge mit Wechselspannungen der Frequenzen f′=30 MHz, f′′=50 MHz, f′′′=70 MHz an, so erhält man die Ablenkwinkel 2R _B′=23′56′′, 2R _B′′=39′54′′, 2R _B′′′=55′51′′. Zur Erzielung maximaler Intensität des gestreuten Lichtstrahls wird der einfallende Lichtstrahl um den mittleren Braggwinkel R _B′′ zum Lot geneigt. Die Frequenz des Lichtstrahls wird dabei von f₀ auf f₀+f′ bzw. f₀+f′′ bzw. f₀+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 L _i 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 G 1 erzeugt eine Wechselspannung der Frequenz f ⁱ (f ⁱ=f′, f′′, 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 G 1 steuert.

Fig. 9A zeigt den Zeitverlauf von f ⁽ⁱ⁾.

Fig. 9B zeigt die Zeitabhängigkeit des Schaltzustands von T₂₁ bzw. T₃₁. Entsprechend dem Schaltzustand von T₂₁ bzw. T₃₁ enthält das Ausgangssignal S von D Information über Φ₁, Φ₂ oder Φ₃ (Fig. 9C). Der Schalter 5 wird ebenfalls von G 2, 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 TP 1 bzw. TP 2, TP 3 über den Schalter 5 mit dem Ausgang des Verstärkers V _D 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, New York and London 1974 beschrieben.

Eine weitere Möglichkeit zur Aufspaltung oder Wiedervereinigung von Lichtströmen ist in der Druckschrift: Siemens Forschung und Entwickl.-Berichte, Bd. 6 (1977), Nr. 5, Springer-Verlag 1977", Abstimmempfindlichkeit der Schaltzustände des Mach-Zehnder-Interferenzwellenleitermodulators" von P. Baues beschrieben. Hier erfolgt die Umschaltung durch kaskadierte Zweiwegschalter (Fig. 11), welche elektrisch ansteuerbar sind.

In Fig. 10 wird durch Einführung des Hilfsstrahlenteilers T _H dafür gesorgt, daß die Teillichtströme von der Aufspaltung im Strahlenteiler T₁ bis zur Wiedervereinigung in T₁ in beiden Umlaufrichtungen genau den gleichen Weg durchlaufen. Um eine Fortpflanzung in nur 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 Polarisationszustand 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 (Fig. 12). Die Bragg-Zellen T₂₂ und T₃₂ wirken hier als Einseitenbandmodulatoren. Wird z. B. die Zelle T₂₂ mit den Frequenzen f₁⁽¹⁾ bis f₁^(m) und die Zelle T₃₂ mit den Frequenzen f₂⁽¹⁾ bis f₂^(m) moduliert und im Zeitmultiplex angesteuert, so überlagern sich die Teillichtströme in T₁ nach Umlauf um die Flächen F₁ bis F _m derart, daß in ihnen zu verschiedenen Zeiten die Frequenzanteile f₀+f₁′+f₂′ bis f₀+ f₁^(m)+f₂^(m) enthalten sind. Die Frequenzen f₁⁽ⁱ⁾ und f₂⁽ⁱ⁾ (i=1 bis m) dürfen für gleiches i nur einen kleinen Unterschied aufweisen, damit in beiden Fällen die Teillichtströme in die Lichtwege L₁ bis L _m abgelenkt werden.

Entsprechend Gl. (3) gilt dann für die Drehungen der Lichtwege L₁ bis L _m 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 λ₀=633 nm=0,633×10^-6 m, n=1,5, l ⁽ⁱ⁾=2π× 0,15 m, F=0,15²×π m². Zur Messung der Ω _i muß das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors (D) einen maximalen Wert aufweisen. Dies sei z. B. der Fall für f₂′=30 MHz, f₂′′=50,000316 MHz, f₂′′′=70,0158 MHz. Eingesetzt in die Gl. (9) folgt daraus Ω₁=0, Ω₂=1 mrad/s, Ω₃=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 des Photodetektors D wird einer Regeleinrichtung RG zugeführt, aus der Regelsignale 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′ bis f₂^(m) -f₁^(m) an. Diese sind ein Maß für die Ω _i.

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 V _D und sodann in zeitlicher Aufeinanderfolge über Tiefpässen TP₁ bis TP _m Regeleinrichtungen R₁ bis R _m zugeführt. Hierdurch wird mindestens eine der beiden Gruppen von Frequenzen f₁′ bis f₁^(m) oder f₂′ bis f₂^(m) derart nachgeregelt, daß das Ausgangssignal des Photodetektors D einen extremalen Wert annimmt. Aus den Frequenzen f₁′ bis f₁^(m)-f₂′ bis f₂^(m) werden schließlich die Frequenzdifferenzen f₂′-f₁′ bis 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′′, f₁′′′ und die Bragg-Zelle T₃₃ gleichzeitig mit den Frequenzen f₂′, f₂′′, f₂′′′ moduliert. Die Frequenzen f₂′, f₂′′, f₂′′′ sollen mit den Wobbelfrequenzen f _H′, f _H′′, f _H′′′ frequenzmoduliert sein. Aus den Lichtwegen kommen dann gleichzeitig die mit den Frequenzen f₀+f₁′+f₂′, f₀+f₁′′+f₂′′ und f₀+f₁′′′+f₂′′′ modulierte Lichtsignale, wobei den f₂⁽ⁱ⁾ noch die Wobbelfrequenzen f _H ⁽ⁱ⁾ überlagert sind. Wählt man die Frequenzdifferenz jeweils zweier dieser Signale größer als die Bandbreite des auf den Photodetektor D folgenden Verstärkers V _D (Fig. 16), so entspricht das elektrische Signal am Ausgang von V _D der Summe der Lichtintensitäten I ⁽ⁱ⁾ (t). Dabei ist I ⁽ⁱ⁾ (t) 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

f₂⁽ⁱ⁾ (t) = f₂₀⁽ⁱ⁾ (t)+Δ f₂⁽ⁱ⁾sin (2π f _H ⁽ⁱ⁾ t+ϕ _H ⁽ⁱ⁾) (10)

so erhält man für I ⁽ⁱ⁾

Gleichung (11) wird in eine Fourier-Reihe entwickelt und nur die Frequenzanteile bei f _H ⁽ⁱ⁾ berücksichtigt: ( ⁽ⁱ⁾ (t) Spektralkomponente von I ⁽ⁱ⁾ (t) bei f _H ⁽ⁱ⁾)

wobei J₁ die gewöhnliche Besselfunktion erster Ordnung ist.

Für π f _H ⁽ⁱ⁾ τ _Li«1 gilt

Man wird daher f _H ⁽ⁱ⁾ genügend klein wählen, um das Argument von I₁ möglichst groß zu machen.

Durch Korrelation von

I = Σ I ⁽ⁱ⁾ (t) (14)

mit

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⁾-f₁⁽ⁱ⁾ und daraus werden die Ω ⁽ⁱ⁾ bestimmt.

Fig. 16 zeigt das Blockschaltbild der Regelschaltung zu Fig. 15. Die strahlenaufteilenden Modulatoren T₂₁ und T₃₁ werden mit den Frequenzen f₁⁽ⁱ⁾ und f₂⁽ⁱ⁾ der Generatoren G₁⁽ⁱ⁾ und G₂⁽ⁱ⁾ moduliert. Die Frequenzen f₂⁽ⁱ⁾ sind um den Mittelwert f₂₀⁽ⁱ⁾ gewobbelt, wobei Δ f₂⁽ⁱ⁾ der Frequenzhub und f _H ⁽ⁱ⁾ die Wobbelfrequenz ist. Die Generatoren G _H ⁽ⁱ⁾ erzeugen die Wobbelsignale. Die Generatoren G₁⁽ⁱ⁾ erzeugen die Frequenzen f₁⁽ⁱ⁾, die entweder feste Werte haben oder ebenfalls mit f _H ⁽ⁱ⁾ moduliert sind oder anstelle der f₂⁽ⁱ⁾ mit f _H ⁽ⁱ⁾ moduliert sind.

Das Ausgangssignal des Photodetektors D wird zunächst in V _D linear verstärkt, sodann in den phasenempfindlichen Gleichrichtern PG ⁽ⁱ⁾ mit den Wobbelsignalen der Frequenzen f _H ⁽ⁱ⁾ korreliert, so daß an den Ausgängen der PG ⁽ⁱ⁾ die Signale R ⁽ⁱ⁾ entsprechend Gl. (15) vorliegen. Daraus werden in bekannter Weise in den Schaltungen zur Regelsignalgewinnung RSG ⁽ⁱ⁾ Regelsignale zur Regelung der Mittelwerte f₂₀⁽ⁱ⁾ der Frequenzen f₂⁽ⁱ⁾ gebildet.

In den Fig. 17 und 18 sind weitere Möglichkeiten für die Aufspaltung bzw. Wiedervereinigung von Lichtströmen dargestellt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 17 wird der von der Lichtquelle Q ausgehende Lichtstrom über Einrichtungen T₄, T₅₁, T₅₂, T₅₃, 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 Teillichtströme 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 Lichtstrom zunächst in k Lichtströme und jeder der k Lichtströme sodann in eine Gruppe von weiteren Teillichtströmen aufgespalten. Die Summe aller Teillichtströme in allen Gruppen muß gleich 2 m sein. Die Aufspaltung in den Gruppen erfolgt in der Weise, daß einander zugeordnete Teillichtströme gebildet werden, welche jeweils einen Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Anschließend werden die Teillichtströme der Gruppen wieder zu k Teillichtströmen und die k Teillichtströme schließlich zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt, welcher auf den Photodetektor D weitergeleitet wird.

Die Anordnung gemäß Fig. 18 kann z. B. zur Messung der absoluten Drehung mehrerer Plattformen dienen, die völlig willkürliche und voneinander unabhängige Drehbewegungen ausführen.

Claims

1. Verfahren zur Messung absoluter Drehungen unter Verwendung eines Ringinterferometers, das

- eine monochromatische Lichtquelle, deren Lichtstrom in Teillichtströme aufgespalten wird,
- ein optisches Vereinigungsglied, in welchem die Teillichtströme nach dem Durchlaufen des Lichtweges interferieren und zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt werden, sowie
- einen Photodetektor, welchem der vereinigte Lichtstrom zugeleitet wird, aufweist,

dadurch gekennzeichnet

- daß m verschiedene Flächen (F₁-F _m) vorhanden sind, die von zugehörigen voneinander unabhängigen Lichtwegen (L₁-L _m) jeweils mindestens einmal umschlossen werden, wobei m2 ist,
- daß der von der Lichtquelle (Q) erzeugte Lichtstrom in 2 m Teillichtströme, von denen jeweils zwei einander zugeordnet sind, so daß m Teillichtstrompaare entstehen, aufgespalten wird,
- daß jeweils ein Teillichtstrompaar jeweils einem Lichtweg (L₁-L _m) zugeordnet wird, und jeder Lichtweg (L₁-L _m) von den zwei einander zugeordneten Teillichtströmen in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen wird,
- daß die 2 m Teillichtströme nach Durchlaufen der Lichtwege (L₁-L _m) zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt werden, welcher dem Photodetektor (D) zugeführt wird, und
- daß die m Teillichtstrompaare mit im Zeit- oder Frequenzbereich orthogonalen Signalen moduliert werden derart, daß eine multiplexartige Ansteuerung der Lichtwege (L₁-L _m) sowie eine multiplexartige Auswertung der Ausgangssignale ermöglicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitmultiplexverfahren angewandt wird, daß die Ausgangssignale des Photodetektors (D) über einen Verstärker (V _D) m Tiefpässen (TP₁-TP _m) zugeführt werden, derart, daß während eines Zeitintervalls, in dem ein bestimmter Lichtweg angesteuert ist, ein diesem Lichtweg zugeordneter Tiefpaß (TP₁-TP _m) mit dem Photodetektor (D) verbunden ist, und daß die Grenzfrequenz der Tiefpässe gleich 1/2τ _p gewählt wird, wobei τ _p die Periodendauer eines Umlaufs ist, bei dem alle Lichtwege in zyklischer Reihenfolge angesteuert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (Q) erzeugte 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, so daß Teillichtstrompaare entstehen, 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 Teillichtströme schließlich zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt werden, und dieser auf den Photodetektor (D) weitergeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (Q) erzeugte 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.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Lichtquelle (Q) erzeugte Lichtstrom 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 2 m ist, daß die Aufspaltung in den Gruppen in 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 vereinigt werden und dieser auf den Photodetektor (D) weitergeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillichtströme mit den Frequenzen f₁′(t) bis f₁^(m) (t) und den Frequenzen f₂′(t) bis f₂^(m) (t) derart moduliert werden, daß die einander zugeordneten Teillichtströme eine der Frequenzdifferenzen f₂′(t)-f₁′(t) bis f₂^(m) (t)-f₁^(m) (t) aufweisen, daß die Frequenzen f₁′(t) bis f₁^(m) (t) und/oder f₂′(t) bis f₂^(m) (t) derart geregelt werden, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) als Funktion von f₂′(t)-f₁′(t) bis f₂^(m) (t)- f₁^(m) (t) jeweils einen extremalen Wert annimmt und daß aus den für diesen Fall gültigen Beziehungen, wobei C₁′ bis C₁^(m) und C₂′ bis C₂^(m) Konstanten der zur Messung verwendeten Anordnung sind, durch Messung von Betrag und Vorzeichen von f₂′(t)-f₁′(t) bis f₂^(m) (t)-f₁^(m) (t) Betrag und Vorzeichen der Drehgeschwindigkeiten Ω′ bis Ω ^(m) bestimmt werden: Ω′ = C₁′[f₂′(t)-f₁′(t)]+C₂′ bis Ω ^(m) = C₁^(m) [f₂^(m) (t)-f-₁^(m) (t)]+C₂^(m).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der Lichtströme und der elektrischen Signale im Zeitmultiplex erfolgt, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) einem Verstärker (V _D) und sodann in zeitlicher Aufeinanderfolge über Tiefpässen (TR₁-TR _m) Regeleinrichtungen (R₁-R _m) zugeführt wird, durch welche mindestens eine der beiden Gruppen von Frequenzen f₁′ bis f₁^(m) oder f₂′ bis f₂^(m) derart nachgeregelt wird, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) jeweils einen extremalen Wert annimmt und daß aus den Frequenzen f₁′-f₁^(m) und f₂′-f₂^(m) die Frequenzdifferenzen f₂′-f₁′ bis f₂^(m)- f₁^(m) gebildet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillichtströme mit den Frequenzen f₁′ bis f₁^(m) und den Frequenzen f₂′(t) bis f₂^(m) (t) moduliert werden, wobei die Frequenzen f₂⁽ⁱ⁾ (t) um die Frequenz f₂₀⁽ⁱ⁾ mit dem Hub Δ f₂ und der Wobbelfrequenz f _H ⁽ⁱ⁾ frequenzmoduliert werden, daß die Teillichtströme um die Modulationsfrequenzen verschoben werden, derart, daß die einander zugeordneten Teillichtströme eine Frequenzdifferenz f₂⁽ⁱ⁾ (t)-f₁⁽ⁱ⁾ (t) aufweisen, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) verstärkt und mit m Signalen der Wobbelfrequenz f _H ⁽ⁱ⁾ korreliert wird, daß daraus m Regelsignale gewonnen werden, welche die Frequenzen f₂₀⁽ⁱ⁾ so beeinflussen, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) als Funktion der Frequenz f₂₀⁽ⁱ⁾ einen maximalen Wert annimmt und daß aus den für diesen Fall gültigen Beziehungen Ω ⁽ⁱ⁾ = C₁⁽ⁱ⁾ [f₂₀⁽ⁱ⁾-f₁⁽ⁱ⁾]+C₂⁽ⁱ⁾,wobei C₁⁽ⁱ⁾-C₂⁽ⁱ⁾ Konstanten der zur Messung verwendeten Anordnung sind, durch Messung von Betrag und Vorzeichen von f₂₀⁽ⁱ⁾- f₁⁽ⁱ⁾ Betrag und Vorzeichen der Drehgeschwindigkeiten Ω ⁽ⁱ⁾ bestimmt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Lichtströme sowie die Verarbeitung der elektrischen Signale im Frequenzmultiplex erfolgt, daß das Ausgangssignal des Photodetektors (D) einem Verstärker (V _D) 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 _H ⁽ⁱ⁾ (t) in phasenempfindlichen Gleichrichtern (PG′ bis PB ^(m)) korreliert werden, daß die korrelierten Signale (R′ bis R ^(m)) Einrichtungen zur Regelsignalgewinnung (RSG′ bis RSG ^(m)) zugeführt werden, aus denen Regelsignale abgeleitet werden.