DE2949327A1 - Optische anordnung zur bestimmung einer drehung fuer einen phasennullregelnden optischen kreisel - Google Patents

Description

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M 4171

MCDONNELL DOUGLAS CORPORATION, Long Beach, California 90486, V. St. A.

Optische Anordnung zur Bestimmung einer Drehung für einen phasennullregelnden optischen Kreisel

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Bestimmung einer Drehung und insbesondere die Verwendung einer solchen Anordnung in einem phasennullregelnden optischen Kreisel.

Mechanische Kreisel nach dem Stand der Technik sind für die meisten Anwendungen erhältlich; ihre hohen Kosten, lange Einlaufzeit, geringe Zuverlässigkeit und beschleunigungsbedingte Probleme machen eine Ausführung in Form von trägheitsempfindlichen Festkörpersystemen wie Laserkreiseln attraktiv. Bspw. muß ein Kreisel in einem Inertialnavigationssystem für bemannte Luftfahrzeuge die Funktionen der Navigation, Steuerung, Stützung des Waffenabschusses und der Aufklärung ausführen; hierzu muß er als Eingangsgröße eine Spitzenwinkelgeschwindigkeit von etwa 400Vs erfassen können, während die Instabilität seines Arbeitspunkts ("bias instabilty") besser als 0,01 Grad/std. sein sollte.Dieser

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ORIGINAL INSPECTED

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Bereich umfaßt etwa acht Größenordnungen und ist ein primäres Leistungsziel für Laserkreisel in Navigationsqualität. Sekundäre, aber dennoch wichtige Leistungsziele sind ein sich aus der Maßstabsfaktorstabilität, asymmetrie und -linearität zusammensetzender Maßstabsfaktorfehler von nicht mehr als 10 ppm, eine Beschleunigungsempfindlichkeit von nicht mehr als 0,01 Grad/h.g., eine Arbeitstemperatur von O⁰C bis 71°C (32⁰F - 160⁰P), eine Achsrichtungsinstabilität von nicht mehr als 10 Bogensekunden und die Fähigkeit, lineare Beschleunigungen bis 10g aushalten zu können.

Inertialsensorkonzepte auf der Basis von Einglasern haben bisher die beste Leistungsfähigkeit ergeben. Bspw. ist ein Ringlaserkreisel erhältlich, bei dem mit einem mechanischen, als "dithering" bekannten Verfahren die für Ringlaserkreisel bei geringen Drehgeschwindigkeiten charakteristischen Einrastprobleme umgangen werden. Obgleich dieser Kreisel die beste Leistung der bisher erhältlichen Kreisel zeigt, läßt das mechanische "dithering" nicht zu , die potentiellen Vorteile eines echten Festkörpersystems zu erreichen. Weiterhin ist dieser Kreisel auch groß und kostspielig, da er als Einheit aufgebaut ist und eine extrem hochwertige Optik verlangt. Der andere derzeit erhältliche Ringlaserkreisel basiert auf einem magnetoptischen Spiegel, der eine cnikd elektronische Vorbeaufschlagung von der Einrastzone hinweg bewirkt und einen Betrieb mit niedrigen Drehgeschwindigkeiten erlaubt. Diese Konstruktion ist kleiner und weniger kostspielig als

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der oben erwähnte Ringlaserkreisel. Ihre Leistung ist jedoch nicht so gut und ihre Kosten bleiben hoch, während kaum eine Aussicht auf eine Kostenreduzierung durch wirtschaftlichere Produktion zu bestehen scheint.

Man hat andere Laserkreisel vorgeschlagen - einschl. solcher Konstruktionen, in denen ein Paraday-Läufer als Vorbeaufschlagungselement in die Ringlaserkammer eingefügt ist. Die extreme thermische und magnetische Empfindlichkeit einer solchen Anordnung macht es jedoch fraglich, ob sie je weit genug entwickelt werden kann, um die oben erwähnten Leistungsziele zu erreichen. Weiterhin wird derzeit versucht, ein Mehroszillator-(4~Moden-)-Konzept auf der Basis eines Quarzkristalls zu realisieren, um rechts- und linksdrehend zirkulär polarisierte Moden in der Frequenz zu spalten und jede dieser Moden mit einem Faraday-Element erneut aufzuspalten. Dann mischt man jeder Gruppe der zirkulär polarisierten Lichtstrahlen, um eine Ausgangsgröße zu erhalten, die von der Drehgeschwindigkeit abhängt. Während dieses Mehroszillatorkonzept sich von den beiden oben erwähnten handelsüblichen Kreiseln unterscheidet, scheint kein Grund vorzuliegen, eine wesentliche Verringerung der Größe und der Kosten von einem System zu erwarten, das hinsichtlich m seiner optischen Bestandteile und der schließlich erfolgenden Anzeige komplizierter ist. Ee ist unwahrscheinlich, daß in der Zukunft einer der oben erwähnten Laserkreisel oder Konzepte die erwünschten Attribute der hohen Genauigkeit, geringen Größe und niedrigen Kosten erreichen

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Die US-PS 3.879.310 offenbart einen Ringlaserkreisel auf der Grundlage eines sättigbaren Absorber-Gaselements innerhalb des ßingraums, das potentielle Vorteile dahingehend bietet, daß sich eine ausgezeichnete ArbeitspunktStabilität infolge der Wirkung des sättigbaren Absorbergases erreichen läßt. Weiterhin erlaubt der Betrieb mit der bevorzugten 3,39/um-Linie des Helium-Neon-Gases, bei der der Verstärkungsfaktor extrem hoch ist, einen potentiellen kleineren Hochleistungsringlaserkreisel. Obgleich diese Konstruktion wettbewerbsfähige Vorteile gegenüber den derzeit in der Entwicklung befindlichen Ausführungen hat, leidet sie unter vielen der gleichen Probleme, die die Ringlaserkreisel nach dem Stand der Technik kennzeichnen, nämlich eine lange Entwicklungszeit, qualitativ hochwertige und damit teuere Optiken sowie eine fundamentale Größeneinschränkung infolge des Verstärkungsfaktors des als Lasermedium dienenden Neongases.

Im Gegensatz zu Ringlaserkreiseln sind Konfigurationen mit passivem Resonator ("cavity") erst seit kurzem untersucht worden primär deshalb, weil Einmodenfasern mit ausreichend niedriger Dämpfung erst seit kurzem verfügbar sind. Eine derartige Anordnung nutzt den Bandpassunterschied aus, der mit einem Etalon erzeugt und in zwei unterschiedlichen Richtungen mit in Gegenrichtung sich ausbreitenden Strahlen gemessen wird. Der Nachteil dieser Anordnung ist, daß es die Anforderungen für einen Navigations-

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kreisel nicht erfüllen kann infolge des begrenzten q-Wertes (bzw. der Pinesse) des realen Etalons. Mit Ausnahme dieses letzten Kreisels basieren sämtliche bekannte Untersuchungen an Laserkreiseln mit passiven Resonatoren auf sich in Gegenrichtung durch eine Einmodenfaserspule fortpflanzenden Strahlen.

Man hat nachgewiesen, daß sich Interferenzstreifenbilder erzeugen lassen, indem man zwei sich in Gegenrichtung ausbreitende Strahlen in einer Einmodenfaser spule mischt. Eine Drehbewegung der Faserspule ergibt eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Strahlen und folglich einer Änderung der Intensität des zentralen Streifens. Bei einer dieser Anordnungen wird mit Messungen der relativen Intensität die Drehgeschwindigkeit bestimmt; da es schwierig ist, Intensitätsmessungen genauer als auf etwa 0,01% durchzuführen, ist der Dynamikbereich dieser Anordnung begrenzt. Andere haben versucht, Einrichtungen zu entwickeln, mit denen sich der Phasenunterschied der in Gegenrichtung fortpflanzenden Strahlen besser auslesen läßt. Auch diese Anordnungen unterliegen grundsätzlich Einschränkungen in der Dynamik, da es sich im Prinzip um Analogmeßeinrichtungen handelt.

Aus dieser kurzen Übersicht der Vorrichtungen nach dem Stand der !Technik lassen sich zwei wesentliche Schlußfolgerungen ziehen. Zunächst werden Ringlaserkreisel, die sich seit fünfzehn Jahren in der Entwicklung befinden, in der näheren Zukunft keine wesentliche Größen- oder Kostenverringerung erfahren. Zweitens bieten

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Laserkreisel mit pssivem Resonator und insbesondere die mit Faseroptiken ohne erfinderischen Durchbruch wenig Hoffnung auf Leistungsniveaus der vorhandenen Ringlaserkreisel. Woran Bedarf "besteht, ist ein billig zu erstellender Festkörperlaserkreisel mit breitem Dynamikbereich, so daß langfristig seine Kosten und seine Größe es zulassen, ihn nicht nur für die hochwertigen Kreisel, die derzeit für Inertialführungssysterne erforderlich sind, sondern auch für alle Zwecke einzusetzen, in denen ein elektrisches Inertial-Anzeigesignal erforderlich ist.

In einer der einfachsten Formen der Erfindung in der Anwendung auf einem Kreisel wird Licht aus einer Einmoden-Einfrequenz-Laserdiode auf einen Strahlteiler gegeben. Ein Teil des Strahls wird dabei auf einen Detektor geworfen, der Amplitudenschwankungen des Laserausgangsstrahls erfaßt und diese Information auf ein elektronisches Rückkoppelsystem gibt, daß das Ausgangssignal normalisiert und auch den Ausgangsstrahl der Laserdiode regelt. Der zweite Teil des Strahls wird mit einem weiteren Strahlteiler erneut aufgeteilt; die beiden Teilstrahlen gelangen je auf ein Ende einer Lichtfaserspule, so daß sich in dieser zwei sich gegeneinander fortpflanzende Strahlen ausbilden. Dreht man die Spule um eine zur Spulenebene rechtwinklige Achse, ändern sich die relativen Weglängen der sich gegeneinander fortpflanzenden \ Strahlen. D.h. bei einer Drehung im Uhrzeigersinn verlängert sich¹ die Weglänge des im Uhrzeigersinn umlaufenden Strahls, während sich die Weglänge des im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Strahls

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verkürzt. Die beiden Strahlen laufen also nicht gleichphasig um; die Phasenverschiebung kann als Intensitätsänderung mit einem geeigneten Detektor erfaßt werden, nachdem der zweite Strahlteiler die beiden Strahlen wieder zusammengefügt hat. Ein Frequenzschieber, bei dem es sich um einen optoakustisohen Modulator handeln kann, ist an einem Ende der Lichtfaserspule so angeordnet, daß er sowohl den im Uhrzeigersinn als auch den im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Strahl moduliert. Auf diese Weise erzeugt man eine nicht reziproke Phasenverschiebung, die eine von der Drehung hervorgerufene Phasenverschiebung aufhebt. Das Signal, das erforderlich ist, um die durch die Drehung verursachte und mit dem aweiten Detektor erfaßte Phasenverschiebung auszunullen, wird in die elektronischenBückkoppelschaltung gegeben und arbeitet durch einen Integrator auf einen spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Ausgangsfrequenz es ändert. Diese Frequenzänderung ist die Ausgangsgröße der Anordnung und proportional der Änderung der Drehgeschwindigkeit .

Die phasennullregelnden Laserkreisel nach der vorliegenden Erfindung können mit Laser- oder Lumineszenzdioden, einem oder mehreren Frequenzschiebern, bei denen es sich um optoakustischen Modulatoren handeln kann, mit elektrooptischen Modulatoren, mit «wei piezoelektrischen Stoffen zur Erzeugung einer Doppelverschiebung angetriebene Reflektoren oder irgendwelchen anderen Vorrichtungen, die die Frequenz einfallenden Lichts ändern, sowie einer Feseroptikspule oder einem Glasblock mit reflektierenden Ober-

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flächen aufgebaut sein, die gemeinsam mit einer geeigneten Optik und Elektronik eine Ausgangsfrequenz bewirken, die einer Drehgeschwindigkeit proportional ist und in einer geschlossenen Regelschleife phasennullreguliert wird. Der vorliegende Kreisel kombiniert also die besten Eigenschaften der Laserkreisel mit aktivem und passivem Resonator (Frequenz-Ausgang bzw. Festkörperaufbau), umgeht aber deren Nachteile (Einrastband bzw. begrenzter Analog-Dynamikbereich). Weiterhin läßt sich ein schneller Fortschritt der Leistungsverbesserung und der Kostenverringerung "bei Laser- und Lumineszenzdioden sowie der faseroptischen Komponenten durch die gut dotierten Forschungsprogramme in der FernmeldeIndustrie erwarten. Die optoakustischen Modulatoren lassen sich im vorliegenden Kreisel zum Erreichen von hoher Leistung und breiter Dynamikbereiche einsetzen, während man ein digitales (im Gegensatz zu einem analogen) Ausgangssignal zur leichteren Einfügung in vorhandene Systeme erhält. Es lassen sich Vorkehrungen treffen, um durch die Frequenzdrift derLaserdiode und die Temperaturdrift der optischen Komponenten und Faseroptiken verursachte Fehler zu kompensieren bzw. in die Laser- bzw. Luminneszenzdiode optisch rückgekoppelte akustische Störungen weitestgehend zu isolieren.

Wie im folgenden gezeigt, ergibt diese Konfiguration einen faseroptischen Laserkreisel, der hohe Leistung bei geringer Größe und geringen Kosten biertet und eine Vielzahl von Systemanforderungen zu erfüllen gestattet. Dieser Kreisel kxnrk bietet den breiten Dynamikbereich und die Leistungsfähigkeit von Ringlaserkreiseln

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und nutzt gleichzeitig die verringerten Kosten und Größe von Teilen aus, die für das Gebiet der faseroptischen Nachrichtenübertragung entwickelt wurden. Die Verwendung von optoakustischen Modulatoren ergibt hohe Leistung und breite Dynamik. Normalerweise ist das Ausgangssignal des Systems digital, nicht analog, um es leichter in vorhandene Anlagen einkoppeln zu können. Hit elektronischer Rückkopplung wird das System im Sinne einer maximalen akustischen Isolierung bei der Erfassung der Drehbewegung optimiert. Schließlich sind Mittel vorgesehen, um die durch die Prequenzdrift des Laser verursachten Fehler zu ermitteln und zu kompensieren.

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Anordnung zur Erfassung einer Drehbewegung mit einer Lichtquelle, die einen ersten Lichtstrahl erzeugt, einer Einrichtung, die den ersten Lichtstrahl zu mindestens einem zweiten und einem dritten Lichtstrahl aufteilt und den zweiten und den dritten zu einem vierten Lichtstrahl wieder zusammenfügt, mit einer Einrichtung, die einen Portpflanzungsweg in Gegenrichtung für den zweiten und dritten Lichtstrahl um eine vorbestimmte Achse festlegt, um die herum die Drehbewegung bestimmt werden soll, mit einer Einrichtung, die eine nicht reziproke Phasenverschiebung zwischen dem zweiten und dritten Lichtstrahl erzeugen kann, und mit einer Einrichtung, die den vierten Lichtstrahl erfaßt und aus ihm ein Ausgangssignal erzeugt, das die Drehbewegung um die vorbestimmte Achse anzeigt.

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Die vorliegende Erfindung soll nun unter Bezug auf die "beigefügte Zeichnung anhand "bevorzugter Ausführungsformen ausführlich erläutert werden.

Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Pig. 1A ist eine schaubildliche Darstellung eines optischen Frequenzschiebers ;

Fig. 2A

2B sind graphische Darstellungen von Signalen, die beim Betrieb des Laserkreisels ohne bzw. mit Drehung als offener Hegelkreis auftreten;

Fig. 3A

3B

zeigen experimentelle Detektorsignale bei offenem Regelkreis, wobei die Fig. 3A die Erfassung der ersten Harmonischen bei 200 Hz und +20°/s, die Fig. 3B das Verschwinden der ersten Harmonischen, so daß bei fehlender Drehung nur die zweite Harmonische verbleibt, und die Fig. 30 die Erfassung der ersten Harmonischen bei -20°/S zeigen;

Fig. 4 zeigt experimentelle Daten aus einer sum Nachweis der Funktionsfähigkeit des Prinzips aufgebauten DemonstJMr-

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- 28 tionseinheit der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist eine Kurvendarstellung der parametrischen Leistung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit der Faserlänge ;

Fig. 6 ist ein vereinfachtes Diagramm zur Erläuterung eines Frequenzumschaltverfahrens, das sich für die vorliegende Erfindung einsetzen läßt;

Fig. 7A

7D zeigen die FrequenzumschaIt-Phasenzusammenhänfee der vor liegenden Anordnung "beim Betrieb als offener Regelkreis mit Hechteckmodulation;

Fig. 8 zeigt als Diagramm die bei der Verwendung eine» Umschaltverfahrens erfaßte Intensität;

Fig. 9 zeigt schaubildlich din Lichtpfad für einen geringfügig abgeänderten Kreisel nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 zeigt die Verwendung von Faraday-Elementen zur Verringerung der Laser-Rückkopplung; ι

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Pig. 11

11A

11B sind vergrößerte teilgeschnittene Einzelheiten von Einrichtungen, die Reflexionen vom Ende der pptischen Paser her abschwächen;

Pig. 12A 12B 120 12D sind schaubildliche Darstellungen von Einrichtungen, die bestimmte thermische Effekte im Ausgangssignal der Anordnung eliminieren;

Pig. 13A

13B sind schaubildliche Darstellungen der Lichtfaserspulen mit Einrichtungen, die gewährleisten, daß deren drehempfindliche Achse einwandfrei ausgerichtet ist;

Fig. 14-A zeigt ein Diagramm für die Nachführung mit optoakustisch modulierter Auslenkung, während die Fig. 14-B schaubildlich eine Einrichtung zum Eliminieren der optoakustischen Modulatorauslenkung zeigt;

Pig. 15 ist ein Schaltbild einer Digit al schaltung, die die Elektronik der vorliegenden Erfindung darstellt;

Pig. 16 ist eine Draufsicht des vorliegend vorgeschlagenen Laser— kreiseis innerhalb eines optischen Faserrings mit einem Durchmesser von 127 mm (5 in.);

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- 30 Pig. 1? iat eine Perspektivdarstellung der Anordnung der Fig. 16;

Pig, 18 ist eine Draufsicht des Kreiselsystems, dessen meisten Teile auf einem einzigen IC-Chip aufgebaut sind;

Pig. 19 zeigt eine Ausführungsform des vorliegend vorgeschlagenen Laserkreisels mit dem nichtauslenkenden System der Pig. 14B;

Pig. 20 zeigt eine weitere, der der Pig. 19 ähnlichen Ausführungsform ;

Pig. 21 zeigt schematisiert eine sehr kostengünstig zu erstellende Ausführungsform der Erfindung, die auf Druckeffekten in der optischen Paser "basiert;

Pig. 22 zeigt schematisiert eine sehr kostengünstig zu erstellende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die auf Paradayeffekten in der optischen Paser basiert;

Pig. 23 zeigt eine Strahlteileranordnung, die aus der Paser in einer Lichtfaserspule hergestellt ist; und

Pig. 23A ist eine Einzelheit des eigentlichen Strahlteilers der Pig. 23.

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In der Fig. Λ "bezeichnet das Bezugszeichen 20 eine einfache Form eines phasennullregelnden Laserkreisels als Blockdiagramm. Der Kreisel 20 weist einen Laser 22 auf, dessen Ausgang ein Lichtstrahl 24 ist, der eine einzige Frequenz habenkkann, obgleich auch breitbandige und Mehrfach-Licht quell en möglich sind. Der Strahl 24 ist auf einen Strahlteiler 26 gerichtet, der den Strahl zu zwei Teilstrahlen 28, 30 aufteilt. Der Teil 28 des Strahls 24 ist auf das lichtempfindliche Element eines Intensitätsdetektors 32 gerichtet, der ein elektrisches Aus gangs signal 34- abgibt, das den externen Laser-Intensitätsschwankungen des auf den Detektor 32 fallenden Strahls 28 entspricht und das Korrektursignal zu normalisieren gestattet, wie im folgenden zu beschreiben sein wird, sowie eine Bückführsteuerung des Lasers 22 erlaubt. Der andere Teil 30 des Strahls 24 ist auf einen zweiten Strahlteiler 36 gerichtet, der den Strahl 30 zu zwei Strahlen aufteilt, und zwar einen im Ohrzeigersinn umlaufenden Strahl 38 und einem im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Strahl 40. Der Uhrzeigerstrahl 38 ist auf ein Ende 42 einer Lichtfaserspule 44 gerichtet, die in ;

bestimmten Fällen durch einen Glasblock mit refelktierenden Ober-j

flächen oder eine Serie von Spiegeln ersetzt werden kann, um \ einen geeigneten Lichtweg aufzubauen. Der Strahl 38, der in der : Darstellung der Fig. 1 im Uhrzeigersinn die Spule 44 entlang ;

läuft, tritt am entgegengesetzten Ende 46 der Spule 44 wieder aus, wird von einem Spiegel 47 auf einen Frequenzschieber 48 geworfen und läuft durch den Strahlteiler 36 auf einen zweiten De- ! tektor 50; der Spiegel wird nur benötigt, wenn das Ende 46 nicht

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auf den Detektor 50 ausgerichtet ist. Der Gegenuhrzeigerstrahl 40 durchläuft zunächst den Frequenzschieber 48 und wird dann vom Spiegel 47 auf das Ende 46 der Spule 44 geworfen, von wo er im Gegenuhrzeigersinn durch die Spule 44 läuft, am Ende 42 wieder austritt und vom Strahlteiler 36 ebenfalls auf den Detektor 50 gerichtet wird. In der Spule 44 liegen also sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzende Strahlen unterschiedlicher Frequenz vor. Es gibt Teile jeweils eines Strahls durchlaufen die gleiche Weglänge, sofern die Spule 44 nicht gedreht wird. Der Frequenzschieber 48 hat zwei Effekte. Indem die Frequenz eines Strahls relativ zu der des anderen in der Spule 44 geändert wird, entsteht eine nichtreziproke Phasenverschiebung, die dazu genutzt werden kann, infolge der Drehung der Spule 44 auftretende Phasenverschiebung auszugleichen. Weiterhin kann der Frequenzschieber 48 ein Mittel darstellen, um eine relative Phasenschwingung bzw. eine Phasen-modulation ("phase dither") zwischen den Strahlen 38, 40 zu erzeugen, mit der sich das phasenempfindliche Verfahren der Wechselgrößenerfassung nach der Fig. 2A, 2B durchführen läßt.

Wird die Spule 44 um ihre Achse 52 gedreht, die rechtwinklig zu der Ebene verläuft, in der die Spule 44 liegt, ändern sich die relativen Weglängen der sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen 38, 40; bei einer Drehung im Uhrzeigersinn der Spule verlängert sich die Weglänge des Uhrzeiger-Strahls 38, während die Weg- i länge des Gegenuhrzeiger-Strahls 40 sich verkürzt. Die beiden Strahlen 38, 40 erfahren also eine nichtreziproke Phasenverschie-

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bung infolge der Drehung, und die Phasenverschiebung läßt sich mit dem Detektor 50 als Intensitätaänderung erfassen. Das Signal ist die erste Harmonische der sinusförmigen Phasenschwingung, deren Amplitude proportional der Änderung der Drehgeschwindigkeit ist, wie die Fig. 2B zeigt. Der Detektor 50 gibt ein elektrisches Ausgangssignal ab, das proportional der Intensitäts änderung ist. Dieses elektrische Signal wird auf der Ausgangsleitung 54 gemeinsam mit dem Ausgangssignal des Detektors 32 auf einen elektronischen Rückführkreis gegeben.

Die Rückführschaltung 56 wertet das Signal auf der Ausgangsleitung 34- aus, um den Laserausgang und den Signalpegel der Schwankungen am Ausgang des Lasers 22 nachzustellen; im abgeglichenen Zustand entspricht das Signal auf der Leitung 54- der augenblicklichen Änderung des Betrags der Drehung der Spule 44 um die Achse 52. Die Rückführschaltung 56 enthält einen Synchrondemodulator, der das elektrische Signal gleichrichtet und tiefpassfiltert. Dieses Ausgangssignal, das die Drehgeschwindigkeitsänderung der Spule 44 darstellt, wird auf der Ausgangsleitung 58 auf einen Integrator 60 gegeben, dessen Ausgangsspannung proportional der Drehgeschwindigkeit ist und dazu dient, einen spannungsgesteuerten Oszillator 62 zu steuern. Eine Änderung des Signals am Ausgang 54 steht im Zusammenhang mit der Drehung der Spule 44, nicht den Änderungen des Laserausgangs 22 und ergibt eine Frequenzänderung am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 62. Diese Ausgangsfrequenz geht auf den Ausgang 64 des Laserkreisels 20

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und zeigt die Drehung des Kreisels 20 um die Achse 52 an. Wiiterhin wird die Ausgangsfrequenz des Oszillators 62 auf den Frequenzsehieber 48 gegeben. Der Frequenzschieber 48 ändert danach die nichtreziproke Phasenverschiebung so, daß eine durch eine Änderung der Drehgeschwindigkeit der Spule 44 erzeugte Phasenverschiebung ausgeglichen wird. Das Signal, das erforderlich ist_f um eine Phasenverschiebung am Detektor 50 zu kompensieren, wird also von der elektronischen Riickführschaltung 56 erzeugt; das System arbeitet folglich als geschlossener Regelkreis, wobei die Inertialinformation am Ausgang 64 ansteht und auch zum Schließen des Kreises dient. Dieser Ansatz, bei dem mit einem Regelkreis eine etwaige Phasenverschiebung ausgeregelt wird, verringert erheblich den für den Detektor 50 erforderlichen Dynamikbereich. Obgleich bei dem hier beschriebenen Verfahren die erste Harmonische zur Messung der Drehgeschwindigkeit ausgeregelt wird, ist es ebenso möglich, zum gleichen Zweck die zweite Harmonische auszuregeln.

Die unten ausgeführten Gleichungen zeigen, daß man durch geeignete Wahl des Arbeitspunkts (" bias point") für die Phasenmodulation entweder die erste oder die zweite Harmonische als Fehlersignal zum Ausregeln der durch die Drehung verursachten Effekte ausnutzen kann. Nan betrachte zunächst den Fall, daß die Phasenmodulation zentriert ist auf denjenigen Punkt, an dem die relative Phasendifferenz der sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen am Detektor 50 null ist, wie in Fig. 2A gezeigt. Die Intensität I,

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die der Detektor in diesem Fall sieht, läßt sich ausdrücken zu (I + Zcos(0 einigt)); in diesem Ausdruck ist K eine Konstante 0 die maximale Amplitude der Phasendifferenz und v> die Frequenz der Phasenmodulation. Der Ausdruck kann entwickelt werden zu

0^ jj

I + Kcos(0 sin t) + K(1 + ...)

° 2I 4l

so daß nur gradzahlige Harmonische vorhanden sind. Für Werte

0 c 1^/2 ist die zweite Harmonische der dominante Wechselterm. ο —

Wird der Mittelpunkt der Phasenmodulation aus dem Nullpunkt um C ^β (-ig + S-Q +S]t verschoben, wobei<f_R der Versatz infolge der Drehung, $-q die Einstellbare Vorphase (" bias offset") und d~™ der Phasenversatz infolge der Frequenzdifferenz zwischen den sich gegeneinander ausbreitenden Strahlen ist, läßt sich die Intensität im Detektor 50 sich schreiben als cos(0 sin UT +S^ ^und entwickeln zu

Kcos(O_osinv0t +<?)) « K(cos(0_osinvCJt)

- sin(0_osin*> t)sincT)

Der erste Turm in (2) ist gleich dem Ausdruck (1), multipliziert um den konstanten Koeffizienten cosvC, und enthält nur gradzahlif; harmonische Terme wie bereits erwähnt. Der zweite Turm der Gl. (2) ist ein konstanter Term -sin^ , der mit sin (0 sin\2t) malti-

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pliziert wird. Dies läßt sich entwickeln zu

(3) O^sin⁵^ t

sin(O sinvJt) « O sin ¹^t
⁰ °

Man sieht, daß dieser Term nur ungradzahlige Harmonische beiträgt und daß für O_Q /i 1172 der Wechselterm der ersten Harmonischen do miniert. Pur diese spezielle Anordnung läßt sich also die erste Harmonische, die von einer Änderung der relativen Phase /)·* infolge einer Änderung der Drehgeschwindigkeit verursacht wird, als Fehlersignal benutzen, das man auf null regeln kann, indem man (^- /^ - £·$ " ° bzw., was das gleiche ist, ^ρ ■ ^_R fordet. Alternativ kann man die Phasenauslenkung auf £_B ■ ΤΓ/2 setzen; die relative Phasenverschiebung am Detektor 50 in Gl. (2) reduziert sich dann auf die Form der Gl. (3) mit nur ungradzahligen Harmonischen, wobei das Ausgangssignal des Detektors 50 insbesondere von der ersten Harmonischen geliefert wird, wenn keine Drehung erfolgt. Phasenverschiebungen 5 g infolge der Drehung führen zum Auftreten von gradzahligen Harmonischen und insbesondere der zweiten Harmonischen wie in der Gl. (1); diese kann auf null geregelt werden, indem man verlangt, daß ^j, » ^/sodaß * <5r ⁺ <5f + ^B - Si - ^v/2 ist.

Die Streifenverschiebung infolge der Drehung des Kreisels 20 ist j ! gegeben durch

j I

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- 37 (4) Δ z_R = 2J1 ~

wobei & Zg die durch die Drehung verursachte Streifenverschiebung, J2. die Winkeldrehgeschwindigkeit des Systems 20 in rad/s, L die Länge der Faseroptikspule 44, E der Radius der Spule 44, λ. die Ausgangswellenlänge des Lasers 22, η der Brechungsindex der Glasfaser in der Spule 44 und c die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum sind.

Änderungen der Streifenlage infolge der Drehung lassen sich mit dem Frequenzschieber 48 kompensieren. Die RnqnsHnJm: Kompensation der Streifenlage läßt sich ausdrücken zu

(5) Λ Z

wobei Δ Ζ™ die Differenz der StreifenverSchiebung infolge einer Frequenzdifferenz Af zwischen den sich gegeneinander ausbreitenden Strahlen 38>4-O in der Lichtfaserspule 44 mit einer zeitlichen Verzögerung Δ t^ ist.
(4) und (5) ergeben

f « 2 Sc R

mit Δ f in (Hz) und ΐί. in (rad /s). Kleine Fehlerterme infolge der

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Wellenlänge, des Brechungsindex und der Dispersionsunterschiede in den zwei gegeneinanderlaufenden Strahlen 38, 40 sind dabei vernachlässigt.

Die Gl. (6) zeigt, daß die Frequenzverschiebung Af, die man "braucht, um eine Drehgeschwindigkeit^? zu kompensieren, nicht von der Länge der Lichtfaserspule 44 abhängt. Bspw. würde eine bei *» 0,84/um in einem Kreisel 20 mit einer Glasfaserspule (n = 1,46) und einem Eadius von 6,35 cm eine GaAlAs-Laserdiode

f(Hz) = 1

ergeben. Ein solcher Kreisel 20, der zwischen +400°/s arbeiten soll, würde einen spannungsgesteuerten Oszillator oder Frequenzsynthesizer 62 mit einer Bandbreite von 1,4 MHz erfordern, die sich mit den derzeit erhältlichen Bauelementen leicht erreichen läßt; die Anforderungen lassen sich durch Verwendung eines Frequenzvervielfachers jedoch noch verringern.

Die Genauigkeit eines Kreisels 20 über einen gewissen Drehbereich hängt von der Fähigkeit des Systems ab, kleine Streifenverschiebungen & ζ zu erfassen und auszuregeIn. Die Streifenverschiebungen sind proportional der Länge der Faser in der Spule 44. Experimentell sind Streifen mit 4,7 χ 10 bei 0,63 ohne akustische Isolierung aufgelöst worden. Genauere Experimente nahe der Schrot-

—8
rauschgrenze haben 2,0 χ 10 Streifen aufgelöst. Bei dieser Auflösung, λ- » 0,84/um, R - 6,35 cm und einer Fas er spulenlänge

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L β 4CX)O m ist die geringste erfaßbare DrehgeschwindigkeitSl

Das Kreiselsystem 20 der Fig. 1 wurde auf einem Drehtisch ("rate table") mit einer Spule aus Einmodenfaser von 100 m Länge und einem Durchmesser von 27 cm angeordnet. Der Laser 22 war ein Einfrequenz- He-Ne-Laser, während es sich bei dem Frequenzschieber 48 um einen optoakustischen Modulator mit einer Mittenfrequenz von 50 MHz und einer Bandbreite von 10 MHz handelte. Die Frequenz des optoakustischen Modulators wurde so eingestellt, daß die sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen 38, 40 auf dem Detektor 50 ohne Drehung gleichphasig waren. Die relative Phase der beiden Strahlen 38, 40 wurde bestimmt, indem der Modulator 48 über einen Bereich von 100 kHz mit einer Geschwindigkeit von 200 Hz gewobbelt wurde. Wenn die Strahlen 38, 40 gleichphasig sind, entsteht nur ein zweites Harmonischensignal, wie in den Fig. 2A, 2B gezeigt. Läßt man den Kreisel 20 als offenen Kreis arbeiten, indem man die Rückführung auftrennt, erhält man bei Drehung ein Signal entsprechend der ersten Harmonischen, dessen Amplitude und Phase von der Richtung und Geschwindigkeit der Drehung abhängt, wie in den Fig. 2B, J>k und 30 gezeigt. Schließt man den Kreis, erfaßt der Kreisel 20 die Amplitude und Phase der ersten Harmonischen als auf null zu regelndes Fehlersignal. Mife einem Frequenzzähler (nicht gezeigt) wurde die Ausgangsfrequenz des Oszillators 62 gemessen. Die Fig. 4 ist ein Diagramm der mit der Testeinheit über einen repräsentativen Be-

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reich von Drehgeschwindigkeiten zum Vergleich mit den Rieoretischen Werten der Gl. (6) erhaltenen Ergebnisse. Die vertikal von den Datenpunkten abstehenden Fehlerstriche stellen das Rauschniveau des Systems infolge der Rest-FM des Oszillators 62 dar. Dieses Rauschen begrenzte die Erfaßbarkeit der Drehung am unteren Ende auf 0,5⁰Zs. Die Beruhigungszeit des Drehtischs und das Aufwickeln der Instrumentationskabel begrenzte die brauchbaren Daten nach oben auf 30 /s.

Der Frequenzschieber 48, der üblicherweise ein optoakustischer Modulator ist, läßt sich durch andere Einrichtungen wie einen elektrooptischen Kristall, dessen Einsatz als Frequenzschieber bekannt ist, oder einen Rückstrahler 48a auf einem piezoelektrischen Material 48b sein, um Dopplerverschiebungen zu erzeugen. Eine solche Modifikation ist in der Fig. 1A gezeigt, wobei ein Dreieckspiegel 48 c die Strahlen zum Rückstrahler 48a lenkt. Das der Rückstrahler 48a zum Spiefeel 48c und von ihm weg hin- und herbewegt wird, lassen sich den Strahlen Frequenzwarschiebungen nach Wunsch aufprägen. Die Form der Spannungswelle, mit der das piezoelektrische Material 48 b erregt wird, bestimmt die Frequenzauslenkung Af. Bspw. kann man ein konstantes Af- mit Ausnahme kleiner Intervalle, die elektronisch abgeschnitten werden können - simuliert werden, indem man eine Sägezahnspannung anlegt, deren Steigung mit einem (nicht gezeigten) Rückführsysteib aus der Frequenzdifferenz zwischen dem Ausgang f des Frequenzschiebers und einer Sollfrequenz f' ( mit einem nicht gezeigten

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Mischer ermittelt) präzise geregelt wird. Weiterhin kann man eine ähnlihe Wellenform dazu verwenden, den gleichen Effekt erzielen, wenn ein elektrooptischer Kristall eingesetzt wird. Ein zusätzlicher Detektor 48d mit zugehörigem Spiegel 48e und Strahlteiler 48f dient zur Überwachung der Punktion des piezoelektrischen Materials 48b.

Im folgenden soll die Leistungsverbesserung des Kreisels 20 durch Eliminieren von Fehlern und Stör- bzw. Rauscheinflüssen derart, daß man die gewünschte Genauigkeit und auch große Dynamik erreicht, beschrieben werden. Die Fig. 5 zeigt die berechneten Streifen- und Prequenzverschiebungen über den interessierenden Winkelgeschwindigkeitsbereich für einige typische Parameter des Kreisels 20. Zusätzliche Genauigkeit läßt sich erzielen, indem man die Auflösung der Erfassungselektronik verbessert, wie beschrieben werden wird, indem man weiterhin die Paserspule 44 verlängert oder deren Radius vergrößerte Da Einmoden-Lichtfasern

ο mit einer Dämpfung von 2,5 dB/km bei 8400 A erhältlich sind und über Entwicklungstypen mit einer Dämpfung von weniger als 0,7 dB/km bereits berichtet worden ist, besteht die Möglichkeit extrem genauer Anordnungen aus einer Kombination längerer optischer Fasern mit einer verbesserten Erfassungselektronik.

Die beiden sich gegeneinander fortpflanzenden Lichtstrahlen 38, 40 sind so vorgesehen, daß sie am Detektor 50 um 180° phasenverschoben sind, wenn auf den Frequenzschieber 48 keine Modulations-*·

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frequenz gegeben wird und keine Drehung um die Achse 52 stattfindet. Um das Rückführungsrauschen des Lasers zu reduzieren, kann man die beiden sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen 38, 40 mit dem nichtreziproken Effekt des Frequenzschiebers 48 so voreinzustellen, daß sie genau gleichphasig sind, um die in Fig. 2A gezeigte Welle zu erzeugen. Diese Betriebsfrequenz entspricht dann der Drehgeschwindigkeit null. Die FrequenzverSchiebung ist der Drehgeschwindigkeit proportional.

Die Sinusmodulation läßt sich durch eine Hechteckwellen- "bzw. Sprungmodulation ersetzen. Im letzteren Pail wird der Frequenzschieber 48 wiederholt umgeschaltet, indem man der Grundfrequenz f^ eine Änderung + 5"f und - 5"f hinzufügt. Die Fig. 7 zeigt die relative Phasenlage der beiden Lichtstrahlen 38, 40 in diesem Zustand. Die Pig. 7A, ?G gelten für den Fall fehlender Drehung der Spule 44 um die Achse 52. Die Pig. 7B, 7D zeigen die Situation, in der eine Drehung eine nichtreziproke Phasenverschiebung &0_R verursacht. Wird die Spule 44 gedreht, vergrößert sich die relative Phasendifferenz zwischen den Strahlen 38, 40 in der einen Betriebsart (bspw. bei +ftf) zu einer Gesamtphasenänderung Δ0_Τ+ »Δ0 +Δ0_Ει während in der anderen Betriebsart (d.H. bei -Sf) sichA0_T_ -Δ0 - Ä0_E ergibt, wobei A 0 die linsenverschiebung infolge A f und A 0n die Phasenverschiebung infolge der Drehung sind. Beim Umschalten der Modulationsfrequenz ist also die Gesamtdifferenz der Intensitäten der kombinierten Wellen proportional 4 0m. - Δ 0™ - 2Δ0γ>· Indem man eine kompensierende

it J."· XL

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Prequenzdifferenz Af_R einführt, läßt sich also jede Ampiltudenänderung der resultierenden Welle infolge der Drehung aufhebeα. Die von der von der Modulation erzeugten Wellenform verursachte Amplitude geht also nach null, wie die Fig. 8 zeigt. Bie Frequenzänderung +_ ^f läßt sich elektronisch schalten und herstellen, indem man die Trägerfrequenz f mit sin(2fT£ft) und cos(21it)ft) mischt, um (f + ^f) zu erzeugen, bzw. Ϊ mit -sin(2If^ft) und cos (2H$ft) mischt, um (f - ^f) zu erzeugen, und zwar in einem Einseitenband (ESB)-Mischer 150, wie die Fig. 15 zeigt.

Eine Betriebsart, die diesem Schaltbetrieb ähnlich ist, ergibt sich aus der Verwendung eines Impulslasers oder einer impulsbetriebenen Lumineszenzdiode 22. Das Impulsschalten der Diode 22 wird dabei mit den Extreme der Auslenkung der Modulationsgröße synchronisiert und die resultierenden Phasendifferenzen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen auf die gleiche Weise behandelt, wie oben zur Fig. 7 und 8 beschrieben. Die Vorteile des Impulebetriebs ergeben sich aus einer breiteren Auswahl von Lichtquellen, einer verlängerten Lebensdauer, einer geringeren durchschnitt- j liehen Verlustleistung und einem höheren Rauschabstand.

Eines der schwerwiegenden Probleme, die bei einer Laβer/Lichtfaser-Anordnung auftreten kann, wird durch eine Rückkopplung von den optischen Bauteilen oder der Lichtfaser in die Lichtquelle (insbesondere Laser oder Lumineszenzdioden) hinein hervorgerufen. Der vorliegende Kreisel 20 ist so aufgebaut, daß sich die Laser-

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lichtquelle wirkungsvoll entkoppeln läßt, und es lassen sich unterschiedliche Verfahren anwenden, um diese Merkmale im Sinne einer "besonders hohen Leistungsfähigkeit zu optimieren. TJm zu erläutern, wie eine Rückkopplung in den Laser 22 infolge der durch die Faserspule 44 sich gegeneinander fortpflanzenden Lichtstrahlen 38» 40 auftreten kann, sei der Kreisel 20' der Fig. 9 betrachtet, bei dem der Frequenzschieber aus zwei optoakustischen Modulatoren 70, 72 besteht, die jeweils aⁿ einem Ende 42 bzw. 46 der Lichtfaserspule 44 angeordnet sind. Bei der gleichen Arbeitsmittenfrequenz f und einer Vörfrequenz f.» 0 ergibt sich die Phasenverschiebung der in den Laser 22 unmittelbar zurücklaufenden Strahlen 74 zu

/"ccw= Gegenuhrzeigersinn; cw= Uhrzeigers inn^/⁷"

⁰ccw -⁰E⁺⁰P ^{+ 0}O? ^ ⁰cw ^{= 0}T ^{+ 0}T ^{+ 0}P ^{+ 0}R

wobei 0TJ die Phasenänderung infolge der Spiegelung am mehrschich tigen dielektrischen Strahlteiler 36, 0p die Phasenänderung infolge des Durchlaufens der Faserspule 44 und der optoakustischen Modulatoren 70, 72 und 0™ die Phasenänderung infolge des Durchgangs durch den Strahlteiler 36 sind. Es gilt also 0_Λ1_ » 0_ΛΛ«

CW CCW

und die beiden Strahlen verstärken einander, so daß die gesamte Leistung in den Laser 22 zurückgeführt wird. Das Licht im Strahl 76 zum Detektor 50 besteht aus:

^{(9) 0}ccw "⁰R⁺⁰P⁺⁰R ^ ⁰Cw "⁰T⁺⁰P⁺

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ORIGINAL

- 45 und 0_ - 0„„-. = 2(0m - 0p) = || ,da ein heller Streifen im

CW C C VV -L -E^

Strahl 74 einen dunkeln Streifen im Strahl 76 ergibt. Es wird darauf verwiesen, daß hier die Verwendung von Strahlteilern aus Metall vorteilhaft sein kann, wobei der Unterschied der Phasenverschiebung bei der Transmission und der Reflexion so gewählt sind, daß das System 20 eine geeignete Vorphase erhält..Um den Laser 22 zu entkoppeln, ist erwünscht, die optoakustischen Modulatoren 70, 72 mit einer festen Vorfrequenz f-g zu betreiben, die ausreicht, um zwischen den sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen 38, 40 eine Phasenverschiebung von "Π einzustellen. In diesem Fall wird ein Dunkelstreifen in den Laser 22 zurückgeschickt, während der Hellstreifen zum Detektor 50 gelangt. Infolge der Wirkung des Kreisel 20¹, durch die Drehung der Spule verursachte Änderungen auszuregeIn, wird das System in seinem stabilsten Zustand gehalten. Der andere wesentliche Vorteil einer Verwendung der optoakustischen Modulatoren gem. Fig. 9 ist, daß von den optischen Komponenten in der Nähe der Lichtfaserspule 44 in den Laser 22 rückgekoppeltes Licht um 2f verschoben erscheint, wenn zwei Modulatoren symmetrieeheauf den Seiten der Faserspule angeordnet werden, wie in Fig. 9 gezeigt, wobei f„ die Trägerfrequenz der optoakustischen Modulatoren 70, 72 ist. Indem man das Streulicht von der Emmissionsfrequenz der Laserlichtquelle entfernt, läßt sich das Rückkoppelrauschen erheblich abschwächen.

Es wird darauf verwiesen, daß eine Anordnung mit nur einem opto-

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akustischen Modulator, wie in Fig. 1 gezeigt, das gleiche Ergebnis erbringt, da eine feste Vorfrequenz fg erzeugt werden kann und das Streulicht ebenfalls frequenzverschoben erscheint, obgleich hier um f * nicht um 2f„. Einer der Hauptvorteile der Ver-

C C

Wendung von zwei optoakustischen Modulatoren ist, daß beide mit der gleichen Trägerfrequenz angesteuert und so angeordnet werden können, daß Fehler in f keine Fehler der Ausgangsgröße des Ereisels 20 ergeben. Die Fig. 9, 18, 19 und 20 zeigen eine solche Konfiguration.

Weiterhin kann man eine Anzahl optischer Elemente anwenden, um das durch die Laserrückkopplung erzeugte Störniveau zu senken. Bspw. kann man das Licht aus der Laserdiode 22 durch ein kleines Nadelloch 77 (Fig. 9) fokussieren; indem man dann die Koppellinsen 78a, 78b defokussiert, wird zum Laser 22 zurück gerichtetes Licht am Nadelloch 77 gestreut, so daß das den Laser 22 erreichende fiücklicht erheblich abgeschwächt wird. Ein zweites, einfacheres Verfahren ist, ein Filter 79 neutraler Dichte hinter den Laser 22 zu schalten (Fig. 16). Ist T der Transmissionsgrad des Filters 79» ist die Streurückkopplung zur Lichtquelle 22 schwächer als T , d.h. schwächer als T, weil T<1. Die rückgekoppelte Intensität ist also schwächer als das Signal selbst. Schließlich kann man ein verfeinertes Verfahren anwenden, das die Fig. 10 zeigt; dort ist eine faseroptische-Faraday-Einwegleitung eingesetzt. Diese Einwegleitung weist eine toroidförmige Windung 80 auf einer zweiten Faserspule 44 χ auf, durch die ein geeigneter Strom ge-

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schickt wird, um in einer Richtung eine Polarisationsdrehung um 4-5° einzuprägen. Indem man einen polarisierten Strahlteiler 82 in den Weg des zum Laser 22 zurücklaufenden Strahls legt, läßt sich eine Rückdämpfung im Verhältnis 1000:1 erreichen. Der polarisierte Strahlteiler 82 refelktiert den rücklaufenden Strahl auf einen Absorber 84 infolge einer Polarisationsänderung, die auftritt, wenn der Strahl durch die Spule 44x in den Kreisel eintritt, gestreut wird und durch die Spule 44x zurückläuft.

Um eine optimale Kopplung zu erreichen, muß das Licht aus dem Laser 22 präzise auf die Enden der optischen Paser fokussiert werden.

Wenn die Faserenden rechtwinklig zur Achse der Eingangsstrahlen liegen, erfolgt eine Rückstreuung an zwei Stellen, nämlich von der vorderen Stirnfläche der Faser seihst und durch Spiegelung am entgegengesetzten Faserende, da das Licht die Faser entlang läuft und dort reflektiert wird. Es gibt eine Anzahl Wege, dieses Problem zu eliminieren- einschl. des Spaltens oder Polieren der Faserenden unter einem Winkel. Die Fig. 11 zeigt, wie die Faser 86 in eine Abschlußzwinge 87 eingegossen ist, die mit Epoxymaterial 87a unter einem gewünschten Winkel gehalten wird. Das Epoxymaterial 87a und die optische Faser 86, die über die Stirnfläche 87b der Zwinge 87 hinaus vorstehen, werden abgeschliffen und poliert, so daß man eine optisch hochwertige Oberfläche unter dem gewünschten Winkel 87c erhält. Alternativ hierzu zeigt die Fig.11a

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die Faser 86 so zu lagern, daß ihr Ende 88 in einer Ausnehmung 90 liegt, die mit einer Indexanpaßflüssigkeit ist. Die AusnelUnung 90 ist mit einem optisch hochwertigen Fenster 94· abgeschlossen, das unter einem Winkel 87c zum Faserende 88 liegt, Die Fig. 11B zeigt eine weitere Möglichkeit. Hier ist das Faserende 88 mit einem optischen Kleber 98 in die Eollage festgelegt worden, wobei die Indexanpaßflüssigkeit 92 entfällt.

Optische Einmodenfasern wie die Faser 86 sind zu einem gewissen Grad doppelbrechend. Diese Doppelbrechung läßt sich im vorliegenden Kreisel 20 mit optischen Wellenlangenplattchen 99 (Fig. 16) korrigieren. Die Drift der Doppelbrechung mit der Zeit oder Temperatur wirft jedoch ein Problem auf, das zwar durch Nachstellen der Wellenlangenplattchen 99 gelöst werden kann. Ist die Drift jedoch für eine passive Kompensation bereits zu stark, kann man sie vollständig eliminieren, indem man geringfügig elliptische oder belastete Einmodenfasern verwendet, die mit einer bevorzugten Polarisation übertragen.

Niederfrequente Schwingungseffekte lassen sich unter Kontrolle halten, indem man den vorliegenden Kreisel 20 als starren Körper aufbaut. Höherfrequente akustische Störungen lassen sich durch die Symmetrie des Kreisels 20 in Fig. 19, 20 sowie die Mittel zum Abschwächen der akustischen Bückkopplung in den Laser 22 abschwächen, wie sie zu den Fig. 9 und 10 beschrieben sind.

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Um die Wärmeeffekte auf die Ausgangsgröße der Anordnung 20 zu verstehen, betrachte man die Gl. (6), die die Ausgangsgröße des Kreisels 20 als Frequenz in den Kategorien der Drehgeschwindig-r keit angibt.

Dabei hängt der Maßstabsfaktor 2R/7^n nicht von der Länge der Faser 86 oder der relativen Intensität der sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen 38, 40 ab. Folglich haben Wärmeeffekte, die eine Eypansion oder Kontraktion der Faserlänge bewirken, keine direkte Auswirkung. Die Drift der Doppelbrechung infolge von TemperatürSchwankungen kann eine geringfügige Beeinträchtigung der Intensität des Streifenmusters mit geringem Verlust der Empfindlichkeit ergeben; dieser Effekt beeinträchtigt jedoch nicht die Stabilität des Arbeitspunkts ("bias") oder des Maßstabsfaktors. Wärmeeffekte, die die Stabilität des Skalenfaktors und des Arbeistpunkts beeinträchtigen, sind die Änderungen des Spulenradius R, des Brechungsindex η und der Wellenlänge TL . Glücklicherweise kann man die Ausdehnung von R mit der Temperatur für Verbundsuhstrate sehr klein und reproduzierbar machen (0,5 x 10" /⁰C)i Die Drift von η mit der Temperatur ist ebenfalls gering, und man kann einen Wärmefühler einsetzen, der Temperaturänderungen erfaßt und der Elektronik 56 einen Korrekturfaktur zuführt. Die Wellenlängenverschiebung des Lasers 22 ist der wahrscheinlichste Wärmeeffekt. Um ihn zu eliminieren, kann man einen einfachen Frequenznachführmonitor 100 einsetzen. Driftet die Wellenlänge des Xasers 22 (in Fig. 12A als Laserdiode dargestellt) mit der

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Temperatur, wird dessen Ausgangsstrahl 24- nach dem Aufteilen durch einen Strahlteiler 1CW- mit einem breitbandigen Etalon 106 niedrigen Peinheitsgrades ("low finesse") und mit dem zusätzlichen Detektor 52 erfaßt. Das Etalon ist ein dünnes optisches Plättchen aus Quarzmaterial, dessen Transmissionsgrad als Funktion der Wellenlänge stabil ist. Die FrequenzverSchiebung wird dann kontrolliert, indem man die Ausgangsintensität des Lasers 22, wie der Detektor 52 sie sieht, mit der an einem Detektor 107 hinter dem Etalon 106 vergleicht. Die Fig. 12B, 12C zeigen alternative Verfahrensweisen zur Überwachung der Wellenlängendrift des Lasers 22. Die Fig. 12B zeigt ein dem der Fig. 12A ähnliches System, wobei Jedoch das Etalon durch ein Interferenzfilter 108 ersetzt ist, so daß die Änderung des Transmissionsgrades mit der Wellenlänge ausgenutzt werden kann, um die Arbeitswellenlänge des Lasers 22 zu bestimmen. Für das System der Fig. 12C ist ein Gitter 109 eingesetzt, das reflektierend oder Transmittierend sein kann, wobei die Dispersion des Gitters 109 eine Winkelablenkung des Laserstrahls 110 bewirkt. Diese Auslenkung ändert die Stelle, an der der Strahl 110 auf den stellungsempfindlichen Detektor 111 auftrifft. Das Ausgangssignal des Detektors 111 zeigt die Lage des Strahls 110 und auch die Wellenlänge des Lasers 22 an, da die Winkelauslenkung des Strahls 110 durch das Gitter 109 wellenlängenproportional ist. In der Fig. 12D wirken ein Etalon 106 kurzer Wellenlänge sowie ein Etalon 106' großer Wellenlänge zusammen; hierzu kann bspw. eine optische Faser mit teilreflektierenden Flächen sowie ein weiterer Detektor 107' und Strahl-

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teiler 1CW-¹ eingesetzt werden. Auf diese Weise erhält man sowohl ein schmales als auch ein breites Durchlaßband zur genauen Nachführung über einen breiten AbstimmbEreich; dabei nutzt man den schmalen Durchlaßbereich für die Genauigkeit und den breiten Durchlaßbereich zur Identifikation desjenigen der schmalen Durchlaßbereiche, in dem die Anordnung arbeitet. Die in der Fig. 12 gezeigten Verfahrensweisen eignen sich auch zur Überwachung von Lumineszenz- und Mehrmoden-Laserdioden.

Magnetische Abschirmungen lassen sich verwenden, um die von magnetischen Störfeldern verursachten externen Störungen zu beseitigen. Derartige Felder können eine Faraday-Drehung in der Faserspule 44 verursachen. Da die Spule 44 vorzugsweise zu einem Toroidvolumne geringer Dicke angeordnet ist, läßt sie sich verhältnismäßig leicht mit einer Kombination aus dünnen Bändern 114 (Fig. 10) aus hart- und weichmagnetischen Abschirmmaterial abschirmen, die auf die torusförmige Spule 44 aufgewickelt werden.

Beim Wickeln der Faserspule 44 sollte eine Empfindlichkeit auf eine Drehung um jede Achse 116 (^ig. 13A) vermieden werden, die nicht parallel zu der zur Ebene der Faserspule rechtwinkligen Achse 52 verläuft. Um dies zu gewährleisten, sollte die Faserspule 44 mit so vielen Windungen wendelförmig aufwärts wie wendelförmig abwärts umwickelt werden, wie die Fig. 13B zeigt. Wickelt man die Lichtfaser 86 auf eine Trommel 118 und umwickelt diese in nur eine Richtung, ist sie sehr empfinlich gegenüber

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einer Drehung um eine Achse 116, die nicht parallel zur Drehachse 52 der Trommel 118 ist, die auch die Achse der Spmle 44 sein sollte. Indem man die Faserspule 86 wendelförmig die Trommel hinauf und hinunter wickelt, verknüpft man die beiden empfindlichen Achsen 116, 116' der Spule so, daß die empfindliche Achse der Spule 44 dann die gewünschte Achse 52 der Trommel 118 ist.

Bei im Kreisel 20 angeordneten optoakustischen Modulatoren 70, 72 sind die beiden Ausgangsstrahlen "gleichläufig" und mischen sich auf dem Detektor 50 einwandfrei. Bei fehlerhafter Anordnung erhält man einen Versatz zwischen den Beiden Strahlen als Funktion der Kompensierfrequenz Af. Die Fig. 14A zeigt die richtige Anordnung der Modulatoren 70, 72.

Eine zweite Einrichtung, wie in Fig. 14B gezeigt, ist vorgesehen, damit der Effekt der Strahlenablenkung von den optoakustischen Modulatoren unterdrückt und etwaige Fehler durch Einkopplung in die optischen Fasern des Systems 20 und Mischen der Strahlen beseitigt werden können.

Der vertikal polarisierte Laserstrahl 24* aus dem Laser 22 wird durch einen polarisierenden Strahlteilerwürfel 26' geschickt, der so angeordnet ist, daß die vertikale Polarisation gradlinig durchläuft, wobei die Bezeichnung "vertikal" willkürlich,ist, da die Komponenten so eingestellt werden können, daß man eine beliebige Polarisation erreicht. Der Strahl 28' tritt dann in den optoa-

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klastischen Modulator 48' ein, und die Beugestrahlen 119a, 119b nullter und erster Ordnung verlaufen von ihrem scheinbaren Ursprung 119 im Modulator 48' durch ein unter 45° zur Vertikalpolarisation orientertes Viertelwellenlängenplättchen. Der resultierende zirkulär polarisierte Strahl durchläuft eine Positivlinse 121. Die beiden Strahlen treten aus der Linse 121 aus. Ein ebener Spiegel 122 mit einer definierten Kante 123 oder ein ebe·» ner Spiel mit einer vorgeschalteten Blende wird so hinter die Linse 121 angeordnet, daß der Strahl 119a erster Ordnung durch die Linse 121 hindurch auf sich selbst zurückgeworfen wird, während der Strahl 119a nullter Ordnung vom Spiegel 122 nicht zurückgeworfen wird und verlorengeht. Der Strahl 119a erster Ordnung, der nun gegenüber dem Anfangszustand an der Linse 121 infolge der Reflexion am Spiegel umgekehrt zirkulär polarisiert ist, durchläuft erneut das Viertelwellenlängenplättchen 120 und tritt linear polarisiert, aber rechtwinklig zum Ausgangsstrahl 24' des Lasers 22 aus diesem wieder aus. Der Strahl 119b läuft zurück durch den optoakustischen Modulator 48' und wird zu einem Strahl erster Ordnung aufgeteilt. Der Strahl nullter Ordnung geht verloren, da er unter einem anderen Wintel als der Strahl erster Ordnung verläuft und ihn die Koppellinse daher nicht unmittelbar in den Faserkern fokussiert. Er wird dann vom polarisierenden Strahlteiler reflektiert, so daß man den Ausgangsstrahl 30* erhält. Durch den optoakustischen Modulator 48* verursachte Winkelauslenkungen heben sich beim doppelten Durchlauf durch den Modulator gegenseitig auf.

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Das Verfahren des Einführens sich gegeneinander fortpflanzender Strahlen unterschiedlicher Frequenz durch wie die an der Fig. 14B beschriebenen Mittel läßt sich auch dazu verwenden, einem Einglaserkreisel einen Grundzustand bzw. Arbeifcfcpunkt so zu erteilen, daß das für diese Kreisel charakteristische "Einrast"-Problem beseitigt ist.

Die Qualität der Optik im Kreisel 20 kann derart sein, daß die optischen Komponenten eine kleine nichtreziproke Phasenverschiebung verursachen. Dieser Fehler ist ein fester Vorfehler und läßt sich ausgleichen, indem man die Vorfrequenz der optoakustischen Modulatoren 70, 72 geringfügig verschiebt.

Abgesehen von allen anderen Rausch- und Störquellen, die oben diskutiert sind, und die sich abschwächen oder beseitigen lassen, wie beschrieben, bleibt noch das Quantenrauschen, das der Empfindlichkeit der Anordnung 20 eine untere Grenze setzt. Der Effektivwert der Phase ("RMS phase") ist gegeben durch

2h v?
(10) 0 - (7

mit hv> = Photonenenergie (=2,37*10 ° J bei 0,84 /um )

Q = Quantenwirkungsgrad des Detektors (= 0,6)

£, β optischer Wirkungsgrad

P ■ Leistung der Laserdiode

L β Integrationszeit

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Der Paktor 2 ergibt sich aus dem Demodulationsverlust; dip optische Wirkungsgrad £ ergibt sich aus dem Produkt des Transmissionsgrads der Faseroptiken, des Kopplungswirkungsgrads, des Wirkungsgrads des optoakustischen Modulators und des Wirkungsgrads der Optik. Für eine 4- km lange Spule aus einer Faser mit einer Dämpfung von 2,5 dB/km, haben diese Tenne etwa die Größe 0,1 , 0,5 , (0,7)² bzw. 0,8, so daß man £>= 0,02 erhält. Für eine 5mW-Laserdiode und T" = 1 s erhält man aus der Gl. (10) Δ0 = 8,9x10 rad (bzw. AZ= 5>7χ10~Ο» was einer Längenverschiebung von

-40
1,2 χ 10 α entspricht.

DaSt gjjg = &Z*(^^#c/2RL ist, beträgt die minimale auflösbare Drehgeschwindigkeit 7 nrad/s bzw. O,OO14-5°/h; dies ist die theoretische untere Grenze, die bei einer Sekunde Intergrationszeit vom Quantenrauschen bestimmt wird. Für längere Integrfctionszeiten erhält man eine bessere auflösbare Drehgeschwindigkeit; sie ist umgekehrt proportional der Quadratwurzel der Integrationsζext.

Die Arbeitsweise des vorliegenden Kreisels 20 läßt sich am leichtesten verstehen, wenn man die elektronischen Rückkoppelelemente als analoge Bauteile wie einen Synchrondemodulator, Integrator und spannungsgesteuerten Oszillator auffaßt. In einer praktischen Ausführungsfonn für eine Hochleistungsanordnung läßt sich auch eine digitale Signalverarbeitung verwenden. Die meisten der oben beschriebenen Analogelemente lassen sich praktisch unmittelbar durch ihre digitalen Äquivalente wie einen 10-Bit-A/D-Wandler mit

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sequentiellem 2-Wort-Subtrahierer, Binärzähler und digitalen Frequenzsynthesizer ersetzen. Eine solche Digitalanordnung hat zahlreiche Vorteile. Bspw. weisen derartige Bauteile einen sehr breiten Dynamikbereich auf, da ihre Arbeitsweise die eines Abzählens ist. Ihre Störanfälligkeit ist gering und anstelle von Spannungen arbeiten sie mit Frequenzen, so daß sich bei den einzelnen Bauteilen Genauigkeiten von einem Teil in 10' oder 10 gegenüber einem Teil in 10 oder 10^ - erreichen lassen. In einem vollständigen Inertialnavigationssystem mit 2 bis 6 Kreiseln kann die gesamte Kreiselelektronik mit einem einzigen genauen Taktsignal angesteuert werden, so daß der Aufwand erheblich sinkt. Weiterhin erlaubt die Kompatibilität mit Mikroprozessoren und anderen derzeit in Kreiselsystemen verwendeten Elementen eine verhältnmäßig preisgünstige Ankopplung.

Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Verfahren der Phasennullreglung im Kreisel 20 mindert die Anforderungen an die einzusetzenden Analogbauteile ab. Da nach dem angewandten Prinzip die Drehgeschwindigkeit nullgeregelt wird, sind die einzigen bei konstanter Drehgeschwindigkeit erfaßten Signale die Restphasenrausch- und Störanteile im Kreisel 20. Nur bei Drehgeschwindigkeitsänderungen treten wesentliche Signale auf, woraufhin der Rüokführkreis die Frequenz des optoakustischen Modulators so verschiebt, daß diese Änderungen auf Null geregelt werden; danach ist das Signal wiederum null. Normalerweise hat man dieser Arbeitsweise eine Dynamik von weniger als 1000:1 des analogen Feh-

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lersignals. Daher liegen der optoakustische Vorverstärker, der Regelvertsärker und der A/D-Wandler in vernüftigen Leistungsund Kostenbereichen. Die meisten digitalen Bauteile können normal integrierte TTL- oder CMOS-Schaltkreise sein oder auch zu einem einzigen Baustein integriert sein.

Das verbleibende problematische Systemelement ist der Frequenzsynthesizer. Es gibt mehrere mögliche Verfahren; sämtliche Synthesizer müssen jedoch zu einer Auflösung von etwa 10"-^ in der Lage sein, und obgleich kleine Phasenschwankungen nicht schwer wiegen, muß die über Zeiträume von Sekunden akkumulierte Phase präzise sein, um Zufallsänderungen des Drehwinkels zu vermeiden. Die Phase ist dem Drehwinkel proportional, die Frequenz aber der Winkelgeschwindigkeit.

Folglich ist entweder ein direkter digitaler Frequenzsynthesizer oder ein digital gesteuerter Synthesizer mit Phasenregelschleife unter Steuerung durch einen Quarztalt erwünscht. Geringe Amplitudenschwankungen sind ebenfalls unerheblich, sofern sie nicht die Modulationsfrequenz haben. Auf jeden Fall lassen sich Amplitudenschwankungen beseitigen, indem man die Bandpaßfilterung unmittelbar vor dem optoakustischen Modulator klippt, der über eine verhältnismäßig schmale Bandbreite von weniger als 2 MHz bei etwa 50 MHz arbeiten muß.

Eine Möglichkeit eines digitalen Regelkreises ist in der Fig.15

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gezeigt. Obgleich er in mehrfacher Hinsicht verfeinert ist, bspw. hinsichtlich der Vorfrequenz, der digitalen Geschwindigkeits- und Ortswörter als Ausgangssignal sowie eine Rechteckmodulation, sind für die Schaltung 124 im Prinzip die Analogelemente durch die äquivalenten Digitalelemente ersetzt worden. Indem man die Größe des Drehgeschwindigkeitsworts und des Drehlafceworts entsprechend skaliert, läßt das geringstwertige Bit der Winkellage sich in den Bereich von 0,5 Bogensekunden bringen, d.h. den normalerweise erforderlichen Quantisierungswert.

Wie gezeigt, werden die Strahlen 38, 40 auf den Detektor 50 reflektiert, dessen Ausgangssignal in einem Wechselspannungsverstärker 125 verstärkt wird, wo es gemeinsam mit einem Signal aus dem Detektor 32 des Lasermonitors zur Erzeugung eines Verstärkungsgeregelten Analogsignals aus einem Regelverstärker 126 dient. Dieses Analogsignal wird auf einen vorzeichenabhängigen (2signed") A/D-Wandler 127 gegeben, den ein Taktsignal 128 steuert. Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 127 wird auf einen sequentiellen 2-Wort-Subtrahierer 129 gegeben, den ebenfalls das Taktsignal 128 aus einem Taktgenerator 130 ansteuert; das Differenzwort geht auf einen binären Addierer/Akukumulator 13I, dessen Taktfrequenz mit einem Teiler 132 halbiert würde. Das Ausgangssignal des Akkumulators 131 geht auf einen binären Addierer 134 mit einem Arbeitspunkteinstellsignal 136» so daß man auf der Ausgangsleitung 138 ein der Drehgeschwindigkeit entsprechendes Ausgangswort erhält. Dieses Wort wird auch auf einen binären Addierer/Akkumulator 140

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gegeben, dessen Ausgangssignal zurück auf einen seiner Eingänge gelegt ist, so daß diese Schaltung als Integrator wirkt und auf der Ausgangsleitung 142 ein der Winkellage entsprechendes Datenwort erzeugt.

Das Drehgeschwindigkeitswort geht weiterhin auf einen digital
gesteuerten Frequenzsynthsizer 144, den ein weiteres Taktsignal 146 aus dem Taktgenerator 13O steuert; das Ausgangssignal des
Synthesizers geht auf einen Einseitenbandmischer 148. Das Ausgangssignal des ESB-Mischers 148 wird von einem weiteren Eingangstaktsignal 149 aus dem Taktgenerator 139 gesteuert und geht auf einen ESB-Mischer 15O. Weiterhin gibt der Taktgenerator 1JO ein viertes Ausgangssignal 152 ab, das einen Quadratur-Ringzähler
154 steuert, um die Phasenmodulation zu erzeugen. Ein Ausgangssignal des Ringzählers 154- läuft durch ein Tiefpaßfilter 156 und geht als Eingangssignal auf den ESB-Mischer als das vorgenannte Cosinus-Signal, während das andere Ausgangssignal des Ringzählers durch ein weiteres Tiefpaßfilter 160 geht und wird mit dem Taktsignal 128 zu einem mit der Modulationsfrequenz arbeitenden Wählschalter 158 "Wahr/Komplement" geschickt wird, dessen Ausgangssignal als der vorgenannte Sinus-Term auf den Mischer I50 geht. Das Ausgangssignal des ESB-Mischers 15O der gewünschten Frequenz wird mit dem KP-Verstärker 162 verstärkt und steuert dann den
optοakustischen Modulator wie den Prequenzschieber 48 in Fig. 1 an.

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Der Kreisel 20, wie in Fig. 1 gezeigt, läßt sich schematisieren, indem man mit 0 die relative Phasendifferenz zwischen den sich gegeneinander ausbreitenden Strahlen auf dem Detektor 50, V_n das Spannungsausgangssignal des Detektors 50, V die Ausgangsspannung des Integrators 60 und f die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators bezeichnet. Die Gleichungen für jede Stufe der Fig. 1 lassen sich wie folgt beschreiben:

(11) 0_R = K₀

(12) f = K₁V

(13) 0 = 0_fi - K₂f

D " jr
(15) ν = K₄V_n

in denen K_n, K„, K₀, K-, und K.. Systemkonstanten, 0t, die Phasendifferenz zwischen den sich gegeneinander ausbreitenden Strahlen infolge der Drehung und V die zeitliche Ableitung der Spannung V ist. Mit den GIn. (11) bis (15) erhält man:

. ₀ . __{V +} 0_R--K₂f

Da weiterhin gilt:

ist V

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9 -

Gl. (16) wird zu
(18)

(19) f +

Faßt man ^. = Κ,ΚρΚ-,Κ. und TL· = ΚφΚ.Κ,Κ^ zusammen, läßt sich Gl. (19) umschreiben zu

(20) f + K^f = K₂-^

Für konstante Winkelgeschwindigkeit^ist f also direkt proportional SZ . Integriert man die Gl. (20) für t = 0, für die das System sich in Ruhe befindet und f(o) = 0, ergibt sich

Jt t t

(21) \f.dt + K₁ ) f.dt = K₀ ) dt 0 "^O "^O

(22) f(t) + I₁N = K₂0_R

wobei N gleich der Anzahl der Perioden der Frequenz f und 0_R der Winkel sid, um den die Anordnung sich gedreht hat. Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ist f(t) = const. Dies entspricht einem Wendefehler, der sich korrigieren läßt, indem man den Wert f(t) ausliest und ihn in die Signalverarbeitung entsprechend der Gl. (22) einfügt. Weiterhin hängt die Empfindlichkeit der Anord-

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- 62 -

nung auf Beschleunigung von der Ansprechzeit der Schaltung ab. Als Beispiel betrachte man das zur Gl. (7) beschriebene System, bei dem Af(Hz) - 1O^(rad/s) ist. Bei 3OO°/s entspricht dies einer Ausgangsfrequenz von 0,5 MHz; anders gesagt? ein Zählzyklus entspricht etwa 2 Bogensekunden. Beträgt die Ansprechzeit der Schaltung eine Millisekunde und beschleunigt das System in einer Sekunde von 0°/s auf 300°/s, würden 500 Perioden verlorengehen, was einen absoluten Lagefehler von 1000 Bogensekunden ausmacht. Verringert man die Ansprechzeit der Schaltung auf 0,1 ms, beträgt der Fehler nur noch 100 Bogensekunden.

Obgleich die betrachtete Beschleunigung ziemlich hoch und der Winkelversatz klein sind, läßt der Fehler sich beseitigen, indem man f(t) und/oder f (t) in die Werteverarbeitung einführt. Dies läßt 8Ϊ9Κ sich erreichen, indem man mit einem A/D-Wandler die Spannung V digitalisiert und so mit der Gl. (5) einen Wert für f(t) erhält, der sich in die Gl. (22) einsetzen läßt, um einen korrigierenten Ausgangswert zu erreichen. Da die Korrektur in der Gl. (22) für ein vernüftig schnelles System klein ist, sind die Anforderungen an den A/D-Wandler gering. Alternativ könnte man digitale Verfahren verwenden, um f(t) auszulesen, indem man aufeinanderfolgende Werte von f(t) nimmt und durch das Abtastintervall dividiert.

Mit den oben beschrÄenen Verfahren läßt sich die Ausgangsgröße entsprechend dem Regelverhalten erster Ordnung extern korrigieren.

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Weiterhin ist möglich, ein Regelkreis zweiter oder höherer Ordnung aufzubauen, wie aus der Regeltechnik bekannt, um eine intern korrigierte Anordnung zu schaffen, die keinerlei Lageversatz bei konstanter Beschleunigung für einen Regelkreis zweiter Ordnung, eine konstante Beschleunigung für einen Kreis dritter Ordnung usw. zeigt.

Die Fig. 16 und 17 zeigen eine praktische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einer 25^ mn dicken Scheibe mit einem Durchmesser von 127 mm. Die Bauteile einer solchen Anordnung sind handelsüblich und die bereits erwähnten sind mit den gleichen Bezugszeichen wie vor bezeichnet. Weiterhin sind zum Anschluß an die externe Elektronik geeignete Kabel 170 vorgesehen und geeignete Linsen 172 und Spiegel 174 sind so angeordnet, daß sie die Strahlen in ihre richtigen Bahnen und Brennpunkte leiten.

Weiterhin ist möglich, die Größe der Bestandteile der Fig. 16, 17 gezeigten und der Elektronik zu verringern, indem man die meisten von ihnen zu einem einzigen Baustein integriert, wie in Fig. 18 gezeigt, wo eine weitere Komponente wie eine Biegeführung 176 anstelle eines Spiegels 174- Verwendung finden kann. Bei einer solchen integrierten optischen Anordnung kann der Laserkreisel mit den derzeit erhältlichen optischen Fasern mit einem Durchmesser von 50,7 nun und einer Dicke von 2,54- mm ausgeführt werden. Da die Scheibe den Außendurchmesser des Kreisels bildet, ist eine weitere Verkleinerung begrenzt durch den kleinstmöglichen

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- 64 Biegeradius der Faseroptik und die auftretenden BiegeVerluste.

Die Fig. 19 und 20 zeigen andere Anordnungen für den Kreisel Die Fig. 19 zeigt h±bx einen Kreisel 198, in dem Licht 200 aus einer Lichtquelle wie bspw. einer Einfrequenz-Laserdiode 202 durch eine Gruppe von Kollimationsoptiken 204 läuft. Der kollimierte Strahl 208 wird von Strahlteiler 210 zu den Strahlen 209a, 209b aufgeteilt. Dabei fällt der Strahl 209a auf einen Detektor 211, der zur Steuerung der Laserdiods 202 dient. Der Strahl 209b durchläuft einen neutraldichten Filter 212, das eine Rückkopplung in die Diode 202 unterdrückt. Der Strahl 209b wird erneut zu zwei Strahlen 214, 216 mit einem Strahlteiler 218 aufgeteilt. Der Strahl 214 wird von einem Spiegel 220 auf ein Beugungsgitter geworfen, das er unter einem Winkel verläßt, der von der Ausgangsfrequenz der Diode 202 abhängt. Folglich ist die Stelle, an der der Strahl 214 auf eine proportional arbeitende Photodiode 224 fällt, von dieser Ausgangsfrequenz abhängig. Die Ausgangsspannung der Photodiode 224 läßt sich also auswerten, um die effektive Frequenz (und damit Wellenlänge) des Strahls 200 aus der Diode 202 zu bestimmen, so daß man einen Maßstabsfaktor zwischen der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators und der Drehgeschwindigkeit festlegen kann.

Der Strahl 216 wird von einem Strahlteiler 232 zu zwei sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen 234, 236 aufgeteilt. Der Strahl 234 durchläuft einen polarisierenden Strahlteilerwürfel

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258 und tritt in ein zur Fig. 14B "beschriebenes reflexionsunterdrückendes System aus einem optoakustischen Modulator 240, einem prismatischen Rückstrahler 242, einem Viertelwellenlängenplättchen 244, einer Linse 246 und einem Spiegel 248 ein. Diese letzgenannten Bestandteile des Systems verschieben die Frequenz des Strahls 234 und drehen seine Polarisation um 90°, so daß beim Spiegeln im Strahlteilerwürfel 238 der Strahl 234 auf einen Spiegel 250 und durch eine Anzahl optischer Keile (Risley-Prismen) 252 und Halb- sowie Viertelwellenlängenplättchen 253 laufen, die die Entpolarisierung der Faser korrigieren. Der Strahl 234 wird dann in eine Linse 254 gerichtet, die ihn auf das Faserende 256 der Spule 258 fokussiert. Am anderen Ende 260 der Spule 258 sind entsprechende Komponenten mit den gleichen, aber um einen Hochstrich ergänzten Bezugszahlen angeordnet, um auf die gleiche Weise den gegenläufigen Strahl zu erzeugen. Die beiden sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen treten aus dem Strahlteiler 232 wieder aus und werden von der Linse 261 so fokussiert, daß sie sich auf dem Detektor 262 mischen. Die Fig. 20 zeigt eine ähnliche, aber gedrängtere Anordnung mit den A Spiegeln 264 und einem Rückstrahlprisma 266, die hinzugefügt sind, um die Strahlen an die erforderlichen Orte zu leiten.

Es ist möglich die zur Darstellung des phasennullgeregelten laserkreisels eingesetzten Techniken in Kombination mit neuartigen Modulationsverfahren einzusetzen, so daß man sehr kostengünstige Kreisel mittlerer Leistungsfähigkeit erhält.

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Die Fig. 21 zeigt die Anordnung eines kostensparend zu erstellenden faseroptischen Laserkreisels 270 zur Ausnutzung der nicht reziproken Phasenverschiebungen, die durch auf die Lichtfaser 272 aufgebrachten Druck erzeugt werden (die Brauchbarkeit dieser Verfahrensweise ist experimentell erwiesen). Ein Strahlteilerwürfel 274- mit den Linsen 276, 278, die aus Kunststoff geformt sein können, spaltet den EingangstErahl 280 aus der Laser- oder Lumineszenzdiode 282 zu sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen 284, 286 auf. Diese Strahlen 284, 286 durchlaufen die optischen Faser 272 und mischen sich auf einem Detektor 288. Die infolge der optischen Elemente auftretenden nichtreziproken Restphasenverschiebungen lassen sich justieren, indem man Druck auf die optische Faser 272 mit einer verstellbaren Schraubklemme 290 oder einer anderen druckerzeugenden Einrichtung wie einer piezoelektrischen Einrichtung aufbringt, so daß die Strahlen am Detektor 288 sich gegenseitig verstärken, so daß das Signal maximiert wird und die Rückkopplung in die Lichtquelle 282 minimiert wird. Der Kreisel 270 wird dann als Kreisel in einem offenen Regelkreis entsprechend den Fig. 2 und 3 frrrfc betrieben. Ein Synchrondemodulator 292 erfaßt die erste Harmonische der Modulatdionsfrequenz entsprechend der piezoelektrischen Vorrichtung 294 und dem Treiber 295» deren Amplitude und Phase proportional der Drehgeschwindigkeit wie in Fig. 2B sind, und gibt ein Ausgangssignal bei 296 ab.

Die Fig. 22 zeigt eine zweite Methode als Anordnung 3OO. Linear

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2 9 /, 9 3 2 7

polarisiertes Licht 302 aus einer Lichtquelle 304 wird vom Strahlteiler 306 zu sich gegeneinander fortpflanzenden Strahlen 308, 310 aufgeteilt. Zwei Viertelwellenlängenplättchen 312, 314 sind mit ihren optischen Achsen unter 45° zur Polarisation der Strahlen 308, 3^0 angeordnet. Auf diese Weise tritt rechts umlaufend zirkulär polarisiertes Licht in die beiden Enden der optischen Faser 316 ein und bilden sich dort sich gegeneinander fortpflanzende Strahlen aus. Die nichtreziproken Phasenverschiebungen zwischen den Strahlen 308, 310 lassen sich erzeugen, indem man einen Strom durch eine Toroidspule 318 schickt, der in der Lichtfaser 316 ein Magnetfeld aufbaut, das die Phase des in Richtung des Magnetfeldes sich fortpflanzende Strahls beschleunigt und die des sich gegen das Magnetfeld fortpflanzenden Strahls verzögert.

Indem man die Amplitude und Flußrichtung des Stroms in der Spule 318 entsprechend steuert, läßt sich eine Phasenmodulation erreichen, Der Kreisel 300 wird dabei als offener Kreis betrieben. Die Phase und Amplitude des Signals mit der Modulationsfrequenz, das an einem Detektor 320 auftritt und der Richtung und Amplitude der Drehung proportional sind, wird von einem Demodulator 322 verarbeitet und auf den Ausgang 324 gegeben. Ein weiteres Ausgangssignal 326 dient zur Steuerung der Schaltung 328, die den sich verändernden Strom für die Spule 318 erzeugt.

Die Ausführungsformen der Fig. 21 und 22 lassen sich auch ent-

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sprechend dem Kreisel 20 als geschlossene Regelkreise betreiben. Da ihre Ausgangsgröße ihrer Wesen nach jedoch analog ist, wäre die nutzbare Dynamik solcher Anordnungen verhältnismäßig gering. Ihr Hauptvorteil liegt in ihrer Einfachheit. Zur weiteren Vereinfachung der Ausführungsformen der Fig. 21, 22 ersetzt man die Strahlteiler 274-, 306 durch zwei teilweise miteinander verschmolzene und geeignet verjüngte Faserabschnitte 330, 332 der Fasern 272 oder 316 und erhält so eine wirkungsvolle unterkritische Lichtkopplung. Die Fig. 23A zeigt die Anordnung der Faserabschnitte 3OO, 332, der Lichtquelle 282 oder 3CW- (LED, Laserdiode) und des Detektors 288 oder 320.

Cl/Ht.

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Claims (45)

BERLIN MÖNCHEN D?^Hin*Ru«hke Dr. RUSCHKE & PARTNER Dlpl.-lng. Η·ι» E Ru.chk. Dipl-Tng.OI»>Ru«chke PATENTANWÄLTE Dlpl-lng-JOig- Ro.t Auginta-Viktoria-Strate 65 _ __^_.. L ^. 10Ä Berlin 33 BERLIN - MÖNCHEN aOOO MOnchen W T.Lfon: (030) 8 26 M 96 T«l.fon: (0 Mj M 03 24 T^..: mm zy4y oz / ttadratur Storita J1^-. ( Patentansprüche

1. Optische Anordnung zum Bestimmen einer Drehung, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, die einen ersten Lichtstrahl erzeugt, eine Einrichtung, die den ersten Lichtstrahl zu mindestens einem zweiten und einem dritten Lichtstrahl aufteilt und den zweiten und den dritten Lichtstrahl zu einem vierten Lichtstrahl zusammenfügt, Mittel zum Herstellen eines Lichtwegs herstellt, auf dem der zweite und der dritte Lichtstrahl sich gegeneinander und um eine vorbestimmte Achse fortpflanzen, um die die Drehung gemessen werden soll, durch eine Einrichtung, die die nichtreziproke Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtstrahl variieren kann, und
eine Einrichtung, die den vierten Lichtstrahl erfaßt und aus ihm ein Ausgangssignal erzeugt, das der Drehung um die vorbestimmte Achse entspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
den Lichtweg herstellende Einrichtung eine um die vorbestimmte Achse, um die die Drehung gemessen werden soll, zu einer Spule gewickelte optische Faser mit einem ersten und einem zweiten Ende aufweist, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Faser-

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ORIGINAL INSPECTED

enden mit dem zweiten und dem dritten Lichtstrahl zu "beaufschlagen.

3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die die nicht reziproke Phasenverschiebung zwischen dem zweiten und dritten Lichtstrahl verlieren kann, mindestens einen ersten Frequenzschieber aufweist, der auf dem Lichtweg angeordnet ist, um eine nicht reziproke Phasenverschiebung im zweiten und dritten Lichtstrahl zu verursachen und zu variieren.

4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die die nichtreziproke Phasenverschiebung zwischen dem zweiten und dritten Lichtstrahl variieren kann, weiterhin einen zweiten Frequenzschieber aufweist ,und daß der erste Frequenz schieber zwischen der Einrichtung, die den ersten Lichtstrahl in mindestens einen zweiten und einen dritten Lichtstrahl aufteilt und den zweiten und dritten Lichtstrahl zu einem vierten Lichtstrahl wiederzusammenfügt, und dem ersten Faserende angeordnet ist und der zweite Frequenzschieber zwischen der Einrichtung, die den ersten Lichtstrahl zu mindestens einem zweiten und einem dritten Lichtstrahl aufteilt und den zweiten und den dritten Lichtstrahl wieder zusammenfügt, und dem zweiten Faserende angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die den vierten Lichtstrahl erfaßt und aus

ihm ein Ausgangssignal erzeugt, das der Drehung um die vorbestimmte Achse entspricht, einen im vierten Lichtstrahl liegenden Detektor, Mittel, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das die Intensität des vierten Lichtstrahls anzeigt« und eine elektrische Schaltung aufweist, die aus dem Detektorausgangssignal eine der Drehung um die vorbestimmte Achse entsprechende Ausgangsanzeige erzeugt.

6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der der Drehung um die vorbestimmte Achse entsprechenden Ausgangsanzeige um ein elektrisches Signal handelt, das auf die elektrische Schaltung des ersten FrequenzSchiebers gegeben wird, die so angeschlossen ist, daß sie das elektrische Detektorausgangssignal aufnehmen kann und aus ihm ein der Drehung um dio vorbestimmte Achse anzeigendes Auegangssignal erzeugt, wobei diese elektrische Schaltung einen Synchrondemodulator, der das elektrische Detektorausgangssignal gleichrichtet und tiefpaßfiltert und ein Demodulator-Ausgangssignal erzeugt, einen Integrator, der das Demodulator-Ausgangssignal aufnimmt und aus ihm ein Drehgeschwindigkeitsausgangssignal erzeugt, das der Drehgeschwindigkeit um die vorbestimmte Achse proportional ist, sowie einen steuerbaren Oszillator aufweist, auf den das Drehgeschwindigkeitsausgangssignal gegeben wird, wo es die Ausgangsfrequenz des Ozillators steuert, bei der es sich um die der Drehung um die vorbestimmte Achse entsprechende Ausgangssignalgröße handelt.

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7. Anordnung nach Anspruch 3» 4-, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Frequenzschieber um einen optoakustischen Modulator handelt.

8. Anordnung nach Anspruch 3, 4-, 5, 6 oder 7> dadurch gekennzeichnet , daß der Frequenzschieber einen ersten und einen zweiten Spiegel, die so angeordnet sind, daß sie die Lichtstrahlen abfangen und reflektieren, einen Rückstrahler, der den Lichtstrahl vom ersten zum zweiten Spiegel und vom zweiten zum ersten Spiegel reflektiert, sowie einen piezoelektrischen Kristall aufweist, auf dem der Rückstrahler angeordnet ist und an den das der Drehgeschwindigkeit proportionale Ausgangssignal gelegt ist, um den Rückstrahler dieser entsprechend zu bewegen.

9· Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Rückstrahler-Detektor, der den Frequenzschieber überwacht, und durch einen Frequenzschieber-Strahlteiler, der einen Teil der Strahlen auffängt und auf den Rückstrahler-Detektor lenkt.

10. Anordnung nach Anspruch 5> gekennzeichnet weiterhin durch einen Lichtquellendetektor, der ein elektrisches Signal entsprechend dem auf ihn fallenden Licht erzeugt, einen Strahlteiler im Lichtquellenmonitor, der einen Teil des ersten Lichtstrahls auffängt, abteilt und auf den Lichtquellendetektor lenkt, sowie eine Verbindung aufweist, mit der das elektrische Signal aus dem Lichtquellendetektor der elektri-

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sehen Schaltung zugeführt wird, um das elektrische Ausgangssignal des den vierten Lichtstrahl abfangenden Detektors entsprechend den Änderungen der Ausgangsleistung der Lichtquelle nachzustellen.

11. Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung, die die nichtreziproke Phasenverschiebung zwischen dem zweiten und dem dritten Lichtstrahl variieren kann, Mittel enthält, um dem zweiten und dritten Lichtstrahl eine Phasenschwankung ("phase dither") aufzuprägen.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufprägen einer Phasenschwankung auf den zweiten und dritten Lichtstrahl eine sinusförmige Phasenschwankung aufprägt.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufprägen einer Phasenschwankung auf den zweiten und dritten Lichtstrahl eine rechteckförmige Phasenschwankung aufprägt.

14. Anordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Frequenzschieber mit einer gemeinsamen Mittenfrequenz f und einer festen Vorfrequenz f, einer Höhe arbeiten, die ausreicht, um zwischen dem zweiten und dem dritten Lichtstrahl eine Phasenverschiebung vonTT/2 hervor-

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zurufen, so daß ein Dunkelstreifen zurück in die Lichtquelle und ein Hellstreifen zu der Einrichtung gerichtet werden, die den vierten Lichtstrahl erfaßt und von ihm ein Ausgangssignal ableitet, das der Drehung um die vorbestimmte Achse entspricht.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Frequenzschieber symmetrisch zum ersten und zweiten Ende der Faserspule liegen, so daß zur Lichtquelle rückgekoppeltes Licht eine Verschiebung um 2f_Q erfährt und so die Rückkoppelstörungen erheblich abgeschwächt werden.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Nadellochblende aufweist, durch die der erste Lichtstrahl hindurchtritt, während er zu der Einrichtung läuft, die den ersten Lichtstrahl zu mindestens einem zweiten und einem dritten Lichtstrahl aufteilt und den zweiten und den dritten Lichtstrahl zu einem vierten Lichtstrahl wieder zusammenfügt, und daß die Einrichtung weiterhin eine erste und eine zweite Linse am ersten und zweiten Faserende aufweist, die den zweiten und den dritten Lichtstrahl auf die Faserenden richten und so angeordnet sind, daß sie den zweiten und dritten Lichtstrahl auf den Faserenden defokussieren, so daß die Nadellochblende einen zur Lichtquelle zurück gerichteten Lichtstrahl mindestens teilweise abgeblendet.

17· Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche 2 bis 16,

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LI:■■; .".."ΞΙ

kennzeichnet durch eine Toroidwicklung auf der Faseroptikspule, durch eine Einrichtung, die einen geeigneten Stromfluß in der Toroidwicklung erzeugt, um eine Polarisationdrehung um etwa 4-5° in der Faseroptikspule zu "bewirken, durch einen polarisierenden Strahlteiler im Weg des ersten Lichtstrahle und durch einen Absorber, wobei der polarisierende Strahlteiler und der Absorber einander so zugeordnet sind, daß zur Lichtquelle laufendes Licht vom polarisierenden Strahlteiler auf den Absorber reflektiert wird.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule aus der optischen Faser zylindrisch ist und aus zwei Teilspulen gleicher Windungszahlen besteht, die in entgegengesetzter Richtung wendelförmig auf den Zylinder gewickelt sind.

19. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Faseroptikspule magnetisch abgeschirmt ist.

20. Anordnung nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende der optischen Faser eine Zwinge aufweist, an der das Ende der Faser befestigt ist und deren äußere Stirnfläche nicht rechtwinklig zur in ihr befindlichen Faser verläuft.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwinge einen Hohlraum enthält, in dem eine Flüssigkeit zur

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Anpassung des Brechungsindex tun das Ende der optischen Paser herum liegt, wobei ein optisches Fenster die äußere Stirnfläche der Zwinge bildet und den Hohlraum abschließt.

22. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Stirnfläche der Zwinge ein optisches Fenster ist, an dem das Ende der optischen Faser festgeklebt ist.

23. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der optischen Faser einen Teil der äußeren Stirnfläche der Zwinge bildet.

24. Anordnung nach Anspruch 1, 5 oder 10, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler im Frequenzmonitor, der so angeordnet ist, daß er einen Teil des ersten Lichtstrahls abfangen und zu einem Frequenzüberwachungsstrahl abteilen kann, durch ein breitbandiges Etalon niedrigen Feinheitsgrads ("low finesse") im Frequenzüberwachungsstrahl und durch einen Strahldetektor, der den Fre quenzüberwa chungs strahl nach dem Durchgang durch das Etalon erfaßt und aus ihm ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das mit der Frequenz des ersten Strahls schwankt, so daß die Frequenz der Lichtquelle überwacht werden kann.

25. Anordnung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine¹ η zweiten Strahlteiler zur Strahlüberwachung, der einen Teil des ersten Lichtstrahls abfangt und zu einem zweiten Frequenz-

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überwachungsstrahl abteilt, ein schmalbaniges Etalon großer Weglänge im Weg des zweiten Frequenzüberwachungsstrahls und einen zweiten Detektor für den Frequenzüberwachungsstrahl, der den Frequenzüberwachungsstrahl erfaßt, nachätem er durch das schmalbandige Etalon hindurchgelaufen ist, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das sich mit der Frequenz des ersten Strahls abrupt ändert, so daß die Frequenz der Lichtquelle präzise überweCJit werden kann.

26. Anordnung nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem schmalbandigen Etalon großer Weglänge um eine Lichtfaser mit teilreflektierenden Stirnflächen an den Faserenden handelt.

27· Anordnung nach Anspruch 1, 5 oder 10, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler zur Frequenzüberwachung, der vom ersten Lichtstrahl einen Teil als Frequenzüberwachungsstrahl abteilt, durch ein Interferenzfilter im Weg des Frequenzüberwachungsstrahls und durch einen Frequenzüberwachungsstrahldetektor, der so angeordnet ist, daß er den Frequenzüberwachungsstrahl nach dem Durchlauf durch das Interferenzfilter erfassen kann, wobei der Detektor ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das sich mit der Frequenz des ersten Strahls ändert, so daß die Frequenz der Lichtquelle sich überwachen läßt.

28. Anordnung nach Anspruch 27» gekennzeichnet durch einen zwei-

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ten Strahlteiler zur Frequenzüberwachung, der vom ersten Lichtstrahl einen Teil als zweiten Prequenzüberwachungsstrahl abteilt, durch ein schmalbaniges Etalon großer Weglänge im Weg des zweiten PrequenzüberwachungsStrahls und durch einen zweiten Detektor für den Frequenzüberwachungsstrahl, der in dessen Weg angeordnet ist, um ihn zu erfassen, nachdem er das schmalbandige Etalon großer Weglänge durchlaufen hat, und ein elektrisches Ausgangssignal zumerzeugen, das sich abrupt mit der Frequenz des ersten Lichtstrahls ändert, so daß die Frequenz der Lichtquelle sich präzise überwachen läßt.

29. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem schmalbandigen Etalon großer Weglänge um eine Lichtfaser mit teilreflektierenden Stirnflächen an den Faserenden handelt.

30. Anordnung nach Anspruch 1, 5 oder 10, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler zur Frequenzüberwachung, der vom ersten Lichtstrahl einen Teil als Frequenzüberwachungsstrahl abteilt, durch ein optisches Gitter, das den Frequenzüberwachungsstrahl unter einem von der Frequenz des ersten Lichtstrahls sfe&bcrgn abhängigen Winkel ablenkt, und durch einen für die Lage des Frequenzüberwachungsstrahls empfindlichen Detektor, der die Lage des Frequenzüberwachungsstrahls nach dessen Ablenkung durch das Gitter erfaßt und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das von der Frequenz des ersten Strahle abhängt, so

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- 11 daß die Frequenz der Lichtquelle überwacht werden kann.

31. Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lichtstrahl in einer ersten vorbestimmten Richtung polarisiert ist und daß ein erster polarisierender Strahlteiler im zweiten Lichtstrahl so angeordnet und ausgerichtet ist, daß der zweite Lichtstrahl in einer ersten vorbestimmten Richtung aus ihm austreten kann, wobei ein zweiter Lichtstrahl in den Frequenzschieber eintritt, nachdem aus dem polarisierenden Strahlteiler in der ersten vorbestimmten Richtung ausgetreten ist, und der Teil nullter und der Teil erster Ornung des zweiten Lichtstrahls sich danach in unterschiedlichen Richtungen ausbreiten, daß ein erstes Viertelwellenlängenplättchen im zweiten Lichtstrahl nach dem dem Durchlauf des Strahls durch den Lichtstrahl-Frequenzteiler angeordnet und unter 45° zur ersten vorbestimmten Polarisationsrichtung angeordnet ist, um die Polarisation des zweiten Lichtstrahls zirkulär zu machen, daß eine erste Einrichtung die Richtungen des zweiten Strahls nach dem Durchlauf durch das Viertelwellenlängenplättchen steuert und daß eine erste Einrichtung den Teil erster Ordnung des zweiten Lichtstrahls durch das Viertelwellenlängenplättchen, den Frequenzschieber und den polarisierenden Strahlteiler zurückwirft, so daß der Effekt der Strahlablenkung durch den Frequenzschieber sich unterdrücken läßt.

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32. Anordnung nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Lichtstrahl in vorbestimmten Richtungen polarisiert ist, daß ein zweiter polarisierender Strahlteiler im dritten Lichtstrahl so angeordnet und ausgerichtet ist, daß dieser in einer ersten vorbestimmten Richtung aus ihm austreten kann, wobei der zweite Lichtstrahl-Frequenzschieber im dritten Lichtstrahl nach dem Austreten des dritten Lichtstrahls aus dem zweiten polarisierenden Strahlteiler in der ersten vorbestimmten Richtung liegt und die Anteile nullter und erster Ordnung des dritten Lichtstrahls danach in unterschiedlichen Richtungen weiterlaufen, daß ein zweites Viertelwellenlängenplättchen im dritten Lichtstrahl liegt, nachdem der dritte Lichtstrahl durch den zweiten Lichtstrahl-Frequenzschieber hindurchgelaufen ist, und um 45° gegen die erste vorbestimmte

aji Polarisierungsrichtung orientiert angeordnet ist,

um die Polarisation des dritten Lichtstrahls zirkulär zu machen, daß eine zweite Einrichtung die Richtungen des dritten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des zweiten Viertelwellenlängenplättchens steuert, und daß eine zweite Einrichtung den Anteil erster Ordnung des dritten Lichtstrahls durch das zweite Viertelwellenlängenplättchen, den zweiten Frequenzschieber und den zweiten polarisierenden Strahlteiler hindurch zurück refelktiert, so daß die Effekte der Strahlablenkung der Frequenzschieber unterdrückt werden.

33· Anordnung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch geker»¹"^^gJi]TgIr.

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daß die erste Einrichtung zur Richtungssteuerung des zweiten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des ersten Viertelwellenlängenplättchens eine Positivlinse aufweist und daß die erste Einrichtung zum Rückschicken des Anteils erster Ordnung des zweiten Lichtstrahls durch das erste Viertelwellenlängenplättchen, den ersten Frequenzschieber und den ersten polarisierenden Strahlteiler einen ebenen Spiegel mit definerter Kante zwischen den Anteilen nullter und erster Ordnung des zweiten Lichtstrahls liegt.

34. Anordnung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung zur Richtungssteuerung des zweiten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des ersten Viertelwellenlängenplättchens eine Positivlinse und die erste Einrichtung, die den Anteil erster Ordnung des zweiten Lichtstrahls über das erste Viertelwellenlängenplättchen, den ersten Frequenzverschieber und den ersten polarisierenden Strahlteiler zurückwirft, einen Spiegel aufweist, der so angeordnet ist, daß er den Anteil erster Ordnung des zweiten Lichtstrahls reflektiert, wobei der Spiegel eine Blende im Weg des Anteils nullter Ordnung des zweiten Lichtstrahls aufweist.

35· Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Einrichtung zur Richtungssteuerung des zweiten und dritten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des ersten und des zweiten Viertelwellenlängenplättchens je-

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wells eine Linse aufweisen und daß die erste Einrichtung, die den Anteil erster Ordnung des zweiten und dritten Lichtstrahls durch das erste und zweite Viertelwellenlängenplöttchen, den ersten und den zweiten Frequenzschieber und den ersten und zweiten polarisierenden Strahlteiler zurück reflektiert, Jeweils einen ebenen Spiegl mit definierter Kante derart aufweist , daß die definierte Kante zwischen dem Anteil nullter Ordnung und dem Anteil erster Ordnung des Lichtstrahls liegt.

36. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Richtungssteuerungseinrichtung für den zweiten und dritten Lichtstrahl nach dem Durchlaufen des ersten und des zweiten Viertelwellenlängenplättchens Jeweils eine Linse und die erste Einrichtung, die den Anteil erster Ordnung des zweiten und dritten Lichtstrahls über das erste und zweite Viertelwellenlängenplättchen, den ersten und zweiten Frequenzschieber und den ersten und den zweiten polarisierenden Strahlteiler zurückreflektiert, einen Spiegel aufweisen» der so angeordnet ist, daß er den ftnfc Anteil erster Ordnung des Lichtstrahls reflektiert, wobei der Spiegel eine Blende im Weg des Anteils nullter Ordnung des Lichtstrahls aufweist.

37· Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser ist.

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38. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Laserdiode ist.

39. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Lumineszenzdiode ist.

40. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchrondemodulator einen Analog/Digital-Wandler, der das Ausgangssignal des Detektors als Analogsignal aufnimmt und es digitalisiert, und einen nachfolgenden sequentiell arbeitenden Stibtrahierer aufweist, des das digitalisierte elektrische Ausgangssignal des A0D-Wandlers aufnimmt und es als Wort dem Integrator zuführt.

41. Anordnung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator ein binärer Addierer/Akumulator mit einem ersten Eingang, an den das elektrische Detektorausgangssignal aus dem Substrahierer gelegt ist, mit einem Ausgang und mit einen zweiten Eingang ist, der mit dem Ausgang verbunden ist.

42. Anordnung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß ein Binäraddierer an den Ausgangdes Binär-Addierer/Akkumulatore gelegt ist und als Ausgangssignal ein Drehgeschwindigkeitewort abgibt.

43. Anordnung nach Anspruch 42, dadurch fyftVjATmy.ftirthTift-fc, daß das

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Drehgeschwindigkeitswort auf einen Integrator gegeben wird, der ein Drehlagenwort aus ihm bildet.

44. Anordnung nach Anspruch 42 oder 45, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Oszillator einen digital gesteuerten Frequenzsynthesizer, dem das Drehgeschwindigkeitswort zugeführt wird und der aus ihm ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz sich mit .Änderung des Drehgeschwindigkeitsworts ändert, einen Taktgenerator, der einander zugeordnete Taktsignale erzeugt, einen Einseitenbandmischer mit Eingängen, die an den Ausgang des digital gesteuerten Frequenzsynthesizers und den Taktgenerator gelegt sind, sowie mit einem Ausgang, durch einen Quadratur-Ringzähler, mit einem mit dem Taktgenerator verbundenen Eingang sowie einem ersten und einem zweiten Ausgang, durch einen zweiten Einseitenbandmischer mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Eingang sowie einem Ausgang, durch ein erstes Tiefpaßfilter, über das der erste Ausgang des Quadratur-Hingzählers an den ersten Eingang des zweiten Einseitenbandmischer gelegt ist, durch einen Modulator und durch ein zweites Tiefpaßfilter, über das der zweite Ausgang des Quadratur-Ringzählers über den Modulator auf den zweiten Eingang des zweiten Einseitenbandmischers gelegt ist, wobei das Ausgangssignal des zweiten Einseitenbandmischers auf den Frequenzschieber gegeben wird.

45. Anordnung nach Anspruch 40, 41, 42, 43 oder 44, gekennzeich-

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net durch einen Ausgangsdetektor für die Lichtquelle, der ein elektrisches Signal entsprechend dem auf ihn fallenden Licht abgibt, durch einen Strahlteiler zur Überwachung der Lichtquelle, der einen Teil des ersten Lichtstrahls auf den Lichtquellenausgangsdetektor abtrennt, und durch einen Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor zwischen dem Detektor im Weg des vierten Strahls und dem A/D-Wandler, welcher Verstärker vom elektrischen Ausgangssignal des Lichtquellen-ausgangsdetektors angesteuert wird, um den Verstärkungsfaktor des Regel-Verstärkers zu verändern und so das elektrische Ausgangssignal des im vierten Lichtstrahl liegenden Detektors bei Änderungen der Ausgangsleistung der Lichtquelle nachzustellen.

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