DE3040514A1

DE3040514A1 - Verfahren und anordnung zur signalauswertung eines lichtleitfaserrotationssensors

Info

Publication number: DE3040514A1
Application number: DE19803040514
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 7900 Ulm Petermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-10-28
Filing date: 1980-10-28
Publication date: 1982-07-22

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Signalauswertung eines Lichtleitfaserrotationssensors Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.
Derartige Lichtleitfaserrotationssensoren werden auch Saseroptische Ringinterferometer genannt, die zur Bestimmung von Drehgeschwindigkeiten dienen, wobei der sogenannte Sagnac-Effekt ausgenutzt wird.
Der Einsatz eines Phasenmodulators in einem Lichtleitfaserrotationssensor ist bekannt aus der Schrift von R.
Ulrich "Fiber-optic rotation sensing with low drift", Optics Letters 5 (1980), Seiten 173 bis 175.
gin derartiger Lichtleitfaserrotationssensor ist in einer schematischen Zeichnung,mit ausgezogenen Linien,dargestellt. Licht 2 einer Lichtquelle 1 wird in einem Strahlenteiler 3 mit den Toren 4 bis 7 derart aufgeteilt1 daß es einen eine Fläche 8 mindestens einmal umschlingenden Lichtweg 9 in entgegengesetzten Richtungen 10 durchläuft, dabei. es emen Phasenmodulator 11 durchquert und in dem Strahlenteiler 3 interferiert. Derart entstandenes Licht 12 wird einem Photodetektor 13 zugeführt, der das Licht 12 in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, das mit elektronischen Mitteln auswertbar ist.
Bewirkt der Phasenmodulator 11 eine Modulation der optischen Phase (p des Lichtes um g<p (t),wobei t die Zeit bedeutet, so ist das Empfangssignal I (t) am Photodetektor 13 gegeben als wobei C eine Konstante und 2# die sogenannte Sagnac-Phasenverschiebung aufgrund der Drehung des Lichtleitfaserrotationssensors bezeichnen. #L bezeichnet die gesamte Laufzeit des Lichtes durch den Lichtweg 9. Wie aus der oben angeführten Schrift bekannt ist, führt ein dem Phasenmodulator 11 zugeführtes, sinusförmiges Modulationssignal bei einer Frequenz f1 gemäß der Formel ## (t) = <Pm sin ( 2Kf1t) zu dem Empfangs signal I (t) = C (1 * cos (2# - #m cos (2#f1 (t- #L/2 mit #m = 2#m sin Das Empfangssignal I (t) wird nun bei der Frequenz f 1 ausgewertet, wobei sich dann bei der Frequenz f ein Signal mit der Amplitude A1 = 2 . C . J1 (#m) sin (2#) ergibt, wobei J die Besselfunktion erster Ordnung bezeichnet.
Zur Verwendung eines Lichtleitfaserrotationssensors z.B. in der Navigation ist eine äußerst genaue Bestimmung des Sagnac-Phasenterms (2#) notwendig. In der bekannten und beschriebenen Anordnung wird lediglich die Amplitude A1 bestimmt, eine Bestimmung von sin (2) daraus ist unsicher aufgrund gewisser Schwankungen von z.B. der Lichtleistung (wirkt sich aus in der Konstanten C) der Lichtquelle 1 untl/oder der Amplitude de #m des dem Phasenmodulator zugeführten Modulationssignals.
Eine zu messende Drehgeschwindigkeit ist daher daraus nicht mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Signalauswertung bei einem Lichtleitfaserrotationssensor anzugeben, das es ermöglicht, den Sagnac-Phasenterm 2, und daraus die zu bestimmende Drehgeschwindigkeit, genau und zuverlässig zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 10 angegebenen Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der FIG. mit Hilfe der gestrichelt dargestellten Teile näher erläutert.
Erfindungsgemäß wird zur zuverlässigen Bestimmung des Sagmindestens nac-Phasenterms (2#) dem Phasenmodulator 11 mit Hilfe/eines Frequenzgenerators 14 ein Modulationssignal zugeführt, das mindestens eine Frequenzkomponente f1 enthält. Das Empfangssignal des Photodetektors 13 wird bei mindestens zwei Frequenzen fl und f\> mit Hilfe einer Auswerteeinheit 15 ausgewertet derart, daß durch diese Auswertung einerseits ein Signal entsteht, das die Sagnac-Phase (2) beinhaltet, und andererseits ein Steuerungs- bzw, Regelsignal zur Beeinflussung des Frequenzgenerators 14, womit schließlich das Modulationssignal am Phasenmodulator 11 beeinflußt wird. Das der Sagnac-Phase entsprechende Signal wird über eine elektrische Verbindungsleitung 16 an eine nicht dargestellte weitere Auswerteeinheit geleitet, in der beispielsweise die Drehgeschwindigkeit berechnet und angezeigt wird.
Mit Hilfe des erzeugten Steuerungs- bzw. Regelsignales und des Phasenmodulators 11 wird das Licht beeinflußt, das den Lichtweg 9 durchläuft.
Aus zwei zu den Frequenzen f1' und f2' gehörenden Signalan-@teilen des Empfangssignales des Photodetektors 13 lassen sich zwei Größen, z.B. 9' und 2i, zuverlässig gewinnen, m unter der Annahme, daß die Lichtleistung und damit die Konstante C zuverlässig bekannt sind.
Um bei schwankender Konstante C und schwankender Rechengröße W die Sagnac-Phase 2# zuverlässig zu bestimmen, werden am Photodetektor 13 drei Signale benötigt, wozu das Empfangssignal bei drei Frequenzen fj1 2, fj ausgewertet wird.
3 Die benötigten drei Signale werden auch erhalten, wenn neben der Auswertung der Signale bei den Frequenzen f1', f2' das Gleichlichtsignal des Empfangssignales I(t) ausgewertet wird, was der Frequenz f3' = 0 entspricht.
Im allgemeinen ist die Auswertung derartiger Signale1 die alle die Größen C, vnX und « # enthalten, aufwendig. Die Konstante C wird beseitigt, wenn der Quotient zwischen zwei der detektierten Signale gebildet wird. Ist darüberhinaus noch die Rechengröße #m aus der Kenntnis eines dritten Signals bekannt, läßt sich die Sagnac-Phase 2# zuverlässig bestimmen.
Es ist zweckmäßig, die Signalamplitude des Modulationssignals auf einem konstanten Wert zu halten. Dieser konstan-Steuerungs- bzw.
te Wert wird dadurch erhalten, daß das/Regelsignal die Signalamplitude des Modulationssignals derart beeinflußt, daß das vom Photodetektor detektierte Signal bei mindestens einer Frequenz 2 vernachlässigbar wird.
Als Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Hilfe des Frequenzgenerators 14 ein sinusförmiges Modulationssignal mit der Frequenz f1 erzeugt. In dem Empfangssignal I(t) werden die Amplituden von Gleichanteil, bezeichnet mit A0, sowie der Frequenzanteile bei f1' = f1, f2' = 2f1 und f3' = 4f1 bezeichnet mit A1, A2 und A3 ermittelt zu A = c (1 + cos (2«) J0 ( # A1 = C . 2 J1 ( #m) sin (2#) A2 = C . 2 J2 ( #m) cos (2#) A3 = C . 2 J4 ( #m) cos (2#) wobei J0, J1, J2, J4 Besselfunktionen bedeuten.
Das Steuerungs- bzw. Regelsignal, und somit #m wird nun beispielsweise derart ausgebildet, daß die Amplitude A2 vernachlässigbar wird. Damit gilt im allgemeinen J2 ( #m ) = des Modulationssignals bei der Frequenz f1 so daß die Amplitude/fest auf dem Wert £1' = 5.14 gehalten wird. Wird weiterhin von der elektrischen Auswerteeinrichtung 15 der Quotient A1/ A4 gebildet, ergibt sich . tan (2#) = -0.857.tan(2#) so daß dann daraus zuverlässig die Sagnac-Phase erhalten Als wird. /Ausführungsbeispiel wird ein Lichtleitfaserrotations sensor mit einer Länge des Lichtweges 9 von 1km gewählt.
Die Modulationsfrequenz f1 für den Phasenmodulator 11 wird zu f1 = 100 kHz gewählt, so daß dann in der Auswerteeinheit 15 die Amplituden der Signalkomponenten bei den Frequenzen f1'= 100 kHz, f2' = 200 kHz und f3'= 400 kHz ausgewertet werden und die Amplitude des Modulationssignals derart geregelt wird, daß die Signalkomponente bei der Frequenz f 2'= 200 kHz möglichst klein wird. Die Amplitude des Modulationssignals wird dann konstant bei AJm = 5.14 gehalten, was bei der Länge des Lichtweges 9 von 1km ( # L = 5/us) einer modulierten Phasenamplitude von ç = 2,57 rad entm spricht. Die Sagnac-Phase 2d wird berechnet aus der Gleichung

2d = arctan i 1 ) A1

-0,857 A ) 1

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wobei diese Auswertung beispielsweise von einem Mikrocomputer durchgeführt wird. Alternativ läßt sich die Sagnac-Phase auch aus der Quotientenbildung A1 /A0 ermitteln.
Die maximal erreichbare Empfindlichkeit eines Interferometers hängt wesentlich von der Amplitude A1, also von der Größe von J1 (#m), ab. Im bisher beschriebenen Ausführungs beispiel ist J1 (#m) = -0,33 recht klein und es ist deshalb das Ziel einer weiteren Ausbildung der Erfindung, eine Steuerung bzw. Regelung der Signalamplitude des Modulationssignals derart vorzusehen, daß J1 (5' ) größer wird.
Eine Möglichkeit besteht darin, den Quotienten A2 / A4 konstant zu halten auf dem Wert so daß sich die Modulationsamplitude entsprechend #m = 1,8 ergibt und damit J1 (#m) = 0,58 den Maximalwert annimmt.
Für diese optimale Regelung wird eine aufwendige Auswerte einrichtung benötigt, die das Verhältnis A2 / A4 berechnet.
Eine alternative Möglichkeit dazu besteht in weiteren Ausführungsformen der Erfindung darin, mit Hilfe mindestens eines Frequenzgenerators 14 ein Modulationssignal zu erzeugen, das zwei Frequenzen f1, f2 enthält gemäß der Formel ## (t) = #m sin (2#f1t) + #n sin (2#f2t) und am Photodetektor 13 das Empfangs signal bei Kombinationsfrequenzen mf1 + nf2 mit ganzzahligen m, n auszuwerten.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, daß im Modulationssignal die Signalamplitude des Modulationsfrequenzanteiles f1 sehr viel größer gewählt wird als die Signalamplitude des Modulationsfrequenzanteiles f2, wie in folgender Formel dargestellt: 2#n sin (2#f2#L) < < #m = 2#m sin (2#f1#L) Im Modulationssignal wird die Signalamplitude #m der Modulationsfrequenz f1 derart gewählt, daß das vom Photodetektor 13 bei der Frequenz 2f2 detektierte Empfangssignal vernachlässigbar wird. Dieses Signal ist proportional zu J m), so daß gilt J0 ( #m) = 0 und damit #m = 2.4. Die Sagnac-Phase 2d wird zuverlässig erhalten entweder aus dem Quotienten der Amplituden bei den Frequenzen f1 und 21, die bestimmbar werden aus tan(2#) = 1,21 . tan (2#) oder aus dem Quotienten des Signals bei f1 und dem Gleåchsignal sin (2#) = 1,04.sin (2#) Da J1 (tm = 2.4) = 0,52 dem maximal erreichbaren Wert von 0,58 bereits recht nahe kommt, ist die Empfindlichkeit des Lichtleitfaserrotationssensors gegenüber zu messenden Drehgeschwindigkeiten zufriedenstellend.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeipiel wird die Länge L des Lichtweges 9 wieder zu L = 1km gewählt und der Phasenmodulator 11 mit den Frequenzen fl = 100 kEz und f2 = 10 kHz beaufschlagt. In der Auswerteeinrichtung 15 werden die Signalamplituden bei don Frequenzen r 1 = 100 kllz, 2f1 = 200 kHz und 2f2 = 20 kHz bestimmt. Die Regelung der Amplitude des am Phasenmodulator 11 anliegenden Signal anteils der Frequenz £1 wird so durchgeführt, daß in der Auswerteeinrichtung die Signalkomponente der Frequenz 2f2 möglichst klein wird. Die Signalamplitude #m wird auf diese Weise auf dem konstanten Wert von #m = 1,2 rad gehalten. Die Signalamplitude #m wird so klein wie möglich gewählt, aber derart, daß eine zuverlässige Regelung noch möglich ist, was ungefähr einem Wert von #m = Oil ...0,5 rad entspricht.
Die Sagnac-Phase wird berechnet aus der Formel 1 A1 2# = arctan () 1,21 A2 In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird ein einfaches Verfahren angegeben, mit dem die Amplitude #m derart geregelt wird, daß die mathematische Ableitung dJl (#m) / dYm zu Null wird und so eine Steuerung bzw. Regelung auf dem Punkt maximaler Empfindlichkeit erhalten wird.
Die optische Phase des Lichtes wird dazu mit- Hilfe des Phasenmodulators 11 moduliert gemäß der Formel (# (t) = (#m + #1 sin) (2#f0t)) sin (2#f1t) + #2 sin (2#f2t) Das Empfangssignal am Photodetektor 13 wird bei einer Kombinationsfrequenz 1 + 2 # fo proportional zu dJ1 (#m)/ dm0 Wird nun die Signalamplitude #m so geregelt, daß das Empfangssignal bei der obigen Kombinationsfrequenz vernachlässigbar wird, so gilt dJ1 ( #m ) / d#m = 0 und J1 (#m) nimmt bei #m = 1.84 seinen maximalen Wert an. Die Sagnac Phase ergibt sich dann beispielsweise aus dem Quotient der Amplituden bei den Frequenzen f1 und 2f1: tan (2#) = 1.84 . tan (2#).

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Signalauswertung eines den Sagnac-Effekt auswertenden Lichtleitfaserrotationssensors mit einem Photodetektor und einem eine Fläche mindestens einmal umschließenden Lichtweg1 in dem ein Licht modulierender Phasenmodulator enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmodulator (11) mit einem Modulationssignal angesteuert wird. das mindestens eine Frequenzkomponente enthält und daß das beim Photodetektor (13) entstehende Empfangssignal bei mindestens zwei Frequenzen ausgewertet wird derart, daß daraus der Betrag der Sagnac-Phase und/oder ein Steuerungs-bzw. Regelsignal zu einer Steuerung bzw. Regelung des Phasenmodulators (11) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeidlnet, daß durch das Steuerungs- bzw. Regelsignal eine Steuerung bzw.

Regelung der Amplitude des Modulationssignals am Phasenmodulator (ii) bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal bei mindestens drei Frequenzen ausgewertet wird derart, daß entsprechend der Anzahl der Frequenzen mindestens drei Signalkomponenten entstehen, woraus das Steuerungs- bzw. Regelsignal abgeleitet wird und weiterhin mindestens zwei der Signalkomponenten durch Quotientenbildung derart verknüpft werden, daß daraus der Betrag der Sagnac-Phase gewonnen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Steuerungs- bzw. Regelsignal ein Modulationssignal bewirkt wird derart, daß mindestens ein zu einer bestimmten Frequenz gehörender Anteil des Empfangssignals möglichst klein wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Phasenmodulator (13) ein mit einer Frequenz f1 periodisches Modulationssignal anliegt und die Amplitude des Modulationssignals mit Hilfe des Regelsignals derart geregelt wird, daß in dem Empfangssignal mindestens ein zu einer Harmonischen der Frequenz f1 gehörender Anteil möglichst klein wird und/oder daß ein Verhältnis einen nahezu unveränderlichen Wert hat, das aus Anteilen gebildet wird, die zu mindestens zwei verschiedenen Harmonischen der Frequenz gehören.
6, Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungs- bzw. Regelsignal derart ausgebildet wird, daß der Anteil des Empfangssignals möglichst klein wird, der die zweifache Frequenz des Modulationssignals enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssignal aus mindestens zwei Signalanteilen besteht, die Frequenzen f1 und f2 enthalten, und daß das Steuerungs- bzw. Regelsignal derart ausgebildet wird, daß der Anteil des Empfangssignales möglichst klein wird dor zu einor Kombinationsfrequenz m . f1 # n . f2 mit ganzzahligen m, n gehört, bzw. daß bei verschiedenen Kombinationsfrequenzen die zugehörigen Signalamplitudenanteile des Empfangssignales in einem Verhältnis zueinander stehen, das auf einem sich nahezu nicht Irerändernden Wert gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zu einer Modulationsfrequenz f1 gehörenden Signalamplitude, die sehr viel größer ist als eine zur Nodulationsfrequenz f2 gehörenden Signalamplitude, das Steuerungs-bzw. Regelsignal derart ausgebildet wird, daß im Empfangssignal der zu einer Frequenz 2 f2 gehörende Anteil möglichst klein wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssignal mindestens aus Signalanteilen der Frequenzen f1 und f2 besteht, wobei wenigstens der zu der Frequenz f1 gehörende Signal anteil mit einer Frequenz f amplitudenmoduliert wird derart, daß eine 0 zur Frequenz f1 gehörende mittlere Signalaniplitude. derart gesteuert bzw. geregelt wird, daß ein zu einer Frequenz m o f1 + n f2 + 1 f3 mit ganzzahligen 1, m, n gehörender Anteil des Empfangssignales möglichst klein wird.
10. Anordnung zur Signalauswertung eines Lichtleitfaserrotationssensors mit einem Photodetektor und einem eine Fläche mindestens einmal umschließenden Lichtweg in dem ein Licht modulierender Phasenmodulator enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmodulator (11) mit Hilfe eines Modulationssignals ansteuerbar bzw. regelbar ist, das mindestens eine Frequenzkomponente enthält und daß ein durch den Photodetektor (13) erzeugtes elektrisches Empfangssignal bei mindestens zwei Frequenzen auswertbar ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Photodetektor (13) erzeugte elektrische Empfangssignal in einer Auswerteeinheit (15) derart ausein wertbar ist, daß dadurch/Steuerungs- bzw. Regelsignal entsteht, das dem Phasenmodulator zuführbar ist.