DE3047504A1

DE3047504A1 - Correction of measurements, esp. for Sagnac rotation sensor - using noise signal correction addition and continuous correlation minimisation

Info

Publication number: DE3047504A1
Application number: DE19803047504
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. techn. 7900 Ulm Russer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-12-17
Filing date: 1980-12-17
Publication date: 1982-07-22

Abstract

A transducer produces a signal corresp. to the measured value and at least one superimposed disturbance value. A noise sensor produces a noise signal from which a correction signal is derived. The correction signal is combined with the measurement signal so as to minimise the noise component in the latter. The correction signal may be formed from noise signals and/or their derivatives or from estimated noise signals and/or their derivatives. Correction is performed additively and the correlation between the corrected signal and the noise or correction signal is continuously minimised.

Description

Beschreibungdescription

Verfahren zur Bestimmung einer Meßgröße und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Meßgrößen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.Method for determining a measured variable and an arrangement for carrying it out of the method The invention relates to a method for evaluating measured variables according to the preamble of claim 1 and an arrangement for performing the Method according to the preamble of claim 6.

insbesondere Die Erfindung betrifft/ein Verfahren zur Messung absoluter Drehungen, unter Verwendung des Sagnac-Effektes, wobei ein von einer Lichtquelle ausgehender Lichtstrom zunächst in zwei Teillichtströme annähernd gleicher Intensität aufgespalten wird, wobei die zwei Teillichtströme einen eine Fläche F mindestens einmal umschließenden Lichtweg in einander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen und wobei schließlich die Teillichtströme wieder zu einem einzigen Lichtstrom vereinigt werden und dieser an einen Photodetektor weitergeleitet wird. Absolute räumliche Drehungen, d.h. Drehungen gegenüber einem Inertialsystem lassen sich unter Verwendung des Sagnac-Effektes messen. Eine ausführliche Darstellung des Sagnac-Effekts findet sich z.B. in der Druckschrift "Reviews of Modern Physics 39, No. 2 <1967), S. 475-493, "Sagnac-Effect" von E.J. Post, Zur Messung der Drehgeschwindigkeit wird ein Lichtweg benutzt, welcher eine Fläche ein- oder mehrfach umschließt. Die Führung des Lichts im Lichtweg erfolgt durch Spiegel und/oder Lichtleiter. Besonders vorteilhaft ist die Herstellung eines Lichtwegs mit Hilfe von Lichtleitfasern, da hierdurch eine große Anzahl von Umläufen des Lichts um die Fläche ermöglicht wird. Ringinterferometer sind aus der Literatur bekannt - siehe z.B. V. Vali, R.W. Shorthill, M.F. In particular, the invention relates to a method for measuring absolute Rotations, using the Sagnac effect, one being from a light source outgoing luminous flux initially in two partial luminous fluxes of approximately the same intensity is split, the two partial luminous fluxes an area F at least once traversing the enclosing light path in opposite directions and finally combining the partial luminous fluxes again into a single luminous flux and this is forwarded to a photodetector. absolute Spatial rotations, i.e. rotations with respect to an inertial system, can be omitted Measure the use of the Sagnac effect. A detailed account of the Sagnac effect can be found e.g. in the publication "Reviews of Modern Physics 39, No. 2 <1967), Pp. 475-493, "Sagnac-Effect" by E.J. Post, used to measure the rotational speed uses a light path that encloses an area one or more times. The leadership of the light in the light path takes place through mirrors and / or light guides. Particularly beneficial is the production of a light path with the help of optical fibers, because this a large number of revolutions of the light around the surface is made possible. Ring interferometer are known from the literature - see e.g. V. Vali, R.W. Shorthill, M.F.

Berg: " Fresnel-Fizeau effect in a rotating optical fiber ring interferometer", Applied Optics 16, Nr. 10 (1977), S. 2605-2607, oder R.Ulrich, M. Johnson Fiber-ring interferometer: polarization analysis, Optics Letters 4 (1979), s. 152-154.Berg: "Fresnel-Fizeau effect in a rotating optical fiber ring interferometer", Applied Optics 16, No. 10 (1977), pp. 2605-2607, or R. Ulrich, M. Johnson Fiber-ring interferometer: polarization analysis, Optics Letters 4 (1979), pp. 152-154.

Der von einer Lichtquelle ausgehende Lichtstrom wird bei allen diesen Anordnungen in zwei Teillichtströme aufgeteilt, welche den Lichtweg in zueinander entgegengesetzter Richtung durchlaufen und nach Durchlaufen des Lichtwegs wieder vereinigt und so zur Interferenz gebracht werden. Dreht sich der Lichtweg um eine Drehachse, welche senkrecht zu der vom Lichtweg umschlossenen Fläche ausgerichtet ist, so ändern sich die Laufzeiten der Teillichtströme durch den Lichtweg und zwar in der Weise, daß die Laufzeit für den in Drehrichtung umlauf enden Teillichtstrom größer wird und die Laufzeit für den entgegengesetzt umlaufenden Teillichtstrom kleiner wird. Die Drehgeschwindigkeit kann sodann interferometrisch gemessen werden. Der Zusammenhang zwischen der Drehgeschwingikeit Q und der dadurch bewirkten Phasenverschiebung AV ist durch die Beziehung gegeben. Darin bedeuten: : : Phasendifferenz der Teillichtströme nach deren Zusammenführung F : die vom Lichtweg umschlossene Fläche N : Anzahl der Windungen des Lichtwegs um die Fläche F c : Vakuumlichtgeschwindigkeit k : Vakuumwellenlänge des Lichtes n : Drehgeschwindigkeit (=Winkelgeschwindigkeit ) des Lichtweges L um eine Achse A normal zur Fläche F.The luminous flux emanating from a light source is divided into two partial luminous fluxes in all of these arrangements, which pass through the light path in opposite directions and are combined again after passing through the light path and thus brought into interference. If the light path rotates around an axis of rotation which is aligned perpendicular to the area enclosed by the light path, the transit times of the partial luminous fluxes through the light path change in such a way that the transit time for the partial luminous flux circulating in the direction of rotation is greater and the transit time for the oppositely circulating partial luminous flux becomes smaller. The speed of rotation can then be measured interferometrically. The relationship between the rotational speed Q and the resulting phase shift AV is given by the relationship given. The following mean::: phase difference of the partial luminous fluxes after they have been brought together F: the area enclosed by the light path N: number of turns of the light path around the area F c: vacuum speed of light k: vacuum wavelength of light n: rotational speed (= angular speed) of light path L around an axis A normal to surface F.

Die Messung der Drehgeschwingikeit kann auch in bekannter Weise auf eine Frequenzmessung zurückgeführt werden -siehe z.B. R.F. Cahill, E.Udd: t'Phase-nulling fiber optic laser gyron, Optics Letters 4, No. 3 (1979), S. 93-95. Dabei wird durch einen an einem Ende des Lichtweges befindlichen Einseitenbandmodulator die Frequenz eines Teillichtstroms vor dem N-fachen Umlauf um die Fläche F, die Frequenz des in entgegengesetzter Richtung umlaufenden Teillichtstroms jedoch nach dem N-fachen Umlauf um die Fläche F verschoben. Die Frequenzverschiebung erfolgt dabei in beiden Fällen um den gleichen Betrag f1 und in gleicher Richtung. Zwar haben beide Teillichtströme während ihres Umlaufs um die Fläche F um fl unterschiedliche Frequenzen, haben aber vor der Wiedervereinigung bei- de den Modulator durchlaufen und sind daher interferenzfähig. Die Phasenverschiebung der Teillichtströme hängt von ft ab. Wird durch Wahl von f1 z . B. auf Interferenzmaximum abgeglichen, so besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Drehgeschwindigkeit und f1 gegeben durch Darin bedeuten: 1 : Umfang einer Windung des Lichtweges um die Fläche F fl : Modulationsfrequenz für Abgleich bei f10: Modulationsfrequenz für Abgleich bei iL=o n : Brechungsindex des Lichtweges Interferometrische Drehgeschwindigkeitsmesser haben eine technische Bedeutung für den Bau von Lagereferenzsystemen.The measurement of the rotational speed can also be traced back to a frequency measurement in a known manner - see, for example, RF Cahill, E. Udd: t'Phase-nulling fiber optic laser gyron, Optics Letters 4, No. 3 (1979), pp. 93-95. A single sideband modulator at one end of the light path shifts the frequency of a partial luminous flux before the N-fold rotation by the area F, but the frequency of the partial luminous flux circulating in the opposite direction by the area F after the N-fold rotation. The frequency shift takes place in both cases by the same amount f1 and in the same direction. It is true that both partial luminous fluxes have different frequencies by fl during their orbit around the area F, but both passed through the modulator before reunification and are therefore capable of interference. The phase shift of the partial luminous flux depends on ft. If you choose f1 z. B. adjusted to the interference maximum, there is a linear relationship between the speed of rotation and f1 given by This means: 1: circumference of a turn of the light path around the area F fl: modulation frequency for adjustment at f10: modulation frequency for adjustment at iL = on: refractive index of the light path Interferometric rotational speed meters are of technical importance for the construction of position reference systems.

Dazu ist es im allgemeinen erforderlich, die Drehgeschwindigkeiten um verschiedene Achsen zu messen. Zur Messung der Raumdrehung eines starren Körpers genügt die Messung der Drehgeschwindigkeiten um drei linear unabhängige (vorzugsweise orthogonale) Achsen. Die Drehwinkel werden durch zeitliche Integration der Drehgeschwindigkeiten erhalten.To do this, it is generally necessary to adjust the rotational speeds to measure different axes. For measuring the rotation of a rigid body in space it is sufficient to measure the rotational speeds by three linearly independent (preferably orthogonal) axes. The angles of rotation are determined by integrating the speeds of rotation over time obtain.

Die mit derartigen Anordnungen durchgeführten Messungen werden jedoch durch verschiedene äußere Störeinflüsse verfischt. Die Störungen äußern sich in der Weise, daß die gemessene Drehrate einen Fehler aufweist, welcher entweder einer äußeren Störung oder der zeitlichen Änderungsrate einer äußeren Störung proportional ist. Als Störursachen kommen z.B. Temperaturänderungen oder äußere Mag.However, the measurements made with such arrangements are fished by various external disturbances. The disturbances are expressed in the way that the measured rate of rotation has an error, which either one external disturbance or the rate of change of an external disturbance over time is. The causes of disturbance are, for example, temperature changes or external mag.

netfelder in Frage. Bei Temperaturänderungen ist die Fehlanzeige der Drehrate von der zeitlichen Änderungsrate der Temperatur (Ableitung der Temperatur nach der Zeit) und der räumlichen VerteiLung dieser Temperaturänderungsrate abhängig. Eine starke räumliche Inhemoge nität der Temperaturänderungsrate bewirkt eine große Fehlanzeige der zu messenden Drehrate. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß Temperaturänderungen von ungefähr 1 0C/Minute Fehlanzeigen der Drehrate von ungefähr 0,1 Winkelgraden pro Sekunde bewirken. Bei äußeren Magnetfeldern ist die Fehlanzeige der Drehrate von der Richtung sowie der Feldstärke des Magnetfeldes abhängig. Ursache für die Magnetfeldabhängigkeit ist die sogenannte Faraday-Rotation der Polarisation des Lichtes in der Lichtleitfaser. Experimentelle Untersuchungen zeigten, daß magnetische Feldstärken in Größenordnung des Endmagnetfeldes Fehlanzeigen der Drehrate in der Größenordnung von 0,1 Winkelgrad pro Sekunde bewirken.net fields in question. When the temperature changes, the Nothing the rate of rotation from the rate of change of temperature over time (derivation of temperature depending on the time) and the spatial distribution of this rate of temperature change. A strong spatial inhemogeneity of the rate of temperature change causes a large No indication of the rate of rotation to be measured. Experimental studies have shown that temperature changes of about 1 0C / minute incorrect display of the rate of rotation of effect about 0.1 degrees per second. In the case of external magnetic fields, this is The rate of rotation of the direction and the field strength of the magnetic field are not displayed addicted. The cause of the magnetic field dependency is the so-called Faraday rotation the polarization of the light in the optical fiber. Experimental research showed that magnetic field strengths in the order of magnitude of the final magnetic field are incorrect the rate of rotation in the order of 0.1 degrees per second.

Derartige durch äußere Störgrößen verursachte Fehlanzeigen bewirken eine Drift der durch Integration der Drehrateninformation gewonnenen Winkellageinformation. Durch diese Drift wird die Genauigkeit und damit der Anwendungsbereich von faseroptischen Rotationssensoren erheblich eingeschränkt. Such false indications caused by external disturbance variables cause a drift of the angular position information obtained by integrating the yaw rate information. This drift increases the accuracy and thus the range of application of fiber optic Rotation sensors severely restricted.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Meßgrößen anzugeben, bei dem der Einfluß äußerer Störgrößen möglichst vermieden wird, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. The invention is therefore based on the object of a method for Specify the determination of measured variables, in which the influence of external disturbance variables is possible is avoided, and an arrangement for carrying out the method.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst., Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.This object is achieved according to the invention by the in the characterizing Parts of claims 1 and 6 specified features solved., Appropriate Embodiments are compiled in the subclaims.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß z.B. zeitliche Änderungen (Driften) des Meßgerätes ausgeglichen werden, das die Meßgröße aufnimmt.An advantage of the invention is that, for example, changes over time (Drifting) of the measuring device, which records the measured variable.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.The invention is illustrated below with the aid of exemplary embodiments Explained in more detail with reference to a schematic drawing.

Die FIGUR zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels.The FIGURE shows a schematic block diagram of an exemplary embodiment.

Die Erfindung beruht darauf, mit Hilfe einer Anzahl von Störgrößensensoren die Störgrößen zu messen und aus der Messung der Störgrößen eine Korrekturgröße abzuleiten, diese Korrekturgröße zur Meßgröße bewertet zu addieren und dadurch die Störungen zu kompensieren. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Meßsignale der Störgrößen, im folgenden Störsignale genannt, und/oder die zeitlichen Ableitungen dieser Störgrößen mit entsprechenden Koeffizienten bewertet, addiert und auf diese Weise zu einer Korrekturgröße zusammengefaßt. Dieses Verfahren setzt lediglich voraus, daß der in der Meßgröße enthaltene Fehler von den Störgrößen linear abhängt. Diese Voraussetzung ist im allgemeinen erfüllt.The invention is based on this, with the aid of a number of disturbance sensors to measure the disturbance variables and a correction variable from the measurement of the disturbance variables derive, add this correction variable to the measured variable and thereby add the Compensate for disturbances. In the method according to the invention, the measurement signals the disturbance variables, hereinafter referred to as disturbance signals, and / or the time derivatives these disturbance variables are evaluated with corresponding coefficients, added up and added to them Way combined to a correction variable. This procedure only requires that the error contained in the measured variable depends linearly on the disturbance variables. These The requirement is generally met.

bei So hängt beispielsweise/verschiedenen Exemplaren eines faseroptischen Rotationssensors der Meßfehler auf unterschiedliche Weise von Störgrößen ab. Für eine optimale Kompensation ist eine für das jeweilige Exemplar des faseroptischen Rotationssensors individuelle Einstellung der Koeffizienten erforderlich. Diese optimale Einstellung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelation zwischen dem korrigierten Meßsignal und jedem Störsignal bzw. dessen zeitlicher Ableitung einen minimalen Wert annimmt. Erfindungsgemäßverden daher die Koeffizienten derart eingestellt, daß die genannte Bedingung im wesentlichen erfüllt wird. at So for example / depends on different copies of a fiber optic Rotation sensor of the measurement error in different ways from disturbance variables. For an optimal compensation is one for the respective copy of the fiber optic Rotation sensor individual setting of the coefficients required. This optimal setting is characterized in that the correlation between the corrected measurement signal and each interference signal or its time derivative assumes a minimum value. According to the invention, therefore, the coefficients are set in such a way that said Condition is essentially met.

Da aufgrund äußerer Einflüsse, z.B. mechanische Erschütterungen, sowie aufgrund von mangelnder Langzeitstabilität, z.B. bedingt durch Alterung von Bauelementen, bei einem faseroptischen Rotationssensor über mittlere bis längere Zeiträume eine Änderung des Zusammenhanges zwischen Störgrößen und Meßgröße zu erwarten ist, wrd in einer vorteilhaften Weiterbildung des VofP1regre Korrelation zwischen Störgrößen und dem/Meßsignal ständig überwacht.und die Koeffizienten über mittlere bis längere Zeiträume nachgeregelt. As due to external influences, e.g. mechanical vibrations, as well as due to insufficient long-term stability, e.g. due to aging of Components, with a fiber optic rotation sensor over medium to long Periods of time a change in the relationship between disturbance variables and the measured variable can be expected is, in an advantageous development of the VofP1regre correlation between Disturbance variables and the / measuring signal constantly monitored. And the coefficients over average readjusted for longer periods.

Die FIGUR zeigtein schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung. The FIGURE shows a schematic block diagram of one according to the invention Arrangement.

Bei einer Auswerteeinheit 1 sind Eingänge 2 mit Ausgängen 4 mindestens eines Meßgerätes 5, beispielsweise eines Ringinterferometer,", und mindestens einem Sensor 6, beispielsweise Temperaturfühler und/oder Magnetfeldmesser, verbunden. Die von den Sensoren 6 erzeugten Störsignale werden einerseits von einer ersten Bewertungseinheit 7, z.B. einem Abschwächer (Potentiometer), bewertet sowie andererseits zeitlich abgeleitet, z.B. mit Hilfe der Differenzierglieder 8, und dann bewertet mit Hilfe einer zweiten Bewer- tungseinheit 9, z.B. Abschwächer. Die derartaufbereiteten Störsignale sowie ein von dem Meßgerät 5 erzeugtes Meßsignal werden einer Kombinationseinheit 10, beispielsweise einer Addierstufe, fhrt ?tbeneiSPielSwei se derart addiert, daß ein in dem Meß signal enthaltener, mindestens einer Störgröße entsprechender Anteil auf einem minimalen Wert gehalten wird. Dies wird beispielsweise durch entsprechende Einstellung der Bewertungseinheiten 7, 9 erreicht. Der Ausgang der Kombinationseinheit i0 ist mit mindestens einem Ausgang 3 der Auswerteeinheit 1 verbunden, an dem ein dem korrigierten Meßsignal entsprechendes Signal verfügbar ist.In the case of an evaluation unit 1, inputs 2 with outputs 4 are at least a measuring device 5, for example a ring interferometer, ", and at least one Sensor 6, for example temperature sensor and / or magnetic field meter, connected. The interference signals generated by the sensors 6 are on the one hand by a first Evaluation unit 7, e.g. an attenuator (potentiometer), evaluates and on the other hand derived over time, e.g. with the aid of the differentiating elements 8, and then evaluated with the help of a second processing unit 9, e.g. attenuator. The interference signals processed in this way and a measurement signal generated by the measuring device 5 a combination unit 10, for example an adder stage, leads one example se added in such a way that a signal contained in the measurement, at least one disturbance variable corresponding proportion is kept at a minimum value. This is for example achieved by setting the evaluation units 7, 9 accordingly. The exit the combination unit i0 has at least one output 3 of the evaluation unit 1 connected, at which a signal corresponding to the corrected measurement signal is available is.

In einer weiteren nicht dargestellten Anordnung wird in einer Weiterbildung der beschriebenen Anordnung in einer Korrelationseinheit eine Korrelation zwischen dem korrigierten Meßsignal und mindestens einem der Störsignale und/oder mindestens einem der daraus abgeleiteten Signale gebildet. Das von der Korrelationseinheit erzeugte Korrelationssignal wird auf einem minimalen Wert gehalten, beispielsweise durch einen Regelkreis, der auf die Bewertungseinheiten wirkt. Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, eine große Langzeitstabilität des Meßgerätes zu erreichen und/oder eine geringe Beeinflussung des Meßsignals durch sich zeitlich und/oder räumlich ändernde Störgrößen. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, die beschriebene Arbeitsweise der Auswerteeinheit teilweise oder vollständig von mindestens einem Mikroprozessor ausführen zu lassen, wodurch dann beispielsweise das korrigierte Meßsignal in digitaler Form vorliegt, so daß es durch weitere Rechner und/oder Auswerteeinheiten auswertbar ist.In a further arrangement, not shown, in a further development the described arrangement in a correlation unit a correlation between the corrected measurement signal and at least one of the interfering signals and / or at least one of the signals derived therefrom. That from the correlation unit correlation signal generated is kept at a minimum value, for example through a control loop that affects the valuation units. With such a Arrangement, it is possible to achieve a high long-term stability of the measuring device and / or a slight influence on the measurement signal by itself in terms of time and / or spatially changing disturbance variables. Furthermore, it is possible according to the invention to use the described Operation of the evaluation unit partially or completely by at least one To let microprocessor run, which then, for example, the corrected Measurement signal is in digital form, so that it can be passed through further computers and / or evaluation units can be evaluated.

Claims

Method for determining a measured variable, in particular for determining absolute rotations using the Sagnac effect, thereby characterized in that a measuring signal is generated by a measuring device (5), dw one Measured variable and at least emg superimposed disturbance variable corresponds to that by at least a sensor (6) generates at least one interference signal corresponding to an interference variable and that from at least one interference signal and / or at least one derived therefrom Interference signal a correction signal is generated that is combined with the measurement signal, in such a way that a proportion contained therein, corresponding to the disturbance variable, is reduced to a the lowest possible value is brought.

2. The method according to claim 1, characterized in that a correction signal is formed from at least one interference signal and / or at least one temporal Derivation of an interfering signal.

3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that that the correction signal is formed from at least one weighted interference signal and / or at least one weighted interference signal derived therefrom.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that a measurement signal and at least one interference signal and / or a correction signal and / or at least one signal derived from the interference and / or correction signal can be added such that by weighted addition of the measurement signal and at least one interference and / or Correction signal, a corrected measurement signal arises, and that a correlation between the corrected measurement signal and at least one of the other signals a minimum Assumes value.

5. The method according to claim 4, characterized in that the correlation between at least one interference or correction signal and the corrected measurement signal is continuously kept at a minimum value over time.

6. Arrangement for performing the method, characterized in that that an evaluation unit (X) is present, its inputs (2) with the outputs (4) connected by at least one measuring device (5) and at least one sensor (6) are, and that at least one output (3) of the evaluation unit (1) a signal is available that corresponds to a corrected measurement signal.

7. Arrangement according to claim 6, characterized in that in the evaluation unit (j) there is at least one microprocessor.