DE3115869A1

DE3115869A1 - Drehgeschwindigkeitssensor auf der basis eines ringlasers

Info

Publication number: DE3115869A1
Application number: DE19813115869
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Phys. Gauert; Rüdiger Dr.rer.nat. 3300 Braunschweig Rodloff; Gerald Ing.(grad.) 3252 Bad Münder Siol
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1981-04-21
Filing date: 1981-04-21
Publication date: 1982-11-04
Also published as: US4556319A; GB2097177B; FR2504270B1; DE3115869C2; FR2504270A1; GB2097177A

Description

Giaifs Patentanwalt Am Buigerpark 8 D 3300 Braunschweig Germany

Deutsche Porschungs- und
Versuchsanstalt für Luft-
und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe

5000 Köln 90

Am Bürgerpark 8 D 3300 Braunschweig, Germany Telefon 0531-74798 Cable patmarks braunschweig

G/WS - D 671

Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers mit einem externen Strahlungsweg mit einem für die Strahlung des aktiven Resonanzraum durchlässigen Eckspiegel des aktiven Resonanzraums und mindestens zwei außen liegenden Eckspiegeln_s zwischen denen ein magnetisch angeregter Körper aus einer Substanz mit magneto-optischer Wirkung als Biaselement zur Erzeugung einer Phasenverschiebung angeordnet ist.

Bei einem bekannten Drehgeschwindigkeitssensor der gattungsgemäßen Art (GB-PS 11 41 727) ist der Eckspiegel, über den die Strahlung in den externen Strahlungsweg übertritt, semitransparent ausgebildet und der externe Strahlungsweg ist Teil des aktiven Resonanzraumes. Als magnetisch angeregter Körper wird dabei ein Block aus SiO₂ verwendet, auf den ein

magnetisches Feld parallel zur Laufrichtung der Wellen eingebracht wird. SiOp-Faradayzellen ermöglichen zwar hohe scheinbare Drehraten; ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch darin, daß sie gegen äußere Streufelder empfindlich sind.

Unempfindlich gegen äußere Streufelder sind angeregte ferromagnetische Granatverbindungen. Diese haben jedoch eine so starke Absorption, daß bei Anwendung im aktiven Resonanzraum kein Anschwingen der Ringlaser möglich ist. Angeregte ferromagnetische Granatverbindungen sind daher bisher lediglich für Magnetspiegel verwendet worden. Die Verwendung als Faradayzelle wurde bisher als wenig erfolgversprechend angesehen (Naecon-Report 1978, S. 5M bis 5^Jl3).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers zu schaffen, der gegen äußere Streufelder unempfindlich ist und in der Lage ist, ausreichend große Biaswerte zu erreichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem Drehgeschwindigkeitssensor der gattungsgemäßen Art der Eckspiegel des aktiven Resonanzraumes,der zu dem externen Strahlungsweg führt, eine Durchlässigkeit von maximal 5 % aufweist und daß der magnetisch angeregte Körper aus einer Substanz besteht, die in die Sättigung magnetisierbar ist. Vorzugsweise ist der Körper eine Faradayzelle, die aus einer ferromagnetischen Substanz aufgebaut ist, insbesondere einer Granatverbindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Abb. 1 zeigt schematisch das Schaltbild eines Drehgeschwindigkeitssensors bekannter Art.

Abb. 2 zeigt die Differenzfrequenz Λ V über der Drehrate bei Laserkreiseln.

Abb . 3 zeigt das Prinzip einer Faradayzelle.

Abb. 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäß aufgebauten Ringlaser mit externem Resonanzraum mit einem Faraday e lerne nt.

Abb. 5 zeigt das Reflexionsvermögen R* und die Phasenverschiebung δ als Punktion von (j) .

Abb. 6 zeigt das differentielle Reflexionsvermögen AR als Punktion des Phasenwinkels φ

Abb. 7 zeigt einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ringlasers.

Ein Laserkreisel, wie er schematisch in der Abbildung 1 gezeigt ist j besteht aus einer Dreispiegelanordnung 1, 2, 3, die den Ringresonator bildet, der Gasentladungsröhre 4, der (Jberlagerungsoptik 5 und den Dioden 6, die das Interferenzstreifenmuster auswerten. Die von den Dioden 6 erzeugten Signale werden durch die Pulsformer 7 in Rechteckpulse umgesetzt. Die Drehrichtungserkennung 8 entscheidet, ob die Pulse zu dem Zählerinhalt 9 hinzugezählt oder abgezogen werden. Der Zählerstand wird an einen Speicher 10 übergeben; dieser wird durch einen Abfragepuls vom Navigationsrechner 11 in diesen übernommen. Die Regelung der Resonanzraumlänge erfolgt durch die Verarbeitung der am Spiegel 3 mit Hilfe der Dioden 12 und 13 gewonnenen Signale. Durch einen entsprechend gearbeiteten Regelkreis 14 wird ein Hochspannungsver-

stärker 15 gesteuert, der den Spiegel 1 über einen Piezoverstelle: 16 parallel zu sich selbst verstellt, so daß die optische Weglänge L {Resonanzraumlänge) konstant bleibt und damit auch die Wellenlänge λ (Resonanzraumbedingung),

(1) _tL = m * λ Resonanzreumbedingung

m = ganze Zahl {IQ⁵ - 10^β)

Bei ruhendem System ist auch das Interferenzstreifenmuster in Ruhe. Bei einer Drehung des Systems um die Hochachse erfahran die gegensinnig umlaufenden Wellenzüge die Laufwegänderung + AL_P die mit (1) zu Änderungen der Wellenlänge führt. Es überlagern sich also in der Überlagerungsoptik 5 Wellenzuge mit unterschiedlicher Frequenz. Das führt zu einem Durchlaufen des Interferenzstreifenmusters auf den Dioden 6 mit der Schwebungsfrequenz AV.

(2) Δν = γτγ * ω. F= umlaufende Fläche

ω = Drehgeschwindigkeit

Der formale Zusammenhang (2) zeigt die direkte Proportionalität vpn Δν und ω.

Durch die Rückstreuung an den Laserspiegeln 1, 2, 3 ergibt sich eine Kopplung der beiden umlaufenden Wellenzüge und damit eine Synchronisation auf eine feste Wellenlänge bzw. Frequenz (sogenannter Lock-in-Effekt). Erst ab einer Mindestdrehrate ω^ (Lockin-Schwelle) sind die beiden Wellenzüge entkoppelt, und auf den Dioden 6 wird eine Schwebungsfrequenz AV meßbar. Diesen Zusammenhang gibt die Abbildung 2 wieder. Die Nichtlinearitäten im Bereich der Lock-in-Schwelle u, geben Anlaß dazu, einen konstanten oder periodisch wechselnden Bias einzubringen, der einer Drehrate ω_β entspricht, die über der Lock-in-Schwelle <d_l liegt.

Mit Hilfe magnetooptischer Elemente ist es möglich, einen Bias einzubringen. Magnetooptische Elemente führen zu einer nichtreziproken optischen Weglängenänderung + Δ für die gegensinnig umlaufenden Strahlen , so daß sich nach (1) unterschiedliche Frequenzen für die Wellenzüge ergeben, wie bei einer Drehung des .Systems. Ein magnetooptisches Element ist z. B. die Faradayzelle, deren prinzipiellen Aufbau die Abbildung 3 zeigt. Die linear pola risierte Strahlung (Ip) wird durch ein -τ-Wellenlängenplättchen 18 umgesetzt in links-zirkulär polarisierte Strahlung (lcp), die in der Probe 17, welche durch die Wirkung des Magnetfeldes B zirkulär doppelbrechend ist, eine Phasenverschiebung φ ^ erfährt,- die in einem weiteren -τ-Plättchen 19 wieder umgesetzt wird auf eine Phasenverschiebung in die Ausbreitungsrichtung der wiederhergestellten linear polarisierten Strahlung Ip. Die entgegen der Feldrichtung laufende Welle erfährt die zirkuläre Phasenverschiebung - Φ_Γ· Die gesamte Phasenverschiebung Δ, die zwischen den gegensinnig umlaufenden Wellenzügen besteht, ergibt sich dann zu:

(3) Δ = φ^ - φ_Γ.

Bei einer Phasenänderung Δ von 1 ['| ergibt sich eine Differenzfrequenz nach Formel (4) von (L = 0,6 m) 23148 Hz.

(4) Δν = * ^Δ" Δ = im Bogenmaß

Das entspricht einer scheinbaren Drehrate ω_β von 7,3 °/s bei der Wellenlänge von 633 nm. Diese Phasenverschiebung von 1 j'| ließe sich mit herkömmlichen SiOp-Faradayzellen leicht innerhalb des Resonanzraumes realisieren. Ein wesentlicher Nachteil ist hier jedoch die Anfälligkeit gegen äußere Streufelder.

Unempfindlich gegen äußere Streufelder sind angeregte ferromagnetische Granatverb5.ndungen. Diese weisen bei einer Sättigungsfeldstärke von ca.8000 A/m Faradaydrehungen θ_ρ von bis zu 10.000 °/cm (bei λ =0,633 μτα) auf. Die Faradaydrehung θ_ρ steht mit der Phasenänderung Δ im folgenden Zusammenhang.

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(5) Δ - φ_ι -φ_Γ - 2 Θ_ρ.

Bei einer Probendicke von 1 \ixa wären also Phasenverschiebungen von 2° entsprechend einer scheinbaren Drehrate von 873 °/s zv. ar~ warten. Ferromagnetische Granatverbindungen haben jedoch eine starke Absorption, die bei im Labor getesteten Proben (Dicke d = 0,5 ym und d = 5 iim) bei ca. 4 % und 33,5 % der Strahlledstuxc' liegt und damit so hoch ist, daß bei der Wellenlänge von 0,633 um kein Anschwingen des Ringlasers möglich ist.

Erfindungsgemäß lassen sich die oben genannten Vorteile der ferromagnetischen Granatverbindungen dadurch ausnutzen, daß eine mit ferromagnetischen Granatverbindungen aufgebaute Paradayzelle in einem externen Resonanzraum untergebracht wird (siehe Abb. ¹I). Die Spiegel 20, 21, 22 bilden hierbei mit der Gasentladungsröhre 26 den internen aktiven Resonanzraum. Der Spiegel 22 ist teildurchlässig und besitzt das nominelle Transmissionsvermögen T und das nominelle Reflexionsvermögen R. Der Spiegel 22>und die Spiegel 23, 2^4 bilden den externen passiven Resonanzraum, in dem die Paradayzelle 25 integriert ist, die die Phasenänderung bewirkt und außerdem den "Gütefaktor" Q aufweist. Dieser Faktor Q beinhaltet Absorptionsverluste im externen Resonanzraum. Dem optischen Weg über die Spiegel 22, 23, 2¹I bzw. 22, 24, 23 entspricht die Phasenlage φ in bezug auf den Originalstrahl. Durch die Rückkopplung der Strahlung am Spiegel 22 auf den normal reflektierten Anteil ist es möglich, im internen aktiven Resonanzraum eine Phasenverschiebung 6 einzubringen, die von den Parametern φ, Q, Δ und T abhängt (siehe Formeln (6, 6a)). Das Reflexionsvermögen R des Auskoppelspiegels 22 ändert sich ebenfalls in Abhängigkeit von φ, Q, Δ und T (siehe «$&)) und wird mit R bezeichnet.

β(Φ, 4) β(Φ> - f) (6) 6 = ar ctg τ ar ctg-

α(φ, £) α(φ, - f)

(6a) R* = α(φ, |)² + Β(Φ,

mit α = α(φ, Δ)

/QR · (/QR - cos(φ + A))

1 + QR - 2 /QR cos(φ + Δ) β = β(φ, Δ)

T ' /Q Ξΐη(φ + Δ) ^___

1 + QR - 2 /QR * cos(φ + Δ)

Das Reflexionsvermögen R muß über den Wert von typisch 99 S liegen, damit der Laserkreisel überhaupt im Betrieb bleibt» Dasu • ist die Kenntnis von δ und R als Funktion der Phasenlage φ notwendig. Die Abbildung 5 verdeutlicht diesen Sachverhalt. Es wurde siit den Parametern ^ = 22,5°, T = 0,005, R = 0,995, Q = 0,1 gerechnet. Es zeigt sich, daß das Maximum der eingebrachten Phasenverschiebung δ bei φ = 0° liegt, während das Reflexionsvermögen R hier ein Minimum aufweist. Die Rechnung zeigt, daß ein Gütefaktor Q von 0,1 gewählt werden muß, damit bei einem Auskoppelspiegel mit T = 0,5 % das erforderliche Reflexionsvermögen R von 99 % erreicht wird. Damit außerdem das effektive Reflexionsvermögen R für beide gegensinnig umlaufende Wellenzüge gleich ist, muß der externe Resonanzraum stabil sein. Das differentielle Reflexionsvermögen (für links und rechts umlaufenden Strahl) AR (siehe Abb. 6 und Gl. (7)) zeigt nur Symmetrie bei φ = 180° und φ = 0°

(7) AR = α(φ, |)² - α(φ, - f) ² + 8(φ, f) ² - β(φ, - |)²,

denn hier ist AR = 0. Die Regelung ist jedoch nur bei φ = 0° sinnvoll, da hier die eingekoppelte Phasenverschiebung ξ maximal ist.

3.

·?'-■'■"■' "■■■'■ ■'■- 311586b

Eine Stabilisierung und Auslesung des Laserkreisels kann gemäß der Abbildung 7 geschehen. Die Spiegel 27, 28, 29 bilden mit der Gasentladungsröhre 30 den internen aktiven Resonanzraum, die Spiegel 29, 31» 32 den externen passiven Resonanzraum mit der Paradayzelle 33. Der Spiegel 32 ist teildurchlässig und die durchtretende Strahlung fällt auf die Photodetektoren 34 und 35· Die auffallende Strahlung erzeugt der Strahlungsintensität proportionale Signale I., und Ip, aus denen in einer-Elektronik 39 die Summe E und Differenz Δ I gebildet werden. Das Summensignal E wird einem Regler 40 zugeführt, der einen Hochspannungsverstärker 4l ansteuert. Die in 41 erzeugte Hochspannung dient zur Regelung eines Piezoverstellers 42, der den internen aktiven Resonanzraum stabilisiert, indem er den Spiegel 28 parallel zu sich selbst verschiebt. Das Differenzsignal Δ I ist mit der der Drehgeschvjindigkeit ω proportionalen Differenzfrequenz Δ¹V moduliert, über einen Pulsformer 43 werden Rechtecksignale erzeugt, die dann in die Drehrichtungserkennung 44 gelangen. Die Drehrichtungserkennung kann beispielsweise in der in der älteren Patentanmeldung P 30 09 796·2 beschriebenen Weise erfolgen. Ein Zähler 45 summiert die Pulse auf und gibt den jeweiligen Zählerstand an den Speicher 46 weiter, von wo er durch einen Triggerimpuls vom Navigationsrechner 47 abgerufen wird.

Eine Auslesung des Laserkreisels kann auch über den Eckspiegel 27 des internen aktiven Resonanzraumes erfolgen. Weiter ist eine Auslesung an den Enden der Gasenladungsröhre 30 über Photodetektoren 34^! und 35' (gestrichelt dargesteltfc) möglich mit dem Vorteil, daß praktisch keine Energieauskopplung aus Jem Ringlaser erfolgt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Regelung des externen Resonanzraumes durch Differenzbildung der Signale

W «J

der Dioden 34 und 35 hinter den Tiefpässen 36a in einem Differenzbildner 36. Das Differenzsignal AIg wird als Steuergröße für einen Hochspannungsverstärker 37 benutzt, der einen Piezoversteller 3ß am Spiegel 31 antreibt, so daß die Länge des externen Resonanzraumes konstant bleibt. Mit einem externen Resonanzraum wurden mit einer Faradayzelle mit einer Granatschicht, die eine Dicke von 5 jurn (Q = 0,665, Δ = 10°, T = 0,5 %) aufweist, wurden Biaswerte von ca. 6 °/s (= ca. 20 kHz) erreicht.

Prinzipiell ist es auch möglich, auch die Wirkung des externen Resonanzraumes durch ein zusätzlich verstärkendes Element in demselben zu steigern, so daß die Größe des Parameters Q in weiten Grenzen variiert werden kann. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die Formeln (6,6a) nur für Q »R<1 gelten'.

In dem Falle, daß der externe Resonanzraum in einer Weise aufgebaut ist, daß thermische Änderungen und sonstige Störeinflüsse die Phasenlage φ - also die optische Weglänge - nicht oder nur geringfügig ändern und diese vorliegenden Änderungen zeitlich langsam ablaufen, ist es außerdem möglich, auf eine Stabilisierung des externen Resonanzraumes ganz zu verzichten und die an dem Auskoppelspiegel gewonnenen Signale zur Stabilisierung des internen aktiven Resonanzraumes zu verwenden.

Leerseite

Claims

3115369

Ansprüche

Iy Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines nine-lasers mit einem externen Strahlungswep· mit einem für die Strahlung des aktiven Resonanzraumes durchlässigen Ecksniegel des aktiven Resonanzraumes und mindestens zwei außen liegenden Eckspiegeln, zwischen denen ein magnetisch angeregter Körper aus einer Substanz mit magneto-optischer Wirkung als Biaselement sur Erzeugung einer Phasenverschiebung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eckspiegel des aktiven Resonan"-raumes eine Durchlässigkeit von maximal 5 % aufweist, und daß der Körper aus einer Substanz besteht, die in die Sättigung magnetisierbar ist.
2. Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine Paradayzelle ist, die mit einer ferromagnetischen Substanz aufgebaut ist.
3. Ringlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paradayzelle mit einer Granatverbindung aufgebaut ist.