DE3115889C2

DE3115889C2 - Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers

Info

Publication number: DE3115889C2
Application number: DE19813115889
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: 1983-12-29
Also published as: FR2504271B1; GB2097175B; DE3115889A1; GB2097175A; FR2504271A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers mit einem externen Strahlungsweg mit einem einen Bias erzeugenden Element aus einer Substanz mit magneto-optischer Wirkung und mindestens drei Eckspiegeln, von denen einer ein Eckspiegel des aktiven Resonanzraumes ist, der für die darin umlaufenden Wellenzüge durchlässig ist, sowie Mitteln, mit denen Anteile der umlaufenden Wellenzüge auskoppelbar sind. Der externe Strahlungsweg ist dabei als passiver Resonanzraum mit feststehenden Umlenkspiegeln ausgebildet, von denen der Eckspiegel, der dem aktiven und dem passiven Resonanzraum gemeinsam ist, eine Durchlässigkeit von maximal 5 hat. Der aktive Resonanzraum ist mit mindestens einem parallel verstellbaren Eckspiegel versehen. Es ist weiter ein Differenzbildner vorgesehen, dem ausgekoppelte Gleich signale aufgegeben werden, aus denen ein Differenzsignal gebildet wird, in Abhängigkeit von dem der aktive Resonanzraum über seine(n) verstellbaren Eckspiegel abstimmbar ist. eifstaub durch den Abfluß weggeführt wird.

Description

a) einem ersten Strahlungsweg, der durch das aktive Medium führt,

b) einem zweiten Strahlungsweg, der über einen magnetisch anregbaren Körper führt, der aus einer Substanz mit magneto-optischer Wirkung besteht und eine Phasendifferenz zwischen in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Strahlungsanteilen erzeugt, und der mindestens drei Eckspiegel aufweist, von denen einer auch dem ersten Strahlungsweg zugeordnet ist und für die umlaufende Strahlung durchlässig ist. und

c) Miu<!n. mit denen Anteile der umlaufenden Straining auskoppelbar sind.

dadurch gekennzeichnet, daß

d) der beiden Strahkmgswegen gemeinsame Eckspiegel (50) eine Durchlässigkeit von maximal 5% hat.

e) der zweite Strahlungsweg als passiver Resonator mit feststehenden Eckspiegeln (50, 52, 54) ausgebildet ist,

f) der magnetisch anregbare Körper in die Sättigung magnetisierbar ist,

g) der erste Stra;ilungsv.eg mit einem parallel verstellbaren Eckjpiegel (48) versehen ist.

h) zwei Fotoaufnehmer (55.. 56) vorgesehen sind, die mit den ausgekoppelten Strahlanteilen beaufschlagt sind.

i) den Ausgängen der Fotoaufnehmer (55, 56) jeweils Tiefpaßfilter (57a. 57b) nachgeschaltet sind, in denen die Gleichanteile der einzelnen ausgekoppelten Strahlanteile bestimmt werden.

k) ein Differenzbildner (58) vorgesehen ist. dem die Gleichanteile aufgegeben werden,

i) eine Anordnung (59, 60) vorgesehen ist, mit der in Abhängigkeit von der Differenz der Gleichanteile der verstellbare Eckspiegel (48) des ersten Strahlungsweges verstellbar ist.

2. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strahlungsweg als gesondertes Ba^f'element mit drei Eckspiegeln (50, 52, 54) ausgebildet ist. von denen einer der durchlässige gemeinsame Eckspicgel ist. und daß dieses Bauelement an die Struktur des ersten Strahlungsweges anfügbar ist.

3. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strahlungsweg ein Prisma aus Glaskeramik ist. auf dessen Prismcnflächen die Eckspiegcl (50, 52, 54) aufgedampft sind.

4. Drehgeschwindigkeitssepsor nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch anregbare Körper eine Faradayzclle mit einer ferromagnetischen Granatverbindung ist.

5. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Prisma in einer Prismenflache ein "anschnitt zur Unterbringung der Faraday/.elle vorgesehen ist.

6. Drehgeschwindigkeitssensor nach ei icm der

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Drehgeschwindigkeitssensor der genannten Art (GB-PS 11 41 727) ist der den beiden Strahlungswegen zugeordnete Eckspiegel halbtransparent. Der zusätzliche Strahlungsweg ist geschaffen worden, um im ersten Strahlungsweg möglichst viele Gasentladungsröhren unterbringen zu kennen, die damals nur mit geringer Leistungsfähigkeit zur Verfugung standen. Das Element aus einer Substanz mit magneto-optischer Wirkung ist bei diesem Drehgeschwindigkeitssensor eine Faradayzelle mit einem Block aus S1O2, auf den ein magnetisches Feld parallel zur Laufrichtung der Wellen eingebracht wird. Eine derartige mit einem SiOrBlock aufgebaute Faradayzel-Ie hat eine geringe Strahlenabsorption und ermöglicht auch hohe scheiribare Drehraten. Ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch darin, daß sie gegen äußere magnetische Streufelder empfindlich sind.

Unempfindlich gegen äußere magnetische Streufelder sind angeregte ferromagnetische Granatverbindunge. die leicht in die Sättigung magnetisierbar sind. So ist ein Drehgeschwindigkeitssensor bekannt (US-PS 42 22 668), bei dem im Strahlungsweg, der durch das aktive Medium führt, zwischen zwei Eckspicgeln eine mit einer ferromagneiischen Granatverbindung aufgebaute Faradayzelle angeordnet ist. Faradayzcllen. die mit ferromagnetischen Granalvcrbindungen aufgebaut sind, haben jedoch eine so hohe Absorption, daß das Anschwingen des Ringlasers stark beeinträchtigt, wenn nicht unmöglich wird.

Aufgabe der Erfindung ist es. einen Drehgeschwindigkeitssensor der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln. daß er gegen äußere Streufelder unempfindlich und in der Lage ist, ausreichend hohe Phasendrehungen zu erreichen, und in einfacher Weise abstimmbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I herausgestellten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

A b b. 1 zeigt schematisch das Schaltbild eines Drehgeschwindigkeitssensors bekannter Art.

Abb.2 zeigt die Differenzfrequenz Δν über der Drehrate bei Laserkreiseln.
A b b. 3 zeigt das Prinzip einer Faradayzelle.
Abb.4 zeigt schematisch einen Ringlaser mit w) externem Resonanzraum mit einem Faradayelement.

Abb.5 zeigt das Reflexionsvermögen R* und die Phasenverschiebung <5 als Funktion des Phasenwinkels Φ.

Abb.6 zeigt das differentielle Reflexionsvermögen <" Δ R als Funktion des Phasenwinkels Φ.

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

L η Laserkreisel, wie er schematisch in der A b b. 1 gezeigt ist, besteht aus einer Dreispiegelanordnung Ϊ, 2, 3, die den Ringresonator bildet, der Gasentladungsröhre 4 als aktivem Medium, der Überlagerungsoptik 5 und den Dioden 6, die das Interferenzstreifenmuster auswerten. Die von den Dioden 6 erzeugten Signale werden durch die Pulsformer P\ und Pi in der Pulsformeranordnung 7 in Rechteckpulse umgesetzt Die Drehrichtungc-jrkennung 8 entscheidet, ob die Pulse zu dem Inhalt des Zählers 9 hinzugezählt oder abgezogen werden. Der Zählerstand wird an einen Speicher 10 Obergeben; dieser wird durch einen Abfragepuls vom Navigationsrechner 11 in diesen übernommen. Die Regelung der Resonanzraumlänge erfolgt durch die Verarbeitung des am Spiegel 3 mit Hilfe der Dioden 12 und 13 gewonnenen Summensignals £. Durch einen entsprechend gearbeiteten Regelkreis 14 wird ein Hochspannungsverstärker 15 gesteuert, der den Spiegel 1 über einen Piezoversteller 16 parallel zu sich selbst verstellt, so daß die optische Weglänge L (Resonanzraunilängc) konstant bleibt und damit auch die Wellenlänge λ (Resonanzraumbedingung).

L=m ■ λ

Resonanzraumbedingung
m = ganze Zahl (10³ -1O⁶)

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

Av

4 F λ L

ω.

F = umlaufende Fläche
ω - Drehgeschwindigkeit

Der formale Zusammenhang (2) zeigt die direkte Proportionaiität von 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 tut (Lock-in-Schwelle) sind die beiden Wellenzüge entkoppelt, und auf den Dioden 6 wird eine Schwebungsfrequenz Δν meßbar. Diesen Zusammenhang gibt die A b b. 2 wieder. Die Nichtlinearitäten im Bereich der Lock-in-Schwelle O)L geben Anlaß dazu, eine konstante oder periodisch wechselnde Phasenverschiebung (Bias) einzubringen, die einer Drehrate ωβ entspricht, die über der Lock-in-Schwelle ω/, liegt.

Die Phasenverschiebung ist mit Hilfe magnetooptischer Elemente möglich. Magnetooptische Elemente führen zu einer nicht reziproken 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 Abb.3 zeiet. Die linear polarisierte Strahlung (Ip) wird durch ein—-Wellenlängenplättchen mit der schnellen Achse s

und der langsamen Achse /umgesetzt in rechts-zirkular polarisierte Strahlung (rcpX die in der Probe 17, welche durch die Wirkung des Magnetfeldes B zirkulär doppelbrechend ist, eine Phasenverschiebung Φ; erfährt,

die in einem weiteren—Plättchen 19 mit den Achsen s

und / wieder umgesetzt wird auf eine Phasenverschie-I» bung in die Ausbreitungsrichtung der wiederhergestellten linear polarisierten Strahlung Jp. 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:

Δ = φι Φ (3)

Bei einer Phasenänderung Δ von Γ ergibt sich eine Differenzfrequenz nach Formel (4) von (L=0,6 m) 23 148 Hz.

Av =

InL A = im Bogenmaß

Das entspricht einer scheinbaren Drehrate ωβ von 73°/s bei der Wellenlänge von 633 nm. Diese Phasenverschiebung von 1, ließe sich mit herkömmlichen SiC>2-Faradayzellen leicht innerhalb des Resonanzraumes realisieren. Ein wesentlicher Nachteil ist hier jedoch die Anfälligkeit gegen äußere Streufelder.

Unempfindlich gegen äußere Streufelder sind angeregte ferromagnetische Granatverbindungen. Diese weisen bei einer Sättigungsfeldstärke von ca. 8000 A/m Faradaydrehungen Qf von bis zu 10 000 7cm (bei λ = 0,633 μπι) auf. Die Faradaydrehung ersteht mit der Phasenänderung Δ im folgenden Zusammenhang.

Bei einer Probendicke von 1 μπι wären also Phasenverschiebungen von 2° entsprechend einer scheinbaren Drehrate von 873°/s zu erwarten. Ferromagnetische Granatverbindungen haben jedoch eine starke Absorption, die bei im Labor getesteten Proben (Dicke c/=0,5 μπι und </=5 μπι) bei ca. 4% und 333% der Strahlleistung liegt und damit so hoch ist, daß bei der Wellenlänge von 0,633 μπι kein Anschwingen des Ringlasers möglich isl.

Es lassen sich die oben genannten Vorteile der ferromagnetischen Granatverbindung dadurch ausnutzen, daii eine mit ferromagnetischen Granatverbindungen aufgebaute Faradayzelle in einem zweiten Strshlungsweg untergebracht wird (siehe Abb.4). Die Spiegel 20,21,22 bilden hierbei mit der Gasentladungsröhre 26 als aktivem Medium den ersten Strahlungsweg (interner Resonanznum). Der Spiegel 22 ist teildurchlässig und besitzt das nominelle Transmissionsvermögen fund das nominelle Reflexionsvermögen R Der zweite Strahlungsweg (externer Resonanzraum) mit den Spiegeln 22,23 und 24 bildet einen passiven Resonator, in dem die Faradayzelle 25 integriert ist, die die Phasenänderung bewi/kt, und der den Verlustfaktor Q aufweist. Der Verlustfaktor Q beinhaltet Absorptionsverluste im zweiten Strahlungsweg. Dem optischen Weg über die Spiegel 22,23,24 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 ersten Strahlungsweg eine Phasenverschiebung ό 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 Γ (siehe (6a)) und wird mit R' bezeichnet.

β = β (Φ, Δ)

T-VQsin(0

δ = arctg

- arctg

mit	** — ΰ	V	. ^Y "τ;
β =	ff (Φ, A	)
	*- VR*		r
		Vr

Q/QR-cos (Φ+ Λ))

1 + QR-2-/QR cos (Φ+ 21)

AR

denn hier ist ΔR = 0. Die Regelung ist jedoch nur bei Φ = 0° sinnvoll, da hier die eingekoppelte Phasenverschiebung ό maximal ist.

Eine Ausführung eines Drehgeschwindigkeitssensors auf der Basis eines Ringlasers nach A b b. 4 ist in A b b. 7 dargestellt.

Die Spiegel 48, 49, 50 bilden mit der Gasentladungsröhre 51 den ersten Strahlungsweg, die Spiegel 50, 52 und 54 den zweiten Strahlungsweg mit der Faradayzellc 53.

Die Umlenkspiegel des zweiten Strahlungsweges sind feststehend ausgebildet. Die Kantenlänge kann dabei in der Größenordnung von 50 mm liegen. Zweckmäßig wird der zweite Strahlungsweg aus einer Glaskeramik mit geringer Wärmedehnung hergestellt, beispielsweise aus einer Glaskeramik, wie sie unter dem Warenzeichen »Zerodur« von der Firma Schott & Gen. in Mainz geliefert wird. Diese Glaskeramik hat eine Wärmedehnung von 10 VK. In der genannten Größe läßt sich der zweite Strahlungsweg mit hoher Genauigkeit herstellen, beispielsweise auch als Prisma, auf dessen Flächen die Spiegel aufgedampft sein können und das mit einem Einschnitt zur Unterbringung der Faradayzelle versehen ist. In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird der zweite Strahlungsweg mit den Spiegeln 50, 52 und 54 gesondert vom ersten Strahlungsweg hergestellt. Der teildurchlässige Spiegel 50 benötigt beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1.1 μ eine Durchlässigkeit von £5% und bei einer Wellenlänge von 0.633 μ eine Durchlässigkeit von S 1%.

Bei gesondert hergestelltem zweiten Strahlungsweg weist der Körper mit dem ersten Strahlungsweg die beiden Spiegel 48 und 49. die Gasentladungsröhre 51 sowie die im Dreieck angelegten Strahlungswege auf.

1 + QR -2 VQR-cos (Φ+ Λ)

Das Reflexionsvermögen R * muß über den Wert von

tyDisch 99% liegen, damit der Laserkreisel anschwingt und im Betrieb bleibt. Dazu ist die Kenntnis von <5 und

R * als Funktion der Phasenlage Φ notwendig. Die Abb.5 verdeutlicht diesen Sachverhalt, es wurde mit

den Parametern γ-22,5°, T=0,005, Ä-0,995, <?-0,l gerechnet. Es zeigt sich, daß das Maximum der eingebrachten Phasenverschiebung <5 bei Φ — 0" liegt, während das Reflexionsvermögen R " hier ein Minimum aufweist. Die Rechnung zeigt, daß ein Verlust Q von 0,1 gewählt werden muß, damit bei einem Auskonnekniegel mit T-O₁SVo das erforderliche Reflexionsvermögen R * von 99% erreicht wird. Damit außerdem das effektive Reflexionsvermögen R * für beide gegensinnig umlaufende Wellenzüge gleich ist, muß der zweite Strahlungsweg stabil sein. Das differentielle Reflexionsvermögen (für links und rechts umlaufenden Strahl) 4Λ (siehe A b b. 6 und Gl. (7)) zeigt nur Symmetrie bei Φ =180° und Φ = 0°

Der Spiegel 49 ist teildurchlässig und die durchdringende Strahlung fällt auf die Fotodetektoren 55 und 56. Die auffallende Strahlung erzeugt der Strahlungsintensität proportionale Signale /ι und /.·. aus denen in einem Differen/bildner 61 die Differenz ΔΙ gebildet wird. Die Signale /ι und Λ werden außerdem über eine Tiefpaßkombination 57 mit den Tiefpässen 57;/ und 57i> einem Differenzbildner 58 zugeführt. Das Differenzsignai wird als Steuergröße für einen Hochspannungsverstärker 59 benutzt, der einen Piezoversteller 60 antreibt, über den der erste Strahlungsweg abgestimmt wird.

Das im Differenzbildner 61 gebildete Differenzsignal zl/ist mit der der Drehgeschwindigkeit o) proportionalen Differenzfrequenz Av moduliert. Über einen Pulsformer 62 werden Rechtecksignale erzeugt, die der Drehrichtungserkennung 63 aufgegeben werden. Die Drehrichtungserkennung kann beispielsweise in der in der DE-OS 30 09 796 beschriebenen Weise erfolgen. Ein Zähler 64 summiert die Pulse auf und gibt den jeweiligen Zählerstand an den Speicher 65 weiter, aus dem sie durch einen Triggerimpuls z. B. von einem Rc "mer 66. insbesondere einem Navigationsrechner, abrufbar sind. Eine Auslesung des Laserkreisels kann statt über den Eckspiegel 49 auch an den Enden der Gasentladungsröhre 51 erfolgen mit dem Vorteil, daß damit praktisch keine Energieauskopplung aus dem Ringlaser verbunden ist.

Prinzipiell ist es möglich, die Wirkung des zweiten Strahlungsweges durch ein zusätzlich aktives Medium in diesem Strahlenweg zu steigern, wobei die Größe des Parameters Q dann in weiten Grenzen variierbar ist. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die Formeln (6. 6a) nur für Q - R< 1 gelten.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers mit Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Eckspiegel des zweiten Strahlungsweges mit einer phasendrehenden Granatverbindung beschichtet ist.