DE3204810A1

DE3204810A1 - Verfahren zur messung absoluter drehungen

Info

Publication number: DE3204810A1
Application number: DE19823204810
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 7900 Ulm Petermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-02-11
Filing date: 1982-02-11
Publication date: 1983-08-18

Description

Beschreibung
Verfahren zur Messung absoluter Drehungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung absoluter Drehungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein sogenanntes faseroptisches Ringinterferometer, das Drehbewegungen, auch Drehungen genannt, mißt unter Ausnutzung des sogenannten Sagnac-Effekts.
Ein derartiges Ringinterferometer ist schematisch als Blockbild in FIG. 1 dargestellt. Von einer Lichtquelle Q ausgesandtes Licht gelangt über eine straalenaufteilende Anordnung T, die optische Ein- und/oder Ausgänge 1 bis 4, auch Tore genannt 1 besitzt, in die beiden Enden eines eine Fläche F mindestens einmAl umlaufenden Lichtweges L, z.B. eine auf eine Trommel aufgewickelte Lichtleitfaser. Das Licht durchläuft daher den Lichtweg in entgegengesetzten Richtungen, gelangt wieder zu der strahlenaufteilenden Anordnung T und interferiert dort. Das derart entstandene optische Ausgangssignal wird einem Fotodetektor D, z.B. eine Fotodiode, zugeführt und ausgewertet. Bei einer zu messenden Drehung entstehen im Lichtweg L, aufgrund des Sagnac-Effekts, nichtreziproke optische Phasenverschiebungen, aus denen letztendlich die Drehung bestimmt wird.
Neben den nichtreziproken Phasenverschiebungen aufgrund des Sagnac-Effekts treten zumindest im Lichtweg L weitere störende nichtreziproke optische Phasenverschiebungen auf.
So führt beispielsweise der sogenannte Faraday-Effekt aufgrund von Magnetfeldern zu einer nichtreziproken störenden Phasenverschiebung, die z.B. durch eine magnetische Schirmung vermieden werden kann.
Eine weitere störende nichtreziproke Phasenverschiebung entsteht durch nichtlineare optische Effekte. Die zur Messung der Drehung benötigte optische Leistung des Lichts im Lichtweg L bewirkt, daß sich dessen optischer Brechungsindex geringfügig ändert. Diese Änderung ist unterschiedlich für die im Lichtweg L rechts- bzw. linksumlaufende Welle (Pfeil r bzw. Pfeil 1 in FIG. 1). Dieser störende Effekt wurde im Vortrag 'gIntensity dependant nonreciprocal phase shift in Fibre gyro" von S. Ezekiel and I.L. Davis auf der Tagung "Fiberoptic rotation sensors and related technologies" am 11.11.1981 in Cambridge, Massachusetts, USA erwähnt. Danach gilt für die Änderungen Anr bzw. Anl des Brechungsindexes nr bzw. nl der rechts- bzw. linksumlaufenden Lichtwellen.
Anr = C(Pr + 2P1) (1) und Anl = C(P1 + 2Pr) (2) wobei P bzw. P1 die optischen Leistungen der rechts- bzw.
r linksumlaufenden Wellen bezeichnen. Die Konstante C berücksichtigt bei der verwendeten Lichtleitfaser deren Material, z.B. Quarzglas, sowie die Ausdehnung der optischen Grundwelle in der Lichtleitfaser. Falls die optischen Leistungen Pr, P1 nicht genau übereinstimmen, sind die Änderungen Anr, An voneinander verschieden, so daß sich eine störende nichtreziproke optische Phasenverschiebung im Lichtweg L ergibt. Es ist sehr aufwendig, für längere Zeit eine genaue Ubereinstimmung der optischen Leistungen Pr, P1 zu erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, bei dem störende nichtreziproke optische Phasenverschiebungen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Der Erfindung liegt dabei folgende Uberlegung zugrunde: Werden in die beiden Enden des Lichtweges L zeitlich konstante Lichtleistungen Pur, P1 eingekoppelt, so ist die störende nichtreziproke optische Phasenverschiebung proprotional zu #nr - #n1 = C(P1 - pr) (3) Erzeugt die Lichtquelle Q hingegen einen sehr kurzen Lichtpuls, so werden in die Enden des Lichtweges L zwei in entgegengesetzten Richtungen laufen4Lichtpulse eingekoppelt, die sich im wesentlichen nicht überiappen. Eine optische Überlappung findet lediglich auf einem kurzen Bereich ungefähr in der Mitte des Lichtweges L statt. Die störende Änderung des Brechungsindexes der beiden umlaufenden optischen Wellen wird dann lediglich im wesentlichen durch jeweils einen Lichtpuls beeinflußt, so daß dann für die nichtreziproke Phasenverschiebung gilt lSnr - an, = C(Pr - P1).
Die nichtreziproken Phasenverschiebungen gemäß G1. (3) und (4) besitzen ein umgekehrtes Vorzeichen, so daß es einen gewissen Zwischenzustand zwischen zeitlich konstanten Lichtleistungen und sehr kurzen Lichtpulsen geben muß, bei dem die nichtreziproke Phasenverschiebung aufgrund der nichtlinearen optischen Effekte vernachlässigbar wird. Erfindungsgemäß wird das Licht der Lichtquelle Q derart intensitätsmoduliert, daß dieser Zwischenzustand erreicht wird.
Um diesen Zwischenzustand genauer zu formulieren, wird intensitätsmoduliertes Licht betrachtet, das vor dem Eintritt in den Lichtweg L an den Toren 1, 2 einen zeitabhängigen Verlauf der Lichtleistung P(t) aufweist. Für die rechtslaufende Welle gilt dann: Pr (t, z) = Ar # P (t - z/v) exp (-αz) (5) und die linkslaufende Welle Lo -z P1 (t, z) = A1 P (t - v ) exp (-α(L0-z)) (6) Dabei bezeichnen die optische Dämpfung der Lichtleitfaser im Lichtweg L, v die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit) des Lichtes im Lichtweg L, z eine Koordinate entlang des Lichtweges von Tor 1 nach Tor 2, L0 die gesamte Länge des Lichtweges L und Ar bzw. A1 optische Koppelfaktoren für die rechts- bzw. linksumlaufende optische Welle.
Aufgrund der orts- und zeitabhängigen optischen Leistungen P (t, z), P (t, z) ergeben sich folgende orts- und zeitr abhängige Änderungen An (t, z), Anl (t, z) der Brechungsindices n (t, z), nl (t, z) für die rechts- bzw. linksumlaufende Welle: #nr (t, z) = C (Pr (t, z) + 2 P1 (t, z)) (7) #n1 (t, z) = C (P1 (t, z) + 2 Pr (t, z)) (8) Die Phasenverschiebungen bpr(t) bzw. Açl(t) für die rechts-bzw. linkaumlaufende Welle zur Zeit t und nach Durchlauf des gesamten Lichtweges L werden nach folgenden Formeln berechnet: Bei der Auswertung des optischen Ausgangssignals ist es notwendig, diese Phasenverschiebungen mit der optischen L0 Leistung P(t - -) zu gewichten, die nach Durchlauf des v Lichts durch den Lichtweg L vorhanden ist.
Die mittleren störenden Phasenverschiebungen <##r(t)> bzw.
<##1(t)> für die rechts- bzw. linksumlaufenden Wellen ergeben sich aus folgenden Formeln: Erfindungsgemäß wird nun die optische Leistung P(t) so gewählt, daß die mittlere störende nichtreziproke Phasenverschiebung ## vernach lässigbar wird, d.h.
## = <##r (t) > - <##1(t)> = 0 (13) wobei Gleichung (13) für alle Ar, Al der Gleichungen (5, 6) erfüllt sein soll. Die Lösung von Gleichung (13) führt auf die Bedingung Erzeugt beispielsweise eine als Laser ausgebildete Lichtquelle Q rechteckförmige Lichtpulse der Dauer Z-, d.h.
P(t) = 1 für O <t C r P(t) = 0 sonst führt Gleichung (14) auf die Bedingung wobei #o = L /v die gesamte Laufzeit des Lichtes durch 0 den Lichtweg L bezeichnet. Solange die optische Dämpfung a nicht zu groß ist, folgt aus Gleichung (15) ## rO 8o daß es zweckmäßig ist, die Dauer (Pulslänge) der Lichtpulse ungefähr gleich der Laufzeit des Lichtes durch den Lichtweg L zu wählen. Diese Dimensionierung gilt, solange der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsen mindestens tO beträgt. Bei kürzeren Pulspausen ist ebenfalls eine Optimierung möglich, es ist lediglich dann Gleichung (14) für die Pulsfolge zu erfüllen.
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 31 40 110.4 ist eine Signalauswertung für ein Ringinterferometer beschrieben, bei dem die Lichtquelle Q mit Pulsen angesteuert wird und bei dem sich gleichzeitig ein optischer Phasenmodulator im Lichtweg L befindet. Der Phasenmodulator wird vorteilhafterweise mit einem periodischen elektrischen Signal der Frequenz f angesteuert, bei dem 1 0 fo - 2 Uo) gilt. Die Pulsfolgefrequenz f2 der Lichtpulse ist dabei nahezu gleich der Frequenz fO, so daß eine Signalauswertung bei der Frequenz fo - f2 und deren Harmonischen möglich ist.
Sollen bei einem derartigen Signalauswertungsverfahren erfindungsgemäß die störenden nichtreziproken optischen Phasenverschiebungen vermieden werden, so ist die Wahl einer Pulslänge = M70 ungünstig, da dann die Lichtpulse zwar eine Frequenzkomponente bei der Frequenz f2 besitzen, aber die zweite Harmonische bei der Frequenz 2f2 vernachlässigbar klein ist, so daß auch eine erwünschte Auswertung bei der Frequenz 2 f -f2 nicht mehr möglich ist. Wünschenswert ist deshalb die Verwendung einer kürzeren Pulslänge.
Erfindungsgemäß lassen sich auch dann die störenden nichtreziproken optischen Phasenverschiebungen aufgrund der nichtlinearen optischen Effekte vermeiden, wenn den Lichtpulsen, mit der Spitzenleistung Pl 1 ein im wesentlichen (Lichtsockel) zeitlich konstantes Liciitsignai/mit der Leistung P unter-0 legt wird, so daß sich ein Verlauf der zeitabhängigen Lichtleistung P(t) gemäß FIG. 2 ergibt. Für beliebige Dauer Tor läßt sich dann ein Verhältnis P1/Po finden, 0 bei dem die störende nichtreziproke Phasenverschiebung vernachlässigbar wird. Der Grundgedanke ist dabei auch wieder in den Gleichungen (3, 4) enthalten: der sogenannte Gleichanteil P liefert eine nichtreziproke Phasenver-0 schiebung entsprechend Gleichung (3), während Gleichung (4) für den Pulsanteil P1 eine Phasenverschiebung entgegengesetzten Vorzeichens liefert. Durch entsprechende Wahl der Leistungen PO, P1 ist dann eine Kompensation der genannten Phasenverschiebungen möglich. Wird eine Signalauswertung gemäß der deutschen Patentanmeldung P 31 40 110.4 verwendet, ist Gleichung (14) nicht mehr in der oben angegebenen Form gültig. Man erhält dann beispielsweise mit der Wahl der Pulslänge 5= r /2 ein optimales Verhältnis P1/P02, Wird die Pulslänge allgemein zu # eU0.A mit A < 1 gewählt, so ist es zweckmäßig, bei einer Signalauswertung gemäß P 31 40 110.4 das Verhältnis P1/Po = 1/(1-A) zu wählen.
Dieses optimale Verhältnis ist aber wie oben erwähnt, abhängig von der jeweils verwendeten Signalauswertungseinrichtung. Wird nicht wie in der Schrift P 31 40 110 das Signal bei den Frequenzen /fo -f1/, 2/fo-f2/usw. ausgewertet, sondern bei den Frequenzen f , 2f usw., ist Glei-0 chung (14) gültig und das Verhältnis P1/P ist ungefähr 1 o zu wählen gemäß P1/P0 = 1/(A(1-A)#of2). zu). Das Verhältnis P1/Po kann aber auch leicht empirisch gefunden werden, enn nämlich P und/oder P1 solange varriert werden, bis 0 störende nichtreziproke Phasenverschiebungen verschwinden.

Claims

Patentansprüche 1% Verfahren zur Messung absoluter Drehungen mit Hilfe eines optischen Ringinterferometers, insbesondere eines faseroptischen Ringinterferometers, bestehend aus einer Lichtquelle (Q), einer strahlenaufteilenden Anordnung (T), einen eine Fläche (F) mindestens einmal umlaufenden Lichtweg (L) und einem Fotodetektor (D), dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle (Q) ausgesandtes Licht derart intensitätsmoduliert wird, daß durch störende nichtlineare optische Effekte zumindest im Lichtweg (L) erzeugte nichtreziproke optische Phasenverschiebungen auch dann im wesentlichen vernachlässigbar werden, wenn in beide Enden des Lichtweges (L) unterschiedliche Leistungsanteile (pur, Pl) des Lichts eingekoppelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das intensitätsmodulierte Licht eine von der Zeit t abhängige Lichtleistung P(t) gemäß der Gleichung exp(- crz) = 0 gewählt wird, dabei bedeutet a die optische Dämpfung im Lichtweg (L), L die Gesamtlänge des Lichtweges (L), z 0 eine laufende Koordinate in Richtung des Lichtweges (L) mit 0 C z ~ Lo, t0 die Laufzeit des Lichts durch den Lichtweg (L) und v die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit) im Lichtweg (L).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (Q) verwendet wird, die Lichtpulse aussendet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtpulse verwendet werden, deren jeweilige zeitliche DauerZim wesentlichen gleich der Laufzeit r des Lichts 0 durch den Lichtweg (L) ist und deren zeitlicher Abstand größer als die Laufzeit gO ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Licht verwendet wird, das aus einem Gleichlichtanteil mit einer im wesentlichen konstanten Lichtleistung P0 und aus dazu addierten Lichtpulsen von im wesentlichen konstanter Dauertsowie im wesentlichen konstanter Spitzenleistung P1 besteht, und daß das Verhältnis P1/Po zwischen der Lichtleistung P0 sowie der Spitzenleistung P1 derart gewählt wird,daß zumindest die im Lichtweg (L) auftretenden störenden nichtreziproken optischen Phasenverschiebungen im wesentlichen kompensiert werden (FIG. 2).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß pulsförmiges Licht verwendet wird, dessen Lichtpulse eine im wesentlichen konstante Pulsfolge- frequenz f2 besitzen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf das im Lichtweg (L) umlaufende pulsförmige Licht zusätzlich eine optische Phasenmodulation angewendet wird, deren Modulationsfrequenz f im wesentlichen 1/(2 Ü ) be-0 0 trägt, und daß ein am Photodetektor (D) entstehendes Ausgangssignal ausgewertet wird bei der Modulationsfrequenz fo oder einer Differenzfrequenz fo-f2 zwischen der Modulationsfrequenz f0 sowie der Pulsfolgefrequenz f2 und/oder einer Harmonischen der genannten Frequenzen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für eine vorgewählte Pulslänge # = A # . #o mit A<1 dem Lichtpuls der Leistung Pl ein Lichtsockel mit der Leistung P 0 unterlegt wird, wobei das Verhältnis zwischen P1 und P 0 zu P1/Po = 1/(1-A) gewählt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine vorgewählte Pulslänge # = A . #2 mit A < 1 dem Licht puls der Leistung P1 ein Lichtsockel mit der Leistung P 0 unterlegt wird, wobei das Verhältnis zwischen P1 und P0 zu P1/P0 = 1/(A(1-A) #0#2) gewählt wird.