DE3220389A1

DE3220389A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der rotationsgeschwindigkeit unter ausnutzung des sagnac-effekts

Info

Publication number: DE3220389A1
Application number: DE19823220389
Authority: DE
Inventors: John Stuart Old Harlow Essex Heeks
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: STC PLC
Priority date: 1981-06-18
Filing date: 1982-05-29
Publication date: 1982-12-30
Also published as: GB2100855A; GB2100855B

Description

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Verfahren und Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts. Eine solche Einrichtung enthält mindestens eine spulenförmig angeordnete Lichtleitfaser. Das Verfahren und die Einrichtung beziehen sich insbesondere auf eine Seitenbandmodulation/DemoduLation der Teilstrahlen, nachdem sie die Lichtleitfaserspule gegensinnig durchlaufen haben.

Die Verwendung von Lichtleitfaserspulen mit mehreren Windungen, die Verwendung geeigneter Strahlteiler und St rah I kombinierer sowie die Ankoppelung an eine einzelne kohärente Lichtquelle, zum BeispieL ein Laser, ist an sich bekannt. Das eingekoppelte Licht wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und diese beiden Teilstrahlen durchlaufen die LichtLeitfaserspuLe gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen. Dadurch erhält man Ausgangssignale, die von der Rotationsgeschwindigkeit abhängen. Zur Auswertung wird ein Fotodetektor verwendet. An solche Einrichtung ist beispielsweise aus "Sensitivity Analysis of the Sagnac-Effeet Optical Fiber Ring Interferometer" von Shih-Chun Lin und Thomas G. Giallorenzi in Applied Optics,

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Band 18, Nr. 6, 15. März 1979 bekannt. Wenn die AusgangssignaLe einander überlagert werden entstehen ringförmige Interferenzmuster, die in einem stationärem System von unbeschränkter Breite sind, einheitlich und konstant sind. Wenn sich das System um die Achse der Lichtleitfaserspule dreht, wandert die Lage der Ringe und bei einer geeigneten Auswertung kann man hieraus die Rotationsgeschwindigkeit ermitteln.

Für solche Einrichtungen zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit gibt es zahlreiche interessante Anwendungsmöglichkeiten/ es bestehen jedoch noch eine Vielzahl technischer Schwierigkeiten, die vor einer Anwendung dieser Messeinrichtungen gelöst werden müssen. Es bestehen sowohl Schwierigkeiten hinsichtlich der gerät emäßigen Realisierung als auch hinsichtlich der Auswertung.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Zeichnung zur Erläuterung des Grundprinzips und der Funktionsweise des neuen Verfahrens in der neuen Einrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur

Messung der Rotationsgeschwindigkeit mit einer - LichtLeitfaserspuLe,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines integrierten optischen Untersystems der Einrichtung zur

Messung der Rotationsgeschwindigkeit für ein Ausführungsbeispiel mit zwei spulenförmigen Lichtleitfasern, und

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Fig. 4 eine schematische DarsteLLung eines AusführungsbeispieLs mit einer LichtLeitfaserspuLe und mit optischen ZirkuLatoren.

Bei dem AusführungsbeispieL nach Fig. 1 wird jeweiLs ein LichtimpuLs in die beiden Enden 2 und 3 einer LichtLeitfaserspuLe 4 eingekoppeLt . Die LichtimpuLse breiten sich in der LichtLeitfaserspuLe gLeichzeitig und gegensinnig aus. Die beiden ImpuLse verLassen die LichtLeitfaserspuLe an den Enden 2 und 3 jeweiLs zum Zeitpunkt t=0 und geLangen zu einem optischen ypsilonförmigen VerbindungsgLied 4. Dieses optische VerbindungsgLied besteht aus einem Paar optischer WeLLenLeiter 5, 6, die in einem einzeLnen optischen WeLLenLeiter 7 münden. Die optischen WeLLenLeiter 5, 6 und 7 sind in einem Substrat 8 eines eLektrooptisehen aktiven Materials gebiLdet. Die beiden Zweige 5 und 6 des ypsiLonförmigen VerbindungsgLiedes sind mit den Enden 2 bzw. 3 der LichtLeitfaserspuLe verkoppeLt. Die optischen WeLLenLeiter werden beispieLsweise durch Eindiffundieren von Titan in Lithiumniobat gebiLdet.Ein erstes Elektrodenmuster 9 ist auf der OberfLäche des Substrats 8 gebildet und zwar in der Nähe von und paraLLeL zu den äußeren Grenzen der LichtweLLenleiter, die die Zweige 5 und 6 biLden. Es ist weiterhin eine zweite Elektrode 30 auf der OberfLäche des Substrats 8 vorgesehen und zwar zwischen 5 den Zweigen 5 und 6. Es wird zuerst die Auswirkung eines dreieckförmigen elektrischen ModuLationssignaLs, das an die Elektroden 9 und 10 angelegt wird, untersucht. Das dreieckförmige ModuLationssigna I prägt dem kombinierten optischen Ausgangssignal eine Amplitudenmodulation auf, die abhängt von der Phase, die der eLektrooptisehe Effekt in entgegengesetzten Richtungen in die Zweige des ypsilonförraigen VerbindungsgLiedes induziert.

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Unter der Voraussetzung, daß der Sagnac-Effekt keine Phasenverschiebung verursacht und daß durch den Modulator eine Phasenverschiebung erzeugt wird, die einem ganzzahligen Vielfachen von halben Wellenlängen entspricht, ist der resultierende optische Träger des Ausgangssignal kontinuierlich sinusförmit amplitudenmoduliert (Modulationsgrad 300 /O . In Wirklichkeit sind jedoch harmonische Multiplikationen vorhanden zwischen der modulierenden dreieckförmigen WeLLe mit der Frequenz f = —.und der EinhüLlenden des Ausgangssigna Ls der Photodiode, wobei der harmonische Faktor = 2_n_ ist,wobei n_ die Zahl ist der halben Wellenlängen der aufgeprägten Phasenverschiebung bei der maximalen Modulation. Wenn man jetzt weiterhin synchron zu dem dreieckförmigen ModulationssignaL den Elektroden 10 und 9 ein rechteckiges Modulationssignal zuführt, variiert die Phase der Amp I itudenmoduLation ohne das Vorhandensein von Phasendiskontinuitäten an den singulären Punkten der Einhüllende des ModuLationssignaLs. Die Phasenänderung ist linear verbunden mit der Amplitude des rechteckförmigen Signals.

Die Amplitude des dreieckförmigen Signals ist so gewählt, daß sich die ganzzahlige HalbweLlenlängen-Phasenbedingung ergibtz-und die Amplitude des recht eckf örmigen Signals ist so gewählt, daß für das Ausgangssignal des Interferometers (gebildet durch die eLektrooptisehe Einrichtung) folgende Bedingungen erfüllt sind: Phase Null, keine Verzerrung, sinusförmige Modulation. Die Amplitude, die für das rechteckförmige SignaL notwendig ist, um diesen AusgLeich zu erreichen, ist ein Maß für die Rotationsgeschwindigkeit der LichtLeitfaserspuLe um die SpuLenachse. Die Referenzphase für die PhasenregeLschleife wird abgenommen von

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dem dreieckförmigen Modulationssignal und das Regelsignal ist rückgekoppelt in Bezug auf die Amplitude des rechteckförmi gen Si gnaIs.

In der Praxis sind perfekte dreieckförmige und rechteckige ModuLationssignaIe nicht rea Ii sierbar, aber infolge der Unterscheidungsmöglichkeit gegenüber unerwünschten Harmonischen in einem abgestimmten Verstärker· 21 ist das System relativ unempfindlich gegenüber Abweichungen in Bezug auf die Wellenform der Modulationssignale. Betrachtet man beispielsweise die dreieckförmige Welle und nimmt an,daß dieses Signal in Bezug auf seinen Verlauf so verschlechtert ist,daß es nahezu einen sinusförmigen Verlauf hat, dann ist die ausgefilterte EinhüLlende des Photodetektors immer noch sinusförmig, wenn die benachbarten Seidenbänder der Grundwelle durch den abgestimmten Verstärker zurückgehalten werden. Für eine durch den Mach Zehnder gegebene Lichtintensität ist das System in diesem Fall jedoch nicht so wirksam, weil in dem harmonischen Anteil der AusgangssignaLe Leistung verloren geht.

Betrachtet man schließlich die Verschlechterung der dreieckförmigen Wellenform und der rechteckförmigen Wellenform der Modulationssignale bis zum übergang in sinusförmige Wellenformen in Phasenquadratur, dann wird es sogleich ersichtlich, daß die Phasenregelung nur für kleine Abweichungen linear ist, d. h. für eine kleine Amplitude der phasenregelnden SinusweLle.

In der Fig 2 ist ein komplettes Blockschaltbild der neuen Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit dargestellt. Von einem Laser 11 abgegebenes Licht wird über

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eine Linse 14 auf einen ha IbversiLberten Spiegel 15 gerichtet. Eine zweite Linse 14 Lenkt den Lichtstrahl auf das elektrooptisehe Interferometer 4 und anschließend zu der Lichtleitfaserspule 1. Nach einer Zeit T wird der Vorspannungsschalter 12 für den Laser geöffnet und der Generator zur Erzeugung der dreieckförmigen Wellenform wird wirksam geschaltet. Das dreieckförmige Modulationssignal wird zu dem Interferometer geleitet. Gleichzeitig wird der Generator zur Erzeugung der rechteckförmigen Welle 18 wirksam geschaltet. Dieeinander überlagerten Lichtstrahlen nach Durchlaufen der LichtLeitfaserspuLe werden vom Interferometer 4 über eine Linse 16 und den haLbversilberten Spiegel 15 zu einer dritten Linse 19 geleitet; die Linse 19 bildet den Lichtstrahl auf einen Photodetektor 20 ab. Das Ausgangssigna L des Photodetektors 20 wird in einem abgestimmten Verstärker 21 verstärkt und zu einer PhasenvergLeichseinrichtung 32 geleitet. Die PhasenvergLeichseinrichtung wird durch eine Zeitregelschaltung 13 wirksam geschaltet. Das Ausgangssignal der Phasenvergleichseinrichtung 22 wird verstärkt und als AmplitudenregeLsignaL dem Generator 18 zur Erzeugung der rech teekförmigen WeLIe zugeführt. Durch diese Regelung wird das AusgangssignaL des Interferometers wieder zum Wert Phasenverschiebung NuLL gebracht wie bereits oben erläutert.

Der Sensor kann nur während der halben der zur Verfugung stehenden Zeit betrieben werden, denn es ist notwendig, in den Sensor Licht von der Lichtquelle ohne Modulation einzukoppeln. Die Lichtquelle ist für eine Zeit X eingeschaltet, wobei T = der Laufzeit des Lichtsignals in der

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Lichtleitfaser ist. Anschließend ist die Lichtquelle für eine weitere Zeitperiode X abgeschaltet. Während dieser Zeit verläßt der Lichtstrahl über das elektrooptisehe Interferometer die Lichtleitfaser. Abhängig davon, ob für die maximale Änderung der Rotationsgeschwindigkeit das Nyquist-Kriterium erfüllt ist, ist diese Tatsache von Bedeutung oder nicht.

Um dieses Problem zu lösen,wird ein komplexeres geschaltetes Lichtleitfaserspulensystem wie in Fig. 3 dargestellt verwendet. Getrennte Eingangs- und Ausgangslichleitfasern 30/ 31 sind über einen geschalteten Richtkoppler 32 überkreuz gekoppelt. Diese Richtkoppler sind ebenfalls als optische Wellenleiter in demselben Substrat wie die Interferometer realisiert. Bei dieser Anordnung werden zwei benachbarte Interferometer 33 und 34 in dem Substrat gebildet und die Interferometer sind mit zwei identischen Lichtleitfaserspulen, die zueinander koaxiaL angeordnet sind, verbunden. Die beiden Lichtleitfaserspulen sind mit 35 und 36 bezeichnet. Dem Richtkoppler wird über eine Lichtleitfaser von einem dauernd betriebenen Laser (nicht dargestellt) Licht zugeführt. Der Richtkoppler und die Interferometer sind so geschaltet, daß während der Zeit TJ ,während der ersten LichtLeitfaserspuIe Licht zugeführt wird, das in der zweiten Lichtleitfaserspule vorhandene Licht ausgekoppeLt wird. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb der Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit mög lieh.

Eine hierzu alternative Anordnung ist in der Fig. 4 dargestellt. Hier ist eine einzige Lichtleitfaserspule 40 vor-

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gesehen, der kontinuierlich Licht zugeführt wird und aus der kontinuierlich Licht ausgekoppelt wird. Die kontinuierlich vorhandenen Ausgangssignale werden zu einem Interferometer 41 geleitet. Bei dieser Anordnung sind optische Zi ι— kulatoren 42 und 43 vorgesehen,um den Eingang vom Ausgang zu entkoppeln.

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Claims

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC
CORPORATION, NEW YORK

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Patentansprüche

Auswerteverfahren für eine Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts, bei der am Ausgang von mindestens einer spulenförmig angeordneten Lichtleitfaser zwei Signale vorhanden sind,dadurch gekennzeichnet,daß die beiden Ausgangssignale mit einem dreieckförmigen Signal, das eine vorgegebene Amplitude hat, gegensinnig moduliert werden, daß die SignaLe außerdem mit einem rechteckförmigen SignaL, das zu dem ersten Modulationssignal synchron ist,moduliert wird, daß die doppelt modulierten optischen Signale kombiniert werden (5, 6, 7),um ein Interferenzmuster zu bilden, und daß die Amplitude des zweiten, rechteckförmigen Modulationssignals so geregelt wird, daß sich für das Interferenzmuster die Phasenverschiebung 0 ergibt und daß das kontinuierliche sinusförmig amplitudenmodulierte Signal, das sich durch die Kombination der beiden LichLeitfaserausgangssignaIe, die mit dem ersten dreieckförmigen Signal moduliert sind, ergibt,im wesentlichen unverzerrt ist.

2. Auswerteverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (2, 3) der Lichtleitfaserspule mit einem optischen StrahItei Ie r/St rah Ikombinierer

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(14, 15, 16, 19} verbunden sind, welcher wiederum mit einer Lichtquelle (11) und einem Fotodetektor (20) abwechselnd verbunden ist und zwar für jeweils gleiche Zeiten ¹X , wobei ¹X die Laufzeit der optischen Signale in der Lichtleitfaserspule ist.

3. Auswerteverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichartige LichtLeitfaserspu len (35, 36) mit entsprechendem St rah I teiLer/Strah Ikombinierer vorgesehen sind, wobei die Eingänge/Ausgänge jeweils alternativ mit einem Fotodetektor und einer Lichtquelle verbunden sind.

4. Auswerteverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden der Lichtleitfaserspule jeweils mit einem optischen Zirkulator (42, 43) verbunden sindrwobei Licht von einer Lichtquelle kontinuierlich in jedes Ende der Spule eingekoppelt wird und Licht kontinuierlich von den beiden Enden der Spule ausgekoppelt wird und zu einem optischen Kombinierer geleitet wird^nachdem die Lichtausgangssignale auf die beschriebene Weise zweimal moduliert werden.

5. Einrichtung zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit unter Ausnutzung des Sagnac-Effekts mit mindestens einer Lichtleitfaser, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (2, 3) der Lichtleitfaser mit einem optischen ypsilonförmigen Verbindungselement (5, 6, 7) verbunden sind, dessen optische Eigenschaften seiner Zweige sich abhängig von einem angelegten elektrischen Feld ändern, daß Einrichtungen (4) vorgesehen sind zur Speisung der Lichtleit-

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faserspule mit einem optischen Signal, das in zwei Teilsignale aufgeteilt wird, wobei die beiden Teilsignale die Lichtleitfaserspule gegensinnig durchlaufen, daß eine Einrichtung (20) vorgesehen ist ,die die beiden Ausgangssignale der Lichtleitfaserspule, nachdem sie einander überlagert worden sind, was in dem ypsi lonförmigen Verbindungsglied geschieht, auswertet, daß eine Modulationseinrichtung (9, 10) vorgesehen ist, die in den beiden Zweigen des ypsilonförmigen Verbindungsgliedes die Signale einerseits dreieckförmig moduliert und zwar für die beiden Zweige gegensinnig und andererseits die Signale in den beiden Zweigen mit einem Rechtecksignal moduliert und zwar synchron zu dem ersten dreieckförmigen Modu lationssignaL, daß Einrichtungen (21, 22) vorgesehen sind, die die Amplitude des zweiten Modutationssigna Is so regeln, daß die Phasenverschiebung des Interferenzmusters, das man bei der Kombination der beiden modulierten opt i sehen Signale erhält, im wesentlichen gleich Null ist^und daß das Signal, das man durch die Kombination der beiden Signale, die mit dem ersten dreieckförmigen ModulationssignaL moduliert sind,erhäIt,im wesentlichen unverzerrt und von sinusförmiger Form ist, und daß Zeitsteuereinrichtungen (13) vorhanden sind für die Steuerung des optischen Einkoppeins und der Modulationseinrichtung.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinrichtung (12, 13) vorgesehen ist, die das Zuführen der Lichtsignale über das ypsilonförmige Verbindungsglied zu den beiden Enden der Lichtleitfaserspule steuert, daß die Zeiten, während denen Signale zugeführt bzw. nicht zugeführt werden,a Iternierend aufein-

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ψ m · φ at

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ander folgen und jeweils gleich der Signa L laufzeit in der Lichtleitfaser sind, und daß eine Einrichtung (20, 21) zur Auswertung des modulierten Lichtstrahls, der durch überlagerung der beiden Teilstraheln in dem ypsilonförmigen Verbindungsglied erhalten wird, vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei identische und zueinander koaxial angeordnete LichtLeitfaserspulen (35, 36) vorgesehen sind, daß deren Enden jeweils mit den Zweigen ypsilonförmiger Verbindungsglieder verbunden sind, daß eine erste Einrichtung vorgesehen ist, die eines der ypsi lonförmigen Verbindungsglieder mit Licht speist, daß eine zweite Einrichtung vorgesehen ist, die von dem anderen ypsilonförmigen Verbindungsglied das auszuwertende Signal erhält, daß schaltbare Richtkoppler vorgesehen sind zum kreuzweisen Ankoppeln der ersten bzw.-zweiten Einrichtung an die ypsilonförmigen Verbindungsg I ieder,und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die periodisch jeweils nach einer Zeit, die gleich der Signallaufzeit in einer Lichtleitfaserspule ist, umscha I tet.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden der Lichtleitfaserspule (40) mit den Zweigen des ypsilonförmigen Verbindungsglieds über Zi r kulatoren (42, 43) verbunden sind,und daß die Lichteinkopplung in die Enden der Lichtleitfaserspule ebenfalls über diese Zirkulatoren erfolgt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ypsilonförmige Verbindungsglied aus einem Paar optischer Wellenleiter besteht, die in

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einen einzigen optischen Wellenleiter einmünden, daß die Wellenleiter in einem Substrat eines elektrooptisch wirksamen Materials gebildet werden, daß auf dessen Oberfläche in der Nähe der und parallel zu den Wellenleitern Elektroden (9, 10) aufgebracht sind,und daß den Elektroden so Signale zugeführt werden, daß die optischen Signale moduliert werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß die ypsi lonförmigen Verbindungsglieder und die Richtkoppler optische Wellenleiter sind, die in einem einzigen Substrat eines elektrooptisch wirksamen Materials gebildet werden, daß auf dessen Oberfläche in der Nähe der und parallel zu den Wellenleitern Elektroden angeordnet sind und daß den Elektroden Signale so zugeführt werden, daß die Signale in den Wellenleitern, die die ypsilonförmigen VerbindungsgLieder bilden, moduliert werden, und daß für die Signale in den Wellenleitern, die die Richtkoppler bilden, ein Kreuzkopplung erfolgt.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter durch Eindiffundieren von Titan in ein Lithium-Niobat-Substrat gebildet werden.

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