DE3403308A1

DE3403308A1 - Laser-gyroskop

Info

Publication number: DE3403308A1
Application number: DE19843403308
Authority: DE
Inventors: Frank Daly; Earl Simi Valley Calif. Gardner; Daryl C. Thousand Oaks Calif. Stjern
Original assignee: Sundstrand Optical Technologies Inc
Current assignee: Sundstrand Optical Technologies Inc
Priority date: 1983-01-31
Filing date: 1984-01-31
Publication date: 1984-09-06
Also published as: SE8400266L; FR2540242A1; GB2143366A; AU2392184A; GB8414148D0; IT1199054B; GB8401247D0; JPH0462193B2; JPS59143386A; IT8447609A0; SE8400266D0; GB8414147D0; GB2136630A; GB2143368A; GB2143367A; AU546735B2; BE898703A; GB8414149D0; NO840079L; NL8400291A

Description

Sundstrand Optical Technologies, Inc. V.St.A.

Laser-Gyroskop

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Gyroskop, insbesondere mit Einrichtungen für die Beseitigung von Fehlern im Gyroskop-Ausgang, die aus einer Frequenzmitnahme resultieren.

Bei einem Winkelgeschwindigkeits-Laser-Gyroskop wandern zwei monochromatische Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen auf einer Schleife, die um die Rotationsachse des Gyroskops verläuft. Die Schleife bzw. Bahn ist durch einen typischerweise polygonalen Hohlraum gebildet, an dessen Ecken Spiegel angeordnet sind, die die Strahlen längs der Bahn reflektieren. Während das Gyroskop rotiert, wird die effektive Bahnlänge für den einen Strahl vergrößert und die effektive Bahnlänge für den anderen Strahl verkleinert, und zwar infolge der Doppler-Verschiebung. Aufgrund der überlagerung der beiden Strahlen etwa mit einem Kombinationsprisma wird eine Schwebungsfrequenz erzeugt, und das Schwebungsfrequenzsignal erzeugt seinerseits ein Interferenzmuster, das typischerweise von einer Fotodiode erfaßt wird. Diese erzeugt ein sinusförmiges Ausgangssignal, dessen Frequenz der Rotationsgeschwindigkeit linear propor-

tional ist. Die Schwebungsfrequenz ergibt sich durch den folgenden Ausdruck:

Af =4A Ω

mit Λ = Rotationsgeschwindigkeit;

A = geometrische Fläche des Laser-Gyroskops; ^-= Wellenlänge des Lasers; und

P = Perimeter der von der Laserbahn beschriebenen geometrischen Figur.

Somit liefern Größe und Vorzeichen der Frequenzdifferenz Δ-eine Anzeige der Rotationsgeschwindigkeit und -richtung des Gyroskops.

Bei sehr niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten treten Fehler infolge des Frequenzmitnahme-Effekts auf, so daß keine Frequenzdifferenz beobachtet wird. Eine Frequenzmitnahme tritt auf infolge von Unvollkommenheiten im Laserhohlraum, hauptsächlich in den Spiegeln, so daß eine Rückstreuung von einem Laserstrahl in den anderen Laserstrahl erzeugt wird. Bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten, bei denen die Frequenzaufteilung zwischen beiden Strahlen klein ist, resultiert die Kopplung der Rückstreuung von einem Strahl in den anderen darin, daß beide Strahlen mit der gleichen Frequenz schwingen. Dies resultiert in einer toten oder Mitnahmezone, wobei die Mitnahme-Schwellengeschwindigkeit durch die Größe der Rückstreuung bestimmt ist. Diese Mitnahmezone hat zur Folge, daß der Gyroskop-Ausgang dem Eingang nicht folgt. Wenn die Eingangs-Rotationsgeschwindigkeit den Schwellenwert der Mitnahme-Geschwindigkeit übersteigt, erfolgt eine Frequenztrennung der Strahlen, und es beginnt die Erzeugung von Ausgangsimpulsen.

Bisher wurden verschiedene Schwingungsverfahren zur Beseitigung der Frequenzmitnahme bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten angewandt. Bei einer solchen Möglichkeit (US-PS 4 281 930)

werden die entlang der Hohlraumbahn positionierten Spiegel in Schwingungen versetzt. Dabei ist es erforderlich, sämtliche Spiegel mit derselben Frequenz schwingen zu lassen, wobei sie jedoch um 360°, dividiert durch die Anzahl Spiegel, phasenversetzt schwingen. Die Phasendifferenz zwischen den an jeden Spiegel angelegten Schwingungen muß genau eingehalten werden, um die Hohlraum-Weglänge gleichbleibend zu halten. Da sämtliche Spiegel des Gyroskops in Schwingungen zu versetzen sind, treten Probleme hinsichtlich der Konstanthaltung der Hohlraum-Weglänge auf, denn je größer die Anzahl Spiegel, desto schwieriger ist es, die Phasendifferenz zwischen diesen genau einzuhalten.

Eine weitere Möglichkeit der Beseitigung von Mitnahmeeffekten bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten besteht darin, gemäß der US-PS 3 612 690 mit Stromschwingungen zu arbeiten. Dabei ist eine Rauschquelle vorgesehen, deren Ausgangssignal verstärkt und begrenzt wird unter Erzeugung einer Rechteckwelle, die hinsichtlich Frequenz und Impulsbreite zufallsvariabel, jedoch hinsichtlich Amplitude konstant ist. Diese Rechteckwelle und eine phasenverschobene Version derselben werden einem Gegentaktverstärker zugeführt, dessen Ausgänge an die Anoden des Laser-Gyroskops geführt sind, so daß der Strom jeder Anode frequenzmoduliert wird. Wenn dieses Stromschwingungsverfahren angewandt wird, wobei jeweils eine Anode nicht arbeitet, während die andere arbeitet, können sich insofern Probleme ergeben, als keine ausreichende Verstärkung zum Lasern vorhanden ist. Selbst wenn beide Anoden gleichzeitig arbeiten, ist die dem Strom erteilte Schwingung ungenügend, um bei bestimmten Rotationsgeschwindigkeit eine Frequenzmitnahme auszuschließen.

Zwar können verschiedene Schwingungsverfahren, wie etwa Spiegel- oder Stromschwingen, jeweils für sich eine Frequenzmitnahme bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten nahe Null eliminierenji es wurde jedoch gefunden, daß im Ausgang des

Laser-Gyroskops Nichtlinearitäten auftreten, wenn die Eingangsgeschwindigkeit eine Harmonische der Schwingungsrreguenz ist, wodurch die Genauigkeit des Gyroskops beeinträchtigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Laser-Gyroskops, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden und das mit hoher Genauigkeit arbeitet.

Das Laser-Gyroskop nach der Erfindung verwendet eine primäre Schwingungseinrichtung, die eine Frequenzmitnahme bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten beseitigt, sowie eine sekundäre Schwingungseinrichtung, mit der Nichtlinearitäten im Gyroskop-Ausgang beseitigt werden, wenn die Eingangsgeschwindigkeit eine Harmonische der primären Schwingungsfrequenz ist.

Das Laser-Gyroskop umfaßt ein Quarzgehäuse mit einem darin ausgebildeten viereckigen Laserhohlraum, wobei an jeder Ecke ein Spiegel angeordnet ist, so daß eine geschlossene Schleife bzw. Bahn für die beiden gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen gebildet ist. Die primäre Schwingungseinrichtung versetzt zwei benachbarte Spiegel in Schwingungen mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 , so daß die Hohlraumweglänge konstantgehalten wird, und die beiden übrigen Spiegel bleiben ortsfest.

Dabei wird eine Frequenzmitnahme bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten durch Beeinflussung der Rückstreuung beseitigt, wobei eine DoppLer-Verschiebung der Frequenz der Rückstreuwellen resultiert, die von den Primärwellen weg vorgespannt werden, so daß Kopplungseffekte minimiert werden und keine Frequenzmitnahme auftritt.

Die sekundäre Schwingungseinrichtung bewirkt ein Stromschwingen zur differentiellen Modulation des Stroms in jedem Schenkel des Gyroskops, wodurch Nichtlinearitäten im Gyroskop-Ausgang beseitigt werden, wenn die Eingangsgeschwindigkeit eine Harmonische der Spiegel-Schwingungsfrequenz ist. Das Strom-

schwingen ist sowohl hinsichtlich Frequenz als auch Amplitude zufällig, wodurch die Integration der Nichtlinearitäten zu NuI] hin verstärkt wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Ansicht, die Einzelheiten des Laser-Gyroskops nach der Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Einzelteilen des Gyroskops von Fig. 1;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines piezoelektrisch angetriebenen Spiegels mit Treiber- und Abnahmeanschlüssen;

Fig. 3a eine Querschnittsansicht der Spiegeltreiber von Fig. 3;

Fig. 4 eine grafische Darstellung des Mitnahme-Problems sowie dessen Lösung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm der Stromschwingschaltung;

Fig. 6 ein Diagramm der Spiegelschwing-Regelschaltung; und

Fig. 6a ein Diagramm der Regelschaltung, die den Laserhohlraum im ModusZentrum hält.

Das Laser-Gyroskop nach den Fig. 1 und 2 hat ein z. B. aus Quarz bestehendes Gehäuse 10 mit vier Strahlenkanälen 11-14, die einen Hohlraum bilden. Der Hohlraum ist zwar viereckig gezeigt, er kann jedoch auch dreieckig sein oder verschiedene andere polygonale Konfigurationen, die einen Ring bilden, haben. Die Strahlenkanäle enthalten ein Gas bzw. Gase, die für den Laserbetrieb geeignet sind, z. B. 90 % Helium und 10 % Neon mit einem Druck von 3 Torr. Es können geeignete Mittel vorgesehen sein, um eine Gasentladung zwischen einer Katode 15 und Anoden 16 und 17 zu bewirken, deren jede mit den Kanälen 11-14 in Verbindung steht. Die Katode 15 und die Anoden 16 und 17

- ίο -

erzeugen zwei in Gegenrichtung rotierende Laserstrahlen, die entlang der Hohlraumbahn, die durch die Schenkel 11a, 12a, 13a und 14a definiert ist, wandern.

AU jeder der vier Ecken des Hohlraums ist ein Spiegel 21-24 positoniert und reflektiert den Strahl um den Ring. Die Ausgangs-Schwebungsfrequenz des Gyroskops wird von einem Detektor 25 erfaßt, der in bekannter Weise einem der Spiegel 21 zugeordnet ist. Zwei benachbarte Spiegel 23, 24 werden periodisch in Schwingungen versetzt, und zwar gemäß dem Pfeil 28 senkrecht zu ihren Endflächen, so daß eine Primärschwingung erzeugt wird. Jeder Spiegel 23 und 24 wird von einem jeweils daran befestigten Treiber 26 bzw. 27 in Schwingungen versetzt, wobei die Spiegel 21 und 22 ortsfest an dem Gehäuse 10 des Gyroskops befestigt sind. Die Ansteuerung des Spiegels 24 ist relativ zu der Ansteuerung des Spiegels 23 um 180° phasenversetzt. So kann die Phasenverschiebung des Spiegels 23 durch den Ausdruck A sin (wt) und diejenige des Spiegels 24 durch den Ausdruck A sin (tot +1T) bezeichnet werden.

Jeder Treiber 26 und 27 für die Spiegel 23 und 24 ist eine Zweielementzelle. Die Fig. 3 und 3a zeigen den aus zwei Scheiben bestehenden Grundaufbau des Treibers 26. Zwei piezoelektrische Scheiben 30 und 32 sind an zwei Schenkeln 34 eines Rahmens 36 befestigt, der auch den Spiegel 23 trägt. Die beiden Scheiben weisen mit ihren Rückseiten einander zugewandte geerdete Elektroden 39, 40 auf, die mit geerdeten Schenkeln 34 elektrisch verbunden sind. Eine Elektrode 42 auf der Scheibe 30 und eine äußere Ringelektrode 43 auf der Scheibe 32 sind bei 44 elektrisch zusammengeschaltet und werden von einem Treiberverstärker 46 über Zuleitung 48 angesteuert. Der Spiegel 23 ist bei 49 mit der Scheibe 30 gekoppelt, so daß er von dieser in Schwingungen versetzt wird. Eine Mittenelektrode 50 auf der Scheibe 32 dient der Erfassung der Spannung, die sich ausbildet, während die Scheibe 32 schwingt, wobei die Spannung bei 52 und 54 zur weiteren Nutzung abgenommen wird, wie noch zu erläutern ist. Durch diese Ausbildung werden die durch Wärme-

ausdehnung bedingten Instabilitäten vermieden, die bei einer konventionellen Zweielementzelle mit einem daran befestigten Abnehmer auftreten.

Die Spiegel 23 und 24 werden mit einer relativen Phasenverschiebung von 180° in Schwingungen versetzt, so daß sich die Gesamt-Hohlraumweglänge nicht ändert. Daher wird der Ringlaser im Moduszentrum (d. h. in einer Frequenzlage in der Mitte der Verstärkungskurve) gehalten, wobei die Schwingungen der Spiegel die Weglänge nur minimal beeinflussen. Da nicht alle, sondern nur zwei Spiegel in Schwingungen versetzt werden, ist die Phasenbeziehung zwischen den beiden schwingenden Spiegeln und damit die Hohlraumweglänge leichter regelbar.

Jeder Spiegel bewirkt eine Verschiebung um ca. 1,5 Wellenlängen, so daß eine Mitnahme bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten vermieden wird. Während sich der Spiegel nach innen und außen verschiebt, wandert der Laserstrahl über die Spiegelflächen hin und her. Dies resultiert in einer Verschiebung des Streuzentrums in bezug auf die Stehwellen-Feldmoden und erfüllt somit die Phasenverschiebungs-Bedingungen der Phasenmodulation. Außerdem ändert sich die Verschiebung zwischen den Streugruppen der Spiegel über die Zeit. Die Vektorsummierung dieser Streugruppen führt schließlich zu einer Mitnahmegröße. Durch die Schwingung der Spiegel wird der Gesamt-Streuvektor zeitmoduliert, wodurch die Mitnahme weiter verringert wird.

Das Spiegelschwingverfahren weist gegenüber den heute angewandten Vorspannungsverfahren, bei denen z. B. das gesamte Gehäuse des Gyroskops in Schwingungen versetzt wird, mehrere Vorteile auf. Das Spiegelschwingverfahren ist zwar kein rein optisches Verfahren, da die Spiegel von piezoelektrischen Wandlern angetrieben werden; die Verschiebung der Spiegel ist jedoch extrem klein gegenüber der Verschiebung, die einem Laser-Gyroskop mit schwingendem Gehäuse erteilt wird, wobei die Spiegelverschiebung charakteristisch in der Größenordnung von 50,8 cm von Spitze zu Spitze liegt. Aufgrund der hohen

Schwingungsfrequenz der Spiegel, die in der Größenordnung von 9 kHz liegen kann, wird eine Kopplung der Spiegelbewegüng an durch die Umgebung bewirkte Bewegungen, z. B. Stoß und Vibration, minimiert.

Das Spiegelschwingen wird erreicht, ohne daß dem optischen Hohlraum weitere Elemente hinzugefügt werden, so daß eine Unempfindlichkeit gegenüber thermischen und magnetischen Auswirkungen erreicht wird, unter denen Faraday-, Magnetspiegel- und (in gewissem Maß) Mehrfachoszillator-Vorspannungsverfahren leiden. Da im Hohlraum keine zusätzlichen verlustbehafteten Elemente vorhanden sind, kann ein schwingende Spiegel aufweisendes Gyroskop extrem klein gebaut werden, ohne daß eine merkliche Verringerung der Leistungsfähigkeit eintritt. Da ferner die Spiegel-Treiber außerhalb des hermetischen Laserhohlraums liegen, sind ohne weiteres unterschiedliche Gyroskop-Gehäusekonstruktionen für spezielle Verpackungs-, Umgebungs- oder Lebensdauer-Bedingungen realisierbar. Der einfache Grundaufbau resultiert in einem kostengünstigen und hochzuverlässigen Instrument.

Mit den zwei schwingenden Spiegeln wird zwar der Mitnahmeeffekt bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten beseitigt; es wurde aber gefunden, daß Nichtlinearitäten im Ausgang des Gyroskops auftreten, wenn die Eingangsgeschwindigkeit eine Harmonische der Schwingungsfrequenz ist, wie nachstehend erläutert wird.

Bei Vorhandensein von Rückstreuung im Laserhohlraum eines Gyroskops ist die Gleichung für die Schwebungsfrequenz T" wie folgt:

= B + Β_τεΐη(Ψ+Ε)

OL

mit B = proportional der Eingangs-Rotations-

geschwindigkeit,
B_r - Mitnahmefrequenz und
E = die Phase der resultierenden mitgenommenen Stehwelle.

Die Theorie der schwingenden Spiegel modifiziert Gleichung (1) dahingehend, daß E eine zeitabhängige Variable E(t) wird. Wenn der Spiegel im Hohlraum in Längsrichtung schwingt, bewegen sich die einzelnen streuenden Punkte auf dem Spiegel quer zum Strahl. Da die angelegte Spiegelschwingung sinusförmig ist, wird der Phasenbeitrag E jedes Spiegels:

E=B είη(ω t) , (2)

ία m ' ο

mit to = 2f7f ,

f_D = Schwingungsfrequenz und

B = Spiegel-Schwingungsamplitude.

In Gleichung (2) wird angenommen, daß der Rückstreu-Beitrag jedes Spiegels die Summe einer großen Anzahl Streuungen ist, deren Auswirkung statistisch gemittelt werden kann. Wenn nur zwei Spiegel 23 und 24 mit einer Phasenverschiebung von 180 schwingen, ist die Gesamt-Rückstreuung gleich der Summe der Rückstreu-Beiträge von jedem schwingenden Spiegel, so daß die Gleichung (1) wie folgt geschrieben werden kann:

Ψ/₂π= Β+Β8ΐη(Ψ+Β8ΐη(ω^)+Ρ_Ι28ΐη(Ψ+Β_χη28ίη{ω^+ΐΓ) ) (3)

mit B . = Schwingungsaraplitude des i-ten Spiegels und

B_r . = Mitnahmegeschwindigkeits-Beitrag aus der. Rückstreuung des i-ten Spiegels.

Die Auflösung der Gleichung (3) ergibt sich wie folgt:

Ψ s.2uB„t+MSin(2uf_nt) +

ο D (4)

2πΒ_ (J. (M) Q + J·. (M)

^Li ° .2*B_ot

mit M = Modulationsindex und

J = Bessel-Funktion n-ter Ordnung.

Aus der Gleichung (4) ist ersichtlich, daß die Beiträge zu den Kopplungs- oder Mitnahmetermen sehr hoch werden, wenn die Eingangsgeschwindigkeit eine Harmonische der Spiegel-Schwingungsfrequenz f_ ist, wenn also:

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind Nichtlinearitäten, die bei 60 angedeutet sind, im Ausgang des Gyroskops um die Harmonischen der Schwingungsfrequenz zentriert.

Wenn der Kopplungsterm B gleich Null ist, resultiert dies in der toten oder Mitnahmezone bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten. Wenn also M so gewählt ist, daß die Bessel-Funktion nullter Ordnung J_Q gleich Null ist, erfolgt keine Mitnahme bei Rotationsgeschwindigkeiten nahe Null. Die Werte für M, die in J=O resultieren, d. h. die Wurzeln der Bessel-Funktion, sind wie folgt:

M = 2,405, 5,52, 8,654 (6).

Der Wert M = 2,405 ergibt den optimalen Wert der Spiegel-Schwingungsamplitude B für J=O. Für eine Optimierung der Spiegelschwingung ist es also wichtig, die Spiegel-Schwingungsamplitude und -frequenz genau zu regeln, wobei die Spiegel-Schwingungsamplitude B_m durch die folgende Gleichung gegeben ist:

B - ^ sin Φ

mit φ = Einfallswinkel -zwischen Strahl und Spiegel, M = Modulationsindex und
A. = Wellenlänge des Lasers.

Wenn der Modulationsindex M eine Wurzel der Bessel-Funktion ist, wird die Nichtlinearität oder Mitnahme bei Rotationsgeschwindigkeiten nahe Null beseitigt. Die Nichtlinearitäten oder Mitnahmezonen bei höheren Harmonischen der Schwingungsfrequenz bleiben jedoch immer noch bestehen. Die Breite dieser Mitnahmezonen ergibt sich wie folgt:

2B_TJ (M) · * ^<8)

L η

Das Laser-Gyroskop verwendet als Sekundär-Schwingung eine Plasmastrom-Schwingung, die das Gyroskop durch die Mitnahmezonen moduliert, die auftreten, wenn der Eingang eine Harmonische der Schwingungsfrequenz ist, so daß ein kontinuierlicher Ausgang erhalten wird.

In einem Helium-Neon-Entladungsplasma ergibt sich eine durch den Langmuir-Effekt hervorgerufene Gesamtgasbewegung. In einer Schicht mit einer mittleren freien Weglänge von einem Ion nahe der Bohrungswandung ergibt sich ein Gesamtgasstrom von der Katode zur Anode. Dieser Gasstrom resultiert aus einer differentiellen Momentenübertragung zu den Bohrungswandungen durch die Elektronen und Ionen.Die Strömungsgeschwindigkeit ist dem Entladungsstrom proportional. Der resultierende Gegendruckaufbau an der Anode induziert einen Pioselleschen Gasgegenstrom von der Anode zur Katode entlang der Bohrungsmitte. Diese Gesamt-Gasmassenbewegung entlang der Bohrungsmitte bewirkt eine differentielle Doppler-Verschiebung der Verstärkungskurve jedes der gegensinnig rotierenden Strahlen im Referenzgitter der Moleküle. Dies resultiert in mit unterschiedlichem Modus auftretenden Mitnahme- und Verwerfungs-Effekten auf jeden Strahl.

In einem Gyroskop mit Doppelschenkel-Entladung, wobei in jedem Schenkel ein gleicher Plasmastrom vorhanden ist, heben sich diese Effekte gegenseitig auf. Wenn ein sinusförmig oder bevorzugt ein zufällig sich ändernder Plasmastrom mit einer Phasenverschiebung von 180° an jeden Schenkel angelegt wird, ergibt sich die resultierende Frequenzaufteilung der Strahlen oder der Schwebungsfrequenzbeitrag ψ , aus der Stromschwingung wie folgt:

ψ , = P{A - IB] 2i sin(w.t); O)

cd · ' OJ.

wobei P durch verschiedene physikalische Parameter des Gyroskops (z. B. Bohrungsdurchmesser, Gasdruck und -zusammensetzung, Plasmaspannungsgradient) bestimmt ist; A und B sind der Modus-Mitnahme- bzw. -Verwerfungs-Koeffizient, I ist die Laser intensität, ^j. = 2Tf. und f. ist die Stromschwingungsfrequenz, während i die Amplitude der Stromschwingung ist. T ,/2 erhöht den sich durch die schwingenden Spiegel ergebenden Schwebungsfrequenz-Beitrag in Gleichung (3) wie folgt:

(10)

Aufgrund dieser durch die Stromschwingung bewirkten Frequenzaufteilung der Strahlen werden die Mitnahmezonen, die auftreten,' wenn die Eingangsgeschwindigkeit eine Harmonische der Spiegel-Schwingungsfrequenz ist, willkürlich genullt. Da der an jeden Schenkel des Gyroskops angelegte Plasmastrom um 180° phasenverschoben ist, werden ferner maximale Vorspannungseffekte infolge der Langmuir-Strömung erzielt, die die restlichen Mitnahmezonen oder Nichtlinearitäten ausmitteln.

Die die Stromschwingungen erzeugende Schaltung gemäß Fig. 5 umfaßt einen Stromregler 62, dessen Konstantstromausgänge über Meßwiderstände 68 und 70 an Summierpunkte 64 und 66 geführt sind, die an die Anoden 16 bzw. 17 angeschlossen sind. Das

_ Λ -J _

Ausgangssignal eines Rauschgenerators 72 wird von einem nichtinvertierenden Verstärker 74 verstärkt, der über einen Widerstand 76 an den der Anode 16 zugeordneten Summierpunkt 64 angeschlossen ist. Ferner wird das Ausgangssignal des Rauschgenerators 72 einem invertierenden Verstärker 78 zugeführt, der über einen Widerstand 80 an den der Anode 17 zugehörigen Summierpunkt 66 angeschlossen ist, so daß der an den Summierpunkt 66 und die Anode 17 angelegte Rauschstrom relativ zu dem an den Summierpunkt 64 und die Anode 16 angelegten Rauschstrom um 180° phasenversetzt ist.

Das an die Anode 16 angelegte Rauschsignal und das um 180° phasenverschobene, an die Anode 17 angelegte Rauschsignal führen einen Langmuir-Effekt ein, der die restliche Mitnahmezone eliminiert, die auftritt, wenn die Eingangsgeschwindigkeit eine Harmonische der Spiegel-Schwingungsfrequenz ist.. Da die an das Gyroskop angelegte Stromschwingung sowohl hinsichtlich Amplitude als auch Frequenz zufällig ist, wird die Integration der Nichtlinearitäten nach Null erhöht.

Eine genaue Regelung der schwingenden Spiegel 23 und 24 wird mit einem Regelkreis mit Rückführung gemäß Fig. 6 erzielt, wobei die Phasenbeziehung zwischen den Spiegeln aufrechterhalten und die Schwingungsamplitude geregelt wird; mit der Schaltung nach Fig. 6a wird das Laser-Gyroskop im Moduszentrum gehalten. Da die Wirksamkeit der Vorspannung mit schwingenden Spiegeln vom Modulationsindex M abhängt, ist die Regelung der Schwingungsamplitude wichtig. Selbst wenn eine genaue Steuerung der Spiegel angenommen wird, können erhebliche Änderungen der Schwingungsamplitude aus folgenden Gründen auftreten:

1) Änderungen der piezoelektrischen Werkstoff-Kennlinien aufgrund einer Temperaturänderung;

2) Hysterese- und Depolarisationseffekte im piezoelektrischen Werkstoff;

3) Änderungen der mechanischen Nachgiebigkeitin der Meßumformer-Spiegel*-Anordnung.

Die Schaltung von Fig. 6 regelt die an die piezoelektrischen Meßumformer-Treiber 26 und 27 für die Spiegel 23 und 24 angelegte Spannung, so daß die Spiegel mit einer genauen Phasenverschiebung von 180 in Schwingungen versetzt werden. Ein Sinusgeber 82 steuert den piezoelektrischen Meßumformer-Treiber 26 über einen automatischen Verstärkerungsregler bzw. AVR 84 und einen damit reihengeschalteten Leistungsverstärker 86 an. Der Sinusgeber 82 ist ferner ah den piezoelektirschen Meßumformer-Treiber 27 über einen automatischen Verstärkungsregler bzw. AVR 88 angeschlossen, der mit einem Leistungsverstärker reihengeschaltet ist, wobei der Sinusgeber mit dem AVR 88 über einen invertierenden Verstärker 90 verbunden ist, so daß der piezoelektrische Meßumformer-Treiber 27 mit einer Phasenverschiebung von 180 relativ zu dem piezoelektrischen Meßumformer-Treiber 26 angesteuert wird. Die automatischen Verstärkungsregler 8 4 und 88 und die Leistungsverstärker 8 6 und 89 regeln die Amplitude der an die piezoelektrischen Meßumformer-Treiber 26 und 27 angelegten Spannung, so daß die erwünschte Amplitude der Spiegelschwingung B erhalten wird.

Der Ausgang des piezoelektrischen Meßumformer-Treibers 26 wird zu einem nichtinvertierenden Eingang eines Summierpunkts 92 rückgeführt, während der Ausgang des piezoelektrischen Meßumformer-Treibers 27 zu einem invertierenden Eingang des Summierpunkts 92 rückgeführt wird. Die jeweiligen Ruckfuhrungsstrecken zu dem Summierpunkt 92 kompensieren Änderungen der Phasendifferenz zwischen den Treibern 26 und 27, um die Phasenverschiebung von 180° aufrechtzuerhalten, wobei die Phasenänderungen durch Charakteristiken der piezoelektrischen Meßumformer bewirkt sind,z. B. durch Temperaturänderungen. Der Ausgang des piezoelektrischen Meßumformer-Treibers 26 wird ferner einem invertierenden Eingang eines Summierpunkts 94 zugeführt, und der Ausgang des piezoelektrischen Meßumformer-Treibers 27 wird

einem invertierenden Eingang eines Summierpunkts 96 zugeführt. Jeder Summierpunkt 94 und 96 regelt die Amplitude des Ansteuersignals zu den piezoelektrischen Meßumformern, so daß diese konstant gehalten wird.

Eine Regelschaltung, die das Laser-Gyroskop im Moduszentrum hält, ist in Fig. 6a gezeigt; sie hat einen Ausgang auf Leitung 99, der einem zweiten Eingang des Leistungsverstärkers 89 zugeführt wird. Die Weglängen-Regelschaltung spricht auf das Ausgangssignal des Fotodiodenfühlers 25 an, der die Intensität des Ausgangs des Laser-Gyroskops erfaßt. Das Ausgangssignal des Fotodiodenfühlers wird einem Demodulator 100 zugeführt, dem ferner ein 5-kHz-Standard von einem Geber 101 zugeführt wird zur Entscheidung, ob eine Phasenverschiebung relativ zum Moduszentrum stattgefunden hat. Wenn keine Phasenverschiebung erfaßt wird, arbeitet das Laser-Gyroskop mit Spitzenverstärkung, d. h. im Moduszentrum. Wenn jedoch der Demodulator 100 eine Phasenverschiebung feststellt, wird sein Fehler-Ausgangssignal in einem Integrator 102 integriert. Das Ausgangssignal des Integrators 102 wird einem Summierpunkt 104 zugeführt, dessen anderem Eingang der 5-kHz-Standard zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Summierpunkts 104 wird einem der piezoelektrischen Meßumformer-Treiber, z. B. dem Treiber 27, über den Leistungsverstärker 89 zugeführt, um die Phasenverschiebung zu eliminieren und das Laser-Gyroskop im Moduszentrum zu halten. Es ist zu beachten, daß die Frequenz des Standardsignals vom Geber 101 keine Subharmonische der Spiegel-Schwingungsfrequenz sein sollte.

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Claims

Ansprüche

1 .J Laser-Gyroskop mit zwei gegensinnig rotierenden Laserstrahlen für die Erfassung einer Eingangs-Rotationsgeschwindigkeit, mit Einrichtungen zur Beseitigung von durch Frequenzmitnahme der Laserstrahlen bewirkten Fehlern im Gyroskop-Ausgang,
gekennzeichnet durch eine primäre Schwingungseinrichtung (26, 27), die eine Frequenzmitnahme bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten ausschließt und mit unveränderlicher Frequenz arbeitet; und - eine sekundäre Schwingungseinrichtung, die Nichtlinearitäten im Gyroskop-Ausgang beseitigt, wenn die Eingangsgeschwindigkeit eine Harmonische der primären Schwingungsfrequenz ist.
2. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die sekundäre Schwingungseinrichtung Glieder zur regellosen Beseitigung der Nichtlinearitäten im Gyroskop-Ausgang aufweist.

572-BO163iA-Schö
3. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, mit einem einen polygonalen Hohlraum bildenden Gehäuse, wobei der Hohlraum eine geschlossene Schleife bildet, die von jedem der gegensinnig rotierenden Laserstrahlen durchlaufen wird, und mit jeweils einem Spiegel an jeder Ecke des Hohlraums zur Reflexion der Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet,

daß die primäre Schwingungseinrichtung Elemente (26, 27) aufweist, die wenigstens zwei (23, 24) der Spiegel (21-24) in Schwingungen versetzen, wobei jeder schwingende Spiegel (23, 24) relativ zum jeweils anderen mit einer Phasenverschiebung schwingt, die gleich 360 , dividiert durch die Anzahl der schwingenden Spiegel, ist.
4. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, mit einem einen Hohlraum aufweisenden Gehäuse, wobei der Hohlraum eine geschlossene Schleife bildet, die von jedem der gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen durchlaufen wird, und wobei der Hohlraum einen ersten und einen zweiten Schenkel hat, durch die Strom unter Erzeugung der gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen fließt, dadurch gekennzeichnet,

daß die sekundäre Schwingungseinrichtung Glieder zur differentiellen Zufallsmodulation des Stroms in jedem Schenkel unter Eliminierung der Nichtlinearitäten aufweist.
5. Laser-Gyroskop für die Erfassung einer Eingangs-Rotationsgeschwindigkeit, das einen Hohlraum aufweist, der eine geschlossene Schleife bildet, die von zwei gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen durchlaufen wird, wobei der Hohlraum zwei Schenkel aufweist, durch die Strom unter Erzeugung der gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen fließt, mit einer Einrichtung zur Beseitigung von Nichtlinearitäten im Gyroskop-Ausgang, die durch Frequenzmitnahme der Laserstrahlen bewirkt sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum differentiellen Modulieren des Stroms in jedem Schenkel, wobei Frequenz und Amplitude des Stroms ändern unter Beseitigung der Nichtlinearitäten zufallsvariabel sind.
6. Laser-Gyroskop nach Anspruch 12, wobei im ersten Schenkel Strom von einer ersten Anode zu einer Katode und im zweiten Schenkel Strom von einer zweiten Anode zu der Katode fließt, dadurch gekennzeichnet,

daß die Modulationseinrichtung aufweist:

ein Glied (62), das einen konstanten Ausgangsstrom erzeugt;

- einen Rauschsignalgenerator (72);

- einen ersten Summierpunkt (64), an dem das Rauschsignal und der konstante Ausgangsstrom summiert werden, wobei der Ausgang des ersten Summierpunkts (64) der ersten Anode (16) zuführbar ist zur Zufallsänderung von Amplitude und Frequenz des Stroms im ersten Schenkel;

ein Nichtglied (78), das das Rauschsignal invertiert; und einen zweiten Summierpunkt (66), an dem das invertierte Rauschsignal und der konstante Ausgangsstrom summiert werden, wobei der Ausgang des zweiten Summierpunkts (66) der zweiten Anode (17) zuführbar ist zur Zufallsänderung von Amplitude und Frequenz des Stroms im zweiten Schenkel mit einer Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem Strom im ersten Schenkel.
7. Laser-Gyroskop für die Erfassung von Rotationsgeschwindigkeiten, mit einem Körper, der einen polygonalen Hohlraum aufweist, der eine geschlossene Schleife bildet, die von zwei gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen durchlaufen wird, wobei an jeder Ecke des Hohlraum ein Spiegel für die Reflexion der Strahlen um die Schleife angeordnet ist und der Hohlraum einen ersten und einen zweiten Schenkel aufweist, durch die Strom unter Erzeugung der gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen fließt, und mit Einrichtungen zur Beseitigung von Fehlern im Gyroskop-Ausgang, die durch Frequenzmitnahme der Laserstrahlen bewirkt sind,

gekennzeichnet durch

eine primäre Schwingungseinrichtung, die wenigstens zwei (23, 24), jedoch nicht sämtliche Spiegel mit derselben Frequenz und senkrecht zur Spiegeloberfläche in Schwingungen versetzt, wobei jeder schwingende Spiegel (23, 24) mit einer Phasenverschiebung relativ zum jeweils anderen Spiegel schwingt, die gleich 360°, dividiert durcvh die Anzahl der schwingenden Spiegel, ist, so daß bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten keine Frequenzmitnahme erfolgt; und eine sekundäre Schwingungseinrichtung für die differentielle Zufallsmodulation des in jedem Schenkel fließenden Stroms zur Beseitigung der Nichtlinearitäten.