DE3500044A1

DE3500044A1 - Laserwinkelgeschwindigkeitssensor mit zitterbewegungen ausfuehrenden spiegeln

Info

Publication number: DE3500044A1
Application number: DE19853500044
Authority: DE
Inventors: Graham J. Canoga Park Calif. Martin
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1984-01-09
Filing date: 1985-01-03
Publication date: 1985-07-18
Also published as: IT8547526A0; GB2152739B; GB2185147B; SE8500057L; GB8430489D0; CA1252551A; FR2557970B1; SE8500057D0; GB8630989D0; JPS60160677A; NO844141L; GB2185147A; IL73151A; SE458722B; IT8547526A1; FR2557970A1; IT1181841B; GB2152739A

Description

PATENTANWÄLTE

Dipl.-lng. A. Wasmeier

.3· *Dipi.-ing. R Graf

35QÜQ44

Zugelassen beim Europäischen Patentamt · Professional Representatives before the European Patent Office

Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg 1

An das

Deutsche Patentamt

Zweibrückenstraße 12

8000 München 2

D-8400 REGENSBURG GREFLINGER STRASSE 7 Telefon (09 41) 5 47 53 Telegramm Begpatent Rgb. Telex 6 5709 repat d

Ihr Zeichen
Your Ref.

Ihre Nachricht Your Letter

Unser Zeichen Our Ref.

L/p 11,677 Tag
Date

27. Dezember 1984 W/He

Anmelder: LITTON SYSTEMS, INC.

360 North Crescent Drive

Beverly Hills, California 90210, USA

Titel: "Laserwinkelgeschwindigkeitssensor mit Zitterbewegungen ausführenden Spiegeln"

Priorität: USA - SN 5 69.079 vom 9. Januar 1984

Erfinder: Graham J. Martin - Ingenieur

Konten: Bayrische Vp«.i_nsbank (BLZ 750 20073) 5 839<wo Gerichtsstand Regensburg

Laserwinkelgeschwindigkeitssensor mit in Zitterbewegungen

versetzten Spiegeln.

Die Erfindung bezieht sich auf Laserwinkelgeschwindigkeitssensoren und insbes. auf eine verbesserte Technik des mechanischen Oszillierens von Spiegeln in derartigen Winkelgeschwindigkeitssensoren, um Mitzieh-Fehler auszuschalten, die während des Abfühlens geringer Winkelgeschwindigkeiten auftreten.

Ein Laserwinkelgeschwindigkeitssensor oder Ringlasergyro hat zwei in entgegengesetzter Richtung drehende monochromatische Laserstrahlen, die sich längs eines geschlossenen Pfades durch aufeinanderfolgende Reflexionen aus drei oder vier Spiegeln bewegen. Bei einer Drehung des Sensors um seine Abfühlachse wird die effektive Pfadlänge für die beiden Strahlen verändert, wodurch ein Frequenzunterschied zwischen den Strahlen auftritt, der proportional der Winkeldrehgeschwindigkeit ist. Bei geringen Drehgeschwindigkeiten, bei denen der Frequenzunterschied zwischen den beiden Laserstrahlen als gering erwartet wird, wurde festgestellt, daß die Strahlen zum "Mitziehen" oder Oszillieren bei der gleichen Frequenz tendieren, so daß ein Frequenzunterschied nicht angezeigt wird.

Eine bekannte Möglichkeit, um ein Mitziehen y.xi eliminieren, besteht darin, den Laserwinkelsensor mechanisch in Vibrationsbewegungen bzw. Zitterbewegungen (dither) zu versetzen, um die geringen Sensordrehgeschwindigkeiten aus dem Mitziehbereich heraus anzuheben. Obgleich dies für das; Reduzieren des Mitziehens nützlich ist, kann dieses sogenannte "Körperzittern" das Mitziehen nicht vollständig aufheben, und es ist im allgemeinen unerwünscht, den gesamten Sensor fortgesetzten Vibrationen auszusetzen.

Ein anderes Zitterschema nach der US-PS 3.533.014 besteht darin, daß jeder Spiegel einer aus drei Spiegeln bestehenden Anordnung sinusförmig in einer Richtung parallel zu der reflektierenden Oberfläche in Vibrationen versetzt wird. Dies ist jedoch praktisch schwierig zu erreichen, da verhältnismäßig große Scherkräfte benötigt werden, um die Spiegel in solcher Weise zu bewegen.

Ein weiterer Versuch zur Lösung dieses ^■■■:ob 1 ems ergibt sich aus der US-PS 4.281.930, bei der alle drei Spiegel eines Lasergyros orthogonal zu der reflektierenden Oberfläche in Vibrationen versetzt werden. Obgleich die Spiegel in dieser Weise relativ leicht in Vibrationen versetzt werden können, wenn nicht eine korrekte Phasenbeziehung exakt aufrechterhalten wird, ändert sich die Länge des Hohlraumes für die Strahlen während des Zitterzyklus, was nicht erwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehenden Probleme zu lösen und die Nachteile der bekannten Einrichtungen zu beseitigen.

Dies wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Laserwinkelgeschwindigkeitssensor nach der Erfindung weist vier Spiegel auf, die in entsprechender Weise an den Eckpunkten eines Quadrates so angeordnet sind, daß zwei entgegegengesetzt gerichtete Laserstrahlen um einen geschlossenen Pfad reflektiert werden, der längs der optischen Achse des Hohlraumes liegt. Eine Zittervorrichtung bzw. Vibrationsvorrichtung (dithering means) ist zwischen zwei benachbarte Spiegel eingeschaltet, um eine Längsschwingung dieser Spiegel zu erzielen (d.h. eine Schwingung senkrecht zu der Spiegelhauptfläche); die relative Phasenlage für die beiden Spiegel wird bei 180° aufrechterhalten, so daß die Hohlraumlänge unverändert bleibt. Die Antriebsschaltung für die Zittervorrichtung wird durch Überwachen der tatsächlichen Spiegelver-

Schiebung gesteuert, um die Zitteramplitude auf einen vorbestimmten Wert abzustimmen und auf diesem Wert zu halten, der vorzugsweise 0,271 der Laserstrahlungswellenlänge entsprechend dem Modulationsindex der Nullten Ordnung der Bessel-Funktion J₀ ist.

Die Antriebsschaltung für die Zittervorrichtung ist in der Lage, Zitterbewegungen auszuführen, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Einganges in den Gyro nahe Null ist (d.h. im Mitziehband); sie schaltet jedoch bei Werten außerhalb des Zitterbandes ab.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Laserwinkelge-

schwindgkeitssensors nach der Erfindung, Fig. 2 eine Schnittansicht durch einen Spiegel und eine Spiegelzittervorrichtung,

Fig. 3 ein Funktionsschaltbild für einen Zitterantrieb und die Steuerung, und

Fig. 4 eine abgeänderte Ausführungsform einer Schaltung für Zitterantrieb und Steuerung.

Nach Fig. 1 weist ein Laserwinkelgeschwindigkeitssensor 10 einen einteiligen Instrumentenblock 11 mit einem Hohlraum auf, der sich längs eines quadratförmigen Pfades erstreckt. Ein Gemisch aus Neon und Helium ist im Hohlraum mit einem sehr niedrigen Druck (z.B. 3 Torr) enthalten. Bei Erzeugung einer erhöhten Potentialdifferenz zwischen Kathode 13 und Anode 14 wie auch zwischen Kathode 15 und Anode 16 werden zwei monochromatische Laserstrahlen erzeugt, die in entgegengesetzten Richtungen längs der Hohlraumachse 17 verlaufen.

An jeder Ecke des quadratischen Hohlraumes sind Spiegel 18 - 21 vorgesehen, die vor allen Dingen dazu dienen, die beiden Laserstrahlen längs des Hohlraumpfades 17 zu richten. Die

beiden benachbarten Spiegel 18 und 19 besitzen piezoelektrische mechanische Oszillatoren 22 und 23, die in erregtem Zustand die Spiegel in einer Richtung senkrecht zu der ebenen reflektierenden Fläche des Spiegels in Vibrations-bzw. Zitterbewegungen versetzen. Wenn die Spiegel eine gekrümmte reflektierende Oberfläche haben, erfolgt das Zittern des Spiegels längs der optischen Achse.

Nach Fig. 2 weisen die piezoelektrischen Vibratoren oder Oszillatoren 22, 23, die für die Zwecke vorliegender Erfindung geeignet sind, ein Material auf, das expandiert und kontrahiert, wenn eine elektrische Potentialdifferenz an gegenüberliegende Flächen angelegt und von diesen gegenüberliegenden Flächen entfernt wird. Das Erzeugen eines sich zyklisch ändernden Spannungspotentials an dem piezoelektrischen Material ergibt eine wechselnde Verlängerung und Verkürzung des Materials, was wiederum über das Vibratorgehäuse 2 5 ein Zittern des Spiegels bewirkt. Eine geeignete Vorrichtung zur Erzeugung dieser Zitterbewegung ist die piezoelektrische Keramik, die als Bimorph arbeitet, wie sie in US-PS 4.383.763 beschrieben ist.

Zur Beschreibung einer ersten Ausführungsform einer Spiegelsteuer- und -antriebsschaltung wird auf Fig. 3 Bezug genommen. In einem Lasergyro ist ein Spiegel 20 teilweise durchlässig für Laserstrahlen, wodurch die Strahlen auf eine herkömmliche optische und Photodetektorvorrichtung 26 auf treffen, die Signr.le erzeugt, welche auf die Lasertaktfrequenzwelle ar.sprecaen, die für die Eingangsgeschwindigkeit in den Gyro bzw. Kreisel repräsentativ ist. Signale aus der Vorrichtung 2 6 werden in eine herkömmliche Zählverarbeitungsschaltung zur Erzeug·- . -iner Ausgar-sinformation sowohl der Größe als des Vorzeicr-^ns der Eingangsdrehung zugeführt. Die Eingangsgeschwindigke:.tsinf^mation wird ferner in einen Mikroprozessor 28 eingeführt, dessen Aufgabe darin besteht, zu entscheiden, ob der Kreisel weit genug rußerhalb des Mitziehbandes liegt.

BAD ORIGINAL

35000A4

j;in S i nuswollengenerator 29 erzeugt ein Wechsel Stromsignal für einen Verstärker 3 0 mit veränderlicher Verstärkung, der seinerseits mit einer Antriebsvorrichtung 31 für den piezoelektrischen Vibrator 22 des Spiegels 18 verbunden ist. In ähnlicher Weise wird das Sinuswellensignal aus dem Generator 29 einem zweiten Verstärker 32 aufgegeben, dessen Ausgang einer Phasenverschiebungsvorrichtung 3 3 zugeführt wird, wo die Phasenlage um 180° geändert wird, bevor sie einer Antriebsvorrichtung für den piezoelektrischen Wandler 2 3 des Spiegels 19 aufgegeben wird. In bezug auf die Arbeitsweise der bisher beschriebenen Zitterantriebsschaltung werden die beiden Spiegelvibratoren 2 2 und 2 3 zyklisch mit der gleichen Frequenz und Amplitude, jedoch um 180° phasenverschoben, angetrieben. Diese Phasendifferenz stellt sicher, daß die Hohlraumlänge für die beiden Laserstrahlen konstant gehalten wird, was erwünscht ist.

Der absolute Zählwert aus dem optischen und Photodetektor 26 für eine ganze Anzahl von Spiegel schwingungen wird in einem Zähler 35 addiert. Ein Synchronisierimpuls wird aus dem Sinuswellcngenerator in den Zähler geschickt, um dies zu erreichen. Die Impulszählung von 3 5 wird in ein analoges Äquivalent im Digital-Analog-Wandler 3 6 umgewandelt, das beiden Verstärkungssteuerungen der Verstärker 3 0 und 3 2 aufgegeben wird, um eine entsprechende Änderung in der Ausgiingsgröße der Antriebsvorrichtungon 31, 34 zu erhalten.

Der Mikroprozessor 2 8 gibt ein Steuersignal an den Sinuswellengenerahor 29 auf der Leitung 37, solange der Gyroeingang innerhalb fies vorbestimmten Mitziohbereiches liegt. Wenn der Gyroeingang über dem ζitterfreien Mitziehgrenzwert, jedoch vor dem Mitziehband erster Ordnung, das durch die Zitterbewegung bei der ersten Harmonischen der Zitterfrequenz erreicht wird, liegt, wird der Sinuswellengenerator unwirksam gemacht, so daß die Spiegelzitterbewegung zu diesem Zeitpunkt vollständig beendet wird.

BAD ORIGINAL

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Zitterantriebs- und Steuerschaltung. Wie bei der ersten Ausfü'irungsform ist ein Sinuswellengcnerator 38 über einen Verstärker und eine Antriebsvorrichtung 4 0 so geschaltet, daß de^ Spiegel 18 zyklisch in Zitterbewegungen versetzt wird. Auch erzeugt der Sinuswellengenerator eine VJechselspetnnung über den Verstärker 41, die Phasenschiebervorrichtung 42 und die Antriebsvorrichtung 43, um den Spiegel 19 mit der gleichen Frequenz und Amplitude wie den Spiegel 18, jedoch urn 130° phasenverschoben, ·η 7,' !."r'x'woqunqcn v.\\ vrt:;c't:'cn.

Der teilweise t ran:;pa fen⁴ " Spiegel 7 "1 läßt: einen ^rij nzell nsorstrahl zur Photodiode 4 4 durch, die ein Signal entsprechend der Einzelstrahlintensität erzeugt. Dieses Signal erhält eine Wechselkomponente als den normalen Gyro-Heterodyne-Ausgang aufgrund der Streustrahlung innerhalb des Hohlraumes hauptsächlich von den Spiegeln. Der Ausgang aus der Photodiode wird in einem Spitxenwertdetektor 4 5 und einem im Verstärker 4 6 erzeugten Fehlersignal gebildet. Dieses Signal wird verwendet, um den Verstärkungsgrad der Verstärker 39 und 41 so zu steuern, daß die Spiegel durch Servosteuerung mit einer Amplitude betrieben werden, die die Wechse 1 stroinkomponento (bei der Gyroausgangstakt Iroquonz) am Signal aus der Photodiode 44 so gering wie möglich hält.

Bei der praktischen Anwendung vorliegender Erfindung werden zwei unmittelbar benachbarte (d.h. aufeinanderfolgende) Spiegel in einem Lasergyro mit der gleichen Frequenz und Amplitude, jedoch um 180° phasenverschoben, längs eim?s Pfades senkrecht zur Spiegelebene in Zitterbewegungen versetzt. Beide Ausführungsformen beenden automatisch die Zitterbewegung des Spiegels, wenn die Gyroeingangsgeschwindigkeit den Mitziehbereich überschreitet.

BAD ORlG¹NAL

-40-

- Loerseite

Claims

o:;;;-ü:h::S ί Patentansprüche:

1. Laserwinkelgeschwindigkeitssensor, bei dem erste und zweite entgegengesetzt gerichtete Laserstrahlen von vier Spiegeln so reflektiert werden, daß sie einen geschlossenen Pfad um eine Eingangsgeschwindigkeitsabfühlachse durchlaufen, gekennzeichnet durch

eine erste Vibrationsvorrichtung (22) zur Bewegung eines (18) der Spiegel (18 - 21) senkrecht zur reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegels,

eine zweite Vibrationsvorrichtung (23) zur Bewegung eines zweiten Spiegels (19) unmittelbar in der Nähe des ersten Spiegels (18) senkrecht zu der reflektierenden Oberfläche des zweiten Spiegels, und

eine Antriebsschaltung (31, 34) zum Erregen der ersten und zweiten Vibrationsvorrichtungen (22, 23) mit einer Phasenverschiebung von 180° und mit der gleichen vorbestimmten Amplitude.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung (31, 34) eine Vorrichtung (29) zum Unterbrechen der Erregung der ersten und zweiten Vibrationsvorrichtungen (22, 23) aufweist, wenn der Sensor (10) eine Win Seieingangsgeschwindigkeit über einer bestimmten Mitziehgeschwindigkeit besitzt.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Vibrationsvorrichtung (22, 23) so erregt werden, daß sie eine? Vibrationsamplitude gleich dem 0,271-fachen der Laserstrahlwellenläng« ergeben.

4. Ringlasergyroskop, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei in entgegengesetzter Richtung umlaufende Laserstrahlen und vier Spiegel (18 -21), eine Vorrichtung (22, 23) zum Umsetzen zweier Spiegel (18, 19) in einen oszillierenden Betrieb mit der gleichen Frequenz im wesentlichen nur vertikal zu der reflektierenden Oberfläche der Spiegel, und eine Vorrichtung (33) zur Phasensteuerung der Bewegung

beider vibrierender Spiegel (18, 19), um eine konstante Primärlaserstrahlpfadlänge aufrecht zu erhalten, wenn die vibrierenden Spiegel verschoben werden, aufweist.

5. Ringlasergyroskop, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (12, 18 - 21), die einen optischen Hohlraum (12) mit geschlossener Schleife bildet, der ein aktives Lasermedium enthält, um in entgegengesetzter Richtung drehende Laserstrahlen (17) darin zu erzeugen, wobei der Frequenzunterschied zwischen den Lichtstrahlen ein Maß für die Drehgeschwindigkeit ist, die das Ringlasergyroskop erfährt, und wobei die den Hohlraum (12) bildende Vorrichtung vier Spiegel (18 - 21) zum Reflektieren der Lichtstrahlen aufweist, und eine Vorrichtung (22, 23), die zwei der Spiegel (18 - 21). bei der Umsetzung mit der gleichen Frequenz in einer Richtung nur senkrecht zu der Oberfläche des Spiegels in Schwingungen versetzt, wobei die vibrierenden Spiegel (18 - 21) von Null abweichende Vibrationsamplituden und Vibrationsphasenlagen besitzen, um zu erreichen, daß der Gesamtabstand um die zweite Schleife im wesentlichen konstant bleibt.