DE3609729A1

DE3609729A1 - Verfahren und anordnung zur korrektur des ausgangssignales eines ringlasergyroskops, sowie ein entsprechendes geraet

Info

Publication number: DE3609729A1
Application number: DE19863609729
Authority: DE
Inventors: William H Nelson; Albert N Zampiello
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1983-11-07
Filing date: 1986-03-21
Publication date: 1987-09-24
Anticipated expiration: 2006-03-22
Also published as: JPS62166579A; FR2592478A1; FR2592478B1; US4652132A; DE3609729C2; JPH0750804B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Ringlasergyroskope und be trifft im einzelnen Verfahren und Anordnungen zur Korrek tur des Ausgangssignales eines Gyroskops zum Ausgleich von Fehlereinflüssen, wie z.B. der Änderungen der opti schen Leistung, die zu Änderungen der Polarisationsauf spaltung oder der Dihedralfrequenz führen.

Multioszillator-Ringlasergyroskope bilden eine herausra gende neue Klasse von Drehgeschwindigkeitsmessern, die vier Wellen und zwei Polarisationspaare verwenden, wobei jedes Polarisationspaar sich in entgegengesetzt umlaufen den Richtungen ausbreitet. Derartige Systeme sind bei spielsweise in den US-Patenten 37 41 657, 38 54 819 und 40 06 989 dargestellt und beschrieben.

In solchen Lasersystemen wird für jede der vier Wellen eine zirkulare Polarisation benutzt. Die Wellen oder Strahlen eines Paares, die im Uhrzeigersinn umlaufen, be stehen sowohl aus linkszirkular polarisierten Wellen (LCP) als auch aus rechtszirkular polarisierten Wellen (RCP) ebenso wie die im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen. Bei den Anordnungen nach den genannten Patenten werden die LCP-Wellen und die RCP-Wellen mittels eines Kristallrotators voneinander getrennt, der im wesentli chen einen Frequenzversatz (f _B) bewirkt. Durch ein sol ches mit Frequenzversatz arbeitendes Vierfrequenzen- oder Multioszillator-Ringlasergyroskop wird das sich beim her kömmlichen oder Zweifrequenzen-Lasergyroskop allgemein stellende Problem der Frequenzmitnahme oder des Zusammen wanderns der Frequenzen (Lock-In) umgangen. Dieses Phäno men des Zusammenwanderns stellt sich ein, wenn zwei Wan derwellen, die sich in einem Resonatorhohlraum bei nur leicht unterschiedlichen Frequenzen in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, übereinandergezogen werden, um sich in einer stehenden Welle mit einer einzigen Frequenz zu vereinigen. Wenn dagegen die Frequenzen der gegenein ander umlaufenden Wellen genügend weit voneinander ent fernt sind, dann kann dieses Übereinanderziehen nicht eintreten.

Diese Vier-Frequenzen-Lösung kann als eine Anordnung mit zwei unabhängigen Lasergyroskopen aufgefaßt werden, die in einem einzigen stabilen Resonatorhohlraum arbeiten und einen gemeinsamen optischen Übertragungsweg benutzen, die aber durch dasselbe passive Versatzelement im entgegenge setzten Sinne mit einem statischen Frequenzversatz beauf schlagt sind. Am Differentialausgang dieser beiden Gyros kope löschen sich daher die Versatzfrequenzen gegenseitig aus, während sich die durch Drehung erzeugten Signale addieren, so daß die gewöhnlich durch Verschiebung der Versatzfrequenzen bedingten Probleme vermieden werden und eine doppelt so hohe Empfindlichkeit gegenüber einem ein zigen Zwei-Frequenzen-Gyroskop erreicht wird. Da der Fre quenzversatz nicht durch Erregung erzeugt wird, durch läuft das Gyroskop nie einen Zustand des Zusammenwanderns der Frequenzen. Auch beeinflussen keine durch Erregung verursachte Fehler die Arbeitsweise des Gyroskops. Aus diesem Grunde ist das Vier-Frequenzen-Gyroskop ein wirk lich geräuscharmes Gerät und für Anwendungen bestens ge eignet, bei denen eine schnelle Aktualisierung der Meßda ten oder eine hohe Auflösung erforderlich ist.

Die vier verschiedenen Frequenzen werden normalerweise durch Anwendung zweier unterschiedlicher optischer Effek te erzeugt. Zum einen ist ein Kristallpolarisationsrota tor verwendet worden, um eine richtungsabhängige Polari sation zu bewirken, durch die die Resonanzwellen in zwei Richtungen zirkular polarisiert werden. Die Polarisa tionsdrehung ergibt sich aus dem Brechungsindex des Rota tionsmediums und ist leicht unterschiedlich für die rechtszirkular und linkszirkular polarisierten Wellen.

In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein nichtplanarer Ringübertragungsweg verwendet, der von Natur aus nur zirkular polarisierte Wellen ohne Hilfe ei nes Kristallrotators unterstützt. Der nichtplanare Ring übertragungsweg wird manchmal einer dihedralen Anordnung gleichgesetzt, die den Frequenzversatz (f _B) oder die durch Polarisationsaufspaltung bedingte Frequenzdifferenz bewirkt, die die zirkular polarisierten Wellen trennt. Diese Frequenz wird auch als Dihedralfrequenz (Δ f _D) be zeichnet. Ein nichtplanarer Ringresonator für elektromag netische Wellen ist im US-Patent 41 10 045 dargestellt und beschrieben.

Des weiteren wird ein Faradayrotator verwendet, um eine nichtreziproke Polarisationsdrehung zu bewirken, da der Brechungsindex für die im Uhrzeigersinn umlaufenden Wel len (cw) leicht von dem für die im Gegenuhrzeigersinn um laufenden Wellen (ccw) abweicht. Dies führt dazu, daß die im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufen den rechtszirkular polarisierten Wellen mit leicht unter schiedlichen Frequenzen schwingen, während die im Uhrzei gersinn und die entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufenden linkszirkular polarisierten Wellen ähnlich, aber entge gengesetzt gespalten sind. Ein Multioszillator-Lasergy roskop arbeitet daher mit rechtszirkular polarisierten Wellen, die in der einen Drehrichtung versetzt sind und mit linkszirkular polarisierten Wellen, die in der ent gegengesetzten Richtung versetzt sind, so daß bei Sub traktion der beiden Ausgangssignale der gegenseitige Versatz ausgelöscht wird.

Das Ausgangssignal eines Ringlasergyroskops verschiebt sich mit der Zeit wegen der Änderung der Parameter, wie beispielsweise Temperatur oder Alterungserscheinungen. Eine direkte Messung dieser Parameter ist im allgemeinen nicht genau genug oder nicht möglich. Die Meßgenauigkeit der Gyroskope ist zwar verbessert worden, indem man die Faradayfrequenz mißt, um so die durch Temperatur verur sachten Änderungen festzustellen, und indem man dann das Gyroskopausgangssignal mit einem Korrekturfaktor ver sieht. Dies ist jedoch nicht ausreichend, da auch Ände rungen der optischen Leistung oder andere Fehlereinflüsse die Meßgenauigkeit beeinträchtigen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Arbeitsweise und damit die Meßgenauigkeit derartiger Gyroskope durch neu artige Verfahren und Anordnungen zur Korrektur des Aus gangssignales, sowie ein entsprechendes Gerät zu verbes sern, so daß durch Änderung der optischen Leistung oder andere Fehlereinflüsse bisher bedingte Abweichungen nicht mehr auftreten.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Gemäß dem dem neuen Verfahren zugrundeliegenden Lösungs prinzip wird also die Dihedralfrequenz Δ f _D ermittelt und abhängig von den Änderungen dieser Dihedralfrequenz die fehlerbedingten Abweichungen des Ausgangssignales des Gy roskops korrigiert.

Die Ableitung der Dihedralfrequenz aus den einzelnen Wel len kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Auch kann das Ausgangssignal abhängig von den Änderungen der Dihe dralfrequenz in unterschiedlicher Weise beeinflußt wer den. Im einen Falle wird zusätzlich eine Teilereinheit anhand von Betriebsdaten ermittelt und für die Korrektur des Ausgangssignales verwendet. Im anderen Falle wird die Korrektur des Ausgangssignales über ein Rückkopplungs netzwerk vorgenommen, das das Verstärkungsmedium des La sers abhängig von der Änderungen der Dihedralfrequenz be einflußt, so daß ein korrektes Ausgangssignal geliefert wird. Entsprechende Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.

Eine Anordnung gemäß der Erfindung zur Korrektur des Aus gangssignales eines Ringlasergyroskops besteht gemäß An spruch 9 und in Anlehnung an das Verfahren gemäß der Er findung im wesentlichen aus mit den Einrichtungen zur Er zeugung der Wellen gekoppelten Detektionseinrichtungen zur Überwachung der Wellen und zur Ermittlung der Dihe dralfrequenz sowie aus Einrichtungen zur korrigierenden Beeinflussung des Ausgangssignales abhängig von den Ände rungen der Dihedralfrequenz. Weiterbildungen dieser An ordnung ergeben sich aus den Ansprüchen 10 bis 23, wäh rend Anspruch 23 ein Gerät, insbesondere unter Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 23, betrifft.

Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen nä her erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der mit einer Lasergyroskop- Resonanzkammer gekoppelten Anordnung zur Überwa chung der Laserfrequenzen und deren Verarbeitung zu einem abhängig von der Dihedralfrequenz korri gierten Ausgangssignal gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm mit den Betriebskennlinien eines La sergyroskops zur Erläuterung der vier Lasermoden bei einem Multioszillator-Ringlasergyroskop und der sich für die Frequenzen der einzelnen Lasermo den abhängig von der Drehung des Gyroskops erge benden Verschiebungen und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Rückkopplungsnetzwerk zur Regelung einer Entladesteuerungsstromquelle und zur Änderung der Leserverstärkung abhängig von der Dihedralfrequenz.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Resonanz kammer 20 eines Lasergyroskops, in der ein geschlossener Übertragungsweg 30 für die Ausbreitung mehrerer elektro magnetischer Wellen in einander entgegengesetzten Rich tungen vorgesehen ist, wobei jede Welle eine andere Fre quenz aufweist, die mit f ₁, f ₂, f ₃ und f ₄ bezeichnet sind. Für die Ausrichtung der Wellen entlang des ge schlossenen Übertragungsweges 30 sind vier Reflektoren 32, 34, 36 und 38 vorgesehen, die wegen des vorliegenden nichtplanaren Ringes eine Bilddrehung bewirken. Die durch die besondere geometrische Gestaltung des optisch ge schlossenen Übertragungsweges 30 bedingte Bilddrehungs eigenschaft spaltet die Resonanzfrequenzen der in der Re sonanzkammer entstehenden Moden. Diese Aufspaltung wird als Polarisationsspalt- oder Dihedralfrequenz Δ f _D be zeichnet.

Eine Faraday-Rotatoranordnung verursacht bei den sich ausbreitenden Wellen eine richtungsabhängige Phasenver schiebung oder eine nichtreziproke Drehung der Polarisa tion. Die hierdurch bedingte Frequenzaufspaltung wird als Faradayfrequenz Δ f _F bezeichnet. Die Resonanzkammer 20 weist weiterhin Anoden 42 und 44, eine Kathode 46 und ein Laserverstärkungsmedium 26 auf, das aus einem Helium- Neon-Gasgemisch mit den aktiven Isotopen Neon₂₀ und Neon₂₂ besteht. Das gasförmige Verstärkungsmedium 26 wird elektrisch durch zwischen den Anoden 42 und 44 sowie der Kathode 46 erzeugte Entladungsströme angeregt und wird dadurch zu einem strahlenden Laserverstärkungsmedium oder Plasma, das in resonanzbefindliche elektromagnetische oder Laserwellen in dem geschlossenen Übertragungsweg 30 aufrechterhält.

Der Reflektor 36 ist an einem piezoelektrischen Element 37 befestigt, das den Reflektor als Teil eines die Weg länge in der Resonanzkammer beeinflussenden Steuersystems einwärts und auswärts bewegt. Die Reflektoren 32 und 34 dienen zur Reflexion der elektromagnetischen Wellen in dem geschlossenen Übertragungsweg, jedoch wird einer der beiden Reflektoren 32 oder 34 zur Überwachung eines opti schen Ableitsignals zum Leistungsausgleich für die Aus gangsfrequenz des Gyroskops verwendet. Der Reflektor 38 reflektiert ebenfalls nur teilweise, so daß ein kleiner Teil der auf seine Oberfläche treffenden Wellen durch den Reflektor hindurchgehen und zu einer Aussage über die Drehgeschwindigkeit verarbeitet werden kann.

Über die Ausgangsoptik 40 wird von jeder der in der La serresonanzkammer umlaufenden Wellen ein Teil nach außen abgeleitet und in die beiden Ausgangssignale G ₁ und G ₂ umgesetzt, von denen jedes den Frequenzunterschied inner halb der Wellenpaare, die innerhalb der Resonanzkammer 20 im gleichen Sinne zirkular polarisiert sind, angeben, wie Fig. 2 zeigt. Der Ausgangsreflektor 38 ist auf seiner ei nen Seite mit einer durchlässigen Schicht und auf der an deren Seite mit einer Strahlteilerschicht versehen. Beide Schichten entsprechen einem Standardtyp aus abwechselnden Lagen von Titanoxyd TiO₂ und Siliziumoxyd SiO_2. Die Strahlteilerschicht läßt die Hälfte der einfallenden Lichtstrahlen durch und reflektiert die andere Hälfte. Ein totalreflektierendes Prisma 39 überlagert die beiden Strahlen. Dieses rechtwinklige Prisma besteht aus ge schmolzenem Quarz und hat versilberte reflektierende Flä chen. Zwischen dem Silber und dem geschmolzenen Quarz ist eine dielektrische Schicht angebracht, um den Phasenfeh ler bei der Reflexion möglichst klein zu halten. Ein λ/4-Plättchen mit einem nachfolgenden Scheibenpolarisa tor dient zur Trennung der vier in jedem Strahl vorhan denen Frequenzen. Zwischen dem totalreflektierenden Pris ma und dem λ/4-Plättchen ist weiterhin ein Graukeil vor gesehen, um zu verhindern, daß an den Grenzflächen auf tretende Reflexionen sich rückwärts in die Resonanzkammer des Gyroskops ausbreiten und mit den gegeneinander drehen den Strahlen mischen können. Ein Fotodiodenabdeckglas, das auf der einen Seite mit einer Antireflexionsschicht versehen ist, und ein Fotodiodenbauteil vervollständigen die Ausgangsoptik 40. Zur Sicherung der Haftfähigkeit und zur Verringerung der Reflexionen zwischen den einzelnen Grenzflächen wird ein optischer Zement verwendet. Eine derartige Ausgangsoptik ist beispielsweise in dem US- Patent 41 41 651 beschrieben.

Der Gyroskopblock 24 ist vorzugsweise aus einem Werkstoff mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie Glaskeramik, hergestellt, um die Auswirkungen von Tempe raturänderungen auf die Resonanzkammer 20 des Lasergyros kops möglichst klein zu halten. Ein bevorzugtes, im Handel erhältliches Material wird unter dem Namen Cer-Vit von der Firma Owens-Illinois Comp. vertrieben. An seiner Stelle kann auch Cerodur von Schott Optical Comp. verwen det werden.

Eine Kombination aus optischen Signalen, die den teilwei se durchlässigen Reflektor 34 passiert, wird einem Hoch frequenzdetektor 48 zugeführt, der in unmittelbarer Nähe des Reflektors 34 angeordnet ist. Diese Signalkombina tion, die in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 47 ange deutet ist, entspricht der Differenz zwischen der Dihe dralfrequenz Δ f _D und einer Faradayfrequenz Δ f _F oder Δ f _D-Δ f _F. Der Ausgang des Hochfrequenzdetektors 48 ist mit einem Hochfrequenzvorverstärker 54 gekoppelt, dem ein Hochfrequenzzähler 60 zur Bestimmung der Frequenz aus Δ f _D-Δ f _F nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Hochfre quenzzählers 60 ist schließlich mit einem der Informa tionseingänge einer Verarbeitungseinrichtung 61 verbun den.

In ähnlicher Weise ist der Ausgang 22 der Resonanzkammer des Gyroskop über einen Vorverstärker 50 mit nachgeschal tetem Zähler 56 und der Ausgang 23 der Resonanzkammer über einen Vorverstärker 52 mit nachgeschaltetem Zähler 58 mit weiteren Eingängen der Verarbeitungseinrichtung 61 verbunden.

Die Einrichtung 61 verknüpft die beiden Ausgangssignale G ₁ und G ₂ der Resonanzkammer mit dem vom Hochfrequenzde tektor 48 gelieferten Signal Δ f _D-Δ f _F, um ein korri giertes Ausgangssignal Δ f _g des Gyroskops zu erzeugen. Das Frequenzausgangssignal G ₁ des Zählers 56 entspricht der Frequenz Δ f _F+1/2 Δ f _G und das Frequenzausgangssignal G ₂ des Zählers 58 entspricht der Frequenz Δ f_f-1/2 Δ f _G.

Δ f _G bedeutet dabei das durch Drehung verursachte Fre quenzverschiebungs-Ausgangssignal des Multioszillator- Ringlasergyroskops. Es ist bestimmt durch die Differenz zwischen der Differenz der rechtszirkular polarisierten Wellen, also f ₄-f ₃, und der Differenz der linkszirkular polarisierten Wellen, also f ₂-f ₁. Der Faktor 1/2 ergibt sich daraus, daß jeder Detektor der Ausgangsoptik 40 nur eine von den beiden Zirkularpolarisationen überwacht und daher nur die Frequenzverschiebung der Frequenzen dieser einzelnen Zirkularpolarisation ermittelt, wie in Fig. 2 dargestellt.

Die beiden Signale G ₁ und G ₂ werden einem Summierer 62 zugeleitet und liefern das Signal 2×Δ f _F. Dieses Signal wird einem Halbierschaltkreis 66 zugeleitet, der als Aus gangssignal die Faradayfrequenz Δ f _F liefert. Durch Addition dieser Faradayfrequenz Δ f _F mit dem vom Hoch frequenzzähler 60 gelieferten Signal Δ f _D-Δ f _F erhält man schließlich die Dihedralfrequenz Δ f _D, die einem Multiplizierer 72 zugeleitet wird. Ein zweiter Eingang des Multiplizierers 72 ist an einen Teilerspeicher 70 an geschlossen. Die in diesem Speicher 70 abgespeicherte Teilereinheit s wird durch vorausgehende Betriebsläufe des Lasergyroskopsystems bestimmt, wobei die notwendigen Daten zur Bestimmung der Teilereinheit gesammelt werden.

Die Teilereinheit s liefert den Korrekturfaktor zur Er zeugung der korrigierten Gyroskopausgangsfrequenz Δ f _g abhängig von der Dihedralfrequenz, die sich mit der Zeit, bedingt durch Änderungen der optischen Leistung als Bei spiel, ändert. Auf diese Weise bleibt die Ausgangsfre quenz Δ f _g im wesentlichen gleich oder unabhängig von Änderungen, die durch Änderungen der optischen Leistung und andere Eigenverluste der Laserresonanzkammer bedingt sind. Während eines Testlaufes des Lasergyroskops wird das Ausgangssignal Δ f _G des Gyroskops über eine vorge gebene Zeitperiode aufgezeichnet. Gleiches erfolgt wäh rend derselben Zeitperiode mit der Dihedralfrequenz. Aus dem Verhältnis der zeitlichen Änderung des Gyroskopaus gangssignals gegenüber der zeitlichen Änderung der Dihe dralfrequenz wird dann die Teilereinheit berechnet und im Teilerspeicher 70 abgespeichert. Der Multiplizierer 72 multipliziert die Dihedralfrequenz Δ f _D mit der Teiler einheit s aus dem Teilerspeicher 70 und liefert das Er gebnis s×Δ f _D an den Summierschaltkreis 74. Der zweite Eingang dieses Summierschaltkreises 74 ist mit dem Aus gang des Subtraktionsschaltkreises 64 verbunden, der das Signal G ₂ vom Signal G ₁ subtrahiert und somit das unkor rigierte Signal Δ f _G liefert. Der Summierschaltkreis 74 liefert somit die zum Leistungsausgleich korrigierte Aus gangsfrequenz Δ f _g des Gyroskops.

Die Einrichtung 61 kann aus bekannten elektronischen Bau einheiten aufgebaut sein. Ihre Aufgaben können aber auch von dem Computer eines Lasergyroskopsystems durch ein entsprechendes Programm übernommen werden, was aber ab hängig ist von der Verfügbarkeit und der Art des in dem Lasergyroskopsystem benutzten Computer.

In Fig. 2 ist die Laserverstärkungskurve abhängig von der Frequenz wiedergegeben. Vier Lasermoden oder Frequenzen f ₁, f ₂, f ₃ und f ₄ des Multioszillator-Ringlasergyroskops sind dargestellt. Ein ursprünglich vierfältig entarteter Longtitudinalmode mit der Frequenz f ₀ ist in einen links zirkular polarisierten Mode 90 und einen rechtszirkular polarisierten Mode 92 infolge der reziproken Bilddre hungseigenschaften eines nichtplanaren Ringes aufgespal ten. Jede Polarisation ist weiterhin durch den nicht re ziprok arbeitenden Faradayrotator aufgespalten, so daß sich die vier deutlich unterscheidbaren Laserfrequenzen 94 bis 97 ergeben. Das Drehen in einer Richtung der Reso nanzkammer 20 des Ringlasergyroskops verschiebt jede die ser vier Frequenzen um den Wert 1/4 Δ f _G in dem in FIG 2 gezeigten Sinne, was zu den vier Laserfrequenzen f ₁, f ₂, f ₃ und f ₄ führt, die durch ausgezogene Linien dargestellt sind. Die Frequenzen f ₁ und f ₄ laufen in eine im Uhrzei gersinn gerichtete räumliche Richtung um, während die Frequenzen f ₂ und f ₃ in eine entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtete räumliche Richtung innerhalb der Resonanzkam mer 20 umlaufen. Die Darstellung der Frequenzaufspaltung in Fig. 2 ist aber äußerst übertrieben. Normalerweise liegt die Dihedralfrequenz Δ f _D im Bereich von 600 MHz, die Faradayfrequenz Δ f _F im Bereich von 500 KHz und die Gyroskopausgangsfrequenz im Bereich von 10 Hz. Die Dihe dralfrequenz Δ f _D ergibt sich nach folgender Gleichung:

Δ f _D = 1/2(f ₄ + f ₃) - 1/2(f ₂ + f ₁),

worin 1/2 (f ₄+f ₃) den Mittelwert des linkszirkular polarisierten Wellenpaares und 1/2 (f ₂+f ₁) den Mittel wert des rechtszirkular polarisierten Wellenpaares dar stellt.

Die Faradayfrequenz Δ f _F ist durch die folgende Gleichung bestimmt:

Δ f _F = 1/2(f ₄ + f ₃) - 1/2(f ₂ + f ₁)

Ausgehend von diesen Gleichungen lassen sich die folgen den Beziehungen ableiten:

Δ f _D+Δ f _F=f ₄-f ₁, welches die in eine dem Uhrzei gersinne entsprechende räumliche Richtung wandernden Wel len sind und

Δ f _D+Δ f _F=f ₃-f ₂, welches die in eine entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtete räumliche Richtung wandern den Wellen sind.

Fig. 3 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zur leistungsausgleichenden Korrektur der Ausgangsfrequenz Δ f _G des Lasergyroskops und zwar durch Änderung der Verstärkung innerhalb der Laserresonanzkam mer über ein Rückkopplungsnetzwerk 120 abhängig von Ände rungen der Dihedralfrequenz, so daß die Ausgangsfrequenz im wesentlichen gleich oder unabhängig von verschiedenen Fehlereinflüssen bleibt. Einer der Reflektoren 34 in der Resonanzkammer 20 liefert die optischen Signale (Δ f _D-Δ f _F) und (Δ f _D+Δ f _F) entsprechend den in Fig. 3 gezeigten gestrichelten Linien 122 und 124. Diese Signale werden von den Hochfrequenzfotodioden und Vorverstärkern 100 und 102 überwacht und verstärkt, so daß den optischen Signalen entsprechende elektrische Signale erhalten wer den. Die elektrischen Ausgangssignale der Vorverstärker 100 und 102 werden einer Mischstufe 104 zugeführt, die die Signale 2 Δ f _F und 2Δ f _D erzeugen. Diese Signale werden über ein Hochpaßfilter 106 geleitet, das lediglich das Signal 2 Δ f _D zum nachfolgenden Frequenzteiler 108 durchläßt, dessen Ausgang wiederum mit einem Frequenz/ Spannungswandler 110 gekoppelt ist. Der Frequenzteiler 108 teilt die an seinem Eingang anstehende Frequenz 2 Δ f _D durch einen Faktor "n" auf irgendeine für den Wandler 110 geeignete Unterresonanzfrequenz 2/n Δ f _D, was dem Fach mann geläufig ist.

Der Frequenz/Spannungswandler 110 wandelt die Eingangs frequenz in eine Spannung um, die dem Spannungsdifferenz verstärker 112 zugeführt wird. Dieser ermittelt die Span nungsänderung an einem seiner Eingänge gegenüber einer an einem zweiten Eingang eingespeisten Bezugsspannung 114. Der Ausgang des Spannungsdifferenzverstärkers 112 speist eine spannungsgesteuerte Stromquelle 116 mit zwei Ausgän gen, die das Potential zwischen den Anoden 42 und 44 und der Kathode 46 der Laserresonanzkammer 20 ändert, so daß die Verstärkung des Gyroskops geändert wird. Diese Ver stärkungsänderung bewirkt einen optischen Leistungsaus gleich für die Ausgangsfrequenz Δ f _G des Lasergyroskops, die bei diesem Ausführungsbeispiel der Ausgangsfrequenz Δ f _g des vorangehend erläuterten Ausführungsbeispieles entspricht.

Die Ausgangsoptik 40 entzieht jeder der innerhalb der Re sonanzkammer 20 umlaufenden Wellen jeweils einen Anteil und bildet daraus die beiden Ausgangssignale G ₁ und G ₂, von denen jedes den Frequenzunterschied zwischen den Wel len des Wellenpaares mit demselben zirkularen Polarisa tionssinn innerhalb der Laserresonanzkammer 20 ent spricht, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Ausgangsoptik 40 kann in gleicher Weise aufgebaut sein wie die anhand von Fig. 1 beschriebene Ausgangsoptik. In gleicher Weise sind auch die überwachten Ausgänge 22 und 23 der Laserresonanz kammer mit Vorverstärkern 50 und 52 verbunden, die wie derum mit nachgeschalteten Zählern 56 und 58 zur Erzeu gung der beiden Ausgangssignale G ₁ und G ₂ gekoppelt sind. Der Differenzschaltkreis 64 subtrahiert dann das Signal G ₂ vom Signal G ₁ und erzeugt so die korrigierte Ausgangsfrequenz Δ f _G, die der Ausgangsfrequenz Δ f _g des Ausführungsbeispieles von Fig. 1 entspricht.

Claims

1. Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignales (Δ f _g) eines Multioszillator-Ringlasergyroskops, entsprechend der Kombination der nachfolgenden Merkmale, da durch gekennzeichnet,

- daß in einem geschlossenen Übertragungsweg mit einem verstärkenden Medium mehrere zirkularpolarisierte, ge genläufig sich ausbreitende elektromagnetische Wellen mit einem ersten und mit einem zweiten Polarisations sinn erzeugt werden,
- daß die erzeugten Wellen mit einer richtungsabhängigen Phasenverschiebung beaufschlagt werden, die zu einer Frequenzaufspaltung unter den sich gegenläufig aus breitenden Wellen desselben Polarisationssinnes führt, wobei jede der Wellen eine andere Frequenz aufweist und eine Kombination der Frequenzen eine Dihedralfre quenz (Δ f _D) festlegt,
- daß die Dihedralfrequenz (Δ f _D) überwacht wird und
- daß abhängig von den Änderungen der Dihedralfrequenz (Δ f _D) ein Ausgangssignal, das der durch Drehung ver ursachten Frequenzverschiebung der Wellen in dem ge schlossenen Übertragungsweg entspricht, korrigierend beeinflußt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet,

- daß die sich in dieselbe Richtung ausbreitenden pola risierten Wellen, von denen eine Kombination die Dihe dralfrequenz (Δ f _D) enthält, und wenigstens zwei von den erzeugten Wellen abgeleitete Signale (G ₁ und G ₂), die für die durch Drehung verursachte Frequenzver schiebung charakteristisch sind, überwacht werden und
- daß die überwachten polarisierten Wellen und die über wachten Signale miteinander zu einem abhängig von der Dihedralfrequenz (Δ f _D) korrigierten Ausgangssignal (Δ f _g) verarbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens die überwachte eine Richtung der zirkularpolarisierten, sich gegenläufig ausbreitenden Wellen eine entweder der Differenz oder der Summe aus Dihedralfrequenz (Δ f _D) und Faradayfrequenz (Δ f _F) entsprechende Frequenz aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der überwachten abgeleiteten Signale (z.B. G ₁) der Summe und ein anderes (G ₂) der Differenz aus der Faradayfrequenz (Δ f _F) und der Hälfte der durch Drehung verursachten Frequenzverschie bung (Δ f _G) entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da durch gekennzeichnet,

- daß die überwachten abgeleiteten Signale (G _1, G₂) und die überwachten zirkularpolarisierten Wellen zur Er mittlung der Dihedralfrequenz (Δ f _D) miteinander ver knüpft werden,
- daß eine aus dem Verhältnis der Änderungsgeschwindig keit des Gyroskopausgangssignals (Δ f _G) und der Dihe dralfrequenz (Δ f _D) abgeleitete Teilereinheit (s) ge speichert wird,
- daß die Dihedralfrequenz (Δ f _D) mit der gespeicherten Teilereinheit (s) multipliziert wird und
- daß die durch Drehung verursachte Frequenzverschiebung (Δ f _G) und die mit der Teilereinheit (s) multiplizier te Dihedralfrequenz (Δ f _D) zur Erzeugung des korrigier ten Ausgangssignales (Δ f _g) summiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet,

- daß unabhängig voneinander sowohl die sich nur im Uhr zeigersinn ausbreitenden polarisierten Wellen als auch die sich nur im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden pola risierten Wellen, die in jeder Richtung eine Dihedral frequenz (Δ f _D) enthalten, überwacht werden und
- daß beide der rechts- und linksdrehend polarisierten Wellen zu Steuersignalen für die Regelung des Verstär kungsmediums der die Wellen erzeugenden Einrichtungen verarbeitet werden, so daß ein abhängig von den Ände rungen der Dihedralfrequenz (Δ f _D) korrigiertes Aus gangssignal (Δ f _g) erhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß eine erste Welle mit ei ner der Differenz aus einer Dihedralfrequenz (Δ f _D) und einer Faradayfrequenz (Δ f _F) entsprechenden Frequenz und eine zweite Welle mit einer der Summe aus der Dihedralfre quenz (Δ f _D) und der Faradayfrequenz (Δ f _F) entsprechen den Frequenz überwacht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide der rechts- und linksdrehenden polarisierten Wellen zur Erzeugung der Di hedralfrequenz (Δ f _D) miteinander verknüpft werden, daß die ermittelte Dihedralfrequenz in eine Steuerspannung umgesetzt wird und daß abhängig von dieser Steuerspannung das Verstärkungsmedium des Gyroskops zur Korrektur seines Ausgangssignales (Δ f _g) geregelt wird.

9. Anordnung zur Korrektur des Ausgangssignales eines Ringlasergyroskops mit Einrichtungen zur Bildung eines geschlossenen Übertragungsweges mit einem Verstärkungs medium zur Erzeugung mehrerer zirkularpolarisierter, sich gegenläufig ausbreitender elektromagnetischer Wellen mit einem ersten Polarisationssinn und einem zweiten Polari sationssinn, gekennzeichnet

- durch Einrichtungen zur Erzeugung einer richtungsab hängigen, zur Frequenzaufspaltung unter den sich ge genläufig ausbreitenden Wellen desselben Polarisations sinnes führenden Phasenverschiebung für die Wellen, wobei jede der Wellen eine andere Frequenz aufweist und eine Kombination dieser Frequenzen eine Dihedral frequenz (Δ f _D) festlegt,
- durch mit den Einrichtungen zur Erzeugung der Wellen gekoppelte Detektionseinrichtungen zur Überwachung der Wellen und zur Ermittlung der Dihedralfrequenz (Δ f _D) und
- durch Einrichtungen zur korrigierenden Beeinflussung eines Ausgangssignales, das der durch Drehung verur sachten Frequenzverschiebung der Wellen in dem ge schlossenen Übertragungsweg entspricht, abhängig von den Änderungen der Dihedralfrequenz ( Δ f _D).

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der erste Polarisations sinn der Wellen einer linkszirkularen Polarisation und der zweite Polarisationssinn einer rechtszirkularen Pola risation entspricht.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, gekenn zeichnet

- durch erste Detektionseinrichtungen (28, 48) zur Über wachung der in derselben Richtung sich ausbreitenden polarisierten Wellen, wobei eine Kombination der in gleicher Richtung sich ausbreitenden Wellen eine Dihe dralfrequenz (Δ f _D) enthält,
- durch zweite Detektionseinrichtungen (39) zur Überwa chung von wenigstens zwei, von den Einrichtungen zur Erzeugung der Wellen über eine optische Ausgangsein richtung (40) bereitgestellte Signale (G ₁, G ₂), die für die durch Drehung verursachte Frequenzverschiebung (Δ f _G) charakteristisch sind, und
- durch Einrichtungen (61) zur Verarbeitung der von den ersten Detektionseinrichtungen (28, 48) überwachten polarisierten Wellen und der von den zweiten Detek tionseinrichtungen (39) überwachten Signale (G ₁, G ₂) zu einem in Abhängigkeit von der Dihedralfrequenz (Δ f _D) korrigierten Ausgangssignal (Δ f _g).

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die von den ersten Detek tionseinrichtungen (28, 48) überwachten polarisierten Wellen entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhr zeigersinn sich ausbreiten.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Frequenz der von den Detektionseinrichtungen (28, 48) überwachten Wellen der selben Richtung entweder die Differenz oder die Summe aus der Dihedralfrequenz (Δ f _D) und der Faradayfrequenz (Δ f _F) umfaßt.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß ein erstes Signal (G ₁) der von den zweiten Detektionseinrichtungen (39) über wachten Signale die Summe aus der Faradayfrequenz (Δ f _F) und der Hälfte der durch Drehung verursachten Frequenz verschiebung (Δ f _G) umfaßt.

15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Signal (G ₂) der von den zweiten Detektionseinrichtungen (39) überwachten Signale die Differenz aus der Faradayfrequenz (Δ f _F) und der Hälfte der durch Drehung verursachten Fre quenzverschiebung (Δ _G) umfaßt.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß die Ein richtungen (61) zur Verarbeitung der von den beiden Detek tionseinrichtungen (28, 48 bzw. 39) gelieferten Wellen und Signale (G ₁, G ₂)

- Verknüpfungseinrichtungen (62, 66, 68) zur Verknüpfung der von den ersten Detektionseinrichtungen (28, 48) überwachten, sich in gleicher Richtung ausbreitenden zirkularpolarisierten Wellen und der von den zweiten Detektionseinrichtungen (39) gelieferten Signale (G ₁, G ₂) und zur Erzeugung der Dihedralfrequenz (Δ f _D),
- Speichereinrichtungen (70) zur Speicherung einer Tei lereinheit (s),
- Multipliziereinrichtungen (72) zum Multiplizieren der Dihedralfrequenz (Δ f _D) mit der Teilereinheit (s) und
- Summiereinrichtungen (74) zum Summieren der durch Drehung verursachten Frequenzverschiebung (Δ f _G) und des Ausgangswertes (s Δ f _D) der Multipliziereinrichtung (72) aufweisen.

17. Anordnung nach Anspruch 16 in Verbindung mit An spruch 14 und 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtungen (61) zur Verar beitung der von den beiden Detektionseinrichtungen (28, 48 bzw. 39) überwachten Wellen und Signale (G ₁, G ₂) Ein richtungen (62, 66) zur Berechnung und Ableitung der Fa radayfrequenz (Δ f _F) aus den von den zweiten Detektions einrichtungen (39) gelieferten Signalen (G ₁, G ₂) auf weist.

18. Anordnung nach Anspruch 17, gekennzeich net durch Einrichtungen (68) zur Verknüpfung der von den ersten Detektionseinrichtungen (28, 48) gelieferten polarisierten Wellen mit der Faradayfrequenz (Δ f _F), um die Dihedralfrequenz (Δ f _D) zu erzeugen.

19. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, gekenn zeichnet

- durch Detektionseinrichtungen (100, 102) zur voneinan der unabhängigen Überwachung der nur im Uhrzeigersinn sich ausbreitenden und der nur im Gegenuhrzeigersinn sich ausbreitenden polarisierten Wellen, die in jeder Richtung eine Dihedralfrequenz (Δ f _D) enthalten, und
- durch Einrichtungen (104, 106, 108, 110, 112, 114, 116) zur Verarbeitung sowohl der rechtsdrehend als auch der linksdrehend polarisierten Wellen und zur Er zeugung von Steuersignalen zur Regelung des Verstär kungsmediums (26), um das Ausgangssignal (Δ f _g) ab hängig von den Änderungen der Dihedralfrequenz (Δ f _D) korrigierend zu beeinflussen.

20. Anordnung nach Anspruch 19 in Verbindung mit An spruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der rechtsdrehend polarisierten Wellen die Summe aus der Dihedralfrequenz (Δ f _D) und der Fara dayfrequenz (Δ f _F) und die Frequenz der linksdrehend po larisierten Wellen die Differenz aus der Dihedralfrequenz (Δ f _D) und der Faradayfrequenz (Δ f _F) umfaßt.

21. Anordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Verarbeitung der von den Detektionseinrichtungen (100, 102) gelieferten Wellen

- Verknüpfungseinrichtungen (104, 106, 108) zur Ver knüpfung der rechtsdrehend polarisierten Wellen mit den linksdrehend polarisierten Wellen zwecks Erzeugung der Dihedralfrequenz (Δ f _D),
- Umwandlungseinrichtungen (110) zur Umwandlung der Dihedralfrequenz (Δ f _D) in eine Steuerspannung und
- mit den Umwandlungseinrichtungen (110) gekoppelte Ein richtungen (112, 114, 116) zur Erzeugung der Steuer signale für die Regelung des Verstärkungsmediums (26) aufweisen.

22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch ge kennzeichnet, daß die mit den Umwandlungs einrichtungen (110) gekoppelten Einrichtungen (112, 114, 116) zur Erzeugung der Regelsteuersignale aus einer span nungsgesteuerten Stromquelle (116), die zur Steuerung des Verstärkungsmediums mit den die magnetischen Wellen er zeugenden Einrichtungen (42, 44, 46) gekoppelt ist, und aus Einrichtungen (112, 114) zur Regelung der Stromquelle (116) abhängig von den Änderungen der Dihedralfrequenz (Δ f _D) bestehen.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 22, da durch gekennzeichnet, daß die De tektionseinrichtungen für die Überwachung der polarisier ten Wellen aus einer Hochfrequenzfotodiode bestehen, die jeweils in unmittelbarer Nähe eines einen Bestandteil der die Wellen erzeugenden Einrichtungen bildenden Reflektors angeordnet ist.

24. Gerät, insbesondere unter Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 23, gekenn zeichnet

- durch Einrichtungen zur Erzeugung zweier elektromagne tischer Wellenpaare in einem geschlossenen Übertra gungsweg, wobei in jedem Wellenpaar Wellen sich in einander entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, wo bei ein erstes der beiden Wellenpaare einen ersten Po larisationssinn und ein erstes Frequenzpaar und ein zweites der beiden Wellenpaare einen zweiten Polarisa tionssinn und ein zweites Frequenzpaar aufweisen und wobei die Differenz aus dem Mittel der beiden Fre quenzpaare sich abhängig von der Zeit ändert,
- durch Einrichtungen zur Erzeugung eines der Differenz der Mittelwerte der beiden Frequenzpaare entsprechen den Steuersignales und
- durch auf das erzeugte Steuersignal reagierende Ein richtungen zum Regulieren des Geräts im Einklang mit dem Steuersignal, damit dieses ein Ausgangssignal lie fert, das bei Änderungen der Differenz aus dem Mittel der beiden Frequenzpaare im wesentlichen unverändert bleibt und der Differenz aus der Differenz zwischen dem ersten Paar von Frequenzen und der Differenz zwi schen dem zweiten Paar von Frequenzen entspricht.