DE3609729C2 - Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringlaser-Drehgeschwin­ digkeitsmesser mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser dieser Art sind beispielsweise aus DE 28 00 332 C2, DE 28 21 241 C2 oder DE 29 11 789 A1 bekannt.

In solchen Lasersystemen hat jede der vier angeregten Wellen eine zirkulare Polarisation. Die Wellen eines Wel­ lenpaares, das im Uhrzeigersinn umläuft, sind sowohl linkszirkular polarisiert (LCP) als auch rechtszirkular polarisiert (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 einen Frequenzversatz bewirkt. Durch einen solchen mit Frequenz­ versatz arbeitenden Vierfrequenz-Ringlaser-Drehgeschwin­ digkeitsmesser wird das sich beim herkömmlichen Zwei­ frequenz-Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser einstellende Problem der Frequenzmitnahme oder des Zusammenwanderns der Frequenzen (Lock-In) umgangen. Dieses Phänomen des Zusam­ menwanderns stellt sich ein, wenn zwei Wanderwellen, die sich in einem Resonatorhohlraum bei nur leicht unter­ schiedlichen Frequenzen in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, aufeinander hingezogen werden, um sich in einer stehenden Welle mit einer einzigen Frequenz zu ver­ einigen. Wenn dagegen die Frequenzen der gegeneinander um­ laufenden Wellen genügend weit voneinander entfernt sind, dann kann dieses Zusammenziehen der Frequenzen nicht ein­ treten.

Diese Vier-Frequenz-Lösung kann als eine Anordnung mit zwei unabhängigen Laser-Drehgeschwindigkeitsmessern aufge­ faßt werden, die in einem einzigen stabilen Resonatorhohl­ raum arbeiten und einen gemeinsamen optischen Wellenaus­ breitungsweg benutzen, die aber durch dasselbe passive Versatzelement im entgegengesetzten Sinne mit einem stati­ schen Frequenzversatz beaufschlagt sind. Am Differential­ ausgang dieser beiden Drehgeschwindigkeitsmesser 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 einzigen Zwei-Fre­ quenz-Drehgeschwindigkeitsmesser erreicht wird. Da der Frequenzversatz nicht durch Anregung erzeugt wird, durch­ läuft der Drehgeschwindigkeitsmesser nie einen Zustand des Zusammenwanderns der Frequenzen. Auch beeinflussen keine durch Anregung verursachten Fehler die Arbeitsweise. Aus diesem Grunde ist der Vier-Frequenz-Drehgeschwindigkeits­ messer ein störungsarmes Gerät und für Anwendungen bestens geeignet, bei denen eine schnelle Aktualisierung der Meß­ daten oder eine hohe Auflösung erforderlich ist.

Die vier verschiedenen Frequenzen werden normalerweise durch Anwendung zweier unterschiedlicher optischer Effekte erzeugt. Zum einen wird ein Kristallpolarisationsrotator verwendet, um eine richtungsabhängige Polarisation zu be­ wirken, durch die die Resonanzwellen in zwei Richtungen zirkular polarisiert werden. Die Polarisationsdrehung er­ gibt sich aus dem Brechungsindex des Rotatormediums und ist leicht unterschiedlich für die rechtszirkular und linkszirkular polarisierten Wellen.

Des weiteren wird ein Faradayrotator verwendet, um eine nichtreziproke Polarisationsdrehung zu bewirken, da der Brechungsindex für die im Uhrzeigersinn umlaufenden Wellen (cw) leicht von dem für die im Gegenuhrzeugersinn umlaufenden Wellen (ccw) abweicht. Dies führt dazu, daß die im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn um­ laufenden rechtszirkular polarisierten Wellen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen schwingen, während die im Uhrzeigersinn und die entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufen­ den linkszirkular polarisierten Wellen ähnlich, aber ent­ gegensetzt gespalten sind.

Das Ausgangssignal eines Ringlaser-Drehgeschwindig­ keitsmessers verschiebt sich mit der Zeit wegen der Ände­ rung der Parameter, wie beispielsweise Temperatur oder Alterungserscheinungen. Eine direkte Messung dieser Para­ meter ist im allgemeinen nicht genau genug oder nicht mög­ lich. Die Meßgenauigkeit ist zwar verbessert worden, indem man die Faradayfrequenz mißt, um so die durch Temperatur verursachten Änderungen festzustellen, und indem man dann das Drehgeschwindigkeitsmesser-Ausgangssignal mit einem Korrekturfaktor versieht. Dies ist jedoch nicht ausrei­ chend, da auch Änderungen der optischen Leistung oder an­ dere Fehlereinflüsse die Meßgenauigkeit beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit von Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessern gegenüber ent­ sprechenden bekannten Geräten vergleichbarer Art weiter zu verbessern, so daß durch Änderungen der optischen Leistung oder durch andere Fehlereinflüsse bedingte Abweichungen weitgehend vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Lösungsprinzip sieht vor, die Dihedralfrequenz Δf_D, nämlich die Differenz des Frequenz­ mittelwertes der linkszirkular polarisierten Wellen und des Frequenzmittelwertes der rechtszirkular polarisierten Wellen, zu ermitteln und abhängig von den Änderungen die­ ser Dihedralfrequenz die fehlerbedingten Abweichungen des Ausgangssignales des Gerätes zu korrigieren.

Die Ableitung der Dihedralfrequenz aus den einzelnen Wellen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Auch kann das Ausgangssignal abhängig von den Änderungen der Dihe­ dralfrequenz in unterschiedlicher Weise beeinflußt werden. Im einen. Falle wird zusätzlich eine Teilereinheit anhand von Betriebsdaten ermittelt und für die Korrektur des Aus­ gangssignales verwendet. Im anderen Falle wird die Korrek­ tur des Ausgangssignales über ein Rückkopplungsnetzwerk vorgenommen, das das Verstärkungsmedium des Lasers abhän­ gig von den Änderungen der Dihedralfrequenz beeinflußt, so daß ein korrektes Ausgangssignal geliefert wird. Entspre­ chende Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.

Einzelheiten seien nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der mit einer Laser-Reso­ nanzkammer des Ringlaser-Drehgeschwindigkeits­ messers gekoppelten Anordnung zum Detektieren der Laserfrequenzen und deren Verarbeitung zu einem abhängig von der Dihedralfrequenz korri­ gierten Ausgangssignal,

Fig. 2 ein Diagramm mit den Betriebskennlinien eines Laser-Drehgeschwindigkeitsmessers zur Erläute­ rung der vier Lasermoden und der sich für die Frequenzen der einzelnen Lasermoden abhängig von der Drehung des Drehgeschwindigkeits­ messers ergebenden Verschiebungen und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausfüh­ rungsform mit einem Rückkopplungsnetzwerk zur Regelung einer Entladesteuerungsstromquelle und zur Änderung der Laserverstärkung abhängig von der Dihedralfrequenz.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Reso­ nanzkammer 20 eines Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers, nachfolgend kurz Lasergyroskop genannt, in der ein ge­ schlossener Übertragungsweg 30 für die Ausbreitung mehre­ rer elektromagnetischer Wellen in einander entgegengesetz­ ten Richtungen vorgesehen ist, wobei jede Welle eine andere Frequenz aufweist, die mit f₁, f₂, f₃ und f₄ be­ zeichnet sind. Für die Ausrichtung der Wellen entlang des geschlossenen 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 Resonanzkammer entstehenden Moden. Diese Aufspaltung wird als Polarisationsspalt oder Dihedralfrequenz Δf_D bezeich­ net.

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 Δf_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 be­ steht. Das gasförmige Verstärkungsmedium 26 wird elek­ trisch durch zwischen den Anoden 42 und 44 sowie der Kathode 46 erzeugte Entladungsströme angeregt und wird da­ durch zu einem strahlenden Laserverstärkungsmedium oder Plasma, das in Resonanz befindliche elektromagnetische oder Laserwellen in dem geschlossenen Übertragungsweg 30 aufrechterhält.

Der Reflektor 36 ist an einem piezoelektrischen Ele­ ment 37 befestigt, das den Reflektor als Teil eines die Weglänge in der Resonanzkammer beeinflussenden Steuer­ systems 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 zum Detektieren eines optischen Ableitsignals zum Leistungsausgleich für die Ausgangsfrequenz des Gyroskops verwendet. Der Reflektor 38 reflektiert ebenfalls nur teilweise, so daß ein kleiner Teil der auf seiner 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 Laserresonanzkammer umlaufenden Wellen ein Teil nach außen abgeleitet und in die beiden Ausgangssignale G₁ und G₂ 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 SiO₂. 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 4 141 651 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 kop 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 Δf_D und einer Faradayfrequenz Δf_F oder Δf_D-Δf_F. Der Ausgang des Hochfrequenzdetektors 48 ist mit einem Hochfrequenzvorverstärker 54 gekoppelt, dem ein Hochfrequenzzähler 60 zur Bestimmung der Frequenz aus Δf_D - Δf_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 G₁ und G₂ der Resonanzkammer mit dem vom Hochfrequenzde­ tektor 48 gelieferten Signal Δf_D - Δf_F, um ein korri­ giertes Ausgangssignal Δf_g des Gyroskops zu erzeugen. Das Frequenzausgangssignal G₁ des Zählers 56 entspricht der Frequenz Δf_F + 1/2 Δf_G und das Frequenzausgangssignal G₂ des Zählers 58 entspricht der Frequenz Δf_F - 1/2 Δf_G.

Δf_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 f₄-f₃, und der Differenz der linkszirkular polarisierten Wellen, also f₂-f₁. 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 G₁ und G₂ werden einem Summierer 62 zugeleitet und liefern das Signal 2·Δf_F. Dieses Signal wird einem Halbierschaltkreis 66 zugeleitet, der als Aus­ gangssignal die Faradayfrequenz Δf_F liefert. Durch Addition dieser Faradayfrequenz Δf_F mit dem vom Hoch­ frequenzzähler 60 gelieferten Signal Δf_D Δf_F erhält man schließlich die Dihedralfrequenz Δf_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 Δf_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 Δf_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 Δf_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 Δf_D mit der Teiler­ einheit s aus dem Teilerspeicher 70 und liefert das Er­ gebnis s·Δf_D an den Summierschaltkreis 74. Der zweite Eingang dieses Summierschaltkreises 74 ist mit dem Aus­ gang des Subtraktionsschaltkreises 64 verbunden, der das Signal G₂ vom Signal G₁ subtrahiert und somit das unkor­ rigierte Signal Δf_G liefert. Der Summierschaltkreis 74 liefert somit die zum Leistungsausgleich korrigierte Aus­ gangsfrequenz Δf_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 f₁, f₂, f₃ und f₄ des Multioszillator-Ringlasergyroskops sind dargestellt. Ein ursprünglich vierfältig entarteter Longtitudinalmode mit der Frequenz f₀ 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 Δf_G in dem in Fig. 2 gezeigten Sinne, was zu den vier Laserfrequenzen f₁, f₂, f₃ und f₄ führt, die durch ausgezogene Linien dargestellt sind. Die Frequenzen f₁ und f₄ laufen in eine im Uhrzei­ gersinn gerichtete räumliche Richtung um, während die Frequenzen f₂ und f₃ 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 Δf_D im Bereich von 600 MHz, die Faradayfrequenz Δf_F im Bereich von 500 KHz und die Gyroskopausgangsfrequenz im Bereich von 10 Hz. Die Dihe­ dralfrequenz Δf_D ergibt sich nach folgender Gleichung:

Δf_D = 1/2 (f₄ + f₃) - 1/2 (f₂ + f₁),

worin 1/2 (f₄ + f₃) den Mittelwert des linkszirkular polarisierten Wellenpaares und 1/2 (f₂ + f₁) den Mittel­ wert des rechtszirkular polarisierten Wellenpaares dar­ stellt.

Die Faradayfrequenz Δf_F ist durch die folgende Gleichung bestimmt:

Δf_F = 1/2 (f₄ - f₃) + 1/2 (f₂ - f₁).

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

Δf_D + Δf_F = f₄ - f₁,

welches die in eine dem Uhrzei­ gersinne entsprechende räumliche Richtung wandernden Wel­ len sind und

Δf_D - Δf_F = f₃ - f₂,

welches die in eine entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtete räumliche Richtung wandern­ den Wellen sind.

Fig. 3 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeisspiel der Erfindung zur leistungsausgleichenden Korrektur der Ausgangsfrequenz Δf_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. (Δf_D - Δf_F) und (Δf_D + Δf_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 Δf_F und 2 Δf_D erzeugen. Diese Signale werden über ein Hochpaßfilter 106 geleitet, das lediglich das Signal 2 Δf_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 Δf_D durch einen Faktor "n" auf irgendeine für den Wandler 110 geeignete Unterresonanzfrequenz 2/n Δf_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 Δf_G des Lasergyroskops, die bei diesem Ausführungsbeispiel der Ausgangsfrequenz Δf_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 G₁ und G₂, 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 G₁ und G₂ gekoppelt sind. Der Differenzschaltkreis 64 subtrahiert dann das Signal G₂ vom Signal G₁ und erzeugt so die korrigierte Ausgangsfrequenz Δf_G, die der Ausgangsfrequenz Δf_g des Ausführungsbeispieles von Fig. 1 entspricht.

Claims (13)

1. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser

• - mit einem in sich geschlossenen Wellenausbreitungs­ weg, welcher ein Laser-Verstärkungsmedium enthält und in welchem ein Paar von rechtszirkular polari­ sierten elektromagnetischen Wellen mit jeweils ent­ gegengesetzter Umlaufrichtung im Wellenaus­ breitungsweg und ein Paar linkszirkular polarisier­ ter elektromagnetischer Wellen mit jeweils entge­ gengesetzter Umlaufrichtung im Wellenausbreitungs­ weg anregbar sind;
• - mit Mitteln zur Erzeugung einer Frequenzaufspaltung (Δf_D) der angeregten elektromagnetischen Wellen je nach ihrem Polarisationssinn;
• - mit Mitteln zur Erzeugung einer Frequenzaufspaltung (Δf_F) der angeregten elektromagnetischen Wellen je nach Umlaufrichtung;
• - mit Detektor- und Auswerteinrichtungen zur Bildung eines von einer Drehung des Wellenausbreitungsweges um eine empfindliche Achse abhängigen Ausgangs­ signales (Δf_G) aus Signalen entsprechend den vier verschiedenen, sich aus der zweifachen Frequenzauf­ spaltung ergebenden Frequenzen (f₁ bis f₄); sowie
• - mit Korrektureinrichtungen (61; 104, 106, 108, 110, 112, 114) zur Kompensation von Änderungen des Aus­ gangssignales (Δf_G) in Abhängigkeit von nicht durch die Drehung des Wellenausbreitungsweges eingeführ­ ten zeitlichen Änderungen der Frequenzen der elek­ tromagnetischen Wellen,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Korrektureinrichtungen Mittel zur Bildung eines Korrektursignales entsprechend der Differenz der jeweiligen Mittelwerte der durch die ausbreitungsrichtungsabhängige Frequenzaufspaltung gebildeten Frequenzpaare (f₁, f₂; f₃, f₄) von Wel­ len jeweils gleichen Polarisationssinnes aufweist und daß
• - dieses Korrektursignal entweder unmittelbar (Fig. 1) zur Kompensation im Ausgangssignal (Δf_G) oder (Fig. 3) zur Beeinflussung des Wellenausbreitungs­ weges im Sinne einer Kompensation im Ausgangssignal (Δf_G) verwendet ist.

2. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor- und Auswert­ einrichtungen eine erste Detektoreinrichtung (34, 48) zur Detektierung der sich jeweils in gleicher Umlauf­ richtung ausbreitenden Wellen, die in bestimmter Kombi­ nation die genannte Differenz (Δf_D) der Frequenzmittel­ werte enthalten, sowie eine zweite Detek­ toreinrichtung (39) zur Detektierung von wenigstens zwei über eine optische Ausgangseinrichtung (40) be­ reitgestellten, für die Drehung des Wellenausbreitungs­ weges um die empfindliche Achse charakteristischen Signalen (G₁, G₂) aufweisen und daß die Korrekturein­ richtungen eine Einrichtung zur Verarbeitung der Aus­ gangssignale der ersten Detektoreinrichtung (34, 40) und der von der zweiten Detektoreinrichtung (39) detek­ tierten Signale (G₁, G₂) zu einem in Abhängigkeit von der genannten Differenz der Frequenzmittelwerte korri­ gierten Ausgangssignal (Δf_G) aufweisen (Fig. 1).

3. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ausgangs­ signals der ersten Detektoreinrichtung (34, 48) ent­ weder die Differenz oder die Summe aus der genannten Differenz (Δf_D) der Frequenzmittelwerte einerseits und der genannten Frequenzaufspaltung (Δf_F) je nach Wellenausbreitungsrichtung andererseits ist.

4. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz eines ersten, von der zweiten Detektoreinrichtung (39) detektierten Signales die Summe aus der genannten Frequenzaufspal­ tung (Δf_F) je nach Wellenausbreitungsrichtung einer­ seits und der Hälfte der Frequenzverschiebung (Δf_G) des Ausgangssignales der Detektor- und Auswerteinrichtun­ gen aufgrund einer Drehung des Wellenausbreitungsweges um die empfindliche Achse andererseits ist und daß die Frequenz eines zweiten, von der zweiten Detektorein­ richtung (39) detektierten Signales die Differenz aus der genannten Frequenzaufspaltung (Δf_F) je nach Wellen­ ausbreitungsrichtung einerseits und der Hälfte der Fre­ quenzverschiebung (Δf_G) des Ausgangssignals der Detek­ tor- und Auswerteinrichtungen aufgrund einer Drehung des Wellenausbreitungsweges um die empfindliche Achse andererseits ist.

5. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der An­ sprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kor­ rektureinrichtungen (61)

• - Verknüpfungseinrichtungen (62, 66, 68) zum Verknüp­ fen der Ausgangssignale der ersten Detektoreinrich­ tung (34, 48) und der von der zweiten Detektorein­ richtung (39) gelieferten Signale zur Bildung eines Ausgangssignales entsprechend der genannten Diffe­ renz (Δf_D) der Frequenzmittelwerte
• - Speichereinrichtungen (70) zur Speicherung einer Teilereinheit (s);
• - Multipliziereinrichtungen zur Multiplikation des Ausgangssignales der Verknüpfungseinrichtungen mit der Teilereinheit und
• - Summiereinrichtungen (74) zum Summieren des Signals entsprechend der Frequenzverschiebung (Δf_G) auf­ grund einer Drehung des Wellenausbreitungsweges um die empfindliche Achse und des Ausgangssignals der Multipliziereinrichtungen

aufweisen.

6. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturein­ richtungen (61) Einrichtungen (62, 66) zur Berechnung und Ableitung der Frequenzaufspaltung (Δf_F) der ange­ regten elektromagnetischen Wellen je nach Umlaufrich­ tung aus den von der zweiten Detektoreinrichtung (39) gelieferten Signalen (G₁, G₂) aufweist.

7. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor- und Auswert­ einrichtungen Detektormittel (100, 102) zur voneinander unabhängigen Detektierung der sich nur in der einen Um­ laufrichtung ausbreitenden und der sich nur in der anderen Umlaufrichtung ausbreitenden rechtszirkular und linkszirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen aufweisen, die mit Bezug auf jede Ausbreitungsrichtung die genannte Differenz (Δf_D) der Frequenzmittelwerte enthalten, und daß die Korrektureinrichtungen (104, 106, 108, 110, 112, 114, 116) zur Verarbeitung von Signalen entsprechend sowohl der rechtszirkular als auch der linkszirkular polarisierten Wellen und zur Erzeugung von Steuersignalen ausgebildet sind, welche zur Rege­ lung des Laser-Verstärkungsmediums (26) im Wellenaus­ breitungsweg dienen (Fig. 3).

8. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Detektoreinrichtun­ gen (100, 102) aus den Frequenzen der sich in einer Um­ laufrichtung ausbreitenden Wellen die Summe aus der ge­ nannten Differenz (Δf_D) der Frequenzmittelwerte und der Frequenzaufspaltung (Δf_F) je nach Wellenausbreitungs­ richtung, und aus den Frequenzen der sich in der ande­ ren Umlaufrichtung ausbreitenden Wellen die Differenz aus der genannten Differenz (Δf_D) der Frequenzmittel­ werte und der Frequenzaufspaltung (Δf_F) je nach Wellen­ ausbreitungsrichtung gebildet werden.

9. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturein­ richtungen (104, 106, 108, 110, 112, 114, 116) folgen­ des enthalten:

• - Verknüpfungseinrichtungen (104, 106, 108) zur Ver­ knüpfung der von den Detektoreinrichtungen (100, 102) gelieferten Signale zwecks Erzeugung des Signales entsprechend der genannten Differenz (Δf_D) der Frequenzmittelwerte
• - Umwandlungseinrichtungen (110) zur Umwandlung des Ausgangssignals der Verknüpfungseinrichtungen in eine Steuerspannung und
• - mit den Umwandlungseinrichtungen (110) gekoppelte Einrichtungen (112, 114, 116) zur Erzeugung der Steuersignale für die Regelung des Laser-Verstär­ kungsmediums (26).

10. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Umwandlungsein­ richtungen (110) gekoppelten Einrichtungen (112, 114, 116) zur Erzeugung der Steuersignale aus einer span­ nungsgesteuerten Stromquelle, die zur Steuerung des Verstärkungsmediums mit dem Wellenausbreitungsweg ge­ koppelt ist, und aus Einrichtungen (112, 114) zur Rege­ lung der Stromquelle (116) abhängig von Änderungen der genannten Differenz (Δf_D) der Frequenzmittelwerte be­ stehen.

11. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der An­ sprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen (110, 102) jeweils aus einer Fotodiode bestehen, die jeweils in unmittelbarer Nähe eines Bestandteils des Wellenausbreitungsweges bildenden Reflektors (34) angeordnet ist.