DE3619498A1

DE3619498A1 - Geschwindigkeitsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3619498A1
Application number: DE19863619498
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Ing Boehm
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1986-06-10
Filing date: 1986-06-10
Publication date: 1987-12-17

Description

Die Erfindung betrifft eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung zur Messung der inertialen Geschwindigkeit in Bezug auf das Gravitationsfeld der Sonne oder ein anderes Bezugssystem.

Aus der DE-OS 33 35 708 ist bekannt, wie die inertiale Geschwindigkeit gemessen werden kann. Eine weitere Lösung zur Messung der inertialen Geschwindigkeit ist in der deutschen Patentanmeldung Nr. 35 34 950 vorgeschlagen. Den Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen gemäß diesen beiden Literaturstellen liegen unterschiedliche Meßprinzipien zugrunde. Bei der Lösung gemäß der DE-OS 33 35 708 werden für den Referenz- und den Meßsignalzweig Materialien mit unterschiedlichen Mitführungskoeffizienten verwendet. Bei der Lösung gemäß der deutschen Patentanmeldung Nr. 35 34 950 sind für den Referenz- und den Meßsignalzweig unterschiedlich lange Wegstrecken vorgesehen.

Die Erfindung gemäß der vorliegenden Patentanmeldung gibt an, wie man auf einfache Weise eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung realisieren kann, bei der für den Referenz- und den Meßsignalzweig unterschiedlich lange Wegstrecken vorgesehen sind.

Mit der neuen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung erzielt man eine große Meßgenauigkeit.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird ein Gaslaser verwendet. Gaslaser an sich sind allgemein bekannt, so daß auf ihren prinzipiellen Aufbau und ihre Funktionsweise nicht näher einzugehen ist.

Gaslaser werden auch bei Ringlaserkreiseln angewandt, die aus der Literatur ebenfalls allgemein bekannt sind. Beispielsweise wird auf die DE-A1-29 49 412 und die EP-A2-01 03 683 verwiesen. Bei Ringlaserkreiseln durchlaufen zwei Laserstrahlen einen dreieckförmigen Resonatorraum in zueinander eingegengesetzten Richtungen. Ist die Drehbewegung null, dann haben die beiden Laserstrahlen dieselbe Frequenz. Ist die Drehgeschwindigkeit ungleich null, dann haben die beiden Laserstrahlen unterschiedliche Frequenzen, weil die Längen der Resonanzräume für die beiden Laserstrahlen infolge der Drehbewegung ungleich lang sind. Die beiden Laserstrahlen werden aus dem Resonatorraum ausgekoppelt und einer Auswerteeinrichtung zugeführt. Die Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Laserstrahlen ist proportional der Drehgeschwindigkeit und folglich kann durch Auswertung der Frequenzdifferenz die Drehgeschwindigkeit ermittelt werden. Hierzu gibt es mehrere bekannte Verfahren.

Bei der Meßeinrichtung nach Fig. 1 ist kein dreieckförmiger Resonanzraum vorhanden sondern es sind zwei lineare Resonanzräume vorhanden. Beide Resonanzräume sind unterschiedlich lang (l ₁, l ₂) und sind vorzugsweise zueinander parallel. Mit dieser Geschwindigkeitsmeßeinrichtung wird diejenige Komponente der inertialen Geschwindigkeit gemessen, die in die Richtung der Längsausdehnung des längeren der Resonanzräume zeigt. Die Resonanzfrequenz des Laserstrahls im ersten Resonanzraum mit der Länge l ₁ ist f ₁, wenn die relevante Komponente der inertialen Geschwindigkeit gleich null ist. Die Resonanzfrequenz des Laserstrahls im zweiten Resonanzfraum mit der Länge l ₂ ist f ₂.

Bewegt sich die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung mit der Geschwindigkeit v in der Richtung der Längsausdehnung der Resonanzräume, dann werden die Längen verändert und zwar zu

und

mit c gleich Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Dementsprechend ändern sich auch die Frequenzen der Laserstrahlen und zwar zu

und

Die Differenz zwischen den Frequenzen der Laserstrahlen ist im Ruhezustand

Δ f = f ₂ - f ₁; (5)

bei Ausbreitung der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung mit der Geschwindigkeit v:

Daraus kann die Geschwindigkeitskomponente v berechnet werden.

Da wie beim Ringlaserkreisel die Differenz zwischen den Frequenzen der beiden ausgekoppelten Laserstrahlen gemessen werden muß, können zur Bestimmung von Δ f′ alle von dort bekannten Auswerteverfahren angewandt werden. Sie werden deshalb hier nicht näher erläutert. Lediglich die Berechnung von v aus dem ermittelten Wert für Δ f′ erfolgt nach einer anderen Gleichung.

Bei der Dimensionierung der Resonanzlängen muß darauf geachtet werden, daß die auszuwertenden Differenzfrequenzen genügend tief liegen, um ohne allzu großen Aufwand ausgewertet zu werden. Δ f′ liege im Bereich von 300 MHz liegen. Daraus ergeben sich bei Frequenzen f ₁ = f ₀ + n 300 MHz und f ₂ = f ₀ Resonanzlängen von l ₁ = 1 m und l ₂ = 0,1 m.

Nachfolgend wird auf die Realisierung im Einzelnen näher eingegangen. Wie bei Ringlaserkreiseln ist bei der Anordnung nach Fig. 1 in einem Block aus glaskeramischem Material ein Hohlraum 103 vorgesehen, in dem sich das anzuregende Gas befindet. Zur Anregung sind zwei Anoden 102 und 108 sowie eine Kathode vorgesehen. Die Kathode ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit in der Zeichnung weggelassen. Ein Bereich des Hohlraums 103 liegt zwischen zwei Spiegeln 100 und 104, welche den zweiten Resonatorraum des Lasers mit der Länge l ₂ bilden. Der Laserstrahl zwischen diesem Spiegelpaar hat im Ruhezustand die Frequenz f ₂. Der eine Spiegel des Spiegelpaares 100, 104 ist halbdurchlässig (in der Zeichnung der rechte Spiegel 104).

Ein weiterer Bereich des Hohlraums 103 liegt zwischen zwei Spiegeln 107 und 109, welche den ersten Resonatorraum des Lasers mit der Länge l ₁ bilden. Der Laserstrahl zwischen diesem Spiegelpaar hat im Ruhezustand die Frequenz f ₁. Der eine Spiegel des Spiegelpaares 107, 109 ist halbdurchlässig (in der Zeichnung der linke Spiegel 107).

Der Anteil des Laserstrahls mit der Frequenz f ₂, der von dem halbdurchlässigen Spiegel 104 durchgelassen wird, wird von einem Umlenkspiegel 105 auf die (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung gelenkt. Der Anteil des Laserstrahls mit der Frequenz f ₁, der von dem halbdurchlässigen Spiegel 107 durchgelassen wird, wird von einem Umlenkprisma 106 und einem Umlenkspiegel 107 ebenfalls auf die Auswerteeinrichtung gelenkt. Dort erfolgt, wie oben erwähnt, die Auswertung. Bewegt sich die Meßeinrichtung, dann wird aus der Frequenz f ₁ die Frequenz f ₁′ und aus der Frequenz f ₂ die Frequenz f ₂′.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird anstelle des Gaslasers ein Festkörperlaser verwendet. Es ist ein laseraktives Medium 203 vorgesehen, dessen Stirnflächen nicht verspiegelt sind, so daß durch beide Stirnflächen Laserstrahlung in das Medium aus- und eintreten kann. Der in der Zeichnung auf der rechten Seite austretende Laserstrahl trifft auf einen gegen die Strahlrichtung um 45° geneigten halbdurchlässigen Spiegel 205 und ein Teil von diesem Laserstrahl wird durch diesen auf einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel 204 gerichtet. Der von dem ersten halbdurchlässigen Spiegel 205 durchgelassene Anteil des Laserstrahls wird von zwei Spiegeln 207 und 206 zu dem weiteren halbdurchlässigen Spiegel 204 gelenkt und von diesem zum Teil durchgelassen. Der von dem teildurchlässigen Spiegel 204 abgelenkte Laserstrahl und der von diesem durchgelassene Laserstrahl breiten sich auf gleichem Weg zu einem dritten teildurchlässigen Spiegel 201 aus. Die von diesem durchgelassene Anteile der beiden auf ihn treffenden Laserstrahlen mit den Frequenzen f ₁, f ₂ oder f ₁′, f ₂′ gelangen zur Auswerteeinrichtung. Die von diesem halbdurchlässigen Spiegel abgelenkten Laserstrahlen werden über einen weiteren Spiegel 202 zu dem laseraktiven Medium 203 geleitet.

Geometrisch gesehen befinden sich die Spiegel 201, 202, 205 und 204 an den Ecken eines Rechteckes. Die Strecken zwischen den Spiegeln 201 und 202 sowie zwischen den Spiegeln 205 und 204 sind verglichen zu den Strecken zwischen den Spiegelpaaren 201/204 und 202/205 sehr klein. Die Spiegel 206 und 207 befinden sich an den Ecken eines Rechtecks, das man aus dem durch die Spiegel 201, 202 204, 205 gebildeten erhält, wenn man dessen lange Seiten nach rechts verlängert. Diese beiden Rechtecke bilden zwei rechteckförmige Resonatorräume.

Die lange Seite des kleineren Resonatorraums hat die Länge 1/2 l ₂; die lange Seite des größeren Resonatorraums die Länge 1/2 l ₁. Diese l ₁ und l ₂ sind die l ₁ und l ₂ in den obigen Gleichungen (1) und (2). Somit kann auch mit dieser Anordnung aus den Frequenzen f ₁′ und f ₂′ der Laserstrahlen, die von dem halbdurchlässigen Spiegel 201 zur Auswerteeinrichtung durchgelassen werden, die Komponente der inertialen Geschwindigkeit in Richtung der langen Seiten der Rechtecke gemessen werden.

Die kurzen Rechtecke müssen möglichst kurz gewählt werden, da sonst zu der Frequenzänderung, die durch den quadratischen Dopplereffekt bedingt ist und zur Messung der inertialen Geschwindigkeit verwendet wird, eine durch den Sagnac-Effekt bedingte Frequenzänderung hinzukommt, welche zur Drehgeschwindigkeit proportional ist. Für sehr große Meßgenauigkeiten ist es möglich, zweier solcher Anordnungen vorzusehen. Die Laserstrahlen müssen dann die beiden Anordnungen mit eingegengesetztem Richtungssinn durchlaufen. Dann kann die durch den Sagnac-Effekt bedingte Frequenzänderung kompensiert oder bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Mit den oben beschriebenen Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen wird die Komponente v der inertialen Geschwindigkeit gemessen, welche in die Richtung der Längsausdehnung der Resonatorräume des Lasers zeigt. Will man die resultierende inertiale Geschwindigkeit messen, dann sind drei solcher Meßeinrichtungen erforderlich, mit denen jeweils in unterschiedlichen Raumrichtungen eine Geschwindigkeitskomponente gemessen wird. Die Raumrichtungen stehen vorzugsweise aufeinander senkrecht. Aus den so gemessenen Geschwindigkeitskomponenten kann in an sich bekannter Weise die tatsächliche Geschwindigkeit gemessen werden.

Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß die Resonatorräume zueinander parallel sind. Erforderlich ist dies nicht. Ihre Längsrichtungen können auch miteinander beliebige Winkel bilden. In solchen Fällen ist die Gleichung (6) um einen Faktor, der von diesem Winkel abhängt, zu ergänzen.

Claims

1. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser mit zwei Resonatorräumen (100, 104; 107, 109) vogesehen ist, daß die Wegstrecken (l ₁, l ₂) für das Licht in den Resonatorräumen unterschiedlich lang sind, daß sich - bedingt durch den quadratischen Doppler-Effekt - die Resonatorfrequenzen (f ₁′, f ₂′) in den beiden Resonatorräumen geschwindigkeitsabhängig um unterschiedliche Werte ändern, und daß aus der Differenz der beiden geschwindigkeitsabhängigen Resonanzfrequenzen die Geschwindigkeitskomponente der inertialen Geschwindigkeit in Richtung der Längsausdehnung des längeren der beiden Resonatorräume ermittelt wird.

2. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der Längsausdehnungen der Resonatorräume zueinander parallel sind.