DE3807325A1 - Geraet zur messung der phasenmodulation in einem optischen wellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung der Phasenmodulation in einem optischen Wellenleiter nach dem Oberbegriff des An­ spruches 1.

Bei faseroptischen Kreiseln und anderen Geräten zur Messung der Phasenmodulation wird eine Spule aus einem Glasfaserkabel verwendet, in die an einem Ende eine kohärente optische Strahlung eingespeist wird. Dreht sich die Spule um ihre Achse, dann verändert sich die Fortpflanzungsgeschwin­ digkeit der Strahlung längs des Kabels, wodurch eine Phasenverschiebung bei der am anderen Ende der Spule aus­ tretenden Strahlung erzeugt wird. Durch Vergleich der Phase der austretenden Strahlung mit derjenigen der Strahlung der Strahlungsquelle, welche nicht durch die Spule hindurchgegangen ist, oder welche durch die Spule in umgekehrter Richtung hindurchgeht, ist es möglich, die Drehgeschwindigkeit der Spule mittels Phasenmodulation zu ermitteln.

Bei der Messung der Phasenmodulation ergeben sich einige Probleme. Das erste Problem besteht darin, daß sich Ungenauigkeiten infolge der unterschiedlichen Strahlungsintensitäten ergeben, die durch unterschiedliche Strahlungswege herrühren. Weitere Fehler werden durch Diskontinuitäten im Glasfaserkabel und durch Temperatur­ schwankungen bewirkt.

Es besteht die Aufgabe, das Gerät so auszubilden, daß bei der Messung der Phasenmodulation Intensitäts­ unterschiede der Strahlung das Meßergebnis nicht beein­ flussen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele betreffen faser­ optische Kreisel. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kreisels;

Fig. 2 ein Frequenzspektrum der Strahlung im Kreisel;

Fig. 3 Bessel-Funktionen unterschiedlicher Ordnung;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kreisels;

Fig. 5 ein Gerät zur Messung anderer physikalischer Werte;

Fig. 5A bis 5C modifizierte Ausführungsbeispiele des Geräts nach Fig. 5 und

Fig. 6A und 6B weitere Ausführungsformen des Geräts.

Die Fig. 1 zeigt einen Gyroskop mit Faseroptik, der eine Lichtquelle 1 aufweist, die eine kohärente optische Strahlung aussendet, die in der Einheit 2 frequenzmoduliert wird mit einer niederen Frequenz von 420 kHz. Die Lichtquelle besteht bevorzugt aus einem Festkörperringlaser mit einer Diodenpumpe, derart, wie sie von der Firma Lightwave Electronics Inc. hergestellt und in der US-PS 45 78 793 beschrieben wird. Die modulierte Strahlung wird in zwei gleiche Strahlen­ wege 3 aufgeteilt, wodurch sich unterschiedliche Strahlungs­ wege ergeben. Die Strahlung des einen Strahlungswegs trifft auf einen geneigten halbreflektierenden Spiegel 4 auf und tritt am einen Ende 5 in ein optisches Kabel 10 ein, das zu einer Spule 11 gewickelt ist. Das Kabel 10 weist nur eine Faser auf und ist 500 m lang. Die Strahlung längs des anderen Strahlungsweges trifft auf einen zweiten halb­ durchlässigen Spiegel 6 auf und tritt am gegenüberliegenden Ende 7 in die gewickelte Faser 10 ein.

Der Spiegel 4 ist so ausgebildet, daß ein Teil der auf­ treffenden und in die Spule 11 eingespeisten Strahlung über den zweiten Spiegel 6 zu einem ersten Strahlungs­ detektor 21 reflektiert wird. Der Spiegel 4 reflektiert weiterhin die aus dem Ende 5 der Spule 11 austretende Strah­ lung zu einem zweiten Strahlungsdetektor 31. Der zweite Spiegel 6 reflektiert einen Teil der Strahlungsenergie, die dem Ende 7 der Spule 11 zugeführt wird, durch den ersten Spiegel 4 auf den zweiten Strahlungsdetektor 31. Weiterhin reflektiert der zweite Spiegel 6 die aus dem Ende 7 der Spule 11 austretende Strahlung in Richtung auf den ersten Detektor 21.

Dies bedeutet, daß dem ersten Strahlungsdetektor 21 eine Strahlenkombination zugeführt wird, die einerseits aus Strahlung besteht, welche die Spule 11 in Uhrzeigerrichtung durchlaufen hat und andererseits aus einer Strahlung, bevor diese in die Spule 11 eingetreten ist. Dem zweiten Detektor 31 wird einerseits Strahlung zugeführt, die noch nicht die Spule 11 durchlaufen hat und Strahlung, die die Spule 11 im Gegenuhrzeigersinn durchwandert hat. Die jeweilige Strahlung in einem Zustand vor Eintritt in die Spule 11 dient jeweils als Bezugsstrahlung.

Die Detektoren 21 und 31 arbeiten als nichtlineare Homodyn­ detektoren, welche ein Spektrum von Harmonischen der Modu­ lationsfrequenz w _m erzeugen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Signale, welche representativ sind der Amplitude der dritten und vierten Harmonischen werden entsprechenden Verstärkern 22 und 23 und 32 und 33 zugeführt, deren Ausgänge jeweils mit einem Komparator 24 und 34 verbunden sind. Die Komparatoren 24 und 34 vergleichen die Relativamplituden miteinander, wie dies noch im einzelnen beschrieben werden wird und er­ zeugen entsprechende Ausgangssignale, die den Leitungen 25 und 35 zugeführt werden, welche representativ sind für die Phasenverschiebungen, die sich bei den beiden Strahlen­ wegen ergeben, wenn die Spule 11 um ihre Achse rotiert. Diese Phasenverschiebungen werden üblicherweise von gleicher Größe, jedoch unterschiedlicher Richtung sein, führen also zu entsprechenden Änderungen in den Relativamplituden der dritten und vierten Harmonischen. Wird die Spule beschleunigt oder verzögert, dann wird der Spule eine transiente Phasen­ modulation aufgedrückt, die im Fourier Spektrum als Seiten­ bänder im gleichen Abstand um jede harmonische Frequenz erscheint. Die Träger selbst sind dabei unterdrückt, d. h. es treten zusammengesetzte Signale als doppeltes Seitenband beidseits der unterdrückten Trägersignale auf. Die Signale der Komparatoren 24 und 34 werden einem dritten Komparator 40 zugeführt, der ein gemitteltes Signal erzeugt, welches representativ für die im Gerät erzeugte Phasenverschiebung ist. Dieser dritte Komparator 40 ist mit einer Auswerte­ schaltung 50 verbunden. Die Auswerteschaltung 50 erzeugt ein Signal, welches representativ für die gemessene Phasen­ verschiebung und damit für die Drehgeschwindigkeit der Spule 11 ist. Der Wert der Drehgeschwindigkeit kann dann zu Steuer- und Regelzwecken verarbeitet werden, beispielsweise zur Navigation.

Die Arbeitsweise des Kreisels wird nachfolgend anhand der Fig. 3 erläutert.

Die Amplituden der Harmonischen, welche durch die Detektokren 21 und 31 erzeugt werden, sind bezogen auf die Nettophasen­ differenzen, bei der Wellenlänge der Lichtquelle 1, zwischen der Strahlung, welche in entgegengesetzter Richtung durch die Spule 11 hindurchwandert, und der Bezugsstrahlung, welche direkt durch Reflexion an den Spiegeln 4 und 6 erhalten wird. Diese Phase ist der Bogentangens des Verhältnisses der Amplitude eines ungeradzahligen harmonischen Signals zur Amplitude des benachbarten geradzahligen harmonischen Signals. Das Verhältnis ist auch eine Funktion der Fort­ pflanzungszeit in der optischen Faser, zusammen mit einer Bessel Funktion der speziellen harmonischen Ordnung, die alle konstant sind, wenn die Spule 11 stationär ist und der Modulationsgrad der Lichtquelle 1 konstant bleibt.

Die Amplitude e _t des abgehenden Signals, d. h. des Signals, bevor es durch die Spule 11 hindurchgeht, entspricht dem Ausdruck

e _t = E _t sin (wt + m _f sin w _m t) (1)

wobei

E _t die Maximalamplitude des Signals ist w die Winkelgeschwindigkeit der Lichtquelle 1 ist w _m die Winkelgeschwindigkeit der Modulation ist und m _f der Modulationsindex ist, ausgedrückt durch Δ f/f _m Δ f die Frequenzabweichung ist und f _m die Modulationsfrequenz darstellt.

Die Amplitude e _r des empfangenen Signals nach Durchlauf durch die Spule 11 entspricht dem Ausdruck

e _r = E _r sin [w (t-r) + m _f sin w _m (t-r) + Φ ] (2)

hierbei ist r die durch die Spule bewirkte Zeitverzögerung und Φ die durch die Spule 11 bewirkte Phasenverschiebung.

Das homodyne oder Fourier Spektrum ergibt sich aus

hierbei ist J _n (X) die Bessel Funktion der Ordnung n und dem Argument X, wobei das Argument

beträgt.

Da der Phasenwinkel Φ unter Verwendung des Verhältnisses der benachbarten Besselfunktionen gemessen wird, resultiert dies in einem Ausgangssignal, welches unabhängig von der absoluten Signalamplitude ist.

Die Frequenzabweichung Δ f und die Modulationsfrequenz w _f können durch das Argument der Bessel Funktion (Gleichung 4) optimiert werden, wodurch sich eine Maximalempfindlichkeit bei einer bestimmten Harmonischen ergibt und dabei die Dämpfungs­ effekte unberücksichtigt bleiben. Bei der dritten Har­ monischen bei einem Maximalwert von J (X) mit einem Argument von x = 4,2 ergibt sich aus Gleichung (4)

wenn f _m = 200 kHz und sin λ/4 = 1 ist,
ergibt sich für

Δ f = 420 kHz,

was bedeutet, daß

ist.

Die Besselfunktionen der nullten bis fünften Ordnung J₀ (X) bis J₅ (X) sind in Fig. 3, zusammen mit einer Sinusfunktion dargestellt. Die Länge der Spule 11 ist so gewählt, daß sie eine halbe Wellenlänge (180°) bei der Fortpflanzungsge­ schwindigkeit beträgt. Dies bedeutet, daß wenn sin R den nummerischen Wert gleich 1 aufweist, ein Maximalwert ent­ sprechend dem ersten Maximum der Bessel Funktion J₃ (X) der dritten Harmonischen bei X = 4,2 sich ergibt, und damit deren Produkt ein Maximum darstellt. Da die Spitzen der benachbarten höheren Harmonischen entsprechend J (X) geringer sind als die Spitze der dritten Harmonischen, können die Verstärker 22 und 32 so ausgelegt sein, daß sie eine höhere Verstärkung bewirken als die Verstärker 23 und 33, so daß die Relativamplituden für die dritten und vierten Harmonischen auf diese Weise gleich gemacht werden. Alternativ kann ein Argument (X) verwendet werden, das 4,88 ist, womit sich J₃ (X) = J₄ (X) ergibt.

Eingesetzt in die Gleichung (4) ist

Mit f _m = 200 kHz und sin λ/4 = 1 ergibt sich

Δ f = 488 kHz

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß für kleine Werte von X der Ausdruck J _n (X) sich wie X ⁿ verhält und das System deshalb das System in bezug auf Reflexionen und andere Dis­ kontinuitäten diskriminiert, die am Eingang oder in kurzem Abstand zum Eingang des optischen Kabels 10 auftreten. Das System selektiert in identischer Weise auch am Ausgang des optischen Leiters.

Für Bessel Funktionen größer als J₁(X) ergibt sich eine geringe Amplitude bei niedrigen Werten von X von weniger als etwa 1. Dies bewirkt einen Effekt bei der Diskriminierung gegenüber einem Rayleigh'schen Rauschen. Bei Verwendung eines Bezugssignals mit geringer Zeitverzögerung können Besselfunktionen mit einem großen Argument verwendet werden. In diesem Zusammenhang ist zu vermerken, daß die Amplitude von irgendwelchen zwei benachbarten Harmonischen miteinander verglichen werden können, die größer sind als die erste Harmonische, beispielsweise die zweite und dritte oder die vierte und fünfte Harmonische.

Da das gesamte Spektrum bei jedem Strahlenweg gleich beein­ flußt wird, werden irgendwelche nicht lineare optische Leistungs- oder Kerr-Effekte überwunden.

Hohe Drehgeschwindigkeiten um die Achse der Spule 11 erzeugen eine äquivalente Dopplerverschiebung. Beispielsweise erzeugt eine Drehgeschwindigkeit von 1000° pro Sekunde eine Doppler­ verschiebung von 2,8 Hz. In einigen Anwendungsfällen kann es nützlich sein, diesen Dopplereffekt zu erfassen, wobei eine andere Dopplerverschiebung über die niederfrequente Phasenmodulation des Referenzstrahles bewirkt werden kann.

Anstelle von einer Spule können auch zwei Spulen 61 und 62 verwendet werden, die coaxial ineinandergewickelt sind und die jeweils zur Übertragung von Licht in nur einer Richtung dienen, wie dies die Fig. 4 zeigt. Anstelle einer Strahlauf­ teilung können bei diesem Gerät Koppler verwendet werden. Da die Eintritts- und Austrittspunkte für beide Spulen 61 und 62 voneinander getrennt sind, ist es auch möglich, sym­ metrische Mixer zu verwenden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden vier Detektoren 71 bis 74 verwendet. Den Detektoren 71 und 72 wird Strahlung vom Eingang der im Gegenuhrzeiger­ sinn durchlaufenen Spule 62 und Strahlung vom Ausgang dieser Spule zugeführt. Der Detektor 71 empfängt Strahlung vom Eingang der Spule 62 durch Reflexion am Spiegel 75 über den Spiegel 76 am Ausgang. Der andere Detektor 72 empfängt Strahlung vom Eingang über Reflexion am Spiegel 75 und eine weitere Reflexion am Spiegel 76. Dem Detektor 71 wird Strahlung vom Ausgang der Spule 62 durch Reflexion über den Spiegel 76 und dem anderen Detektor 72 Ausgangsstrahlung durch den Spiegel 76 hindurch zugeführt. Die anderen beiden Detektoren 73 und 74 und die Spiegel 77 und 78 sind entsprechend spiegel­ bildlich am Eingang und Ausgang der im Uhrzeigersinn durch­ wanderten Spule 61 angeordnet. Dem einen Detektor 73 wird vom Eingang Strahlung durch Reflexion an den Spiegeln 77 und 78 zugeführt und Ausgangsstrahlung, welche durch den Ausgangsspiegel 78 hindurchgeht. Dem anderen Detektor 74 wird Bezugsstrahlung durch Reflexion vom Eingangsspiegel 77 und Durchtritt durch den Ausgangsspiegel 78 zugeführt und außerdem Ausgangsstrahlung durch Reflexion am Ausgangs­ spiegel 78.

Die Verwendung von symmetrischen Mixern vermindert das Rauschen und den Fehler infolge harmonischer Amplitudenmodulations­ störungen in der Lichtquelle 1 als Ergebnis der Frequenz­ modulation und insbesondere der Verwendung von Detektoren entgegengesetzter Polarität. Die Wiedergewinnung des zuvor erwähnten harmonischen Trägers wird ebenfalls gegen Störungen der harmonischen Amplitudenmodulation diskriminiert.

Es sind eine Reihe von Modifikationen möglich. Anstelle einer frequenzmodulierten Strahlung von der Lichtquelle ist es auch möglich, andere winkelmäßige Modulationen zu verwenden, im speziellen Phasen- oder Wellenlängenmodulation. Bei einer Phasenmodulation weist das Gerät nach Fig. 1 zu­ sätzlich einen Phasenmodulator 1′, 2′ auf.

Die Erfindung ist auch anwendbar bei anderen Geräten zur Messung der Phasenmodulation in einer Spule, welche nicht sich auf das Messen der Drehgeschwindigkeit bezieht. Die Fig. 5 zeigt beispielsweise eine Phasenmodulation, welche sich als Ergebnis einer Druck- oder Temperaturänderung eines Kerns 52 ergibt, der von der Spule 51 umgeben ist. Die Modu­ lationsfrequenz ist auch hier auf die Länge der Spule 51 bezogen. Die Bezugsstrahlung wird von der die Spule durch­ wandernden Strahlung nahe der Spule durch halbdurchlässige Spiegel 53 abgetrennt oder durch ein Prisma 54, wie dies die Fig. 5A zeigt.

Ein monophyler optischer Wellenleiter 55, der in beiden Rich­ tungen betrieben wird, kann zusammen mit einem Richtungskop­ pler 56 verwendet werden, wie dies die Fig. 5B zeigt, oder zusammen mit einem halbdurchlässigen Spiegel 57 oder einem dazu äquivalenten Bauteil, wie dies die Fig. 5C zeigt. Es ist auch möglich, mehrere Sensorspulen 51 A bis 51 D zusammen mit nur einer Lichtquelle zu verwenden, wie dies in den Fig. 6A und 6B dargestellt ist.

Claims (10)

1. Gerät zur Messung der Phasenmodulation in einem optischen Wellenleiter, dem von einer Lichtquelle kohärente optische Strahlung zugeführt wird, wobei die in den Wellenleiter eintretende Strahlung mit der aus dem Wellenleiter austretenden Strahlung bezüglich der Phase verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzmodulierte Strahlung vom Ein- und Ausgang des Wellenleiters (11, 51, 61, 62) mindestens einem Detektor (21, 31, 71 bis 74) zugeführt wird, der diese Strahlungen homodyn mischt und im homodynen Signal verschiedene Harmonische der Modulationsfrequenz erfaßt, ein Kom­ parator (24, 34) mit dem Detektorausgang verbunden ist, der die Amplitude einer Harmonischen im Homodyn­ signal mit der benachbart höheren Harmonischen vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichs ein auf die Phasen­ modulation bezogenes Signal erzeugt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter eine Spule (11, 51, 61, 62) ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß von einer Lichtquelle (1, 2) frequenzmodulierte optische Strahlung den einander gegenüberliegenden Enden der Spule (11) zugeführt wird, daß zwei Detektoren (21, 31) vorgesehen sind, die jeweils die an einem Ende in die Spule (11) eintretende Strahlung mit der am anderen Ende austretenden Strahlung durch homodynes Mischen miteinander kombinieren und in jedem Homodyn­ signal verschiedene Harmonische der Modulationsfrequenz erfassen, mit jedem Detektorausgang ein Komparator (24, 34) verbunden ist, der die Amplitude einer Harmonischen in jedem Homodynsignal mit der benachbart höheren Har­ monischen vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichs ein auf die Phasenmodulation bezogenes Signal erzeugt.

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Spulen (61, 62) coaxial zueinander angeordnet sind, die Lichtquelle (1, 2) beiden Spulen (61, 62) frequenzmodulierte optische Strahlung zuführt, die sich in den Spulen (61, 62) in entgegengesetzter Richtung fortpflanzt, Detektoren (71 bis 74) vorgesehen sind, die jeweils die aus einer Spule austretende Strah­ lung mit der in diese Spule eintretenden Strahlung durch homodynes Mischen kombinieren und in jedem homo­ dynen Signal verschiedene Harmonische der Modulations­ frequenz erfassen und mit den Detektorausgängen Kompara­ toren verbunden sind, welche die Amplitude einer Har­ monischen in jedem homodynen Signal mit einer benachbart höheren Harmonischen vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs auf die Phasenmodulation bezogene Signale erzeugen.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein weiterer Komparator (40) vor­ gesehen ist, der die Ausgänge der Komparatoren (24, 34) in bezug auf das phasenmodulationsbezogene Signal vergleicht und aus diesen Signalen einen Mittelwert bildet.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11, 51, 61, 62) auf einem Kreisel angeordnet ist, der um die Spulenachse rotiert.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Spule (11, 51, 61, 62) im wesentlichen gleich der halben Wellenlänge der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichts in der Spule ist.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (24, 34) die Amplitude der Harmonischen der dritten Ordnung mit der Amplitude der Harmonischen der vierten Ordnung vergleicht.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen Reflektor (4, 6, 53, 75 bis 78) aufweist, der einen Teil des einem Ende der Spule (11, 51, 61, 62) zuge­ führten Lichts als Bezugsstrahlung dem Detektor (21, 31, 71 bis 74) zuführt, dem weiterhin das am anderen Ende der Spule austretende Licht zugeführt wird.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen Verstärker (22, 23, 32, 33) aufweist, welcher zwischen den Detektoren (21, 31) und dem Komparator (24, 34) geschaltet ist und der die Relativamplituden von benach­ barten Harmonischen normalisiert.