DE3842937A1

DE3842937A1 - Interferometer zur messtechnischen ermittlung von winkelgeschwindigkeiten im dreidimensionalen raum

Info

Publication number: DE3842937A1
Application number: DE19883842937
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Eisenhauer
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1988-12-21
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1990-07-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Zur meßtechnischen Ermittlung von Winkelgeschwindigkeiten im dreidimensionalen Raum sind Drehratensensoren bekannt, z. B. für obere Navigationsklassen entwickelte Laserkreisel oder für untere Navigationsklassen vorgesehene mechanische Kreisel. Die mecha nischen Kreisel sind im allgemeinen ein- oder zweiachsig ausge führt. Für eine Anwendung in sogenannten Strapdown-Systemen sind dreiachsige Rotationssensoren notwendig, wobei eine Zusammen stellung von drei einachsigen mechanischen Kreiseln zu einem drei achsigen Rotationssensor in solchen Navigationssystemen häufig durchgeführt wird. Von Nachteil ist jedoch, daß derartige Kon struktionen nicht raumsparend zu realisieren sind und eine ver vielfachte Leistungsaufnahme erfordern. Diese Nachteile gelten auch für Strapdown-Systeme, die aus drei einachsigen Fasern kreiseln bestehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Interfero meter der eingangs genannten Art zu schaffen, das gegenüber einem einachsigen Faserkreisel nur ein wenig vergrößertes Bau volumen aufweist und mit nur einer Signalverarbeitung auskommt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male von Anspruch 1 gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung ist in der Bereitstellung eines klein volumigen, preisgünstigen Rotationssensors für ein Navigations system (Strapdown-System) mit einer größeren Dynamik gegenüber herkömmlichen Systemen zu sehen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen be schrieben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen dreiachsigen Strapdownsensor, und

Fig. 2 ein optisches Sechstor.

Der in Fig. 1 dargestellte Sensor, dessen Gehäuse mit 1 und dessen Steckverbinder mit 2 bezeichnet sind, weist im wesent lichen drei Baugruppen auf, nämlich die Spulenanordnung 3, eine optische Baugruppe mit drei Phasenmodulatoren 4, 5 und 6, drei Po larisatoren 7, drei Depolarisatoren 8, einer Lichtsendeeinrich tung SLD mit Peltierblock 9 und einer Empfangsdiode 17 (vgl. Fig. 2) sowie eine elektronische Baugruppe mit nicht näher bezeichneten Steck karten zur Auswertung der Meßergebnisse. Die Spulenanordnung 3 besteht aus drei Lichtleitfasern 10, 11, 12, die auf einem kugelförmigen Trä gerkörper 13 orthogonal zueinander angeordnet und vergossen sind. Die Lichtwellenleiter 10, 11 und 12 weisen zueinander eine Weg längendifferenz auf, beispielsweise durch unterschiedliche Spulenwindungen, die größer ist als die begrenzte Kohärenz länge des von der Lichtsendeeinrichtung 9 ausgesandten Lichtes. Die Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen der Lichtleit fasern 10, 11 und 12 sind über ein optisches Sechstor 14 mit einander verknüpft und an die Lichtsendeeinrichtung 9 und eine Lichtempfangseinrichtung 17 gekoppelt.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, weist das optische Sechstor 14 zwei Taperkoppler 15 und 16 auf, mit deren Hilfe die oben ange sprochene Verknüpfung der Lichtleitfasern 10, 11 und 12 und Ankopplung an die Lichtsendeeinrichtung 9 und Lichtempfangsein richtung 17 erfolgt. Für ein solches Sechstor 14 ist für eine übersichtliche Bestimmung der Leistungsverteilung eine Koppel matrix angebbar, wobei die Leistungsverteilung der verwendeten Taperkoppler 15 und 16 durch Koppelkoeffizienzen K 1 und K 2 fest gelegt und an den TorenT ₄, T ₅ und T ₆ die Lichtleitfasern 10, 11 und 12 für die jeweiligen Drehachsen x, y, und z plaziert werden. Wird z. B. für K 1 = ¹/₃ und K 2 = ¹/₂ gewählt, so wird in alle Interferometerarme ¹/₃ der Gesamtleistung eingespeist. Für die Verteilung der Signalleistung auf PIN-Diode 17 ergibt sich ein Verhältnis von 0,2 : 0,4 : 0,4 für die drei Achsen.

Eine Verhinderung von Mischprodukten zwischen den unterschied lichen Interferometerarmen wird - wie oben bereits erwähnt - durch eine begrenzte Kohärenzlänge der Wellen (SLD) und durch eine gezielt herbeigeführte Weglängendifferenz sichergestellt. Allerdings lassen sich lineare Überlagerungen bei einzelnen Frequenzen nicht vermeiden, da jeder einzelne Kanal ein unend liches Spektrum diskreter Frequenzen mit der jeweiligen Viel fachen der Grundfrequenz erzeugt. Die Amplituden der Oberwellen je Achse nehmen allerdings mit zunehmender Frequenz stark ab. Der so entstandene Fehler läßt sich durch Korrekturrechnung kompensieren, da die störende Überlappung bei den unteren Frequenzen nicht auftritt. Eine Achse ist somit fehlerfrei berechenbar und kann mit den Ergebnissen zur Korrektur der weiteren Achsen verwendet werden.

Claims

1. Interferometer zur meßtechnischen Ermittlung von Winkelge schwindigkeiten im dreidimensionalen Raum mit Hilfe der durch den Sagnac-Effekt in Lichtleitfasern verursachten Phasenverschiebun gen unter Verwendung von drei, jeweils unabhängigen Interfero meterarmen, die den Raumachsen (x, y, z) zugeordnet sind, vorzugs weise zur Bereitstellung von Meßdaten zur Flugnavigation und Fluglageregelung von einem das Interferometer aufnehmenden Flug körper zusammen mit von Beschleunigungsaufnehmern ermittelten Beschleunigungsmeßdaten in drei Achsen, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Lichtleitfasern (10, 11, 12) auf einem kugelförmi gen Trägerkörper (13) orthogonal zueinander angeordnet und ver gossen sind, daß die Einkoppelpunkte der Interferometerarme (10, 11, 12) über ein optisches Sechstor (14) miteinander verknüpft und an eine Lichtsende- und eine Lichtempfangseinrichtung (9 bzw. 17) gekoppelt sind, und daß die Lichtwellenleiter (10, 11, 12) jeweils eine Weglängendifferenz zueinander aufweisen, die größer ist als die begrenzte Kohärenzlänge des von der Lichtsendeein richtung (9) ausgesandten Lichtes.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Weglängendifferenzen die Lichtwellenleiter (10, 11, 12) unterschiedliche Spulenwindungen aufweisen.

3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Lichtwellenleiter (10, 11, 12) mit Modulationsfre quenzen betrieben werden, deren Verhältnisse zur Grundfrequenz und untereinander ganzzahlig sind.

4. Interferometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zwei Taperkoppler (15, 16) aufweisendes optisches Sechstor (14).