DE4009933A1

DE4009933A1 - Phasenmoduliertes faseroptisches gyroskop

Info

Publication number: DE4009933A1
Application number: DE4009933A
Authority: DE
Inventors: Yukizo Nishikawa; Shuji Sonoda; Hirohisa Nakata
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1990-03-28
Publication date: 1990-10-04
Also published as: FR2645264A1; US5080489A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein in sich fortbewegende Fahrzeuge eingebautes faseroptisches Gyroskop zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit von Drehungen. Genauer betrifft die Erfindung ein phasenmoduliertes faseroptisches Gyroskop, welches eine signalerzeugende Einheit umfaßt mit einer Lichtquelle, einem optischen Leiter zur rechts- oder linksdrehenden Fortpflanzung des Lichtes von der Lichtquelle und einen Phasenmodulator zur Modulation des sich durch den Lichtleiter fortpflanzenden Lichtes sowie eine signalverarbeitende Einheit zur Festlegung der Drehrichtung und der Winkelgeschwindigkeit von Drehungen aus einem Ausgangssignal der signalerzeugenden Einheit.

Dieser Typ eines phasenmodulierten faseroptischen Gyroskops leitet die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung nach folgendem Prinzip ab:

Wenn eine Drehung mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω in dem optischen Leiter angelegt ist, tritt aufgrund des Sagnac-Effekts mit dem sich rechts- und linksdrehend durch den optischen Leiter fortpflanzenden Lichtes eine Phasendifferenz ΔR auf. In dieser Zeit ist die Winkelgeschwindigkeit Ω durch folgende Gleichung (1) mit der Phasendifferenz R verknüpft:

ΔR = (8f NA/λ C) Ω (1)

wobei A eine den optischen Leiter umgebende Fläche, C die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, λ eine Wellenform im Vakuum und A die Anzahl der Drehungen ist.

Wenn der Phasenmodulator eine modulierte Spannung f(t), ausgedrückt durch folgende Gleichung

f(t) = b sin ω _m t (2)

zur Verfügung stellt, wobei b eine Modulationsamplitude und l _m eine Modulations-Winkelfrequenz ist, dann tritt eine Phasendifferenz Φ während der Phasenmodulation zwischen dem rechts- und linksdrehenden, den optischen Leiter passierenden Licht auf.

Φ = ω _m τ = nl ω _m/c = 2π f _m nl/C (3)

wobei τ eine Durchlaufzeit des Lichtes, L eine Faserlänge, n ein Brechungsindex und f _m eine Modulationsfrequenz ist.

Wenn ein von der signalerzeugenden Einheit ausgegebenes Lichtsignal durch einen fotoelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, gilt:

S( ΔR,t) = |E | sin (ω t + ΔR/2 + b sin (ω _m t + (Φ/2))) + E₂ sin (ω t - ΔR/2 + b sin (ω _m t - (Φ/2)))/2
= 1/2 (E₁₂ + E₂₂) + E₁E₂J₀ (2b sin (Φ/2)) cos ΔR (DC - Grundsignal)
+ 2 E₁E₂J₁ (2b sin (Φ/2)) sin ΔR cos ω _m t (Grundfrequenzkomponente S₁)
+ 2 E₁E₂J₂ (2b sin (Φ/2)) cos ΔR cos 2ω _m t (2. höhere harmonische Komponente S₂)
+ 2 E₁E₂J₃ (2b sin (Φ/2)) sin ΔR cos 3ω _m t (3. höhere harmonische Komponente S₃)
+ 2 E₁E₂J₄ (2b sin (Φ/2)) cos ΔR cos 4ω _m t (4. höhere harmonische Komponente S₄) + . . . (4)

wobei J _n (n = 0, 1, 2, . . .) die Bessel-Funktion ist.

In Gleichung (4) wird ΔR durch Herausziehen der Grundfrequenzkomponente S₁ und der zweiten höheren harmonischen Komponente S₂ erhalten.

ΔR = tan⁻¹ (J₂(u)/J₁(ξ) S₁/S₂)
ξ = 2b sin (Φ/2) (5)

Gemäß Gleichung (5) ist ΔR unbestimmt, kann jedoch durch eine Vorzeichenuntersuchung an S₁ und S₂ bestimmt werden.

Der konstante Term (J₂(u)/J₁(ξ)) wird dadurch konstant gehalten, daß ξ=2b sin (Φ/2) derart geregelt wird, daß das Verhältnis der zweiten höheren harmonischen Komponente S₂ zu der vierten höheren harmonischen Komponente S₄ konstant gehalten wird;

S₂/S₄ = J₂(u)/J₄(ξ) (6)

Im einzelnen wird die Frequenzkomponente der Grundmodulation und eine Vielzahl von harmonischen Komponenten höherer Modulationen aus dem Ausgangssignal der signalerzeugenden Einheit aussortiert. Dadurch, daß die Steuerspannung für den Phasenmodulator derart geregelt wird, daß die Amplitudenquotienten innerhalb der Vielzahl von Komponenten auf einen vorbestimmten Wert gebracht werden, wird ein Ausgleich erreicht für Abweichungen im Normierungsfaktor, die verursacht werden durch Abweichungen und ähnliches im Polarisationsgrad innerhalb der optischen Faser, welche aus Veränderungen der Umgebungsbedingungen wie Temperatur- oder Druckänderungen resultieren.

In einem konventionellen Analogsystem weist die signalverarbeitende Einheit eine Vielzahl synchronisierter wellendemodulierender Schaltkreise (sogenannte synchronisierte Verstärker) entsprechend den jeweiligen Frequenzkomponenten auf, die dem fotoelektrischen Wandler nachgeschaltet sind, um die Frequenzkomponente der Grundmodulation sowie die Vielzahl von Komponenten höherer Modulationsfrequenzen auszusortieren.

Basierend auf den Ausgangssignalen der synchronisierten, wellendemodulierenden Schaltkreise wird die Winkelgeschwindigkeit berechnet und die Steuerspannung für den Phasenmodulator geregelt.

Gemäß oben beschriebener Schaltkreiskonstruktion hat indes die Stabilität der synchronisierten wellendemodulierenden Schaltkreise einen großen Einfluß auf die Genauigkeit der Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit bei Kompensation von Abweichungen im Normierungsfaktor.

Somit kann sich bei den synchronisierten wellendemodulierenden Schaltkreisen die Genauigkeit der Kompensation aufgrund von Abweichungen oder zeitabhängigen Veränderungen infolge der Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung verschlechtern, weil Analogsignale beteiligt sind. Folglich mangelt es der solchermaßen hergeleiteten Drehrichtung und der berechneten Winkelgeschwindigkeit an Zuverlässigkeit.

Weiterhin ist es notwendig, zu Beginn den Verstärkungsfaktor für die Vielzahl von synchronisierten Wellendemodulationsschaltkreisen einzustellen. Einstellfehler, welche dabei in beträchtlichem Maße auftreten, beeinträchtigen die Kompensationsgenauigkeit.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein faseroptisches Gyroskop bereitzustellen, bei welchem die Meßfehler aufgrund von Temperaturschwankungen und ähnlichem bei verringerten Kosten für Einstellung und Montage reduziert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein faseroptisches Gyroskop gelöst, welches eine signalerzeugende Einheit mit einer Lichtquelle, einem optischen Leiter für die rechts- und linksdrehende Lichtfortpflanzung von der Lichtquelle aus und einen Phasenmodulator zur Modulation des sich durch den optischen Leiter ausbreitenden Lichtes beinhaltet, eine fotoelektrische Umwandlereinheit zur Umwandlung optischer Signale aus dem signalerzeugenden Bereich in elektrische Signale sowie eine signalverarbeitende Einheit zur Ableitung der Drehrichtung und der Winkelgeschwindigkeit aus dem elektrischen Signal, welches mittels der fotoelektrischen Umwandlereinheit erhalten wird, wobei die signalverarbeitende Einheit einen Analog-/Digital-Umwandler zur direkten Umwandlung des elektrischen Signals von der fotoelektrischen Einheit in ein digitales Signal sowie einen digitalen Prozessor zur Ausführung von Winkelberechnungen, basierend auf dem digitalen Signal des Analog-/Digital-Umwandlers, aufweist.

Gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wird das Ausgangssignal der fotoelektrischen Umwandlereinheit durch den Analog-/Digital-Umwandler in der signalverarbeitenden Einheit direkt in ein digitales Signal umgewandelt. Dann wird das digitale Signal durch den digitalen Prozessor in die Frequenzkomponente einer Grundmodulation und eine Vielzahl von Komponenten höherer Modulationsfrequenzen zerlegt.

Danach werden vorher festgelegte arithmetische Operationen zur Ableitung einer Winkelgeschwindigkeit sowie zur Regelung einer Steuerspannung des Phasenmodulators ausgeführt. Vorteilhaft benötigt eine solche signalverarbeitende Einheit keine synchronisierten, wellendemodulierenden Schaltkreise mehr.

Dieses faseroptische Gyroskop erfordert nur geringe Kosten für Einzelteile und Montage und sichert die gewünschte konstante Funktion über einen langen Zeitraum hinweg.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet die Digitalsignale verarbeitende Einheit einen Prozessor für eine Hochgeschwindigkeits-Fourier-Transformation des dort eingegebenen Signals und einen Speicher zur Speicherung vorzeichenselektiver Vergleichsdaten, welche realen und imaginären Zahlenanteilen einer Fourier-Transformations-Größe entsprechen. Hierbei werden die Vorzeichen des realen Zahlenanteils der Größe einer Fourier-Transformation durch Vergleich der Größe der Fourier-Transformation aus dem Prozessor mit den vorzeichenselektiven Vergleichsdaten bestimmt.

Übereinstimmend mit dieser Konstruktion wird, nachdem das Ausgangssignal der signalerzeugenden Einheit direkt in ein digitales Signal umgewandelt wurde, dieses digitale Signal in dem Prozessor einer Fourier-Transformation unterzogen. Die Ergebnisse der Operation für ausgewählte Frequenzkomponenten werden herausgezogen.

Die Ergebnisse der Operation werden mit vorzeichenselektiven Vergleichsdaten verglichen, welche in dem Speicher gespeichert sind und realen und imaginären Zahlen entsprechen, um das Vorzeichen der realen Zahlen in den Ergebnissen der Operation zu bestimmen.

Wenn z. B. die signalerzeugende Einheit ein phasenmoduliertes faseroptisches Gyroskop umfaßt, werden die vorzeichenselektiven Vergleichsdaten wie folgt bestimmt:

Das faseroptische Gyroskop wird auf eine Drehscheibe als Vergleichssystem gesetzt und die Drehscheibe mit gleicher Winkelgeschwindigkeit rechts- und linksherum gedreht. Während der Umdrehungen werden Daten gespeichert. Diese Daten werden einer Hochgeschwindigkeits-Fourier-Transformation unterzogen, um die Ergebnisse der Operation für die Grundmodulationsfrequenz S₁ herauszuziehen. Als nächstes wird eine Gleichung, welche eine senkrechte Symmetrieachse zwischen den zwei Punkten in einem komplexen Raum beschreibt, erhalten und deren Lösungen in dem Speicher als vorzeichenselektive Vergleichswerte gespeichert.

Danach wird der in einem realen Maßsystem eingeordnete und abgerufene Wert in eine Hochgeschwindigkeits-Fourier-Transformation eingesetzt und überprüft, auf welcher Seite der senkrechten Symmetrieachse das Gebiet liegt, zu dem das Ergebnis der Operation für die Modulations-Grundfrequenz S₁ gehört. Auf diese Weise wird die Unterscheidung in bezug auf das Vorzeichen der realen Zahlen in den Ergebnissen der Operation im realen Maßsystem getroffen. In Übereinstimmung mit der die Digitalsignale verarbeitenden Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Vorzeichenunterscheidung der realen Zahlen in den Ergebnissen der Operation sehr genau unter Verringerung der Einflüsse der unterschiedlichen Merkmale der signalerzeugenden Einheit, des elektrischen Hintergrundrauschens und in dem Prozessor auftretender Fehler durchgeführt.

Mit diesem phasenmodulierten faseroptischen Gyroskop kann die Drehrichtung mit hoher Genauigkeit erkannt werden, sogar wenn eine geringe Drehwinkelgeschwindigkeit in der Größenordnung von 0,1-0,01°/sec angelegt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Digitalsignale verarbeitende Einheit fähig, eine Drehrichtung durch Vergleich von Informationen über die in dem digitalen Eingangssignal enthaltenen und auf Komponenten eines mit einem Modulationssignal des Phasenmodulators synchronisierten, zeitlich zusammenfallenden Signals basierenden Wellenform mit im voraus gespeicherten Grundinformationen über die Wellenform herzuleiten. In diesem Falle wird ein Signal von einem synchronisierenden Signalgenerator synchronisiert mit dem Modulationssignal des Phasenmodulators ausgegeben. Somit können die von dem Analog-/Digital-Umwandler aus dem Ausgangssignal der signalerzeugenden Einheit gesammelten Daten als die Wellenform für eine Periode der Modulationsfrequenz, basierend auf dem zeitlich zusammenfallenden Signal, angesehen werden sowie als Daten, welche keine Phasenverschiebung aufweisen, obwohl eine angelegte Winkelgeschwindigkeit variiert wird.

Andererseits speichert der Speicher die Werte für die Wellengrundform, welche die in Abhängigkeit von der Drehrichtung unterschiedlichen Wellenformmerkmale darstellen. Die signalverarbeitende Einheit vergleicht die Wellengrundformwerte mit den gesammelten Daten und ermittelt die Drehrichtung. Somit ist das Ausgangssignal der signalerzeugenden Einheit variabel in Abhängigkeit von der angelegten Winkelgeschwindigkeit, wie in Gleichung (4) gezeigt ist. Die Bedingungen für die Variationen weisen Muster auf, welche der links- bzw. rechtsgerichteten Drehrichtung eigentümlich sind.

Aufgrund dieser Tatsache wird die Drehrichtung dadurch ermittelt, daß überprüft wird, welcher Drehrichtung, rechts- oder linksdrehend, das Muster der von dem Analog-/Digital-Umwandler gesammelten Werte für die Wellenform zuzuordnen sind.

Auf diese Weise kann die Drehrichtung des faseroptischen Gyroskops mit großer Leichtigkeit innerhalb kurzer Zeit ermittelt werden, ohne daß längere Rechenzeiten zur Durchführung der Fourier-Transformation benötigt werden.

Die vorhergehenden und andere Ausgestaltungen, Eigenschaften und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden, genaueren Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.

Die Zeichnungen zeigen ein phasenmoduliertes faseroptisches Gyroskop gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei

Fig. 1 ein Blockschaltbild des faseroptischen Gyroskops zeigt,

Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm, worin das Sampling eines Analog-/Digital-Umwandlers in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist,

Fig. 3 zeigt ein Fließdiagramm einer digitalen Signalverarbeitung,

Fig. 4 den Graphen einer beispielhaften Vergleichsdiskriminante,

Fig. 5A-I zeigen Wellenformen von Ausgangssignalen einer signalerzeugenden Einheit,

Fig. 6-7 Tabellen von Amplitudenwerten und Polaritäten der Wellenformen von Signalen,

Fig. 8 zeigt ein Fließdiagramm einer digitalen Signalverarbeitung in einer modifizierten Ausgestaltung,

Fig. 9A und 9B zeigen andere Wellenformen von Ausgangssignalen der signalerzeugenden Einheit und

Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild eines Gyroskops, welches eine Vielzahl von Analog-/Digital-Umwandlern aufweist.

Wie in Fig. 1 dargestellt, weist ein funktionsfähiges phasenmoduliertes faseroptisches Gyroskop eine signalerzeugende Einheit A auf, welche ein optisches System 1 und einen Phasenmodulator 6 umfaßt. Das optische System 1 umfaßt eine Lichtquelle 2 und einen optischen Leiter 3 für das sich von der Lichtquelle 2 fortpflanzende Licht sowie eine Laserdiode, welche für Rechts- bzw. Linksdrehung des Lichtes eingerichtet ist. Der Phasenmodulator 6 ist an einem Ende des optischen Leiters 3 angebracht und mit einer vorher festgelegten Frequenz betreibbar. Ein Ausgangssignal der signalerzeugenden Einheit A dient mit Hilfe einer fotoelektrischen Umwandlereinheit 7 als Eingabe für eine signalverarbeitende Einheit 8, welche zur Berechnung von Winkelgeschwindigkeiten und ähnlichem dient.

Der optische Leiter 3 umfaßt eine optische Phasenschleife, welche durch Aufwicklung einer Einzelpolarisations-Faseroptik (= Single-Polarisation-Fiber-Optic SPF) gebildet wird. Licht wird von der Lichtquelle 2 durch polarisiertes Licht zurückhaltende SPF-Richtkuppler 4 und 4′ sowie einen Polarisationsfilter 5 geführt. Somit bilden die Lichtquelle 2, die SPF-Richtkoppler 4 und 4′, der Polarisationsfilter 5 und der optische Leiter 3 das optische System 1.

Der Phasenmodulator 6 wird durch die Umwicklung eines elektrostriktiven Elementes wie z. B. PZT mit einem Ende des optischen Leiters 3 gebildet. Das elektrostriktive Element wird durch ein Signal von dem Treiber 11, welcher später beschrieben wird, mit vorher festgelegter Frequenz angetrieben, um die optische Faser dadurch abwechselnd auseinanderzuziehen und zu kontrahieren, wodurch die Phase des sich durch den optischen Leiter 3 fortpflanzenden Lichtes moduliert wird.

Folglich bilden das optische System 1 und der Phasenmodulator 6 die signalerzeugende Einheit A.

Die fotoelektrische Umwandlereinheit 7 besteht aus einem fotoelektrischen Umwandler 7 a und einem Vorverstärker 7 b. Der fotoelektrische Umwandler 7 a wandelt ein sich rechts- und linksdrehend durch den optischen Leiter 3 ausbreitendes und von dem SPF-Richtkoppler 4 stammendes optisches Ausgangssignal in ein elektrisches Signal um. Der Vorverstärker 7 b verstärkt das schwache elektrische Signal von dem fotoelektrischen Umwandler 7 a auf ein geeignetes Maß. Die signalverarbeitende Einheit 8 besteht aus einer Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9, einer Digitalsignale verarbeitenden Einheit 10, dem Treiber 11 zum Antrieb des Phasenmodulators 6, einer Taktgebereinheit 12 und einer Digital-/Analog-Umwandlereinheit 13. Die Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 wandelt ein Ausgangssignal des Vorverstärkers 7 b in ein digitales Signal um. Die Digitalsignale verarbeitende Einheit 10 berechnet die auf dem von der Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 stammenden Ausgangssignal basierende Winkelgeschwindigkeit und ermöglicht eine Prozeßsteuerung für den Phasenmodulator 6. Die Taktgebereinheit 12 legt vorher festgelegte Signale an die Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 und den Treiber 11 an. Die Analog-/Digital-Umwandlereinheit 13 übermittelt Rückkopplungsdaten von der Digitalsignale verarbeitenden Einheit 10 zu dem Treiber 11.

Die Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 besteht aus einem Speicherkreis und einem Analog-/Digital-Umwandler. Der Taktsignalgeber 12 besteht aus einem Generator 12 a für Vergleichssignale, einem Frequenzteiler 12 b und einem weiteren Frequenzteiler 12 c. Der Speicherkreis der Umwandlereinheit 9 übernimmt das analoge Ausgangssignal des Vorverstärkers 7 b gleichzeitig mit dem Abtastimpulssignal mit der Frequenz f _s, welches von dem Frequenzteiler 12 b von einem Vergleichssignal mit der Frequenz f _r von dem Taktsignalgeber 12 a stammt. Der Analog-/Digital-Umwandler der Umwandlereinheit 9 wandelt das von dem Speicherkreis gehaltene analoge Signal in ein digitales Signal um. Der Frequenzteiler 12 c sendet ein Taktsignal an den Treiber 11.

Weiterhin produziert der Frequenzteiler 12 c ein Steuersignal mit der Frequenz f _t synchron zu den Frequenzen f _r und f _s. Dieses Steuersignal ist die Eingabe in die Digitalsignale verarbeitende Einheit 10.

Somit wirkt die Taktgebereinheit 12 als eine synchrone Signale erzeugende Einheit 12 zur Ausgabe von Signalen synchron mit einem Modulationssignal des Phasenmodulators 6.

Die Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 nimmt eine Frequenzkomponente der Grundmodulation (Frequenz f _m ), eine zweithöhere harmonische Komponente (Frequenz 2f _m ) und eine vierthöhere harmonische Komponente (Frequenz 4f _m ) von dem Ausgangssignal des optischen Systems 1 auf. Das Abtastimpulssignal wird durch Aufteilung der das Ausgangssignal des Vergleichssignalgenerators 12 a und der signalerzeugenden Einheit 12 bildenden Vergleichsfrequenz mit der Frequenz f _r in die Frequenz f _s mittels des Frequenzteilers 12 b unterteilt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das Vergleichssignal in die Frequenz f _s=8/3 f _m aufgeteilt, so daß der Abtasttakt für eine Periode der Grundmodulationsfrequenz f _m des Ausgangssignals des optischen Systems 1 zeitlich gestaffelt über drei Perioden wiederholt wird.

Um Signale bis zur vierthöheren harmonischen Komponente abtasten zu können, werden Abtastimpulse von letztendlich 8f _m (2×4 f _m ) gemäß Shannon's Sampling-Theorem benötigt.

Indes wird hier eine Abtastmethode mit sich entsprechenden Zeiträumen verwendet, um die für eine Periode benötigte Anzahl von Signalabtastungen aus drei Perioden zu erhalten unter der Voraussetzung, daß das Ausgangssignal des optischen Systems 1 über drei Perioden im wesentlichen konstant ist.

Dies ermöglicht den Einsatz eines relativ billigen, langsamen und höchst genauen Analog-/Digital-Umwandlers.

Die Digitalsignale verarbeitende Einheit 10 weist einen Prozessor 101 zur Ausführung von Hochgeschwindigkeits-Fourier-Transformationen der Abtastdaten aus der Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 und einen Diskriminator 102 auf, welcher festlegt, ob die realen Zahlen in den Ergebnissen der Operationen des Prozessors 101 positives oder negatives Vorzeichen aufweisen. Der Diskriminator 102 besteht aus einem Speicher 102 a zur Speicherung der Vergleichsdaten für die Unterscheidung und einem Komparator 102 b für den Vergleich der Operationsresultate mit den Vergleichsdaten.

Ein Verfahrensablauf in der signalverarbeitenden Einheit für die Bestimmung einer an das faseroptische Gyroskop angelegten Drehrichtung wird unter bezug auf das Fließdiagramm in Fig. 3 im folgenden beschrieben.

Zuerst wird Schritt 1 ausgeführt, um das durch die Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 erhaltene Ausgangssignal von der signalerzeugenden Einheit A abzutasten. Dann, in Schritt 2, werden die derart erhaltenen Abtastwerte einer Hochgeschwindigkeits-Fourier-Transformation in dem Prozessor 101 unterworfen.

In Schritt 3 werden die Ergebnisse der Operation für die Grundmodulationsfrequenz aus den Ergebnissen der in Schritt 2 durchgeführten Operation herausgezogen. In Schritt 4 werden die herausgezogenen Ergebnisse der Operation an die Stelle einer Vergleichsdiskriminante gesetzt, welche in dem Speicher 102 a gespeichert ist.

Die Vergleichsdiskriminante wird folgendermaßen erhalten:

Die signalerzeugende Einheit A und die Verarbeitungseinheit 8 werden als Vergleichssysteme auf eine Drehscheibe gesetzt und die Drehscheibe mit gleicher Geschwindigkeit rechts- und linksherum gedreht.

Während der Umdrehungen in beiden Richtungen werden Daten gesammelt. Diese Daten werden in dem Prozessor 101 einer Hochgeschwindigkeits-Fourier-Transformation unterworfen, um die Ergebnisse der Operationen P und Q für die Grundmodulationsfrequenz S₁ herauszuziehen.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, werden die realen und die imaginären Zahlenanteile in den beiden resultierenden komplexen Zahlen P und Q in ein X-Y-Koordinatensystem eingetragen, zusammen mit den Lösungen einer Gleichung (7), welche eine senkrechte Symmetrieachse L zwischen den beiden Punkten beschreibt als

Y = f(x) (7)

Die die senkrechte Symmetrieachse beschreibende Gleichung (7) wird in dem Speicher 102 a als Vergleichsdiskriminante gespeichert.

Somit werden in Schritt 4 die Ergebnisse der Operation für die Grundmodulationsfrequenz S₁ in Gleichung (7) eingesetzt und mit ihren realen und imaginären Zahlenteilen in das X-Y-Koordinatensystem eingetragen.

Schritt 5 wird dann ausgeführt, um die Drehrichtung zu bestimmen, wobei die Richtung vorwärts oder rechtsdrehend ist, wenn y ein positives Vorzeichen hat, und rückwärts oder linksdrehend ist, wenn y negativ ist.

In Fig. 4 sind die Punkte A-D Eintragungen für Ergebnisse der Operationen in einem realen Maßsystem.

Diese Punkte stellen folgende Drehwinkel-Geschwindigkeiten dar:

A . . . 0,5°/sec
B . . . 5,0°/sec
C . . . -0,5°/sec
D . . . -5,0°/sec.

Als nächstes wird in Schritt 8 eine Winkelgeschwindigkeit für die Drehung durch die in Gleichung (5) gezeigte Berechnung von R aus den Ergebnissen der Operationen für die Grundmodulationsfrequenz S₁ und für die zweithöhere harmonische Komponente S₂ in Gleichung (4) erhalten.

Weiterhin wirken in Schritt 9 Rückkopplungs- und andere Regelungen auf den Phasenmodulator 6 gemäß Gleichung (6) ein.

Eine weitere Ausgestaltung wird im folgenden beschrieben.

Hauptsächlich unterscheidet sich diese Ausgestaltung von der vorhergehenden in der Weise, in welcher das Signal von der Digitalsignale verarbeitenden Einheit 10 verarbeitet wird.

Sich überschneidende Bereiche der digitalen Signalverarbeitung in den beiden Ausgestaltungen werden in der Beschreibung nicht nochmals ausgeführt.

Der Prozessor 101, der Speicher 102 a und der Komparator 102 b der Digitalsignale verarbeitenden Einheit 10 haben hier andere Aufgaben als in der vorhergehenden Ausgestaltung.

Der Speicher 102 a speichert die Daten einer Grundwellenform, welche erhalten wird, wenn eine vorher festgelegte Winkelgeschwindigkeit an das faseroptische Gyroskop angelegt wird. Der Komparator 102 a vergleicht die Grundwellenformdaten mit solchen Wellenformdaten, welche eine vorher festgelegte Zeit nach dem Ausgangssignal der das Taktsignal erzeugenden Einheit 12 unter den von der Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 bereitgestellten Abtastdaten und bestimmt die Drehrichtung aus dem Ergebnis dieses Vergleichs. Der Prozessor 101 berechnet die Winkelgeschwindigkeit der Drehung.

Es werde angenommen, das faseroptische Gyroskop weise einen Normierungsfaktor, z. B. (8π NA/C) in Gleichung (1) auf, welcher mit 0,5 m angenommen werde, und einen Steuerbereich von 0° bis ±360°/sec. In diesem Falle addiert ein Gyroskop geringerer Genauigkeit, wobei die fünfte und höhere harmonische Komponente des Ausgangssignales der signalerzeugenden Einheit A vernachlässigt werden können, die Wellenformen von der Grundmodulationsfrequenz S₁ bis zur vierthöheren harmonischen Komponente S₄ auf, wie in Gleichung (4) gezeigt:

F ( _m t) = 2 E₁E₂J₁ (2b sin (Φ/2)) sin R cos _m t
+ 2 E₁E₂J₂ (2b sin (Φ/2)) cos R cos2 _m t
+ 2 E₁E₂J₃ (2b sin (Φ/2)) sin R cos3 _m t
+ 2 E₁E₂J₄ (2b sin (Φ/2)) cos R cos4 _m t

welche sich mit der angelegten Winkelgeschwindigkeit und der Drehrichtung, wie in Fig. 5A-I gezeigt, verändern. Fig. 6 zeigt die Amplitudenhöhen und Polaritäten an den Punkten P₁, P₂, P₃ und P₄, welche in Intervallen von je 1/4 f vom Startpunkt P₀ in einer Periode der Modulationsfrequenz f derart angeordnet sind, daß sie zu einem vorher festgelegten Zeitraum nach dem Steuersignal zuzuordnen sind.

Fig. 7 zeigt eine Tabelle, in welcher auf die Amplitudenhöhe im Punkt P₀ und die Polarität der Amplitude im Punkt P₂ berücksichtigt sind. Der Wertebereich der Amplitudenhöhe A₀ im Punkt P₀ und die Amplitudenpolarität am Punkt P₂ sind durch die Drehrichtung und die Größe der Winkelgeschwindigkeit begrenzt.

Somit wird die Drehrichtung durch Überprüfung der in Fig. 7 gezeigten Bereiche bestimmt, zu denen der Grad der Polarität im Punkt P₀ und die Amplitudenpolarität im Punkt P₂ gehören.

Somit stellen die in dem Speicher 102 a gespeicherten Daten für die Grundwellenform Werte dar, welche Winkelgeschwindigkeiten von 0°/sec, 90°/sec, 180°/sec, -180°/sec, -270°/sec und 360°/sec der Amplitudenhöhe im Punkt P₀ zuzuordnen sind.

Eine Verfahrensfolge für den Signalprozessor 10 wird im folgenden unter bezug auf das in Fig. 8 gezeigte Fließdiagramm beschrieben.

Als erstes wird Schritt 1 ausgeführt, um das von der Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 digitalisierte Ausgangssignal der signalerzeugenden Einheit A abzutasten.

Dann wird Schritt 2 ausgeführt, um den Startpunkt P₀ in Abhängigkeit von einem vorher festgelegten Zeitraum nach dem Steuersignalausgang der Taktgebereinheit 12 festzulegen sowie die Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ nach jeweils einer viertel Periode folgen zu lassen.

In Schritt 3 wird die Amplitude in Punkt P₀ mit dem in dem Speicher 102 a gespeicherten Wellenformdaten verglichen und die Größe der Winkelgeschwindigkeit und die Drehrichtung, wie in Fig. 7 gezeigt, durch die Ergebnisse des Vergleichs mit der Amplitudenpolarität am Punkt P₂ erkannt.

In Schritt 4 wird die Winkelgeschwindigkeit unter Benutzung des Operationsausdruckes für die erkannten Größen der Winkelgeschwindigkeit berechnet, wie in Fig. 7 gezeigt wird.

Unterschiedliche Operationsausdrücke werden für unterschiedliche Werte der Winkelgeschwindigkeit bei der Herleitung einer Winkelgeschwindigkeit benutzt, um einen Wert von hoher Genauigkeit unter Vermeidung der Kumulation von Operationsfehlern sowie der Ausgabe eines unendlich großen Wertes zu erhalten.

Das faseroptische Gyroskop besitzt in dieser Ausgestaltung einen Normierungsfaktor von 0,5 und einen Steuerbereich von 0 bis ±360°/sec. Indes ist der Normierungsfaktor und der Steuerbereich des faseroptischen Gyroskops nicht durch die obigen Werte begrenzt, sondern kann für andere ausgewählte Werte ausgelegt sein.

In dieser Ausgestaltung wird die Drehrichtung erkannt, indem Amplitudenwerte und ähnliches mit einem Startpunkt zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt nach dem Taktsignal benutzt werden. Stattdessen kann die Drehrichtung unter Ausnutzung der Tatsache bestimmt werden, daß die zusätzlichen Wellenformen der Grundmodulationsfrequenz S₁ und der zweithöheren harmonischen Komponente S₂, wie in Fig. 9A und 9B gezeigt, in der ersten und zweiten Hälfte Wellenformen aufweisen, welche der Modulationsfrequenz des Phasenmodulators zugeordnet sind und in Abhängigkeit von der Drehrichtung variieren.

Somit zeigen die Werte eine abweichende Wellenform bezüglich der von der Wellenform und der Zeit-Achse gebildeten Fläche oder im absoluten Betrag der maximalen Amplitudenhöhe unter Berücksichtigung der ersten und zweiten Halbperiode vom Nullpunkt nach dem Taktsignal, und es werden Maßstab oder Größenordnung solcher Daten miteinander verglichen. Zu diesem Zweck werden charakteristische Werte von Wellenformvariationen unter Berücksichtigung der Drehrichtung im voraus in dem Speicher gespeichert, und die Drehrichtung wird durch Vergleich der oben erwähnten Maßstäbe oder Größenordnungen mit den gespeicherten Daten ermittelt.

In diesem Falle wird die Drehung als vorwärts (cw) betrachtet, wenn die Werte für die zweite Halbwellenform größer als die für die erste Halbwelle sind.

Modifikationen der vorher beschriebenen Abtastmethode über sich entsprechende Zeiträume werden im folgenden aufgezählt.

(1) In den beschriebenen Ausgestaltungen wird das Abtastimpulssignal von dem Ausgangssignal des Vergleichssignalgenerators 12 a abgetrennt. Stattdessen kann das Abtastimpulssignal durch einen phasensynchronisierenden, mit dem synchronisierenden Signal des Phasenmodulators 6 synchronisierten Schaltkreis erzeugt werden.
(2) Die beschriebenen Ausgestaltungen benutzten eine Abtastmethode über sich entsprechende Zeiträume, welche die für eine Periode benötigten Anzahl von Proben aus drei Perioden erhält. Dies ist nicht die einzig mögliche Methode. Die für eine Periode notwendige Probenanzahl kann aus einer beliebigen Anzahl von Perioden erhalten werden.
(3) In den beschriebenen Ausgestaltungen werden die Daten von einer einzigen Analog-/Digital-Umwandlereinheit 9 unter Benutzung der Sammelmethode über sich entsprechende Zeiträume gesammelt. Alternativ dazu kann eine Vielzahl von Analog-/Digital-Umwandlereinheiten, wie in Fig. 10 gezeigt, verwendet werden. In diesem Fall führen die Analog-/Digital-Umwandlereinheiten die Datensammlung mit Hilfe von Abtastimpulsen mit den Frequenzen f _s ₁ - f _sn (f _s = 8f _m )in den vorhergehenden Ausgestaltungen während einer Periode der Basisfrequenz fm aus, welche den jeweiligen Analog-/Digital-Umwandlereinheiten zugeführt werden. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß der Steuerbereich so weit erhöht werden kann, daß das gesamte Abtasten innerhalb einer Periode abgeschlossen ist bei Verwendung billiger und langsamer Analog-/Digital-Umwandlereinheiten.
(4) Die Sammelmethode der sich entsprechenden Zeiträume, wie in den vorhergehenden Ausgestaltungen beschrieben, kann für eine Vielzahl von Analog-/Digital-Umwandlereinheiten, wie in obigem Absatz (3) beschrieben, angewandt werden.

Claims

1. Phasenmoduliertes faseroptisches Gyroskop, welches signalerzeugende Vorrichtungen aufweist, welche aus einer Lichtquelle (2), einem optischen Leiter (3) zur rechts- bzw. linksdrehenden Fortpflanzung des Lichtes von der Lichtquelle (2) und einem Phasenmodulator (6) zur Modulation des sich durch jenen optischen Leiter (3) fortpflanzenden Lichtes besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß es fotoelektrische Umwandlervorrichtungen (7) aufweist, welche ein von den signalerzeugenden Vorrichtungen erhaltenes optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandeln und
daß es signalverarbeitende Vorrichtungen (8) aufweist, mit welchen eine Drehrichtung und eine Winkelgeschwindigkeit aus dem von jenen fotoelektrischen Umwandlervorrichtungen (7) erhaltenen Signal abgeleitet wird, wobei jene signalverarbeitenden Vorrichtungen (8) Analog-/Digital-Umwandlervorrichtungen (9) zur Umwandlung des von jenen fotoelektrischen Umwandlervorrichtungen erhaltenen elektrischen Signals direkt in ein digitales Signal aufweisen sowie Digitalsignale verarbeitende Vorrichtungen zur Ausführung von auf dem von jenen Analog-In-Digital-Umwandlervorrichtungen (9) erhaltenen digitalen Signal basierenden Winkelberechnungen.

2. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Generator (12 a) zur Erzeugung von zeitlich konstanten Abtastimpulsen aufweist, welcher wiederholt und zeitlich gestaffelt über eine Vielzahl von Perioden hinweg ein Abtastimpulssignal für eine Periode des elektrischen Ausgangssignals von jenen fotoelektrischen Umwandlervorrichtungen erzeugt, wobei die Analog-/Digital-Umwandlervorrichtungen (9) bei Ansprechen durch das Abtastimpulssignal in der Lage sind, ein Eingangssignal für eine Vielzahl von Perioden in ein digitales Signal umzuwandeln und dabei jene Digitalsignale verarbeitenden Vorrichtungen eine Auswertung durch Rückgewinnung eines einer Periode jenes digitalen Signals zuzuordnenden Signales vornehmen.

3. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analog-/Digital-Umwandlervorrichtungen eine Vielzahl von Analog-/Digital-Umwandlern (9) aufweisen sowie einen Generator (12 a) für zeitlich konstante Abtastimpulse, welcher wiederholt sowie zeitlich gestaffelt über eine Vielzahl von Perioden Abtastimpulssignale für eine Periode des elektrischen Signals von den fotoelektrischen Umwandlervorrichtungen (7) erzeugt, wobei die Analog-/Digital-Umwandler (9) in der Lage sind, bei Ansprechen durch die Abtastimpulssignale ein Eingangssignal für eine Vielzahl von Perioden in ein digitales Signal zu bestimmten, den verschiedenen Umwandlern zugeordneten Zeitpunkten umzuwandeln und daß die die Digitalsignale verarbeitenden Vorrichtungen (10) eine Auswertung durch Rückgewinnung eines zu einer Periode als einem Teil des digitalen Signals zuzuordnenden Signales vornehmen.

4. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Digitalsignale verarbeitende Vorrichtung (10) Verarbeitungsvorrichtungen (101) aufweist, welche das Eingangssignal einer Hochgeschwindigkeits-Fourier-Transformation unterwerfen, sowie Speichervorrichtungen (102 a) zur Speicherung vorzeichenselektiver Vergleichsdaten aufweist, welche realen und imaginären Zahlenanteilen eines Fourier-Transformations-Wertes zuzuordnen sind, wobei das Vorzeichen des realen Zahlenanteils des Fourier-Transformations-Wertes durch Vergleich des aus von den verarbeitenden Vorrichtungen (10) erhaltenen Fourier-Transformations-Wertes mit den vorzeichenselektiven Vergleichsdaten zur Festlegung einer Drehrichtung bestimmt wird.

5. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Digitalsignale verarbeitende Vorrichtung (10) in der Lage ist, eine Drehrichtung durch Vergleich der in dem digitalen Eingangssignal enthaltenen und auf den Komponenten eines synchronisierenden, mit einem Modulationssignal synchronisierten Signal des Phasenmodulators (6) basierenden Informationen mit im voraus gespeicherten Informationen über eine Grundwellenform festzustellen.