DE68904860T2

DE68904860T2 - Ringresonator-gyroskop.

Info

Publication number: DE68904860T2
Application number: DE8989309288T
Authority: DE
Inventors: Allan R Malvern
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1988-10-04
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1993-09-09
Anticipated expiration: 2009-09-14
Also published as: EP0363027A3; NO893825D0; NO893825L; DE68904860D1; EP0363027B1; EP0363027A2; US5018858A; GB8823250D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ringresonatorgyroskop.
Es wird nunmehr ein bekanntes Ringresonatorgyroskop unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In dieser Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ringresonatorgyroskops,
Fig. 2 die Elemente in einem Frequenz- und Pfadlängensteuersystem für das Ringresonatorgyroskop nach Fig. 1,
Fig. 3 die Resonanzcharakteristik eines Ringresonatorgyroskops,
Fig. 4 die Veränderung der Lichtintensität bei zwei Frequenzen Wc und 2Wc als Funktion einer Verstimmung gegenüber dem Leitungszentrum.
In Fig. 1 ist ein Ringresonatorgyroskop 10 dargestellt, welches durch Einleitung eines Laserlichtstrahles in einen Resonator betrieben wird, wobei im Uhrzeigersinn (CW) und im Gegenuhrzeigersinn (CCW) umlaufende Strahlen erzeugt werden. Das Ringresonatorgyroskop 10 weist einen Faserresonator 12 auf, der durch Verbindung einer Länge einer optischen Faser 14 mit sich selbst gebildet ist, wobei ein Koppler 16 mit einem hohen Koppelverhältnis die Verbindung herstellt.
Ein Laser 18 erzeugt einen Laserstrahl mit einem schmalen Frequenzband, der durch einen Strahlteiler 20 aufgeteilt wird, damit das Licht in beiden Richtungen im Faserresonator 12 umlaufen kann, und es wird eine getrennte Überwachung des Lichtes in jeder Richtung möglich.
Akusto-optische Deflektoren 22 und 24 sind in jedem Pfad angeordnet, damit die relativen Frequenzen der CCW- und CW-Strahlen eingestellt werden können. Der CW-Strahl wird durch einen Spiegel 25 nach dem Deflektor 24 abgelenkt. Mikroskopobjektive 26 und 27 fokussieren das Laserlicht auf die Enden der Faser 14.
Teile der CW- und CCW-Strahlen verlassen den Faserresonator 12 über den Koppler 16. Strahlteiler 28 und 29 reflektieren die austretenden CW- und CCW-Strahlen auf Photodetektoren 30 bzw. 32.
Die Ausgangsintensität wird von der kohärenten Addition sämtlicher kombinierter verzögerter Wellen variabler Amplitude und Phase abgeleitet und hängt von der Kopplungsrate des Kopplers 16 der Wellenlänge der Laserquelle und der Verzögerungszeit des Faserresonators 12 ab.
Fig. 3 zeigt die Resonanzcharakteristiken eines Faserresonators. Wenn der Phasenpfad des Faserresonators durch Änderung der Länge des Faserresonators oder durch Änderung der Wellenlänge der Quelle geändert wird, dann ändert sich die Resonanzcharakteristik wegen der sich ergebenden Änderung in den relativen Phasen der kombinierenden Wellen. Wenn der Phasenpfad eine ganze Zahl von Wellenlängen ist, dann liefert die Resonanzcharakteristik eine Null. Die Intensität innerhalb der Schleife hat eine inverse Funktion gegenüber jener des Ausgangs. Bei Resonanz, d. h. bei einer Ausgangsintensität von Null, zirkulieren die Wellen kontinuierlich innerhalb der Schleife, und ein Verlust tritt durch Streuung von der Schleife ein.
Resonanzspitzen treten bei Frequenzen auf, die im Abstand des ''freien Spektralbereichs'' (FSR) des Faserresonators voneinander getrennt sind. Dabei ist
FSR = c/nL
wobei c = Lichtgeschwindigkeit
n = Brechungsindex der Faser
L = Länge des Faserresonators.
Die Qualität des Hohlraums wird durch die ''Feinheit'' (F) definiert, und diese ist das Verhältnis von FSR zur Resonanzleitungsbreite (Δf):
F = FSR/Δf
Wenn man einen typischen Faserresonator betrachtet, bei dem die Schleifenlänge 10 m beträgt, dann beträgt der Abstand zwischen den Moden etwa 20 MHz, und wenn die Feinheit des Resonators 100 ist, dann ist die halbe Breite der Resonanz 200 kHz.
In Fig. 1 wird das Licht, das auf den Photodetektor 30 trifft, benutzt, um die Pfadlänge des Faserresonators 12 zu steuern, um die Resonanz aufrechtzuerhalten. Dies wird dadurch bewirkt, daß ein elektrisches Steuersignal einem zylindrischen piezoelektrischen Wandler (PZT) 34 zugeführt wird, um den die Faser 14 herumgewickelt ist und der eine Streckung der Faser 14 bewirkt.
Gemäß Fig. 2 ist eine Frequenz- und Pfadlängensteuervorrichtung allgemein mit 40 bezeichnet, und diese umfaßt:
- zwei Verstärker 42 und 44 mit geringem Rauschpegel, an die die Photodetektoren 30 bzw. 32 angeschlossen sind;
- einen Differenzialverstärker 46, dem der Ausgang der Verstärker 42 und 44 zugeführt wird;
- einen Oszillator 48, der bei einer Frequenz Wc arbeitet und an zwei Einfangverstärker 50 und 52 angeschlossen ist, deren Eingänge an die Ausgänge des Verstärkers 42 mit geringem Rauschpegel bzw. an den Differenzialverstärker 46 angeschlossen sind;
- zwei Integratoren 54 und 56, deren Eingänge an die Einfangverstärker 50 bzw. 52 angeschlossen sind;
- einen Hochspannungsverstärker 58, dessen Eingänge an den Oszillator 48 und den Integrator 54 angeschlossen sind und dessen Eingang mit dem PZT verbunden ist;
- einen Spannungs/Frequenz-Wandler 60, der einen Eingang aufweist, welcher mit dem Integrator 56 verbunden ist, während sein Ausgang an den akusto-optischen Deflektor 22 angeschlossen ist.
In Fig. 2 wird die Differenz in der Intensität der CW- und CCW-Strahlen durch die Photodetektoren 30 und 32 bei der Frequenz Wc festgestellt und als Fehlersignal benutzt, um die Frequenz des akusto-optischen Deflektors 24 auf das Minimum der CW-Resonanz einzustellen.
Die Pfadlänge wird durch Anwendung einer sinusförmigen Modulation bei dem PZT 34 bei einer Frequenz Wc (im typischen Fall 10 kHz) über den Hochspannungsverstärker 58 geändert. Wenn die Pfadlänge nicht genau eingehalten wird, dann tritt am Photodetektor 30 ein Signal mit der Frequenz Wc auf, dessen Vorzeichen bestimmt, welche Seite der Resonanz die Faserlänge hat. Fig. 4 zeigt die Veränderung der Lichtintensität bei Frequenzen Wc und 2Wc als Funktion der Verstimmung gegenüber einem Zentrum. Die Intensitätskurve geht im Zentrum durch Null und kann so als Fehlersignal benutzt werden, um die Pfadlänge im Hinblick auf das Leitungszentrum einzustellen. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung erreicht dies durch ein synchrones Detektorschema unter Benutzung des Einfangverstärkers 50 mit dem Bezugssignal bei der Frequenz Wc. Wenn eine Versetzung in der Pfadlänge am Pfadlängenservo eintritt (so daß das Servo nicht im exakten Minimum der CW-Resonanz befindlich ist), dann würde dies auch auf dem CCW-Strahl auftreten, da die Pfadlänge beide Richtungen in gleicher Weise beeinflußt, so daß das Signal, das das Frequenzservo antreibt, (d. h. welches den akusto-optischen Deflektor 24 antreibt), nur auf die nicht-reziproken Signale anspricht.
Der akusto-optische Deflektor 22 wird auf einer festen Frequenz für den CCW-Strahl gehalten. Das Licht in dem CW-Strahl geht durch den akusto-optischen Deflektor 24, der eine variable Frequenzversetzung gemäß dem Ausgang vom Spannungs/Frequenz-Wandler 60 liefert.
Ein Nachteil der in Fig. 2 dargestellten Anordnung besteht darin, daß sie nur eine geringe Unterdrückung gemeinsamer Moden bewirkt, was von den relativen Verstärkungen der beiden rauscharmen Verstärker 42 und 44 abhängt. Es kann auch eine geringe Intensitätsdifferenz zwischen dem Licht bestehen, das auf die beiden Photodetektoren 30 und 32 auffällt, wodurch wiederum die Wirksamkeit dieses Schemas im Hinblick auf eine Unterdrückung von Signalfehlern mit gemeinsamem Mode vermindert wird.
Ein im wesentlichen gleicher Sensor ist in der EP-A-0189907 beschrieben.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Frequenzsteuersystem für ein Ringresonatorgyroskop zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Steuerung der Frequenz eines Lichtstrahls in einem Ringresonatorgyroskop geschaffen, in dem im Betrieb zwei Strahlen vorhanden sind, von denen der eine als CW-Strahl und der andere als CCW-Strahl umläuft, mit den folgenden Merkmalen:
- ein erster Kanal weist einen ersten Detektor auf, um einen Teil des CW-Strahls zu empfangen, und es ist ein erster Verstärker vorgesehen, um ein Signal von dem ersten Detektor zu verstärken und um ein CW-Signal zu erzeugen;
- ein zweiter Kanal weist einen zweiten Detektor auf, um einen Teil des CCW-Strahls zu empfangen, und es ist ein zweiter Verstärker vorgesehen, um ein Signal von dem zweiten Detektor zu verstärken und um ein CCW-Signal zu erzeugen;
- es sind Mittel vorgesehen, um die CW- und die CCW- Signale zu vergleichen;
gekennzeichnet ist das System durch Verstärkungssteuereinrichtungen, um die Verstärkungsdifferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal aufzuheben.
Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes System ermöglicht eine beträchtlich größere gemeinsame Modenunterdrückung bei jeder Pfadlängenversetzung infolge von Fehlern des Pfadlängenservos, und dadurch wird die Arbeitsweise des Ringresonatorgyroskops verbessert.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bewirkt die Verstärkungssteuereinrichtung eine Verstärkung des ersten und zweiten Verstärkers.
Das System kann Mittel aufweisen, um die Pfadlänge des Ringresonatorgyroskops bei einer Frequenz Wc zu modulieren, und es können Mittel vorgesehen sein, um die relativen Intensitäten der Signale bei einer Frequenz 2Wc in den CW- und CCW-Strahlen zu vergleichen, wobei die Verstärkersteuereinrichtungen die Intensitätsdifferenzen benutzen, um ein Verstärkungssteuersignal zu erzeugen.
Sowohl das CW-Signal als auch das CCW-Signal weist eine große zweite Harmonische auf, deren Amplitude in der ersten Größenordnung unabhängig von der Abstimmung in der Nähe des Linienzentrums ist. Es ist gewiß etwas weniger empfindlich gegenüber der Pfadlängenposition in der Nähe des Linienzentrums als die erste Harmonische, wie dies aus Fig. 4 erkennbar ist. Die relative Intensität der zweiten Harmonischen liefert daher ein Steuersignal, um die Verstärkungsdifferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal auszugleichen.
Die Verstärkersteuereinrichtung kann ein Doppelkanalfilter in dem ersten und dem zweiten Kanal aufweisen, wobei jedes der Doppelkanalfilter Signale bei einer Frequenz von 2Wc auf einem Kanal zur Benutzung der Verstärkersteuerung auswählt und Signale bei einer Frequenz von 2Wc im anderen Kanal unterdrückt werden, um ein Signal zu liefern, welches zur Pfadlängensteuerung benutzbar ist.
Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel umfaßt die Verstärkungssteuereinrichtung einen Differenzialverstärker, um die Ausgänge der einen Kanäle des Doppelkanalfilters zu vergleichen, wobei dieser an einen Einfangverstärker angeschaltet ist, der auf 2Wc abgestimmt und mit einer Widerstandsanordnung verbunden ist, um die Verstärkung des ersten oder des zweiten Kanals zu steuern.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 5 der Zeichnung beschrieben. Diese Figur zeigt die verschiedenen Teile bei einem System zur Steuerung der Frequenz eines Lichtstrahls in einem Ringresonatorgyroskop und zur Steuerung der Resonatorpfadlänge.
In Fig. 5 sind jene Teile des Systems, das allgemein mit 100 bezeichnet ist, die gemeinsam mit dem bekannten System sind, welches oben beschrieben wurde, mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet.
Das System 100 umfaßt erste und zweite Kanäle 102 und 104 zur Abnahme der CW- und CCW-Strahlen und zur Erzeugung von CW- und CCW-Signalen, und es ist weiter eine Verstärkungssteuereinrichtung 106 vorgesehen.
Der erste Kanal 102 umfaßt einen Photodetektor 30, einen rauscharmen Verstärker 108 und einen Doppelkanalfilter 110 in Gestalt eines schaltbaren Kondensators. Der zweite Kanal 104 weist einen Photodetektor 32, einen rauscharmen Verstärker 112 und einen Doppelkanalfilter 114 in Form eines geschalteten Kondensators auf.
Die Verstärkersteuereinrichtung 106 ist dem zweiten Kanal 104 zugeordnet und weist einen Differenzialverstärker 116 auf, der an die Ausgänge der Filter 110 und 114 angeschlossen ist. Ferner sind ein Einfangverstärker 118, der auf 20 kHz abgestimmt ist, ein Integrator 119 und eine automatische Verstärkersteuervorrichtung 120 vorgesehen, die ein Multiplizierglied zur Steuerung der Verstärkung des ersten Kanals 102 aufweist. Die 20-kHz-Bezugsfrequenz und die 10-kHz-Bezugsfrequenz werden aus der gleichen Quelle abgeleitet und sind infolgedessen synchron.
Ein Instrumentenverstärker 122 empfängt die Ausgänge des A-Kanals von den Filtern 110 und 114 und liefert dem Einfangverstärker 52 ein Differenzsignal.
Im Betrieb wird das Licht von den CW- und CCW-Strahlen von den Photodetektoren 30 und 32 aufgenommen, und die dadurch erlangten Signale werden in den Verstärkern 108 bzw. 112 verstärkt. Das CCW-Signal wird einer variablen Verstärkungseinstellung in der automatischen Verstärkersteuereinrichtung 120 unterworfen, wodurch gewährleistet wird, daß die Amplituden der CW- und CCW-Signale gleich sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Trägerfrequenz von 10 kHz benutzt, die von einer schnelleren Taktfrequenz abgeleitet werden kann, aus der ebenfalls ein 20-kHz-Signal abgeleitet werden kann.
Die Filter 110 und 114 besitzen eine Null-Stelle bei 20 kHz auf den Kanälen ''A'', um den großen Anteil des 20-kHz- Signals zu unterdrücken, welches auf diesen beiden Kanälen vorhanden ist, im Vergleich mit dem geringen Anteil des 10-kHz-Signals, wenn die Abweichung von dem Linienzentrum klein ist. Durch die Ausfilterung des 20-kHz-Signals kann eine größere Verstärkung in späteren Stufen bewirkt werden, ohne eine Gefahr der Sättigung zur Verstärkung der kleinen 10-kHz-Signale, die vorhanden sind. Auf den Kanälen ''B'' befindet sich ein 20-kHz-Bandpaßfilter, der das 20-kHz- Signal hindurchtreten läßt, das in der Nähe der Linienmitte im wesentlichen konstant ist. Die beiden 20-kHz-Signale werden durch den Differenzialverstärker 116 verglichen, und die Differenz wird als Fehlersignal für den Einfangverstärker 118 benutzt. Der Ausgang vom Integrator 119 wird der automatischen Verstärkersteuerstufe 120 zugeführt, die ein Multiplizierglied aufweist, um die Verstärkung in dem zweiten Kanal 104 zu steuern.
Die beiden Kanalsignale ''A'' werden im Verstärker 122 des Instrumentariums voneinander abgezogen. Das Differenzsignal wird dann wie oben benutzt, um die Frequenz des akustooptischen Deflektors 24 zu steuern, um die Differenzfrequenz zwischen den CW- und CCW-Strahlen zu ändern.
Demgemäß benutzt das vorstehend beschriebene System die relativen Intensitäten der zweiten harmonischen Signale, die in den CW- und CCW-Strahlen vorhanden sind, um ein Steuersignal zu erzeugen und die Verstärkungsdifferenzen zwischen den Photodetektoren und Vorverstärkern in den ersten und zweiten Kanälen auszulöschen.
Diese Technik ermöglicht eine beträchtlich bessere Unterdrückung gemeinsamer Moden von irgendwelchen Pfadlängen, die infolge Fehlern im Pfadlängenservo versetzt sind, als dies bei bekannten Systemen der Fall ist. Typische Werte sind jene, bei denen die Pfadlänge bei 10&supmin;&sup4; der Linienbreite der Resonanz aufrechterhalten wird und dann mit einem Faktor von 100 eine Unterdrückung gemeinsamer Moden erfolgt, wobei eine Verstärkeranpassung nach der vorliegenden Erfindung erfolgt, wobei das Frequenzservo eine Genauigkeit bis zu 10&supmin;&sup6; einer Linienbreite haben sollte. Diese Verbesserung der Arbeitsweise führt direkt zu einer proportionalen Verminderung des Gyroskopvorspannfehlers.
Im Gegensatz dazu waren bei den bekannten Anordnungen nur gemeinsame Modenunterdrückungen mit einem Faktor von 10 zu erwarten, wenn eine Alterung und Temperaturstabilität der beiden Photodiodenvorverstärker in Betracht gezogen wird. Daher ergibt sich eine Verbesserung um einen Faktor von 10 im Hinblick auf die Vorspannung des Gyroskops, wenn die vorliegende Erfindung Anwendung findet.

Claims

1. System (100) zur Steuerung der Frequenz eines Lichtstrahles in einem Ringresonator-Gyroskop (10), in dem im Betrieb zwei Strahlen vorhanden sind, von denen der eine als CW-Strahl und der andere als CCW-Strahl umläuft, mit den folgenden Merkmalen:

ein erster Kanal (102) weist einen ersten Detektor (30) auf, um einen Teil des CW-Strahls zu empfangen, und es ist ein erster Verstärker (108) vorgesehen, um ein Signal von dem ersten Detektor (30) zu verstärken und um ein CW-Signal zu erzeugen;

ein zweiter Kanal (104) weist einen zweiten Detektor (32) auf, um einen Teil des CCW-Strahles zu empfangen, und es ist ein zweiter Verstärker (112) vorgesehen, um ein Signal von dem zweiten Detektor (32) zu verstärken und um ein CCW-Signal zu erzeugen;

es sind Mittel (122) vorgesehen, um die CW und CCW- Signale zu vergleichen,

gekennzeichnet durch Verstärkungssteuereinrichtungen (106), um die Verstärkungsdifferenzen zwischen dem ersten und zweiten Kanal aufzuheben.

2. System nach Anspruch 1, bei welchem die Verstärkungssteuereinrichtungen (106) die Verstärkung des ersten oder zweiten Verstärkers (108, 112) steuern.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, welches Mittel (24) aufweist, um die Pfadlänge des Ringresonator-Gyroskops bei einer Frequenz Wc zu modulieren und Mittel (122) vorgesehen sind, um die relativen Intensitäten der Signale bei einer Frequenz 2Wc in den CW und CCW-Strahlen zu vergleichen, wobei die Einrichtungen (106) die Intensitätsdifferenzen benutzen, um ein Verstärkungssteuersignal zu erzeugen.

4. System nach Anspruch 3, welches ein Doppelkanalfilter (110, 114) in dem ersten und in dem zweiten Kanal (A, B) aufweist, wobei jedes der Doppelkanalfilter (110, 114) Signale bei einer Frequenz von 2Wc auf einem Kanal zur Benutzung der Verstärkersteuerung auswählt und Signale bei einer Frequenz von 2Wc im anderen Kanal unterdrückt, um ein Signal zu liefern, welches zur Pfadlängensteuerung benutzbar ist.

5. System nach Anspruch 4, bei welchem die Verstärkungssteuereinrichtungen (106) einen Differentialverstärker (116) umfassen, um den Ausgang des einen Kanals der Doppelkanalfilter (110 und 114) zu vergleichen, und der an einen Einfangverstärker (118) angeschaltet ist, der auf 2Wc abgestimmt und mit einem Multiplizierkreis verbunden ist, um die Verstärkung des ersten oder des zweiten Kanals (A, B) zu steuern.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Doppelkanalfilter schaltbare Kondensatorfilter sind.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der erste Kanal (A) eine Pfadlängensteuereinrichtung (24) und der zweite Kanal (B) eine Frequenzsteuereinrichtung aufweist und bei welchem die Verstärkungssteuereinrichtung (106) dem zweiten Kanal (B) zugeordnet ist.