DE69001643T2

DE69001643T2 - Ringresonatorgyroskop.

Info

Publication number: DE69001643T2
Application number: DE9090306701T
Authority: DE
Inventors: Alan Richard Malvern
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1989-06-24
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1993-09-02
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: GB8914561D0; DE69001643D1; GB2233445A; US5141315A; JPH03115917A; EP0405821B1; JP2936204B2; EP0405821A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ringresonatorgyroskop.
Bei typischen Beispielen derartiger Gyroskope durchlaufen Strahlen im Uhrzeigersinn (CW) und im Gegenuhrzeigersinn (CCW) in entgegengesetzten Richtungen eine Resonatorschleife, und in jeder Richtung wird die Resonanz dadurch aufrechterhalten, daß die wirksame optische Länge über die Schleife geändert wird, entweder durch unmittelbare Änderung der Länge der Resonatorschleife, z. B. durch einen piezoelektrischen Wandler, oder durch Änderung der Frequenz des zugeordneten Strahls oder durch Veränderung der Quellenfrequenz. Wenn beide Richtungen in Resonanz befindlich sind, kann die dem Gyroskop aufgeprägte Drehgeschwindigkeit dadurch bestimmt werden, daß die Frequenzdifferenz zwischen den in Resonanz befindlichen CW- und CCW-Strahlen festgestellt wird und die Differenz durch einen skalaren Faktor dividiert wird.
Bei einem bestehenden Vorschlag für ein Ringresonatorgyroskop werden die Frequenzen der CW- und CCW-Strahlen durch akusto-optische Ablenkeinrichtungen oder serrodyne Phasenmodulation so verschoben, daß die CW- und CCW-Strahlen unterschiedliche Frequenzen haben.
Die US-A-4815851 beschreibt ein passives Ringresonatorgyroskop, in dem zwei Bragg-Zellen zur Frequenzverschiebung mit einer Technik benutzt werden, bei der der Trägermittelpunkt oder der Leitungsmittelpunkt des Trägersignals arretiert wird.
Gemäß der Erfindung ist ein Ringresonatorgyroskop vorgesehen, welches folgende Teile umfaßt:
- eine Resonatorschleife, die einen Uhrzeigersinn(CW)- Pfad und einen Gegenuhrzeigersinn(CCW)-Pfad definiert, wobei jeder Pfad jeweils ein CW- und CCW-Frequenzansprechen mit Resonanzen hat,
- Mittel, um in die Schleife im Uhrzeigersinn verlaufende (CW) und im Gegenuhrzeigersinn verlaufende (CCW) Strahlen einzuleiten,
- Mittel zur Modulation der CW- und CCW-Strahlen, um jeden Strahl mit einem Frequenzspektrum zu versehen, das einen Träger und zwei Seitenbänder enthält,
- wobei das Gyroskop außerdem Steuermittel aufweist, um das Gyroskop so zu steuern, daß ein ausgewähltes CW- Seitenband und ein ausgewähltes CCW-Seitenband im wesentlichen auf der jeweiligen CW- und CCW-Resonanz gehalten wird.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden, und ein Ausführungsbeispiel wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der optischen Anordnung eines Ringresonatorgyroskops gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, welche die Filterfunktionen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn veranschaulicht, wenn der Ringresonatorkreisel gemäß Fig. 1 gedreht wird, und
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Steuersystems zur Steuerung der Pfadlänge und Einstellung der Frequenz im Ringresonatorgyroskop gemäß Fig. 1 ist.
Gemäß Fig. 1 umfassen die optischen Komponenten des Ausführungsbeispiels des Ringresonatorgyroskops eine Laserquelle 10, einen integrierten optischen Chip 12, einen Koppler 14, einen Resonatorring 16 aus Fasern, die auf einem piezo-elektrischen Ring 18 aufgewickelt sind, und Photodetektoren 20 und 22. Licht von der Laserquelle 10 wird durch die Faser nach dem integrierten optischen Chip 12 geleitet, wo die folgenden Funktionen durchgeführt werden: Strahlspaltung und -wiedervereinigung; Strahlpolarisation und Phasenmodulation der CW- und CCW-Strahlen durch Phasenmodulatoren PM1 bzw. PM2. Das Licht, das in das integrierte optische Chip 12 eintritt, wird polarisiert und dann bei 24 in zwei gleiche Teile aufgespalten. Diese Teile durchlaufen dann zwei Fhasenmodulatoren PM1 und PM2 und werden dann in den Resonatorring 16 über den Koppler 14 eingekoppelt.
Die Filterfunktionen des Resonatorrings 16 in CW- und in CCW-Richtung bei Drehung sind in Fig. 2 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die CW- und CCW-' 'Kämme' ' gegeneinander um einen Betrag verschoben sind, der proportional der Drehgeschwindigkeit ist. Im Betrieb arretiert das Steuersystem gemäß Fig. 3 sowohl die CW- als auch die CCWRichtung in Resonanz, und es wird die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Resonanzkämmen abgelesen.
Beim Verlassen des Resonatorrings 16 wird das Licht bei 26 auf dem Rückweg durch das integrierte optische Chip 12 aufgespalten, und die CW- und die CCW-Abschnitte werden zwei Photodetektoren 20 bzw. 22 zugeführt. Die Photodetektoren haben bei diesem Beispiel eine große Bandbreite bis zu 20 MHz mit einem vernünftig niedrigen störanteil. Die Lichtintensität auf dem Detektor kann im typischen Fall zwischen 2 und 10 uw liegen. Die Resonatorspule ist im typischen Fall 10 in lang, und so beträgt der freie Spektralbereich oder der Modenabstand etwa 20 MHz.
Es wird nunmehr auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen. Eine Frequenz von 5 MHz (d. h. etwa ein Viertel des freien Spektralbereichs) wird dem Phasenmodulator PM1 mit niedriger Amplitude zugeführt, so daß eine Phasen- (oder Frequenz-) Modulation auftritt. Hierdurch wird ein Spektrum eines Trägers (bei der Arbeitsfrequenz der Laserquelle) mit zwei Seitenbändern erzeugt, nämlich dem oberen Seitenband (USB) und dem unteren Seitenband (LSB), die um 180º phasenversetzt sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Pfadlängen- Steuerschleife 24 benutzt, um die Faserlänge zu ändern unter Benutzung einer Spannung, die an den piezo-elektrischen Ring 18 angelegt wird, um das obere Seitenband (USB) des CCW-Strahls in Resonanz zu arretieren. In der Pfadlängen- Steuerschleife wird ein 5-MHz-Signal von einer Quelle 28 bei 30 frequenzmoduliert mit einer Abweichung von +/- 100 KHz mit einer Frequenz von 10 KHz und dann dem Phasenmodulator PM1 angelegt, um eine Frequenzmodulation auf den CCW-Strahl aufzuprägen, so daß dieser ein Spektrum aus Träger mit oberem Seitenband und unterem Seitenband hat. Die 10-KHz- Frequenzmodulation hat die Wirkung der Abtastung des Laserlichts (d. h. des oberen Seitenbandes) über der Resonanz. Wenn der CCW-Strahl den Resonatorring 16 verläßt, gelangt er nach dem Photodetektor 22, der ein Signal liefert, das einer Mischstufe 32 zugeführt wird, die mit einer festen Frequenz von 5 MHz gespeist wird und ein Tiefpaßfilter enthält, um die Information bei 10 KHz zu erlangen. Das Signal wird mit 10 KHz auf dem 5-MHz-Signal amplitudenmoduliert. Nach Verlassen der Mischstufe 32 wird das Signal gespalten, und ein Teil gelangt nach einem Phasendetektor 34, der das Signal demoduliert. Das demodulierte Signal wird bei 36 integriert und bei 38 verstärkt und dann dem piezo-elektrischen Ring 18 zugeführt.
Eine Geschwindigkeitssteuerschleife 40 bewirkt eine Arretierung des oberen Seitenbandes des CW-Strahls in der Resonanz. In der Geschwindigkeitssteuerstufe wird ein (5 + δ)-MHz-Signal von einer Quelle 42 bei 44 frequenzmoduliert mit einer Abweichung von +/- 100 KHz bei einer Frequenz von 10 KHz, und dann erfolgt eine Zuführung nach dem Phasenmodulator PM2, um eine Frequenzmodulation für den CW-Strahl herbeizuführen und einen Träger mit oberem und unterem Seitenband zu schaffen. Wenn der CW-Strahl den Resonatorring 16 verläßt, gelangt er nach dem Photodetektor 20, der ein Signal der Mischstufe 44 liefert, die auch mit dem (5 + δ)-MHz-Signal gespeist wird und ein Tiefpaßfilter enthält, um die 10-KHz-Information zu erlangen. Das Signal von der Mischstufe 44 wird einem Differentialverstärker 46 zugeführt, wobei das Signal von der anderen Mischstufe 32 und die Differenz in der Lichtintensität zwischen den beiden Richtungen durch einen phasenempfindlichen Detektor 48 demoduliert werden und das demodulierte Signal bei 50 integriert und einem spannungsgesteuerten Oszillator 52 zugeführt wird, um den Wert von ∂ einzustellen. Das Ausgangs-(d. h. das Geschwindigkeits-)Signal kann durch Mischung der 5-MHz- und (5 + δ)-MHz-Signale oder dadurch gewonnen werden, daß ein Differenzzähler benutzt wird, und auf diese Weise erhält man einen Digitalausgang proportional zu der Geschwindigkeit, d. h. 3 ist die Ausgangsfrequenz proportional zur Geschwindigkeit.
Sowohl in der Pfadlängensteuerschleife 24 als auch in der Geschwindigkeitssteuerschleife 40 gibt es ein großes Signal von 5 MHz, wenn der Träger, das obere und das untere Seitenband außer Resonanz sind. Wenn der Träger in Resonanz ist, dann gibt es kein Signal bei 10 MHz, weil der Träger durch die Filterfunktion des Resonators ausgeschaltet ist. Es gibt ebenfalls eine Phasenumkehr bei der Resonanz, die erforderlichenfalls eine Arretierung auf dem Träger durch eine phasenempfindliche Detektortechnik bei 5 MHz ermöglicht. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird jedoch die Arretierung auf einem Seitenband (USB) bewirkt, wo eine Phasenumkehr des 5-MHz-Signals stattfindet.
Es wird nunmehr speziell auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Frequenz von 5 MHz ist eine feste Frequenz und sie gewährleistet, daß dann, wenn das obere Seitenband in Resonanz befindlich ist, das untere Seitenband zwischen zwei Resonanzstellen liegt. Auf diese Weise ergibt sich keine Signalveränderung vom unteren Seitenband, da dies der flache Teil der Kurve ist.
Um eine Arretierung auf einem Seitenband vorzunehmen, werden 5 MHz CCW (und 5 + δ MHz CW) mit einer Abweichung von 100 KHz und einer Frequenz von 10 KHz, wie oben beschrieben, moduliert. Beide Richtungen besitzen die gleiche Frequenzmodulation. Das obere Seitenband und das untere Seitenband laufen infolge der 10-KHz-Modulation in entgegengesetzten Richtungen, und dies wird benutzt, um zu gewährleisten, daß das obere Seitenband arretiert wird und nicht das untere Seitenband, indem auf die Phase des Servo geschaut wird.
Bei dem in den Fig. 1 und 3 beschriebenen System wird durch die Differenzbildung der Ausgänge der beiden Detektoren die gleiche gemeinsame Modenunterdrückung bewirkt, da ein Pfadlängenfehler andernfalls auf der Geschwindigkeitsschleife als Geschwindigkeitsfehler auftreten würde. Eine weitere Verbesserung kann dadurch erlangt werden, daß das Schema benutzt wird, welches in der EP-A-363027 beschrieben ist, auf die Bezug genommen wird und gemäß welcher beide Pfade in Resonanz sind und die relativen Stärken der auf die Photodetektoren mit der zweifachen 10-KHz-Modulationsfrequenz auftreffenden Signale verglichen und benutzt werden, um eine automatische Verstärkungssteuerstufe einzustellen, um die Verstärkungsdifferenzen zwischen den Photodetektoren und den zugeordneten Vorverstärkern auszuschalten.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde das obere Seitenband von CW- und CCW-Strahl in Resonanz arretiert; es ist jedoch klar, daß statt dessen auch das untere Seitenband von CW-Strahl und/oder CCW-Strahl arretiert werden könnte.

Claims

1. Ringresonatorgyroskop, welches die folgenden Teile umfaßt:

- eine Resonatorschleife (16), die einen Uhrzeigersinn- Pfad (CW) und einen Gegenuhrzeigersinn-Pfad (CCW) definiert, wobei jeder Pfad ein jeweiliges CW- und CCW-Frequenzansprechen mit Resonanzen besitzt,

- Mittel (12) zum Einleiten von Uhrzeigersinn(CW)- und Gegenuhrzeigersinn (CCW)-Strahlen,

- Mittel (28, 30, PM1; 42, 44, PM2) zur Modulation der CW- und CCW-Strahlen, um jeden mit einem Frequenzspektrum zu versehen, das aus einem Träger und zwei Seitenbändern (oberes Seitenband oder unteres Seitenband) besteht,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gyroskop außerdem Steuermittel (24; 40) aufweist, um das Gyroskop so zu steuern, daß ein ausgewähltes Band von den CW-Seitenbändern (beispielsweise das obere seitenband) und ein gewähltes der CCW-Seitenbänder (beispielsweise das obere Seitenband) im wesentlichen auf CW- und CCW-Resonanz gehalten wird.

2. Ringresonatorgyroskop nach Anspruch 1, bei welchem Steuermittel (24; 40) einen der CW- und CCW-Strahlen steuern, um die Frequenz des zugeordneten Seitenbandes (oberes Seitenband) relativ zum Träger zu verschieben, um das Seitenband (oberes Seitenband) im wesentlichen auf Resonanz zu halten, und wobei eine Verschiebung im Frequenzansprechen des anderen Pfads der CW- und CCW-Pfade verursacht wird, um das Seitenband aufrechtzuerhalten, das dem anderen Strahl der CW- und CCW-Strahlen bei Resonanz zugeordnet ist.

3. Ringresonatorgyroskop nach Anspruch 2, bei welchem die Steuermittel eine Einrichtung (18) umfassen, um die optische Pfadlänge der Resonatorschleife (16) zu ändern und dadurch eine Verschiebung im Frequenzansprechen des anderen Strahls von CW- und CCW-Strahlen zu bewirken.

4. Ringresonatorgyroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Steuermittel (24; 40) ein festes Frequenzmodulationssignal einem der CW- und CCW-Strahlen aufprägen und ein variables Frequenzmodulationssignal dem anderen der CW- und CCW-Strahlen.

5. Ringresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das seitenband das obere Seitenband ist.

6. Ringresonatorgyroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Frequenzabstand der Seitenbänder (USB, LSB) von dem jeweiligen Träger etwa ein Viertel des freien Spektralbereichs der Resonatorschleife (16) beträgt.

7. Ringresonatorgyroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel zur Modulation (28, 30, PM1; 42, 44, PM2) eine Servoschleife mit einem ersten Detektor (20) und einem ersten Verstärker aufweisen, um einen Teil des CW-Strahls zu empfangen und ein CW-Signal zu liefern, wobei eine zweite Servoschleife mit einem zweiten Detektor (22) und einem zweiten Verstärker einen Teil des CCW-Strahls empfängt und ein CCW-Signal liefert, wobei eine Verstärkungssteuerung auf die Intensitäten der CW- und CCW- Strahlen anspricht, die bei Resonanz ermittelt wurden, um den ersten und zweiten Verstärker so zu steuern, daß die Verstärkungsdifferenzen zwischen erster und zweiter Servoschleife im wesentlichen ausgelöscht werden.

8. Ringresonatorgyroskop nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinrichtung eine erste Steuerschleife (24) aufweist, die auf Änderungen in der optischen Pfadlänge des Resonators ansprechen, und außerdem eine zweite Steuerschleife (40), die auf Änderungen der angelegten Geschwindigkeit anspricht, wobei jede Steuerschleife ein Seitenband der CW- und CCW-Seitenbänder in der jeweiligen Resonanz hält.

9. Ringresonatorgyroskop nach Anspruch 9, welches Mittel (28) aufweist, um einen gemeinsamen Trägerstrahl mit einer festen Frequenz zu modulieren, um einen der CW- und CCW- Strahlen zu erzeugen, und Mittel (42), die den Trägerstrahl mit einer einstellbaren Frequenz modulieren, um den anderen von CW- und CCW-Strahlen zu liefern.