DE69010810T2

DE69010810T2 - Optischer Faserkreisel.

Info

Publication number: DE69010810T2
Application number: DE69010810T
Authority: DE
Inventors: Masashi Nishino; Kenichi Okada; Shu Tanigawa
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-09
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2010-08-10
Also published as: DE69025078D1; EP0418539A2; US5009480A; DE69025078T2; EP0587202A2; EP0418539A3; EP0418539B1; CA2022771C; DE69010810D1; EP0587202B1; EP0587202A3; CA2022771A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein faseroptisches Gyroskop des Null-Serrodyn-Modulations- Systems, das eine lineare Phasenrampenspannung verwendet.
Es ist ein faseroptisches Gyroskop mit großem Dynamikbereich und geringer Drift des Typs mit einem Grundphasenmodulator und einem Rampenphasenmodulator, die mit dem einen bzw. dem anderen Ende einer Lichtleitfaserspule verbunden sind, vorgeschlagen worden. Eine Vorspannung und eine Rampenspannung werden an den Grundphasenmodulator bzw. den Rampenphasenmodulator angelegt, um dadurch eine Phasendifferenz zwischen zwei Lichtstrahlen zu bewirken, die in entgegengesetzten Richtungen die Lichtleitfaserspule durchlaufen. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen, die die Lichtleitfaserspule durchlaufen und miteinander interferieren, wird anhand des Ausgangssignals eines Photodetektors gemessen. Das Meßausgangssignal wird dazu verwenden, die Polarität und Frequenz der Rampenspannung so zu steuern, daß die Phasendifferenz einen vorbestimmten Wert annehmen kann.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel solch eines herkömmlichen Lichtleitfasergyroskops.
Von einer Lichtquelle emittiertes Licht 12 gelangt über einen optischen Koppler 13 und einen Polarisator 14 zu einem optischen Koppler 15, wo es in zwei Lichtstrahlen 5a und 5b aufgespaltet wird. Das eine Licht 5a und das andere Licht 5b werden dem einen Ende 17a bzw. dem anderen Ende 17b einer Lichtleitfaserspule 17 zugeführt und pflanzen sich durch dieses als rechtsumlaufendes und linksumlaufendes Licht fort. Nach diesem Durchlaufen der Lichtleitfaserspule 17 werden die beiden Lichtstrahlen 7a und 7b von deren Enden 17b und 17a an den optischen Koppler 15 geliefert, wo sie miteinander interferieren. Das resultierende Interferenzlicht 9 gelangt über den Polarisator 14 und den optischen Koppler 13 zu einem Photodetektor 19 zur Umsetzung in ein elektrisches Signal, wie dies bei einem gewöhnlichen faseroptischen Gyroskop der Fall ist.
Zwischen dem optischen Koppler 15 und dem eine Ende 17a der Lichtleitfaserspule 17 ist ein Grundphasenmodulator 21 angeordnet, während zwischen dem optischen Koppler 15 und dem anderen Ende 17b der Lichtleitfaserspule ein Rampenphasenmodulator 22 angeordnet ist. Eine Vorspannung Bi wird von einem Oszillator 31 an den Grundphasenmodulator 21 angelegt, damit das dem einen Ende 17a der Lichtleitfaserspule 17 zu liefernde Licht 5a sowie dem optischen Koppler 15 von dem einen Ende 17a der Lichtleitfaserspule 17 zu liefernde Licht 7b, das die Lichtleitfaserspule 17 von deren anderem Ende 17b her durchlaufen hat, phasenverschoben werden. Zur gleichen Zeit wird eine Rampenspannung Ra von einem Rampenspannungsgenerator 40 an den Rampenphasenmodulator 22 angelegt, um das dem anderen Ende 17b der Lichtleitfaserspule 17 zu liefernde Licht 5b und das Licht 7a, das von derem einen Ende 17a her die Lichtleitfaserspule 17 durchlaufen hat und von dem anderen Ende 17b der Lichtleitfaserspule 17 dem optischen Koppler 15 geliefert wird, phasenzuverschieben. Das Ausgangssignal Va des Photodetektors 19 wird an einen später beschriebenen Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt 50 angelegt, in welchem die Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen 7a und 7b, die miteinander in dem optischen Koppler 15 interferieren, festgestellt wird, wie später beschrieben. Das Ausgangssignal Ve des Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitts 50 wird an den Rampenspannungsgenerator 40 angelegt, um die Polarität und die Frequenz der Rampenspannung Ra so zu steuern, daß die oben erwähnte Phasendifferenz einen vorbestimmten Wert erreichen kann, das heißt die Summe Δφ einer Sagnac-Phasendifferenz Δφs, die von dem Anlegen einer Winkelgeschwindigkeit Ω an die Lichtleitfaserspule 17 herrührt, und der Phasendifferenz Δφr, die von dem Anlegen einer Rampenspannung Ra an den Rampenphasenmodulator 22 herrührt, zu Null oder einem ganzzahligen Vielfachen von 2π rad. werden kann.
Die Vorspannung Bi ist eine Sinusspannung einer Frequenz fm, deren Halbperiode der Zeit τ entspricht, die für die Fortpflanzung der beiden Lichtstrahlen 5a und 5b durch die Lichtleitfaserspule 17 benötigt wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Phasenmodulation durch den Grundphasenmodulator 21, der mit einer solchen Vorspannung gespeist wird, dient dazu, eine Phasendifferenz von π/2 rad. zwischen den beiden Lichtstrahlen 7a und 7b, die die Lichtleitfaserspule 17 in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen haben und miteinander interferieren, zu bewirken, und dadurch einen Arbeitspunkt des faseroptischen Gyroskops einzustellen.
Die Rampenspannung Ra geht gemäß Darstellung in Fig. 3 ins Positive oder Negative. Durch die Phasenmodulation in dem Rampenphasenmodulator 22, der mit solch einer Rampenspannung gespeist wird, werden die beiden Lichtstrahlen 7a und 7b, die die Lichtleitfaserspule 17 in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen haben und miteinander interferieren, von 0 bis 2kπ rad. phasenverschoben (wobei k = ±1, ±2, ...), in der Praxis bis hinzu ±2π, wie durch φa und φb in Fig. 4 dargestellt. Durch Steuerung der Periode T der Rampenspannung Ra werden die Änderungsraten (das heißt die Gradienten) der Phasenverschiebungen φa und φb der beiden Lichtstrahlen 7a und 7b geändert, wodurch die Differenz zwischen den Phasenverschiebungen φa und φb, das heißt die Phasendifferenz Δφr gesteuert wird, um die Sagnac-Phasendifferenz Δφs aufzuheben, wie oben erwähnt.
Die Differenz zwischen der Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen 7a und 7b, die miteinander in dem optischen Koppler 15 interferieren, und der Phasendifferenz zwischen ihnen, welche durch den Grundphasenmodulator 21 eingeführt wird, ist gleich der Summe der Sagnac-Phasendifferenz Δφs und der Phasendifferenz Δφr, die von dem Rampenphasenmodulator 22 eingeführt wird, das heißt:
Δφ = Δφs + Δφr ... (1)
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist die Sagnac-Phasendifferenz Δφs durch folgenden Ausdruck gegeben:
wobei R der Radius der Lichtleitfaserspule 17, L die Länge der Lichtleitfaserspule 17, λ die Wellenlänge des Lichts, das sich durch die Lichtleitfaserspule 17 ausbreitet und C die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum ist.
Wie oben beschrieben, wird in dem Rampenphasenmodulator 22 das Licht 5b, das der Lichtleitfaserspule 17 an deren einem Ende 17b zugeführt wird, der Phasenverschiebung φb ausgesetzt die dem Wert der Rampenspannung Ra zu diesem Zeitpunkt entspricht, und nach Ablauf der Zeit τ wird das Licht 7a, das die Lichtleitfaserspule 17 von deren Ende 17a her durchlaufen hat und über das Ende 17b der Lichtleitfaserspule 17 dem optischen Koppler 15 zugeführt wird, der Phasenverschiebung φa unterzogen, die dem Wert der Rampenspannung Ra zu diesem Zeitpunkt entspricht. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω im Uhrzeigersinn angelegt wird und die Sagnac-Phasendifferenz Aφs negativ wird, wird die Rampenspannung Ra durch das Ausgangssignal Ve des Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitts 50 so gesteuert, daß, sie positiv wird, wie auf der linken Seite in Fig. 3 dargestellt. In diesem Fall stehen die Phasenverschiebungen φa und φb in einem solchen Verhältnis zueinander, wie es auf der linken Seite in Fig. 4 gezeigt ist, und die Phasendifferenz Δφr, die von dem Anlegen der Rampenspannung Ra an den Rampenphasenmodulator 22 herrührt, wird positiv. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω im Gegenuhrzeigersinn angelegt wird und die Sagnac-Phasendifferenz Δφs positiv wird, wird die Rampenspannung Ra vom Ausgangssignal Ve des Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitts 50 negativ gemacht, wie auf der rechten Seite in Fig. 3 gezeigt. Infolgedessen stehen die Phasenverschiebungen φa und φb in einem solchen Verhältnis, wie es auf der rechten Seite in Fig. 4 gezeigt ist, wodurch die Phasendifferenz Δφr negativ wird.
Wie aus Fig. 4 erkennbar, gilt die nachfolgende Gleichung, wenn man die Periode und die Frequenz der Rampenspannung Ra mit T bzw. fR bezeichnet:
Bezeichnet man den Brechungsindex von Licht in der Lichtleitfaserspule 17 mit n, dann gilt die folgende Beziehung:
τ = nL/C ... (4)
Das Einsetzen von Gleichung (4) in Gleichung (3) führt zu folgender Gleichung:
Durch Steuerung der Polarität und der Frequenz fR der Rampenspannung Ra derart, daß die durch Gleichung (1) ausgedrückte Phasendifferenz Δφ auf Null reduziert werden kann, das heißt
Δφr= -Δφs ... (6)
erhält man die Frequenz fR aus den Gleichungen (2) und (5) wie folgt:
Aufgrund von Gleichung (7) ergibt sich die Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω in Form folgender Gleichung:
In dem Fall, wo die Winkelgeschwindigkeit Ω im Uhrzeigersinn angelegt wird, das heißt in negativer Richtung, und die Rampenspannung Ra positiv wird, wird k + 1, während in dem Fall, wo die Winkelgeschwindigkeit Ω im Gegenuhrzeigersinn angelegt wird, das heißt in der positiven Richtung, und die Rampenspannung Ra negativ wird, k -1 wird. Folglich können die Richtung und die Größe der Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω aus der Polarität und der Frequenz fR der Rampenspannung Ra gemessen werden. Das tatsächliche faseroptische Gyroskop enthält einen Polaritätsdetektor zur Ermittlung der Polarität der Rampenspannung Ra und eine Zählschaltung zum Zählen der Frequenz fR (oder Periode T) der Rampenspannung Ra, diese sind jedoch der Kürze wegen in Fig. 1 nicht gezeigt. In dem Fall übrigens, wo die Winkelgeschwindigkeit Ω an die Lichtleitfaserspule 17 angelegt wird, führt die Spule 17 in einer Zeit 2π/Ω eine Umdrehung aus, und die Anzahl von Rampenimpulsen, die innerhalb dieser Zeitspanne erzeugt werden, 2π fR/Ω, wird aufgrund von Gleichung (7) zu -4R/(knλ) und ist unabhängig von der Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω konstant. Die Anzahl von Impulsen pro Umdrehung wird als Maßstabsfaktor bezeichnet.
Bezeichnet man die Frequenz und die Winkelfrequenz der Vorspannung Bi mit fm bzw. ωm, dann kann man die Ausgangsspannung Va des Photodetektors 19 wie folgt ausdrücken:
Hierin ist Vdc eine Gleichstromkomponente, Ka und Kb sind Konstanten, J2n(X) und J2n + 1(x) sind Bessel-Funktionen der ersten Art, der erste Term von Gleichung (9) ist eine Gleichstromkomponente, der zweite Term ist eine Komponente einer Frequenz, bei der es sich um ein geradzahliges Vielfaches der Frequenz fm der Vorspannung Bi handelt, und der dritte Term ist eine Komponente einer Frequenz, bei der es sich um eine ungeradzahlige Vielfache der Frequenz fm handelt.
In dem Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt 50 wird aus dem Ausgangssignal Va des Photodetektors 19 nur diejenige der in dem dritten Term von Gleichung (9) ausgedrückten Komponenten extrahiert, die die Frequenz fm aufweist, wenn n = 0. Die Komponente der Frequenz fm wird mittels eines Bezugssignals derselben Frequenz synchrondetektiert, und das folgende Detektorausgangssignal wird als das Ausgangssignal erhalten, das die Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen 7a und 7b, die miteinander in dem optischen Koppler 15 interferieren, festgestellt hat:
Vd = Kc J&sub1;(x)sinΔφ ... (10)
wobei Kc eine Konstante ist.
Da die Polarität und die Frequenz fR der Rampenspannung Ra so gesteuert werden, daß die Phasendifferenz Δφ auf Null reduziert werden kann, wie zuvor beschrieben, wird jedoch eine Komponente Vm der Frequenz fm, die in dem dritten Term von Gleichung (9) enthalten ist, in ihrem Pegel sehr niedrig, wie in Fig. 5 gezeigt, während eine Komponente Vs einer Frequenz 2fm, die in dem zweiten Term von Gleichung (9) enthalten ist, gemäß Darstellung einen deutlich höheren Pegel annimmt. Darüberhinaus wird die Frequenz fm der Vorspannung Bi gewöhnlich so eingestellt, daß ihre Halbperiode der Zeit τ entspricht, die für den Durchlauf von Licht 5a und 5b durch die Lichtleitfaserspule 17 erforderlich ist, das heißt wie folgt:
fm = 1/2 τ ... (11)
Das Einsetzen von Gleichung (11) in Gleichung (4) ergibt
fm = C/2nL ... (12)
Nimmt man im speziellen beispielsweise an, daß der Brechungsindex n von Licht in der Lichtleitfaserspule 17 1,47 beträgt und die Länge L der Lichtleitfaserspule 17 300 m beträgt, dann steigt die Frequenz fm bis hin zu etwa 430 kHz. Wenn das Ausgangssignal Va des Photodetektors 19 direkt an ein Bandpaßfilter angelegt wird, dessen Mittenfrequenz fm ist, dann wird seine Durchlaßbandbreite so groß, daß es unmöglich wird, die Komponente Vs der Frequenz 2fm genau von dem Ausgangssignal Va zu eliminieren und nur die Komponente Vm der Frequenz fm mit ausreichenden Pegel zu extrahieren.
Um dies zu vermeiden, wird das Ausgangssignal Va des Photodetektors 19 mit einem Überlagerungssignal einer Frequenz fca = fm + fr oder fcb = fm - fr überlagert, die sich geringfügig von der Frequenz fm unterscheidet, wodurch die Komponente Vm der Frequenz fm zu einer Zwischenfrequenz fr umgesetzt wird, die ausreichend niedriger liegt als die Frequenz fm. Das Ausgangsmischsignal wird an ein Bandpaßfilter angelegt dessen Mittenfrequenz die Zwischenfrequenz fr ist, und von dem Bandpaßfilter erhält man nur die Komponente der Zwischenfrequenz fr. Diese Komponente wird mittels eines Referenzsignals derselben Frequenz fr synchrondetektiert, wodurch das durch Gleichung (10) ausgedrückte Detektorausgangssignal Vd erhalten wird.
Dies soll unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben werden. Das Ausgangssignal Va des Photodetektors 19 wird an einen Vorverstärker 51 angelegt, der seine Gleichstromkomponente Vdc entfernt und seine Wechselstromkomponente verstärkt. Die Wechselstromkomponente wird einem Frequenzmischer 52 zugeführt, in welchen sie mit einem Überlagerungssignal Sca der Frequenz fca von einem Oszillator 32 gemischt wird. Die Frequenz fca liegt etwas höher als die Frequenz fm, wie in Fig. 5 gezeigt. Der Frequenzmischer 52 erzeugt ein Ausgangssignal Vc, das Komponenten Vr und Vh der Differenz und der Summe der Frequenzen fm und fca, eine Komponente VI der Differenz der Frequenzen 2fm und fca, etc. enthält. Das Ausgangssignal Vc des Frequenzmischer 52 wird an ein Bandpaßfilter 53 angelegt, dessen Mittenfrequenz die Zwischenfrequenz fr ist. Die Zwischenfrequenz ist beispielsweise zu 10 kHz gewählt. Da die Mittenfrequenz fr des Bandpaßfilters 53 deutlich niedriger als die Frequenz fm gewählt ist, kann die Durchlaßbandbreite des Filters 53 ausreichend schmal gemacht werden. Von den im Ausgangssignal Vc des Frequenzmischers 52 enthaltenen Komponenten haben mit Ausnahme der Komponente Vr der Frequenz fr die Komponenten Frequenzen, die höher sind als die Frequenz fcb ( = fm - fr), so daß das Filter 53 nur die Komponente Vr der Frequenz fr, das heißt die Komponente der Frequenz fr liefert, die von der Komponente Vm der Frequenz fm, welche im Ausgangssignal Va des Photodetektors 19 enthalten ist, umgesetzt wurde.
Die Komponente Vr der Zwischenfrequenz fr, die auf diese Weise von dem Bandpaßfilter 53 geliefert wird, wird mittels eines Wechselstromverstärkers 54 auf einen ausreichenden Pegel verstärkt und dann an einen Synchrondetektor 55 angelegt, von dem sie mittels eines Referenzsignals Sr der Frequenz fr synchrondetektiert wird und von dem das Detektorausgangssignal Vd, das durch Gleichung (10) ausgedrückt ist, als das Detektorausgangssignal der Phasendifferenz zwischen dem Licht 7a und 7b erhalten wird, welches in dem optischen Koppler 15 miteinander interferiert. Das Ausgangssignal Vd des Synchrondetektors 55 wird einem PID-(Proportional-Integral-Differential)-Filter 56 geliefert, dessen Ausgangssignal Ve als Ausgangssignal des Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitts 50 an den Rampenspannungsgenerator 40 geliefert wird, um die Polarität und die Frequenz fr der Rampenspannung Ra so zu steuern, daß die Phasendifferenz Δφ auf Null reduziert werden kann.
In dem Frequenzmischer 52 kann ein Überlagerungssignal Scb der Frequenz fcb = fm - fr anstelle des Überlagerungssignals Sca der Frequenz fca = fm + fr verwendet werden.
Das Referenzsignal Sr der Frequenz fr für die Synchrondetektierung wird auf folgende Weise erzeugt: Die Vorspannung Bi der Frequenz fm, die man vom Oszillator 31 erhält, und das Überlagerungssignal Sca oder Scb der Frequenz fca = fm + fr oder fcb = fm - fr, das von dem Oszillator 32 geliefert wird, werden in einem Frequenzmischer 33 miteinander gemischt. Das Ausgangsmischsignal wird einem Bandpaßfilter 34 geliefert, von dem man nur ein Signal der Zwischenfrequenz fr erhält. Dieses Signal wird einer Wellenformerschaltung 35 geliefert, von der man das Referenzsignal Sr als Rechtecksignal der Frequenz fr erhält.
Die Rampenspannung Ra, die an den Rampenphasenmodulator 22 angelegt wird, ist in Fig. 3 als eine ideale Rampenspannung ohne Rücklaufzeit dargestellt, obwohl es in der Praxis unmöglich ist, die Rücklaufzeit der Rampenspannung Ra auf Null zu reduzieren und die Rampenspannung Ra eine Rücklaufzeit von einigen zehn Nanosekunden oder mehr aufweist. Darüberhinaus ist es in der Praxis aufgrund der Charakteristiken des Rampenspannungsgenerators 40 und des Rampenphasenmodulators 22 auch unmöglich, daß die Maximalwerte der Phasenverschiebungen φa und φb durch den Rampenphasenmodulator 22 exakt auf ±2π rad. gesetzt werden.
Da die Rücklaufzeit in der Rampenspannung Ra vorhanden ist und da die Maximalwerte der Phasenverschiebung φa und φb nicht genau ±2π rad. werden, ist die Phasenverschiebung 26 zwischen den beiden Lichtstrahlen 7a und 7b, die die Lichtleitfaserspule 17 in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen haben und miteinander interferieren, mit einem Fehler behaftet, der sich aus der Grundwellenkomponente der Frequenz fR der Rampenspannung und harmonischen Komponenten mit Frequenzen zusammensetzt, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Dieser Fehler tritt als obere und untere Seitenbandkomponenten U1, U2, ..., und L1, L2, ... der Komponente Vm der Frequenz fm in dem Ausgangssignal Va des Photodetektors 19 auf, wie in Fig. 7 gezeigt. Da die Frequenz fR der Rampenspannung Ra sich mit der Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω ändert, ändern sich darüberhinaus auch die Frequenzen der oberen und unteren Seitenbandwellenkomponenten U1, U2, ... und L1, L2, ... mit der Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω.
Wenn deshalb die Frequenz fR gleich dem zweifachen Wert der Frequenz fr des Referenzsignals Sr für die zuvor erwähnte Synchronisation in dem Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt 50 ist, stimmt die obere oder untere Seitenbandwellenkomponente U1 oder L1 mit einer Frequenz fia = fm + 2fr bzw. fib = fm - 2fr überein, wie in Fig. 8 gezeigt und, wenn ein dreifacher Wert der Frequenz fR gleich dem zweifachen Wert der Frequenz fr ist, stimmt die obere oder die untere Seitenbandwellenkomponente U3 oder L3 mit der Frequenz fia bzw. fib überein, wie in Fig. 9 gezeigt. In Anwesenheit einer speziellen Eingangswinkelgeschwindigkeit, die zu fR = fr/n führt (wobei n = 1, 2, 3, ...), stimmt irgendeine der oberen Seitenbandwellenkomponenten U1, U2, ... oder irgendeine der unteren Seitenbandwellenkomponenten L1, L2, ... mit der Spiegelfrequenz fia oder fib der Frequenz fm entsprechend der Frequenz fca oder fcb des Überlagerungssignals Sca oder Sca überein. Folglich wird die obere oder die untere Seitenbandwelle mit dem Überlagerungssignal Sca oder Scb in dem Frequenzmischer 52 gemischt, daß heißt die oben erwähnte Seitenbandwelle wird zusammen mit der Komponente Vm der Frequenz fm zur Zwischenfrequenz fr umgesetzt. Die so zur Zwischenfrequenz fr umgesetzte Seitenbandkomponente wird über das Bandpaßfilter 53 an den Wechselstromverstärker 54 geliefert, und das verstärkte Ausgangssignal wird an den Synchrondetektor 55 geliefert, wodurch ein Maßstabsfaktorfehler in das Ausgangssignal des faseroptischen Gyroskops eingeführt wird.
Der Maßstabsfaktorfehler wird maximal, wenn die obere oder die untere Seitenbandwellenkomponente U1 oder L1 entsprechend der Grundwellenkomponente der Frequenz fR der Rampenspannung Ra mit der Spiegelfrequenz fia bzw. fib übereinstimmt, wie in Fig. 8 gezeigt. Wenn dagegen die obere oder die untere Seitenbandwellenkomponente U3 oder L3 entsprechend einer harmonischen Komponente, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz fR ist, mit der Spiegelfrequenz fia oder fib übereinstimmt, nimmt der Maßstabsfaktorfehler im allgemeinen ab, wie in Fig. 9 gezeigt.
Der Rampenphasenmodulator 22 weist üblicherweise einen optischen Einmodenwellenleiter auf, der durch Diffusion von Titan in einen elektrooptischen Kristall, etwa aus Lithiumniobat und einem Paar Elektroden gebildet ist, die gegenüberliegend an dem Wellenleiter angeordnet sind. Durch Anlegen der Rampenspannung Ra an das Elektrodenpaar wird der Brechungsindex des optischen Wellenleiters geändert, um die Phase von durchlaufendem Licht zu verschieben. Dabei leckt ein Teil des durch den optischen Wellenleiter laufenden Lichts entsprechend dem Wert der angelegten Spannung aus diesem heraus, so daß folglich die Intensität des den optischen Wellenleiter durchlaufenden Lichts von der Rampenspannung Ra moduliert wird und eine Änderung der Lichtintensität im Ausgangssignal Va des Photodetektors 19 als eine Grundwellenkomponente R&sub1; der Frequenz fR der Rampenspannung Ra und harmonische Wellenkomponenten R&sub2;, ..., Rn, ... mit Frequenzen auftritt, die ganzzahlige Vielfache der Frequenz fR, wie in Fig. 10 gezeigt.
Wenn die oben erwähnte Grundwellenkomponente R&sub1;, oder die harmonischen Wellenkomponenten R&sub2;, ..., Rn, ... in Anwesenheit einer speziellen Eingangswinkelgeschwindigkeit mit der Spiegelfrequenz fia oder fib übereinstimmen, werden die Grundwellenkomponenten R&sub1; oder die harmonischen Wellenkomponenten R&sub2;, ..., Rn, ... mit dem Überlagerungssignal Sca oder Scb in dem Frequenzmischer 52 des Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitts 50 gemischt, wodurch die oben erwähnte Komponente oder die Komponenten zusammen mit der Komponente Vm der Frequenz fm zu der Zwischenfrequenz fr umgesetzt werden. Die Grundwellenkomponente oder die harmonischen Wellenkomponenten, die so zur Zwischenfrequenz fr umgesetzt wurden, werden über das Bandpaßfilter 53 an den Wechselstromverstärker 54 geliefert und das verstärkte Ausgangssignal wird dem Synchrondetektor 55 zugeführt, wodurch ein Maßstabsfaktorfehler im Ausgangssignal des faseroptischen Gyroskops hervorgerufen wird.
Fig. 11 zeigt Änderungen des oben erwähnten Maßstabsfaktors mit der Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω bei dem in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen faseroptischen Gyroskop, wobei die Frequenz fr 10 kHz beträgt. Die der Frequenz fR der Rampenspannung Ra entsprechende Anzahl von Ausgangsimpulsen des faseroptischen Gyroskops ändert sich mit der Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω, während der Maßstabsfaktor des Ausgangssignals von dem faseroptischen Gyroskops, daß heißt die Anzahl von Ausgangsimpulsen des faseroptischen Gyroskops pro Umdrehung unabhängig von der Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω konstant sein sollte, wie zuvor erwähnt. Wie jedoch oben erwähnt, werden die Maximalwerte der Phasenverschiebungen φa und φb nicht genau 2π rad., da die Rücklaufzeit in der Rampenspannung Ra vorhanden ist oder infolge der Charakteristiken des Rampenspannungsgenerators 40 und des Rampenphasenmodulators 22 oder weil die Intensität des den optischen Wellenleiter durchsetzenden Lichts von der Rampenspannung Ra in dem Rampenphasenmodulator 22 moduliert wird. Deshalb weicht die Anzahl von Ausgangsimpulsen des faseroptischen Gyroskops pro Umdrehung von einem vorbestimmten Wert in der Nähe einer speziellen Eingangswinkelgeschwindigkeit ab, wie in Fig. 11 gezeigt, was einen Maßstabsfaktorfehler im Ausgangssignal des faseroptischen Gyroskops hervorruft. Der Grund für einen besonders großen Maßstabsfaktorfehler in der Nähe einer Eingangswinkelgeschwindigkeit von 34º/sec in Fig. 11 ist der, daß die obere oder die untere Seitenbandwellenkomponente U1 oder L1 entsprechend der Grundwellenkomponente der Frequenz fR der Rampenspannung Ra mit der Spiegelfrequenz fia oder fib übereinstimmt, worauf zuvor im Hinblick auf Fig. 8 verwiesen wurde.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein faseroptisches Gyroskop des Null- Serrodyn-Modulationssystems mit linearer Phasenrampen-Methode zu schaffen, bei dem der oben erwähnte Maßstabsfaktorfehler deutlich gering ist, und das deshalb eine sehr lineare Eingangs/Ausgangskennlinie aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem faseroptischen Gyroskop, wie es beansprucht wird, gelöst.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein externes Signal, das sich so ändert, daß sein integrierter Wert zu Null reduziert ist, dem Ausgangssignal des Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitts hinzuaddiert, und das addierte Ausgangssignal wird zur Änderung der Frequenz der Rampenspannung an den Rampenspannungsgenerator angelegt. Das externe Signal kann eines sein, daß sich aus einer Vielzahl von Sinuswellensignalen verschiedener Frequenzen zusammensetzt, oder ein Sinuswellensignal einer einzigen Frequenz, so lange es in der Lage ist, die Frequenz der Rampenspannung zu ändern; vorzugsweise ist dieses externe Signal jedoch weißes Rauschen.
Bei dem faseroptischen Gyroskop des obigen Aufbaus schwankt oder oszilliert die Frequenz der Rampenspannungen mit dem externen Signal selbst in Anwesenheit einer besonderen Eingangswinkelgeschwindigkeit, daß heißt die Frequenz der Rampenspannung schwankt. Dies bietet eine wesentliche Verringerung der Möglichkeit, daß die obere oder die untere Seitenbandwellenkomponente der Vorspannung oder die Grundwellenkomponente oder harmonischen Wellenkomponente der Rampenspannung, die im Ausgangssignal des Photodetektors in Anwesenheit einer besonderen Eingangswinkelgeschwindigkeit auftritt, zusammen mit der Frequenzkomponente der Vorspannung zu einer vorbestimmten Zwischenfrequenz umgesetzt und über ein Bandpaßfilter an einen Synchrondetektor angelegt wird. Da ferner die Frequenz der Rampenspannung in beiden Richtungen zunehmender und abnehmender Frequenz schwankt, heben sich positive und negative Maßstabsfaktorfehler gegenseitig auf. Folglich ist der Maßstabsfaktorfehler, der bei Anwesenheit einer besonderen Eingangswinkelgeschwindigkeit in das faseroptische Gyroskop eingeführt wird, wesentlich reduziert, womit die Linearität der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie des Gyroskops deutlich verbessert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, daß ein Beispiel eines herkömmlichen faseroptischen Gyroskops zeigt,
Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm einer Vorspannung in Fig. 1,
Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm einer Rampenspannung in Fig. 1,
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die Phasenverschiebungen von Licht mittels eines Rampenphasenmodulators in Fig. 1 zeigt,
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen mittels eines Frequenzmischers in Fig. 1 zu mischenden Signalen und der Frequenz des Ausgangsmischsignals zeigt,
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die typische Frequenzkomponenten in dem Ausgangssignal des Frequenzmischers in Fig. 1 zeigt,
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der an den Frequenzmischer in Fig. 1 anzulegenden Frequenzkomponente der Rampenspannung und der Frequenz ihrer Seitenbandwellenkomponente zeigt,
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel des Zusammenhangs der dem Frequenzmischer in Fig. 1 einzugebenden Spiegelfrequenz und der Frequenz ihrer Seitenbandwelle zeigt,
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die ein anderes Beispiel des Zusammenhangs zwischen der dem Frequenzmischer in Fig. 1 einzugebenden Spiegelfrequenz und der Frequenz von deren Seitenbandwelle zeigt,
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die die Zusammenhänge zwischen der Grundwellenkomponente und harmonischen Wellenkomponenten der Rampenspannung und der Spiegelfrequenz zeigt, die an den Frequenzmischer in Fig. 1 angelegt werden,
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, die beispielhaft Änderungen des Maßstabsfaktors mit einer Eingangswinkelgeschwindigkeit bei dem in Fig. 1 gezeigten faseroptischen Gyroskop zeigt,
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des faseroptischen Gyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und
Fig. 12A ist ein Schaltbild, das ein spezielles Betriebsbeispiel eines Externsignalgenerators in Fig. 12 zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 12 zeigt in Blockform eine Ausführungsform des faseroptischen Gyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung.
Diese Ausführungsform stimmt mit dem Beispiel des Standes der Technik von Fig. 1 darin überein, daß sie die Lichtquelle 11, den optischen Koppler 13, den Polarisator 14, den optischen Koppler 15, die Lichtleitfaserspule 17, den Photodetektor 19, den Grundphasenmodulator 21, den Rampenphasenmodulator 22, den den Vorspannungsgenerator bildenden Oszillator 31, den Rampenspannungsgenerator 40 und den Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt 50 enthält. In der Praxis sind ein Detektor zur Ermittlung der Polarität der Rampenspannung und ein Rampenfrequenzzähler vorgesehen, die jedoch aus Gründen der Kürze nicht dargestellt sind. Der Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt 50 umfaßt den Vorverstärker 51, den Frequenzmischer 52, das Bandpaßfilter 53, den Wechselstromverstärker 54, den Synchrondetektor 55 und das PID Filter 56, wie im Fall des Beispiels des Standes der Technik von Fig. 1, und die Betriebsweise des Schaltungsabschnitts 50 ist ebenfalls die gleiche wie jene beim Beispiel des Standes der Technik mit der Ausnahme, daß die Frequenz fR der Rampenspannung Ra durch ein externes Signal Vn variiert wird, wie später beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Rampenspannungsgenerator 40 einen Kondensator 41, einen Spannungs-Strom-Wandler 42, durch den eine Ausgangsspannung Vf eines Externsignalerzeugungs/Addierungs-Schaltungsabschnitts 60, bei der es um eine Eingangsspannung zum Rampenspannungsgenerator 40 handelt, zur Eingabe in den Kondensator 41 zu einem Strom umgewandelt wird, einen Schalter 43 zum Entladen des Kondensator 41, einen Spannungskomparator 45 zum Vergleich der Ladespannung des Kondensators 41 mit einer positiven Referenzspannung +Vpr, einen Spannungskomparator 46 zum Vergleich der Ladespannung des Kondensators 41 mit einer negativen Referenzspannung -Vmr, ein ODER-Glied 47 zum Erhalt der ODER-Verknüpfung der Ausgangssignale der Spannungskomparatoren 45 und 46 und einen monostabilen Multivibrator 48, der von dem Ausgangssignal des ODER-Glieds 47 getriggert wird, um den Schalter 43 zu schließen. Wenn die Ausgangsspannung Ve des Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitts 50 positiv wird und die Ausgangsspannung Vf des Externsignalerzeugungs/Addierungs-Schaltungsabschnitts 60 positiv wird, wird der Kondensator 41 positiv geladen, und, wenn seine Ladespannung die Referenzspannung +Vpr erreicht, nehmen das Ausgangssignal des Spannungskomparators 45 und damit das Ausgangssignal des ODER-Glieds 47 hohen Pegel an, wodurch der monostabile Multivibrator 48 getriggert wird und dadurch der Schalter 43 eingeschaltet wird, so daß durch ihn der Kondensator 41 entladen wird. Durch Wiederholen dieses Betriebs, entwickelt sich die positive Rampenspannung Ra, deren Maximalwert gleich der Referenzspannung +Vpr ist, über dem Kondensator 41 und macht die Ausgangsspannung Ve des Phasendifferenzdetektors/Steuer- Schaltungsabschnitts 50 negativ. Wenn die Spannung Vf des Externsignalerzeugungs/Addierungs-Schaltungsabschnitts 60 negativ wird, wird der Kondensator 41 negativ geladen. Wenn die Ladespannung die Referenzspannung -Vmr erreicht, nehmen das Ausgangssignal des Spannungskomparators 46 und damit das Ausgangssignal des ODER-Glieds 47 hohen Pegel an, wodurch der monostabile Multivibrator 48 getriggert wird, und dadurch der Schalter 43 eingeschaltet wird, so daß durch ihn hindurch der Kondensator 41 entladen wird. Durch Wiederholen dieses Betriebs entwickelt sich eine negative Rampenspannung, deren 16 Minimalwert gleich der Referenzspannung -Vmr ist, als Rampenspannung Ra über dem Kondensator 41.
Dabei wird ein Schaltelement, dessen Leckstrom im Ausschaltzustand und dessen Widerstand im Einschaltzustand ausreichend gering sind, etwa ein Feldeffekttransistor, als der Schalter 43 verwendet, und die Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators 48 ist so eingestellt, daß die Einschaltdauer des Schalters 43, daß heißt die Rücklaufzeit der Rampenspannung Ra ausreichend kurz ist.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Externsignalerzeugungs/Addierungs-Schaltungsabschnitt 60 zwischen dem Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt 50 und dem Rampenspannungsgenerator 40 vorgesehen. Der Externsignalerzeugungs/Addierungs-Schaltungsabschnitt 60 umfaßt einen Externsignalgenerator 61 und einen Addierer 62, durch den ein externes Signal Vn vom Externsignalgenerator 61 zur Ausgangsspannung Ve des Phasendifferenzdetektors/Steuer-Schaltungsabschnitts 50 hinzuaddiert wird, während das addierte Ausgangssignal Vf als die Ausgangsspannung des Externsignalerzeugungs/Addierungs-Schaltungsabschnitts 60 an den Rampenspannungsgenerator 40 angelegt wird.
Der Externsignalgenerator 61 kann einen beliebigen Schaltungsaufbau aufweisen, solange er ein Signal erzeugt, das sich so ändert, daß der Mittelwert oder die Integration seiner Wellenform auf Null reduziert werden kann. Beispielsweise kann ein Generator für weißes Rauschen eingesetzt werden, wie er in Fig. 12A gezeigt ist. Der Generator 61 für weißes Rauschen hat einen Aufbau, bei dem Schrotrauschen, das erzeugt wird, wenn Strom an eine Diode 63 angelegt wird, mittels zweier Verstärker 64 und 65 je tausendfach und damit insgesamt 10&sup6;-fach multipliziert wird, so daß ein weißes Rauschsignal Vn von etwa 4Vp-p erzeugt wird. Das so erzeugte weiße Rauschsignal Vn wird mittels des Addierers 62 dem Ausgangssignal Ve des Phasendifferenzdetektors/Steuer-Schaltungsabschnitts 50 hinzu addiert, und das addierte Ausgangssignal wird an den Rampenspannungsgenerator 40 angelegt, um die Frequenz fR der Rampenspannung Ra anzuheben und abzusenken.
Da die Frequenz fR der Rampenspannung Ra selbst in Anwesenheit einer speziellen Eingangswinkelgeschwindigkeit mit dem externen Signal Vn variiert, wie oben erwähnt, daß heißt, da die Frequenz fR der Rampenspannung Ra in beiden Richtungen der Zunahme und der Abnahme schwankt ist es nicht sehr wahrscheinlich, daß die oberen Seitenbandwellenkomponenten U1, U2, ... oder die unteren Seitenbandwellenkomponenten L1, L2, ..., wie etwa in Fig. 7 gezeigt, oder die Grundwellenkomponente R1 oder harmonische Wellenkomponenten R&sub2;, ..., Rn, ..., wie etwa in Fig. 10 gezeigt, zusammen mit der Komponente Vm der Frequenz fm zur Zwischenfrequenz fR umgesetzt werden, um danach über das Bandpaßfilter 53 und den Wechselstromverstärker 54 an den Synchrondetektor 55 geliefert zu werden. Da ferner die Frequenz fr der Rampenspannung Ra in den beiden Richtungen der Zunahme und der Abnahme schwankt, heben sich positive und negative Maßstabsfaktorfehler gegeneinander auf. Dies ermöglicht eine wesentliche Verringerung des Maßstabfaktorfehlers, der in das Ausgangssignal des faseroptischen Gyroskops in Anwesenheit einer besonderen Eingangswinkelgeschwindigkeit eingeführt wird, und verbessert damit merklich die Linearität der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie des Gyroskops.
Konkreter ausgedrückt, wenn weißes Rauschen als das externe Signal Vn verwendet wird, wird der Maßstabsfaktorfehler auf etwa 1/5 desjenigen des Standes der Technik verringert. Das PID- Filter 56 in dem Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt 50 kann durch ein Filter gleicher Funktion ersetzt werden.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, kann, da die Frequenz der Rampenspannung durch Belieferung des Rampenspannungsgenerators mit einem externen Signal, das zum Ausgangssignal des Phasendifferenzdetektors/Steuer-Schaltungsabschnitts hinzuaddiert wird, variiert wird, der oben erwähnte Maßstabsfaktorfehler im Ausgangssignal des faseroptischen Gyroskops wesentlich verringert werden, was zu einer merklichen verbesserten Linearität der Eingangs/Ausgangskennlinie des Gyroskops führt.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, den Maßstabsfaktorfehler stark zu verringern, der in das Ausgangssignal des faseroptischen Gyroskops in Anwesenheit einer besonderen Eingangswinkelgeschwindigkeit infolge des Vorhandenseins der Rücklaufzeit in der Rampenspannung eingeführt wird, die zur Phasenmodulation an den Rampenphasenmodulator angelegt wird. Damit kann die Linearität der Eingangs/Ausgangs-Kennlinie des faseroptischen Gyroskops wesentlich verbessert werden.
Es ist ersichtlich, daß viele Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Ansprüche, die die neuen Konzepte der vorliegenden Erfindung ausdrücken, zu verlassen.

Claims

1. Faseroptisches Gyroskop, umfassend:

eine Lichtquelle,

eine Lichtleitfaserspule,

einen optischen Koppler, von dem Licht von der Lichtquelle in zwei Teile zur Eingabe an dem einen Ende bzw. dem anderen Ende der Lichtleitfaserspule aufgeteilt wird, und durch den zwei Lichtstrahlen, die die Lichtleitfaserspule in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen haben und von ihr ausgegeben werden, miteinander zur Interferenz gebracht werden,

einen Photodetektor zur Detektierung des von dem optischen Koppler zur Verfügung stehenden Interferenzlichts,

einen zwischen dem optischen Koppler und einem Ende der Lichtleitfaserspule angeordneten Grundphasenmodulator,

einen Vorspannungsgenerator zur Erzeugung einer phasenmodulierenden Vorspannung einer vorbestimmten Frequenz, die an den Grundphasenmodulator angelegt wird,

einen Rampenphasenmodulator, der zwischen dem optischen Koppler und dem anderen Ende der Lichtleitfaserspule angeordnet ist,

einen Rampenspannungsgenerator zur Erzeugung einer phasenmodulierenden Rampenspannung, die an den Rampenphasenmodulator angelegt wird,

einen Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt, durch den eine Phasendifferenz zwischen den beiden miteinander in dem optischen Koppler interferierenden Lichtstrahlen anhand das Ausgangssignals des Photodetektors festgestellt wird und der Rampenspannungsgenerator von dem Detektorausgangssignal so gesteuert wird, daß die Phasendifferenz einen vorbestimmten Wert aufweisen kann,

eine Externsignalgeneratoreinrichtung zur Erzeugung eines variierenden externen Signals, und

eine Externsignaladdiereinrichtung, durch die das externe Signal zu dem Ausgangssignal des Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitts hinzuaddiert und das addierte Ausgangssignal an den Rampenspannungsgenerator angelegt wird, um dadurch die Frequenz der Rampenspannung Schwankungen auszusetzen.

2. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1, bei dem die Externsignalgeneratoreinrichtung ein Rauschgenerator zur Erzeugung weißen Rauschens als das externe Signal ist.

3. Faseroptisches Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das faseroptische Gyroskop ferner umfaßt: eine Überlagerungssignalgeneratoreinrichtung zur Erzeugung eines Überlagerungssignals einer um eine Zwischenfrequenz von der vorbestimmten Frequenz entfernt liegenden Frequenz, und bei dem der Phasendifferenzdetektor/Steuer-Schaltungsabschnitt einen Frequenzmischer enthält, durch den das Überlagerungssignal mit dem Ausgangssignal des Photodetektors gemischt wird, und eine Synchrondetektoreinrichtung, durch die eine Komponente der Zwischenfrequenz in dem Ausgangssignal des Frequenzmischers unter Verwendung eines Referenzsignals gleicher Frequenz wie die Zwischenfrequenz synchrondetektiert wird.