DE69022072T2

DE69022072T2 - Phasenmodulierter faseroptischer Kreisel.

Info

Publication number: DE69022072T2
Application number: DE69022072T
Authority: DE
Inventors: Kenji Okamoto
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-03-08
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: EP0511684A3; DE69009533T2; EP0511684A2; EP0511684B1; CA2011698A1; DE69009533D1; DE69022072D1; CA2011698C; EP0386739B1; EP0386739A2; EP0386739A3; US5048961A

Description

Diese Erfindung betrifft ein phasenmoduliertes Faseroptikgyroskop entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Faseroptikgyroskop ist eine Vorrichtung zum Messen der Winkelgeschwindigkeit von einem sich bewegenden Objekt. Monochromatisches Licht wird an gegenüberliegenden Enden einer Spule aus vielen Windungen einer Monomode-Optikfaser eingespeist und wird gleichzeitig im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhhrzeigersinn übertragen, wobei das aus einem Ende der Spule austretende Licht mit dem aus dem anderen Ende austretenden Licht interferiert. Wenn die Faseroptikspule um ihre eigene Achse gedreht wird, ergibt sich eine Phasendifferenz zwischen den zwei Lichtstrahlen. Diese Phasendiffferenz ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Drehung, man kann die Winkelgeschwindigkeit der Drehung aus der Phasendifferenz ermitteln.
Wenn die Phasendifferenz und die Winkelgeschwindigkeit mit Δθ und Ω bezeichnet wird, gilt die folgende Beziehung:
Δθ = 4πLaΩ/cλ (1)
worin L die Faserlänge der Sensorspule, a der Spulendurchmesser, c die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum und λ die Wellenlänge des Lichts im Vakuum ist. Dieser Effekt wird Sagnac-Effekt genannt und ist wohlbekannt.
In der Praxis jedoch ist es nicht leicht, die Phasendifferenz Δθ zu erfassen, weil sie nicht drehungsbedingte Abweichungen enthält, die dem optischen System innewohnen. Diese Proportionalabweichungen unterliegen merklichen Variationen infolge Temperaturänderung. Ein weiteres Problem besteht darin, daß das Ausgangssignal einer Lichtempfangseinrichtung in einem Faseroptikgyroskop der einfachsten Art in der Form von (1 + cosΔθ) erscheint. Daraus resultiert eine niedrige Empfindlichkeit und ein Unvermögen, die Drehrichtung zu erfassen, wenn Δθ klein ist.
Um diese Schwierigkeiten zu bewältigen, sind drei unterschiedliche Arten von Faseroptikgyroskopen vorgeschlagen worden, welche nach den Prinzipien der Freguenzmodulation, Phasenmodulation bzw. Phasenverschiebung arbeiten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Faseroptikgyroskop, das nach dem Prinzip der Phasenmodulation arbeitet.
Die Grundkonstruktion eines phasenmodulierten Faseroptikgyroskops ist unten in bezug auf Fig. 1 beschrieben. Eine Phasenmodulation wird über eine piezoelektrische Einrichtung erzeugt, um welche ein Endteil des Optikfaserkabels in der Sensorspule gewunden ist. Durch Aufnehmen des Terms erster Ordnung der modulierten Welle kann die Phasendifferenz in der Form von sinΔθ bestimmt werden.
Von einer Lichtemissionseinrichtung 1 ausgehendes kohärentes Licht wird durch einen Strahlteiler 2 in zwei Strahlen aufgespaltet. Einer der zwei Strahlen wird durch eine Kopplungslinse 4 zum Konvergieren gebracht und in ein Ende A eines Optikfaserkabels 5 eingekoppelt. Dieser Strahl wird durch die Sensorspule 6 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragen. Der andere Strahl wird durch eine Kopplungslinse 3 zum Konvergieren gebracht und in ein Ende B der Optikfaser 5 eingespeist und durch die Sensorspule 6 im Uhrzeigersinn übertragen.
Der größere Teil des Optikfaserkabels 5 bildet die Sensorspule 6, und nur der Teil nahe dem Ende B ist um die piezoelektrische Einrichtung gewunden, um eine Phasenmodulationseinrichtung 7 zu bilden.
Ein Oszillator 10 erzeugt eine Oszillatorspannung, welche bewirkt, daß sich die piezoelektrische Einrichtung ausdehnt oder zusammenzieht. Das Phasenmodulationsteil 8 des optischen Faserkabels ist auf die piezoelektrische Einrichtung gewunden, so daß es sich mit der piezoelektrischen Einrichtung ausdehnt oder zusammenzieht, um ein Lichtsignal zu erzeugen, welches eine modulierte Komponente enthält.
Der im Uhrzeigersinn durch den Phasenmodulationsteil 8 und die Sensorspule 6 übertragene Lichstrahl tritt aus dem Ende A aus, und der andere im entgegengesetzten Uhrzeigersinn durch die Sensorspule 6 und den Phasenmodulationsteil 8 übertragene Lichtstrahl tritt an dem Ende B aus. Die austretenden Lichtstrahlen werden durch den Strahlteiler 2 wieder zusammengeführt und als ein einziger Lichtstrahl in eine Lichtempfangseinrichtung 9 eingekoppelt, welche eine quadratische Gleichrichtung bzw. Detektion bezüglich des Interferenzlichtes durchführt.
Da die Phasenmodulationseinrichtung 7 asymmetrisch in bzeug auf das Faseroptikkabel 5 angeordnet ist, wird das im Uhrzeigersinn übertragene Licht zu einer geringfügig anderen Zeit phasenmoduliert als das entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragene Licht. Die Zeit τ, die das Licht benötigt, um durch die Sensorspule 6 zu treten, ist gegeben durch:
τ = nL/c (2)
worin L die Faserlänge der Sensorspule 6 und n der Brechungsindex des Faserkerns ist. Wenn die Phasenmodulationseinrichtung 7 nahe am Ende B angeordnet wird, wird das im Uhrzeigersinn übertragene Licht zuerst phasenmoduliert, bevor es in die Sensorspule 6 eingekoppelt wird. Andererseits tritt das entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragene Licht durch die Sensorspule 6 hindurch, bevor es in die Phasenmodulationseinrichtung 7 eingespeist wird.
Die Winkelfrequenz von einem Modulationssignal soll mit Ω bezeichnet werden. Da die Zeitdifferenz zwischen der durch die Einrichtung 7 bewirkten Phasenmodulation und dem Einkoppeln des Lichts in die Lichtempfangseinrichtung 9 τ beträgt, ist die Phasendifferenz des im Interferenzlicht enthaltenen Modulationssignals gegeben durch:
= Ωτ (3)
Wie oben beschrieben ist, führt der Sagnac-Effekt zu einer Phasendifferenz Δθ zwischen dem im Uhrzeigersinn und dem entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragenen Licht, und die an den zwei Lichtstrahlen durchgeführte Phasenmodulation schaffen eine zusätzliche Phasendifferenz von in dem phasenmodulierten Anteil.
Wenn die durch die Phasenmodulationseinrichtung 7 bewirkte Amplitude mit b bezeichnet wird, ist die Feldstärke des im Uhrzeigersinn übertragenen Lichts gegeben durch:
ER = Eo sin {ωt + Δθ/2 + b sin (Ωt + )} (4)
und die Feldstärke des entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn
übertragenen Lichts ist gegeben durch:
EL = Eo sin {ωt - Δθ/2 + b sin (Ωt)} (5)
Die zwei Lichtstrahlen mit diesen Feldstärken werden in der Lichtempfangseinrichtung 9 einer quadratischen Gleichrichtung bzw. Detektion unterzogen. Das Ausgangssignal der Lichtempfangseinrichtung S(Δθ, t) ist gegeben durch:
s(Δθ,t) = Eo² cos {Δθ ÷ 2bsin /2 cos(Ωt + /2)} + D. C. + {nicht kleiner als 2ω} (6)
worin D.C. die Gleichspannungskomponente und ω die Anzahl der Schwingungen von Lichtwellen bezeichnet, und wobei 2ω eine Komponente mit der doppelten Anzahl von Schwingungen ω repräsentiert. Ein solches schnelles Signal kann nicht durch die Lichtempfangseinrichtung 9 erfaßt werden und ist daher Null. Das Ausgangssignal aus der Lichtempfangseinrichtung 9 enthält die phasenmodulierte Komponente , und so kann die Phasendifferenz Δθ in Verbindung mit der Amplitude des Modulationssignals bestimmt werden.
Wenn die Gleichspannungskomponente eliminiert ist, kann S(Δθ, t) in der folgenden Form neu geschrieben werden.
S(Δθ,t) = Eo ²cos Δθ cos {2bsin /2 cos(Ωt + /2)} - sin Δθsin {2bsin /2 cos(Ωt + /2)}) (7) Diese kann durch Bessel-Funktionsterme entwickelt werden. Durch die Entwicklung der Erzeugungsfunktion von Bessel-Funktionen erhalten wir:
Wenn t = exp iθ, erhalten wir:
Durch Entwickeln des Real- und Imaginärteils der Gleichung (9), kann Ss, welches der Sinusanteil von S(Δθ, t) ist, und Sc, welches sein Cosinusanteil ist, in eine Reihe entwickelt werden. Wir definieren wie folgt:
S(Δθ,t) = (Sc cos Δθ + Ss sin Δθ) Eo² (10)
Durch Ausfuhren einer Umwandlung θ T θ + π/2 und Verwenden des bekannten Ausdrucks von Bessel-Funktionen, d.h.,
J-n(X) = (-)n Jn (X) (11)
(wobei n eine positive ganze Zahl ist), zusammen mit der folgenden Substitution:
ξ 2 bsin /2 (12)
erhalten wir:
Durch die Gleichungen (13) und (14) kann das Signal S(Δθ, t) in der folgenden Weise geschrieben werden:
Dies ist die Entwicklung der Modulationsfreguenz Ω durch harmonische Wellen. Eine gewünschte harmonische Komponente kann beim Durchgang durch ein Filter erhalten werden. Wenn der Term erster Ordnung der Entwicklung als die Fundamentalkomponente P und der Term zweiter Ordnung als die zweite harmonische Komponente Q bezeichnet wird, können die folgenden Gleichungen erhalten werden:
P (t) = 2 Eo²J&sub1; (ξ)cosΩ t sin Δθ (16)
Q (t) = 2 Eo²J&sub2; (ξ)cos 2Ωt cos Δθ (17)
In den meisten Fällen wird die Fundamentalkomponente P erfaßt, um Δθ zu bestimmen. Um ein Maximum zu erreichen, wird die Empfindlichkeit für P, J&sub1; (ξ) maximiert. Zu diesem Zweck wird der Modulationsindex in solcher Weise eingestellt, daß gilt ξ = 1,8. In diesem Falle beträgt Jo(ξ) ungefähr 0,3.
Die vorangehende Beschreibung betrifft den Grundaufbau eines phasenmodulierten Faseroptikgyroskops im Betrieb.
Wenn Δθ durch Erfassen der Fundamentalkomponente P bestimmt wird, muß der Modulationsindex ξ konstant gehalten werden. Andererseits wird der Wert von J&sub1;(ξ) schwanken. Ein früher vorgeschlagenes Verfahren zum Aufrechterhalten eines konstanten Wertes des Modulationsindex besteht in der Überwachung der zweiten harmonischen Komponente Q, um den Wert J&sub2;(ξ) zu bestimmen. Dieses Verfahren ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. (JPA 61-124817) 59-244641 beschrieben. Das Signal Ω und das Signal 2Ω, welches ein ganzzahliges Vielfaches dieses Signals ist, werden aus der Treiberschaltung einer Phasenmodulationseinrichtung aufgenommen. Das Ausgangssignal einer Lichtempfangseinrichtung wird einer synchronen Erfassung auf der Basis dieser zwei Signale unterworfen. Das erfaßte Ausgangssignal wird durch ein Tiefpaßfilter geschickt, um eine Niederfrequenzkomponente zu erhalten. Die zweite harmonische Komponente Q ist:
Q = 2 Eo² J&sub2;(ξ) cosΔθ (18)
Da der Modulationsindex ξ konstant gehalten werden muß, wird die Phasenmodulationseinrichtung in einer solchen Weise gesteuert, daß Q konstant ist. Mit anderen Worten, ξ wird gesteuert, um den Wert 1,8 anzunehmen. Wenn ξ 1,8 beträgt, beträgt J&sub2; ungefähr 0,3. Wenn ξ größer als 1,8 wird, erhöht sich J&sub2; und umgekehrt. Dadurch kann ξ durch Konstanthalten von Q auf 1,8 eingestellt werden.
Wenn die Lichtmenge aus der Licht emittierenden Einrichtung konstant ist, kann Δθ unmittelbar aus P(t), das durch Gleichung (16) erhalten wird, bestimmt werden. Praktisch jedoch wird die Amplitude des Lichts Eo schwanken, und so werden scheinbar unterschiedliche Ausgangssignale für den gleichen Wert von Δθ bedingt durch Schwankungen der Lichtmenge erzeugt.
Wegen der Einfachheit wurde bei der vorangehenden Beschreibung angenommen, daß die zwei Lichtstrahlen, von denen einer im Uhrzeigersinn und der andere entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragen wird, die gleiche Amplitude Eo aufweisen. Aber das ist in praktischen Situationen nicht der Fall. Wenn es notwendig ist, die Amplituden der zwei Lichtstrahlen zu unterscheiden, wird die Amplitude des im Uhrzeigersinn übertragenen Lichts mit E&sub1; und diejenige des entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragenen Lichts mit E&sub2; bezeichnet. Mit anderen Worten, das in der vorangegangen Diskussion aufgetretene Quadrat von Eo sollte durch E&sub1;E&sub2; ersetzt werden.
Die JPA-60-135816 (der Ausdruck "JP-A", wie er hier verwendet wird, bedeutet "nichtgeprüfte veröffentlichte japanische Patentanifleldung") schlägt ein steuersystem vor, welches für eine konstante Gleichspannung im Ausgangssignal sorgt. Aber das mit der Menge an reflektiertem Licht verbundene Problem wird in diesem Patent nicht diskutiert. Mit dem Ausdruck "reflektiertes Licht" sind solche Lichtkomponenten gemeint, welche von den Randflächen von Linsen, Fasern und anderen Teilen des optischen Systems reflektiert werden. Diese Komponenten werden nicht zur Messung der Winkelgeschwindigkeit beitragen, bilden aber einen Störunterguund. Im Unterschied dazu tritt das Signallicht durch die Sensorspule hindurch und trägt zur Messung der Winkelgeschwindigkeit bei.
Die Lichtempfangseinrichtung empfängt sowohl Signallicht als auch reflektiertes Licht. Das reflektierte Licht tritt nicht durch die Sensorspule hindurch. Das in der JP-A-60-135816 beschriebene Steuersystem geht entweder von der Abwesenheit von reflektiertem Licht oder der Anwesenheit von reflektiertem Licht, das in der gleichen Weise variiert wie das Signallicht, aus. Nur in dem Fall gilt die Feststellung, daß das Konstanthalten der Gleichspannungskomponente der Konstant-Steuerung der Amplitude des Lichts äquivalent ist. In der Praxis jedoch wird die Menge an reflektiertem Licht, die auf keinen Fall zu vernachlässigen ist, in die Lichtempfangseinrichtung eingespeist. Reflektiertes Licht schwankt nicht in der gleichen Weise, wie es das Signallicht tut, oder man kann sagen, daß es stark schwankt. Der Phasenmodulationsindex wird auch manchmal schwanken. Daher resultiert das Konstanthalten der Gleichspannungskomponente nicht notwendig in einer konstanten Amplitude des Signallichts.
Wie bereits erwähnt wurde, leidet das Faseroptikgyroskop nach dem Stand der Technik an dem Problem, daß merkliche Veränderungen der Lichtmenge auftreten, welche von der Licht emittierenden Einrichtung ausgesandt wird, um in das optische Faserkabel eingespeist zu werden. Mit anderen Worten können merkliche Variationen der Amplitude Eo auftreten. Daher werden, bedingt durch diese Variationen der Lichtmenge, scheinbar unterschiedliche Ausgangssignale für die gleiche Winkelgeschwindigkeit erzeugt.
Die JP-A-61-147106 schlägt ein Steuersystem vor, welches in der Lage ist, ein konstantes Niveau der Gleichspannungskomponente in dem Signal aufrechtzuerhalten. Die oben bereits zitierte JP-A-60-135816 schlägt vor, daß die Wirkung von Variationen der Lichtmenge durch Teilen der phasenmodulierten Frequenzkomponente des Signals durch die Gleichspannungskomponente beseitigt wird. Ein phasenmoduliertes Faseroptikgyroskop, das mit der zweiten harmonischen Komponente, die konstant gesteuert wird, arbeitet, ist auch vorgeschlagen worden (siehe die bereits zitierte janpanische Patentanmeldung Nr. 59-244641). Die zweite harmonische Komponente enthält J&sub2;(ξ) und dessen Konstanthaltung wurde äquivalent zur Konstantsteuerung des Phasenmodulations- Index angesehen. Jedoch ist die Konstanthaltung der Gleichspannungskomponente keinesfalls äquivalent zur Konstantsteuerung der Lichtmenge. Die Gleichspannungskomponente enthält Δθ in der Form von cosΔθ. Die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 59-244641 beschriebene Erf indung geht von der Näherung Δθ ≈ 0 aus und steuert die Gleichspannungskomponente, damit sie konstant wird, unter der Annahme, daß sie proportional zur Intensität des von der Licht emittierenden Einrichtung ausgehenden Lichts ist. Die Phasendifferenz Δθ hat jedoch manchxnal eine solche Größe, daß sie nicht vernachlässigt werden kann. Wenn Δθ von wesentlicher Größe ist, führt die Näherung Δθ ≈ 0 zu Ungenauigkeiten.
Der Lösungsweg der Aufrechterhaltung eines konstanten Wertes der zweiten harmonischen Komponente, um den Phasenmodulationsindex konstant zu halten, führt zu den folgenden Problemen.
Wie Gleichung (17) zeigt, weist die zweite harmonische Komponente Q nicht nur den Term J&sub2;(ξ) auf, sondern auch den Termin cosΔθ. Die zweite harmonische Komponente wird auf der Basis der Näherung, daß Δθ ungefähr Null ist, konstant gehalten. Diese Näherung ist jedoch auf keinen Fall genau, wenn Δθ groß ist. Dies wird eventuell dazu fuhren, daß ein konstanter Wert des Phasenmodulationsindex nicht aufrechterhalten werden kann.
Teilen der Fundamentalkomponente durch die Gleichspannungskomponente verursacht die folgenden zusätzlichen Probleme. Die Gleichspannungskomponente D des Interferenzlichts, welche das Ausgangssignal der Lichtempfangseinrichtung darstellt, kann geschrieben werden als:
D = 1/2 (E&sub1;² + E&sub2;²) ÷ E&sub1; E&sub2; Jo(ξ)cosΔθ + H (19)
worin H die Menge von reflektiertem Licht ist. Wenn die modulierte Frequenzkomponente in Gleichung (16) eliminiert wird, und wenn Eo² durch E&sub1;E&sub2; ersetzt wird, ist die Fundamentalkomponente P gegeben durch:
P = 2 E&sub1; E&sub2; J&sub1;(ξ) sinΔθ (20)
Um ein genaues Resultat durch Teilen der Fundamentalkomponente durch die Gleichspannungskomponente zu erhalten, müssen die folgenden Annahmen zusätzlich zu den Problemen des reflektierten Lichts berücksichtigt werden:
Annahme 1: Es gibt keine Variationen im Verhältnis der Menge des im Uhrzeigersinn übertragenen Lichts zu der Menge des entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragenen Lichts;
Annahme 2: es gibt keine Variationen des Phasenmodulationsindex.
Wenn die Annahme 1 zutrifft, gilt
E&sub2; / E&sub1; = K (21)
Für die Gleichspannungskomponente D kann geschrieben werden:
D = 1/2B (1 + K²) E&sub1;² + KE&sub1;² Jo(ξ) cosΔθ (22)
worin die Menge des reflektierten Lichts H vernachlässigt ist.
Durch Teilen der Fundamentalkomponente P durch die Gleichspannungskomponente D erhalten wir:
P/D = 2KJ&sub1;(ξ) sinΔθ/1/2(1 + KJo(ξ) cosΔθ
und das resultierende Ausgangssignal ist unabhängig von der Menge des Lichts, das aus der Lichtemissionseinrichtung austritt. Da K und Jo(ξ) bekannt sind, kann Δθ bestimmt werden. Diese Beziehung ist jedoch nur begüündet, wenn die oben erwähnten Annahmen zutreffen und diese sind praxisfremd.
Ferner sind mit der Bestimmung von Δθ aus Gleichung (23) sehr komplizierte mathematische Operationen verbunden. Diese Gleichung ist auf keinen Fall leicht zu behandeln. Man sollte sich auch daran erinnern, daß die vorangehende Diskussion die Menge des der Gleichspannungskomponente innewohnenden Lichts unberücksichtigt läßt.
Ein Steuersystem, in welchem die konstante Gleichspannungskomponente oder die Amplitude der zweiten harmonischen Komponente des Ausgangssignals zusätzlich gemessen wird, ist auch aus dem folgenden Dokument bekannt: Carl Cranz Gesellschaft e.V., Oberpfaffenhofen, Lehrgang: "Sensoren in inertialen Meß- und Navigationgssystemen", gehalten in Braunschweig, DE, 17.-21. Oktober 1988; W. Auch: "Faseroptische Rotationssensoren", Teil 1.
Das Gyroskop entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der EP-A-0185 385 bekannt. Das Faseroptikgyroskop vom Phasenmodulationstyp, das aus dieser Druckschrift bekannt ist, weist eine verbesserte Ausgangsstabilität ohne einen großen Anstieg der Zahl der Basiskomponenten des Gyroskopsystems auf. Die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals eines Lichtdetektorelements, welches die zwei zirkulierenden Strahlen liefert, wird erfaßt und zur Steuerung des Ausgangssignals des lichtemittierenden Elements verwendet,so daß es konstant ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Phasenmodulationsfaseroptikgyroskop zu schaffen, welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Das Faseroptikgyroskop nach der vorliegenden Erfindung kann nach den folgenden Prinzipien arbeiten:
(1) das Gyroskop, welches entweder in Ruhe ist oder sich mit einer angemessen geringen Winkelgeschwindigkeit dreht, wird durch ein Signal erkannt, das entweder von dem Gyroskop selbst oder von einem anderen Sensor kommt;
(2) wenn die obengenannte Bedingung (1) erfüllt ist, wird das Ausgangssignal der Licht emittierenden Einrichtung so gesteuert, daß die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung konstant gehalten wird; und
(3) wenn die obengenannte Bedingung (1) erfüllt ist, wird der Phasenmodulationsindex so gesteuert, daß die zweite harmonische Komponente des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung konstant gehalten wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt die Grundkonstruktion eines phasenmodulierten Faseroptikgyroskops nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Grundkonstruktion des Faseroptikgyroskops nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt diagrammartig ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Grundkonstruktion des phasenmodulierten Faseroptikgyroskops nach der Erfindung. Eine Lichtemissionsreinrichtung 101 ist eine Lichtquelle von kohärentem Licht und kann durch irgendeine Vorrichtung gebildet sein, wie z.B. einen Halbleiterlaser, eine superluminiszierende Diode oder einen Gaslaser. Ein Strahlteiler 102 teilt das kohärente Licht aus der Lichtemissionseinrichtung 101 in zwei Lichtstrahlen. Der Ausdruck "Strahlteiler" wird hier verwendet, um eine Lichtteilereinrichtung in ihrem weiten Sinne zu bezeichnen. Die zwei aufgespalteten Lichtstrahlen werden durch Linsen 103 und 104 zusammengeführt und in ein Optikfaserkabel 105 an entgegengesetzten Enden A und B eingespeist. Das Optikfaserkabel 105 ist aus einer Einmoden- Optikfaser hergestellt und enthält eine Sensorspule 106, die aus vielen Windungen der optischen Faser besteht, und einen Teil 108, der um eine Phasenmodulationseinrichtung 107 herumgewunden ist. Die Sensorspule erfaßt die Winkelgeschwindigkeit der Drehung.
Die Phasenmodulationseinrichtung 107 umfaßt eine piezoelektrische Einrichtung, typischerweise in zylindrischer Form, welche mit Elektroden an einer Außenoberfläche und an einer Innenoberfläche versehen ist, und um welche das Optikfaserkabei gewunden ist. Die Phasenmodulationseinrichtung 107 bewirkt periodische Phasenänderungen des Lichts, welches durch das Faseroptikkabel übertragen wird.
Zwischen den Elektroden wird eine Modulationsspannung einer Frequenz Ω von einer Anregungssteuereinheit 115 für die Phasenmodulationseinrichtung angelegt. Die Amplitude der angelegten Spannung ist proportional zu dem Phasenmodulationsindex.
Der an dem Ende A eingespeiste Lichtstrahl wird im Uhrzeigersinn durch die Spule 106 übertragen, wohingegen der an dem Ende B eingespeiste Lichtstrahl entgegen dem Uhrzeigersinn übertragen wird. Die zwei Lichtstrahlen, die von dem Faseroptikkabel ausgehen, werden durch den Strahlteiler 102 wieder zusammengeführt und werden als einzelner Strahl in eine Lichtempfangseinrichtung 109 eingeführt. Die Lichtempfangseinrichtung 109 erfaßt die Intensität des Interferenzlichts und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. Das Ausgangssignal aus der Lichtempfangseinrichtung enthält die Gleichspannungskomponente D, die Fundamentalkomponente P, die zweite harmonische Komponente Q und harmonische Komponenten höherer Ordnung.
Die Gleichspannungskomponente D wird durch einen Gleichspannungsdetektor 110 erfaßt. Das erfaßte Signal wird zu einer Gleichspannungskomponentensteuereinheit 112 gesendet. Die Gleichspannungskomponente wird verwendet, um das Ausgangssignal der Lichtemissionseinrichtung zu stabilisieren, aber es steuert letztere nicht immer. Es wird verwendet, um das Ausgangssignal der Lichtemissionseinrichtung nur zu steuern, wenn ein Stoppsignal U von einem anderen Sensor angelegt ist oder wenn das Endausgangssignal S des Gyroskops als solches Null ist.
Die Gleichspannungskomponentensteuereinheit 112 beliefert eine Lichtemissionseinrichtungssteuerschaltung 113 mit einem Betriebsstrom W für die Lichtemissionseinrichtung. Die Steuereinheit 112 steuert die Gleichspannungskomponente D des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung in einer solchen Weise, daß die Gleichspannungskomponente konstant gehalten wird, wenn ein Stoppsignal U geliefert wird oder wenn das Endausgangssignal S Null ist. Es sollte jedoch beachtet werden, daß das Stoppsignal U sich nicht auf einen "Halt" im strikten Sinne des Wortes zu beziehen braucht, und ein Zustand nahe dem "Halt" kann auch damit bezeichnet sein. Dasselbe gilt für das Endausgangssignal S, und dieses braucht nur nahe bei Null zu liegen.
Die Gleichspannungskomponentensteuereinheit 112 speichert die Gleichspannungskomponente D, wenn das Gyroskop entweder angehalten ist oder einem Ruhezustand nahe ist; sie vergleicht dann die gespeicherte Gleichspannungskomponente mit einem vorbestimmten Wert D&sub0; und liefert ein Kommando zu der Ausgangssignalsteuerschaltung 113 für die Lichtemissionseinrichtung, so daß die gespeicherte Gleichspannungskomponente sich dem vorbestimmten Wert D&sub0; annähert.
Die Fundamentalkomponente P des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung 109 wird durch den Fundamentaldetektor 117 erfaßt. Ein Synchronisationssignal wird von der Anregungssteuerschaltung 115 für die Phasenmodulationseinrichtung geliefert. Die zweite harmonische Komponente Q des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung 109 wird durch einen zweiten harmonischen Detektor 111 erfaßt. Das Modulationssignal aus der Steuereinheit 115 wird in einem Multiplizierer 120 verdoppelt, um ein Synchronisationssignal zu erzeugen.
Der Modulationsindex der Steuereinheit 115 wird in einer solcher Weise gesteuert, daß sich ein konstantes Niveau der zweiten harmonischen Komponente ergibt. Der Modulationsindex wird theoretisch ausgedrückt durch b, aber da er proportional zu ξ ist, kann auch ξ als der Modulationsindex bezeichnet werden. Die zweite harmonische Komponente wird nicht immer konstant gesteuert. Nur wenn ein Stoppsignal U von einem anderen Sensor geliefert wird oder wenn das Endausgangssignal S aus dem Gyroskop entweder gleich oder nahe bei Null ist, wird die zweite harmonische Komponente gesteuert, so daß sie gleich einem vorbestimmten Wert Q&sub0; wird.
Eine solche intermittierende Steuerung wird durch eine Steuereinheit 114 für die zweite harmonische Komponente ausgeführt. Das Gyroskop, welches in Ruhe oder in einem Zustand nahe daran ist, wird durch die Zulieferung entweder eines Stoppsignals von einem anderen Sensor oder eines Ausgangssignals S von dem Gyroskop, das im wesentlichen Null ist, identifiziert. Der Wert der zweiten harmonischen Komponente Q wird in diesem Fall durch die Steuereinheit 114 aufgenommen, welche ihn mit Q&sub0; vergleicht und den Modulationsindex ξ der Anregungssteuereinheit 115 für die Phasenmodulationseinrichtung in einer solchen Weise zuführt, daß die Differenz zwischen Q und Q&sub0; minimiert wird.
Die Fundamentalkomponente P erscheint als das Ausgangssignal des Fundamentaldetektors 117, welches als das Endausgangssignal S dient. Dieses ist aquivalent zur Gleichung (16), ausgenommen, daß der Vibrationstherm eliminiert ist:
S = P = 2 E&sub0;² Ji (ξ) sinΔθ (24) Durch Konstantsteuern der Gleichspannungskomponente kann die Intensität des Lichts E&sub0;² konstant gehalten werden. Durch Konstantsteuern der zweiten harmonischen Komponente kann der Phasenmodulationsindex ξ konstant gehalten werden. So werden die Koeffizienten in der Gleichung (24) konstant gehalten, und Δθ kann aus dem Endausgangssignal S in der Form von sinΔθ bestimmt werden.
Gemäß der vorangehenden Diskussion wird die zweite harmonische Komponente erfaßt und konstant gesteuert, um ein konstantes Niveau des Phasenmodulationsindex aufrechtzuerhalten. Es sollte jedoch beachtet werden, daß anstelle der zweiten harmonischen Komponente die dritte oder vierte harmonische Komponente konstant gesteuert werden kann, um ein konstantes Niveau des Phasenmodulationsindex aufrechtzuerhalten. Dies ist möglich, da alle die interessierenden harmonischen Komponenten den Phasenmodulationsindex enthalten.
In der vorangehenden Beschreibung der Betriebsweise des Faseroptikgyroskops, die auf Phasenmodulation basiert, wurden die Amplituden der zwei im und entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragenen Lichtstrahlen gemeinsam mit E&sub0; bezeichnet, ohne zwischen beiden zu unterscheiden. In der nachfolgenden Diskussion wird die Amplitude des im Uhrzeigersinn übertragenen Lichts mit E&sub1; und diejenige des entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragenen Lichts mit E&sub2; bezeichnet. So entspricht in allen Fällen das in der vorangehenden Diskussion erscheinende E&sub0;² einem E&sub1;E&sub2;.
Die Gleichspannungskomponente D des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung kann umgeschrieben werden:
1/2(E&sub1;² + E&sub2;²) + E&sub1; E&sub2; J&sub0; (ξ ) cosΔθ (25)
In dem realen optischen System ist die Amplitude des im Uhrzeugersinn übertragenen Lichts im wesentlichen gleich derjenigen des entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn übertragenen Lichts, wie unten ausgedrückt ist:
E&sub1; ≈ E&sub2; (26)
Daher wird die folgende Annahme gelten:
1/2(E&sub1;² + E&sub2;²) ≈ E&sub1; E&sub2; (27)
Der Modulationsindex ξ kann jeden Wert annehmen, aber hier wird ein spezieller Fall betrachtet. Um die Empfindlichkeit für die Fundamentalkomponente zu minimieren, muß die Bessel- Funktion erster Ordnung Ji(ξ ) maximiert werden, wobei ξ als ein Wert von ungefähr 1,8 ausgewählt wird. In diesem Falle beträgt die Bessel-Funktion nullter Ordnung J&sub0;(ξ ) etwa 0,3. Für die Gleichspannungskomponente D gilt daher:
D = E&sub1; E&sub2; (1 + 0,3 cosΔθ) (28)
Wenn das Faseroptikgyroskop entweder in Ruhe oder nahezu in Ruhe ist,
Δθ ≈ 0 (29)
cos Δθ ≈ 1 (30)
Daher gilt, wenn das Gyroskop entweder in Ruhe oder nahezu in Ruhe ist,
D = 1,3 E&sub1; E&sub2; (31)
und durch Steuern von D, so daß es gleich dem vorbestimmten D&sub0; wird, kann die Menge des Interferenzlichts, E&sub1;E&sub2;, konstant gehalten werden. Dies ist wird durch den Gleichspannungsdetektor 110, die Gleichspannungssteuereinheit 112, die Ausgangssignalsteuerschaltung 113 für die Lichtemissionseinrichtung und andere in Fig. 2 gezeigte zugehörige Komponenten bewirkt.
Wir beschreiben nun die Steuerung der zweiten harmonischen Komponente Q, welche gegeben ist durch:
Q = -2E&sub1; E&sub2; J&sub2; (ξ ) cosΔθ (32)
In Gleichung (32) ist E&sub1;E&sub2;, welches die Menge des von der Lichtemissioneinrichtung abgegebenen Lichts ist, bereits konstant. Wenn das Gyroskop entweder in Ruhe oder in einem Zustand nahe daran ist, ist cosΔθ gleich Eins. In diesem Falle gilt
Q = -2E&sub1; E&sub2; J&sub2; (ξ ) (33)
Die an die Anregungssteuereinheit 15 für die Phasenmodulationseinrichtung anzulegende Anregungsspannung wird so gesteuert, daß Q auf einen konstanten Wert gebracht wird. Wenn der Phasenmodulationsindex ξ konstant gesteuert werden kann, ergibt sich das Endausgangssignal S oder die Fundamentalkomponente P in der folgenden Weise aus der Gleichung (24):
S = P = 2 E&sub1; E&sub2; J&sub1; (ξ ) sinΔθ (34)
Die sinΔθ vorangehenden Koeffizienten sind unveränderbare Konstanten und der genaue Wert von Δθ kann aus dem Ausgangssignal S bestimmt werden. Dieser Effekt kann niemals nur durch Steuern der Menge des Lichts oder des Modulationsindex allein erreicht werden.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches den in Fig. 2 gezeigten Aufbau verwendet. Die Komponenten, welches die gleichen wie die in Fig. 2 gezeigten Komponenten sind, werden durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet und im Detail nicht beschrieben.
Der Gleichspannungskomponentendetektor 110 wird mit dem Ausgangssignal aus der Lichtempfangseinrichtung 109 versorgt und erzeugt die Gleichspannungskomponente des Ausgangs als ein Spannungssignal, welches in ein digitales Signal in einem A/D-Konverter 122 umgewandet wird.
Wenn das Gyroskop ein Stoppsignal von einem anderen Sensor empfängt oder in Reaktion auf ein Endausgangssignal S, das Null oder nahe Null ist, von dem Gyroskop als solchem, werden die folgenden Arbeitsgänge ausgeführt. Ein Steuersignal zum Steuern der Menge des von der Lichtemissionseinrichtung abgegebenen Lichts in einer solchen Weise, daß die Gleichspannungskomponente D gleich dem voreingestellten Wert D&sub0; wird, wird berechnet und erzeugt. Dieses Steuersignal wird in ein analoges Signal in einem D/A-Konverter 121 umgewandelt und der Ausgangssignalsteuerschaltung 113 für die Lichtemissionseinrichtung zugeführt.
Wenn sich das Gyroskop mit hoher Geschwindigkeit dreht, wird das Steuersignal, das für den vorangehenden Fall, in dem das Gyroskop in Ruhe war, erzeugt ist, festgehalten und als ein Ausgangssignal geliefert. Da es als digitales Signal durch eine digitale Verarbeitungseinheit 116 behandelt wird, kann das Steuersignal leicht gehalten und kontinuierlich als ein Ausgangssignal geliefert werden.
In Reaktion auf dieses Steuersignal steuert die Ausgangssignalsteuerschaltung 113 für die Lichtemissionseinrichtung die Menge des von der Lichtemissionseinrichtung ausgesandten Lichts.
Ein Oszillator 118 erzeugt ein Modulationssignal mit einer Frequenz Ω. Das Ausgangssignal des Oszillators 118 wird einem Multiplizierer 119 zugeführt, wo es um einen geeigneten Faktor verstärkt wird. Das verstärkte Phasenmodulationssignal wird an die Elektroden der Phasenmodulationseinrichtung 107 angelegt. Daher kann ξ oder die Modulationsamplitude b, welche durch die Phasenmodulationseinrichtung 107 bereitzustellen ist, frei durch Steuern des Verstärkungsfaktors mit dem Verstärker 119 eingestellt werden.
In Reaktion auf das Synchronisationssignal (f = Ω) aus dem Oszillator 118 entnimmt der Fundamentaldetektor 117 die Fundamentalkomponente P aus dem Ausgangssignal der Lichtempfangseinrichtung. Die Fundamentalkomponente P wird einem A/D- Konverter 124 zugeführt und dann in die digitale Verarbeitungseinheit 116 eingegeben.
Ein Multiplizierer 120 verstärkt das Phasenmodulationssignal aus dem Oszillator 118, um ein Synchronisationssignal mit einer Frequenz von 2Ω zu bilden. In Reaktion auf das Synchronisationssignal (f = 2Ω) aus dem Multiplizierer 120 ermittelt der zweite harmonische Detektor 111 die zweite harmonische Komponente Q des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung. Das Detektorsignal wird einem A/D-Konverter 125 zugeführt, wo es in ein digitales Signal umgewandelt wird, welches nachfolgend der digitalen Verarbeitungseinheit 116 zugeführt wird.
Wenn das Faseroptikgyroskop in Ruhe oder in einem Zustand nahe daran ist, erkennt die digitale Verarbeitungseinheit 116 dieses Situation entweder durch ihr eigenes Endausgangssignal S oder in Reaktion auf ein von einem anderen Sensor zugelieferten Stoppsignals U. In letzterem Fall wird ein Zustandssignal von einem anderen Sensor in die digitale Verarbeitunseinheit 116 über ein Zustandssignalerfassungsinterface 126 eingegeben. Die digitale Verarbeitungseinheit 116 bestimmt dann, ob das angelegte Zustandssignal anzeigt, daß das Gyroskop in Ruhe ist und wenn dies der Fall ist, wird ein Stoppsignal U erzeugt. Alternativ kann ein anderer Sensor selbst ein Stoppsignal U erzeugen, wenn das Gyroskop in Ruhe ist, wobei das Stoppsignal dann der digitalen Verarbeitungseinheit 116 zugeführt wird. Natürlich kann das Gyroskop selbst ein Endausgangssignal S erzeugen, welches nahezu gleich Null ist.
Wenn des Faseroptikgyroskop in Ruhe oder in einem Zustand nahe daran ist, führt die digitale Verarbeitungseinheit 116 die folgenden Arbeiten durch. Zuerst vergleicht sie die Gleichspannungskomponente D mit dem voreingestellten Referenzwert D&sub0; und steuert das Ausgangssignal der Lichtemissionseinrichtung in einer solchen Weise, daß die Differenz minimiert wird. Das Steuersignal wird über den D/A-Wandler 121 der Ausgangssignalsteuereinheit 113 für die Lichtemissionseinrichtung zugeführt. Zweitens vergleicht die Steuereinheit die zweite harmonische Komponente Q mit dem voreingestellten Referenzwert Q&sub0; und steuert den Phasenmodulationsindex ξ in einer solchen Weise, daß die Differenz minimiert wird. Das Steuersignal wird dem Multiplizierer 119 über den D/A-Wandler 123 zugeführt.
Wenn sich das Gyroskop mit hoher Geschwindigkeit dreht, werden die Werte der Gleichspannungskomponente und der zweiten harmonischen Komponente für den vorangehenden Fall, in welchem das Gyroskop in Ruhe war, durch die Verarbeitungseinheit festgehalten, wodurch die Zuführung der jeweiligen Werte zu der Steuereinheit 113 und dem Verstärker 119 aufrechterhalten wird.

Claims

1. Phasenmoduliertes Faseroptikgyroskop zum Messen der Winkelgeschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes, mit:

einer Phasenmodulationseinrichtung (107);

einer Faseroptikkabeleinrichtung (105) mit zwei Enden, wobei die Faseroptikkabeleinrichtung eine Sensorspule (106) und einen Abschnitt (108) umfaßt, welcher mit der Phasenmodulationseinrichtung versehen ist, die asymmetrisch in bezug auf die Faserkabeleinrichtung angeordnet ist;

einer Lichtemissionseinrichtung (101) zum Emittieren von koherentem Licht;

einer Strahlteilereinrichtung (102) zum Aufspalten des koherenten Lichts aus der Lichtemissionseinrichtung in zwei Strahlen, welche in die zwei Enden der Faseroptikkabeleinrichtung eingespeist werden, und zum Rekombinieren der durch die Faseroptikkabeleinrichtung (105) übertragenen Lichtstrahlen;

einer Lichtempfangseinrichtung (109) zum Empfangen der Lichtstrahlen von den zwei Enden der Faseroptikkabeleinrichtung, welche durch die Faseroptikkabeleinrichtung übertragen worden und welche durch die Strahlteilereinrichtung rekombiniert sind;

einer Gleichspannungskomponentendetektoreinrichtung (110), welche das Ausgangssignal der Lichtempfangseinrichtung zum Erfassen der Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals empfängt, und

einer Synchrondetektoreinrichtung (111, 117) zum Empfangen eines Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung zum Erfassen einer phasenmodulierten Frequenzkomponente des Ausgangssignals der Lichtempfangseinrichtung;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Synchrondetektoreinrichtung eine harmonische Detektoreinrichtung (111) zum Erfassen einer harmonischen Komponente mit einer Frequenz, welche ein geeignetes ganzzahliges Vielfaches der Winkelphasenmodulationsfrequenz Ω ist, und eine Fundamentaldetektoreinrichtung (117) zum Erfassen einer Grundkomponente des Ausgangssignals, d.h. des Therms erster Ordnung der Entwicklung der Modulationsfrequenz Ω durch harmonische Wellen, aus der Lichtempfangseinrichtung umfaßt; und

daß das Gyroskop ferner eine Einrichtung (112, 113, 114) zum Steuern sowohl des Ausgangssignals der Lichtemissionseinrichtung als auch eines Phasenmodulationsindex ξ umfaßt, um die Gleichspannungskomponente und die harmonische Komponente, in dem Fall, in welchem das Gyroskop nahezu im Ruhezustand ist, nahe an jeweilige vorbestimmte Werte zu bringen, wobei der Phasenmodulationsindex ξ auf die Amplitude, b, infolge der Wirkung der Phasenmodulationseinrichtung (107), und auf die Phasendifferenz, φ, infolge der Zeitdifferenz, τ, der Realisierung dieser Wirkung auf die zwei Strahlen bezogen ist durch die Gleichung:

ξ = 2 b sin φ/2 = 2 b sin Ωτ/2

2. Ein phasenmoduliertes Faseroptikgyroskop nach Anspruch 1, welches ferner eine Einrichtung (112, 113) zum Halten der Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung, wenn das Gyroskop nahezu im Ruhezustand ist, und zum Steuern des Ausgangssignals der Lichtemissionseinrichtung, so daß ein Niveau der gehaltenen Gleichspannungskomponente konstant gehalten wird, umfaßt.

3. Ein phasenmoduliertes Faseroptikgyroskop nach Anspruch 1 oder 2, welches ferner eine Einrichtung (114) zum Halten einer zweiten harmonischen Koxnponente Q des Ausgangssignals aus der Lichtempfangseinrichtung, wenn das Gyroskop nahezu im Ruhezustand ist, und zum Steuern des Phasenmodulationsindex, so daß ein Niveau der zweiten harmonischen Komponente Q konstant gehalten wird, umfaßt.