DE69102644T2 - Demodulationsreferenzsignalquelle. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Demodulatoren für phasenmodulierte Signale und insbesondere auf Demodulatoren für phasenmodulierte Signale, die aus elektromagnetischen Wellen erhalten werden, die einer Phasenmodulation unterworfen sind.
• Faseroptische Kreisel sind eine attraktive Einrichtung, mit der die Rotation eines Objektes erfaßt werden kann, das einen solchen Kreisel trägt. Derartige Kreisel können sehr klein hergestellt werden und trotzdem so aufgebaut sein, daß sie einem beträchtlichen mechanischen Schock, einer Temperaturänderung und anderen extremen Umgebungsbedingungen widerstehen. Bei Abwesenheit von beweglichen Teilen sind sie nahezu wartungsfrei und sie besitzen die Möglichkeit, ökonomisch kostengünstig hergestellt zu werden. Sie können ebenfalls auf niedrige Rotationsgeschwindigkeiten ansprechen, was ein Problem bei anderen Arten von optischen Kreiseln sein kann.
• Derartige faseroptische Kreisel besitzen eine Spule, wobei eine optische Faser auf einen Kern und um die Achse gewickelt ist, um die die Rotation zu erfassen ist. Die optische Faser besitzt typischerweise eine Länge von 100 bis 2000 Metern und ist Teil einer geschlossenen optischen Wegstrecke, in die eine elektromagnetische Welle bzw. eine Lichtwelle eingeführt wird, wobei diese in ein paar solcher Wellen aufgespalten wird, um in entgegengesetzten Richtungen durch die Spule fortzuschreiten und letzlich auf einem Photodetektor aufzutreffen. Die Drehung um die Sensorachse des Kernes bzw. die aufgewickelte optische Faser gibt einen effektiven Zuwachs der optischen Weglänge in einer Rotationsrichtung und eine Abnahme der optischen Weglänge in der anderen Rotationsrichtung für eine dieser Wellen vor. Das entgegengesetzte Ergebnis tritt bei einer Rotation in der anderen Richtung auf. Derartige Weglängendifferenzen zwischen den Wellen führen eine Phasenverschiebung zwischen diesen Wellen für jede Rotationsrichtung ein, d.h. es tritt der wohlbekannte Sagnac-Effekt auf. Die Verwendung einer aufgewickelten optischen Faser ist erwünscht, da der Betrag der Phasendifferenzverschiebung auf Grund der Rotation und somit das Ausgangssignal von der Länge der gesamten optischen Wegstrecke durch die Spule abhängt, die von den elektromagnetischen Well en in den zwei entgegengesetzten Richtungen durchlaufen wird und somit kann eine große Phasendifferenzverschiebung in der langen optischen Faser mit einem relativ kleinen Volumen erhalten werden, da die Faser aufgewickelt ist.
• Der Ausgangsstrom der Photodiode des Photodetektorsystems folgt auf Grund der entgegengesetzten Wanderungsrichtung der elektromagnetischen Wellen, die auf diese auftreffen, nachdem sie die aufgewickelte optische Faser durchlaufen haben, einer ansteigenden Kosinusflinktion. D.h. der Ausgangsstrom hängt von dem Kosinus der Phasendifferenz zwischen diesen zwei Wellen ab. Da eine Kosinusfünktion eine gerade Funktion ist, gibt eine solche Ausgangsfünktion keinen Hinweis anf die relativen Richtungen der Phasendifferenzverschiebung und somit keinen Hinweis auf die Rotationsrichtung um die Spulenachse. Zusätzlich ist die Änderungsgeschwindigkeit einer Kosinusfünktion in der Nähe einer Phase mit dem Wert Null sehr gering und somit liefert eine solche Ausgangsfünktion eine sehr geringe Empfindlichkeit für kleine Rotationsgeschwindigkeiten.
• Auf Grund dieser unbefriedigenden Charakteristik wird gewöhnlicherweise die Phasendifferenz zwischen den in zwei entgegengesetzten Richtungen wandernden elektromagnetischen Wellen moduliert, indem ein optischer Phasenmodulator auf einer Seite der aufgewickelten optischen Faser angeordnet wird. Infolge dessen verläuft eine der in entgegengesetzten Richtungen wandernden Wellen durch den Modulator auf dem Weg in die Spule während die andere Weile, die die Spule in der entgegengesetzten Richtung durchläuft, durch den Modulator beim Austritt aus der Spule verläuft.
• Zusätzlich ist ein phasenempfindlicher Detektor, der als Teil eines Demodulatorsystems dient, vorgesehen, um ein Signal zu empfangen, das den Photodetektor-Ausgangsstrom darstellt. Sowohl der optische Phasenmodulator als auch der phasenempfindliche Detektor können durch einen Sinussignal-Generator mit der sogenannten "geeigneten" Frequenz betrieben werden, um eine durch den Modulator eingeführte Amplitudenmodulation zu vermindern oder zu eliminieren, wobei aber auch andere Wellenformen der gleichen Grundfrequenz verwendet werden können. Andere Frequenzen können ebenfalls verwendet werden und werden oftmals verwendet, um den Frequenzpegel auf einen besser handhabbaren Wert zu vermindern.
• Der sich ergebende Signalausgang des phasenempfindlichen Detektors folgt einer Sinusfünktion, d.h. das Ausgangssignal hängt von dem Sinus der Phasendifferenz zwischen den elektromagnetischen Wellen ab, die auf die Photodiode auftreffen und primär von der Phasenverschiebung auf Grund der Rotation um die Achse der Spule bei Abwesenheit von anderen signifikanten aber unerwünschten Phasenverschlebungen. Eine Sinusfunktion ist eine ungerade Funktion, die ihre maximale Anderungsgeschwindigkeit bei einer Phasenverschiebung von Null aufweist und somit ihr algebraisches Vorzeichen auf jeder Seite der Phasenverschiebung von Null verändert. Somit kann das phasenempfindliche Detektorsignal einen Hinweis darauf geben, in welcher Richtung eine Rotation um die Achse der Spule auftritt, und es kann die maximale Anderungsgeschwindigkeit des Signalwertes als eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit in der Nähe einer Rotationsgeschwindigkeit von Null vorgeben, d.h. der Detektor besitzt seine maximale Empfindlichkeit für Phasenverschiebungen in der Nähe von Null, so daß sein Ausgangssignal sehr empfindlich auf niedrige Rotationsgeschwindigkeiten ist. Dies ist natürlich nur möglich, wenn Phasenverschiebungen auf Grund von anderen Quellen, d.h. von Fehlern hinreichend klein sind. Zusätzlich ist dieses Ausgangssignal bei diesen Umständen nahezu linear bei relativ niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten. Derartige Charakteristiken für das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber den Charakteristiken des Ausgangsstromes des Photodetektors dar.
• Ein Beispiel eines solchen Systems des Standes der Technik ist in Figur 1 gezeigt. Der optische Teil des Systems enthält verschiedene Elemente entlang der optischen Wegstrecken, um sicherzustellen, daß dieses System reziprok ist, d.h. daß im wesentlichen identische optische Wegstrecken für jede der elektromagnetischen Wellen auftreten, die sich in entgegengesetzten Richtung fortpflanzen mit Ausnahme der spezifischen Einführung von nicht-reziproken Phasendifferenzverschiebungen, wie dies um en beschrieben wird. Die aufgewickelte optische Faser bildet eine Spule 10 um einen Kern oder Spulenkern unter Verwendung einer optischen Einzelmode-Faser, die um die Achse gewickelt ist, um die die Rotation zu erfassen ist. Die Verwendung einer Einzelmode-Faser gestattet eine eindeutige Definition der Wegstrecken der elektromagnetischen Wellen bzw. der Lichtwellen und sie gestattet ferner, daß die Phasenfronten einer solchen geführten Welle eindeutig definiert sind. Dies hilft im großen Umfang bei der Aufrechterhaltung der Reziprozität sowie bei der Einführung von nichtreziproken Phasenverschiebungen, wie dies in der weiter unten angezeigten Weise erfolgt.
• Zusätzlich kann die optische Faser eine sogenannte polarisationserhaltende Faser sein, indem eine sehr bedeutende Doppelbrechung in der Faser enthalten ist, so daß Polarisationsänderungen, die durch unverrneidbare mechanische Beanspruchungen eingeführt werden, auf Grund des Faraday-Effekts in magnetischen Feldern oder auch durch andere Quellen, die zu veränderlichen Phasendifferenzverschiebungen zwischen den gegenläufigen Wellen führen können, relativ unbedeutend werden. Somit wird entweder die Achse mit hohem Lichtbrechungsindex, d.h. die Achse mit niedriger Fortpflanzungsgeschwindigkeit oder die Achse mit niedrigem Brechungsindex für die Fortpflanzung der elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit von den anderen optischen Komponenten in dem System ausgewählt. Im vorliegenden System wurde die Achse mit niedrigem Index gewählt im Hinblick auf die hier benutzten optischen Komponenten.
• Die elektromagnetischen Wellen, die in entgegengesetzten Richtungen durch die Spule 10 fortschreiten, werden durch eine Quelle für elektromagnetische Wellen bzw. durch eine Lichtquelle 11 in Figur 1 vorgegeben. Diese Quelle ist typischerweise eine Laserdiode, welche elektromagnetische Wellen typischerweise im nahen Infrarotbereich des Spektrums mit einer typischen Wellenlänge von 830 nm vorgibt. Die Quelle 11 muß eine kurze Kohärenzlänge in dem ausgegebenen Licht aufweisen, um die Fehler der Phasendifferenzverschiebung zwischen diesen Wellen auf Grund von Rayleigh- und Fresnel-Streuung an Streustellen innerhalb der Spule 10 zu vermindern. Auf Grund des nicht-linearen Kerr-Effekts in der Spule 10 können unterschiedliche Intensitäten in den zwei gegenläufigen Wellen zu unterschiedlichen Phasenverschiebungen zwischen diesen führen. Diese Situation kann ebenfalls durch die Verwendung einer Quelle mit kurzer Kohärenzlänge für die Quelle 11 vermieden werden, war zu einer Aufhebung der modalen Phasenverschiebung führt.
• Zwischen der Laserdiode 11 und der faseroptischen Spule 10 ist in Figur 1 eine optische Wegstreckenanordnung gezeigt, die durch die Erstreckung der Enden der optischen Faser, welche die Spule 10 bildet, zu einigen optischen Kopplungskomponenten gebildet wird, die die optische Gesamtstrecke in verschiedene optischen Streckenteile teilen. Ein Teil der gleichen Art von optischer polarisationserhaltender Faser wie in der Spule 10 ist gegen die Laserdiode 11 an einem Punkt der optimalen Lichtemission gerichtet, einem Punkt von dem sich die Faser gegen einen ersten optischen Richtungskoppler 12 erstreckt.
• Der optische Richtungskoppler 12 besitzt ein Lichtübertragungsmedium, das sich zwischen vier Anschlüssen erstreckt, wobei sich zwei an jedem Ende dieses Mediums befinden und die an jedem Ende des Kopplers 12 in Figur 1 dargestellt sind. Gegen einen dieser Anschlüsse ist die optische Faser gerichtet, die sich von der Laserdiode 11 erstreckt. An dem anderen Anschluß auf dem Sensorende des optischen Richtungskopplers 12 ist eine weitere optische Faser gegen diesen angeordnet, welche sich gegen eine Photodiode 13 erstreckt, welche elektrisch mit einem Photodetektorsystem 14 verbunden ist.
• Die Photodiode 13 detektiert elektromagnetische Wellen oder Lichtwellen, die auf ihr von dem Teil der optischen Faser auftreffen, der gegen sie gerichtet ist und sie liefert auf Grund dessen einen Photostrom. Dieser Photostrom folgt, wie zuvor erwähnt, im Falle von zwei nahezu kohärenten, auf sie auftreffenden Lichtquellen einer Kosinusfünktion bei der Vorgabe eines Photostrom-Ausgangssignales, welches von dem Kosinus der Phasendifferenz zwischen solch einem Paar von im wesentlichen kohärenten Lichtwellen abhängt. Diese photo-voltaische Einrichtung arbeitet mit sehr geringer Impedanz, um den Photostrom vorzugeben, der eine lineare Funktion der auftreffenden Strahlung darstellt und sie kann typischerweise durch eine PIN-Photodiode vorgegeben sein.
• Der optische Richtungskoppler 12 besitzt eine andere optische Faser, die gegen einen Anschluß am anderen Ende desselben gerichtet ist und sich zu einem Polarisator 15 erstreckt. An dem anderen Anschluß auf der gleichen Seite des Kopplers 12 befindet sich eine nichtreflektierende Abschlußanordnung 16, die einen anderen Teil einer optischen Faser beinhaltet.
• Der optische Richtungskoppler 12 überträgt beim Empfang von elektromagnetischen Wellen bzw. von Licht an irgendeinem Anschluß dieses Licht, so daß ungefähr die Hälfte davon an jedem der zwei Anschlüsse des Kopplers 12 an dem Ende auftritt, das dem Ende gegenüberliegt, welches den Eingangsanschluß aufweist. Andererseits wird kein Licht zu dem Anschluß übertragen, der an dem gleichen Ende des Kopplers 12, wie der Anschuß für das ankommende Licht, liegt.
• Der Polarisator 15 wird benutzt, da auch bei einer Einzelmodenfaser zwei Polarisationszustände bei dem durch die Faser verlaufenden Licht möglich sind. Somit ist der Polarisator 15 zu dem Zweck vorgesehen, nur einen dieser Polarisationszustände durch die optische Faser hindurch zu lassen und zwar entlang der langsamen Achse derselben wie zuvor erwähnt, während der andere Mode blockiert wird. Der Polarisator 15 blockiert jedoch nicht gänzlich das Licht in dem einen Polarisationszustand, der blockiert werden soll. Erneut führt dies zu einer geringen Nicht-Reziprozität zwischen zwei entgegengesetzt wandernden elektromagnetischen Wellen und somit tritt eine geringe nicht-reziproke Phasenverschiebedifferenz zwischen diesen auf, die mit den Umgebungsbedingungen, in denen sich der Polarisator befindet, variieren kann Diesbezüglich hilft die hohe Doppelbrechung dem verwendeten optischen Faser erneut bei der Verminderung dieser sich ergebenden Phasendifferenz, wie dies zuvor angegeben wurde.
• Der Polarisator 15 besitzt einen Anschluß an jedem Ende, wobei das Licht- Übertragungsmedium dazwischen angeordnet ist. Gegen den Anschluß an dem Ende, das dem optischen Richtungskoppler 12 gegenüberliegt, ist ein weiterer optischer Faserteil positioniert, der sich zu einem weiteren optischen bidirektionalen Koppler 17 erstreckt, der die gleichen Licht-Übertragungseigenschaften wie der Koppler 12 aufweist.
• Der Anschluß an dem gleichen Ende des Kopplers 17, an dem ein Anschluß mit dem Polarisator 15 verbunden ist, ist erneut an eine nicht-refiektierende Anschlußanordnung 18 angeschlossen, die einen weiteren optischen Faserteil verwendet. Betrachtet man die Anschlüsse an dem anderen Ende des Kopplers 17, so ist einer mit weiteren optischen Komponenten in den optischen Wegteilen verbunden, die sich dorthin von einem Ende der optischen Faser in der Spule 10 erstrecken. Der andere Anschluß in dem Koppler 17 ist direkt mit dem verbleibenden Ende der optischen Faser 10 gekoppelt. Zwischen der Spule 10 und dem Koppler 17 ist auf der Seite der Spule 10, die der direkt verbundenen Seite gegenüberliegt, ein optischer Phasenmodulator 19 vorgesehen. Der optische Phasenmodulator 19 besitzt zwei Anschlüsse auf jeder Seite des in ihm enthaltenen Übertragungsmediums, die auf gegenüberliegenden Enden desselben in Figur 1 dargestellt sind. Die optische Faser von der Spule 10 ist gegen einen Anschluß des Modulators 19 gerichtet. Die optische Faser, die sich von dem Koppler 17 erstreckt, ist gegen den anderen Anschluß des Modulators 19 gerichtet.
• Der optische Modulator 19 ist in der Lage, elektrische Signale zu empfangen und durch sie eine Phasendifferenz in dem durch ihn übertragenen Licht hervorzurufen, indem der Brechungsindex des Übertragungsmediums geändert wird, um hierdurch die optische Weglänge zu verändern. Solche elektrischen Signale werden dem Modulator 19 durch einen Vorspannungs-Modulationssignalgenerator 20 zugeführt, der ein sinusförmiges Spannungs- Ausgangssignal mit einer Modulationsfrequenz fg vorgibt, die C&sub1;sin(ωgt) entspricht, wobei ωg die Kreisfrequenz entsprechend der Modulationsfrequenz fg ist. Andere geeignete periodische Impulsformen können alternativ verwendet werden.
• Dies vervollständigt die Beschreibung des optischen Teils des Systems gemäß Figur 1, das entlang der optischen Wegstrecke gebildet wird, denen die elektromagnetischen Wellen bzw. die Lichtwellen, die durch die Quelle 11 emittiert werden, folgen. Solche elektromagnetischen Wellen werden von dieser Quelle durch den optischen Faserteil in den optischen Richtungskoppler 12 eingekoppelt. Einiges von dem Licht der Lichtquelle 11, das in den Koppler 12 eintritt, geht in der nicht-reflektierenden Abschlußanordnung 16 verloren, die an einen Anschluß an dem gegenüberliegenden Ende angekoppelt ist, aber der Rest dieses Lichtes wird durch den Polarisator 15 zu dem optischen Richtungskoppler 17 übertragen.
• Der Koppler 17 dient als eine Strahlteilereinrichtung, bei der das Licht, das an dem Anschluß desselben eintritt und von dem Polarisator 15 empfangen wird, ungefähr in Hälften aufgeteilt wird, wobei ein Teil aus jedem der zwei Anschlüsse an dem gegenüberliegenden Ende austritt Aus einem Anschluß an dem gegenüberliegenden Ende des Kopplers 17 verläuft eine elektromagnetische Welle durch die optische Faserspule 10, den Modulator 19 und zurück zu dem Koppler 17. Dort geht ein Teil dieses zurückkehrenden Lichtes in der nichtreflektierenden Anordnung 18 verloren, aber der Rest dieses Lichtes verläuft durch den anderen Anschluß der Kopplers 17 zu dem Polarisator 15 und zu dem Koppler 12, von wo ein Teil zu der Photodiode 13 übertragen wird. Der andere Teil des von dem Polarisator 15 zu der Spule 10 übertragenen Lichtes verläßt den anderen Anschluß am Ende des Kopplers 17 zu der Spule 10, verläuft durch den Modulator 19 und die optische Faserspule 10, um erneut in den Koppler 17 einzutreten, wobei erneut ein Teil desselben der gleichen Wegstrecke folgt wie der andere Teil, um schließlich auf der Photodiode 13 aufzutreffen.
• Wie zuvor erwähnt, liefert die Photodiode 13 einen Ausgangs-Photostrom IPD&sub1;&sub3; proportional zu der Intensität der zwei auftreffenden elektromagnetischen Wellen bzw. Lichtwellen und folgt daher, wie erwartet, dem Kosinus der Phasendifferenz zwischen diesen zwei Wellen, die auf der Diode auftreffen, wie dies durch die folgende Gleichung vorgegeben ist:
• Dies ist so, weil der Strom von der sich ergebenden optischen Intensität der zwei im wesentlichen kohärenten Wellen abhängt, die auf die Photodiode 13 auftreffen, wobei die Intensität von einem Spitzenwert I&sub0; zu einem kleineren Wert variiert in Abhängigkeit davon, wieviel konstruktive oder destruktive Interferenz zwischen den zwei Wellen auftritt. Diese Welleninterferenz ändert sich mit der Rotation der durch die gewickelte optische Faser gebildeten Spule 10 um ihre Achse, wenn eine solche Rotation eine Phasendifferenzverschlebung von φR zwischen den Wellen einführt. Ferner gibt es eine zusätzliche veränderliche Phasenverschiebung, die in diesen Photodioden-Ausgangsstrom durch den Modulator 19 mit einem Maximalwert von φm eingeführt wird und die mit cos(ωgt) variiert.
• Der optische Phasenmodulator 19 ist von der zuvor beschriebenen Art und wird zusammen mit einem phasenempfindlichen Detektor als Teil eines Demodulationssystems verwendet, um das Ausgangssignal des Photodetektorsystems 14, das, wie zuvor beschrieben, einer Kosinusfünktion folgt in ein Signal umzuwandeln, das einer Sinusfünktion folgt. Danach liefert eine solche Sinusfunktion in dem Ausgangssignal, wie zuvor erwähnt, eine Information sowohl bezüglich der Rotationsgeschwindigkeit als auch der Richtung dieser Rotation, um die Achse der Spule 10.
• Somit wird das Ausgangssignal von dem Photodetektorsystem 14, welches die Photodiode 13 enthält, einem Verstärker 21 zugeführt, wo es verstärkt und über ein Filter 22 einer phasenempfindlichen Detektoreinrichtung 23 zugeführt wird. Der phasenempfindliche Detektor 23 dient als Teil eines Phasen-Demodulationssystems und ist eine wohlbekannte Einrichtung. Ein solcher phasenempfindliche Detektor erfaßt eine Veränderung in der ersten Harmonischen bzw. in der Grundfrequenz des Modulations-Signalgenerators 20, um einen Hinweis auf die relative Phase der elektromagnetischen Wellen zu liefern, die auf die Photodiode 13 auftreffen. Diese Information wird durch den phasenempflndlichen Detektor 23 in einem Ausgangssignal geliefert, das einer Sinusfünktion folgt, d.h. dieses Ausgangssignal folgt dem Sinus der Phasendifferenz zwischen den zwei auf die Photodiode 13 auftreffenden elektromagnetischen Wellen.
• Der Grundmodulator-Signalgenerator 20 erzeugt bei der Modulation des Lichtes in der optischen Wegstrecke mit der Frequenz fg in der zuvor beschriebenen Weise ebenfalls harmonische Komponenten in dem Photodetektorsystem 14. Das Filter 22 ist ein Bandpaßfilter, das die Modulations-Frequenzkomponente in dem Ausgangssignal des Photodetektors 14, d.h, die erste Harmonische nach seiner Verstärkung durch den Verstärker 21 durchreicht.
• Im Betrieb variieren die Phasendifferenzänderungen in den zwei in entgegengesetzten Richtungen fortschreitenden elektromagnetischen Wellen, die die Spule 10 in der optischen Wegstrecke durchlaufen, auf Grund der Rotation relativ langsam im Vergleich zu den Phasendifferenzänderungen auf Grund des Modulators 19. Jegliche Phasendifferenzen auf Grund der Rotation bzw. auf Grund des Sagnac-Effekts verschieben lediglich die Phasendifferenzen zwischen den zwei elektromagnetischen Wellen. Der Amplituden- Skalenfaktor der Modulationsfrequenzkomponente des Ausgangssignales des Photodetektorsystems 14, der am Ausgang des Filters 22 auftritt, kann als der Sinus dieser Phasendifferenz erwartet werden, der ferner nur durch die Faktoren a) der festen Größe des maximalen Phasenmodulationswertes dieser Wellen auf Grund des Modulators 19 und des Generators 20 und b) auf Grund einer Konstanten modifiziert ist, die die verschiedenen Verstärkungsfaktoren in dem System repräsentiert. Sodann wird erwartet, daß die periodischen Effekte dieser Sinusmodulation auf Grund des Generators 20 und des Modulators 19 in diese Signalkomponente durch die Demodulation in dem System entfernt werden, die den phasenempfindlichen Detektor 23 enthält und ein Ausgangssignal des Demodulatorsystems (Detektor) ergibt, das gerade von dem Amplituden-Skalenfaktor abhängt.
• Diese erwünschten Resultate können jedoch in dem System gemäß Figur 1 nicht erzielt werden. Der Ausgang des Verstärkers 21 gibt ein Spannungs-Ausgangssignal vor, das nicht nur auf dem phasengleichen Photostrom basiert, der in der Photodiode 13 des Photodetektorsystems 14 erzeugt wird, wie dies durch die erste oben angegebene Gleichung angezeigt wird, sondern auf einer Quadraturkomponente dieses Photostromes, die durch diese Gleichung nicht vorgegeben wird. Eine solche Quadraturkomponente entsteht gewöhnlicherweise in dem optischen Systemteil gemäß Figur 1 typischerweise auf Grund der Intensitätsmodulation, die durch den Phasenmodulator 19 eingeführt wird. Es kann andere Quellen für solch eine Quadraturkomponente, wie beispielsweise durch die Aufnahme anderer Signale, die in dem System vorliegen, geben
• Ferner wird eine Phasenverzögerung addiert, die über der liegt, die in der ersten zuvor angegebenen Gleichung dargestellt ist. Etwas von dieser Phasenverschiebung wird in dem Photodetektorsystem 14 eingeführt und diese Phasenverschiebung wird sowohl von der Temperatur als auch von der Komponentenalterung abhängig sein, so daß ihr Wert zu irgendeinem Zeitpunkt während des Betriebs typischerweise nicht bekannt ist und sich beim . nachfolgenden Betrieb verändert. Es gibt ferner andere Quellen für eine solche Phasenverschiebung, die die Phasenverschiebung über dem Modulator 19 zwischen der Phase des durch den Generator 20 gelieferten Signales und der Antwort des Modulators einschließen, wenn der Brechungsindex des Mediums und dessen Länge sich entsprechend verändert. Somit wird das Ausgangssignal des Verstärkers 21 eine Phasenverzögerung in bezug auf die Phase des Signales aufweisen, das durch den Generator 20 geliefert wird. Diese zusätzliche Phase θ entspricht einer Zeitverzögerung der Dauer Td, wobei ωTD = θ ist, wenn die Phasenverschiebung linear mit der Frequenz verläuft oder eine vernünftige Annäherung getroffen werden kann, daß diese linear ist.
• Somit wird die Spannung am Ausgang des Verstärkers 21 typischerweise wie folgt auftreten:
• V21-out = k{1 + cos[φR + φm cos(ωgt + θ)]} + ε sin(ωgt + θ)
• Es sei angenommen, daß der linke Ausdruck auf der gleichphasigen Komponente des Photodioden-Ausgangsstromes basiert und der rechte Sinusausdruck auf der Quadraturkomponente dieser Spannung bei der Modulationsfrequenz basiert. Die Konstanten k und ε repräsentieren die Verstärkungen innerhalb des Systems bis zu dem Ausgang des Verstärkers 21. Die anderen in der vorangehenden Gleichung verwendeten Symbole haben die gleiche Bedeutung wie in der ersten zuvor angegebenen Gleichung. Die vorstehende Gleichung kann in eine Bessel-Reihenentwicklung erweitert werden und gibt folgendes:
• V21-out = ε sin(ωgt + θ) +k[1 + J&sub0;(φm)cos(φR] - 2kJ&sub1;(φ)sin φR cos(ωgt + θ) - 2kJ&sub2;(φm)cos φR cos 2(ωgt + θ) + 2kJ&sub3;(φm)sin φR cos 3(ωgt + θ)
• +(-1)n2kJ2n + 1(φm)sin φR cos(2n +1)(ωgt+θ)]
• Das Signal am Ausgang des Verstärkers 21 wird dem Eingang des Filters 22 zugeführt.
• Das Filter 22 läßt, wie zuvor erwähnt, primär die erste Harmonische aus der letzten Gleichung, d.h. die Modulations-Frequenzkomponente hindurch. Infolgedessen kann das Ausgangssignal des Filters 22 wie folgt angeschrieben werden:
• V22-out = -2kJ&sub1;(φm)sin φR cos(ωgt + θ + ψ&sub1;) + ε sin(ωgt + 0 + ψ&sub1;)
• Der weitere, für die Phasenverzögerung auftretende Ausdruck ψ&sub1; ist die zusätzliche Phasenverschiebung in der ersten Harmonischen, die infolge des Durchlaufs durch das Filter 22 hinzugefügt wird. Diese hinzugefügte Phasenverschiebung wird im wesentlichen als konstant erwartet und als eine bekannte Charakteristik des Filters 22.
• Das Signal von dem Filter 22 wird sodann dem phasenempfindlichen Detektor 23 zugeführt, wie dies auch mit dem Signal des Vorspannungs-Modulationsgenerators 20 geschieht, wobei das letztere C&sub1;sin(ωgt) entspricht und wobei ωg die Kreisfrequenz entsprechend der Modulationsfrequenz fg ist. Da der Wert der hinzugefügten Phasenverschiebung ψ&sub1; im Filter 22 bekannt ist, kann eine entsprechende Phasenverschlebung durch den phasenempfindlichen Detektor 23 hinzugefügt werden, bevor dieses Signal benutzt wird. Die Phasenverschiebung θ ist unbekannt und kann somit nicht durch den phasenempfindlichen Detektor 23 zugefügt werden. Der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 23 stellt sich, basierend auf dem bekannten Verhalten solcher Einrichtungen, wie folgt dar:
• V23-out = k'J&sub1;(φm)cosθ sin φR + k'ε/ksinθ
• Die Konstante k' steht für die Verstärkung in dem phasenempfindlichen Detektor 23. Wie ersichtlich, tritt ein Kosinus-Faktor in Abhängigkeit von θ in dem Teil des Ausgangssignales des phasenempfindlichen Detektors 23 auf, der auf der gleichphasigen Komponente beruht. Die hinzugefügte Phasenverschiebung θ beeinflußt die Genauigkeit des Teiles des Ausganges des phasenempfindlichen Detektors 23, der durch den Ausdruck vorgegeben ist, in welchem cosθ auftritt. Zusätzlich liegt eine bedeutende Quadraturkomponente basierend auf dem Teil dieses Ausgangssignales, das einen Sinusfaktor in Abhängigkeit von θ besitzt, in dem Ausgangssignal des phasenempflndlichen Detektors 23 vor und bildet oftmals einen beträchtlichen Fehler, in dem sie sehr viel größer als die gleichphasige Komponente ist, die bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten relativ klein sein kann. Daher ist eine Demodulationsanordnung erwünscht, die das Vorliegen dieses quadraturbezogenen Ausdruckes in dem Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors vermeidet.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung gibt ein Informations-Wiedergewinnungssystem zum Ausziehen von Information aus einem Paar von im wesentlichen kohärenten elektromagnetischen Wellen von einer Quelle vor, wobei diese Information durch Phasendifferenzen dazwischen repräsentiert wird und wobei jede Welle auf einen Photodetektor auftrifft. Diese Wellen besitzen weitere Phasendifferenzen zwischen sich, die mit einer Modulationsfrequenz auf Grund der Phasenmodulation variieren, wobei der Photodetektor in der Lage ist, ein Ausgangssignal zu geben, das die darauf auftreffenden Wellen repräsentiert, aber ebenfalls weitere Verarbeitungs- Phasenverschiebungen repräsentiert, die auf Grund der Erzeugung der Wellen oder auf Grund des Photodetektors entstehen. Das Informations-Wiedergewinnungssystem umfaßt einen Demodulator, der das Photodetektor-Ausgangssignal und ebenfalls ein Referenzsignal empfängt. Das Referenzsignal wird durch die Verwendung eines Phasenverschiebungsdetektors erhalten, der das Photodetektor-Ausgangssignal empfängt und der wenigstens die Verarbeitungs-Phasenverschlebung feststellt, die darin auftritt und diese Information an eine Referenzsignalversorgung gibt, um die Phase ihres Ausgangssignales einzustellen zusammen mit der vorbestimmten Phasenverschiebeinformation, die zuvor zugeführt wurde und die als ein Referenzsignal an den Demodulator geliefert wird. Die zuvor erwähnten elektromagnetischen Wellen werden in der Quelle des Systems als Wellen gebildet, die in entgegengesetzten Richtungen in einer optischen Faserspule umlaufen und die durch einen optischen Modulator in der optischen Wegstrecke dieser Wellen moduliert werden. Die erste Harmonische des Photodetektorsignales wird primär dem Demodulator zugeführt, wobei der Phasenverschiebedetektor ein Signal empfängt, das ausgewahlt wird aus entweder (a) dem Zeitintegral des Photodetektorsignals, (b) der zeitlichen Ableitung des Photodetektorsignals, und (c) der zweiten harmonischen Komponente des Photodetektorssignals.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Figur 1 zeigt ein gemischtes schematisches Block- und Schaltungsdiagramm eines bekannten Systems,
• Figur 2 zeigt ein gemischtes schematisches Block- und Schaltungsdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung, das einen Teil des Diagramms in Figur 1 ersetzen kann,
• Figur 3 zeigt ein gemischtes schematisches Block- und Schaltungsdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung, das einen Teil des Diagramms gemäß Figur 1 ersetzen kann, und
• Figur 4 zeigt ein gemischtes schematisches Block- und Schaltungsdiagramm der vorliegenden Erfindung, welches einen Teil des Diagramms gemäß Figur 1 ersetzen kann.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugen Ausführungsbeispiele
• Da die hinzugefügte Verarbeitungs-Phasenverschlebung θ, die in dem optischen Teil von Figur 1 und in dem Photodetektorschaltkreis 14 desselben erzeugt wird, mit der Temperatur und der Zeit variieren kann, gibt es keine befriedigende Art und Weise ihren Wert vorauszusagen. Doch kann die Eliminierung eines Quadraturausdruckes in dem Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 23 nur verwirklicht werden durch die Demodulation des Rotationsgeschwindigkeits-Datensignales, das diesem von dem Filter 22 zugeführt wird, durch Verwendung eines Referenzsignales, welches synchronisiert und in der Phase angepaßt ist (gleichphasig) zu diesem Rotationsgeschwindigkeits-Datensignal. Da dies nicht der Fall für das Referenzsignal sein kann, das durch den Vorspannungs-Modulationsgenerator 20 geliefert wird, da dieses Signal nicht den Quellen unterworfen ist, die die Phasenverschlebung des Ausgangssignales von dem Filter 22 beeinflussen, kann das Ausgangssignal dieses Generators nicht die direkte Quelle des Referenzsignales sein, welches in dem phasenempfindlichen Detektor 23 gemäß Figur 1 verwendet wird. Statt dessen muß das Referenzsignal für den phasenempfindlichen Detektor 23 aus dem Rotationsgeschwindigkeits-Datensignal erhalten werden da dieses das einzige Signal ist, welches in sich die Information bezüglich des Wertes der hinzugefügten Verarbeitungs-Phasenverschiebung θ auf Grund des optischen Systems und des Photodetektorsystems 14 enthält.
• Somit muß der untere Teil von Figur 1 nach dem Verstärker 21 und vor dem phasenempfindlichen Detektor 23 modifiziert werden, um das Herausziehen eines geeigneten Referenzsignales aus dem Rotationsgeschwindigkeits-Datensignal zu gestatten, das am Ausgang des Filters 22 geliefert wird Eine Art und Weise der Verwirklichung ist in dem System gemäß Figur 2 dargestellt, welches Teile des Systems gemäß Figur 1 ersetzen kann, die nicht direkt an dem optischen Teil dieses Systems beteiligt sind. Das System und die Schaltungskomponenten in Figur 2, die mit jenen in Figur 1 übereinstimmen, tragen in jeder Figur die gleichen numerischen Bezeichnungen.
• Wie zuvor aufgezeigt ist der Ausgang des Verstärkers 21 eine Signalspannung, die auf dem Photostrom basiert, der durch die Photodiode 13 gebildet wird auf Grund des Auftreffens der zwei elektromagnetischen Wellen aus dem optischen Systemteil gemäß Figur 1. Diese Ausgangsspannung V21-out. umfaßt einen Teil basierend auf der Quadraturkomponente des Photodiodenstromes und einen Teil basierend auf den harmonischen Komponenten plus einem konstanten Polaritätsausdruck, der die gleichphasige Komponente des Photodiodenstroms bildet, wie es in der Gleichung zuvor für die erweiterte Version dieser Spannung gezeigt ist. Erneut wählt das Filter 22 primär die harmonische Komponente des gleichphasigen Teils von V21-out bei der Modulationsfreuqenz fg aus, d.h. die erste Harmonische derselben und gibt diese als seine Ausgangsspannung V22-out an den Dateneingang des phasenempfindlichen Detektors 23.
• Dieses Spannungssignal am Ausgang des Filters 22 enthält, wie die Gleichung zuvor zeigt, die hinzugefügte Verarbeitungs-Phasenverschiebung θ mit unbekanntem, aber veränderlichem Wert. Dieser Phasenverschiebungswert muß als eine zusätzliche Phasenverschiebung in dem Referenzsignal hinzugefügt werden, um an dem Referenzsignaleingang des phasenempfindlichen Detektors 23 zugeführt zu werden, ebenso wie andere bekannte Phasenverschiebungen hinzugefügt werden, wenn eine Demodulation mit ausreichender Qualität vorgegeben werden soll, um irgendeine Quadraturkomponente aus dem Spannungssignal zu eliminieren, das am Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 23 gebildet wird.
• In Figur 2 wird die Informationsquelle bezüglich des Wertes von θ aus der zweiten Harmonischen der gleichphasigen Komponente des Photodioden-Ausgangsstromes erhalten, wie sie sich in dem Spannungssignal am Ausgang des Verstärkers 21 in der Weise darstellt, wie dies durch die obige Gleichung für V21-οut (obgleich eine gerade Harmonische mit höherer Ordnung ausgewählt werden kann) angezeigt ist. Dies wird verwirklicht durch ein weiteres Bandpaßfilter 24, das mit seinem Eingang an den Ausgang des Verstärkers 21 angeschlossen ist. Das Durchlaßband des Filters 24 ist um die Frequenz der Komponente der Ausgangsspannung des Verstärkers 21 zentriert, die die zweite Harmonische des Ausgangsstromes der Photodiode 13 repräsentiert, so daß sich das folgende Spannungssignal am Ausgang des Filters 24 ergibt:
• V24-out = -2kJ&sub2;(φm)cos φR cos[2(ωgt + θ) + ψ&sub2;]
• Die addierte Phasenverschiebung ψ&sub2; im Filter 24 hinter dem Ausgang des Verstärkers 21 ist die Phasenverschiebung, die durch das Filter 24 beigetragen wird.
• Die Ausgangsspannung V24-out des Filters 24 wird einer Phasen-Feststelleinrichtung 25 vorgegeben. Die Phasen-Feststelleinrichtung 25 ist typischerweise ein Nulldurchgangsdetektor für die Feststellung von Nulldurchgängen der Ausgangsspannung V24-out, die am dichtesten an den Nulldurchgängen der Ausgangsspannung des Vorspannungs-Modulationsgenerators 20 auftreten. Da die Verarbeitungs-Phasenverschlebung θ, die durch das optische System in Figur 1 und das Photodetektorsystem 14 desselben hlnzugefügt wird, als relativ klein erwartet wird, werden die Nulldurchgänge der zweiten Harmonischen in der Ausgangsspannung V24-out des Filters 24, welche von Interesse sind, relativ dicht bei den Nulldurchgängen des Vorspannungs- Modulationsgenerators 20 liegen. Die interessierenden Nulldurchgänge der zweiten harmonischen Komponente des Ausganges des Verstärkers 21, die durch das Filter 24 vorgegeben werden, d.h. die Ausgangsspannung V24-out des Filters 24 werden aus der vorstehenden Gleichung auftreten bei:
• Dies folgt aus der Kosinus-Zeitabhängigkeit der Ausgangsspannung v24-out und dem Argument derselben, wie in der vorletzten Gleichung gezeigt. Diese Nulldurchgangspunkte dienen als Synchronisations-Zeitwerte beim Betrieb eines nachfolgenden Oszillators.
• Diese Synchronisationswerte der Phasen-Feststelleinrichtung 25 werden einem Phaseneinsteller 26 zugeführt. Der Phaseneinsteiler 26 ist vorgesehen, um irgendwelche Differenzen in den Phasenverzögerungen, die in den Filtern 22 und 24 eingeführt werden, zu entfernen und er kann dies tun, da solche Phasenverzögerungenjeweils stabil und vorhersagbar sind. Diese Differenz entspricht ψ&sub2;/2ωg-ψ&sub1;/ωg.
• Der Phaseneinsteller 26 addiert diese Differenz in der Zeitverzögerung zu den zugeführten Synchronisationswerten und gibt sie sodann weiter zu einem Oszillator 27. Diese Oszillator erzeugt einen entsprechenden Oszillationsausgang, der einen Kosinusverlauf oder oftmals noch passender einen Rechteckwellenverlauf haben kann. Der Ausgang des Oszillators 27 mit der zweiten harmonischen Frequenz 2fg wird einem Dividierer 28 zugeführt, der die Frequenz durch zwei dividiert, um einen Oszillationsausgang vorzugeben, dessen Verlauf entsprechende Nulldurchgänge der Modulationsfrequenz oder Nulldurchgänge wie folgt aufweist:
• Diese sind genau gleichphasig mit der Spannung v22-out, die am Ausgang des Filters 22 geliefert wird, und somit wird eine genaue Demodulation dieser letzteren Spannung durch den phasenempflndlichen Detektor 23 vorgegeben. Infolgedessen ergibt sich der Ausgang des phasenempflndlichen Detektors 23 wie folgt:
• V23-out = k'J&sub1;(φm)sin φR
• wobei k' erneut die akkumulierten Verstärkungskonstanten des Systems repräsentiert. Wenn die Amplitude der Phasenmodulation φm die durch den Vorspannungs-Modulationsgenerator 20 und den Modulator 19 vorgegeben wird, konstant bleibt, dann hängt v23-out nur von dem Sinus der durch die Rotation eingeführten Phasendifferenz φR ab.
• Alternativ kann der Oszillator 27 entfallen, wenn die Phasen-Feststelleinrichtung 25 als ein Ausgangssignal ein Schwingungssignal mit Nulldurchgängen liefert, die exakt an den zuvor beschriebenen Synchronisationswerten auftreten. Dann stellt der Einsteller 26 die Phase dieser schwingenden Welle der Phasen-Feststelleinrichtung 25 ein und das sich ergebende Schwingungssignal am Ausgang des Einstellers 26 wird durch den Dividierer 28 geteilt. Infolgedessen ist der Oszillator 27 mit einer durchgezogenen gestrichelten Linie gezeigt, um die alternative der Eliminierung dieser Komponente anzuzeigen. Bei dieser letzteren Lösung können der Dividierer 28 und der Einsteller 26 in ihrer Position ausgetauscht werden, und der Oszillator 27 ist eliminiert.
• Als eine Alternative, welche das Erfordernis der Filterung der höheren Frequenz beim Gebrauch der zweiten harmonischen Komponente in dem Ausgangs-Spannungssignal des Verstärkers 21 eliminiert, kann das Ausgangssignal statt dessen integriert werden, nachdem der konstante Polaritätsausdruck darin entfernt worden ist. Ein solches System ist in Figur 3 gezeigt. Der konstante Polaritätsausdruck wird durch einen Kondensator 30 entfernt, wobei die verbleibenden Teile der Ausgangsspannung des Verstärkers 21 sodann dem Eingang eines Integrators 31 zugeführt werden. Das Ergebnis der zeitlichen Integration, das eine entsprechende Spannung am Ausgang des Integrators 31 liefert kann in erweiterter Form wie folgt angeschrieben werden:
• wobei das Integral des Quadraturausdruckes vernachlaßigt worden ist. Obgleich der Quadraturausdruck in der Ausgangsspannung des Verstärkers 21 beträchtlich in bezug auf den gleichphasigen Term bei niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten sein kann, wird der Quadraturterm immer sehr klein im Hinblick auf die zweite harmonische Komponente der Ausgangsspannung dieses Verstärkers sein.
• Die durch den Integrator 31 ausgeführte Zeitintegration wandelt ersichtlich in der letzten Gleichung alle Zeitabhängigkeiten der harmonischen Komponenten in dem Ausgangssignal des Verstärkers 21 so um, daß alle Zeitabhängigkeiten durch Sinusfürktionen alleine vorgegeben sind. Im Unterschied zu Kosinusfünktionen besitzen die Sinusfünktionen der harmonischen Amplituden, die den Wert Null zu verschiedenen Zeiten durchqueren, aber den Wert Null zu dem gleichen Zeitpunkt wie die Amplitude der ersten Harmonischen bzw. der Grundschwingung (bei der Modulationsfrequenz fg). Somit kann ein Nulldurchgangsdetektor erneut für die Phasen-Feststelleinrichtung 25 verwendet werden, um jene Nulldurchgänge der Ausgangsspannung des Verstärkers 21 auszuwählen, die dicht bei den Nulldurchgängen der Ausgangsspannung des Vorspannungs-Modulatorgenerators 20 liegen. Die Nulldurchgänge der Ausgangsspannung des Integrators 31 liegen bei:
• Infolgedessen können die verbleibenden Teile von Figur 3 größtenteils mit jenen des Systems in Figur 2 einschließlich der Phasen-Feststelleinrichtung 25, dem Phaseneinsteller 26 und einem Oszillator 27 übereinstimmen. Ein Dividierer ist jedoch nicht vorhanden, da die Nulldurchgänge in dem System von Figur 3 in Übereinstimmung mit der Grundschwingung bzw. der ersten harmonischen Komponente der Ausgangsspannung des Verstärkers 21 statt bei der zweiten harmonischen Komponente wie in dem System gemäß Figur 2 festgestellt werden. Erneut kann, wie dies durch die durchlaufende gestrichelte Linie angezeigt ist, der Oszillator 27 entfallen, in den Fällen, wo die Phasen-Feststelleinrichtung 25 einen Schwingungsausgang liefert und nicht nur bloß Synchronisationsimpulse vorgibt, die die Nulldurchgänge der Ausgangsspannung des Integrators 31 anzeigen. Der Phaseneinsteller 26 wird sodann so eingestellt, daß er eine Phasenverzögerung vorgibt, die der entspricht, die durch das Bandpaßfilter 22 bzw. durch Ψ&sub1; vorgegeben wird.
• Wenn jedoch die harmonischen Komponenten der Ausgangsspannung des Verstärkers 21 durch den Integrator 31 nicht gleich gut integriert werden, so werden beispielsweise einige der höheren und schlechter integrierten Harmonischen nicht länger den Null-Amplitudenwert zum gleichen Zeitpunkt durchqueren wie dies die Grund-Harmonische tut. Somit muß die Bandbreite des Integrators 31 ausreichend sein, um alle harmonischen Komponenten der Ausgangsspannung des Verstärkers 21, die irgendeine bedeutende Amplitude besitzen, zu integrieren. Als eine Alternative kann ein Differenzierer 31', wie er als gestrichelter Block in Figur 3 gezeigt ist, den Kondensator 30 und den Integrator 31 ersetzen, um eine Zeitabhängigkeit in den Harmonischen vorzugeben, die erneut durch eine Gruppe von harmonischen Sinusfünktionen vorgegeben sind. Dies kann in einigen Fällen eine bessere Wahl als die Integration darstellen.
• Die Systeme der Figuren 2 und 3 erfordern beide die Bildung eines Referenzsignales für den phasenempfindlichen Detektor 23, welches eine Frequenz besitzt, die derjenigen in der Ausgangsspannung des Vorspannungs-Modulationsgenerators 20 bzw. der Modulationsfrequenz fg entspricht, einer Frequenz, die typischerweise in der Größenordnung von 50 kHz liegt. Die phasenempfindliche Detektierung bzw. Demodulation, die eine Verschiebung von einer Frequenz bei der Grundfrequenz des Rotationsgeschwindigkeits- Datensignals, wie es am Ausgang des Filters 22 geliefert wird, d.h. von der Frequenz fg zu einem Basisband-Frequenzwert, dem jeglicher bedeutende Betrag der Modulationsfrequenz bzw. von Harmonischen derselben fehlt, kann schwierig genau zu erzielen sein, auf Grund von Beschränkungen in den verfügbaren Komponenten für den phasenempfindlichen Detektor 23. Figur 4 zeigt eine alternative Lösung basierend auf dem Beispiel des Systems gemäß Figur 3, welches zwei Schritte in der Demodulation des Ausgangssignales V22-out des Filters 22 verwendet. In dem ersten Schritt wird die Frequenz der Modulationsfrequenzkomponente bzw. der Grundkomponente der Spannung v22-out, die durch den Verstärker 21 geliefert und durch das Filter 22 ausgewählt wird, zunächst zu einer sehr viel niedrigeren Frequenz verschoben, die einen typischen Wert von 3 kHz besitzt. Das sich ergebende Signal bei dieser Frequenz wird sodann einem phasenempfindlichen Detektor zugeführt, um den Demodulationsprozeß zu vervollständigen, wobei dieser Detektor ebenfalls ein Referenzsignal mit dieser niedrigeren Frequenz für diesen Zweck zugeführt erhält.
• Um eine solche Demodulation in zwei Schritten vorzugeben, ist das System gemäß Figur 3 als ein Beispiel in Figur 4 modifiziert dargestellt und umfaßt einen modifizierten Grundspannungs- Modulationsgenerator 20, der in Figur 4 mit 20' neu bezeichnet ist. Der Generator 20' besitzt nun drei unterschledliche Ausgangsspannungen, welche eine feste Frequenz- und Phasenbeziehung zueinander haben, was durch eine Phasen-Verriegelungstechnik in einer wohlbekannten Weise erzielt werden kann. Die Demodulations-Ausgangsspannung des Generators 20' verbleibt natürlich auf einem Wert entsprechend C&sub1;sinωgt, wie dies in dem System gemäß Figur 3 der Fall war. Dieser Spannungsverlauf mit der Modulationsfrequenz fg wird erneut dem Demodulator 19 zugeführt und wird erneut der Phasen-Feststelleinrichtung 25 zugeführt. Somit können erneut die Nulldurchgänge der Ausgangsspannung des Integrators 31, die sich am nächsten zu den Nulldurchgängen in der Ausgangsspannung des Generators 25 befinden, die zum Betrieb des Modulators 19 verwendet wird, festgestellt werden, wie dies auch bei dem System gemäß Figur 3 der Fall war. Der Generator 20' liefert ferner einen Frequenzverschiebungs-Spannungsausgang C&sub2;cos(ωst+αs), der einen Frequenzwert für ωs/sπ = fs von 47 kHz besitzen kann, wenn fg = 50 kHz ist. Es wird eine zugeordnete Phasenverschiebung geben, die mit αs bezeichnet ist. Diese Spannung wird einem Frequenz- Abwärtswandler 23' als Teil des Demodulationssystems zugeführt, um eine Abwärtsverschiebung in der effektiven Modulationsfrequenz vorzugeben, so daß das Ausgangssignal des Abwärtswandlers 23' Frequenzen um 3 kHz besitzen wird. Diese Spannung C&sub2;cos(ωst+αs) von dem Generator 20' wird mit dem Rotationsgeschwindigkeits- Datensignal gemischt, das am Ausgang des Filters 22 oder mit v22-out, wie zuvor geliefert wird. Diese Mischung resultiert in dem folgenden Spannungsignal am Ausgang des Frequenz- Abwärtswandlers 23':
• V23-out = k'J&sub1;(φm)sin φR cos[(ωg-ωs)t + θ + ψ&sub1; - αs] + ε' sin(ωdt + θ + ψ&sub1; + αs)
• Es gibt typischerweise keine Schwierigkeit bei einer Systemkomponente zur Frequenzverschiebung bzw. Umwandlung, wie dem Frequenz-Abwärtswandler 23', der in der Lage ist, eine Frequenzwandlung bei den betroffenen Frequenzpegein von 47 kHz und 50 kHz vorzugeben. Demodulationsschwierigkeiten der zuvor angegebenen Art entstehen statt dessen beim direkten Übergang von der Demodulationsfrequenz zu dem Basisband. Die Konstanten k' und ε' repräsentieren den kummulativen Effekt der Verstärkungskonstanten des Systemkomponenten, die in dem System bis zu dem Punkt an dem Ausgang des Frequenz- Abwärtswandlers 23' auftreten.
• Der Generator 20' liefert ein drittes Ausgangssignal C&sub3;cos(ωdt+αd) und liefert dieses an den Phaseneinsteller, welcher lediglich eine Phasenänderung in diesem Signal bewirkt, bevor er es weitergibt und das somit in Figur 4 mit 26' neu bezeichnet wurde. Die Frequenz ωd/2π = fd liegt fest und entspricht der Differenz zwischen den zwei anderen gelieferten Frequenzen fg und fs bzw. ωd = ωg - ωs. Dies ist ersichtlich genau die Frequenz, die in den zeitabhängigen Ausdrücken in der Gleichung für die Ausgangsspannung v23'-out des Frequenz-Abwärtswandlers 23' auftritt. Somit kann die Gleichung für die Ausgangsspannung des Frequenz- Abwärtswandlers 23' neu angeschrieben werden:
• V23'-out = k'J&sub1;(φm)sin φR cos(ωdt + θ + ψ&sub1; - αs) + ε' sin(ωdt + θ + ψ&sub1; + αs)
• Somit kann dieses Ausgangs-Spannungssignal des Frequenz-Abwärtswandlers 23' klar demoduliert werden, um den quadraturbezogenen Ausdruck darin durch einen Kosinusverlauf zu eliminieren, der mit der Kreisfrequenz ωd variiert und gerade eine solche Spannung ist durch den Vorspannungs-Modulationsgenerator 20', wie zuvor angegeben, verfügbar, nämlich die Spannung C&sub3;cos(ωdt+αd). Eine Phasenverschiebung muß jedoch dazu addiert werden, so daß sie die gleiche Phase wie der gleichphasige Kosinus-Ausdruck in der vorangehenden Gleichung besitzt. Somit muß diese Spannung von dem Generator 20', die dem Einsteller 26' zugeführt wird, mit einer Phaseneinstellung versehen werden, die θ+Ψ&sub1;αs-αd entspricht. Wie zuvor angegeben sind die Phasenverschiebungen (a) Ψ&sub1; auf Grund des Filters 22, (b) αs, die in dem Frequenz-Verschiebesignal auftritt, die von dem Vorspannungs-Modulationsgenerator 20' zu dem Frequenz-Abwärtswandler 23' geliefert wird, und (c) αd, die in dem Demodulationssignal auftritt, das von dem Vorspannungs-Modulationsgenerator 20' an den Einsteller 26' geliefert wird, alle bekannt und können somit in dem Einsteller 26' voreingestellt werden. Die Phasenverschiebung θ auf Grund des optischen Systems und des Photodetekorschaltkreises 14 ist nicht fest und bekannt, aber ihre Werte werden von der Phasen-Feststeileinrichtung 25 erhalten. Diese Werte werden gefünden aus den Zeitpunkten der Nulldurchgänge des Vorspannungs-Modulationsgenerators 20', welche bei tn = nπ/ωg auftreten und aus den Zeitpunkten der Nulldurchgänge des Signales von dem Integrator 31, welche bei tn = (nπ/ωg) auftreten, wobei diese Gleichungen die Bestimmung von θ klar gestatten. Somit besitzt der Einsteller 26' die erforderliche Information, um die geeignete zusätzliche Phasenverschiebung zu dem Demodulationssignal vorzugeben, das durch den Vorspannungs-Modulationsgenerator 20' geliefert wird, um ein Ausgangssignal durch den Einsteller 26' wie folgt vorzugeben:
• V26'-out = C&sub3; cos(ωdt + θ + ψ - αs)
• Dieses Ausgangssignal des Einstellers 26' liefert das Referenzsignal für den phasenempflndlichen Detektor 23" und ist genau mit dem Ausgangssignal des Abwärtswandlers 23' synchronisiert, um das Rotationsgeschwindigkeits-Datensignal zu demodulieren, das dem Detektor 23" zugeführt wird. Als Ergebnis ergibt sich:
• V23"-out = k"J&sub1;(φm)sin φR
• wobei erneut sich keine auf einer Quadratur basierende Komponente ergibt. Die Konstante k" repräsentiert erneut die akkumulierten Verstärkungskonstanten der Komponenten in dem System.
• Obgleich die vorliegende Erfindung in bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, daß Anderungen in der Form und in Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne daß von dem Rahmen der Erfindung abgewichen wird, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims (16)

1. Informations-Wiedergewinnungssystem zum Ausziehen von Information aus einem Paar von im wesentlichen kohärenten elektkromagnetischen Wellen, die durch Phasendifferenzen dazwischen repräsentiert werden und von denen jede auf einen Photodetektor (13,14) auftrifft, wobei das Paar der im wesentlichen kohärenten elektromagnetischen Wellen durch eine Quellen-Erzeugungseinrichtung (11) vorgegeben wird mit weiteren dazwischen vorgegebenen Phasendifferenzen, die mit einer Modulationsfrequenz auf Grund dessen variieren, daß jede in ihrer Phase moduliert ist, wobei die Photodetektoreinrichtung in der Lage ist, ein Ausgangssignal an einem Ausgang derselben vorzugeben, das das Paar der darauf auftreffenden im wesentlichen kohärenten elektromagnetischen Wellen repräsentiert und das ferner jegliche weitere Verarbeitungs-Phasenverschiebungen auf Grund von entweder der Quellen-Erzeugungseinrichtung oder der Detektoreinrichtung repräsentiert, umfassend:

eine Demodulatoreinrichtung (22,23) mit einem Informations-Signaleingang, der elektrisch an den Ausgang der Photodetektoreinrichtung angeschlossen ist, und mit einem Referenzsignaleingang und einem Ausgang, wobei die Demodulatoreinrichtung in der Lage ist, an dem Ausgang ein Ausgangssignal auszugeben, das im wesentlichen frei von Frequenzkomponenten mit der Modulationsfrequenz entsprechend einem Eingangssignal ist, das an dem Informations- Signaleingang vorgegeben wird und eine wesentliche Signalkomponente mit der Modulationsfrequenz besitzt, wenn ein Referenzsignal mit der Modulationsfrequenz an dem Referenzsignaleingang vorgegeben wird, das eine ausgewählte Phasenbeziehung zu der Eingangssignal-Modulationsfrequenzkomponente besitzt;

eine Phasenverschiebungs-Feststelleinrichtung (24,25), die mit einem Eingang elektrisch an den Ausgang der Photodetektoreinrichtung angeschlossen ist und die einen Ausgang besitzt, wobei die Phasenverschiebungs-Feststelleinrichtung in der Lage ist, an ihrem Ausgang ein Ausgangsignal auszugeben das eine Darstellung der Verarbeitungs-Phasenverschiebung enthält, die in Eingangssignalen auftritt, die an dem Informationssignaleingang der Demodulatoreinrichtung mit der Modulationsfrequenz vorgegeben werden; und

eine Referenzsignal-Versorgungseinrichtung (26,26'), die mit einem Eingang elektrisch an den Ausgang der Phasenverschiebungs-Feststelleinrichtung und mit einem Ausgang elektrisch an den Referenzsignaleingang der Demodulatoreinrichtung angeschlossen ist, wobei die Referenzsignal- Versorgungseinrichtung in der Lage ist, an ihrem Ausgang ein Ausgangsignal mit einer Phase auszugeben, die durch beide Eingangssignale festgelegt ist, die an deren Eingängen vorgegeben werden und die durch eine vorbestimmte Phasenverschiebungsinformation festgelegt ist, die ihr zuvor zugeführt wurde.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatoreinrichtung eine Filtereinrichtung (22) aufweist, die mit einem Eingang elektrisch an den Informationssignaleingang angeschlossen ist und die einen Ausgang besitzt, wobei die Filtereinrichtung in dei Lage ist, primär jene Freguenzkomponenten im Ausgangssignal der Photodetektoreinrichtung durchzulassen, die sich in einem ausgewählten Bereich um die Modualtionsfrequenz befinden.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungs-Feststelleinrichtung eine Filtereinrichtung (24) aufweist, die mit einem Eingang elektrisch an deren Eingang angeschlossen ist und die einen Ausgang besitzt, wobei die Filtereinrichtung in der Lage ist, primär jene Frequenzkomponenten im Ausgangssignal der Photodetektoreinrichtung durchzulassen, die sich in einem ausgewählten Bereich um eine Frequenz befinden die ein ausgewähltes Vielfaches der Modulationsfrequenz ist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungs-Feststelleinrichtung eine Integriereinrichtung (31) aufweist, die mit einem Eingang elektrisch an deren Eingang über eine Blockiereinrichtung (30) angeschlossen ist, die in der Lage ist, Signalanteile mit Frequenzen nahe Null zu blockieren und die einen Ausgang besitzt, wobei die Integriereinrichtung in der Lage ist, als ein Ausgangssignal das Ergebnis auszugeben, das durch Integration über der Zeit von jenen Frequenzkomponenten des Ausgangssignales der Photodetektoreinrichtung erhalten wird, welche irgendeine Modulationsfrequenz und jene Frequenzen umfassen, die ausgewählte Vielfache davon sind.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungs-Feststelleinrichtung eine Differenziereinrichtung (31') umfaßt, die mit einem Eingang elektrisch an deren Eingang angeschlossen ist und die einen Ausgang besitzt, wobei die Differenziereinrichtung in der Lage ist, als ein Ausgangssignal das Ergebnis auszugeben, das durch Differentiation über der Zeit von jenen Frequenzkomponenten des Ausgangssignales der Detektoreinrichtung erhalten wird, welche irgendeine Modulationsfrequenz und jene Frequenzen umfassen, die ausgewählte Vielfache davon sind.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Informations-Wiedergewinnungssystem ferner umfaßt eine Phasenmodulationseinrichtung (19) mit einem Eingang, die in einem optischen Wegstreckenteil angeordnet ist, der aus jenen optischen Wegstreckenteilen ausgewählt wird, der von einem Paar von im wesentlichen kohärenten elektromagnetischen Wellen genommen wird, um eine aufgewickelten optische Faser entlang einer optischen Wegstrecke zu der Photodetektoreinrichtung zu erreichen oder zu verlassen, wobei die Phasenmodulationseinrichtung in der Lage ist, die Phase des Paares von im wesentlichen kohärenten elektromagnetischen Wellen mit der Modulationsfrequenz zu modulieren in Übereinstimmung mit einem Ausgangssignal mit der Modulationsfrequenz, das am Ausgang eines Phasenmodulations-Signalgenerators (20) vorgegeben wird, der elektrisch an den Eingang der Phasenmodulationseinrichtung angeschlossen ist.

7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (22) eine vorbestimmte Charakteristik bei der Modulationsfrequenz aufweist.

8. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatoreinrichtung eine Frequenz-Abwärts-Wandlereinrichtung (23') mit einem Datensignaleingang, einem Verschiebesignaleingang und einem Ausgang aufweist, wobei die Frequenz-Abwärts-Wandlereinrichtung in der Lage ist, ein Signal, das an ihrem Datensignaleingang mit einer anfänglichen Frequenz empfangen wird, in einen anderen nachfolgenden Frequenzwert umzuwandeln, der von der anfänglichen Frequenz durch die Frequenz getrennt ist, die in einem Signal enthalten ist, das an den Verschiebesignaleingang angelegt wird, wobei der Datensignaleingang elektrisch an den Ausgang der Filtereinrichtung (22) angeschlossen ist.

9. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatoreinrichtung einen phasenempfindlichen Detektor (23,23") umfaßt, der mit einem modulierten Eingang elektrisch an den Ausgang der Filtereinrichtung (22) angeschlossen ist und mit einem Standardeingang elektrisch mit dem Referenzsignaleingang der Demodulatoreinrichtung (25) verbunden ist und der einen Ausgang besitzt, der elektrisch mit dem Ausgang der Demodulatoreinrichtung verbunden ist.

10. System nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungs-Feststelleinrichtung ferner eine Nulldurchgang-Bestimmungseinrichtung (25) umfaßt, die einen elektrisch an die Filtereinrichtung (24) angeschlossenen Dateneingang und einen Ausgang besitzt, wobei die Nulldurchgang-Bestimmungseinrichtung in der Lage ist, jene Zeitpunkte festzustellen, zu denen ein Signal an ihrem Eingang einen Wert von Null besitzt und ein Ausgangssignal an ihrem Ausgang auszugeben, das wenigstens ausgewählte Auftritte dieses Ereignisses anzeigt.

11. System nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignal-Versorgungseinrichtung ferner eine Phaseneinstellvorrichtung (26) umfaßt, die mit ihrem Eingang elektrisch an den Ausgang der Phasenverschiebungs-Feststelleinrichtung (25) angeschlossen ist und die einen Ausgang besitzt, wobei die Phaseneinstellvorrichtung in der Lage ist, ein Ausgangssignal an ihrem Ausgang vorzugeben, in dem eine ausgewählte Phasenverschiebung zu dem an ihrem Eingang empfangenen Signal addiert ist.

12. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatoreinrichtung ferner einen phasenempfindlichen Detektor (23") umfaßt, der mit einem modulierten Eingang elektrisch an den Ausgang der Frequenz-Abwärts- Wandlereinrichtung (23') angeschlossen ist und der mit einem Standardeingang elektrisch an den Referenzsignaleingang der Demodulatoreinrichtung angeschlossen ist und der einen Ausgang besitzt, der elektrisch mit dem Ausgang der Demodulatoreinrichtung verbunden ist.

13. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Informations- Wiedergewinnungssystem ferner umfaßt eine Phasenmodulationseinrichtung (19) mit einem Eingang, die in einem optischen Wegstreckenteil angeordnet ist, der aus jenen optischen Wegstreckenteilen ausgewählt wird, der von einem Paar von im wesentlichen kohärenten elektromagnetischen Wellen genommen wird, um eine aufgewickelte optische Faser (10) entlang einer optischen Wegstrecke zu der Photodetektoreinrichtung (13) zu erreichen oder zu verlassen, wobei die Phasenmodulationseinrichtung in der Lage ist, die Phase des Paares von im wesentlichen kohärenten elektromagnetischen Wellen mit der Modulationsfrequenz zu modulieren in Übereinstimmung mit einem ersten Ausgangsignal mit der Modulationsfrequenz, das an einem ersten Ausgang eines Phasenmodulations-Signalgenerators (20') vorgegeben wird, der elektrisch an den Eingang der Phasenmodulationseinrichtung angeschlossen ist, wobei die Nulldurchgang-Bestimmungseinrichtung (25) ebenfalls einen Referenzeingang besitzt und in der Lage ist, daran angelegte Signale zu verwenden, um jene Nulldurchgangsauftritte auszuwählen, die in dem Ausgangssignal anzuzeigen sind, wobei der erste Ausgang des phasenmodulations-Signalgenerators elektrisch an den Referenzeingang der Nulldurchgang- Bestimmungseinrichtung angeschlossen ist.

14. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignal- Versorgungseinrichtung ferner eine Frequenzteilervorrichtung (28) umfaßt, die an der Referenzsignal-Versorgungseinrichtung Ausgangssignale vorgibt, die eine Frequenz vermindert gegenüber einer Frequenz der Signale besitzen, die dem Eingang der Referenzsignal-Versorgungseinrichtung zugeführt werden, wobei der Faktor dem reziproken Wert des ausgewählten Vielfachen entspricht.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignal- Versorgungseinrichtung ferner eine Oszillatoreinrichtung (27) umfaßt, die mit einem Eingang elektrisch an den Phasensteller (26) angeschlossen ist und einen Ausgang besitzt, wobei die Oszillatoreinrichtung in der Lage ist, durch Signale an ihrem Eingang gesteuert zu werden, um ein oszillierendes Ausgangssignal an ihrem Ausgang mit ausgewählter Frequenz und Phase vorzugeben.

16. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmodulations-Signalgenerator (20') einen zweiten Ausgang besitzt, an dem er ein zweites Ausgangssignal mit einer Frequenz liefert, die in fester Beziehung zu der Modulationsfrequenz steht und daß der Phaseneinsteller (26') ebenfalls einen Referenzeingang besitzt und in der Lage ist, Phasenverschiebungen zu addieren, die in Signalen auftreten und zu Signalen addiert werden, die an dem Dateneingang und dem Referenzeingang empfangen werden, wobei der zweite Ausgang elektrisch mit dem Referenzeingang des Phaseneinstellers verbunden ist.