Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf einen
optischen Faserkreisel zur Erfassung einer
Drehwinkelgeschwindigkeit von Fahrzeugen, Marineschiffen, Luftfahrzeugen
usw. und insbesondere auf eine Verbesserung bei der
Steuerung der Lichtabgabe des Licht emittierenden Elements in
dem optischen Faserkreisel.
Beschreibung des Standes der Technik
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Wenn Lichter durch eine Spule hindurchgehen, die durch eine
vielfache spiralförmige Wicklung einer optischen Faser im
Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn ausgebildet
ist, dann ergibt sich dabei eine Phasendifferenz zwischen
den Lichtern im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn,
wenn die Spule gedreht wird. Ein optischer Faserkreisel ist
ein solcher, der eine Drehwinkelgeschwindigkeit mittels der
Phasendifferenz zwischen den Lichtern im Uhrzeigersinn und
entgegen dem Uhrzeigersinn erfaßt.
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Für diesen Zweck weist der optische Faserkreisel ein Licht
emittierendes Element zur Erzeugung eines monochromatischen
Lichts auf sowie eine Faserspule, die durch ein vielfaches
spiralförmiges Wickeln einer optischen Faser nach einem
einzigen Verfahren ausgebildet ist. Der optische
Faserkreisel weist auch ein Verzweigungselement auf, welcher das
von dem Licht emittierenden Element emittierte Licht
aufteilt und die aufgeteilten Lichter an die entgegengesetzten
Enden der Faserspule übermittelt und dann die Lichter zu
einem kohärenten Licht vereinigt, die durch die Faserspule
hindurch in den Richtungen im Uhrzeigersinn und entgegen
dem Uhrzeigersinn der Spule verlaufen sind, sowie ein Licht
empfangendes Element zur Erfassung der kohärenten
Lichtabgabe. Eine Phasendifferenz δθ zwischen den Lichtern im
Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn, die
proportional zu einer Drehwinkelgeschwindigkeit Ωc der
Faserspule ist, wird durch den optischen Faserkreisel erhalten.
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Da bei dem optischen Faserkreisel der vorerwähnten Art die
koharente Lichtabgabe in der Form cos(δθ) ist, ist es
schwierig, die Phasendifferenz δθ genau zu erhalten,
sodaß deshalb eine Phasenmodulation, Frequenzmodulation
usw. angewendet werden.
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Bei dem optischen Faserkreisel des Typs mit einer
Phasenmodulation wird bspw. die optische Faser neben einem Ende
der Faserspule um einen piezoelektrischen Vibrator herum
gewickelt, und die Modulationsspannung wird zwischen die
Elektroden des piezoelektrischen Vibrators angelegt. Der
piezoelektrische Vibrator wird dann in seiner radialen
Richtung ausgedehnt und zusammengezogen, sodaß auch die
optische Faser ausgedehnt und zusammengezogen wird. Als ein
Ergebnis wir die Phase des Lichts, welches durch die
optische Faser hindurch verlauft, moduliert.
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Da der Ausgang des Licht empfangenden Elements die
Modulationsfreguenz Ω und höhere harmonische Komponenten enthält,
wenn die Trägersignale von betreffenden Frequenzen
hergestellt sind und der Ausgang des Licht empfangenden Elements
synchron erfaßt wird, können seine
Grundschwingungskomponenten und seine höheren harmonischen Komponenten erhalten
werden. Wenn die Amplituden der Lichter oder Lichtstrahlen
entgegen dem Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn mit E1 und
E2 bezeichnet werden, dann kann die Gleichstromkomponente D
des Ausgangs des Licht empfangenden Elements wie folgt
angegeben werden:
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D = (E1² + E2²)/2 + E1 E2 JO(u) cos(δθ) ---(1)
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wobei
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u = 2 b sin(ΩnL/2) ---(2)
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Bei den Gleichungen (1) und (2) ist b eine Amplitude der
Phasenmodulation, n ist ein Brechungsfaktor der optischen
Faser, 1 ist eine Faserlange der Faserspule, c ist die
Lichtgeschwindigkeit, Ω ist eine Modulationswinkelfrequenz
und JO(u) ist eine Bessel-Funktion der nullten Ordnung.
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Die Grundschwingungskomponente P des Ausgangs des Licht
empfangenden Elements wird durch die folgende Gleichung
angegeben:
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P = 2 E1 E2 J1(u) sin(δθ) ---(3)
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Die doppelt höhere harmonische Komponente Q des Ausgangs
des Licht empfangenden Elements wird durch die folgende
Gleichung angegeben:
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T = 2 E1 E2 J2(u) cos(δθ) ---(4)
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Die vierfach höhere harmonische Komponente T des Ausgangs
des Licht empfangenden Elements wird durch die folgende
Gleichung angegeben:
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T = 2 E1 E2 J4(u) cos(δθ) ---(5)
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Die Phasendifferenz δθ zwischen den Lichtern im
Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn kann bspw. von der
Grundschwingungskomponente P erhalten werden. In diesem
Fall müssen die Amplituden E1 und E2 konstant sein. Damit
E1 und E2 konstant sind, ist es erforderlich, daß die
Lichtmenge des gesamten Licht emittierenden Elements
konstant gehalten wird.
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Der optische Faserkreisel des Typs mit einer
Phasenmodulation ist in den Japanischen Patentanmeldungen No. 1-57634
bis 1-57637, 1-291628 bis 1-291631, 1-295500, 2-3809 und
2-10055 vorgeschlagen worden.
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Die vorerwähnte Japanische Patentanmeldung No. 1-57636
beschreibt, daß eine Fluktuation bei der Lichtmenge des
Licht emittierenden Elements durch eine Konstanthaltung der
Gleichstromkomponente D oder der doppelt höheren
harmonischen Komponente Q gesteuert wird. Da diese Komponenten
jedoch δθ in der Form von cos(δθ) enthalten, werden E1
und E2 nur konstant gehalten, wenn die Faserspule in Ruhe
ist (cos(δθ) = 1), wobei D oder Q konstant gehalten wird.
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Die vorerwähnte Japanische Patentanmeldung No. 1-57635
beschreibt, daß das reflektierte Licht an einer
Faserendfläche in Betracht gezogen wird, und daß eine tatsächliche
Gleichstromlichtintensität erhalten wird durch eine
Subtraktion des reflektierten Lichts von der Gleichstromkomponente
des Ausgangs des Licht emittierenden Elements.
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Das Licht emittierende Element wird in solcher Art und
Weise angetrieben, daß die Gleichstromkomponente des
Ausgangs des Licht emittierenden Elements konstant gehalten
wird.
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Eine Konstanthaltung der Größe der Gleichstromkomponente
und der geradzahligen höheren harmonischen Komponenten, die
im Ausgang des Licht emittierenden Elements enthalten sind,
ist nicht immer äquivalent zu einer Konstanthaltung des
Ausgangs des Licht emittierenden Elements.
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Bis das von dem Licht emittierenden Element emittierte
Licht als ein synchron erfaßter Ausgang erhalten wird,
gehen Signale durch eine große Anzahl von Teilen hindurch
und es bestehen eine große Anzahl von Verlustfaktoren. Als
Verlustfaktoren kommen in Betracht eine Achsausrichtung
zwischen dem Licht emittierenden Element und der optischen
Faser, ein Übertragungsverlust der optischen Faser, ein
Strahlungsverlust als Folge einer Biegung bei dem
Hindurchgehen durch den Phasenmodulator, der photoelektrische
Übertragungswirkungsgrad des Licht emittierenden Elements,
der Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers, der Wirkungsgrad
bei der synchronen Erfassung, usw. Durch eine Vervielfachung
der vorerwähnten Gleichung (1) und (3) - (5) durch die
Koeffizienten dieser Faktoren wird ein tatsächlicher
synchroner Erfassungsausgang erhalten.
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Selbst wenn die Temperaturkennlinien der Licht emittierenden
Elemente und der elektrischen Stromkreise befriedigend sind,
ändert sich der Übertragungswirkungsgrad des Lichts, weil
die optischen Teile durch einen Temperaturwechsel ausgedehnt
und zusammengezogen werden.
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Eine Steuerung zur Konstanthaltung der vorerwähnten D, Q
oder T ist prinzipiell ausgezeichnet, weil der Ausgang des
Licht emittierenden Elements auf der Seite des Licht
emittierenden Elements konstant gehalten wird, wenn dabei die
Zustandswechsel bei den optischen Teilen in Betracht gezogen
werden.
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Um die Lichtmenge des Licht emittierenden Elements konstant
zu halten, kann die an das Licht emittierende Element
angelieferte Strommenge in solcher Art und Weise vergrößert
und verkleinert werden, daß der Ausgang eines ein
Hilfslicht emittierenden Elements für eine Überwachung des Licht
emittierenden Elements konstant gehalten wird. Ein
Verfahren wie dieses ist in der Japanischen Patentanmeldung
No. 1-60361 beschrieben. Zwischen dem Ausgang W des Licht
emittierenden Elements und der Gleichstromkomponente oder
den gleichzahligen höheren harmonischen Komponenten U
besteht wegen der synchronen Erfassung des Ausgangs des
Licht emittierenden Elements (δθ = 0) nur ein Unterschied
bei den Erhöhungs- und Verkleinerungsraten, die durch
Faktoren verursacht sind wie bspw. die vorerwähnte
Achsausrichtung zwischen dem Licht emittierenden Element und
der optischen Faser und der vorerwähnte Übertragungsverlust
der optischen Faser. Die Beziehung zwischen U und W kann
wie folgt geschrieben werden:
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U = KW ---(6)
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worin K ein Kupplungskoeffizient ist, der eine große Anzahl
von Faktoren einschließt. Das vorerwähnte Verfahren zum
Steuern des Ausgangs des Licht emittierenden Elements durch
eine Überwachung der Lichtmenge des Licht emittierenden
Elements durch das ein Hilfslicht emittierende Element ist
äquivalent mit einer Konstanthaltung von W. Andererseits
ist das vorerwähnte Verfahren zur Konstanthaltung des
Gleichstroms, der doppelt höheren harmonischen Komponenten
und der vierfach höheren harmonischen Komponenten des
synchronen Erfassungsausgangs, wenn δθ = 0, äquivalent zu
einer Konstanthaltung von U. Ein Verfahren zur Steuerung
entweder von W oder U ist vorgeschlagen worden, jedoch
besteht kein Verfahren zur gleichzeitigen Steuerung von W
und U.
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Das Verfahren zur Konstanthaltung der Gleichstromkomponente
und der geradzahligen höheren harmonischen Komponenten des
synchronen Erfassungsausgangs, wenn δθ = 0, ist ein
synthetisches und umfassendes und gleichzeitig
ausgezeichnetes Verfahren. Dieses Verfahren hat jedoch die Nachteile,
daß falls U konstant gehalten wird, wenn der vorerwähnte
Kupplungskoeffizient wesentlich erniedrigt wird, die
Leistung zum Antrieb des Licht emittierenden Elements groß
wird und daher das Licht emittierende Element einer
übermäßigen Belastung unterworfen wird.
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Das Licht emittierende Element soll ein monochromatisches
Licht erzeugen, sodaß häufig eine Laser-Diode oder eine
superlumineszierende Diode verwendet werden. Falls die
Leistung des Licht emittierenden Elements vergrößert wird,
wird der dort angelieferte Strom groß. Falls der
anzuliefernde Strom groß ist, dann wird das Licht emittierende
Element stark verschlechtert, sodaß die Leistung der
Lichtabgabe verkleinert und das Licht emittierende Element
beschädigt wird.
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Der Grund dafür, daß als ein Ergebnis einer solchen
Steuerung die Leistung der Lichtabgabe vergrößert wird, besteht
darin, daß der Kupplungskoeffizient klein wird. Dies wird
hauptsächlich durch die Verlegung der Achsmitte eines
optischen Systems verursacht und findet nur in einem
besonderen Fall einer hohen Temperaturzeit oder einer niedrigen
Temperaturzeit statt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
neues und verbessertes Signalverarbeitungssystem eines
optischen Faserkreisels bereitzustellen, welches eine
Verschlechterung und Beschädigung des Licht emittierenden
Elements durch einen übermäßigen Strom verhindern kann.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorstehende Aufgabe wird in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung gelöst durch die Bereitstellung
eines Signalverarbeitungssystems eines optischen
Faserkreisels, bestehend aus: einem Licht emittierenden Element
zur Erzeugung eines monochromatischen Lichts; einer
Faserspule, die aus einer spiralförmig gewickelten,
fortlaufenden optischen Faser besteht; einem Phasenmodulator, der
neben einem Ende der Faserspule vorgesehen ist und einen
piezoelektrischen Vibrator aufweist, um den herum ein Teil
der optischen Faser gewickelt ist, wobei das durch die
optische Faser hindurchgehende Licht durch ein Ausdehnen
und Zusammenziehen des piezoelektrischen Vibrators
phasenmoduliert ist; einem Verzweigungselement für ein Aufteilen
des monochromatischen Lichts in Lichtstrahlen, die im
Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufen, um
die im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn
verlaufenden Lichtstrahlen nach entgegengesetzten Enden der
Faserspule zu übertragen und um die im Uhrzeigersinn und
entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Lichtstrahlen
wieder zu einem kohärenten Lichtstrahl zu vereinigen; einem
ersten Licht empfangenden Element zum Messen einer
Intensität des kohärenten Lichtstrahls; einem Phasenmodulator-
Treiberkreis für einen Antrieb des Phasenmodulators mit
einer vorbestimmten Modulationsfrequenz; einem synchronen
Erfassungskreis für das synchrone Erfassen eines
Sensorsignals, das von dem ersten Licht empfangenden Element bei
der vorbestimmten Modulationsfrequenz und bei Frequenzen
gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Modulationsfrequenz
empfangen wird; und einem ein Hilfslicht empfangenden
Element für das Überwachen eines Ausgangs des Licht
emittierenden Elements; dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel
weiterhin besteht aus; einer Einrichtung zum Steuern des
Licht emittierenden Elements, wenn der Ausgang dieses
Elements kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, sodaß eine
Gleichstromkomponente oder eine harmonische Komponente mit
einem geradzahligen Vielfachen der Grundkomponente des
Sensorsignals konstant wird; und einer Einrichtung zum
Steuern des Licht emittierenden Elements, wenn der Ausgang
dieses Elements den vorbestimmten Wert erreicht hat, durch
ein Überwachungssignal des ein Hilflicht empfangenden
Elements, sodaß der Ausgang den vorbestimmten Wert nicht
überschreitet.
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Die Gleichstromkomponente oder eine harmonische Komponente
bei einem geradzahligen Vielfachen der Grundkomponente und
der Ausgang des Licht emittierenden Elements sind
vorzugsweise miteinander vergleichbare Werte.
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Bei dem Signalverarbeitungssystem eines optischen
Faserkreisels der vorliegenden Erfindung werden die
Gleichstromkomponente oder geradzahlig höhere harmonische Komponenten
des Ausgangs des Licht emittierenden Elements und der
Ausgang W des ein Hilfslicht emittierenden Elements fur eine
Überwachung des Ausgangs des Licht emittierenden Elements
selektiv für eine Steuerung der Antriebsleistung des Licht
emittierenden Elements benutzt. Wenn der Ausgang W des
Licht emittierenden Elements kleiner ist als ein
vorbestimmter Wert W1, dann wird eine Leistung zum Antrieb des Licht
emittierenden Elements derart gesteuert, daß eine
Gleichstromkomponente und eine geradzahlig höhere harmonische
Komponente des Sensorsignals, erhalten von dem Licht
empfangenden Element, konstant werden. Wenn andererseits der
Ausgang W des Licht emittierenden Elements den vorbestimmten
Wert W1 erreicht hat, wird der Ausgang W des Licht
emittierenden Elements durch ein Überwachungssignal des ein
Hilfslicht empfangenden Elements so gesteuert, daß er den
vorbestimmten Wert W1 nicht überschreitet.
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Dies bedeutet also, daß wenn die Größe der synchron erfaßten
Gleichstromkomponente oder von geradzahlig höheren
harmonischen Komponenten, wenn δθ = 0, angegeben wird als U
und diejenige des Licht emittierenden Elements angegeben
wird als W, dann U derart gesteuert wird, daß sie konstant
wird, falls W < W1. Falls sich der Kupplungskoeffizient K
ändert, ist W nicht immer konstant. Falls jedoch K
verkleinert wird, und W gleich W1 wird, dann wird eine Steuerung
zur Konstanthaltung von K angehalten und es wird dann W
derart gesteuert, daß eine Gleichheit mit W1 erhalten wird.
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Fig. 2 ist ein Schaubild, verwendet zur Erläuterung, wie
das Signalverarbeitungssystem eines optischen Faserkreisels
der vorliegenden Erfindung gesteuert wird. Die Abszisse
veranschaulicht die Zeit (t), und die Ordinate
veranschaulicht den Ausgang W des Licht emittierenden Elements durch
die strichpunktierte Linie und veranschaulicht den Ausgang
U (D, Q, T, usw.) des Gleichstroms oder der geradzahlig
höheren harmonischen Komponenten des synchronen
Erfassungsausgangs, wenn δθ = 0, durch die ausgezogene Linie. Es
wird hier angenommen, daß U = KW und daß U und W
vergleichbare Werte derselben Ordnung sind. Der Kupplungskoeffizient
K ist konstant, falls die Umgebungstemperatur konstant ist,
und wird zum Zeitpunkt einer Normaltemperatur vergrößert.
Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich daher auch der
Kupplungskoeffizient K. Der Kupplungskoeffizient K neigt
dazu, bei einer niedrigen Temperatur oder bei einer hohen
Temperatur verkleinert zu werden.
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Wenn der Ausgang W des Licht emittierenden Elements kleiner
ist als ein vorbestimmter Wert W1, dann wird U derart
gesteuert, daß er konstant ist. Da vorausgesetzt wird, daß U
und W vergleichbare Mengen derselben Größenordnung sind,
kann U derart gesteuert werden, daß er gleich W1 wird.
Selbst wenn sich U verändert (t0 bis t1), wird U wegen
einer negativen Rückkoppelung zu W1 konvergieren. Dies wird
durch die Bewegung zwischen den Punkten a und b der Fig. 2
verdeutlicht. Während der Bewegung zwischen den Punkten a
und b kann sich der Ausgang W des Licht emittierenden
Elements verändern oder konstant bleiben, wie es durch die
strichpunktierte Linie gezeigt ist. Während der Zeit t0 bis
t1 ist des jedoch nicht nötig, den Ausgang W des Licht
emittierenden Elements zu steuern.
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Für W sind die beiden Möglichkeiten gezeigt. Bei
Normaltemperatur ist der Ausgang W des Licht emittierenden
Elements W0.
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Tatsache ist, daß U über eine kurze Zeitdauer zu W1
konvergiert, sodaß t0 bis t1 eine sehr kurze Zeit ist. Falls U
gleich groß wird wie W1, wie es in Fig. 1 zwischen den
Punkten b und c gezeigt ist, dann wird auch W konstant. Es
wird jetzt vorausgesetzt, daß sich die Temperatur von T2
ändert und sich der Kupplungskoeffizient K verkleinert. Da
immer noch eine Steuerung zur Gleichsetzung von U und W1
vorhanden ist, vergrößert sich der Ausgang W des Licht
emittierenden Elements. Dies stellt ein Phänomen dar,
welches sich aus der Verlegung der Achse eines optischen
Systems ergibt. Der Ausgang W des Licht emittierenden
Elements vergrößert sich von t2 und erreicht W1 bei t3
(Punkt d der Fig. 2). Der synchrone Erfassungsausgang U
wird gesteuert, um konstant zu bleiben, bis der Ausgang W
des Licht emittierenden Elements W1 erreicht hat. Von dem
Punkt d der Fig. 2 wird der Ausgang W des Licht
emittierenden Elements anstelle des synchronen Erfassungsausgangs U
so gesteuert, daß er konstant (W1) bleibt.
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Selbst wenn sich K nach dem Punkt d fortgesetzt verkleinert,
vergrößert sich dann der Ausgang W des Licht emittierenden
Elements nicht, weil eine Steuerung arbeitet, welche W = W1
beibehält. Der Strom, der durch das Licht emittierende
Element fließt, überschreitet daher nicht einen
vorbestimmten Wert. Als ein Ergebnis davon ergibt sich keine
Verschlechterung oder Beschädigung des Licht emittierenden
Elements, welche durch einen übermäßigen Strom verursacht
werden.
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Da eine Steuerung zur Beibehaltung von W = W1 durchgeführt
wird, wird der synchrone Erfassungsausgang U von dem Punkt
d (= W1) zu dem Punkt e verkleinert. Die Verkleinerung des
synchronen Erfassungsausgangs verursacht eine Verringerung
der Sensibilität des optischen Faserkreisels. Dies ist eine
unvermeidbare Sache.
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Falls der synchrone Erfassungsausgang U nach t3 beibehalten
wird, wie es im Stand der Technik der Fall ist, dann
vergrößert sich der Ausgang W des Licht emittierenden Elements
fortgesetzt in dem Verhältnis zu K&supmin;¹ wie es durch die
gestrichelte Linie d-f der Fig. 2 dargestellt ist. Dies
verkürzt die Lebensdauer des Licht emittierenden Elements
beträchtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, bei welchen
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Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines
Signalverarbeitungssystems eines optischen Faserkreisels
gemäß der vorliegenden Erfindung ist, und
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Fig. 2 ein Schaubild ist, verwendet zur Darstellung, wie
das Signalverarbeitungssystem gesteuert wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 ist dort eine bevorzugte
Ausführungsform eines Signalverarbeitungssystems eines
optischen Faserkreisels in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung gezeigt. In der Figur bezeichnet die
Bezugsziffer 1 ein Licht emittierendes Element, welches ein
monochromatisches Kohärenzlicht erzeugt und eine Laser-Diode
oder eine superlumineszierende Diode umfaßt. Das
monochromatische Licht von dem Licht emittierenden Element 1 wird
an ein Verteilungselement 2 übermittelt, welches das Licht
zweiteilt und die beiden aufgeteilten Lichter vereinigt.
Eine optische Faser 3 nach einem einzigen Verfahren ist
vielfach spiralförmig gewickelt und zu einer Faserspule 4
ausgebildet. Die durch das Verzweigungselement 2
aufgeteilten Lichter werden an die entgegengesetzten Enden der
Faserspule 4 übermittelt. Diese Lichter gehen durch die
Faserspule 4 hindurch als ein Licht im Uhrzeigersinn und
als ein Licht entgegen dem Uhrzeigersinn und werden an dem
Verzweigungselement 2 zu einem kohärenten Licht vereinigt.
Das kohärente Licht von dem Verzweigungselement 2 wird zu
einem Licht empfangenden Element 6 übermittelt. Die optische
Faser neben einem Ende der Faserspule 4 ist um einen
piezoelektrischen Vibrator herumgewickelt, der einen
Phasenmodulator 5 ergibt. Zwischen die Elektroden den piezoelektrischen
Vibrators wird eine Modulationsspannung, die bei vibriert,
von einem Phasenmodulator-Treiberkreis 7 angelegt. Das
durch die Faserspule 4 hindurchgehende Licht erfährt eine
Phasenmodulation von 2b sin (Ωt).
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Wenn sich die Faserspule 4 mit einer
Drehwinkelgeschwindigkeit Ωc dreht, dann ergibt sich eine Phasendifferenz δθ
zwischen den Lichtern im Uhrzeigersinn und entgegen dem
Uhrzeigersinn. Die Phasendifferenz wird durch die
folgende Gleichung angegeben:
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δθ = a Ωc ---(7)
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wobei a eine bekannte Konstante ist.
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Wenn in diesem Fall die Amplituden der Lichter entgegen dem
Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn E1 und E2 sind, dann
wird die Wellenfunktion des Lichts entgegen dem
Uhrzeigersinn durch die folgende Gleichung angegeben:
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E1 sin {wt + δθ/2 + 2 b sin Ω (t + τ/2)} ---(8)
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und die Wellenfunktion des Lichts im Uhrzeigersinn wird
durch die folgende Gleichung angegeben:
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E2 sin {wt - δθ/2 + 2 b sin Ω (t - τ/2) ---(9)
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τ wird durch die folgende Gleichung angegeben:
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τ = n L/c ---(10)
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wobei n ein Brechungsfaktor der optischen Faser ist, L eine
Faserlänge der Faserspule 4 ist, und c die
Lichtgeschwindigkeit ist.
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Das kohärente Licht der Lichter im Urzeigersinn und entgegen
dem Uhrzeigersinn wird an dem Licht empfangenden Element 6
nach einer quadratischen Funktion erfaßt, und der Ausgang
des Licht empfangenden Elements wird durch einen
Vorverstärker 8 verstärkt. Dieser verstärkte Ausgang wird zur
Vereinfachung als der Ausgang eines Licht empfangenden
Elements angegeben.
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Der vorerwähnte Phasendemodulator-Treiberkreis 7 übermittelt
auch ein Demodulationssignal zu einer ein Trägersignal
erzeugenden Einheit 14. In Abhängigkeit von dem
Demodulationssignal erzeugt die ein Trägersignal erzeugende Einheit 14
ein Trägersignal, welches eine Winkelfrequenz, wie bspw.
Ω, 2Ω und 4Ω, mit einer geeigneten Phase darstellt.
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In Abhängigkeit von dem Trägersignal, welches eine
Winkelfrequenz Ω darstellt, die von der ein Trägersignal
erzeugenden Einheit 14 übermittelt wird, erfaßt eine
Erfassungseinheit 11 für eine Grundschwingungskomponente synchron den
Ausgang des Licht empfangenden Elements, um eine
Grundschwingungskomponente P zu erhalten. Die erhaltene
Grundschwingungskomponente P wird durch die folgende Gleichung
angegeben:
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P = 2 E1 E2 J1(u) sin (δθ) ---(11)
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wobei J1(u) eine Bessel-Funktion ist und
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u = 2 b sin (Ωτ/2) ---(12)
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In Abhängigkeit von dem Trägersignal, welches eine
Winkelfrequenz 2Ω darstellt, die von der ein Trägersignal
erzeugenden Einheit 14 übermittelt wird, erfaßt eine
Erfassungseinheit 12 für eine doppelt höhere harmonische Schwingung
synchron den Ausgang des Licht empfangenden Elements, um
eine doppelt höhere harmonische Komponente Q zu erhalten.
Die erhaltene doppelt höhere harmonische Komponente Q wird
durch die folgende Gleichung angegeben:
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Q = 2 E1 E2 J2(u) cos(δθ) ---(13)
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In Abhängigkeit von dem Trägersignal, welches eine
Winkelfrequenz 4Ω darstellt, übermittelt von der ein Trägersignal
erzeugenden Einheit 14, erfaßt eine Erfassungseinheit 13
für eine vierfach höhere harmonische Schwingung synchron
den Ausgang des Licht empfangenden Elements, um eine
vierfach höhere harmonische Komponente T zu erhalten. Die
erhaltene vierfach höhere harmonische Komponente T wird
durch die folgende Gleichung angegeben:
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T = 2 E1 E2 J4(u) cos(δθ) ---(14)
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Eine Gleichstromkomponente D des Ausgangs des Licht
empfangenden Elements wird durch eine
Gleichstrom-Erfassungseinheit 10 erhalten. Die Gleichstromkomponente D wird durch
die folgende Gleichung ausgedrückt:
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D = (E1² + E2²)/2 + E1 E2 JO(u) cos(δθ) ---(15)
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Jeder dieser Werte Q, T und D, wenn δθ = 0, kann als U
verwendet werden. Es wird hier vorausgesetzt, daß die
Gleichstromkomponente D als U verwendet wird. Daher
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U = D (δθ = 0) ---(16)
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Natürlich können die doppelt höhere harmonische Komponente
Q (δθ = 0) oder die vierfach höhere harmonische Komponente
T (δθ = 0) als U verwendet werden. Die
Gleichstromkomponente D in der Gleichung (16) schließt zusätzlich zu den
Faktoren, die in der Gleichung (15) angegeben sind, eine
Ausrichtung der Achse mit der optischen Faser ein, eine
Übertragung der optischen Faser, Merkmale des Licht
emittierenden Elements und einen Vergrößerungsfaktor des
Vorverstärkers. Wie vorstehend beschrieben ist das Produkt dieser
Faktoren durch den Kupplungskoeffizienten K ausgedrückt
worden.
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U kann daher als der Ausgang des Licht emittierenden Elements
unter Einschluß des Kupplungskoeffizienten K angedacht
werden. Da U als das Signal der Erfassungseinheiten 10, 12
und 13 erhalten wurde, handelt es sich dabei um ein
Gleichstrom-Spannungssignal.
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Bei der vorliegenden Erfindung werden der Ausgang des Licht
emittierenden Elements, welcher auf der Seite des Licht
emittierenden Elements gesehen wird, und ein Ausgang eines
ein tatsächliches Licht emittierenden Elements als zwei
Parameter ausgewählt, und die Antriebsleistung des Licht
emittierenden Elements 1 wird derart gesteuert, daß einer
der beiden Ausgänge konstant gehalten wird Für diesen
Zweck ist eine Antriebs-Steuerschaltung 9 für das Licht
emittierende Element vorgesehen. Diese Schaltung 9 schließt
die vorerwähnte Erfassungseinheit 10 für die
Gleichstromkomponente ein sowie weiterhin ein ein Hilflicht
emittierendes Element 15, eine Einheit 16 zur Umwandlung eines Stroms
in eine Spannung, eine Signalauswahleinheit 17 und eine
Antriebseinheit 18 für das Licht emittierende Element. Das
ein Hilfslicht emittierende Element 15 verzweigt das Licht
des Licht emittierenden Elements 1 und mißt direkt den
Ausgang W des Licht emittierenden Elements. Es ist zu
beachten, daß das Element 15 ein solches sein sollte,
dessen Sensibilität nicht durch die Temperatur geändert
wird. Der Ausgang W des Licht emittierenden Elements wird
in ein Stromsignal verwandelt. Das Stromsignal wird in der
Einheit 16 zur Umwandlung von Strom in Spannung in ein
Spannungssignal Lp verwandelt. Obwohl das von dem Licht
emittierenden Element 1 emittierte Licht zu dem Stromsignal
und zu dem Spannungssignal Lp verwandelt wird, findet kein
Wechsel statt, weil das Spannungssignal Lp eine
Veränderliche ist, welche den Ausgang W des Licht emittierenden
Elements darstellt. Das Spannungssignal Lp wird von der
Einheit 16 zur Umwandlung von Strom in Spannung an die
Signalauswahleinheit 17 übermittelt. Es wird auch das
Signal U = (D: δθ = 0) von der Erfassungseinheit 10 für
eine Gleichstromkomponente als ein Spannungssignal Ld an
die Signalauswahleinheit 17 übermittelt. Das
Spannungssignal Lp, welches den Ausgang w des Licht emittierenden
Elements darstellt, wird verstärkt oder vergrößert auf
einen Wert, der mit dem Spannungssignal Ld vergleichbar ist.
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Das Verhältnis von W und U wird wie folgt bestimmt. Bei der
normalen Umgebungstemperatur ist W kleiner als U. Da U
konstant gehalten werden muß, wird Lp derart gesteuert, daß
es kleiner als Ld ist.
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Wenn vorausgesetzt wird, daß die sichere obere Grenze des
Ausgangs W des Licht emittierenden Elements W1 ist, dann
muß W derart gesteuert werden, daß W1 nicht überschritten
wird. Da bei der normalen Umgebungstemperatur U gesteuert
wird als U = U1 (Konstantwert), wird der Ausgang W0 des
Licht emittierenden Elements bei der normalen
Umgebungstemperatur bestimmt. Da W1 geteilt durch W0 (W1/W0) erhalten
werden kann, wird Ld durch die folgende Gleichung bestimmt:
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Ld = Lp (W1/W0) ---(17)
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Ld und Lp sind gleich mit den Werten von U und W in der
Zeit t1 bis t2 der Fig. 2.
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Lp ist folglich normal kleiner als Ld. Wenn der
Kupplungskoeffizient K als Folge einer Änderung der Temperatur
verkleinert wird, wird Lp vergrößert, weil U als U = U1
gesteuert wird (d.h. Ld wird derart gesteuert, daß es
konstant bleibt). Wenn sich K fortgesetzt verkleinert, wird
Lp fortgesetzt vergrößert und wird schließlich gleich mit Ld.
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Die vorerwähnte Signalerfassungseinheit 17 wählt den
größeren Wert von Ld und Lp aus und ergibt den größeren Wert als
L1.
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L1 = max {Ld,
Lp} ---(18)
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Tn der Antriebseinheit 18 des Licht emittierenden Elements
wird L1 derart gesteuert, daß es einen vorbestimmten
Spannungswert V1 ergibt. L1 ist Ld oder Lp, und wenn Ld> Lp,
dann wird Ld ausgewählt. In diesem Fall wird U derart
gesteuert, daß es zu einem konstanten Wert U1 wird. Ld> Lp
ist äquivalent zu W< W1 und bedeutet, daß der Ausgang des
Licht emittierenden Elements kleiner ist als W1.
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Wenn andererseits Ld< Lp, dann ist L1 der Wert von Lp und
es wird daher W derart gesteuert, daß es zu einem
vorbestimmten Wert W1 wird. Ld< Lp ist äquivalent mit W = W1 und
bedeutet, daß der Ausgang des Licht emittierenden Elements
gleich ist mit der oberen Grenze W1.
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Die vorstehende Beschreibung ist in der Fig. 2 erläutert
worden. Die vorbestimmte Spannung V1 wird durch die
Antriebseinheit 18 des Licht emittierenden Elements als ein Wert
eingestellt, der als Lp = V1 erhalten wird, wenn W = W1,
und als Ld = V1, wenn U = U1. Wie beschrieben in der Fig. 2
kann die vorstehende Steuerung durchgeführt werden, falls
Ld und Lp vergleichbare Werte derselben Größenordnung sind.
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Falls die Umgebungstemperatur zu hoch oder zu niedrig ist,
wird W derart gesteuert, als sei er gleich mit W1, sodaß
die Antriebsleistung des Licht emittierenden Elements nicht
W1 überschreitet. Die Lebensdauer des Licht emittierenden
Elements kann daher verlängert werden. Falls sich die
Umgebungstemperatur wieder auf einen mittleren
Temperaturbereich verändert, dann wird Ld größer als Lp, weil K&supmin;¹
verkleinert wird. U wird dann wieder derart gesteuert, daß
er konstant wird.
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Obwohl die Erfindung mit einem besonderen Ausmaß an
Eigentümlichkeit beschrieben wurde, soll verstanden sein, daß
die vorliegende Offenbarung nur als ein Ausführungsbeispiel
gemacht wurde und daß zahlreiche Änderungen bei den Details
der Konstruktion und der Kombination und Anordnung der
Teile gemacht werden können, ohne daß von dem Umfang der
Erfindung abgewichen wird, wie er nachfolgend beansprucht
wird.