HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Synchrondetektor wie er beispielsweise in einem
Synchrondetektionsteil eines faseroptischen Gyroskops verwendet wird und besonders für die
Synchrondetektion hoher Frequenzen geeignet ist.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 soll zunächst der grundsätzliche Aufbau eines gewöhnlichen
faseroptischen Gyroskops kurz beschrieben werden auf das die vorliegende Erfindung
anwendbar ist. Von einem Laser oder einer ähnlichen Lichtquelle 11 emittiertes Licht wird von einem
Strahlspalter 12 in zwei Strahlen aufgeteilt, die als Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigerstrahlen 14
und 15 in eine schleifenartige optische Übertragungsleitung 13, etwa eine solche aus einer die
Polarisationsebene beibehaltenden Lichtwellenleiterspule, und zwar an deren entgegengesetzten
Enden eintreten, und die in entgegengesetzten Richtungen diese durchlaufen. Die beiden
Strahlen 14 und 15, die auf diese Weise durch die optische Übertragungsleitung 13 gelaufen sind
und von ihr emittiert werden, werden von dem Strahlspalter 12 wieder zusammengeführt und
interferieren miteinander. Das resultierende Interferenzlicht wird von einem optoelektrischen
Wandler 16 in ein elektrisches Signal entsprechend seiner Intensität umgesetzt, dessen
Gleichstromkomponente entfernt und dessen Wechselstromkomponente von einem
Wechselstromverstärker 17 verstärkt wird. Ein optischer Phasenmodulator 18 ist zwischen dem Strahlspalter 12
und einem Ende der optischen Übertragungsleitung 13 vorgesehen. Ein
Vorspannungssignalgenerator 19 legt an den optischen Phasenmodulator 18 als ein Modulationssignal ein
Vorspannungssignal VB an, durch welches die Phasendifferenz zwischen den beiden Strahlen 14 und 15
im Zeitpunkt ihrer Interferenz in dem Strahlspalter 12 zwischen +π/2 rad und - π/2 rad in
Intervallen der Zeit τ abwechselt, die für das Licht der Lichtquelle 11 erforderlich ist, die
optische Übertragungsleitung 13 zu durchlaufen. Synchron mit dieser Phasenverschiebung wird das
Ausgangssignal des Wechselstromverstärkers 17 von einem Synchrondetektor 21 für jede Zeit
T synchrondetektiert (d.h., mit ± 1 multipliziert).
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Die Phasendifferenz φ zwischen dem Uhrzeiger- und dem Gegenuhrzeigerlichtstrahl 14 und 15,
wenn sie miteinander interferieren, und das Ausgangssignal dem Wechselstromverstärkers 17
stehen zueinander in einer solchen Beziehung, wie es durch die Kurve 22 in Fig. 2 dargestellt
ist. Wenn die optische Übertragungsleitung 13 keiner Winkelgeschwindigkeit ausgesetzt ist,
wird die Phasendifferenz φ zwischen dem Uhrzeiger- und dem Gegenuhrzeigerlichtstrahl 14 und
15 von ihrer Modulation mit dem optischen Phasenmodulator 1 8 bewlrkt und wird abwechselnd
in τ Zeitintervallen um die Nullphase um denselben Wert positiv und negativ, wie durch Kurve
23 in Fig. 2 dargestellt. In diesem Fall wird das Ausgangssignal des Wechselstromverstärkers
17 konstant, wie durch die Linie 24 dargestellt, und das Ausgangssignal des Synchrondetektors
21 ist Null Wenn die optische Ubertragungsleitung 13 einer Winkelgeschwindigkeit ausgesetzt
wird, tritt eine Phasendifferenz (d.h. eine Sagnac-Verschiebung) φR aufgrund des Sagnac-
Effekts zwischen dem Uhrzeiger- und dem Gegenuhrzeigerlichtstrahl 14 und 15 nach Maßgabe
der Richtung und Größe der ausgeübten Winkelgeschwindigkeit auf. Unter dem Einfluß der
Sagnac-Verschiebung φR' wird die Phasendifferenz φ zwischen den Strahlen 14 und 15
abwechselnd um denselben Wert in Intervallen der Zeit τ um eine Phase positiv und negativ, die
gegenüber der Nullphase um versetzt ist, wie durch die Kurve 25 in Fig. 2 dargestellt. Als
Folge davon, variiert das Ausgangssignal des Wechselstromverstärkers 17 wie eine
Rechteckwelle in Intervallen der Zeit τ, wie durch die Kurve 26 in Fig. 2 dargestellt. In diesem Fall
entspricht die Amplitude des Ausgangssignals von dem Wechselstromverstärker 17 der Sagnac-
Verschiebung φR, während seine Phase (in Phase oder 180º außer Phase) relativ zu dem
Vorspannungssignal VB des Vorspannungssignalgenerators 19 die Richtung der Sagnac-
Verschiebung repräsentiert. Damit wird die Ausgangswelienform 26 des
Wechselstromverstärkers 17 synchron mit dem Vorspannungssignal VB detektiert (alle τ Zeit abwechselnd mit
+ 1 und -1 multipliziert), und das detektierte Ausgangssignal wird als ein die Größe und
Richtung der Sagnac-Verschiebung φR zwischen dem Uhrzeiger- und dem Gegenuhrzeigerstrahl 14
und 15, welche von der an die optische Übertragungsleitung 13 angelegten
Winkelgeschwindigkeit herrührt, repräsentierendes Signal geliefert.
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Die Beziehung zwischen der Eingangswinkeigeschwindigkeit Ω und der Sagnac-Verschiebung φR
ist durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt
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φR = 4 πRLΩ(λC) (1)
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wobei R der Radius der optischen Übertragungsleitung (d.h., des Lichtwellenleiters) 13 ist, L die
Länge der optischen Übertragungsleitung 13 ist, λ die Wellenlänge des von der Lichtquelle 11
emittierten Lichts ist, C die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist und Ω die
Eingangswinkelgeschwindigkeit ist.
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Ein Winkelgeschwindigkeitsrechner 27 stellt die Größe der Sagnac-Verschiebung φR anhand des
Ausgangssignals von dem Synchrondetektor 21 fest, und berechnet die
Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω und gibt sie aus.
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Bei dem herkömmlichen faseroptischen Gyroskop (siehe CA-A-2 022 771 und EP-A-O 418 539
veröffentlicht am 27.3.1991) bleibt ein im Ausgangssignal des Synchrondetektors 21
enthaltener Offset im Ergebnis der Messung der Winkelgeschwindigkeit unverändert. Da jedoch eine
typische Demodulationsfrequenz (bestimmt durch 1/(2τ)) mit hunderten von Kilohertz bis zu
etlichen Megahertz relativ hoch ist, ist es im Stand der Technik schwierig, ein faseroptisches
Gyroskop zu entwerfen, das eine ausreichende Verminderung des Offsets des
Synchrondetektors 21 erlaubt. Gewohnliche Synchrondetektoren ebenso wie die fur das faseroptische
Gyroskop, sind mit demselben Problem behaftet, daß ein relativ großer Offset auftritt, wenn die
Demodulations- (d.h., Detektions) -frequenz hoch ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Synchrondetektor zu schaffen, bei
dem der Offset durch Synchrondetektion selbst dann klein ist, wenn die Demodulationsfrequenz
hoch ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird von einem ersten Überlagerungssignalgenerator ein
erstes Überlagerungssignal einer gewünschten Demodulations- (oder Detektions) -frequenz fo
erzeugt sowie ein zweites Überlagerungssignal, dessen Frequenz um 1/2 oder mehr kleiner als
fo ist. Synchron mit dem zweiten Überlagerungssignal werden polaritätsinvertierte und nicht
invertierte Versionen der ersten Überlagerungssignale abwechselnd von einem Polaritätsinverter
ausgegeben. Das Ausgangssignal des Polaritätsinverters wird dazu verwendet, ein
Eingangssignal in einem ersten Synchrondetektor synchronzudetektieren, dessen Ausgangssignal durch
das zweite Überlagerungssignal in einem zweiten Synchrondetektor synchrondetektiert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein faseroptisches Gyroskop zeigt welches einen
herkömmlichen Synchrondetektor verwendet;
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Fig. 2 ist eine Grafik, die beispielhaft eine Ausgangskennlinie 22 eines optoelektrischen
Wandlers 16 relativ zur Phasendifferenz φ zwischen Uhrzeiger- und
Gegenuhrzeigerlichtstrahlen sowie Variationen des Ausgangssignals des optoelektrischen Wandlers
16 relativ zu Variationen in der Phasendifferenz φ aufgrund einer Vorspannung in dem
faseroptischen Gyroskop von Fig. 1 zeigt;
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Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in
Anwendung bei der Synchrondetektion des faseroptischen Gyroskops darstellt; und
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Fig. 4 ist ein Diagramm, das Wellenformen zeigt die an jeweiligen Teilen in Fig. 3 auftreten.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Fig. 3 zeigt in Blockform eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet auf den
Synchrondetektor des faseroptischen Gyroskops, wobei Teile, die solchen in Fig. 1 entsprechen,
mit denselben Bezugszahlen versehen sind und Signalwellenformen, die an jeweiligen Teilen in
Fig. 3 auftreten, in Fig. 4 gezeigt sind.
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Das Ausgangssignal des optoelektrischen Wandlers 16, etwa einer Photodiode, wird von dem
Wechselstromverstärker 17 verstärkt dessen Ausgangssignal als ein Eingangssignal VAC an
einen ersten Synchrondetektor 21 angelegt wird. Das Ausgangssignal VB des
Vorspannungssignalgenerators 19, welcher als ein erster Überlagerungssignalgenerator dient, wird mittels
eines Frequenzteilers 28, der als ein zweiter Überlagerungssignalgenerator dient, auf 1/N
hinunter frequenzgeteilt (wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist). Das
Vorspannungssignal VB, das von dem Vorspannungssignalgenerator 19 als ein erstes Überlagerungssignal
geliefert wird, wird einem Polaritätsinverter 29 zugeführt. Der Polaritätsinverter 29 wird von
einem zweiten Überlagerungssignal VS von dem zweiten Überlagerungssignalgenerator (d.h.,
dem Frequenzteiler) 28 gesteuert, so daß er ein polaritätsinvertiertes Vorspannungssignal (mit -
VB bezeichnet) und ein nicht invertiertes Vorspannungssignal (mit + VB bezeichnet) einander
abwechselnd bei Nτ Intervallen ausgibt. Durch das Ausgangssignal ± VB von dem
Polaritätsinverter 29, wird das Ausgangssignal V des Wechselstromverstärkers 17 in dem ersten
Synchrondetektor 21 synchrondetektiert.
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Wie in Fig. 4 gezeigt, wird das Ausgangssignal VAC des Wechselstromverstärkers 17 während
der Periode T&sub1; (= Nτ) des ersten Halbzyklus des frequenzgeteilten Ausgangssignals VS
synchron mit dem nicht invertierten Vorspannungssignal + VB mit + 1 und -1 multipliziert,
während das Ausgangssignal VAC des Wechselstromverstärkers 17 während der Periode T2 (=
Nτ) des zweiten Halbzyklus synchron mit dem invertierten Vorspannungssignal -VB mit -1 und
+ 1 multipliziert wird.
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Das Ausgangssignal des ersten Synchrondetektors 21 wird an den zweiten Synchrondetektor
31 angelegt worin es mit dem von dem Frequenzteiler 28 gelieferten zweiten
Überlagerungssignal VS synchrondetektiert wird; d.h., das Ausgangssignal des ersten Synchrondetektors 21
wird in Übereinstimmung mit den oben erwähnten Perioden T1 und T2 mit + 1 und -1
multipliziert. Die Demodulationsfrequenz des zweiten Synchrondetektors 31 beträgt 1/(2 Nτ) und kann
durch Wahl eines großen Werts für N niedrig gehalten werden. Der zweite Synchrondetektor 31
hat eine niedrige Arbeitsfrequenz und kann deshalb so ausgelegt werden, daß sein Offset
vernachlässigbar gering ist. Selbst wenn beispielsweise ein konstanter Offset VOS in dem
ausgegebenen detektierten Pegel δV des ersten Synchrondetektors 21 vorhanden ist, wie in Fig.
4 gezeigt wird das detektierte Ausgangssignal δV in den Perioden T1 und T2
polaritätsinvertiert, und der Offset VOS im Ausgangssignal des zweiten Synchrondetektors 31 schwankt
um den detektierten Pegel δV wie dargestellt. Durch Mitteln des Ausgangssignals des zweiten
Synchrondetektors 31 in einen Filter 32 wird die Offsetkomponente V im Ausgangssignal des
ersten Synchrondetektors 21 aufgehoben mit dem Ergebnis, daß die Signalkomponete δV, die
die Sagnac-Verschiebung reprasentiert, und ein (nicht dargestellter) Offset des zweiten
Synchrondetektors 31, der ausreichend kleiner als der Offset VOS des ersten Synchrondetektors
21 ist, ausgegeben werden.
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Das Ausgangssignal des Filters 32 wird an einen Eingangswinkelgeschwindigkeitsrechner 27
angelegt, in welchem daraus, wie zuvor erwähnt, durch Gleichung (1) eine
Eingangswinkelgeschwindigkeit errechnet wird. Obwohl die vorliegende Erfindung oben als auf die
Synchrondetektion in dem ungeregelten faseroptischen Gyroskop angewendet beschrieben wurde, ist die
Erfindung auch auf die Synchrondetektion in einem geregelten faseroptischen Gyroskop
anwendbar, der als Serrodyne-Modulationssystem bekannt ist. Bei diesem faseroptischen
Gyroskop wird die Demodulationsfrequenz 1/(2Nτ) im Bereich von beispielsweise etlichen Kilohertz
bis zu Zehnern Kilohertz unter Berucksichtigung der Antwortgeschwindigkeit gewahlt. Mit der
vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Offset im detektierten Ausgangssignal nicht nur im
Fall der Synchrondetektion des faseroptischen Gyroskops zu verringern, sondern auch im Fall
einer gewöhnlichen Synchrondetektion, wenn die Demodulationsfrequenz hoch ist. Darüber
hinaus werden Rechteckwellen als das erste und das zweite Überlagerungssignal bei der obigen
Ausführungsform verwendet, jedoch können auch Sinuswellen verwendet werden, und das
zweite Überlagerungssignal braucht nicht immer mit dem ersten Überlagerungssignal
synchronisiert zu sein, vielmehr kann auch seine Polaritätsumkehrung mit dem ersten Überlagerungssignal
synchronisiert werden. Im Fall der Anwendung der Erfindung auf gewöhnliche
Synchrondetektion kann die Frequenz des zweiten Überlagerungssignals niedriger gemacht werden, falls
die Antwortgeschwindigkeit keine Rolle spielt.
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Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Fall der Durchführung
einer Synchrondetektion bei einer hohen Demodulationsfrequenz, beispielsweise im Bereich von
Hunderten von Kilohertz bis zu etlichen Megahertz, selbst wenn ein großer Offset im
Ausgangssignal des ersten Synchrondetektors enthalten ist, ein akkurates detektiertes Ausgangssignal
erhalten werden, indem periodisch die Polarität des ersten Überlagerungssignals, das dem
ersten Synchrondetektor zuzuführen ist, umgekehrt wird, das synchrondetektierte
Ausgangssignal des polaritätsintervertierten ersten Überlagerungssignals mit dem zweiten
Synchrondetektor synchrondetektiert wird, und zwar synchron mit der Polaritätsumkehr, und dann das
Ausgangssignal des zweiten Synchrondetektors gemittelt wird.
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Es ist ersichtlich, daß viele Modifikationen und Variationen ausgeführt werden können, ohne
den Rahmen des neuen Konzepts der vorliegenden Erfindung, so wie sie in den anhängenden
Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.