DE69409686T2 - Aufnehmerspule eines Lichtleitfaserkreisels - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Lichtleitergyroskope und die zugehörigen Sensorspulen.
• Lichtleiter-Drehungsmeßgeräte, beispielsweisegyroskope, umfassen zwei Hauptkomponenten, nämlich (1) einen Vorsatz, der eine Lichtquelle und einen Detektor enthält, und (2) ein Lichtleiter-Interferometer, das eine Sensorspule, einen Koppler und einen Polarisator enthält, die zu einem System zusammengebaut sind. Der Koppler spaltet Licht aus der Quelle in zwei Strahlen auf, die in entsprechende Leiter der Sensorspule eingekoppelt werden. Das Interferometer und die zugehörige Elektronik verarbeiten die Phasenbeziehung zwischen den beiden interferierenden gegenläufigen Lichtstrahlen, wenn diese aus den Spulenleitern austreten und verknüpft werden. Eine Phasenverschiebungsdifferenz zwischen den beiden Strahlen ergibt sich aus (1) einer Spulendrehung und (2) den sogenannten "Umgebungsfaktoren".
• Die Umgebungsfaktoren enthalten Einflußgrößen wie die Temperatur, Schwingungen (sowohl akustische als auch mechanische) und Magnetfelder (Faradayeffekte). Diese Faktoren können Phasenverschiebungen zwischen den gegenläufigen Strahlen erzeugen, die von den durch Drehungen hervorgerufenen Phasenverschiebungen nicht unterscheidbar sind. Besteht die Sensorspule aus einem idealen Monomode-Lichtleiter, so wird der Faradayeffekt ausgelöscht, wenn sich das Licht durch die Lichtleiterspule ausbreitet und keine Phasenverschiebung zwischen den gegenläufigen Strahlen entsteht. Durch die Nichtreziprozität des Faradayeffekts ist eine Phasenverschiebung zu beobachten, wenn Verzögerer unsymmetrisch innerhalb der Lichtleiterschleife angeordnet sind. Eine Faserverdrehung, die beim Herstellen von selbst auftritt oder beim Spulenwickeln erzeugt wird, wirkt als ein wirkungsvoller und unvermeidbarer Verzögerer, der in Anwesenheit eines Magnetfelds zur Biasdrift führt. Ein übliches Verfahren zum Vermeiden von Magnetfeldeinflüssen besteht darin, die Sensorspule in einem Gehäuse aus u-Metall anzuordnen. Diese Lösung geht zu Lasten einer Kosten- und Gewichtszunahme des Lichtleitergyroskops.
• Der Faradayeffekt in Lichtleiterschleifen wird in Artikeln von Kazuo Hotate und Kunio Tabe ("Drift of an Optical Fiber Gyroscope Caused by the Faraday Effect: Influence of the Earth's Magnetic Field", Applied Optics, Vol. 25 No. 7 (April 1, 1987) pp. 1086-1092 und "Drift of an Optical Fiber Gyroscope Caused by the Faraday Effect: Experiment", Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-5, No. 7 (July 1987) pp. 997-1001) besprochen. Hotate und Tabe behandeln den Zusammenhang zwischen dem Bias und der Drift des Lichtleitergyroskops (FOG, FOG = Fiber Optic Gyro) durch transversale Magnetfelder (d. h. durch Felder, die im wesentlichen in der Ebene der Schleifen liegen, die gemeinsam die Sensorspule bilden) und die Verdrehung des Lichtleiters. Das Verdrehen des polaritätserhaltenden (PM, PM = Polarization Maintaining) Lichtleiters ist wie erwähnt nicht zu vermeiden und tritt in verschiedenen Stadien des Spulenaufbaus auf. Die Lichtleiterherstellung erzeugt zwingend einige Verdrehungen. Wird anschließend die Spule aus dem Lichtleiter gewickelt, so erzeugt die nahezu unvermeidbare Fehlausrichtung des Spulenwicklers und der Gyroskopspulenachse weitere Verdrehungen. Ist die Achse der Wickelmaschine bezüglich der Lichtleiterspulenachse geneigt, so entsteht in der Spule eine Verdrehung, die mit einer Verdrehrate periodisch ist, die sich sinusförmig ändert, wenn man den Lichtleiter um den Spulenumfang wickelt. Winkelfehlausrichtungen im Bereich von Milliradianten können magnetische Empfindlichkeiten in der Größenordnung von Grad/Stunde-Gauß erzeugen. In einer fertigen Sensorspule werden eine große Anzahl Verdrehungsarten erzeugt und zufällig verteilt. Hotate und Tabe haben jedoch festgestellt - und dies im Experiment nachgeprüft - daß (nur) die Verdrehungskomponenten für die Empfindlichkeit auf transversale Magnet felder verantwortlich sind, deren Verdrehratenperiode die gleiche Lichtleiterlänge wie eine Schleife der Sensorspule hat.
• Die zitierten Veröffentlichungen sind auf die Wirkung transversaler Magnetfelder beschränkt; daher haben die Erkenntnisse der Verfasser eine eingeschränkte praktische Anwendbarkeit. In der realen Welt treten im allgemeinen sowohl transversale als auch axiale Magnetfelder auf. Hotate et al. schlagen vor, daß man eine Sensorspule aus einem polaritätserhaltenden Lichtleiter (PM-Lichtleiter) dazu verwenden sollte, die Magnetfeldempfindlichkeit zu unterdrücken. In der Praxis ist jedoch die Doppelbrechung der derzeit verfügbaren PM- Lichtleiter nicht groß genug, um den Biasfehler aufgrund der Faradayeffekte vollständig zu unterdrücken. Im Ausgangssignal eines FOG, das eine PM-Lichtleiterspule aufweist, erfaßt man normalerweise Biasfehler zwischen 1 und 5 Grad/Stunde-Gauß.
• Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung wird eine Sensoranordnung für ein Lichtleitergyroskop bereitgestellt, wobei die Anordnung einen Monomode-Lichtleiter umfaßt, der in einer Anzahl benachbarter koaxialer Windungen angeordnet ist und eine Sensorspule bildet, die eine Anzahl benachbarter Schichten enthält, worin jede Schicht eine Anzahl benachbarter Windungen enthält und die Sensorspule eine Anzahl zufällig verteilter Faserverdreharten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung auch zumindest einen Kompensator umfaßt, von dem ein Ende optisch mit einem Ende der Sensorspule verbunden ist, und der mindestens eine Lichtleiterwindung enthält, wobei die Verdrehrate einer vorbestimmten Verdrehart der mindestens einen Windung der Kompensatorfaser so gestaltet ist, daß der Faradayeffekt im wesentlichen unterdrückt wird, der durch ein einwirkendes Magnetfeld mit gegebener Richtung bezüglich der Achse der Sensorspule entsteht.
• Damit ist offensichtlich, daß Ausführungsformen der Erfindung so entworfen werden können, daß sie Verdrehausgleichsanordnungen liefern, mit denen der Bias und die Drift, die die axialen und die transversalen Magnetfelder erzeugen, beträchtlich unterdrückt werden.
• Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung wird ein Lichtleitergyroskop bereitgestellt, das eine derartige Sensoranordnung enthält.
• Es kann ein Kompensator für axiale Felder und ein weiterer für transversale Felder vorhanden sein.
• Die Erfindung wird nunmehr zur besseren Darstellung und um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
• Es zeigt:
• Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Sensorspule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, deren Lichtleiterwindungen zur Vereinfachung nicht abgebildet sind;
• Fig. 2 eine Teilskizze eines Lichtleitergyroskops, das eine repräsentative Lichtleiterschleife enthält;
• Fig. 3 eine Kurve mit dem Zusammenhang zwischen der Verdrehrate einer Sensorspule und einem Transversalkompensator, der in einem Leiter ausgebildet ist;
• Fig. 4 einen Seitenaufriß einer Sensorspule, die einen Axialkompensator enthält;
• Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Axialfeldkompensators mit zwei Windungen;
• Fig. 6 eine Tabelle mit Daten zum Erläutern der Auswirkungen sich ändernder Axialkompensator-Verdrehraten auf die Gyroskopempfindlichkeit;
• Fig. 7 eine Kurve, die die Antwort einer Sensorspule (unkompensiert) darstellt, die in einem transversalen Magnetfeld gedreht wird;
• Fig. 8 eine Kurve der Antwort eines Transversalfeldkompensators (mit einem rechteckigen Verdrehspektrum), der durch ein Magnetfeld gedreht wird; und
• Fig. 9 eine Kurve der Antwort einer transversalfeldkompensierten Sensorspule, die durch ein Magnetfeld gedreht wird.
• Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Sensorspule 10, deren Lichtleiterwindungen zur Vereinfachung nicht abgebildet sind. Die Spule 10 enthält Anordnungen zum Kompensieren optischer Phasenverschiebungen, die sonst durch vorhandene äußere Magnetfelder hervorgerufen werden. Wie sich im weiteren zeigt, kann eine Kompensation für die Auswirkungen von Magnetfeldkomponenten bereitgestellt werden, und zwar sowohl für Magnetfeldkomponenten, die mit der Drehachse 12 der im allgemeinen zylindrischen Spule 10 ausgerichtet sind, als auch für Transversalkomponenten. Im letzteren Fall liegen die Magnetfeldkomponenten auch im wesentlichen innerhalb der Ebene der Lichtleiterschleifen der Spule 10. (Diese Magnetfeldkomponenten werden mit HA bezeichnet - dabei ist der Fluß so gerichtet wie der Pfeil 14 - bzw. mit HT, wobei der Fluß gemäß dem Pfeil 16 gerichtet ist.)
• Die Spule 10 umfaßt einen einzigen fortlaufenden PM- Lichtleiter, der in die im allgemeinen zylindrische Anordnung nach Fig. 1 gewickelt ist. Es sind symmetrische und unsymmetrische Wickelmuster verwendbar. Symmetrische Wickelmuster, bei denen man die Spule 10 dadurch ausbildet, daß entsprechende Muster ausgehend vom Mittelpunkt der fortlaufenden Faser in entgegengesetzten Richtungen gewickelt werden, verringern die Einwirkung von Umgebungsfaktoren, beispielsweise Temperaturänderungen, auf das Ausgangssignal so weit als möglich. In unsymmetrisch gewickelten Spulen sind dies mögliche Biasquellen. Beim Vorgang des Spulenwickelns erzeugt man Lagen benachbarter Windungen, die mit einer innersten Lage 18 beginnen und radial nach außen fortschreiten, siehe den Pfeil 20, bis der Sensorabschnitt der Spule mit dem Wickeln der äußersten Lage 22 vervollständigt ist. Ordnungsgemäße Wickelmuster zum Erzeugen der Sensorspule 10 können Lagen mit schraubenförmigen Windungen enthalten oder symmetrische Anordnungen, wie sie im US-Patent 4,793,708 (Bednarz) offenbart sind, das eine "Fiber Optic Sensing Coil" behandelt, und im US-Patent 4,856,900 (Ivancevic), das eine "Quadrupole-Wound Fiber Optic Sensing Coil and Method of Manufacture Thereof" betrifft. Jedes der beiden Patente gehört dem Inhaber dieses Patents.
• Die Sensorspule 10 stellt die große Anzahl Lichtleiterschleifen bereit, die zum Erzeugen einer Phasenverschiebung erforderlich sind. Die Phasenverschiebung ist durch ein entstehendes Interferenzmuster meßbar, das die Drehgeschwindigkeit angibt. Die Spule 10 ist im allgemeinen auf einem Spulenkörper (in Fig. 1 nicht dargestellt) montiert, der einen mittigen Kern aufweist. Wahlweise kann die Spule ohne Kern aufgebaut sein, wobei ihre Form durch Vergießen oder Einschließen der Spulenwindungen mit einem geeigneten Bindemittel erhalten bleibt.
• Zum Kompensieren der unerwünschten magnetfeldinduzierten optischen Phasenverschiebungen zwischen den Lichtstrahlen, die sich in der Spule 10 gegenläufig ausbreiten, sind Vorrichtungen bereitgestellt. Diese Vorrichtungen sind entweder aus dem fortlaufenden Lichtleiter der Sensorspule aufgebaut oder aus einem anderen Lichtleiter (mit möglicherweise unterschiedlichen Eigenschaften), der an den Sensorspulen- Lichtleiter gespleißt oder anderweitig damit verbunden ist. Um eine Kompensation zu erzielen, können die Leiter des Lichtleiters der Sensorspule in einer besonderen Form oder zwei besonderen Formen ausgebildet sein, die den Bias ausgleichen. Beide Kompensatoren sind in Fig. 1 dargestellt. Sie umfassen einen Transversalfeldkompensator 24, der aus mindestens einer Windung eines Leiters besteht, und einen Axialfeldkompensator 26, der zumindest eine Windung des anderen Leiters umfaßt, der auf die Sensorspule gewickelt ist. Der Axialkompensator 26 weist einen vorbestimmten Steigungswinkel γc auf. Im weiteren wird sich zeigen, daß der Zusammenhang von γc mit der Steigung des Sensorspulen-Lichtleiters als Entwurfskriterium dient. Aus der folgenden Beschreibung geht hervor, daß der Transversalfeldkompensator 24 die durch den Faradayeffekt hervorgerufene Phasenverschiebung ausgleicht bzw. auslöscht, die sonst in dem Signal zu beobachten wäre, das der Spulensensor 10 ausgibt, wenn eine transversale Magnetteldkomponente HT einwirkt. Der Axialfeldkompensator 26 beseitigt die durch den Faradayeffekt hervorgerufene Phasenverschiebung, die man sonst im Ausgangssignal beobachtet, wenn eine axiale Magnetfeldkomponente HA vorhanden ist.
• Diese Ausführungsform umfaßt wie bereits erwähnt einen oder mehrere Kompensatoren in Verbindung mit einer ansonsten herkömmlichen Sensorspule 10, die eine Anzahl Windungslagen aus einem fortlaufenden Lichtleiter enthält. Die folgende Besprechung zeigt, daß Entwurfsparameter wie beispielsweise Anzahl und Neigung von Windungen und die Lichtleiter- Verdrehrate des Kompensators geschützt werden müssen, damit die Wirksamkeit des Kompensators erhalten bleibt. Daher muß man die im weiteren ausführlich besprochenen Kompensatoranordnungen natürlich während des gesamten Wickelvorgangs beibehalten und durch eine geeignete Anwendung üblicher Bindemittel, z. B. EPOXID usw., aufrechterhalten.
• Fig. 2 zeigt eine Teilskizze eines Lichtleitergyroskops, das eine repräsentative Lichtleiterschleife 30 enthält. Um das Untersuchen des Entwurfs des bereits erläuterten Transversalfeldkompensators 24 zu vereinfachen, wird ein Spulenkoordinatensystem in der Schleife eingeführt. In dieser Abbildung stellt der Radius R der Schleife 30 einen Mittelwert der Radien aus der Anzahl konzentrischer Lagen der Sensorspulenwindungen dar. Dabei ist beginnend mit der innersten Lage 18 und fortschreitend bis zur äußersten Lage 22 jede aufeinanderfolgende Lage durch einen größeren Radiuswert gekennzeichnet. Repräsentative Sensorspulen für Lichtleitergyroskope können beispielsweise zehn (10) bis sechsunddreißig (36) Windungslagen enthalten, die jeweils ungefähr fünfzig (50) Lichtleiterwindungen aufweisen. Diese Angaben sind nur beispielhaft und beschreiben vernünftige Sensorspulenentwürfe in keiner Weise erschöpfend. Konkrete Entwürfe sind jeweils auf die beabsichtigten Anwendungen abgestimmt und werden natürlich von der Genauigkeit, den Kosten und ähnlichen Anforderungen beeinflußt.
• Der Kompensatorentwurf hängt teilweise von der Verdrehrate der gewählten Lichtleiter-Verdreharten ab. Die gemessene Phasenverschiebung Δψt (ohne Drehung) zwischen sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Lichtstrahlen in der Schleife 30 wird zuerst dazu gemessen, die Verdrehrate des maßgebenden Lichtleitermodes zu bestimmen. Liegt eine transversale Magnetfeldeinwirkung vor, so ist dies die Verdrehrate φt(θ) des Modes mit der Periodizität 2πR der Sensorspule, die wesentlich ist. Dies ist durch die angesprochenen Erkenntnisse von Hotate und Tabe bekannt. Wie besprochen entsteht die Phasenverschiebung durch ein Magnetfeld HT, das zur Drehachse 12 der Sensorspule (für die die Schleife 30 in Fig. 2 beispielhaft ist) transversal ist, aus dem Zusammenwirken dieser besonderen Verdrehungsart mit HT. Die Größe der Verdrehrate eines solchen Modes φt(θ) erhält man durch Untersuchen der Wirkung von HT auf Δψt , wenn keine Drehung vorliegt. Bekanntlich ist die Faradaydrehung gleich dem Produkt aus der Stärke HT des anliegenden Magnetfelds und der bekannten Verdetkonstante V des Lichtleiters. Das transversale Magnetfeld erzeugt die folgende Phasenverschiebung:
• Dabei ist Δβ die Doppelbrechung des Lichtleiters, &sub0; die Amplitude der Faradaydrehung des Lichtleiters und Δψt , wie erwähnt, die durch das transversale Magnetfeld erzeugte Phasenverschiebung. θ&sub0; ist der Richtungswinkel des Magnetfelds HT, siehe Fig. 2.
• Löst man jede der obigen Gleichungen nach den Beiträgen der orthogonalen Komponenten des transversalen Magnetfelds HT zur gemessenen Phasenverschiebung auf, so erhält man:
• Die obigen Gleichungen können gelöst werden, um zu zeigen, daß φt(θ) proportional zur Doppelbrechung Δβ und umgekehrt proportional zum Produkt aus dem Radius R und der Faradaydrehungskonstante &sub0; ist, die wie bereits erwähnt gleich dem Produkt aus der Feldstärke des angelegten transversalen Magnetfelds HT und der Verdetkonstanten V ist.
• Es folgt eine Besprechung der Entwurfskriterien von axialen und transversalen Feldkompensatoren. Für die Besprechung sei angenommen, daß der Kompensator und die Lichtleiterspule aus dem gleichen fortlaufenden Lichtleiter aufgebaut sind. Fachleuten ist jedoch klar, daß die Lehren, die mit Bezug auf solche "Einzellichtleiter"-Entwürfe gegeben werden, leicht auf Kompensatoren erweiterbar sind, die aus einem Lichtleiter aufgebaut sind, der an das Ende des Sensorspulen-Lichtleiters gespleißt wurde. Dabei müssen Ungleichheiten zwischen den Lichtleiterparametern korrigiert werden, die die optischen Eigenschaften betreffen, z. B. die Lichtleiter-Doppelbrechung, die Verdetkonstante usw. zusammen mit meßbaren Anomalien, die die vorhandenen optischen Spleiße hervorrufen.
• Behält man die genannten Vorbehalte beim Entwerfen des Transversalfeldkompensators 24 im Auge, so ist die folgende Gleichung zu lösen:
• Δψt(φ&sub0;) + Δψtc(φ&sub0;) = 0 (all φ&sub0;) (5)
• Dabei ist Δψtc die vom Kompensator erzeugte Phasenverschiebung, die dazu dient, der durch die transversale Magnetfeldkomponente HT erzeugten Phasenverschiebung entgegen zu wirken. Bekanntlich wirkt die unvermeidbar vorhandene, bekannte Verdrehart im Lichtleiter als Quelle eines transversalfeldinduzierten Biasfehlers. Weiterhin ist aus den Untersuchungen von Hotate und Tabe bekannt, daß eine solche ursächliche Verdrehart eine Verdrehratenperiodizität von 2πR aufweist, nämlich gleich der mittleren Länge einer Lichtleiterschleife 30 der Sensorspule 10.
• Löst man Gleichung (5) nach der Kompensator-Verdrehrate der oben erfaßten Verdrehart auf, so erhält man das folgende Entwurfskriterium für den Transversalfeldkompensator 24:
• φtc = -m/nφt (θ) (6A)
• Dabei bezeichnet m die Gesamtwindungsanzahl des Sensorspulen-Lichtleiters und n die Windungsanzahl des Transversalfeldkompensators 24. φt(θ) ist - siehe die obige Besprechung - problemlos durch Lösen der Gleichungen 1 und 2 zu bestimmen, da der Zusammenhang &sub0; = VH bekannt ist.
• Damit erhält man das Ausgangssignal einer Sensorspule mit m Windungen, das unempfindlich gegen vorhandene transversale Magnetfeldkomponenten (d. h., eine Komponente, die transversal zur Drehachse 12 ist) ist, durch das Anfügen eines Kompensators an einem Lichtleiter der Spulenwindungen, der n Lichtleiterwindungen aufweist und durch eine Verdrehart mit der Verdrehratenperiodizität gekennzeichnet ist, die gleich der mittleren Länge der Lichtleiterschleife ist. Zudem ist die Verdrehrichtung des Kompensatorspulen-Lichtleiters der Verdrehrichtung des Sensorspulen-Lichtleiters entgegengesetzt. Wie bereits erwähnt erhält man den Wert φt durch Bezug auf die obigen Gleichungen 1 und 2 nach dem Messen der Phasenverschiebung Δψt , die im Ausgangssignal der Sensorspule (ohne Drehung) erzeugt wird, wobei ein sich änderndes transversales Magnetfeld HT vorhanden ist.
• Fig. 3 zeigt eine Kurve (gemäß Gleichung 6A) mit dem Zusammenhang zwischen der Verdrehrate der Verdreharten der Sensorspule und dem Transversalkompensator, dessen Periodizität gleich der Lichtleiterlänge einer Schleife ist. Die Kurve 32 stellt den Grad (d. h. die Winkelgröße) der Verdrehung (φ&sub1;) des Lichtleitermodes dar, dessen Periodizität gleich der mittleren Länge einer Schleife der Sensorspule ist. Die Kurve 34 zeigt den Grad der Verdrehung (φc) des Transversalkompensators. Dabei ist ein m:n-Verhältnis von 5:1 angenommen. Zur Vereinfachung kann man einen Kompensator mit einer Windung und einer rechteckartigen Verdrehrate dadurch erzeugen, daß man einen Lichtleiter während der ersten halben Drehung mit einer konstanten positiven Rate verdrillt und mit einer konstanten negativen Rate während der zweiten halben Drehung. Die erforderliche Verdrehrate zum Ausgleichen der Transversalempfindlichkeit ergibt sich in diesem Fall zu:
• φtc = mπφt /4 (6B)
• Dabei ist φt das Maximum der gemessenen Verdrehrate φt(θ) der Sensorspule.
• Die Erfinder haben den Entwurf von Magnetfeld-Biaskompensatoren über die auf Hotate und Tabe beruhende Theorie hinaus erweitert. Sie haben die Phasenverschiebung aufgrund einer axial gerichteten Magnetfeldkomponente HA behandelt und dabei weitere theoretische Einsichten gewonnen, auf denen der Entwurf des Axialkompensators beruht. Die Erfinder haben erkannt, siehe oben, daß vorhandene Verdreharten im fortlaufenden PM- Lichtleiter als Biasquelle wirken. Sie haben herausgefunden, daß im Gegensatz zur Phasenverschiebung, die durch vorhandene transversale Magnetfeldkomponenten HT verursacht wird, die Verdrehart mit der Verdrehratenperiodizität, die gleich der doppelten Lichtleiterlänge einer gewickelten Lage ist, verantwortlich für den Biasfehler ist, den man in Anwesenheit eines axial gerichteten Magnetfelds beobachtet.
• Bei einem Axialfeld ist die Feldrichtung nahezu senkrecht zur Ebene der Sensorschleife. Man würde vermuten, daß ein solches Feld einen Faradayeffekt ohne Auswirkung auf das Gyroskop-Ausgangssignal erzeugt. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß axiale Magnetfelder das Gyroskop-Ausgangssignal in der Tat beträchtlich beeinflussen.
• Für ein ausgeführtes FOG, das viele Windungen oder Schleifen eines PM-Lichtleiters enthält, gilt die Näherung Δβ » φ, . Damit kann man die Gleichung für eine Sensorspule wie folgt annähern:
• wobei φa die Verdrehrate ist, die für die axiale Feldempfindlichkeit verantwortlich ist, L die mittlere Lichtleiterlänge der Sensorschleife und γ(z) der Steigungswinkel der Sensorspule. Der Steigungswinkel ist innerhalb einer Lage für den Lichtleiter konstant, hat jedoch in benachbarten Lagen entgegengesetzte Vorzeichen. Eine konstante Verdrehung ergibt für die Phasenverschiebung, die durch axiale Magnetfelder bewirkt wird, den Wert null, da sich das Vorzeichen des Steigungswinkels ändert. Somit wird jede Phase, die in einer Lage "eingefangen" wird, in der folgenden Lage ausgelöscht, da das Integral in Gleichung 7 den Wert null ergibt. Der einzige Faktor, der einen wesentlichen Grad an Empfindlichkeit gegen axiale Magnetfelder liefern kann, ist die Lichtleiter-Verdrehkomponente, die eine Periodizität gleich der Gesamtlichtleiterlänge von zwei Lagen aufweist.
• Die obige Untersuchung der Erfinder kann dazu verwendet werden, Verdrehungskompensatoren zu entwerfen, die den Biasfehler aufgrund axialer Magnetfelder beseitigen und damit die magnetische Gesamtempfindlichkeit verringern. Ein derartiger Kompensator besteht aus einem verdrehten Abschnitt eines Lichtleiters, der zumindest eine Schleife der Spule umfaßt und eine Verdrehung und räumliche Periodizität aufweist, die gleich dem Verdrehspektrum in der Spule ist. Üblicherweise kennt man die Verdrehung in der Sensorspule nicht; daher muß die axiale Empfindlichkeit gemessen werden. Die Verdrehrate der Spule kann man durch Anwenden der folgenden Gleichung ermitteln:
• Dabei ist Δψa die gemessene Phasenverschiebung der Sensorspule, R der Radius der Lichtleiterschleife und m die Windungsanzahl der Spule. Die Verdrehrate des Kompensators, die zum Unterdrücken der Axialfeldempfindlichkeit erforderlich ist, ergibt sich zu:
• φac = -m γ Rφa/(ncRc tan γc ) (9)
• Dabei ist nc die Windungsanzahl des Kompensators, Rc der Radius der Kompensatorschleife und γc der Steigungswinkel des Kompensatorlichtleiters. γc sollte so groß wie möglich gemacht werden, damit die erforderliche Windungsanzahl und die Verdrehrate kleiner wird.
• Fig. 4 zeigt einen Seitenaufriß der Sensorspule nach Fig. 1, der den Zusammenhang zwischen den Windungen der Sensorspule 10 und der Kompensatorschleife des Axialfeldkompensators 26 darstellt. Die Spule 10 ist schraubenförmig mit einem Steigungswinkel γ gewickelt, der die Neigung einer jeden Windung gegen die Linie 36 bestimmt, die senkrecht zur Drehachse 12 gezogen ist. Die Axialkompensatorschleife hat einen anderen Winkel γc . Im Gegensatz zum Transversalkompensator hängt die Verdrehrate φac von der Verdrehart mit der Periodizität 2LLage ab. D. h., die Kompensatorverdrehrate hängt von der Sensorspulen-Verdrehrate ab, deren Periodizität gleich der Länge des Lichtleiters ist, der zum Wickeln zweier Windungslagen verwendet wird. φtc(θ) bezieht sich dagegen auf den Mode mit der Verdrehratenperiodizität 2πR . Man kann also die Verdrehrate des Lichtleiters, der einen Axialkompensator umfaßt, dadurch verkleinern, daß man den Kompensatorsteigungswinkel γc und/oder die Anzahl der Kompensatorwindungen vergrößert.
• Fig. 5 zeigt einen Axialfeldkompensator, der im Gegensatz zum Axialfeldkompensator nach Fig. 1 und 4 zwei Kompensatorwindungen oder Lagen umfaßt, da jede Kompensatorlage eine einzige Windung enthält. Man kann den Kompensator mit einer Windung (oder einer Lage) aus den vorherigen Abbildungen mit dem Kompensator nach Fig. 5 vergleichen und dabei die Entwurfsgleichung 9 beachten. Man erkennt dann, daß die veränderten Anordnungen verschiedene Ansätze zum Erreichen des Ziels einer möglichst kleinen Kompensatorverdrehrate φac darstellen. Der Axialkompensator verringert die erforderliche Verdrehrate durch Vergrößern von nc, d. h. der Anzahl der Kompensatorwindungen. Dagegen versuchen die im weiteren erläuterten beiden Kompensatoren mit einer Windung bzw. mit mehreren Windungen, φac dadurch zu minimieren, daß die Windung(en) auf das größtmögliche γc ausgerichtet werden, das die Abmessungen der Sensorspule zulassen.
• Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wurden Daten sowohl für die Axial- als auch für die Transversalfeldkompensation ermittelt. Diese Daten wurden mit Hilfe eines Versuchsaufbaus erhalten, der ein Gyroskop mit 200 m Lichtleiter, eine Breitband-Lichtquelle und einen MIOC (MIOC = Multi-Integrated Optics Chip, mehrfach integrierte Optikschaltung) enthielt. Das Gyroskop wurde ohne Rückführung betrieben. Ein synchronisierter Verstärker lieferte die Demodulation des Gyroskopsignals. Die MIOC-Leitungen zur Lichtleiterspule wurden senkrecht zum Magnetfeld orientiert (das Magnetfeld wurde mit einer Pseudo-Helmholtzspule erzeugt, die wahlweise Felder in transversaler und axialer Richtung erzeugen konnte). Die Kompensatoren wurden dadurch in den Versuchsaufbau integriert, daß sie auf einem Spulenkörper hergestellt wurden, der dem Spulenkörper des Lichtleitergyroskops glich, und dann an die Lichtleiter an einer der Gyroskop- Eingabeleitungen gespleißt wurden. Der Prüfkompensator wurde dann auf die Sensorspule aufgesetzt, um sicherzustellen, daß auf die Sensorspule und den Kompensator das gleiche homogene Magnetfeld einwirkte.
Axialer Magnetfeldkompensator
• Es wurde eine vierpolige Sensorspulen-Windungsanordnung verwendet, wobei das Verdrehspektrum eine Verdrehung in einer Richtung (entweder aufgrund des Wickelvorgangs oder dem Lichtleiter innewohnend) für eine Lage gefolgt von einer Verdrehung in der umgekehrten Richtung für die benachbarte Lage umfaßte. Damit wurde eine Verdrehkomponente in axialer Richtung sichergestellt.
• Die Verdrehung wurde mit einer konstanten Rate für eine Kompensatorschleife verwendet und dann beim Erzeugen der Mehrschleifenanordnungen für die jeweils folgenden Schleifen umgekehrt. Der Lichtleiter wurde am Spulenkörper befestigt, um ein Nachlassen der Spannung zu vermeiden.
• Die Daten ermittelte man dadurch, daß zunächst die Empfindlichkeit der Sensorspule auf ein axiales Magnetfeld gemessen, anschließend die Kompensatoranordnung hinzugefügt und dann die Auswirkung auf die Empfindlichkeit gemessen wurde.
• Es wurden verschiedene Verdrehraten angewendet, um grundlegende Daten zu gewinnen. Bei der unkompensierten Sensorspule wurde eine Empfindlichkeit auf axiale Magnetfelder von ungefähr 1 Grad/Stunde-Gauß gemessen. Fig. 6 zeigt eine Tabelle mit Daten, die die kombinierte Empfindlichkeit einer Sensorspule darstellen, der unterschiedlich entworfene Kompensatoren zugefügt waren. Die Daten zeigen, daß die Kompensatoren die axiale Empfindlichkeit erfolgreich verkleinern und in einem Fall sogar überkompensieren. Diese Daten zeigen deutlich die Nützlichkeit eines derartigen Axialkompensators.
Transversaler Magnetfeldkompensator
• Da es schwierig ist, eine sich sinusförmig ändernde Verdrehrate in einem Transversalfeldkompensator herzustellen, wurde eine rechteckförmige Verdrehrate verwendet. Die Verdrehrate wurde über den halben Spulenkörperumfang konstant gehalten und dann für die restliche Umfangshälfte umgekehrt (gleiche Verdrehrate in Gegenrichtung). Die Kompensatorverdrehrate kann wie bereits erwähnt auf mehr als einer einzelnen Lichtleiterschleife erzielt werden, solange die Verdrehkomponenten einer jeden Schleife in Phase sind. (Zum Beseitigen der Restempfindlichkeit können zum Feinabstimmen des Kompensators zusätzliche Schleifen hinzugefügt werden. Um die dazu erforderliche Verdrehrate zu bestimmen, mißt man die Empfindlichkeit dadurch, daß die Spule einem transversalen Magnetfeld ausgesetzt wird. Man beobachtet die Biasänderung, die auftritt, wenn die Spule in der Feldebene um 360 Grad gedreht wird.)
• Fig. 7 zeigt die Kurve der Antwort eines 200 m langen Lichtleiters, der in einem Feld mit 14 Gauß gedreht wird. Die größte Biasänderung wurde dazu verwendet, die größte Verdrehrate zum Auslöschen der Feldempfindlichkeit zu bestimmen. Für die besondere gemessene Spule wurde eine Kompensatorverdrehung von 1,25 Windungen in der ersten Umfangshälfte und -1,25 Windungen in der zweiten Umfangshälfte verwendet. Der Kompensator wurde auf einem getrennten Spulenkörper hergestellt und dann in das Interferometer gespleißt Die gemessene Kompensatorantwort ist in Fig. 8 dargestellt. Man kann der Kurve in Fig. 8 entnehmen, daß die Antwort des rechteckigen Verdrehspektrums die sinusförmige Antwort der Lichtleiterspule nach Fig. 7 annähert. Die Spule und der Kompensator wurden ausgerichtet und dann in einem transversalen Magnetfeld angeordnet, so daß ihre jeweiligen Antworten 180 Grad Phasenverschiebung hatten.
• Fig. 9 zeigt eine Kurve der Antwort des verbundenen Systems auf ein transversales Feld mit 14 Gauß in Abhängigkeit von der Feldrichtung. Es ist zu sehen, daß die verbleibende magnetische Empfindlichkeit ohne magnetische Abschirmung auf unter 0,05 Grad/Stunde-Gauß vermindert wurde. Dadurch sind natürlich beträchtliche Gewichtseinsparungen möglich. Es wurden zusätzliche Versuche durchgeführt, um die gegenseitige Kopplung zwischen den axialen und transversalen Kompensatoren und die Auswirkung auf die Gyroskopempfindlichkeit zu messen. Es hat sich gezeigt, daß der Transversalkompensator die axiale Empfindlichkeit des Gyroskops nicht beeinflußt. Umgekehrt wurde die beobachtete Gyroskopempfindlichkeit auf transversale Felder vom Axialkompensator nicht beeinflußt.
• Die obigen Versuche zeigen also, daß man wirksame Kompensatoren für axiale und auch für transversale Magnetfelder erzielen kann. Es zeigte sich, daß die axiale Empfindlichkeit eines kompensierten Gyroskops gegenüber einem Gyroskop ohne Kompensator um eine Größenordnung verkleinert ist. Die Leistungsfähigkeit könnte natürlich durch eine verbesserte Beherrschung der Kompensatorverdrehrate gesteigert werden. Die Transversalempfindlichkeit des Gyroskops mit Kompensator betrug weniger als 0,05 Grad/Stunde-Gauß. Dies bedeutet eine Verbesserung um nahezu zwei Größenordnungen und gleicht der Leistungsfähigkeit, die man mit magnetischen Abschirmungen erreicht.
• Damit ist gezeigt, daß Ausführungsformen der Erfindung so entworfen werden können, daß sie eine Einrichtung zum Minimieren des magnetfelderzeugten Bias bereitstellen, der sonst im Ausgangssignal eines Lichtleitergyroskops zu beobachten ist. Dieser Bias entsteht durch eine Faradayeffekt- Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und den Lichtstrahlen, die sich in der Sensorspule ausbreiten. Die Auswirkungen bezüglich der Spulengeometrie transversal und axial gerichteter magnetischer Felder können beseitigt werden.

Claims (14)

1. Sensoranordnung für ein Lichtleitergyroskop, wobei die Anordnung einen Monomode-Lichtleiter umfaßt, der in einer Anzahl benachbarter koaxialer Windungen angeordnet ist und eine Sensorspule (10) bildet, die eine Anzahl benachbarter Schichten enthält, worin jede Schicht eine Anzahl benachbarter Windungen enthält und die Sensorspule eine Anzahl zufällig verteilter Faserverdreharten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung auch zumindest einen Kompensator (24, 28) umfaßt, von dem ein Ende optisch mit einem Ende der Sensorspule verbunden ist, und der mindestens eine Lichtleiterwindung enthält, wobei die Verdrehrate einer vorbestimmten Verdrehart der mindestens einen Windung der Kompensatorfaser so gestaltet ist, daß der Faradayeffekt im wesentlichen unterdrückt wird, der durch ein einwirkendes Magnetfeld mit gegebener Richtung bezüglich der Achse der Sensorspule entsteht.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Verdrehrate der oder einer Kompensatorfaser von der Verdrehrate des restlichen Lichtleiters abhängt.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verdrehsinn der oder einer Kompensatorfaser dem Verdrehsinn der entsprechenden Verdrehart des Sensorspulen-Lichtleiters entgegengesetzt ist.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, zudem umfassend eine Kompensatorfaser zum Ausgleichen einer Magnetfeldkomponente, die quer zur Achse der Sensorspule gerichtet ist, wobei der vorbestimmte Sensorfaser-Verdrehmodus eine Verdrehratenperiodizität aufweist, die gleich der mittleren Länge einer Schleife der Sensorspule ist.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, wobei die Verdrehrate der Querkompensatorfaser von der Windungsanzahl der Sensorspulenfaser abhängt.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Verdrehrate der Querkompensatorfaser von der Windungsanzahl der Kompensatorfaser abhängt.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Verdrehrate der Querkompensatorfaser direkt proportional zum Produkt aus der Verdrehrate der Sensorspulenfaser, der Windungsanzahl und der Doppelbrechung der Faser ist und indirekt proportional zum Produkt aus der Windungsanzahl der Kompensatorfaser, dem Radius der Sensorspule und ihrer Verdetschen Konstante.

8. Sensoranordnung nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 7, zudem umfassend eine Kompensatorfaser zum Ausgleichen eines Magnetfelds, das eine Komponente hat, die in Richtung der Sensorspulenachse orientiert ist, wobei die vorbestimmte Verdrehart eine Verdrehratenperiodizität hat, die gleich der Faserlänge ist, die zwei Windungsschichten der Sensorspulenfaser umfaßt.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die Verdrehrate der axialen Kompensatorfaser vom Steigungswinkel der Sensorspulenfaser abhängt.

10. Sensoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Verdrehrate der axialen Kompensatorfaser vom Steigungswinkel der axialen Kompensatorfaser abhängt.

11. Sensoranordnung nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Verdrehrate der axialen Kompensatorfaser von der Windungsanzahl der Sensorspulenfaser abhängt.

12. Sensoranordnung nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, wobei die Verdrehrate der axialen Kompensatorfaser von der Windungsanzahl der axialen Kompensatorfaser abhängt.

13. Sensoranordnung gemäß den Ansprüchen 8 bis 12, wobei die Verdrehrate der axialen Kompensatorfaser direkt vom Produkt aus der Anzahl der Sensorspulen-Faserwindungen, dem Sensorspulen-Steigungswinkel, der Doppelbrechung der Sensorspulenfaser und dem Sensorspulenradius abhängt und eine inverse Funktion des Produkts aus der Anzahl der axialen Kompensatorfaserwindungen, der Verdetschen Konstante und dem Tangens des Steigungswinkels der axialen Kompensatorfaser ist.

14. Lichtleitergyroskop, das eine Anordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.