DE69722994T2 - Optischer Faserkreisel - Google Patents

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    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
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Description

  • Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Gyroskope. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Gyroskope und deren Signalverarbeitungselektronik.
  • Hintergrund
  • Bei dem interferometrischen faseroptischen Gyroskop (interferometric fiber optic gyroscope = IFOG) handelt es sich um eine bewährte Technologie zur genauen Messung von Winkeldrehbewegungen. Weil das IFOG einen optischen Aufbau mit fester Beschaffenheit ohne bewegliche Teile darstellt, kann es für langlebige Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit wie z. B. Landfahrzeugnavigation verwendet werden.
  • Die Anforderungen an ein Gyroskop, das für die Verwendung in Landnavigationssystemen mit gekoppeltem Koppelnavigations-(dead-reckoning = DR) und GPS-(Global Positioning System) Eingang bestimmt ist, werden mehr von Kosten- als von Leistungsbetrachtungen bestimmt. Der Kreisel wird als Lückenfüller für jene Systeme verwendet, bei denen ein Ausfall nicht zulässig ist. Die GPS Daten können dann periodisch dazu verwendet werden, die Koppelnavigations-Sensoren zu korrigieren, was die Anforderungen an jeden von ihnen herabsetzt. Die Kosten von dieser Art von Landnavigationssystemen hängt stark von den Kosten für das eingesetzte Gyroskop ab. Obwohl sich das IFOG wegen seines breiten Leistungsbereiches gut für Anwendungen wie z. B. Landnavigation eignet, ist eine weitere Kostensenkung in der optischen Konfiguration und der elektronischen Signalverarbeitung des Gyroskops erforderlich, um diese Technik für viele Systeme, wie z. B. Landnavigationssysteme, wirtschaftlich einsetzbar zu machen.
  • Das grundlegende Funktionsprinzip hinter dem IFOG ist der Sagnac-Effekt. Bei diesem Effekt erfahren zwei sich gegeneinander ausbreitende Wellen, die ein Schleifeninterferometer durchlaufen, eine Phasendifferenz, wenn die Schleife um ihre Achse rotiert wird. Das IFOG verwendet faseroptische Komponenten, um das Sagnac-Interferometer zu bilden. Die genaue Messung von der durch die Rotation verursachten Sagnac-Phasendifferenz erfordert, dass die parasitären Phasendifferenzen, die sich mit der Umgebung verändern können, unterdrückt werden. Aus diesem Grund wird das Prinzip der optischen Reziprozität verwendet, um Teile der gegeneinander laufenden Wellen, die das Interferometer entlang eines gemeinsamen Pfades durchlaufen, auszuwählen. Veränderungen des Systems durch die Umgebung verändern die Phasen beider Wellen gleichmäßig und es ergibt sich kein Unterschied in der Phasenverzögerung; der Sensor ist gegenüber Umgebungseinflüssen stabil. Die Anwendung der optischen Reziprozität in der IFOG-Architektur führt zu dem, was allgemein als "Minimalkonfiguration" bezeichnet wird.
  • In dem IFOG mit Minimalkonfiguration (minimum configuration = MC) wird das Licht von der Quelle ausgegeben, durchläuft den ersten Koppler, in dem die Hälfte des Lichts abgeleitet wird und die Hälfte durch den Polarisator in das Interferometer gesendet wird. Ein zweiter Koppler spaltet das Licht auf in zwei sich gegeneinander ausbreitende Strahlen mit näherungsweise gleicher Intensität, die die Windung durchlaufen. Anschließend rekombinieren die beiden Lichtstrahlen bei dem zweiten Koppler, wo sie interferieren. Dieser vereinigte Lichtstrahl durchläuft dann den Polarisator ein zweites Mal in der entgegengesetzten Richtung, und die Hälfte des Lichts wird vom ersten Koppler zum Detektor geleitet. Der erste Koppler ist kein Bestandteil des optischen reziproken Sagnac-Interferometers. Sein einziger Zweck ist es, einen Teil des zurückkehrenden Lichtes in einen Detektor zu lenken und die direkte Kopplung von Lichtenergie von der Quelle zum Detektor zu minimieren. Um die auf den Detektor fallende optische Leistung zu maximieren, beträgt das optimale Aufspaltungsverhältnis dieses Kopplers 3 dB. Dies führt zu einem inhärenten Systemverlust von 6 dB, da dieser Koppler zweimal durchlaufen wird. Er ist unabhängig von der Einfügungsdämpfung des Kopplers.
  • Um die Komplexität der optischen Konfiguration und Kosten zu reduzieren und dennoch das Prinzip der Reziprozität zu erhalten, wird eine "Reduzierte Minimalkonfiguration" verwendet. Bei dem IFOG mit reduzierter Minimalkonfiguration (reduced minimum configuration = RMC) ist der erste Koppler entfernt und der Ausgang des Interferometers wird durch einen an der Rückfläche der Lichtquelle positionierten Detektor ausgelesen. Das Licht durchläuft den Hohlraum der Quelle, bevor es vom Detektor empfangen wird. Das RMC-Kreiselinstrument erhält das Prinzip der optischen Reziprozität, da das Licht immer noch einen gemeinsamen optischen Pfad durchläuft. Der inhärente systembedingte Verlust von 6 dB des ersten Kopplers ist beseitigt. Ebenso kann die Quelle, abhängig vom Typ der gewählten Lichtquelle und dem Betriebsbereich des Treiberstroms, als optischer Verstärker für das zurückkommende Licht fungieren. Deshalb ist das Signal-Rauschverhältnis der Ausführung des RMC-Gyroskopes so gut wie das des herkömmlichen MC-Gyroskopes und kann potentiell besser sein. Viele Gehäuse von Niedrigpreis-Laserdioden enthalten einen Rückflächen-Photodetektor. Folglich wird der Detektor vom Hersteller der Laserdiode bereitgestellt und die Kosten für die Beschaffung eines eigenen Detektors sind bei diesem Aufbau beseitigt. Ebenso erübrigt sich die Ausstattung und das Labor, das benötigt wird, um die Ausgangsfaser des ersten Kopplers auf einen separaten Detektor zu justieren. Der Detektor ist vom Hersteller der Laserdiode an der Rückfläche angeordnet. Wenn die Eingangsanschlussfaser auf die optische Quelle ausgerichtet wird, wird der Ausgang mit der selben Tätigkeit automatisch auf den Detektor ausgerichtet. Die RMC beseitigt ebenso zwei Faser-an-Faser Verbindungs-Spleiße und reduziert dabei weiter die Kosten für die optische Montage.
  • In beiden Arten von IFOGs wird ein piezoelektrischer Wandler (piezo-electric transducer = PZT) verwendet, um die Phasendifferenz zwischen den zwei gegenläufigen Lichtstrahlen zu modulieren. Diese Phasenmodulation dient zwei Zwecken. Einer ist es, das Interferometer auf einen empfindlicheren Arbeitspunkt zu verschieben oder voreinzustellen. Der andere ist es, das erfasste Signal von DC nach AC umzusetzen, um die Genauigkeit der elektrischen Signalverarbeitung zu verbessern. Bei sinusförmiger Phasenmodulation besteht das Ausgangssignal des Interferometers aus einer Endlosfolge von Sinus- und Kosinuswellen, deren Amplituden über eine Bessel-Funktionen zueinander in Beziehung stehen. Das Grundsignal (engl.: fundamental signal) liegt bei der angelegten Modulationsfrequenz mit nachfolgenden ungeraden und geraden harmonischen Signalen. Viele Ansätze zur Signalverarbeitung, die das Verhältnis der Amplituden der ersten vier harmonischen Signale verwenden, sind vorgeschlagen worden, um die Drehgeschwindigkeit zu erfassen und gleichzeitig einen stabilen, linearen Ausgangsskalenfaktor zu erhalten. Die Implementierung dieser Ansätze in analoger und/oder digitaler Elektronikhardware ist jedoch komplex und teuer. Ebenso ist die Verwendung der Lichtquelle sowohl als Lichtsender als auch als Verstärker nicht ohne Probleme. Eine Verzerrung des Interferometersignals kann infolge des Durchlaufens der Lichtquelle vor der Detektion und infolge von Bandbreitenbegrenzungen der Rückfläche des Photodetektors auftreten. Die Amplituden der harmonische Signale können verändert werden, was zu einem gemessenen Fehler des Ausgangsrotationsskalenfaktors führt, wenn der Aufbau des RMC-Gyroskopes mit den herkömmlichen Signalverarbeitungsverfahren für Oberwellenverhältnisse verwendet wird. Dies ist ein signifikantes Hindernis bei multiharmonischen Verarbeitungsmethoden. Deshalb ist eine wesentlich einfachere Auslegung der Signalverarbeitung, die nicht von einem Fehler in den relativen Amplituden der harmonischen Signale beeinflusst wird, wünschenswert.
  • Der Skalenfaktor (d. h. die gemessene Ausgaberate gegen die angelegte Eingangsrate) verläuft infolge der intrinsischen Linearität des Sagnac-Effekts für den verwendeten Bereich der Drehgeschwindigkeit linear und für größere Geschwindigkeiten sinusförmig. Das schwierigere Problem ist jedoch die Aufrechterhaltung eines konstanten Skalenfaktors bei Veränderungen der Umgebung (d. h. Temperatur, Vibration, etc.) und während der Lebenszeit des Sensors. EP 0 551 874 A2 offenbart einen faseroptischen Kreisel mit einem Licht aussendenden Halbleiterelement von der Bauart, die vorwärts und rückwärts gerichtete Lichtstrahlen aussendet. Der Ausgang eines Photodetektors wird synchron von einem modulierten Signal detektiert und detektiert dabei eine Winkelgeschwindigkeit, die an die optische Faserwindung angelegt wird. Ein Gleichanteil des elektrischen Photodetektorsignals wird von einem Lichtmengenstabilisator als Regelsignal dazu verwendet, die Lichtleistung des vorwärts gerichteten Lichtstrahls konstant zu halten. Der Gleichanteil des Photodetektorsignals hängt ab von Veränderungen bei der Faserankopplung und von temperaturabhängigen Änderungen beim Laserwirkungsgrad und ist deshalb für die Aufrechterhaltung eines konstanten Skalierfaktors nicht verwendbar. Weiterhin erlaubt die Verwendung des Gleichanteils des von der Rückfläche ausgesandten Lichtes nicht die Korrektur von Änderungen der Einfügungsdämpfung des kreiseloptischen Schaltkreises, von der ebenso bekannt ist, dass sie sich mit der Temperatur in einem Ausmaß ändert, dass sich ein signifikanter Fehler im Skalenfaktor ergäbe. Ebenso sind Gleichsignalverstärker offenkundig instabil mit der Temperatur.
  • Die US 4,776,700 beschreibt einen faseroptisches Gyroskop mit verbessertem Aussteuerungsbereich und verbesserter Stabilität des Skalenfaktors, das Mittel zur Demodulation des erfassten Ausgangs des Gyroskopes umfasst, um erste und zweite Spannungspegel entsrechende proportional zu den Sinus- und Kosinuskomponenten von diesem erfassten Ausgang abzugeben. Diese ersten und zweiten Spannungspegel werden je weils zwischen einer Rückkopplungsschaltung, die den Ansteuerungspegel stabilisiert, umgeschaltet.
  • Die EP 0 586 242 A1 offenbart ein Phasenmodulations-Gyroskop. Ein APC (= automatic power controller) Schaltkreis steuert ein lichtaussendendes Gerät an, um Lichtstrahlen durch die Bereitstellung eines passenden Stromes auszusenden. Eine Überwachungsphotodiode überwacht die Lichtleistung, die nach rückwärts von der Lichtquelle ausgesendet wird. Der Ausgang der Überwachungs-Photodiode ist über einen Widerstand mit dem APC-Schaltkreis zur Regelung des Steuerstromes der Lichtquelle verbunden.
  • Die US 4,842,409 beschreibt eine Ringinterferometereinheit mit einer optischen Einmodenfaser, einem Strahlungsteiler und einem Modenfilter, der optisch an eine kohärente Lichtquelle gekoppelt ist. Die Quelle kann eine Halbleiterdiode von der Bauart sein, die abhängig von der Vorspannung alternativ als Lichtsender und Empfänger arbeitet. Alternativ kann die Quelle eine Licht aussendende Halbleiterdiode sein, die mit ihrer Frontfläche an den Modenfilter und mit ihrer Rückfläche an einen Detektor gekoppelt ist, wobei die genannte Diode als Lichtverstärker arbeitet.
  • Die DE 37 42 201 A1 offenbart einen Detektor, der an der Rückfläche eines Halbleiterlasers oder einer Superluministenzdiode angebracht ist. Das Ausgangssignal des Detektors ist ein Gleichsignal mit einem überlagerten Wechselsignal, das die Modulationsfrequenz fmod und dessen Harmonische n × fmod enthält. Die zwei Teile des Signals werden durch den Filter voneinander getrennt. Das Gleichsignal wird an eine Steuerungselektronik geleitet, die die Leistung der Lichtquelle steuert, wobei die Steuerungselektronik die Leistung der Lichtquelle durch den Bias-Strom stabilisiert.
  • Die US 4,848,910 offenbart ein faseroptisches Interferometersystem mit einer optischen Baugruppe und einer elektronischen Baugruppe, die die Phasenmodulation und die Amplitudenmodulation bereitstellt. Die Baugruppe umfasst einen Modulator zur Modulation der optischen Leistung der Laserdiode und einen Frequenzgenerator. Der Leistungsmodulator wird durch eine Rückkopplungsschleife, die den an die Rückseite der Laserdiode gekoppelten Photodetektor umfaßt, stabilisiert. Der Photodetektor liefert ein Signal, das proportional zu der Lichtleistung ist, die er von der Laserdiode entweder direkt, oder nachdem es um den Interferometerring herumgelaufen und durch die Laserdiode zurückgekommen ist, erhält. Dieses Signal weist eine Hauptkomponente bei der Frequenz fl auf, bei der die Lichtleistung, die von der Diode ausgesendet wird, moduliert wird, und eine Komponente mit einer sehr viel niedrigeren Amplitude, die von den Schwebungen zwischen den zwei gegeneinander laufenden Lichtstrahlen kommt, die beide in Amplitude und in Phase moduliert sind und die auf dem Rückweg vom Interferometerring durch die Laserdiode zurückgelaufen sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Gegenstand der vorliegender Erfindung, ein IFOG-Signalverarbeitungssystem bereitzustellen, das sowohl für die Ausführung der MC- als auch der RMC-Gyroskope gut arbeitet.
  • Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein IFOG-Signalverarbeitungssystem bereitzustellen, das einfach und preiswert herzustellen ist.
  • Es ist noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein IFOG-System bereitzustellen, das die Drehgeschwindigkeit der Sensorwindung genau bestimmt.
  • Es ist auch noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein IFOG-System bereitzustellen, das während umgebungsbedingter Änderungen einen konstanten Skalenfaktor beibehält.
  • Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein IFOG-System mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik bereitzustellen, das unwesentliche optische Komponenten und Spleiße beseitigt.
  • Die vorangehenden Gegenstände werden durch ein verbessertes IFOG-System bereitgestellt, das Kreiselmittel für den Empfang eines Lichtstrahls umfaßt, die den genannten Lichtstrahl in zwei Teile spalten und die ein Kreiselsignal erzeugen, Modulatormittel zur Modulation von Phasendifferenzen der genannten Lichtteile in den genannten Kreiselmitteln, Mittel zur Abstimmung der Tiefe der Phasenmodulation der genannten Modulatormittel und Mittel zur Erhaltung einer konstanten Ausgabe eines Erfassungsmittels.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die ein IFOG-System in Übereinstimmung mit Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die ein IFOG-System in Übereinstimmung mit Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung zeigt;
  • 3(a) ist eine Kurve mit Leistungsdaten in Form einer Allan-Varianzanalyse für ein IFOG-System mit Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung;
  • 3(b)ist eine Kurve mit Leistungsdaten in Form der Temperaturempfindlichkeit der Vorspannung (engl.: bias temperature sensitivity) für ein IFOG mit Minimalkonfiguration der vorliegenden Erfindung;
  • 4(a)ist eine Darstellung mit Leistungsdaten in Form einer Allan-Varianzanalyse für ein IFOG-System mit reduzierter Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung;
  • 4(b) ist eine Darstellung von Leistungsdaten in der Form von Temperaturabhängigkeit der [bias: Vorspannung, des Ruhestroms, des Steuerstromes, Meßfehler?] der IFOG mit reduzierter Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung; und
  • Tabelle 1 ist eine Tabelle mit Leistungsdaten der Systemleitung von Gyroskopen mit Minimalkonfiguration und reduzierter Minimalkonfiguration der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Ausgestaltungen geeignet ist, wurden besondere Ausführungsformen davon anhand eines Beispiels in den Zeichnungen gezeigt und werden hierin im Detail beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die speziell eröffneten Ausgestaltungen zu beschränken, sondern im Gegenteil ist es die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die unter den Gedanken und den Anwendungsbereich der Erfindung wie unten definiert fallen, mit einzuschließen.
  • Ein verbessertes IFOG-System der vorliegenden Erfindung ist unten beschrieben und in 1 dargestellt. Die Lichtquelle 1 sendet Licht aus, das von Polarisator 2 polarisiert wird. Das Licht wird durch einen zweiten Koppler 3 in zwei einander entgegenlaufende Strahlen gleicher Intensität aufgespalten, die die Messspule 4 durchlaufen und sich dann am zweiten Koppler 3 überlagern und interferieren. Der neu überlagerte Lichtstrahl durchläuft dann den Hohlraum der Quelle 1 und wird vom Detektor 5 empfangen. Detektor 5 ist ein Photodetektor und ein Transimpedanzverstärker mit Licht als Eingang und Spannung als Ausgang. Der Ausgang von Detektor 5 wird durch Verstärker 6 geleitet, der das Ausgangssignal des Sensors auf einen nachweisbaren Pegel vergrößert. Die gesamte elektrische Verstärkung beträgt in dieser Ausführungsform etwa 1 Million. Der Ausgang des Verstärkers ist an Demodulator 7 gelegt. Demodulator 7 ist ein phasenempfindlicher Detektor, der ein Signal von Oszillator 8 empfängt. Wenn die Phasen und Frequenzen von den zwei Signalen, die in den Demodulator 7 eintreten, gleich sind, befindet sich der Ausgang in einem Maximum, wenn sie verschieden sind, wird der Ausgang vermindert. Oszillator 8 und PZT-Phasenmodulator 9, wie unten ausführlicher beschrieben wird, erhalten die Interferometertiefe der Phasenmodulation (engl.: interferometer depth of phase modulation). LD-Treiber 10, wie unten genauer beschrieben wird, ist ein Hochpassfilter und Gleichrichter, der die Intensität des Lichtquellenstroms regelt.
  • Eine weitere Ausführungsform des verbesserten IFOG-Systems der vorliegenden Erfindung wird in 2 gezeigt. Die Lichtquelle 21 sendet Licht aus, das vom Polarisator 22 polarisiert wird. Das Licht wird vom Koppler 23 in zwei einander entgegenlaufende Strahlen mit annäherungsweise gleicher Intensität aufgespalten, die die Messspule 24 durchlaufen und sich dann im Koppler 23 überlagern und interferieren. Der neu überlagerte Lichtstrahl durchläuft dann die Kavität von Quelle 21 und wird von Detektor 25 empfangen. Der Detektor ist ein Photodetektor, der Licht als Eingangssignal empfängt und Strom als Ausgangsignal erzeugt.
  • Viele Niedrigpreis-Halbleiter-Lichtquellenbaugruppen enthalten einen Rückflächen-Photodetektor. Folglich wird der Detektor von einem Lichtquellenhersteller bereitgestellt. Durch die Verwendung dieses Ansatzes werden die Kosten für die Beschaffung eines separaten Detektors beseitigt. Der Detektor 25 ist vom Hersteller der Lichtquelle auf die Rückfläche justiert. Wenn die Eingangsanschlussfaser auf die optische Quelle ausgerichtet ist, ist der Ausgang in demselben Arbeitsgang automatisch auf den Detektor ausgerichtet. Dieser Ansatz beseitigt ebenso mehrere Faserspleiße. Die Integration des Polarisators auf diesem Koppler kombiniert mit dem Anschließen (engl.: pigtailing) der Koppler-/Polarisatoreinheit auf der Lichtquelle könnte die Anzahl der optischen Spleiße weiter reduzieren.
  • Für die meisten Landnavigationsanwendungen ist der Eingangsbereich der Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch die Geschwindigkeit und den Wendekreisradius des Fahrzeugs beschränkt. Zum Beispiel ist für Hochleistungsautos ein maximaler Geschwindigkeitsbereich von +/– 100°/sek. ausreichend. Wegen dieser Begrenzung kann der Sagnac-Skalenfaktor der Messspule so ausgelegt werden, dass dieser maximale Geschwindigkeitsbereich gut innerhalb eines im wesentlichen linearen Bereichs der Ausgangsübertragungsfunktion des Gyroskopes liegt. Die Messspule ist unter Verwendung einer kurzen Faserspule, das auf eine Rolle mit kleinem Durchmesser aufgewickelt ist, aufgebaut. Mit dieser Art von Aufbau kann die Drehgeschwindigkeit direkt von der Amplitude der Grundschwingung oder der ersten harmonischen Schwingung bestimmt werden. Da die Phase und Frequenz der Grundschwingung wohl bekannt sind, ist die effektivste Weise, die Amplitude zu bestimmen, die der synchronen Demodulation.
  • Das Kreisel-Breitbandsignal wird durch Transimpedanzvorverstärker 26, der den Strom in Spannung umwandelt, und Verstärker 27, der das Spannungssignal auf einen messbaren Pegel verstärkt, geleitet. Dieses Spannungssignal wird dann an einen Tiefpassfilter (low pass filter = LPF) 28 angelegt, dessen Eckfrequenz bei der Grundfrequenz F1 vor dem Prozess der synchronen Demodulation liegt. Der Tiefpassfilter 28 entfernt alle Oberwellen von dem Spannungssignal und lässt nur noch die Grundfrequenz übrig. Das Signal wird dann an den Synchrondemodulator 29 weitergeleitet. Synchrondemodulator 29 erhält als anderes Eingangssignal ein Spannungssignal von einem Colpitts-Oszillator und einem Verstärkerschaltkreis 33. Da der Ausgang von Schaltkreis 33 durch einen Phasenschieber und einen Tiefpassfilter 32 geleitet wird, wird das Signal auf die Grundfrequenz mit derselben Phasenverschiebung gelockt, wie das Signal, das vom Verstärker 27 bereitgestellt wird. Der Ausgang von Demodulator 29 befindet sich in einem Maximum, wenn die Phasen und Frequenzen seiner Eingangssignale gleich sind, und er ist proportional zur Größe des Kreiselausgangssignals bei der Modulationsfrequenz. Dieser Ausgang wird durch Tiefpassfilter 30 geleitet, wo ein Gleichsignal proportional zur Drehgeschwindigkeit erzeugt wird. Zum Schluss verstärkt DC-Verstärker 31 das resultierende Signal. Die Demodulation erzeugt einen linearen Ausgang über einen sehr weiten dynamischen Bereich der Eingangsgeschwindigkeit. Die Auflösung der Drehungsmessung wird bestimmt durch den Rauschfaktor des verwendeten Transimpedanzvorverstärkers 26 und die Bandbreite der Messung.
  • Die Aufrechterhaltung eines konstanten Skalenfaktors während umgebungsbedingter Veränderung erfordert, dass zwei Arbeitspunkte des Kreisels genau eingehalten werden. Zuerst muss der Betrag des Kreiselsignals am Ausgang von Verstärker 27 konstant sein. Um dies zu erreichen, nutzt die Erfindung die Tatsache, dass die Amplitude des zweiten harmonischen Signals F2 für Sensoren mit kurzer Spulenlänge relativ konstant ist über den gesamten Geschwindigkeitsbereich (engl.: rate range). Folglich wird das Breitbandkreiselsignal bei der zweiten harmonischen Frequenz F2 vom Hochpassfilter 35 hochpassgefiltert (HPF), vom Zweiweggleichrichter 36 gleichgerichtet, vom Integrierer 37 integriert und verglichen und vom Quellentreiber 38 an die Quelle 21 angelegt. Das resultierende Gleichsignal wird dazu verwendet, die gemessene optische Leistung an der Quelle 21 durch Erhöhung oder Absenkung des Lichtquellenstromes auf einen konstanten Wert zu regeln und dadurch die optische Leistung zur Verfügung zu stellen. Hochpassfilter 35 kann erforderlich sein, um den Ein fluss des Grundsignals F1 auf den Schaltkreis zur Leistungsnivellierung bei hohen Drehgeschwindigkeiten zu reduzieren.
  • Der zweite wichtige Arbeitspunkt des Kreisels, der eingehalten werden muss, ist die Tiefe der Interferrometerphasenmodulation, die am PZT-Phasenmodulator 34 geregelt wird. Die Tiefe der Phasenmodulation wird von der Amplitude der Sinuswellentreiberspannung, die an den PZT-Phasenmodulator 34 angelegt wird, festgelegt. Jedoch garantiert lediglich eine Ansteuerung mit einer Sinuswelle mit einer festen Frequenz und einer festen Amplitude keine feste Tiefe der Phasenmodulation. Mit der Zeit und den Umgebungsbedingungen driftet die Resonanzfrequenz (Fr) des PZT-Modulators 34. Ebenso schwankt der Skalenfaktor (Qm) der Umwandlung der mechanischen zur optischen Phasenverschiebung. Wie oben erörtert, nutzt die Erfindung den PZT-Phasenmodulator 34 als einen aktiven Teil des Oszillatorschaltkreises, indem der Ausgang des Colpitts-Oszillators und der einstellbare Verstärkungssteuerungsverstärker (adjustable gain control = AGC) 33 an Phasenschieber und Tiefpassfilter 32 (eingestellt auf die erste Grundfrequenz) angelegt wird. Weil der PZT-Modulator 34 Teil des aktiven Rückkopplungsschaltkreises ist, wird jede Änderung in der PZT-Resonanzfrequenz verfolgt. Veränderungen von Qm und Fr verändern ebenso die dynamische Impedanz des PZT, was die Antriebsamplitude beeinflusst. Der Colpitts-Oszillator und der AGC-Verstärker 33 werden dazu verwendet, eine stabile Sinuswellenamplitude zur Ansteuerung bei allen Umgebungsbedingungen zu erhalten, wenngleich andere eigenresonante Oszillatoren ebenfalls verwendet werden könnten.
  • Dadurch wird ein Kreiselsystem mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik bereitgestellt, bei dem die Amplitude des Kreiselgrundsignals synchron demoduliert wird, um die Drehgeschwindigkeit des Sensors zu bestimmen. Das zweite harmonische Kreiselsignal wird dazu verwendet, die Intensität der Lichtquelle zu regeln. Die Verwendung des Verhältnisses dieser Signale ist nicht erforderlich. Die Tiefe der Phasenmodulation wird durch die Verwendung eines eigenresonanten Oszillatoransatzes mit der PZT als Teil des aktiven elektronischen Schaltkreises erhalten. Diese Anordnung beseitigt unwesentliche optische Komponenten und Spleiße des Systems und erlaubt die Herstellung eines günstigeren Gyroskopes. Die Verwendung des Kreiselinstruments mit reduzierter Minimalkonfiguration mit diesem Ansatz mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik ergibt einen Drehgeschwindigkeitssensor mit sehr attraktivem Preis-Leistungs-Verhältnis zur Verwendung in vielen Anwendungen der Landfahrzeugnavigation, wie zum Beispiel Anwendungen, die die Verwendung von Koppelnavigationssensoren erfordern, die an GPS-Systeme gekoppelt sind. Das IFOG-Signalverarbeitungssystem ist einfach und preiswert herzustellen, bestimmt die Drehgeschwindigkeit der Sensorspule genau und erhält einen konstanten Skalenfaktor während umgebungsbedingter Änderungen.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann ein IFOG mit Minimalkonfiguration, eher als ein IFOG mit reduzierter Minimalkonfiguration, mit der oben in Bezug auf 2 beschriebenen Signalverarbeitungselektronik verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist die Quelle-/Detektoranordnung durch einen Laser und Detektor ersetzt, und ein erster Koppler ist zwischen dem Laser und dem Polarisator eingefügt. Der Betrieb des Restes des Schaltkreises ist wie oben beschrieben. Die Verwendung des Gyroskopes mit Minimalkonfiguration mit diesem Ansatz mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik ergibt einen Drehgeschwindigkeitssensor mit sehr attraktivem Preis-Leistungsverhältnis für die Verwendung in vielen Landfahrzeugnavigationsanwendungen wie zum Beispiel Anwendungen, die die Verwendung von Koppelnavigationssensoren erfordern, die an GPS-Systeme gekoppelt sind. Das IFOG-Signalverarbeitungssystem ist einfach und preiswert herzustellen, bestimmt die Drehgeschwindigkeit der Sensorspule genau und erhält einen konstanten Skalenfaktor während umgebungsbedingter Änderungen.
  • In gegenwärtigen Experimenten wurden zwei Kreiselsysteme konstruiert und getestet. Die erste Einheit war eine standardmäßige Minimalkonfiguration mit offener Rückkopplung für alle Fasern wie in dem vorangehenden Abschnitt beschrieben. Die zweite Einheit war identisch, mit der Ausnahme, dass sie verändert wurde durch die Entfernung des ersten Kopplers und durch die Erfassung des Kreiselsignals von der Rückflächendiode des Lasers wie oben in Verbindung mit 2 beschrieben. Alle optischen Komponenten wurden hergestellt unter Verwendung der Andrew Ecore® polarisationserhaltenden (PM) Faser. Die verwendete Länge der Sagnac-Spule war 75 Meter mit einem nominalen Durchmesser von 65 Millimetern. Der Modulator wurde dadurch hergestellt, dass ein piezoelektrischer Übertrager (PZT) mit Faser umwickelt wurde. Es wurde eine Standard-Kompaktdisk-Laserdioden-Lichtquelle verwendet. Der optische Schaltkreis wurde integriert mit einer analogen Demodulatorelektronikbaugruppe in einer Einheit mit einem rechteckigen Formfaktor (4,25 × 3,25 × 1,5 Inch, etwa 108 × 83 × 38 mm), die 0,55 Pfund (etwa 0,25 kg) wog. Die Einheit arbeitete bei einer nicht aufbereiteten Spannung von +12 V Gleichspannung, so wie sie in einem Automobil verendet wird, und der Ausgang war eine differentielle Analogspannung. Eine gesamte Leistungsaufnahme von 2 Watt war typisch für das fertige Gyroskop mit Elektronik.
  • Beide Kreiselkonfigurationen durchliefen mehrere Tests, um die Hauptleistungsparameter zu messen. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse verglichen mit einem kommerziell verfügbaren Bauteil, dem Andrew AUTOGYRO® Navigator, ist in Tabelle 1 gezeigt. Die 3a und 4a vergleichen die mit der Allan Varianzanalyse bestimmte Winkelzufallsbewegung (ARW) und die Stabilität der Nullpunktverschiebung der Kreisel mit minimaler Konfiguration gegen die der Kreisel mit reduzierter Minimalkonfiguration. Beide Kreisel hatten ARW Werte von näherungsweise 20°/h/√Hz und Grenzen der Nullpunktsverschiebungsstabilität von 1°/h/√Hz nach einer Laufzeit von 12 Minuten. 3b und 4b vergleichen die Nullpunktverschie bung der Temperaturempfindlichkeit. Ein Temperaturbereich von –40 bis +75°C wurde für diesen Test verwendet. Der herkömmliche Kreisel mit Minimalkonfiguration übertraf den Kreisel mit reduzierter Minimalkonfiguration um einen Faktor von 2 zu 1. Dies liegt jedoch hauptsächlich an den Unterschieden in der Temperaturempfindlichkeit der analogen Demodulationselektronik. Die Temperaturempfindlichkeit der Nullpunktverschiebung für die Minimalkonfiguration wurde bei 0,03°/s oder 108°/h als Standardabweichung gemessen. Die reduzierte Konfiguration erbrachte 0,07°/s oder 252°/h. Die Nichtlinearität des Skalenfaktors war, wie in Tabelle 1 gezeigt, ähnlich. Für den typischen Fahrzeugdrehgeschwindigkeitsbereich von +/– 50°/s wurde ein Pegel von 0,2% RMS erhalten.

Claims (4)

  1. Ein interferometrisches Lichtleitfasergyroskopsystem (IFOG-System), das aufweist: eine Sensor-Lichtleitfaserwindung (4; 24); eine Halbleiterlichtquelle (1; 21), die Licht mit einer zugehörigen Lichtquellenintensität abgibt, wobei die Quelle einen Frontflächenausgang und einen Rückflächenausgang aufweist; einen Optokoppler (3; 23), der an den Frontflächenausgang gekoppelt ist, um Licht von der Lichtquelle (1; 21) zu empfangen, wobei der Koppler (3; 23) zwei Lichtstrahlen mit im Wesentlichen gleicher Intensität für eine gleichzeitige Übertragung an die Sensorwindung (4, 24) erzeugt; wobei die Sensor-Lichtleitfaserwindung (4; 24) aus den Lichtstrahlen gleicher Intensität zurückgeleitetes Licht an den Koppler (3; 23) liefert, und wobei der Koppler (3, 23) das zurückgeleitete Licht zu einem kombinierten Lichtstrahl kombiniert und interferiert; einen optischen Phasenmodulator (9; 34), der an die Windung (4; 24) gekoppelt ist und der eine Phasenmodulationsamplitude aufweist; einen Oszillator (8; 33), der an den Modulator (9; 34) gekoppelt ist und der eine periodische Spannung erzeugt, die die Phasenmodulationsamplitude steuert; Lichtdetektionsmittel (5; 25), die an die Lichtquelle (1; 21) am Rückflächenausgang gekoppelt sind, um den durch die Lichtquelle (1; 21) übertragenen kombinierten Lichtstrahl zu detektieren und den kombinierten Lichtstrahl in ein elektrischen Signal umzuwandeln; einen Verstärker (6; 27), der das elektrische Signal empfängt und der das elektrische Signal in ein Oszillatorfrequenzsignal und ein zweites harmonisches Signal (F2) aufteilt; und elektrische Signalverarbeitungsmittel (7; 28, 29, 30, 31), die an den Verstärker (6; 27) gekoppelt sind, zum Verarbeiten der Oszillatorfrequenzspannung und Bereitstellen eines Ausgangssignals, das proportional ist zu dem Winkelrotationsgeschwindigkeitseingangssignal der Sensorwindung (4; 24), dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellenintensität durch das zweite harmonische Signal (F2) gesteuert wird, um so eine konstante detektierte optische Leistung des Lichts aufrecht zu erhalten, das den Gyroskopsensorbereich (4; 24) passiert hat.
  2. IFOG-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Phasenmodulator (9; 34) einen piezoelektrischen Wandler als aktiven Teil des Oszillators (8; 33) umfasst, und dass die Grundfrequenz der Resonanzfrequenz des optischen Phasenmodulators (9; 34) folgt.
  3. IFOG-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator ein eigenresonanter Oszillator (8; 33) mit einer automatischen Verstärkungsregelung (AGC) ist, die dahingehend angepasst ist, eine stabile Modulatortreiberamplitude aufrecht zu erhalten.
  4. IFOG-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eigenresonante Ozillator (33) ein Colpitts-Oszillator ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10138154C2 (de) 2001-08-03 2003-06-05 Litef Gmbh Verfahren und Einrichtung zur Erhöhung der Langzeit-Betriebszuverlässigkeit eines faseroptischen Interferometers
CN104457731A (zh) * 2014-12-10 2015-03-25 西安中科华芯测控有限公司 一种双轴光纤陀螺仪
CN107084713B (zh) * 2017-05-26 2019-08-06 北京交通大学 基于光电振荡器的角速度测量方法和装置
RU2676944C1 (ru) * 2017-12-26 2019-01-11 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" Малогабаритный измеритель вектора угловой скорости на основе волоконно-оптического гироскопа

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2582800B1 (fr) * 1985-05-30 1987-07-17 Thomson Csf Dispositif interferometrique en anneau a fibre optique monomode
FR2616538B1 (fr) * 1987-06-11 1989-09-01 Alsthom Systeme interferometrique a fibre optique de type sagnac
US4776700A (en) * 1987-09-30 1988-10-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Switched state fiber optic gyroscope
DE3742201C2 (de) * 1987-12-12 1998-01-29 Teldix Gmbh Faserkreisel
EP0551874A3 (en) * 1992-01-16 1993-09-08 Japan Aviation Electronics Industry, Limited Fiber optic gyro
JPH06129859A (ja) * 1992-09-02 1994-05-13 Sumitomo Electric Ind Ltd 光源から信号を取り出す光ファイバジャイロ

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