DE69725720T2

DE69725720T2 - Dreiachsiger faseroptischer kreisel

Info

Publication number: DE69725720T2
Application number: DE69725720T
Authority: DE
Inventors: Ren-Young Liu; A. Ralph BERGH
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: WO1998000682A3; JP2000513812A; WO1998000682A2; US5854678A; JP4117030B2; CA2258628A1; EP0907877B1; DE69725720D1; EP0907877A2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Typische Trägheitsmeßeinheiten weisen drei Kreisel auf. Bei einem faseroptischen Trägheitsmeßsystem werden mindestens drei faseroptische Kreisel verwendet. Getrennte Kreisel für jede der drei Achsen bedeuten eine Vervielfachung von optischen und elektronischen Schaltungen.
Aus der internationalen Patentanmeldung Nr. WO-A-90/15967 sind faseroptische Dreiachsenkreisel mit einer einzigen Lichtquelle und einem einzigen Detektor bekannt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liefert einen Kreisel gemäß dem folgenden Anspruch 1.
Der Kreisel kann die Merkmale eines beliebigen oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 13 enthalten.
Die vorliegende Erfindung liefert außerdem einen Kreisel gemäß dem folgenden Anspruch 14.
Der Kreisel kann die Merkmale eines beliebigen oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 15 bis 18 enthalten.
Die vorliegende Erfindung ist ein faseroptischer Dreiachsenkreisel, der für eine Trägheitsmeßeinheit geeignet ist. Der Kreisel mißt Drehgeschwindigkeiten für jede der drei orthogonalen Achsen. Der faseroptische Dreiachsenkreisel der vorliegenden Erfindung verwendet weniger optische und elektronische Komponenten und liefert dabei weiter effizient ausreichend optische Leistung aus einer Quelle durch jeden Kreisel zum Detektor. Außerhalb der drei Interferometer werden eine einzige Quelle, ein oder zwei Detektoren, ein Vorverstärker und zwei Richtungskoppler verwendet. Im Gegensatz dazu verwendet dieselbe Aufgabe, die durch den Standardansatz in der Technik durchgeführt wird, drei Einachsenkreisel, die drei Quellen, drei Detektoren, drei Vorverstärker und drei Richtungskoppler erfordern. Die Elektronik für die Kreisel kann in offener Schleife oder in geschlossener Schleife arbeiten. Serrodyn-, Digital-Phasenschritt- und Doppelrampenelektronik sind Möglichkeiten für eine Konfiguration geschlossener Schleifen. Das Interferometer oder der Kreisel für jede Achse eines Dreiachsensystems kann nahezu dieselbe Leistung wie eine Einachsenkonfiguration an den Detektor liefern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt die optische Konfiguration für einen herkömmlichen Dreiachsenkreisel mit einem polarisationserhaltenden Koppler und vier Y-Verzweigungen.
2 zeigt die optische Konfiguration für den Dreiachsenkreisel mit einem nichtpolarisationserhaltenden Koppler und vier Y-Verzweigungen.
3a zeigt einen herkömmlichen Dreiachsenkreisel mit zwei polarisationserhaltenden Kopplern und drei Y-Verzweigungen.
3b zeigt einen herkömmlichen Dreiachsenkreisel mit zwei polarisationserhaltenden Kopplern und drei Kopplern in den Meßschleifen.
4a zeigt einen Dreiachsenkreisel der vorliegenden Erfindung mit zwei nichtpolarisationserhaltenden Kopplern und drei Y-Verzweigungen.
4b zeigt einen Dreiachsenkreisel der vorliegnden Erfindung mit zwei nichtpolarisationserhaltenden Kopplern und drei Kopplern in den Meßschleifen.
5 zeigt ein Beispiel für Serrodyn-Elektronik mit geschlossener Schleife.
6 zeigt ein Beispiel für Doppelrampenelektronik mit geschlossener Schleife.
7 zeigt die Doppelrampenelektronik mit geschlossener Schleife mit einem Demodulator für jede Achse.
8 zeigt eine optische Konfiguration für den Dreiachsenkreisel mit einem nichtpolarisationserhaltenden Koppler und vier Y-Verzweigungen und ohne Entpolarisierern an den Meßschleifen.
9 zeigt einen Dreiachsenkreisel mit zwei polarisationserhaltenden Kopplern und drei Y-Verzweigungen ohne Entpolarisierern an den Meßschleifen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Konfiguration 10 für einen faseroptischen Dreiachsenkreisel (FOG) mit einem polarisationserhaltenden (PM-)Faserkoppler 12 und eine integrierte optische Schaltung (IOC) 14 mit vier Y-Verzweigungen 32, 34, 36 und 55. Der Koppler 12 ist ein aus PM-Faser hergestellter Koppler. Die Lichtquelle 16 emittiert breitbandiges Licht mit einer Mittenwellenlänge von 0,83 Mikrometer. Die Lichtquelle 16 kann eine bestimmte andere Wellenlänge aufweisen. Das Licht tritt über die Faser bzw. den Port 18 in den Koppler 12 ein und das Licht breitet sich durch den Koppler 12 aus, wobei etwa die Hälfte des Lichts auf dem Port bzw. der Faser 20 und die andere Hälfte des Lichts auf dem Port bzw. der Faser 22 herauskommt, unter der Annahme, daß in dem Koppler 12 kein Lichtverlust besteht.
Bei dieser Ausführungsform ist der Koppler 12 für Licht mit 0,83 Mikrometer ausgelegt. Die Faser 20 ist über die Spleißstelle 11 mit der Anschlußfaser 13 des Wellenleiters 28 der integrierten optischen Schaltung (IOC) 14 mit ausgerichteten Achsen an der Spleißstelle 11 und der Verbindung 30 verbunden. Die IOC 14 kann ein Protonenaustausch- oder Titanindiffusionslithiumniobatbauelement sein. Die IOC 14 kann auch aus anderen Materialien hergestellt werden, wie zum Beispiel Silizium, Tantal, Polymere und so weiter. Das Protonenaustauschbauelement besitzt polarisierende Wellenleiter 28, 38, 40, 46, 47, 53, 56 und 57. Wenn die IOC 14 ein Titanindiffusionsbauelement ist, dann befindet sich ein leitfähiger Mantel auf der IOC und über den Wellenleitern, wodurch bewirkt wird, daß die jeweiligen Wellenleiter polarisierend sind.
Das Licht wird an der Y-Verzweigung 32 zu gleichen Teilen aufgeteilt, sodaß eine Hälfte des Lichts zu der Verzweigung 32 die Verzweigung 34 und die andere Hälfte des Lichts als Ergebnis der Aufteilung durch die Verzweigung 32 die Verzweigung 36 erreicht. Dieses Lichtverhältnis gilt mit der Annahme, daß an den Verzweigungen oder in den Wellenleitern der IOC 14 nur wenig oder gar kein Lichtverlust besteht. Die andere Hälfte des in die Verzweigung 36 eintretenden Lichts wird in Hälften aufgeteilt, sodaß sich Licht die Lichtwellenleiter 38 und 40 entlang ausbreitet. Licht in dem Wellenleiter 38 breitet sich durch die Verbindung 64, den Entpolarisierer 41 und durch die Schleife 42 und weiter zurück durch den Entpolarisierer 43, die Verbindung 64 und den Wellenleiter 40 aus. Den Wellenleiter 40 durchlaufendes Licht wird einer Modulation durch den Modulator 44 unterzogen. Sich entlang dem Wellenleiter 40 in Richtung der Schleife 42 ausbreitendes Licht breitet sich durch den Entpolarisierer 43 und durch die Schleife 42 und wieder heraus aus der Schleife 42 und durch den Entpolarisierer 41 und entlang durch den Wellenleiter 38 der IOC 14 aus. Die zurückkehrenden Lichtstrahlen werden aus den Wellenleitern 38 und 40 in der Y-Verzweigung 36 kombiniert und bewegen sich in Richtung der Verzweigung 32.
Die Entpolarisierer 41 und 43 können auf verschiedene Weisen aufgebaut sein. Zum Beispiel wird in dem Entpolarisierer 41 eine PM-Faser 154 am Punkt 64 an die IOC 14 angeschlossen, wobei ihre Doppelbrechungsachsen mit den Doppelbrechungsachsen des Wellenleiters 38 ausgerichtet sind. Die Faser 154 kann eine Anschlußfaser der IOC 14 sein. Eine andere PM-Faser 156 ist mit der Faser 154 verspleißt, wobei die Doppelbrechungsachsen der Fasern 154 und 156 an dem Verbindungspunkt 155 in einem Winkel von etwa 45 Grad relativ zueinander ausgerichtet sind. Die Faser 156 ist mit einer nichtpolarisationserhaltenden Einmodenfaser der Spule 42 an der Verbindung 157 verspleißt. Die Faser 156 ist in der Regel mehr als zweimal so lang wie die Faser 154.
Andererseits kann der Entpolarisierer 41 nur eine PM-Faser 154 aufweisen, deren Doppelbrechungsachsen in einem Winkel von etwa 45 Grad in bezug auf die Achsen des Wellenleiters 38 an der Anschlußfaser 64 ausgerichtet sind. Die Faser 154 wird dann an dem Verbindungspunkt 157 mit der Spule 42 verspleißt. Die Schwebungslänge der Faser 154 ist mehr als zweimal so groß wie die Schwebungslänge des Wellenleiters 38. Die Spleißstelle 155 und die Faser 156 werden bei dieser Entpolarisiererkonfiguration nicht benötigt.
Der Entpolarisierer 43 kann in Verbindung mit dem Entpolarisierer 41 verwendet werden oder kann fehlen, mit dem Ergebnis, daß nur ein Entpolarisierer 41 für die Spule 42 vorhanden ist. Beide Entpolarisierer 41 und 43 führen jedoch zu einer besseren FOG-Leistung.
Wenn der Entpolarisierer 43 verwendet werden soll, hat er dieselbe Struktur wie der Entpolarisierer 41, mit der Ausnahme, daß die Länge der Faser 158 etwas von der Länge der Faser 154 verschieden ist, und daß die Länge der Faser 159 mehr als viermal die Länge der Faser 158 beträgt, obwohl die Faser 159 länger als zweimal so lang wie die Faser 156 werden kann.
Bei der Konfiguration des Entpolarisierers 41 mit nur der einen PM-Faser 154, wobei die Achsen mit den Achsen des Wellenleiters 38 ausgerichtet sind, kann ein ähnlich strukturierter Entpolarisierer 43 hinzugefügt werden oder auch nicht. Wenn der Entpolarisierer 43 hinzugefügt wird, dann kann die Struktur des Entpolarisierers die zweier PM-Fasern 158 und 159 sein, wobei die Faser 159 mehr als zweimal die Schwebungslänge der Faser 154 in der Entpolarisiererkonfiguration, in der die Achsen der Faser 154 in einem Winkel von 45 Grad in bezug auf die Wellenleiterachsen am Verbindungspunkt 64 ausgerichtet sind, aufweist. Der Entpolarisierer 43 in Verbindung mit der einen oder anderen der Konfigurationen des Entpolarisierers 41 kann nur Faser 158 aufweisen, deren Doppelbrechungsachsen in einem Winkel von 45 Grad in bezug auf die Achsen des Wellenleiters 40 an der Anschlußfaser 64 ausgerichtet sind. Bei der letzteren Struktur weist die Faser 158 ohne die Spleißstelle 155 und die Faser 159 eine Schwebungslänge auf, die mehr als zweimal die Schwebungslänge des Wellenleiters 40 beträgt, oder sie kann mehr als viermal die Schwebungslänge des Wellenleiters 40 aufweisen, wenn der Entpolarisierer 41 dieselbe Art von Struktur wie der letztere Entpolarisierer 43 aufweist.
Die Entpolarisierer 48 und 49 weisen ähnliche Strukturkombinationen wie die Entpolarisierer 41 bzw. 43 auf. Ähnlich weisen die Entpolarisierer 58 und 59 ähnliche Strukturkombinationen wie die Entpolarisierer 41 bzw. 43 auf. Die hier erwähnten Strukturen von Entpolarisierern gelten für alle Figuren mit den Entpolarisierern 41, 43, 48, 49, 56 und 59.
Ein Licht aus der Verzweigung 34 wird aufgeteilt und Lichtstrahlen breiten sich entlang den Wellenleitern 46 und 47 weiter durch die Verbindung 64 und die Entpolarisierer 48 bzw. 49 aus und breiten sich entgegengesetzt durch die Schleife 45 aus und kehren durch die Entpolarisierer 49 und 48 bzw. die Verbindung 64 zurück. Ein Licht, das in der einen oder anderen Richtung durch den Wellenleiter 47 verläuft, erfährt eine Modulation durch den Modulator 50. Die rückkehrenden Lichtstrahlen aus der Schleife 45 über die Wellenleiter 46 und 47 werden an der Verzweigung 34 kombiniert und das resultierende Licht erreicht dann die Verzweigung 32, die mit Licht aus der Verzweigung 36 kombiniert wird. Das kombinierte Licht breitet sich entlang dem Wellenleiter 28, durch die Verbindung 30 und in die Faser bzw. den Port 20 des Kopplers 12 aus.
Der andere Teil des Lichts aus der Quelle 16 in dem Koppler 12 breitet sich durch die Faser oder den Port 22 weiter zu dem Wellenleiter 53 der IOC 14 über die Spleißstelle 15, die Anschlußfaser 17 und die Verbindung 54 mit ausgerichteten Achsen an der Spleißstelle 15 und der Verbindung 54 aus. Sich durch den Wellenleiter 53 ausbreitendes Licht wird an der Y-Verzweigung 55 hinein aufgeteilt, wobei die Hälfte des Lichts sich entlang dem Wellenleiter 56 und die andere Hälfte des Lichts aus dem Wellenleiter 53 sich entlang dem Wellenleiter 57 ausbreitet. Das Licht breitet sich aus den Wellenleitern 56 und 57 durch die Entpolarisierer 58 bzw. 59 aus. Die Lichtwellen oder Strahlen breiten sich entgegengesetzt durch die Schleife 60 aus und kehren durch die Entpolarisierer 59 und 58 und durch die Wellenleiter 57 bzw. 56 zurück, um in der Y-Verzweigung 55 kombiniert zu werden. Sich durch den Wellenleiter 57 ausbreitendes Licht kann durch den Modulator 61 moduliert werden. Das kombinierte Licht aus der Verzweigung 55 breitet sich entlang dem Wellenleiter 53, durch die Verbindung 54 und in den Port bzw. die Faser 22 des Kopplers 12 aus. Etwa die Hälfte des Lichts aus dem Port 20 erreicht den Port bzw. die Faser 62 und die Hälfte des Lichts aus dem Port 22 wird mit dem Licht aus dem Port 20 kombiniert und breitet sich entlang dem Port 62 in den Detektor 63 aus.
Das Licht aus dem Port 62 konstituiert Interferenzen von Paaren von Strahlen der Schleifen 42, 45 und 60. Der Detektor 63 wandelt die Lichtstrahlen und ihre jeweiligen Interferenzen in elektrische Signale um, die zu Drehgeschwindigkeitsinformationen der Schleifen 42, 45 und 60 dechiffriert werden. Die IOC 14 ist für eine Quellenlichtwellenlänge von 0,83 Mikrometer ausgelegt. Die Entpolarisierer, die aus PM-Faser bestehen können, werden jeweils auf Wellen-leiter der IOC 14 in einem Winkel von 45 Grad (+/– 2 Grad) zwischen den Polarisationsachsen jeder PM-Faser und dem jeweiligen Wellenleiter der IOC 14 ausgerichtet. Die resultierenden Entpolarisierer sind für Licht mit 0,83 Mikrometer ausgelegt.
Die Faser für die Spulen 42, 45 und 60 ist Einmodenfaser, das heißt, nichtpolarisationserhaltende Faser, und ist für eine Lichtwellenlänge von 1,3 Mikrometer ausgelegt. Die Entpolarisierer 48, 49, 41, 43, 58 und 59 werden mit der Einmodenfaser der jeweiligen Schleifen verspleißt.
2 zeigt eine Konfiguration 90 für einen faseroptischen Dreiachsenkreisel (FOG) mit einem Einmodenfaserkoppler 12 und einer integrierten optischen Schaltung (IOC) 14 mit drei Y-Verzweigungen 34, 36, 55. Der Koppler 12 ist ein aus nichtpolarisations erhaltender Einmoden-(SM)-Faser hergestellter Koppler. Die Lichtquelle 16, die eine Laserdiode ist, emittiert Breitbandlicht mit einer Mittenwellenlänge von 0,83 Mikrometer. Stattdessen kann die Lichtquelle 16 eine faseroptische Lichtquelle einer anderen Wellenlänge sein.
Es kann eine polarisationserhaltende (PM-)Faser 94 auf den Port 18 des Kopplers 12 an dem Punkt 95 aufgespleißt sein. Die Achsen der PM-Faser 94 sind in einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf die Achsen der PM-Anschlußfaser 96 der Quelle 16 an der Spleißstelle 97 ausgerichtet. Stattdessen kann die Faser 94 in einem Winkel von 45 Grad an der Quelle 16 selbst in Bezug auf die Achse des polarisierten Lichts ausgerichtet sein. Die Kombination der Fasern 94 und 96 und der Spleißstelle 97 ist nicht erforderlich, sondern zur Verwendung mit dem SM-Koppler 12 erwünscht. Die Kombination der Faser 94 und 96 und Spleißstelle 97 wird mit einer nichtpolarisierten Faserlichtquelle, die nichtpolarisiertes Licht emittiert, als Quelle 16 nicht verwendet.
Das Licht tritt über die Faser oder den Port 18 in den Koppler 12 ein und das Licht breitet sich durch den Koppler 12 aus, wobei etwa die Hälfte des Lichts sich durch den Port oder die Faser 20 ausbreitet und die andere Hälfte des Lichts sich durch den Port oder die Faser 22 ausbreitet, unter der Annahme, daß in dem Koppler 12 keine Lichtverluste bestehen. Der Faserkoppler 12 ist für Licht mit 0,83 Mikrometer ausgelegt. Die Faser 20 an dem Punkt 99 ist mit einem Stück PM-Faser 98 verspleißt. Die PM-Faser 98 ist an einer Spleißstelle 26 mit 45-Grad-Achsenausrichtung mit einer PM-Anschlußfaser 24 verbunden. Die Faser 24 weist eine Länge auf, die mindestens zweimal die Länge der Faser 98 beträgt. Der Faseranschluß 24 ist an dem Punkt 30 mit ausgerichteten Achsen an den Wellenleiter 28 angeschlossen. Der Entpolarisierer könnte stattdessen nur eine PM-Faser 24 mit 45-Grad-Achsenausrichtung mit dem Wellenleiter 28 an der Verbindung 30 enthalten. Die Schwebungslänge der Faser 24 wäre kleiner als die Hälfte der Schwebungslänge des Wellenleiters 28. Das Licht wird in der Y-Verzweigung 32 zu gleichen Teilen aufgeteilt, sodaß eine Hälfte des Lichts zu der Verzweigung 32 die Verzweigung 34 und die andere Hälfte des Lichts als Folge der Aufteilung durch die Verzweigung 32 die Verzweigung 36 erreicht. Das 50/50-Lichtverhältnis basiert auf der Annahme, daß in der Verzweigung oder in den Wellenleitern der IOC 14 nur wenig oder keine Lichtverluste auftreten. Das in die Verzweigung 36 eintretende Licht wird in Hälften aufgeteilt, sodaß sich jeder Halbteil des Lichts entlang den Lichtwellenleitern 38 bzw. 40 ausbreitet. Licht in dem Wellenleiter 38 breitet sich durch die Verbindung 64, den Entpolarisierer 41 und durch die Schleife 42 und weiter zurück durch den Entpolarisierer 43, die Verbindung 64 und entlang dem Wellenleiter 40 aus. Durch den Wellenleiter 40 verlaufendes Licht erfährt eine Modulation durch den Modulator 44.
Sich entlang dem Wellenleiter 40 in Richtung der Schleife 42 ausbreitendes Licht breitet sich durch den Entpolarisierer 43 und durch die Schleife 42 und wieder aus der Schleife 42 heraus und durch den Entpolarisierer 41 und entlang dem Wellenleiter 38 der IOC 14 aus. Die rückkehrenden Lichtstrahlen werden aus den Wellenleitern 38 und 40 an der Y-Verzweigung 36 kombiniert und bewegen sich in Richtung der Verzweigung 32.
Ein Licht aus der Verzweigung 34 wird aufgeteilt, und Lichtstrahlen breiten sich entlang den Wellenleitern 46 und 47 weiter durch die Entpolarisierer 48 bzw. 49 aus und breiten sich entgegengesetzt durch die Schleife 45 aus und kehren durch die Entpolarisierer 49 bzw. 48 zurück. Ein Licht, das sich in der einen oder anderen Richtung durch den Wellenleiter 47 ausbreitet, erfährt eine Modulation durch den Modulator 50. Das rückkehrende Licht aus der Schleife 45 über die Wellenleiter 46 und 47 wird in der Verzweigung 34 kombiniert und das resultierende Licht breitet sich weiter zu der Verzweigung 32 aus und wird mit Licht aus der Verzweigung 36 kombiniert.
Das kombinierte Licht breitet sich entlang dem Wellenleiter 28, durch den Verbindungspunkt 30 und durch die PM-Anschlußfaser 24, die Spleißstelle 26, die PM-Faser 98 bzw. die Spleißstelle 99 oder als Alternative nur durch die 45-Grad-Verbindung 30 und die PM-Faser 24 in die Faser bzw. den Port 20 des Kopplers 12 aus.
Der andere Teil des Lichts aus der Quelle 16 breitet sich durch die Faser oder den Port 22 gespleißt an dem Punkt 101 zu einem Stück PM-Faser 102 aus, die sich an einer 45-Grad-Achsen-Spleißstelle 51 befindet, die mit einer PM-Anschlußfaser oder Faser 52 verbunden ist. Die Länge der Faser 52 beträgt mindestens zweimal die der Faser 102. Die Faser 52 ist mit ausgerichteten Achsen mit dem Wellenleiter 53 der IOC 14 an dem Punkt 54 verbunden. Der Entpolarisierer könnte stattdessen nur PM-Faser 52 mit einer 45-Grad-Achsenausrichtung mit dem Wellenleiter 53 an der Verbindung 54 enthalten. Die Schwebungslänge der Faser 52 wäre weniger als die Hälfte der Schwebungslänge des Wellenleiters 53. Sich durch den Wellenleiter 53 ausbreitendes Licht wird an der Y-Verzweigung 55 hinein aufgeteilt, wobei die Hälfte sich entlang dem Wellenleiter 56 und die andere Hälfte aus dem Wellenleiter 53 sich durch den Wellenleiter 57 ausbreitet. Das Licht breitet sich aus den Wellenleitern 56 bzw. 57 durch die Entpolarisierer 58 und 59 aus. Die Lichtwellen oder -strahlen breiten sich entgegengesetzt durch die Schleife 60 aus und kehren durch die Entpolarisierer 59 und 58 zurück und breiten sich durch die Wellenleiter 57 bzw. 56 aus, um in der Y-Verzweigung 55 kombiniert zu werden. Sich durch den Wellenleiter 57 ausbreitendes Licht kann durch den Modulator 61 moduliert werden. Das kombinierte Licht aus der Verzweigung 55 breitet sich entlang dem Wellenleiter 53, durch den Punkt 54, die Anschlußfaser 52, die Spleißstelle 51, die Faser 102 und die Spleißstelle 101 oder als Alternative nur durch die 45-Grad-Verbindung 54 und die PM-Faser 52 in den Port bzw. die Faser 22 des Kopplers 12 aus. Etwa die Hälfte des Lichts aus dem Port 20 breitet sich in den Port bzw. die Faser 62 aus und die Hälfte des Lichts aus dem Port 22 wird mit dem Licht aus dem Port 20 kombiniert und breitet sich entlang dem Port 62 in den Detektor 63 aus. Das Licht aus dem Port 62 konstituiert Interferenzen von Paaren von Strahlen der Schleifen 42, 45 und 60. Der Detektor 63 wandelt die Lichtstrahlen und ihre jeweiligen Interferenzen elektrisch in elektrische Signale um, die zu Drehgeschwindigkeitsinformationen der Schleifen 42, 45 und 60 dechiffriert werden.
Die IOC 14 ist für eine Quellenlichtwellenlänge von 0,83 Mikrometer ausgelegt. Die Entpolarisierer, die aus PM-Faser bestehen können, die jeweils auf Wellenleiter der IOC 14 in einem Winkel von 45 Grad (+/– 2 Grad) in bezug auf die Polarisationsachse der Faser des Entpolarisierers und des Wellenleiters der IOC 14 ausgerichtet ist. Die Polarisierer sind für 0,83-Mikrometer-Licht ausgelegt. Die Faser für die Spulen 42, 45 und 60 ist Einmodenfaser, das heißt, sie ist nichtpolarisationserhaltende Faser und ist für eine Lichtwellenlänge von 1,3 Mikrometer ausgelegt. Die Entpolarisierer 48, 49, 41, 43, 58 und 59 bestehen aus 0,83-Mikrometer-PM-Faser, die mit der Einmodenfaser der jeweiligen Schleifen und der IOC 14 an Punkten 64 zu den jeweiligen Wellenleitern verspleißt ist.
Bei der Konfiguration 100 von 3a tritt eine IOC 65 auf, die in drei getrennte IOCs mit Verzweigungen 34, 36 bzw. 55 für jede der FOG-Schleifen 45, 42 und 60 aufgeteilt sein kann. Die IOC 65 kann dasselbe Material und dieselben Funktionseigenschaften wie die IOC 14 aufweisen. Es wird bevorzugt, daß die IOC 14 und die IOC 65 polarisierende Wellenleiter aufweisen, obwohl die Wellenleiter polarisationserhaltend oder nichtpolarisationserhaltend sein können.
Die Konfiguration 100 verwendet zwei faseroptische PM-Koppler 66 und 67. Die IOC 65 enthält keinen Y-förmigen Verzweiger wie die Y-Verzweigung 32 der IOC 14 der Konfiguration 10. Die Quelle 16 ist eine Laserdiode und emittiert 0,83-Mikrometer-Breitbandlicht, das sich über die Anschlußfaser 91, die Spleißstelle 92 und den Port 68 zu dem Koppler 66 ausbreitet. Die Spleißstelle 92 ist wahlweise. Um eine gleiche erkannte optische Leistung aus jeder der Meßspulen 42, 45 und 60 zu erhalten, wird das Aufteilungsverhältnis des ersten Richtungskopplers 66 entsprechend gewählt. Im Idealfall, wenn jeder der Richtungskoppler 66 und 67 verlustlos sind und jede der drei Spulen 42, 45 und 60 gleich effizient sind, erzeugt das Aufteilungsverhältnis von 33/67 an dem Koppler 66 und 50/50 für den Koppler 67 eine gleiche optische Leistung aus jedem Sensor oder resultiert in einer solchen. Wenn die Koppler 66 und 67 verlustbehaftet sind, erfährt das zusätzliche Durchgänge durch den jeweiligen Koppelbereich durchführende Licht eine zusätzliche Dämpfung. Das Verzweigungsverhältnis des Kopplers 66 muß also anders sein, um diese zusätzlichen Verluste zu kompensieren und die Leistungspegel an den Detektoren 69 und 93 für jede der drei Achsen mit den Schleifen 42, 45 und 60 gleich zu halten. Ein Beispiel dafür ist die Benutzung eines Aufteilungsverhältnisses von 30/70 anstelle von 33/67 für den Koppler 66, um die in den Kopplern 66 und 67 auftretenden Verluste zu berücksichtigen.
Licht für die erste Schleife 42 verläßt die Quelle 16 und breitet sich durch den Port 68 des Kopplers 66 aus und ein Anteil von ungefähr 70 Prozent dieses Lichts wird in den Port 71 abgezweigt, der sich über die Spleißstelle 73 mit ausgerichteten Achsen zu dem Port 72 des Kopplers 67 ausbreitet. Fünfzig Prozent des Lichts in dem Port 72 breitet sich zu dem Port 74 des Kopplers 67 und weiter durch den Verbindungspunkt 77 mit ausgerichteten Achsen in den Wellenleiter 78 aus. Das Licht breitet sich durch die Verzweigung 36 durch die Komponenten des Kreisels mit der Schleife 42 aus.
Nachdem es sich entgegengesetzt durch die Schleife 42 ausgebreitet hat, kehrt das Licht um, durch den Wellenleiter 78, den Verbindungspunkt 77 und weiter in den Port bzw. die Faser 74 zurück. Wie sich das Licht durch die der Schleife 42 zugeordneten Komponenten bewegt, wird oben in bezug auf die Konfiguration 10 beschrieben. Durch den Port 74 des Koppler 67 zurückkommendes Licht wird 50/50 aufgeteilt und die Hälfte dieses Lichts breitet sich zu dem Port 79 aus, der eine Anschlußfaser zu dem Detektor 69 aufweist, wodurch das Licht durch den Detektor 69 in elektrische Äquivalente der Lichtsignale umgewandelt wird. Das Licht kehrt aus der Schleife 42 sich durch den Port 74 des Kopplers 67 ausbreitend zurück, und der andere Teil des Lichts breitet sich auch durch den Port bzw. die Faser 72 durch achsenausgerichtete Spleißstelle 73 und den Port bzw. die Faser 71 des Kopplers 66 aus. Ein Teil dieses Lichts breitet sich weiter durch den Koppler 66 zu dem Port 81 aus, und die Faser 81 ist entweder zusammen mit der Faser 79 mit dem Detektor 69 verbunden, oder mit einem zweiten Detektor 93, um auch in repräsentative elektrische Signale umgewandelt zu werden.
Licht aus der Quelle 16 für die Schleife 45 breitet sich durch den Port 68 des Kopplers 66 aus, das zu 70 Prozent zu dem Port 71 abgeteilt wird. Das Licht aus dem Port 71 breitet sich durch achsenausgerichtete Spleißstelle 73 und weiter durch den Port 72 des Kopplers 67 aus. Die Hälfte des Lichts in dem Port 72 breitet sich zu dem Port 80 und weiter zu der IOC 65 am Punkt 84 aus. Der Punkt 84 ist eine achsenausgerichtete Verbindung zwischen dem Port 80 und dem Wellenleiter 85 mit oder ohne Spleißstelle 19 und Anschlußfaser 21. Ähnlich kann sich Licht zu oder von dem Port 74 des Kopplers 67 und dem Port 86 des Kopplers 66 durch die Spleißstelle 19 und die Anschlußfaser 21 ausbreiten oder nicht. Licht von dem Punkt 84 breitet sich durch den Wellenleiter 85 weiter aus, um durch die Y-Verzweigung 34 aufgeteilt zu werden. Das Licht breitet sich durch die der Schleife 45 zugeordneten Komponenten wie oben mit Bezug auf die Konfiguration 10 beschrieben aus. Nachdem es sich entgegengesetzt in der Schleife 45 ausgebreitet hat, breitet sich Licht aus der Verzweigung 34 durch den Wellenleiter 85, durch den Punkt 84 weiter zu dem Port 80 des faseroptischen Kopplers 67 aus. Ein Teil des Lichts in dem Port 80 breitet sich weiter zu dem Port 79 und weiter zu dem Detektor 69 aus. Der andere Teil des Lichts in dem Port 80 breitet sich durch den Koppler 67 weiter zu dem Port 72 und durch die Spleißstelle 73 und den Port 71 aus. Ein Teil des Lichts in dem Port 71 breitet sich weiter zu dem Port 81 des Kopplers 66 und zu dem Detektor 69 oder dem zweiten Detektor 93 aus. Das empfangene Licht an dem Detektor 69 oder dem zweiten Detektor 93 wird wieder in die empfangenen optischen Signale repräsentierende elektrische Signale umgewandelt.
Der Drehgeschwindigkeitssensor der dritten Achse mit der Schleife 60 involviert Licht aus der Quelle 16, das sich durch den Koppler 66 ausbreitet, wovon sich 30 Prozent weiter in den Port bzw. die Faser 86 ausbreiten. Das Licht aus dem Port 86 breitet sich weiter durch den Punkt 54 zu der IOC 65 aus und von dort aus weiter durch den Wellenleiter 53. Die Ausbreitung von Licht weiter in die Schleife 60 wird oben mit Bezug auf die Konfiguration 10 beschrieben. Das sich entgegengesetzt in der Schleife 60 ausbreitende Licht wird an der Lichtverzweigung 55 kombiniert und kehrt durch den Wellenleiter 53, den Punkt 54 und weiter in den Port 86 des Kopplers 66 zurück. 70 Prozent des zurückkehrenden Lichts in dem Port 86 wird weiter auf den Port 81 des Kopplers 66 aufgekoppelt. Das Licht in dem Port 81 breitet sich weiter zu dem Detektor 69 aus, der das Licht in elektrische Signale umwandelt, die die optischen Signale in dem Port 81 darstellen.
3b zeigt eine Variante der Konfiguration 100 in 3a. Die Y-Verzweigungen 34, 36 und 55 sind durch Richtungskoppler 149, 148 bzw. 150 ersetzt. Die Polarisierer 145, 146 und 147 werden in faseroptischen Lichtwegen zwischen den Kopplern 67 und 68 bzw. den Kopplern 148, 149 und 150 angeordnet. Die elektrooptischen Phasenmodulatoren 44, 50 und 61 sind durch faseroptische piezoelektrische Phasenmodulatoren 151, 152 bzw. 153 ersetzt. Die Wellenleiter der IOC 65, die als Lichtwege dienen, sind durch faseroptische Lichtwege ersetzt.
In der Konfiguration 120 von 4a kommt eine IOC 65 vor, die in drei getrennte IOCs für jede der FOG-Schleifen 42, 45 und 60 aufgeteilt werden kann. Diese Konfiguration verwendet zwei nichtpolarisationserhaltende (SM-)faseroptische Einmodenkoppler 66 und 67. Die IOC 65 enthält keinen Y-Abzweiger, wie die Y-Verzweigung 32 der IOC 14 der Konfiguration 90. Die Quelle 16 ist eine Laserdiode, die 0,83-Mikrometer-Breitbandlicht emittiert, das sich über den Port 68 zu dem Koppler 66 ausbreitet. Die Quelle 16 kann anstelle einer Laserdiodenquelle eine Faserlichtquelle einer anderen Wellenlänge sein. Zwischen der Quelle 16 und dem Port 68 kann sich ein Stück polarisationserhaltender (PM-)Faser 103 befinden, das an der Verbindung 104 mit dem Port 68 und mit einer PM-Anschlußfaser 105 verbunden ist, die Polarisations- oder Doppelbrechungsachsen aufweist, die an der Spleißstelle 106 in einem Winkel von Winkel 45 Grad achsenausgerichtet sind. Stattdessen kann die Faser 103 direkt an die Quelle 16 angekoppelt sein, wobei ihre Achsen in einem Winkel von 45 Grad zu der Richtung der Polarisation des Lichts aus der Quelle 16 ausgerichtet sind. Die Faser 103 und die Spleißstelle 106 sind bei einer Laserdiodenquelle nicht notwendig, aber bevorzugt. Die Faser 103 und die Spleißstelle 106 werden nicht verwendet, wenn die Quelle 16 eine unpolarisiertes Licht ausgebende Faserlichtquelle ist.
Um eine gleiche erkannte optische Leistung aus jeder der Meßspulen 42, 45 und 60 zu erzielen, wird das Aufteilungsverhältnis des ersten Richtungskopplers 66 entsprechend gewählt. Im Idealfall, wenn jeder der Richtungskoppler 66 und 67 verlustlos ist und jede der drei Spulen 42, 45 und 60 gleich effizient ist, erzeugt das Aufteilungsverhältnis von 33/67 an dem Koppler 66 und 50/50 für den Koppler 67 eine gleiche optische Leistung aus jedem Sensor oder resultiert darin. Wenn die Koppler 66 und 67 verlustbehaftet sind, erfährt das zusätzliche Durchgänge durch den jeweiligen Koppelbereich durchführende Licht eine zusätzliche Dämpfung. Also muß das Aufteilungsverhältnis des Kopplers 66 anders sein, um diese zusätzlichen Verluste zu kompensieren und weiter die Leistung am Detektor 69 für jede der drei Achsen mit den faseroptischen Schleifen 42, 45 und 60 gleich zu halten. Ein Beispiel dafür ist die Verwendung eines Aufteilungsverhältnisses von 30/70 anstelle von 33/67 für den Koppler 66, um die in den Kopplern 66 und 67 auftretenden Verluste zu berücksichtigen.
Licht für die erste Schleife 42 verläßt die Quelle 16 und breitet sich durch die Anschlußfaser 105, die Spleißstelle 106, die Faser 103, die Spleißstelle 104 und den Port 68 des Kopplers 66 aus. Ungefähr 70 Prozent Anteil dieses Lichts aus dem Port 68 wird in den Port 71 abgezweigt, der sich weiter über die Spleißstelle 73 zu dem Port 72 des Kopplers 67 ausbreitet. Fünfzig Prozent des Lichts in dem Port 72 breitet sich zu dem Port 74 des Kopplers 67 und weiter durch ein Stück PM-Faser 107, das an der Verbindung 108 mit dem Port 74 verbunden ist, und die Spleißstelle 75, die die PM-Faser 107 mit einer PM-Anschlußfaser 76 mit einer 45-Grad-Ausrichtung der Achsen der Fasern 107 und 76 verbindet, aus. Die Länge der Faser 76 beträgt mindestens zweimal die der Faser 107. Licht breitet sich durch die Anschlußfaser 76 weiter durch den Verbindungspunkt 77 in den Wellenleiter 78 aus. Der Entpolarisierer könnte stattdessen nur PM-Faser 76 mit einer 45-Grad-Achsenausrichtung mit dem Wellenleiter 78 an der Verbindung 77 enthalten. Die Schwebungslänge der Faser 76 wäre kleiner als die Hälfte der Schwebungslänge des Wellenleiters 78. Das Licht breitet sich durch die Verzweigung 36 durch die Komponenten des Kreisels mit der Schleife 42 aus. Das Licht kehrt zurück nach der entgegengesetzten Ausbreitung durch die Schleife 42, zurück durch den Wellenleiter 78, den Verbindungspunkt 77, die Anschlußfaser 76, die Spleißstelle 75, die Faser 107 und die Spleißstelle 108, oder als Alternative nur durch die 45-Grad-Verbindung 77 und die Faser 76 weiter in den Port bzw. die Faser 74. Wie sich das Licht durch die der Schleife 42 zugeordneten Komponenten bewegt, wird oben in bezug auf die Konfiguration 90 beschrieben.
Licht, das durch den Port 74 des Kopplers 67 zurückkommt, wird 50/50 aufgeteilt, und die Hälfte dieses Lichts breitet sich zu dem Port 79 aus, der mit einer Anschlußfaser mit dem Detektor 69 verbunden ist, wobei das Licht in elektrische Äquivalente der Lichtsignale umgewandelt wird. Das Licht kehrt aus der Schleife 42 zurück und breitet sich dabei durch den Port 74 des Kopplers 67 aus, und der andere Teil des Lichts breitet sich durch den Port bzw. die Faser 72 durch die Spleißstelle 73 und den Port bzw. die Faser 71 des Kopplers 66 aus. Ein Teil dieses Lichts breitet sich weiter durch den Koppler 66 zu dem Port 81 und entweder zu einem Zweiportdetektor 69 (Port 81 sowie 79) oder zu einem zweiten Detektor 93 aus, um in jeweilige elektrische Signale umgewandelt zu werden.
Licht aus der Quelle 16 für die Schleife 45 breitet sich durch die PM-Anschlußfaser 105, die 45-Grad-Spleißstelle 106, die PM-Faser 103, die Spleißstelle 104 und den Port 68 des SM-Kopplers 66 aus, der zu 70 Prozent zu dem Port 71 abgezweigt wird. Das Licht aus dem Port 71 breitet sich durch die Spleißstelle 73 und weiter durch den Port 72 des Kopplers 67 aus. Eine Hälfte des Lichts in dem Port 72 breitet sich zu dem Port 80, einem Stück PM-Faser 109, das an der Verbindungsspleißstelle 110 mit dem Port 80 verbunden ist, und weiter durch eine 45-Grad-Spleißstelle 82 durch eine PM-Anschlußfaser 83, die an dem Punkt 84 mit der IOC 65 verbunden ist, aus. Die Spleißstelle 82 richtet die Doppelbrechungsachsen der PM-Fasern 83 und 109 in einem Winkel von 45 Grad aus. Die Länge der Faser 83 beträgt mindestens zweimal die der Faser 109. Der Entpolarisierer könnte stattdessen nur PM-Faser 83 mit einer 45-Grad-Achsenausrichtung mit dem Wellenleiter 85 an der Verbindung 84 enthalten. Die Schwebungslänge der Faser 83 wäre kleiner als die Hälfte der Schwebungslänge des Wellenleiters 85.
Licht aus der Verbindung 84 breitet sich durch den Wellenleiter 85 weiter aus, um durch die Y-Verzweigung 34 aufgeteilt zu werden. Das Licht breitet sich durch die der Schleife 45 zugeordneten Komponenten wie oben in bezug auf die Konfiguration 90 beschrieben aus. Licht aus der Verzweigung 34 breitet sich nach der entgegengesetzten Ausbreitung in der Schleife 45 durch den Wellenleiter 85, durch den Verbindungspunkt 84, die Anschlußfaser 83, die Spleißstelle 82, die Faser 109 oder als Alternative nur durch die 45-Grad-Verbindung 84 und die Faser 83 und durch die Spleißstelle 110 weiter zu dem Port 80 des faseroptischen Kopplers 67 aus. Ein Teil des Lichts in dem Port 80 breietet sich weiter zu dem Port 79 weiter zu dem Detektor 69 aus. Der andere Teil des Lichts in dem Port 80 breitet sich durch den Koppler 67 weiter zu dem Port 72 und durch die Spleißstelle 73 und den Port 71 aus. Ein Teil des Lichts in dem Port 71 breitet sich weiter zu dem Port 81 des Kopplers 66 und entweder zu einem Zweifasereingangdetektor 69 (Port 79 und 81) oder zu einem zweiten Detektor 93 aus. Das empfangene Licht an dem Detektor 69 und dem Detektor 93 wird in elektrische Signale umgewandelt, die die empfangenen optischen Signale darstellen.
Der Drehgeschwindigkeitssensor der dritten Achse mit der Schleife 60 involviert Licht aus der Quelle 16, das sich durch die Anschlußfaser 105, die Spleißstelle 106, die Faser 103, die Spleißstelle 104, den Port 68 und den Koppler 66 ausbreitet, wovon sich 30 Prozent weiter in den Port bzw. die Faser 86 ausbreiten. An der Spleißstelle 112 ist ein Stück PM-Faser 111 mit dem Port 86 verbunden. Die Faser 111 ist an der Spleißstelle 51 mit der PM-Anschlußfaser 52 verbunden, wobei die Achsen der Faser 111 und der Anschlußfaser 52 in einem Winkel von 45 Grad miteinander ausgerichtet sind. Die Faser 52 ist mindestens zweimal so lang wie die Faser 111. Das Licht aus dem Port 86 breitet sich weiter durch die Spleißstelle 112, die Faser 111 und die Spleißstelle 51 aus. Der Entpolarisierer könnte stattdessen nur PM-Faser 52 mit einer 45-Grad-Achsenausrichtung mit dem Wellenleiter 53 an der Verbindung 54 enthalten. Die Schwebungslänge der Faser 52 wäre kleiner als die Hälfte der Schwebungslänge des Wellenleiters 53.
Licht, das durch eine 45-Grad-Spleißstelle 51 weiter zu der Anschlußfaser 52 kommt, die an der Verbindung 54 mit der IOC 65 verbunden ist, breitet sich weiter durch den Wellenleiter 53 aus. Die weitere Lichtausbreitung in die Schleife 60 wird oben mit Bezug auf die Konfiguration 10 beschrieben. Das sich entgegengesetzt in der Schleife 60 ausbreitende Licht wird an der Wellenleiterverzweigung 55 kombiniert und kehrt durch den Wellenleiter 53, den Verbindungspunkt 54, die Anschlußfaser 52, die Spleißstelle 51, die Faser 111 oder als Alternative nur durch die 45-Grad-Verbindung 54 und die Faser 52, die Spleißstelle 112 und weiter in den Port 86 des Kopplers 66 zurück. 70 Prozent des rückkehrenden Lichts in dem Port 86 wird auf den Port 81 des Kopplers 66 aufgekoppelt. Das Licht in dem Port 81 breitet sich weiter zu dem zweiten Eingang eines Zweieingangsdetektors (Ports 79 und 81) 69 oder als Alternative zu einem zweiten Detektor 93 aus, der das Licht in elektrische Signale umwandelt, die die optischen Signale in dem Port 81 darstellen.
4b zeigt eine Variante der Konfiguration 120 in 4a. Die Y-Verzweigungen 34, 36 und 55 sind durch Richtungskoppler 149, 148 bzw. 150 ersetzt. Die Koppler 149, 148 und 150 sind vorzugsweise PM-Koppler; obwohl sie auch SM-Koppler sein könnten; was zu einem FOG mit geringeren Leistungsfähigkeiten führt. Die Polarisierer 145, 146 und 147 werden in die faseroptischen Lichtwege zwischen den Kopplern 67 und 66, der Quelle 16 und den Kopplern 148, 149 bzw. 150 angeordnet. Die elektrooptischen Phasenmodulatoren 44, 50 und 61 sind durch faseroptische piezoelektrische Phasenmodulatoren 151, 152 bzw. 153 ersetzt. Die Wellenleiter der IOC 65, die als Lichtwege wirken, sind durch faseroptische Lichtwege ersetzt.
Die Konfigurationen 10, 90, 100 und 120 von 1, 2, 3 und 4 weisen eine FOG-Verarbeitungselektronik 113 auf. Die Verarbeitungselektronik 113 gibt ein Drehgeschwindigkeitssignal an den Anzeiger 114 aus. Die Verarbeitungselektronik 113 kann einen Entwurf mit geschlossener oder offener Schleife aufweisen. 5 und 6 zeigen zwei Versionen, Serrodyn 115 bzw. Doppelrampe 116 der Elektronik 113 mit geschlossener Schleife. Das Ausgangssignal des Detektors 63 der 1 und 2 wird zu einem Eingang des Verstärkers 117 geleitet, der anstelle eines summierenden Verstärkers mit zwei Eingängen ein Verstärker mit einem Eingang sein kann. Die Ausgangssignale der Detektoren 69 und 93 in 3 und 4 werden zu den zwei Eingängen des Summierungsverstärkers 117 von 5 oder 6 geleitet. Für eine beliebige der Konfigurationen mit zwei Detektoren können die Ausgangssignale der Detektoren 69 und 93 stattdessen miteinander verbunden und in einen Verstärker 117 mit einem Eingang eingegeben werden, siehe 7. Der Ausgangsverstärker 117 wird zu einem Analog/Digital-(A/D-)Umsetzer 118 geleitet, um die analogen elektrischen Signale, die die Lichtsignale aus den jeweiligen Schleifen 42, 45 und 60 darstellen, die eine bestimmte Phasenbeziehung aufweisen, die eine Drehgeschwindigkeit der jeweiligen Schleife darstellt, zu verbinden. Die Ausgangssignale des A/D-Umsetzers 118 werden zu einem digitalen synchronen Demodulator 119 und einem Vorfrequenzgenerator und einer Steuerlogik 121 einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) für die digitale Verarbeitung des Dreiachsenkreisels für eine Serrodyn-Schaltung 115 bzw. eine Doppelrampenschaltung 116 geleitet. Ein Oszillator 122 liefert ein Frequenzbezugssignal an den Vorfrequenzgenerator und die Steuerlogik 121, die wiederum ein Frequenzsignal an den Demodulator 119 und ein Vormodulationssignal und ein Freigabeachsensignal für die Serrodyn-Generatoren 123, 124 und 125 des ASIC 115 und für die Doppelrampen- und Vorspannungsgeneratoren 126, 127 und 128 des ASIC 116 für die X-, die Y- bzw. die Z-Achse ausgibt.
In 5 wird bei jedem Serrodyn-Generator 123, 124, 125 für die X-, die Y- bzw. die Z-Achse das Ausgangssignal, das ein verarbeitetes Signal des Detektors 69, 93 ist, das für jeden Achsengenerator aus dem Demodulator 119 gemultiplext wird, zu einem Eingang eines Achsenakkumulators 129 geleitet, der ein Signal an Eingänge eines numerischen Serrodyn-Steueroszillators 130 und eines numerischen Ratentakt-Steueroszillators 131 ausgibt. Die Ausgangssignale der Oszillatoren 130 und 131 zu Eingängen des Zählers 132 und der Logikschaltung 133. Die Logikschaltung 133 liefert Aufwärts- und- Abwärts-Taktsignale, und der Zähler 132 liefert ein drehgeschwindigkeitsabhängiges digitales Phasennullungssignal an einen jeweiligen Achsenkanal eines Dreifach-Digital/Analog-Umsetzers (DAC) 134. Der Umsetzer 134 gibt analoge Phasennullungssignale an die Treiberverstärker 135, 136, 137 für die X-, die Y- bzw. die Z-Achse aus. Die Serrodyn-Ausgangssignale aus den Verstärkern 135, 136 und 137 werden zu den Modulatoren 50, 44 und 61 der Schleifen 45, 42 bzw. 60 geleitet, um die Phasendifferenzen der sich entgegengesetzt ausbreitenden Lichtstrahlen der Schleifen, die durch den Sagnac-Effekt aufgrund der Drehung der jeweiligen Schleifen verursacht werden, auszunullen. Die Serrodyn-Ausgangssignale geben die Drehgeschwindigkeiten an und werden an einen Drehgeschwindigkeitsanzeiger und/oder -Prozessor 114 ausgegeben.
In 6 enthält jeder Doppelrampen- und Vorspannungsgenerator 126, 127 und 128 des ASIC 116 mit geschlossener Schleife einen Achsenakkumulator 138, der ein Signal aus dem Demodulator 119 empfängt, bei dem es sich um ein verarbeitetes Signal des Detektors 69, 93 handelt, das für jeden Achsengenerator jeweils gemultiplext wird, und gibt ein Signal an einen Doppelrampenakkumulator 139 und einen numerischen Ratentakt-Steueroszillator 140 aus. Das Ausgangssignal des Doppelrampemakkumulators wird zu einer Additions-Vorspannungs-Schaltung 141 geleitet, und das Ausgangssignal des Oszillators 140 zu der Logikschaltung 142. Die Logikschaltung 142 liefert Aufwärts- und- Abwärts-Taktsignale und die Additions-Vorspannungs-Schaltung 141 liefert digitale Doppelrampenphasennullungssignale an einen jeweiligen Achsenkanal des Dreifach-Digital/Analog-Umsetzers 134. Der DAC 134 gibt analoge Doppelrampenphasennullungssignale zur Ansteuerung der Verstärker 135, 136, 137 für die X-, die Y- bzw. die Z-Achse aus. Die Doppelrampenausgangssignale aus den Verstärkern 135, 136 und 137 werden zu Modulatoren 50, 44 und 61 der Schleifen 45, 42 bzw. 60 geleitet, um die Phasendifferenzen der sich entgegengesetzt ausbreitenden Lichtstrahlen der Schleifen auszunullen, die durch den Sagnac-Effekt aufgrund der Drehung der jeweiligen Schleifen verursacht werden. Die Doppelrampenausgangssignale geben die Drehgeschwindigkeiten an und werden in einen Drehgeschwindigkeitsanzeiger und/oder -prozessor 114 eingegeben.
7 unterscheidet sich von 6, indem sie nicht nur einen Verstärker 117 mit einem Eingang, sondern auch drei digitale synchrone Demodulatoren 119 aufweist, das heißt ein Demodulator 119 liefert ein verarbeitetes Ausgangssignal des Detektors 69, 93 für jeden Doppelrampen- und Vorspannungsgenerator 126, 127, 128 der X-, der Y- bzw. der Z-Achse. Da jeder Generator seinen eigenen Demodulator 119 besitzt, werden die verarbeiteten Detektorsignale zu den Generatoren nicht gemultiplext. Die Konfiguration von 7 ist auch auf die Serrodyngeneratorkonfiguration von 5 anwendbar.
8 zeigt eine Konfiguration 170, die der Konfiguration 90 von 2 ähnlich ist, mit der Ausnahme, daß die Entpolarisierer 48, 49, 41, 43, 58 und 59 und die Meßspulen 45, 42 und 60 fehlen. Die Meßspulen 161, 162 und 163 sind aus polarisationserhaltender Faser aufgebaut. 9 zeigt eine Konfiguration 180, die der Konfiguration 100 von 3a ähnlich ist, mit der Ausnahme, daß die Entpolarisierer 48, 49, 41, 43, 58 und 59 und die Meßspulen 45, 42 und 60 fehlen. Die Meßspulen 161, 162 und 163 sind aus polarisationserhaltender Faser aufgebaut. Die polarisationserhaltenen Meßspulen 161, 162 und 163 ohne Entpolarisierer in den Spulen können in den Konfigurationen 10, 100 und 120 von 1, 3b, 4a und 4b ähnlich implementiert werden.
Außer den hier offengelegten Ausführungsformen können auch andere Varianten der Erfindung implementiert werden.

Claims

Faseroptischer Dreiachsenkreisel, umfassend: einen ersten Koppler (66) mit einem ersten (68), einem zweiten (81), einem dritten (71) und einem vierten (86) Port; eine mit dem ersten Port (68) des ersten Kopplers (66) verbundene Quelle (61); einen mit dem zweiten Port (81) des ersten Kopplers (66) verbundenen Detektor (93); einen zweiten Koppler (67) mit einem mit dem dritten Port (71) des ersten Kopplers verbundenen ersten Port (72), einem mit einem zweiten Detektor (69) verbundenen zweiten Port (79) und mit einem dritten (80) und einem vierten Port (74); wobei der erste und der zweite Koppler nichtpolarisationserhaltende Koppler sind; eine erste Y-Verzweigung (34) mit einem mit dem dritten Port (80) des zweiten Kopplers (67) verbundenen ersten Port und mit einem zweiten und einem dritten Port; eine zweite Y-Verzweigung (36) mit einem mit dem vierten Port (74) des zweiten Kopplers (67) verbundenen ersten Port und mit einem zweiten und einem dritten Port; eine dritte Y-Verzweigung (55) mit einem mit dem vierten Port (80) des ersten Kopplers (66) verbundenen ersten Port und mit einem zweiten und einem dritten Port; eine erste Meßschleife (45) mit einem ersten und einem zweiten Ende, die mit dem zweiten bzw. dritten Port der ersten Y-Verzweigung (34) verbunden sind; eine zweite Meßschleife (42) mit einem ersten und einem zweiten Ende, die mit dem zweiten bzw. dritten Port der zweiten Y-Verzweigung verbunden sind; und eine dritte Meßschleife (60) mit einem ersten und einem zweiten Ende, die mit dem zweiten bzw. dritten Port der dritten Y-Verzweigung (55) verbunden sind.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen ersten, einen zweiten und einen dritten Satz Modulatorelektroden (50, 44, 61) in der Nähe mindestens eines Ports der ersten, der zweiten bzw. der dritten Y-Verzweigung (34, 36, 55).
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: mindestens einen Entpolarisierer (48, 49), der zwischen das erste oder das zweite Ende der ersten Meßschleife und den zweiten Port der ersten Y-Verzweigung (34) geschaltet ist; mindestens einen Entpolarisierer (41, 43), der zwischen das erste oder das zweite Ende der zweiten Meßschleife und den zweiten Port der zweiten Y-Verzweigung (36) geschaltet ist; mindestens einen Entpolarisierer (58, 59), der zwischen das erste oder das zweite Ende der dritten Meßschleife und den zweiten Port der dritten Y-Verzweigung (55) geschaltet ist.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 3, wobei die erste Y-Verzweigung (34) und der erste Satz Modulatorelektroden (50) auf einer ersten integrierten optischen Schaltung (65) ausgebildet sind; die zweite Y-Verzweigung (36) und der zweite Satz Modulatorelektroden (44) auf einer zweiten integrierten optischen Schaltung (65) ausgebildet sind; und die dritte Y-Verzweigung (55) und der dritte Satz Modulatorelektroden (61) auf einer dritten integrierten optischen Schaltung (65) ausgebildet sind.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 3, wobei die erste, die zweite und die dritte Y-Verzweigung und der erste, der zweite und der dritte Satz Modulatorelektroden auf einer integrierten optischen Schaltung ausgebildet sind.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: einen Verstärker (117) mit Eingängen, die mit dem ersten und dem zweiten Detektor verbunden sind; einen Analog/Digital-Umsetzer (118) mit einem mit einem Ausgang des Verstärkers verbundenen Eingang und mit einem Ausgang; eine digitale Verarbeitungseinrichtung (115) des Dreiachsenkreisels mit einem mit dem Ausgang des Analog/Digital-Umsetzers verbundenen Eingang; einen Digital/Analog-Umsetzer (134) mit einem mit einem Ausgang der digitalen Verarbeitungseinrichtung des Dreiachsenkreisels verbundenen Eingang und mit Ausgängen, die mit dem ersten, dem zweiten bzw. dem dritten Satz Modulatorelektroden verbunden sind.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 6, wobei die digitale Verarbeitungseinrichtung (115, 116) des Dreiachsenkreisels ein Rückkopplungs-Regelsystem zum Ausnullen von Phasendifferenzen von sich entgegengesetzt ausbreitendem Licht in der ersten, der zweiten und der dritten Meßschleife durch Signale, die von dem Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers zu dem ersten, dem zweiten bzw. dem dritten Satz Modulatorelektroden gesendet werden, ist, wobei der Betrag der Signale die Drehgeschwindigkeit der jeweiligen Meßschleifen angibt.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 6, wobei die digitale Verarbeitungseinrichtung (115) des faseroptischen Dreiachsenkreisels ein Serrodyn-Rückkopplungs-Regelsystem ist.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 6, wobei das digitale Verarbeitungssystem (116) des Dreiachsenkreisels ein Doppelrampen-Rückkopplungs-Regelsystem ist.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 6, wobei das digitale Verarbeitungssystem des Dreiachsenkreisels ein Digital-Phasenschritt-Rückkopplungs-Regelsystem ist.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: einen Entpolarisierer (48), der zwischen den dritten Port (80) des zweiten Kopplers (67) und den ersten Port der zweiten Y-Verzweigung geschaltet ist; einen Entpolarisierer (41), der zwischen den vierten Port (74) des zweiten Kopplers (67) und den ersten Port der zweiten Y-Verzweigung geschaltet ist; und einen Entpolarisierer (58), der zwischen den vierten Port (80) des ersten Kopplers (68) und den ersten Port der dritten Y-Verzweigung geschaltet ist.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 11, wobei die erste, die zweite und die dritte Y-Verzweigung polarisierende Verzweigungen sind.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 12, wobei die erste, die zweite und die dritte Meßschleife nichtpolarisationserhaltende Faser aufweisen.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel, umfassend: einen ersten Detektor (69); einen zweiten Detektor (93); eine Lichtquelle (61); einen ersten Koppler (60) mit einem mit dem zweiten Detektor (93) verbundenen ersten Port (81), einem mit der Quelle (61) verbundenen zweiten Port (68) und einem dritten (71) und einem vierten (86) Port; einen zweiten Koppler (67) mit einem mit dem ersten Detektor (69) verbundenen ersten Port (79) und einem mit dem dritten Port (71) des ersten Kopplers (66) verbundenen zweiten Port (72); wobei der erste und der zweite Koppler nichtpolarisationserhaltende Koppler sind; einen mit dem dritten Port (80) des zweiten Kopplers (67) verbundenen ersten Polarisierer (146); einen mit dem vierten Port (74) des zweiten Kopplers (68) verbundenen zweiten Polarisierer (145); einen mit dem vierten Port (80) des ersten Kopplers (66) verbundenen dritten Polarisierer (147); einen dritten Koppler (149) mit einem mit dem ersten Polarisierer (146) verbundenen ersten Port und mit einem zweiten (46) und einem dritten (47) Port; einen vierten Koppler (148) mit einem mit dem zweiten Polarisierer (145) verbundenen ersten Port und mit einem zweiten (38) und einem dritten (40) Port; einen fünften Koppler (150) mit einem mit dem dritten Polarisierer (147) verbundenen ersten Port und mit einem zweiten (56) und einem dritten (57) Port; einen mit dem zweiten Port (46) des dritten Kopplers (149) verbundenen ersten Entpolarisierer (48); einen mit dem zweiten Port (38) des vierten Kopplers (148) verbundenen zweiten Entpolarisierer (41); einen mit dem zweiten Port (56) des fünften Kopplers (150) verbundenen dritten Entpolarisierer (58); einer ersten nichtpolarisationserhaltenden faseroptischen Meßschleife (45) mit einem mit dem ersten Entpolarisierer (48) verbundenen ersten Ende und einem mit dem dritten Port (47) des dritten Kopplers (149) verbundenen zweiten Ende; einer zweiten nichtpolarisationserhaltenden faseroptischen Meßschleife (42) mit einem mit dem zweiten Entpolarisierer (41) verbundenen ersten Ende und einem mit dem dritten Port (40) des vierten Kopplers (148) verbundenen zweiten Ende; und einer dritten nichtpolarisationserhaltenden faseroptischen Meßschleife (60) mit einem mit dem dritten Entpolarisierer (58) verbundenen ersten Ende und einem mit dem dritten Port (57) des fünften Kopplers (150) verbundenen zweiten Ende.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: einen vierten Entpolarisierer (49), der zwischen den dritten Port (47) des dritten Kopplers (149) und das zweite Ende der ersten faseroptischen Meßschleife (45) geschaltet ist; einen fünften Entpolarisierer (43), der zwischen den dritten Port (40) des vierten Kopplers (148) und das zweite Ende der zweiten faseroptischen Meßschleife (42) geschaltet ist; und einen sechsten Entpolarisierer (59), der zwischen den dritten Port (57) des fünften Kopplers (150) und das zweite Ende der dritten faseroptischen Meßschleife (60) geschaltet ist.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: einen vierten Entpolarisierer, der zwischen den dritten Port (80) des zweiten Kopplers (67) und den ersten Polarisierer (146) geschaltet ist; einen fünften Entpolarisierer, der zwischen den vierten Port (74) des zweiten Kopplers (67) und den zweiten Polarisierer (145) geschaltet ist; und einen sechsten Entpolarisierer, der zwischen den vierten Port (86) des ersten Kopplers (66) und den dritten Polarisierer (147) geschaltet ist.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: einen siebten Entpolarisierer (49), der zwischen den dritten Port (47) des dritten Kopplers (149) und das zweite Ende der ersten faseroptischen Meßschleife (45) geschaltet ist; einen achten Entpolarisierer (43), der zwischen den dritten Port (40) des vierten Kopplers (148) und das zweite Ende der zweiten faseroptischen Meßschleife (42) geschaltet ist; und einen neunten Entpolarisierer (59), der zwischen den dritten Port (57) des fünften Kopplers (150) und das zweite Ende der dritten faseroptischen Meßschleife (60) geschaltet ist.
Faseroptischer Dreiachsenkreisel nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: einen ersten Modulator (152), der in einem Ende der ersten faseroptischen Meßschleife (45) und in der Nähe davon angeschlossen ist; einen zweiten Modulator (151), der in einem Ende der zweiten faseroptischen Meßschleife (42) und in der Nähe davon angeschlossen ist; und einen dritten Modulator (153), der in einem Ende der dritten faseroptischen Meßschleife (60) und in der Nähe davon angeschlossen ist.