-
Die
Erfindung betrifft das Messen von Drehgeschwindigkeiten und Lichtleitergyroskope.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Einrichtungen und Verfahren
zum Beseitigen des Abweichungsproblems, das durch elektronisches Übersprechen
in einem Lichtleitergyroskop auftritt, in dem Stufen-Übermodulation
verwendet wird.
-
Das
Sagnac-Interferometer ist ein Instrument zum Bestimmen von Drehungen
durch das Messen einer nichtreziproken Phasendifferenz, die zwischen
zwei sich gegenläufig
ausbreitenden Lichtstrahlen erzeugt wird. Es umfasst generell eine
Lichtquelle, beispielsweise einen Laser, einen optischen Wellenleiter,
der durch einige Spiegel oder eine Anzahl Windungen eines Lichtleiters
bestimmt ist, einen Strahlteiler und -zusammenführer, einen Detektor und einen
Signalprozessor.
-
In
einem Interferometer breiten sich die aus dem Strahlteiler austretenden
Wellen auf einem einzigen optischen Weg gegenläufig aus. Der Wellenleiter
ist "reziprok". D. h., jegliche
Störung
des optischen Wegs beeinflusst die sich gegenläufig ausbreitenden Strahlen
in gleicher Weise. Dabei erfahren die sich gegenläufig ausbreitenden
Strahlen diese Störungen
nicht notwendig zur gleichen Zeit oder in der gleichen Richtung.
Zeitveränderliche
Störungen
kann man beobachten, wenn das Zeitintervall gleich der Ausbreitungszeit
des Lichts durch den optischen Wellenleiter ist. Dagegen beeinflussen "nichtreziproke" Störungen die
sich gegenläufig ausbreitenden
Strahlen in unterschiedlicher Weise und abhängig von der Ausbreitungsrichtung.
Derartige nichtreziproke Störungen
werden von physikalischen Effekten verursacht, die die Symmetrie
des optischen Mediums durchbrechen, in dem sich die beiden Strahlen
ausbreiten.
-
Recht
gut bekannt sind zwei nichtreziproke Effekte. Der Faradayeffekt
oder kolineare magnetooptische Effekt tritt auf, wenn ein Magnetfeld
eine bevorzugte Spinausrichtung der Elektronen in einem optischen Material
erzeugt. Dagegen tritt der Sagnaceffekt oder relativistische Trägheitseffekt
auf, falls eine Drehung des Interferometers bezüglich eines Inertialsystems
die Symmetrie der Ausbreitungszeit durchbricht. Der letztgenannte
Effekt stellt das Funktionsprinzip des Ringgyroskops dar.
-
Das
gemessene oder erfasste Ausgangssignal eines Gyroskops ist ein Strahl,
der nach einem vollständigen
Durchlauf der Gyroskopschleife "zusammengeführt" wird (d. h. ein
zusammengesetzter Strahl, der aus den beiden gegenläufigen Strahlen
gebildet wird). Die Drehgeschwindigkeit um die empfindliche Achse
ist proportional zur Phasenverschiebung, die zwischen den gegenläufigen Strahlen
auftritt. Damit ist eine exakte Messung der Phasenverschiebung unerlässlich.
-
1 zeigt
eine Kurve des bekannten Zusammenhangs zwischen der Intensität (oder
der Leistung, eine Funktion des Quadrats des elektrischen Felds)
des erfassten Strahls, den die Lichtleiterspule ausgibt, und der
Phasendifferenz, die nach dem vollständigen Schleifendurchlauf zwischen
den zwei gegenläufigen
Strahlen auftritt. In der Abbildung ist eine Intensität dargestellt,
die proportional zum Cosinus der Phasendifferenz Δϕ zwischen
den Strahlen ist. Eine solche Phasendifferenz stellt ein Maß für die nichtreziproke
Störung
beispielsweise durch eine Drehung dar. In 1 ist ein
Gleichpegel dargestellt. Dieser Gleichpegel entspricht dem halben
(mittleren) Intensitätspegel.
-
Eine
bekannte Folge der Form des Überlagerungsmusters
besteht darin, dass bei Erfassung einer kleinen Phasendifferenz
oder eines kleinen Phasenunterschieds zu ±nπ, wobei n eine ganze Zahl ist
(entsprechend einer relativ geringen Drehgeschwindigkeit), die Intensität des abgegebenen
Strahls relativ unempfindlich auf Phasenabweichungen oder Fehler
ist, da sich die gemessene Phasendifferenz im Bereich eines Maximums
oder Minimums des ausgegebenen Überlagerungsmusters
befindet. Diese Erscheinung ist bei 10, 12, 12', 14 und 14' des Überlagerungsmusters
dargestellt. Diese Stellen entsprechen Phasenverschiebungen in den
Bereichen ϕ = 0, +π, –π, +2π und –2π im Bogenmaß. Die bloße Intensität liefert
jedoch keine Angaben zum Sinn bzw. zur Richtung der Drehgeschwindigkeit.
-
Aus
den genannten Gründen
wird gewöhnlich
ein geeignet erzeugter Phasenversatz jedem der gegenläufigen Strahlen überlagert,
d. h. ein Strahl wird periodisch in der Phase verzögert und
der andere Strahl vorverlagert, wenn sich die beiden Strahlen in
der Sensorspule ausbreiten. Der Versatz der Phasenverschiebung,
auch als "nichtreziproke
Nullverschiebung" bekannt,
erhöht
die Empfindlichkeit der Intensitätsmessung für Phasendifferenzen
durch das Verschieben des Arbeitspunktes in einen Bereich, der durch
eine größere Empfindlichkeit
auf eine Phasenabweichung ∊ gekennzeichnet ist, die das
Vorhandensein einer Drehung anzeigt. Auf diese Weise wird die am
Photodetektor beobachtete Änderung
der Lichtintensität ΔI (oder der
Leistung ΔP)
für eine
gegebene nichtreziproke Phasenstörung ∊ verstärkt.
-
Durch
das Verstärken
des Intensitätseffekts
aufgrund des Vorhandenseins einer gegebenen Phasenstörung ∊ erhält man entsprechende
Zuwächse
bei der Empfindlichkeit des Photodetektor-Ausgangssignals für Phasenstörungen.
Dies kann man in eine vereinfachte Ausgabeelektronik und eine verbesserte
Genauigkeit umsetzen. Eine derartige Ausgabeelektronik enthält üblicherweise
eine Differenzierschaltung, die die Intensitätswerte der Arbeitspunkte vergleicht,
die der elektrooptische Modulator (häufig ein integrierter optischer Mehrzweckchip
oder "MIOC", MIOC = Multifunction Integrated Optical Chip) während
einer Schleifendurchlaufzeit τ zyklisch
durchläuft.
Derzeit besteht der Versatz bei Lichtleiter-Gyroskopen in der Regel
aus periodischen Modulationskurven, beispielsweise einer Rechteckkurve,
die mit einer Periode von 2τ zwischen ±π/2 umgeschaltet
wird, wobei τ die
Durchlaufzeit des Lichts durch die Lichtleiterspule ist.
-
Die
herkömmliche
Rechteckmodulation, siehe nochmals 1, besteht
im zyklischen Umschalten der Ausgangsintensitätskurve zwischen den Arbeitspunkten 16 und 16'. Beide Punkte 16 und 16' (±π/2 Rechteckmodulation)
liegen an einem Wendepunkt des Intensitäts-Überlagerungsmusters, an dem
eine geringe nichtreziproke Störung ∊ der
Phasendifferenz Δϕ zu
einer größtmöglichen
und im Wesentlichen linearen erfassbaren Veränderung ΔI (ΔP) der optischen Intensität (Leistung)
führt,
die ausgegeben wird. Durch einen Wechsel des Versatzes, der zwischen
zwei verschiedenen Arbeitspunkten zugefügt wird, kann das System das
Vorzeichen von ∊ und damit die Drehrichtung erkennen. (Wahlweise
kann man das gleiche Ergebnis mit einer Modulation von ±3π/2 erhalten.
Dies ist durch die Punkte 18 und 18' der Kurve in 1 dargestellt.)
Zusätzlich
zur Phasenmodulation wird das Ausgangssignal des Interferometers
in der Regel einer "Phasennullung" unterzogen. Dabei
wird über
einen negativen Rückführmechanismus
eine zusätzliche
Phasenverschiebung eingeführt,
die die Phasenverschiebung aufgrund des nichtreziproken (Sagnac)-Effekts
ausgleicht. Zu diesem Zweck erzeugt man normalerweise eine Phasenrampe
(entweder analog oder digital), deren Steigung proportional zur
gemessenen Phasendifferenz ist. Üblicherweise
liefert eine Rampe, die den Bereich zwischen 0 und 2π im Bogenmaß überdeckt,
die auslöschende
Phasenverschiebung, da die erforderliche Verschiebung aufgrund von
Spannungsbeschränkungen
nicht unbegrenzt erhöht
werden kann. Ein "Zurücksetzen" um 2π beeinflusst
aufgrund der beschriebenen Cosinusfunktion das Gyroskop-Interferometer
nicht, das Modulo 2π arbeitet.
-
Ein
Hauptanwendungsgebiet von Trägheitssystemen
ist das Bestimmen des Kur ses von Fahrzeugen. Eine derartige Bestimmung
hängt von
der Güte
der Systemsensoren einschließlich
der Gyroskope ab. Sie wird auch von der Art und dem Umfang des Rauschens
in den Gyroskop-Ausgangssignalen beeinflusst. Insbesondere die Fähigkeit
des Gyroskops, Trägheits-Winkelgeschwindigkeiten
exakt zu messen, stellt einen Schlüssel zur genauen Kursermittlung
dar.
-
Die
Rauscheigenschaften der Ausgangssignale fortschrittlicher Gyroskope
(z. B. die mit einem Laser und einer Lichtleiteroptik aufgebauten
Gyroskope) enthalten eine statistische "Winkel-Zufallsbewegungs-Charakteristik". Die Winkelzufallsbewegung
wird durch weißes
Rauschen (d. h. Rauschen, dessen spektrale Energiedichte (PSD, PSD
= Power Spectral Density) "eben" ist, also frequenzunabhängig) der
Winkelgeschwindigkeit verursacht. Jede Beobachtung einer Variablen
(z. B. des Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignals eines Lichtleiter-Gyroskops),
die mit weißen
Rauschen behaftet ist, ist von allen anderen statistisch unabhängig. Der
Mittelwert zahlreicher derartiger Beobachtungen konvergiert allmählich gegen
den tatsächlichen
Wert. Die Unsicherheit bei der Mittelwertmessung ist indirekt proportional
der Quadratwurzel der Mittelungszeit. Damit ist die Unsicherheit
bei der Winkelgeschwindigkeitsmessung gegeben durch
-
-
Dabei
ist:
σ • / Θ die
Standardabweichung der Winkelgeschwindigkeitsmessung;
RW der
Zufallsbewegungskoeffizient; und
T die Mittelungszeit.
-
Normalerweise
hängt die
Anfangsgenauigkeit des Kurses eines Trägheitssystems von der Genauigkeit
ab, mit der man die Drehgeschwindigkeit der Erde messen kann. Die
Kursunsicherheit ist proportional zur angegebenen Unsicherheit bei
der Winkelgeschwindigkeitsmessung. Da die Mittelungszeiten in der
Regel kurz sind (üblicherweise
4 Minuten), ist es kritisch, den Zufallsbewegungskoeffizienten klein
zu halten. Zudem verschlechtert nach dem Ermitteln des Kurses die
Drift der integrierten Lagewinkel die Leistungsfähigkeit des Trägheitssystems.
Ein Winkelzufallsbewegungsvorgang wie besprochen führt zu einem
Winkelfehler, der statistisch mit der Quadratwurzel der Zeit wächst. Damit
gilt: σΘ =
RW√T
-
Dabei
ist:
σΘ die
Standarddauer des Lagefehlers;
RW der Zufallsbewegungskoeffizient;
und
T die Betriebszeit.
-
Wiederum
ist ein kleiner Zufallsbewegungskoeffizient unerlässlich.
-
2 zeigt
eine Kurve (nicht maßstäblich),
die den Zusammenhang darstellt, der zwischen der Zufallsbewegung
(Kurve 20) und der Lichtquellen-Spitzenleistung in einem
Lichtleiter-Gyroskop besteht. Das weiße Rauschen im Ausgangssignal
eines Lichtleiter-Gyroskops
kann verschiedene Ursachen haben. Elektronikrauschen (sowohl Dunkelstromrauschen
als auch Johnsonrauschen bzw. thermisches Rauschen), Schrotrauschen
und Überlagerungen
oder synonym Rauschen mit relativer Intensität können allesamt dazu beitragen. Der
Beitrag des elektronischen Rauschens zur Gyroskopzufallsbewegung
ist umgekehrt proportional zur Spitzenleistung. Der Beitrag des
Schrotrauschens zur Gyroskopzufallsbewegung ist umgekehrt proportional
zur Quadratwurzel aus der Spitzenleistung. Der Abbildung kann man
auch entnehmen, dass der Beitrag des Überlagerungsrauschens (Kurve 22)
unabhängig
von der Spitzenleistung ist und dadurch den Umfang begrenzt, in dem
sich die Gyroskopzufallsbewegung durch eine Vergrößerung reduzieren
lässt.
Im Gegensatz dazu kann eine Zunahme der Spitzenleistung innerhalb
eines bestimmten Bereichs das Elektronikrauschen (Kurve 24) und
das Schrotrauschen (Kurve 26) verringern. Außerhalb
dieses Bereichs führt
eine erhöhte
Leistung nicht zu einem besseren Verhalten der Zufallsbewegung.
-
Das
relative Gewicht des Überlagerungsrauschens
nimmt mit der Lichtquellenleistung zu Superlumineszenzdioden liefern
ungefähr
0,5 Milliwatt Spitzenleistung. Mit seltenen Erden datierte Quellen
liegen üblicherweise
im Bereich von 10 Milliwatt. Der Beitrag des Überlagerungsrauschens zur Zufallsbewegung,
siehe 2, stellt einen Bruchteil des Beitrags des Schrotrauschens
dar. Dieses ist selbst ein Teil des Elektronikrauschens, falls eine
Quelle mit geringer Leistung verwendet wird, beispielsweise eine
Superlumineszenzdiode. Mit steigender Leistung der Lichtquelle dominiert
schließlich
der Beitrag des Schrotrauschens das Rauschverhalten des Gyroskops.
-
Das
US-Patent 5,530,545 (George A. Pavlath) mit dem Titel "Method For Reducing
Random Walk in Fiber Optic Gyroscopes" behandelt das genannte Problem. Das obige
Patent, das der Anmelder dieser Patentschrift innehat, offenbart
ein Verfahren, das auf einem künstlichen Übermodulations-Versatz
der Strahlen beruht, die sich in der Gyroskop-Sensorspule gegenläufig ausbreiten.
Es wird beispielsweise gelehrt, dass durch das Versetzen der Gyroskop-Ausgangssignalkurve
in 1 zwischen den Punkten 28 und 28' und nicht zwischen
den herkömmlichen ±π/2-Arbeitspunkten 16 und 16' oder wahlweise
zwischen den ±3π/2-Arbeitspunkten 18 und 18', der Beitrag
des Überlagerungsrauschens
(oder synonym des Rauschens mit relativer Intensität) zur Zufallsbewegung
mit zunehmender Leistung der Lichtquelle kleiner wird. Durch die Überwindung
des früher
begrenzenden Effekts dieser Rauschquelle auf die Verringerung der
Zufallsbewegung wird der Nutzen von Hochleistungsquellen verstärkt.
-
Sowohl
einachsige als auch mehrachsige Gyroskopanordnungen sind von Abweichungsfehlern
betroffen, die durch Systemübersprechen
entstehen. Es können
beispielsweise parasitäre
Signale aus dem Digital-Analog-Umsetzer am Ausgang und aus dem Treiberverstärker der
Gyroskopregelschleife in den Eingang des Synchrondemodulators koppeln.
Zusätzlich
kann in einer dreiachsigen Anordnung ein Übersprechen zwischen den Digital-Analog-Umsetzern
und Treiberverstärkern
eines auf einer Achse messenden Gyroskops und den Synchrondemodulatoren
der Gyroskope auftreten, die auf anderen Achsen messen. Liegt der
Fall einer vereinfachten dreiachsigen Anordnung vor, die mit einem
einzigen Detektor arbeitet, so kann das zusammengesetzte Ausgangssignal
dem Übersprechen
zwischen den Ausgangssignalen der anderen Achsen ausgesetzt sein.
-
Das Übersprechen
stellt ein besonderes Problem dar, wenn eine Stufenmodulation entweder
des herkömmlichen
Typs (größtmögliche Empfindlichkeit)
oder des Übermodulationstyps
vorhanden ist. Verwendet man eine Stufenmodulationskurve, beispielsweise
eine Rechteckkurve, so ist die entstehende Demodulationsfunktion
eine Kopie der Modulationsfunktion. Dies erzeugt im Gyroskopausgangssignal
einen resultierenden Abweichungswert, falls zwischen dem Signal
zum Ansteuern des Phasenmodulators und dem Eingangssignal des Demodulators
eine elektrische Einstreuung bzw. ein Überkoppeln erfolgt.
-
Im
US-Patent 5,123,741 mit dem Titel "Fiber Optic Sagnac Interferometer With
Digital Phase Ramp Resetting via Conection-Free Demodulator Control" hat Spahlinger eine
Lösung
für das Übersprechproblem vorgeschlagen,
die auf dem Entwurf von Kurven zum Ansteuern des Gyroskop-Phasenmodulators
beruht, die zufällige
oder korrekturfreie Komponentenfolgen umfassen. Das Verfahren dieses
Patents behandelt zwar das Übersprechproblem,
beruht jedoch auf einer herkömmlichen
Modulation mit größtmöglicher
Empfindlichkeit (d. h., ±π/2, ±3π/2) und kann
daher nicht an den Vorteilen teilhaben, die Übermodulationstechniken bieten.
-
Ein
weiteres Patent des Anmelders, das US-Patent 5,189,488 (Mark et
al.) mit dem Titel "Fiber
Optic Gyroscope Utilizing Orthogonal Sequences", lehrt die Auswahl deterministischer
Modulationsfolgen hinsichtlich der Eigenschaften der zugehörigen primären und
sekundären
Demodulationsfolgen, damit das elektronische Übersprechen in Lichtleiter-Gyroskopen
beseitigt wird. Die dort gelehrten Vorgehensweisen sind jedoch wieder
auf herkömmliche
Modulationsschemata eingeschränkt.
Jede der genannten Vorgehensweisen beruht auf dem Gebrauch herkömmlicher
Modulationsverfahren (d. h. Einschränkung auf die Modulation mit ±π/2 oder ±3π/2) bzw.
setzt diese voraus. Keines der Verfahren behandelt Übersprechen
im Zusammenhang mit Übermodulation.
Dadurch gehören
diese Vorgehensweisen zu Systemen, denen beschränkte Reduktionsmöglichkeiten
für die
Zufallsbewegung innewohnen.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen der Drehgeschwindigkeit mit
einem Sagnac-Interferometer einer Bauart bereitgestellt, die umfasst:
eine Lichtquelle, einen Koppler, der aus dem Ausgangssignal der
Quelle ein Paar Lichtstrahlen erzeugt und die Strahlen in entgegengesetzte
Enden einer Sensorspule einleitet, in der sie sich gegenläufig ausbreiten,
und der die Strahlen nach dem Durchgang durch die Spule wieder zusammenführt, damit
ein Ausgangssignal entsteht, einen Modulator, der den sich gegenläufig ausbreitenden
Strahlen eine Reihe künstlicher
optischer Phasenverschiebungen überlagert, und
einen Demodulator, der aus dem Ausgangssignal die Drehgeschwindigkeitsinformation
entnimmt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- a) das Ansteuern des Modulators, damit er den sich gegenläufig ausbreitenden
Lichtstrahlen eine Folge von künstlichen
Phasenverschiebungen überlagert,
wobei die Dauer einer jeden Phasenverschiebung gleich der Durchlaufzeit
durch die Sensorspule ist;
gekennzeichnet durch:
- b) das Auswählen
der künstlichen
Verschiebungen aus Werten von ±aπ/2b und ±(4b – a)π/2b, wobei
a eine ungerade natürliche
Zahl und b eine natürliche
Zahl größer als
1 ist.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
umfasst den Schritt des Ableitens einer Modulo-2π-Abbildung der Werte durch (i)
das Unterteilen der Modulo-2π-Abbildung
in S Segmente, wobei S eine ganze Zahl gemäß der Beziehung S × Θ = 2πNist,
und gilt Θ gleich
|aπ/2b|,
und N eine natürliche
Zahl ist; und (ii) das Zuweisen eines Werts zum Ansteuern des Modulators
an jedes der Segmente, so dass jeder Übergang zwischen benachbarten
Abbildungssegmenten in einer ersten Winkelrichtung aπ/2b oder –(4b – a)π/2b entspricht
und jeder Übergang
zwischen benachbarten Abbildungssegmenten in der entgegengesetzten
Winkelrichtung –aπ/2b oder
(4b – a)π/2b entspricht.
-
Die
Abbildung wird nun gemäß einer
vorbestimmten Folge durch alle Segmente in einer ersten Richtung
durchlaufen und durch alle Segmente in der entgegengesetzten Richtung,
damit eine gestufte Kurve erzeugt wird.
-
Anschließend werden
primäre
und sekundäre
Demodulationsfolgen erzeugt, die zu der gestuften Kurve gehören. Die
primären
und sekundären
Demodulationsfolgen werden anhand eines vorbestimmten Kriteriums
verglichen, bis Demodulationsfolgen erzeugt werden, bei denen das
Kriterium erfüllt
ist. Schließlich
wird die gestufte Kurve ausgewählt,
die zur Demodulationsfolge gehört,
die das Kriterium erfüllt.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Sagnac-Interferometer zum
Messen der Drehgeschwindigkeit um mindestens eine Achse bereitgestellt,
umfassend: einen Phasenmodulator, der eine Folge optischer Phasenverschiebungen
mit einer Dauer, die gleich der Sensorspulen-Durchlaufzeit ist,
einem Paar Lichtstrahlen mitteilt, die sich innerhalb mindestens
einer Sensorspule gegenläufig
ausbreiten; und
eine Vorrichtung, die das mindestens eine Strahlenpaar
verknüpft
und demoduliert, damit die Drehgeschwindigkeit um die mindestens
eine Achse ermittelt wird;
gekennzeichnet durch:
einen
Generator, der dem Phasenmodulator eine Bitfolge zum Ableiten einer
gestuften Kurve liefert, damit eine Folge von künstlichen Phasenverschiebungen überlagert
wird, und zwar mit den Werten ±aπ/2b und ±(4b – a)π/2b, wobei
a eine ungerade natürliche
Zahl und b eine natürliche
Zahl größer als
1 ist.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine Modulo-2π-Abbildung zum Erzeugen einer
gestuften Kurve für
das Ansteuern des Phasenmodula tors eines Lichtleiter-Gyroskops erzeugt,
wobei den Strahlen, die sich innerhalb der Gyroskop-Sensorspule
gegenläufig
ausbreiten, Phasenverschiebungen von ±aπ/2b oder ±(4b – a)π/2b erteilt werden. Dabei ist
a eine ungerade natürliche
Zahl größer als
1. Die Abbildung umfasst einen geschlossenen Kreis, der in S Segmente
unterteilt ist, von denen jedes zu einem Wert der gestuften Kurve
gehört.
S ist eine ganze Zahl gemäß der Beziehung
S × Θ = 2πN, wobei
gilt Θ gleich |aπ/2b|, und
N eine natürliche
Zahl ist. Den Segmenten der Abbildung werden Werte derart zugewiesen,
dass jeder Übergang
zwischen benachbarten Segmenten in einer ersten Winkelrichtung gleich
einem Schritt von aπ/2b
oder –(4b – a)π/2b ist,
und jeder Übergang
zwischen benachbarten Segmenten in der entgegengesetzten Winkelrichtung
gleich einem Schritt von –aπ/2b oder
(4b – a)π/2b ist.
-
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:
-
1 eine
Kurve der Intensität
(oder Leistung) als Funktion der Phasenverschiebung, und zwar für das Ausgangssignal
eines Lichtleiter-Gyroskops, wobei die herkömmliche Rechteckmodulation
dargestellt und den Bereichen mit Übermodulation gegenübergestellt
ist;
-
2 eine
Kurve des Zusammenhangs zwischen den Komponenten des weißen Rauschens
im Ausgangssignal des Lichtleiter-Gyroskops und der Lichtquellen-Spitzenleistung;
-
3 eine
Abbildung zum Erzeugen von Kurven, die dem Ansteuern des Phasenmodulators
eines Sagnac-Interferometers gemäß der Erfindung
dienen;
-
4(a) und 4(b) Kurven,
die ein Signal zum Ansteuern des Phasenmodulators eines Interferometers
darstellen sowie die sich ergebende Folge künstlicher optischer Phasenverschiebungen,
die dadurch den Lichtstrahlen erteilt werden, die sich in der Gyroskop-Sensorspule
gegenläufig
ausbreiten;
-
5 eine
Kurve der Intensität
oder Leistung des Ausgangssignals eines Lichtleiter-Gyroskops als Funktion
der Phasenverschiebung, um die Korrektur des Skalierungsfaktorfehlers
darzustellen, der in Folgen künstlicher
Phasenverschiebungen enthalten ist;
-
6 ein
Blockdiagramm eines dreiachsigen Lichtleiter-Sagnac-Interferometers,
das dafür
ausgelegt ist, eine Modulation zu verwenden, die auf orthogonalen
Demodulationsfolgen beruht;
-
7 ein
funktionales Blockdiagramm, das die Implementierung der Modulations vorgänge von
Ausführungsformen
der Erfindung erläutert;
und
-
8 eine
vereinfachte Skizze eines einachsigen Lichtleiter-Sagnac-Interferometers
für eine
kleinstmögliche
Zufallsbewegung.
-
Die
bevorzugte Ausführungsform
ist auf das Problem des Übersprechens
in Lichtleiter-Gyroskopen ausgerichtet, in denen stufenförmige Modulationsfolgen
verwendet werden. Derartige Folgen sind insofern vorteilhaft, als
sie zu einem verringerten Zufallsbewegungsanteil des Gyroskopausgangssignals
führen,
und zwar unter das "Minimum", das man beobachtet,
wenn Modulationskurven für
größtmögliche Detektionsempfindlichkeit
(±π/2, ±3π/2) eingesetzt
werden. In der Erfindung werden gestufte Übermodulationskurven, und zwar
sowohl zufällige
als auch deterministische, für
die Anwendung im elektrooptischen Phasenmodulator des Gyroskops
gewählt,
die in den Gyroskop-Ausgangssignalen den Vorteil der Übermodulation
bieten, wobei das Übersprechen
beseitigt oder wesentlich verringert wird. Die Übermodulationskurven der Erfindung
sind im Wesentlichen nicht mit den sich ergebenden Demodulationsfolgen
korreliert. Dadurch wird das Gyroskop wirksam gegen Abweichungen
durch Modulationssignalaustritte geschützt.
-
Die
Ausführungsform
liefert ein Verfahren zum Erzeugen von Abbildungen, die man gemäß einem
vorbestimmten oder einem zufälligen
Muster durchlaufen kann, um Kandidaten für gestufte Übermodulationskurven zu finden.
Die Durchlaufungsmuster werden dann geprüft, um sicherzustellen, dass
die im Weiteren beschriebenen notwendigen Bedingungen für die Korrelationsfreiheit
erfüllt
sind. Anschließend
werden abhängig von
der Art (d. h. deterministisch oder zufällig) der Modulationskurven
notwendige Bedingungen untersucht. Das Diagramm kann zufällig, pseudo-zufällig oder
deterministisch durchlaufen werden. Ist die Modulationsfolge zufällig oder
pseudo-zufällig,
so erfolgt die Auslöschung
des Ausgangssignalfehlers über
der Zeit gemäß der Lehre
des US-Patents 5,123,741. Andererseits setzt man nur diejenigen
deterministischen Übermodulationsfolgen
ein, bei denen die Auslöschung
des Ausgangssignalfehlers innerhalb eines vernünftigen Zeitrahmens erfolgt. "Kandidaten" für deterministische Übermodulationsfolgen
werden gemäß den Lehren
des US-Patents 5,189,488 auf ihre Orthogonalitätseigenschaften "durchleuchtet". Damit lehrt die
Erfindung Modulationsfolgen für
das künstliche
Versetzen der Phasendifferenz zwischen Lichtstrahlen, die sich in
einer Gyroskop-Sensorspule gegenläufig ausbreiten, und die ein
Gyroskop-Ausgangssignal erzeugen, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass (1) eine verringerte Zufallsbewegung auftritt, und (2) eine
geringere Empfindlichkeit für die
Auswirkungen des unvermeidbaren Systemübersprechens vorhanden ist.
-
I. Das Erzeugen von Übermodulationsfolgen
-
3 zeigt
eine Modulo-2π-Abbildung
zum Erzeugen von Kurven, die dem Ansteuern des Phasenmodulators
eines Sagnac-Interferometers gemäß der Erfindung
dienen. Verwendet man eine Abbildung gemäß 3 und erfüllt man
notwendige Bedingungen, die im Weiteren erklärt werden, kann man leicht
Kurven sowohl zufälligen
als auch deterministischen Ursprungs ableiten, die künstliche
Phasenverschiebungen in Übermodulationsbereichen überlagern.
Es ist bekannt, dass man mit derartigen Modulationen einem Interferometer-Ausgangssignal
eine verbesserte Zufallsbewegungscharakteristik verleihen kann.
Verwendet man zudem nur diejenigen deterministischen Kurven, die
auch hinreichende Bedingungen erfüllen, so kann man gleichzeitig
den wesentlichen Punkt des parasitären Übersprechens in einem Gyroskopsystem
angreifen.
-
Die
Abbildung ist so beschaffen, siehe 3, dass
eine Folge künstlicher
Phasenverschiebungen von ±3π/4 und ±5π/4 eingeführt wird.
Jede einzelne Phasenverschiebung hat die Dauer einer einzigen Schleifendurchlaufzeit τ. Verbindet
man die Skizze in 3 mit der Darstellung des Gyroskop-Ausgangssignals
in 1, so bringen die zu erzeugenden Übermodulationsfolgen
ein "Umschalten" zwischen den mit 30, 30' und 32, 32' bezeichneten
Punkten der Gyroskop-Ausgangssignalkurve mit sich.
-
Die
Abbildung in 3 umfasst einen geschlossenen
Kreis, der in acht (8) Segmente unterteilt ist. Die Abbildung in 3 ist
so gestaltet, dass sie gestufte Kurven zum Ansteuern eines Phasenmodulators
erzeugt, damit optische Phasenverschiebungen von ±3π/4 und ±5π/4 den Lichtstrahlen überlagert
werden, die sich innerhalb der Sensorspule gegenläufig ausbreiten.
Innerhalb eines jeden Segments sind diskrete Werte zum Erzeugen
von gestuften Übermodulationskurven
gekennzeichnet. Die Abbildung in 3 ist in
folgender Weise aufgebaut: jeder Übergang im Gegenuhrzeigersinn
(Richtung "A") innerhalb der Abbildung
aus einem Segment in das benachbarte Segment bewirkt einen Zahlenunterschied
von +3π/4
oder –5π/4, wogegen
jeder Übergang
im Uhrzeigersinn (Richtung "B") einen Zahlenunterschied
von –3π/4 oder +5π/4 erzeugt.
Physikalisch entsprechen die Differenzen oder Stufen zwischen benachbarten
Segmenten Phasenverschiebungen, die durch Änderungen in den Werten der
gestuften Übermodulationskurven
erzeugt werden. Jeder Übergang erfolgt
nach einer vollständigen
Schleifendurchlaufzeit τ.
-
Beim
Durchlaufen der Segmente der Abbildung im Gegenuhrzeigersinn (d.
h. in der Richtung A) werden nacheinander Werte der Übermodulationskurve
von 0, 3π/4,
3π/2, π/4, π, 7π/4, π/2 und 5π/4 erzeugt,
wobei der letzte Zustand in den ersten umschwenkt bzw. einen Übergang
in den ersten Zustand erfährt.
Die fetten mit "R" bezeichneten Linien
verlaufen von der Mitte der Abbildung in radialer Richtung, und
zwar bei Übergängen von ±5π/4, und sie
entsprechen Modulo-2π-Rücksetzungen
der Modulationskurve.
-
Bevor
man die repräsentative
Abbildung in 3 zum Erzeugen einer gestuften
Kurve einsetzt, die optische Phasenverschiebungen herstellt, sollte
man nicht übersehen,
dass sich die Abbildung in 3 dahingehend
verallgemeinern lässt,
dass sie Ansteuerkurven enthält,
die nicht auf Spannungsstufen von ±3π/4 und ±5π/4 beschränkt sind. Das Erzeugen gestufter Übermodulationskurven
mit Hilfe von ähnlichen
Abbildungen folgt dem unten stehenden Zusammenhang S × Θ = 2πN (1)
-
In
der obigen Gleichung stellt Θ die
Größe der Phasenverschiebung
im Bereich der Übermodulation im
Bogenmaß dar,
N ist eine ganze Zahl, und S stellt die kleinste Anzahl von Segmenten
einer Abbildung dar, die zum Erzeugen einer Übermodulationskurve erforderlich
ist. Nur diejenigen Phasenverschiebungen, die eine Lösung von
Gleichung 1 darstellen, eignen sich zum Erzeugen einer Abbildung
und damit zum Ableiten einer geeigneten Übermodulationskurve. Wird ein
Phasenverschiebungskandidat ±aπ/2b untersucht,
und zeigt sich, dass er eine Lösung
der obigen Gleichung darstellt, so enthält die entstehende Modulationskurve Phasenverschiebungsstufen
von ±aπ/2b und Phasenverschiebungs-Rücksetzwerte
von ±(4b – a)π/2b. Die Summe
der Beträge
der Phasenverschiebungen und der Rücksetzung für jede beliebige Lösung der
Gleichung 1 ist 2π.
In der folgenden Tabelle I sind die Entwürfe für Abbildungen mit unterschiedlichen
Phasenverschiebungswerten zusammengefasst, die auf Gleichung 1 oben
beruhen.
-
-
II. Korrelationsfreiheit
des Signals: Notwendige Bedingungen
-
Aus
der Abbildung in 3 (oder einer vergleichbaren
Abbildung, die anhand von Gleichung 1 abgeleitet wird) ermittelt
man Kandidaten für
gestufte Übermodulationskurven,
indem man die Abbildung mit einer Kombination von Drehungen im Uhrzeigersinn
(Richtung B) und im Gegenuhrzeigersinn (Richtung A) durchläuft. Jede
Drehung bedeutet den Übergang
von einem Abbildungssegment in ein benachbartes Segment. Wie bereits
angegeben stellt jeder Übergang
von Segment zu Segment (d. h. von einem Modulationsspannungswert
zu einem benachbarten Modulationsspannungswert) eine Veränderung
des Werts dar, der entweder eine Übermodulations-Phasenverschiebung
oder eine Rücksetz-Phasenverschiebung
ist.
-
Die
Art der Übermodulationsfolge,
d. h. zufällig,
pseudo-zufällig
oder deterministisch, bestimmt die Art, in der Drehungen im Gegenuhrzeigersinn
mit Drehungen im Uhrzeigersinn gemischt werden. Man könnte beispielsweise
einen Zufallszahlengenerator einsetzen und eine Entscheidungsregel
verwenden, die der jeder erzeugten geraden Zahl eine Drehung im
Uhrzeigersinn und jeder erzeugten ungeraden Zahl eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn
zugeordnet wird. Im Gegensatz dazu sind deterministische Folgen
mit Drehungen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in der
verwendeten Abbildung vorbestimmt.
-
Folgen,
die Übermodulationskurven
gemäß der obigen
Beschreibung erzeugen, müssen
zwei Bedingungen erfüllen,
damit sie sich als Kandidaten qualifizieren, die eine Korrelationsfreiheit
bezüglich
des Gyroskopdemodulators erreichen und damit frei von Übersprechen
sind. Als erste notwendige Bedingung muss die Anzahl der Übergänge im Uhrzeigersinn
gleich der Anzahl der Übergänge im Gegenuhrzeigersinn
sein, und zwar für
eine hinreichend lange Zeitdauer (d. h. in der Größenordnung
einer Sekunde). Als zweite notwendige Bedingung muss jeder Sektor
des Diagramms in 3 mindestens einmal sowohl im
Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn durchlaufen werden.
Eine weitere erwünschte
Bedingung ist, dass jeder Sektor in einem vernünftigen Zeitintervall (d. h.
in der Größenordnung
einer Sekunde) in jeder Richtung gleich häufig durchlaufen werden sollte.
-
4(a) und 4(b) zeigen
Kurven, die gemäß der Abbildung
in 3 zum Ansteuern des Phasenmodulators eines Sagnac-Interferometers
abgeleitet wurden, und die sich ergebende Folge von künstlichen optischen
Phasenverschiebungen, die dadurch überlagert werden. Die Kurve
in 4(a) ist eine gestufte Kurve
zum Ansteuern eines Phasenmodulators im Bereich der Übermodulation.
Sie umfasst eine Folge von Spannungssprüngen um ±3π/4 bzw. ±5π/4, die die beiden notwendigen
Bedingungen für
die Korrelationsfreiheit von Modulation (und der Veränderungsgeschwindigkeit
der Modulation) und Demodulation in einem Lichtleiter-Gyroskop erfüllt. Es
handelt sich um eine deterministische Kurve, die dadurch entsteht,
dass man die Abbildung in 3 zuerst
eine ganze Umdrehung im Gegenuhrzeigersinn (Richtung A) und anschließend im
Uhrzeigersinn (Richtung B) durchläuft. 4(b) zeigt
eine Skizze der sich ergebenden künstlichen optischen Phasenverschiebungen,
die den Lichtstrahlen erteilt werden, die sich in der Gyroskop-Sensorspule
gegenläufig
ausbreiten. Obwohl das verwendete deterministische Schema ziemlich
einfach ist, lässt
sich das Beispiel in 4(a) und 4(b) auf jedes beliebige andere Schema von Drehungen über eine
Abbildung gemäß 3 oder
eine gleichwertige Abbildung anwenden, die auf optischen Phasenverschiebungen
mit unterschiedlicher Größe beruhen.
-
Man
kann sehen, dass die Folge der erteilten künstlichen Phasenverschiebungen
(4(b)) aus fünf (5)
Phasenverschiebungen von 3π/4
und –3π/4 und drei
(3) Phasenverschiebungen von 5π/4
und –5π/4 besteht.
Das Verfahren der Erfindung zum Erzeugen gestufter Kurven liefert
auch eine automatische Überwachung
des Phasenmodulations-Skalierfaktorfehlers. Dieser Vorgang bzw.
dieses Ergebnis kann aus 5 entnommen werden. Diese Darstellung
zeigt eine Skizze des Gyroskop-Ausgangssignals, bei dem die Arbeitspunkte ±3π/4 und ±5π/4 aufgrund
des vorhandenen Skalierfaktorfehlers von 34, 34', 36, 36' nach 34'', 34''', 36'' und 36''' verschoben
werden (d. h., es wurde eine zu hohe Phasenverschiebung verwendet).
Durch den Skalierfaktorfehler, siehe 5, wird
ein Sprung 38 zwischen den ±3π/4-Punkten und den ±5π/4-Punkten
verursacht. Diese Darstellung zeigt die Ergebnisse für den Fall,
dass eine zu große
Phasenverschiebung erteilt wird. Die Verschiebung kehrt ihre Richtung
um, falls eine zu geringe Phasenverschiebung verwendet wird (Skalierfaktor
zu klein). Anhand der Beobachtung der Verschiebung 38 kann
man einen Regelalgorithmus einsetzen, der den Skalierfaktor auf
den richtigen Wert einstellt (d. h. kein Sprung). Liegt ein Skalierfaktortehler vor,
so muss man beachten, dass bei fünf
3π/4-Übergängen auf
jeweils drei 5π/4-Übergänge wie
in 4(b), der beobachtete Gesamtfehler
im Gyroskop-Ausgangssignal null ist, d. h. –5 × (3π/4) + 3 × (5π/4) – 3 × (5π/4) + 5 × (3π/4) = 0. Die passende Gewichtung
der 3π/4-
und 5π/4-Übergänge im Verhältnis 5
: 3 ist daher eine unerlässliche
Bedingung. Verallgemeinert müssen
die ±aπ/2b- und ±(4b – a)π/2b-Übergänge im Verhältnis (4b – a):a gewichtet
werden.
-
III. Demodulation: zufällige (pseudo-zufällige) Folgen
-
Sind
die beiden notwendigen Bedingungen für eine zufällige oder pseudozufällige Folge
erfüllt,
die gemäß der Erfindung
erzeugt wurde, so folgt die Korrelationsfreiheit des Modulationssignals
und der Veränderungsgeschwindigkeit
des Modulationssignals abhängig
von der Zeit (dies ist gleich den induzierten optischen Phasenverschiebungen)
bezüglich
der Demodulationsfolge. Zusätzlich
zur Eigenkorrektur des Skaliertaktorfehlers liefern zufällig und
pseudo-zufällig
erzeugte Signale mit gestuftem Übermodulationsaufbau
Gyroskop-Ausgangssignale, die von vorhandenem Übersprechen im Wesentlichen
nicht beeinflusst werden.
-
Das
US-Patent 5,123,741 lehrt den Gebrauch eines Signals, das aus einem
zufällig
erzeugten Modulationssignal abgeleitet wird, als Demodulationssignal,
das statistisch von parasitären
Signalen unabhängig
ist. Wie in dieser Erfindung beseitigt das Erzeugen einer zufällig oder
pseudo-zufällig
gestuften Übermodulatianskurve
im Wesentlichen die Gleichrichtung von Übersprechen aus den Gyroskop-Ausgangssignalen.
Zufallsfolgen führen
zur Beseitigung von Übersprecheffekten
im Gyroskop-Ausgangssignal. Pseudo-Zufallskurven einschließlich wiederholter
zufällig
generierter Folgen mit vorbestimmter Länge verringern theoretisch
die Übersprecheffekte
im Gyroskop-Ausgangssignal beträchtlich,
beseitigen sie jedoch nicht vollständig.
-
IV. Demodulation: Orthogonale
Folgen
-
In
der Erfindung sind die Modulationskurve und die Veränderungsgeschwindigkeit
der Modulationskurve durch den Einsatz von Orthogonalität nicht
mit den Demodulationsfolgen korreliert. Zwei Folgen Ai,
Bi heißen
orthogonal über "n" Zeitperioden, falls die Summe AiBi über die
n Zeitintervalle identisch null ist. Derartige Folgen sind deterministisch.
Anders als bei Zufalls- oder Pseudo-Zufallsfolgen haben Paare von
Folgen, die orthogonal entworfen sind, verlässlich einen Mittelwert null
innerhalb einer vorhersagbaren Anzahl Zeitintervalle. Im Gegensatz
dazu können
Folgen mit zufälligem
Charakter korrelierte Unterfolgen mit nicht vorhersagbaren Längen enthalten.
Dieses Merkmal der orthogonalen Folgen erlaubt es dem Anwender,
Daten zu analysieren, die eine endliche Anzahl modulierter Übergänge in einer
optischen Spule darstellen.
-
Nicht
alle Kurven sind für
die Anwendung bei Phasenmodulationsproblemen nützlich. Die Erfinder haben
eine Reihe von Auswahlregeln abgeleitet, die teilweise auf den orthogonalen
Demodulationsfolgen beruhen, und mit denen man geeignete Kurven
auswählen
kann, die den sich gegenläufig
ausbreitenden Strahlen künstliche
Phasendifferenzen erteilen.
-
In
der Erfindung wird ein Orthogonalitätskriterium als hinreichende
Bedingung für
die Auswahl deterministischer Übermodulationsfolgen
verwendet. Bezieht man ein solches Kriterium auf die beschriebene
repräsentative
gestufte Kurve in 4(a), und greift man auf die
Abbildung in 3 zurück, aus der die Kurve abgeleitet
wurde, so verläuft
die Bewertung einer deterministischen Übermodulations-Spannungskurve
hinsichtlich der Orthogonalität
wie folgt. Aus einer gestuften Kurve der in 4(a) dargestellten
Art wird eine primäre Demodulationsfolge
dadurch abgeleitet, dass man gemäß der Richtung
der Übergänge von
einem Segment zum anderen in der Abbildung in 3,
die beim Erzeugen der Kurve erfolgen, Werte von +1 oder –1 zuweist (die
Richtung A verläuft
im Gegenuhrzeigersinn und die Richtung B im Uhrzeigersinn). Die
verwendete Konvention weist dabei willkürlich jeden Übergang
im Gegenuhrzeigersinn von einem Segment zum benachbarten Segment
+1 zu, und jedem Übergang
im Uhrzeigersinn –1.
-
Wie
bereits erwähnt
wird die Kurve in 4(a) dadurch aus der Abbildung
in 3 erzeugt, dass man zuerst acht (8) Schritte im
Gegenuhrzeigersinn aus dem Segment mit der Spannung "0" vornimmt, denen weitere acht (8) zusammenhängende Übergänge im Uhrzeigersinn
folgen. Wie bereits angegeben erfüllt dieses deterministische
Schema die beiden notwendigen Bedingungen zum Erzeugen einer Ansteuerkurve
ge mäß der Erfindung.
Die primäre
Demodulationsfolge, die sich aus dem Obigen ergibt, lautet [+1,
+1, +1, +1, +1, +1, +1, +1, –1, –1, –1, –1, –1, –1, –1, –1]. Eine
sekundäre
Demodulationsfolge, die auch aus der Abbildung in 3 abgeleitet
werden kann, ergibt sich ebenfalls aus der gestuften Spannungskurve
in 4(a). Eine derartige sekundäre Demodulationsfolge
umfasst auch eine Reihe von +1- und –1-Werten, die aus der Abbildung
in 3 abgeleitet werden.
-
Eine
sekundäre
Demodulationsfolge oder Skalierfaktor-Demodulationsfolge wird dadurch
ermittelt, dass man den Wert +1 in jedem Fall zuweist, in dem eine
fett eingezeichnete Rücksetzachse
der Abbildung, die mit R bezeichnet ist, während des Erzeugens einer gestuften
Kurve überschritten
wird, und –1
bei allen anderen Drehungsübergängen. Bezieht
man sich wieder auf die repräsentative
deterministische Kurve in 4(a),
so lautet die zugehörige
sekundäre
Demodulationsfolge [–1, –1, +1, –1, –1, +1, –1, +1,
+1, –1,
+1, –1, –1, +1, –1, –1]. Zum
Auswerten der Entscheidungsregel für die Auswahl einer Modulationsfolge
für ein
Sagnac-Interferometer, die festlegt, dass die zugeordneten primären und
sekundären
Demodulationsfolgen orthogonal sein müssen, muss man die obigen Demodulationsfolgen
elementweise multiplizieren und anschließend die entstehende Summe
bilden. Die Multiplikation führt
zu –1, –1, +1, –1, –1, +1, –1, +1, –1, +1, –1, +1, +1, –1, +1,
+1. Die Summe dieser Folge ist null. Damit erfüllt die gestufte Spannungskurve
in 4(a) nicht nur die notwendigen
Bedingungen für
eine deterministische Übermodulationskurve
der Erfindung, sondern sie erfüllt
auch die hinreichende Bedingung der Orthogonalität ihrer zugehörigen primären und
sekundären
Demodulationsfolgen.
-
Gemäß dem Obigen
abgeleitete "Kandidaten" für gestufte
Kurven werden hinsichtlich einer Anzahl Kriterien untersucht, die
sich auf die Beschaffenheit des ausgegebenen Gyroskop-Ausgangssignals
beziehen. In der Praxis kann man die zahlreichen Kandidatenfolgen
für Phasenverschiebungen
in einen Computer eingeben. Wie bereits erwähnt sind einige Auswahlregeln
(d. h. hinreichende Bedingungen) nicht mit den sich ergebenden digitalen
Demodulationsfolgen verknüpft,
wogegen andere nur mit derartigen Folgen verknüpft sind. Die Untersuchung
von Modulationsfolgen der Erfindung kann hinsichtlich beider Arten
von Kriterien und in jeder beliebigen Reihenfolge vorgenommen werden.
-
Zunächst sei
die Demodulation behandelt. Jede gestufte Kurve wird wie beschrieben
in primäre
und sekundäre
Demodulationsfolgen übertragen.
Die Paare aus primären und
sekundären
Demodulationsfolgen werden nun elementweise miteinander multipliziert,
um die Orthogonalität
zu prüfen.
Kurven, die keine orthogonalen primären und sekundären Demodulationspaare
liefern, werden verworfen. Die verbleibenden Kurven werden wie im
Folgenden beschrieben weiter untersucht, um ungeeignete Kandidaten
auszusondern.
-
Eine
zweite Auswahlregel ist, dass die Gesamtzahl der +aπ/2b-Werte
(b ungleich 1) und der –(4b – a)π/2b-Werte
der gestuften Kurve gleich der Gesamtzahl der –aπ/2b-Werte und der +(4b – a)π/2b-Werte sein muss. Dies gilt,
da die Neigung der Tangente an das Überlagerungsmuster des Gyroskop-Ausgangssignals
bei +aπ/2b
und bei –(4b – a)π/2b den gleichen
Wert hat, und die Neigungen der Tangenten bei –aπ/2b und bei +(4b – a)π/2b ebenfalls
gleich sind. Da die Ableitung oder Neigung des Überlagerungsmusters eines Gyroskops
den Geschwindigkeitsfehler angibt, untersucht die primäre Demodulation
oder Geschwindigkeitsdemodulation die Tangente bzw. Neigung der
Kurve. Eine Ungleichheit der Anzahl der Punkte, die bei einer positiven (oder
negativen) und negativen (oder positiven) Neigung demoduliert werden,
führt eine
Empfindlichkeit gegen Versätze
in das Intensitätssignal
ein und könnte
eine falsche Geschwindigkeitsanzeige verursachen.
-
Eine
letzte qualitative Auswahlregel ist, dass das Verhältnis der
Anzahl der ±aπ/2b-Spannungswerte zu
den ±(4b – a)π/2b-Spannungswerten
den Wert (4b – a)/a
haben sollte. Ist diese Bedingung oder Regel nicht erfüllt, so
erfolgt eine offensichtliche Pegelverschiebung der mittleren Intensität in Abhängigkeit
vom Skalierfaktorfehler. Ferner würde die Anwesenheit eines Versatzes
im Detektor oder Vorverstärker
die Messung des Skaliertaktorfehlers stören.
-
Wie
angegeben beziehen sich zusätzlich
zu den genannten Kriterien für
gestufte Kandidatenkurven eine Anzahl Regeln auf die impliziten
Demodulationsfolgen. Diese Regeln, die sowohl für einachsige als auch mehrachsige
Gyroskopsysteme Anwendung finden, werden im Folgenden angegeben.
- 1. Die primäre
Demodulationsfolge muss orthogonal zur sekundären Demodulationsfolge sein.
Diese bereits engegebene Regel ist erforderlich, um sicherzustellen,
dass sich der Geschwindigkeitsfehler und der Skalierfaktortehler
nicht gegenseitig verschlechtern. D. h., ein vorhandener Skalierfaktorfehler
sollte keinen Geschwindigkeitsfehler angeben, und umgekehrt.
- 2. Die digitale Darstellung der gestuften Kurve und der einzelnen
Bits sowie ihre Integrale und Differentiale sollten orthogonal sowohl
zur primären
als auch zur sekundären
Demodulationsfolge sein.
- 3. Die digitale Darstellung der Spannungskurvenänderungen
und der Änderungen
der einzelnen Bits sowie ihre Integrale und Differentiale sollten
orthogonal sowohl zur primären
als auch zur sekundären
Demodulationsfolge sein.
- 4. Bei einer Einzeldetektoranordnung muss die primäre Demodulation
für jedes
beliebige Gyroskop orthogonal sowohl zur primären Demodulation jedes anderen
Gyroskops als auch zur sekundären
Demodulation jedes anderen Gyroskops sein. In vergleichbarer Weise
muss die sekundäre
Demodulation für
jedes beliebige Gyroskop orthogonal sowohl zur primären Demodulation
als auch zur sekundären
Demodulation jedes anderen Gyroskops sein. Dies stellt eine Erweiterung
der Prozedur dar, die im Zusammenhang mit der Auswahl der Modulationsfolgen
anhand der zahlreichen Anforderungen bereits bei den Einzelgyroskopsystemen
besprochen worden ist.
- 5. Bei einer Einzeldetektoranordnung sollten die digitale Darstellung
der Spannungskurven und Einzelbits jedes beliebigen Gyroskops sowie
deren Integrale und Differentiale orthogonal zur primären und
sekundären
Demodulation jedes anderen Gyroskops sein. Die digitale Darstellung
der Kurvenänderungen
und der Änderungen
der Einzelbits jedes beliebigen Gyroskops sollten orthogonal zur
primären
und sekundären Demodulation
jedes anderen Gyroskops sein.
- 6. Man wünscht,
dass die Folgenlänge
so kurz wie möglich
ist (bevorzugt in der Größenordnung
von zweiunddreißig
Gyroskopdurchlaufzyklen oder weniger), um eine ausreichende Schleifencontroller-Bandbreite sicherzustellen,
da diese Bandbreite umgekehrt proportional zur Folgenlänge ist.
-
Von
den genannten Regeln ist Nr. 1 für
ein einachsiges System absolut unerlässlich. Nr. 4 ist für ein mehrachsiges
System, in dem ein Einzeldetektor eingesetzt wird, absolut unerlässlich.
Zudem muss die Regel Nr. 1 für
mehrachsige Systeme erfüllt
werden, in denen mehrere Detektoren verwendet werden. Die anderen Regeln
drücken
erwünschte
Bedingungen aus (beispielsweise das Beseitigen von Abweichungen
durch Übersprechen),
sind aber nicht unbedingt erforderlich.
-
V. Die Gyroskopanordnung
zum Verarbeiten der Übermodulation
-
6 zeigt
ein Blockdiagramm eines dreiachsigen Lichtleiter-Sagnac-Interferometers,
das so aufgebaut ist, dass gestufte Kurven zum Ansteuern des Gyroskop-Phasenmodulators
verwendet werden. Die Anordnung in 6 eignet
sich zum Verarbeiten der Ausgangssignale der optischen Spulen 40, 42 und 44 in
einem System, in dem eine einzige Quelle 46 und ein einziger
Detektor 48 eingesetzt werden. Fachleute erkennen sofort,
dass die Schaltung in 6 und die zugehörigen gestuften Übermodulationskurven
leicht gemäß der Erfindung
abgewandelt werden können,
so dass sie entsprechende Vorteile in anderen Mehrfach-Gyroskopsystemen
liefern (z. B. zwei oder vier Achsen).
-
Die
Laserdiodenquelle 46, siehe 6, liefert über den
Wellenlängenmultiplex-Lichtleiterkoppler 50 Energie
zum Pumpen eines Lichtleiters 52, der mit seltenen Erden
dotiert und so gestaltet ist, dass er sowohl als Quelle als auch
als optischer Vorverstärker
arbeitet.
-
Das
von der Breitband-Lichtleiterquelle 52 ausgesendete Licht
wird an ein Teiler-Verbinder-Netzwerk 54 geleitet,
das einen primären
(50/50) Koppler 56 und ein Paar sekundäre (50/50) Koppler 58 und 60 umfasst, die
wie dargestellt angeordnet sind. Das Teiler-Verbinder-Netzwerk 54 dient
dazu, das einfallende Licht gleichmäßig in vier Wellen aufzuteilen.
Drei dieser vier Wellen werden zum Messen der Drehgeschwindigkeiten
um drei orthogonale Achsen an die drei optischen Spulen 40, 42 und 44 geleitet.
Der vierte Anteil der Lichtenergie wird an einen Monitordetektor 62 geleitet,
der einen Teil einer Schaltung bildet, die das Ausgangssignal des Breitband-Lichtleiterquellen-Vorverstärkes 52 stabilisiert.
Eine derartige Schaltung wird nicht als neu betrachtet, und sie
stellt auch kein unerlässliches
Merkmal der Erfindung dar. Deshalb sind in 6 keine
Einzelheiten dargestellt.
-
Den
optischen Spulen 40, 42 und 44 sind jeweils
integrierte optische Mehrzweckchips 64, 66 und 68 zugeordnet.
Jeder dieser Chips enthält
ein Substrat aus elektrooptisch aktivem Material, z. B. LiNbO3 oder LiTaO3, auf
dem ein y-Verzweigungs-Wellenleiter abgeschieden oder diffundiert
ist, und umfasst zudem einen Polarisator. Die Chips wirken sowohl
als Schnittstelle zwischen dem Teiler-Verbinder-Netzwerk 54 und
den Lichtleiterspulen 40, 42 und 44 und
dienen zum Trennen (und nachfolgend zum Zusammenführen) der
eintreffenden optischen Energie in zwei Strahlen, die sich in den
Spulen gegenläufig
ausbreiten, als auch als Phasenmodulator, der den sich gegenläufig ausbrei tenden
Strahlenpaaren künstliche
Phasendifferenzen erteilt. Bezüglich
des Letzteren darf man nicht außer
Acht lassen, dass jeder der Chips 64, 66 und 68 eine
Phasenmodulationsfunktion enthält,
die die Übermodulationsfolgen
beeinflusst, die gemäß der Erfindung
ermittelt werden. Diese Funktion arbeitet mit analogen Kurven. Derartige
Kurven werden von Digital-Analog-Umsetzern empfangen, siehe unten.
-
Jede
der optischen Spulen 40, 42 und 44 wird
mit einer eigenen Kurve moduliert, die teilweise im Zusammenhang
mit (jedoch unabhängig
von) den Kurven gewählt
wird, die wie beschrieben an die beiden anderen Gyroskope angelegt
werden. Digital-Analog-Umsetzer 70, 72 und 74 liefern
jeweils analoge elektrische Signale, die die gewünschten Phasenverschiebungen
erzeugen, an die Chips 64, 66 und 68.
-
Die
phasenmodulierten optischen Ausgangssignale der Gyroskope 40, 42 und 44 kehren
durch das Teiler-Verbinder-Netzwerk 54 zurück und werden
nacheinander in den Kopplern 58 und 56 verbunden.
Das kombinierte Signal wird über
den Wellenlängenmultiplex-Lichtleiterkoppler 50 an
die Breitband-Lichtlerterquelle 52 übertragen, die nun für das eintretende
optische Signal als optischer Vorverstärker wirkt. Dieses zusammengeführte Signal
wird nun an den gemeinsamen Photodetektor 48 geführt, in
dem es in ein entsprechendes elektrisches Strom- oder Spannungssignal
umgesetzt wird, das der optischen Intensität proportional ist. Das entstehende
elektrische Signal wird in einen Vorverstärker 76 eingegeben
und anschließend
an einen Analog-Digital-Umsetzer 78 angelegt, damit ein
verstärktes
und digitalisiertes Signal erzeugt wird, das gleichzeitig an die
drei digitalen Geschwindigkeitsdemodulatoren 80, 82 und 84 übertragen
wird.
-
Ein
digitaler Signalprozessor 86 kommuniziert mit jedem der
Geschwindigkeitsdemodulatoren 80, 82 und 84 und
erzeugt Ausgangssignale, die die Digital-Analog-Umsetzer 70, 72 und 74 anweisen,
Modulationskurven an die Modulatoren anzulegen, die zu den Gyroskopspulen 40, 42 und 44 gehören. Jeder
der Geschwindigkeitsdemodulatoren 80, 82 und 84 empfängt, während er
das identisch verknüpfte
Ausgangssignal annimmt, über
die Datenwege 88, 90 und 92 eine unverwechselbare
primäre
Demodulationsfolge oder Geschwindigkeitsdemodulationsfolge aus dem
Signalprozessor 86. Der Signalprozessor 86 empfängt seinerseits
die demodulierte Geschwindigkeit für jede Achse über die
Busse 94, 96 und 98. Das Ausgangssignal
eines jeden Geschwindigkeitsdemodulators stellt das Geschwindigkeitsfehlersignal
für eine
der orthogonalen Achsen dar. Das demodulierte Geschwindigkeitssignal
wird nun im Signalprozessor 86 verarbeitet (oder parallel
in einzelnen Signalprozessoren), damit ein Rampenrückführsignal
er zeugt wird. Das Rampensignal wird der Modulationsfolge für dieses
bestimmte Gyroskop zuaddiert, um das Geschwindigkeitsfehlersignal
aus dem Demodulator für
dieses Gyroskop auf null zu ziehen.
-
Die
vom Konverter 48 gelieferten digitalen Signale werden auch
an die sekundären
Demodulatoren 100, 102 und 104 angelegt,
die zur Messung des Phasenmodulator-Skalierfaktorfehlers gehören. Jeder
Demodulator 100, 102 und 104 empfängt auch
vom Signalprozessor 56 über
die Datenwege 106, 108 und 110 eine unverwechselbare
Sekundär-
oder Skalierfaktor-Demodulationsfolge. Der Signalprozessor 56 empfängt seinerseits über die
Busse 112, 114, 116 die demodulierten
Skalierfaktordaten für
jede Achse. Das Ausgangssignal eines jeden Skalierfaktordemodulators
ist das Skaliertaktorfehler-Signal für eine der orthogonalen Achsen.
Das demodulierte Skalierfaktorsignal wird nun vom Signalprozessor 86 (oder
von einzelnen parallel arbeitenden Signalprozessoren) verarbeitet,
damit ein Ausgleich für
jeden beliebigen Restskalierfaktorfehler erzeugt wird. Dieser Ausgleich
lässt sich
auf mehrere unterschiedliche Weisen erreichen. Beispielsweise kann man
die digitalen Rampensignale, die mit Hilfe der Ausgangssignale der
Geschwindigkeitsdemodulatoren 80, 82 und 84 erzeugt
werden, und ebenso die Modulations- und Rücksetzwerte mit Skaliertaktoren
multiplizieren, die die Empfindlichkeitsfehler oder Schwankungen
des Phasenmodulators ausgleichen. Wahlweise kann man die Bezugsspannungen
der Digital-Analog-Umsetzer 70, 72 und 74 so
justieren, dass die digitalen Eingangssignale der Digital-Analog-Umsetzer 70, 72 und 74 Analogspannungen
erzeugen, die mit den Phasenmodulatorempfindlichkeiten im richtigen
Verhältnis
stehen. In 6 sind die Geschwindigkeits-
und Skalierfaktordemodulatoren als getrennte Blöcke dargestellt. Es ist jedoch
möglich,
diese Funktionen direkt in den Signalprozessor 86 aufzunehmen,
vorausgesetzt dass diese Einrichtung einen ausreichenden Durchsatz
aufweist.
-
7 zeigt
eine Blockdiagrammdarstellung der Organisation des Signalprozessors 86.
Der Signalprozessor 86 liefert jedem der drei Geschwindigkeitsdemodulatoren 80, 82 und 84 ein
eindeutiges Bezugssignal und nimmt seinerseits die ausgegebenen
Geschwindigkeitsfehlersignale dieser Demodulatoren auf. Die Geschwindigkeitsfehlersignale
werden nun gemäß der Erfindung
so behandelt, dass Rückführ- und
Modulationssignale zum Ansteuern der Modulatoren 64, 66 und 68 während der
folgenden Schleifendurchlaufzeit abgeleitet werden.
-
Die
Darstellung und Beschreibung anhand von 7 ist insofern
etwas verein facht, als Einzelheiten der Arbeit des Signalprozessors
nur bezüglich
einer einzelnen Achse dargestellt sind. Aus der obigen Erläuterung
geht jedoch hervor, dass die folgende Beschreibung auf die anderen
Achsen anwendbar ist, bei denen eine vergleichbare Bearbeitung stattfindet.
Der einzige tatsächliche
Unterschied zwischen der Verarbeitung von Signalen, die zu den drei
Achsen gehören,
leitet sich aus Unterschieden zwischen den Modulationsfolgen (und
damit Demodulationsfolgen) ab, die jeder Achse "zugewiesen" werden. Aus der obigen Beschreibung geht
hervor, dass das Verfahren zum Auswählen von Demodulationsfolgen,
die auf einer deterministisch abgeleiteten gestuften Übermodulationskurve
beruht, im Fall eines mehrachsigen Systems bei der Anwendung der
gültigen
Auswahlregeln alle Achsen in Betracht zieht. D. h., die Demodulationsfolgen
(und damit die zugehörigen
Modulationsfolgen) werden für
dreiachsige Systeme, siehe 6, in denen
ein einziger Detektor 18 verwendet wird, als Gruppe gewählt.
-
Die
verschiedenen Signalprozessorfunktionen, siehe 7,
befinden sich innerhalb des eingerahmten Bereichs 86. Betrachtet
man zunächst
die Gyroskopachse, die vom Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers 70 moduliert
wird, und deren Ausgangssignal im Geschwindigkeitsdemodulator 84 demoduliert wird,
so kann man sehen, dass die unverwechselbare primäre Demodulationsfolge
für eine
solche Achse von einem primären
Demodulations-Modulations-Generator 118 (einer von drei
Generatoren) empfangen wird. Die Folge kann deterministisch, zufällig oder
pseudo-zufällig
sein. Wie bereits erwähnt
wird die vom primären
Demodulations-Modulations-Generator 118 empfangene Folge
an den Geschwindigkeitsdemodulator 84 angelegt, damit das
Geschwindigkeitsfehlersignal für
die zugehörige
Achse aus dem Verbundsignal entnommen wird, das am Detektor 48 empfangen
wird. Wird eine deterministische Übermodulation verwendet, so
umfasst der Generator 118 ein Register zum Speichern einer
vorprogrammierten Folge von +1- und –1-Werten. Wird eine zufällige Übermodulation
verwendet, so umfasst der Generator 118 einen Zufallszahlengenerator,
der eine Zufallsfolge aus +1 und –1 liefert. Wird schließlich eine
pseudo-zufällige Übermodulation
verwendet, so umfasst der Generator 118 einen Zufallszahlengenerator
zusammen mit einem Register mit vorbestimmter Bitlänge.
-
Das
Geschwindigkeitsfehlersignal wird an einen Rampengenerator 120 angelegt,
der eine digitale Rampe erzeugt, die der Phasenrampe des Gyroskops
entspricht.
-
Ein
digitaler Integrierer 122 empfängt zuerst eine digitale primäre Demodulationsfolge
aus dem Generator 118. Der Integrierer 122 verfolgt" wirksam die Übergänge, die durch
die primäre
Folge anhand einer Abbildung vorgeschrieben werden, siehe 3.
Wie bereits erwähnt
verknüpfen
die Übergänge, die
die primäre Demodulationsfolge
darstellt, die überlagerten
künstlichen
Phasenverschiebungen mit der digitalen Demodulationsfolge. Die Modulation
wird zur digitalen Rampe addiert, die der Rampengenerator 120 erzeugt,
damit ein Ansteuersignal für
den Gyroskop-Phasenmodulator vorhanden ist. Um sich an den beschränkten verfügbaren Ansteuerspannungsbereich
anzupassen, ist es erforderlich, das Signal umzuklappen oder zurückzusetzen,
so dass es einen Bereich von 2nπ abdeckt.
-
Ein
Rücksetzsensor 124,
bei dem es sich um einen digitalen Komparator handeln kann, oder
der direkt in einer passenden Skalierung der Digitaldaten im Binärformat
bestehen kann, wird dazu verwendet, Rücksetzübergänge wie in der Abbildung in 3 dargestellt
zu erkennen. Wird ein Rücksetzübergang
erkannt, so wird die sekundäre
Demodulationsfolge der betrachteten Achse wie oben beschrieben dementsprechend
gesichert, damit die sekundäre
Demodulationsfolge für
diese Achse erzeugt wird. Ein Puffer 126 nimmt die sekundäre Demodulationsfolge
auf. Die sekundäre
Demodulationsfolge wird nun an den sekundären Demodulator 104 angelegt,
der die digitale Darstellung des FOG-Ausgangssignals bearbeitet,
das der Analog-Digital-Umsetzer 78 liefert. Der sekundäre Demodulator 104 ermittelt
den Skalierfaktorfehler und gleicht ihn aus, und zwar mit Hilfe
des Multiplizierers 128, der das digitale Ausgangssignal
auf einen passenden Wert skaliert, der zum tatsächlichen Phasenmodulator-Skalierfaktor
(oder der Empfindlichkeit) passt.
-
Das
Ausgangssignal des Multiplizierers 128 umfasst eine digitale
Darstellung der zusammengefassten Modulations- und Rampensignale,
die für
die Empfindlichkeit des Gyroskop-Phasenmodulators geeignet skaliert
sind. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 128 wird nun
an den Digital-Analog-Umsetzer 70 der gewählten Achse
angelegt, damit der elektrooptische Modulator 64 angesteuert
wird.
-
Durch
die Wahl gestufter Kurven zum Ansteuern des Phasenmodulators eines
Lichtleiter-Gyroskops kann man deren Vorteile erhalten, d. h. geringere
Zufallsbewegung bei Übermodulation
ohne wesentliche Abweichungen. Die Auswirkungen eines derartigen Übersprechens
werden beseitigt, wenn man entweder deterministische oder zufällige Modulationschemata
der Erfindung verwendet. Die Auswirkungen können vernachlässigt werden,
wenn man eine pseudo-zufällige Übermodulation
mit einer aussagekräftigen
Periode verwendet.
-
8 zeigt
eine vereinfachte Skizze eines einachsigen Lichtleiter-Sagnac-Interferometers
der Erfindung, mit der man eine kleinstmögliche Zufallsbewegung erhält. Eine
Lichtleiterspule 130 ist an einen integrierten Optikchip 132 angeschlossen,
der bereits anhand der Elemente 64, 66 und 68 in 6 abgesprochen
wurde. Eine y-Verzweigung 142 ist in den integrierten Optikchip 132 aufgenommen
und trennt das eintreffende Licht in Ausbreitungsrichtungen im Uhrzeigersinn
und im Gegenuhrzeigersinn. Nach dem erneuten Zusammenführen in
der y-Verzweigung 142 wird der Ausgangsstrahl auf einen
Detektor 138 geführt.
(Die Basis der y-Verzweigung 142 ist an einem Koppler 134 befestigt.
Ein Zweig des Kopplers ist mit einer Lichtquelle 136 verbunden,
und der andere Zweig ist an den Detektor 138 angeschlossen.
Damit tritt von der Quelle 136, die eine Halbleiterquelle
oder eine Lichtleiterquelle sein kann, ausgegebenes Licht über den
Koppler 134 und die y-Verzweigung 142 in die Lichtleiterspule 130 ein.
Dagegen wird das aus der Spule 130 austretende Licht in der
y-Verzweigung 142 verknüpft
und über
den Koppler 134 an den Detektor 138 geleitet.)
Der Detektor 138 setzt das optische Ausgangssignal in ein
elektrisches Signal um, das dann über eine Leitung 140 an
einen Verstärker
und einen Analog-Digital-Umsetzer angelegt wird, beispielsweise
die in 6 mit 76 und 78 bezeichneten
Elemente. Die Gyroskopmodulation und -regelung erfolgen über einen
einzigen Kanal einer Anordnung, wie sie in 6 dargestellt
ist, wobei ein Gyroskop-Ansteuersignal mit Hilfe eines Digital-Analog-Umsetzers erzeugt
wird, beispielsweise dem in der Abbildung mit 70 bezeichneten
Element. Das Ansteuersignal regelt den Phasenmodulator des integrierten
Optikchips 132. Damit lassen sich die Lehren von 6 und 7 auf das
einachsige Interferometer in 8 übertragen,
wobei die Abweichung auftritt, dass nur ein einziger Geschwindigkeitsdemodulator
und sekundärer
Demodulator je Gyroskopachse verwendet wird.
-
Die
Erfindung wurde anhand ihrer derzeit bevorzugten Ausführungsform
beschrieben; sie ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.
