NO340647B1 - Fremgangsmåte og effektassistert optisk fibermålingsinnretning og gyro - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse er relatert til en optisk fibermåleinnretning som tillater måling av variasjonen av parametere som genererer ikke resiproke forstyrrelser i et Sagnac ringinterferometer.

Sagnacinterferometere og de fysiske fenomenene som den impliserer er vel kjente. I et slikt interferometer vil en strålesplitteplate eller en annen strålesplitteinnretning dele en innfallende bølge. De to motsatt utbredte bølgene som dermed er skapt brer seg i motsatte retninger langs en lukket optisk vei, blir så rekombinert og fremstiller interferens som er avhengig av faseforskjellen mellom bølgene under deres rekombinasjon.

Det er kjent at i henhold til lysresiprositetsprinsippet vil den optiske veien som er brukt av en optisk bølge være uavhengig av bevegelsesretningen til bølgen på denne veien, ved å anta at bevegelsesbetingelsene er stasjonære i tid. Dette resulterer i at faseskiftet målt av et Sagnacinterferometer er ufølsom overfor enhver såkalt resipro forstyrrelse som likeledes påvirker de motsatt utbredte bølgene, dvs. bølger som beveger seg langs den optiske veien i en retning eller en andre. Dermed vil resiprositetsprinsippet virke tilsvarende til en felles signal undertrykkelse, og kansellerer effekten av det meste av utbredelsesbetingelsesforandringene med en tidsmotstand som er større sammenlignet med lysutbredelsestiden i interferometeret.

Opprinnelig vil den lukkede optiske veien til Sagnacinterferometeret være definert av speil. Det er kjent at den kan bestå av en enkelmodus optisk fiber multivindingspole.

Det er også kjent at visse fysiske fenomener er avhengig av å fremstille forstyrrelser, særlig ikkeresiproke faseskift, på de motsatt utbredte bølgene, som genererer relative faseforskjeller mellom disse bølgene som modifiserer interferenstilstanden til disse under deres rekombinasjon.

Måling av den relative faseforskjellen tillater kvantifisering av fenomenet som genererte det.

Hovedfysisk fenomen som er avhengig av å skape ikke resiproke forstyrrelser er Sagnaceffekten fremstilt av rotasjonen av interferometeret relativt til en akse normal på planet til den lukkede optiske veien til dette. Faradayeffekten eller kolineær magnetoptisk effekter også kjent som å fremstille slike ikke resiproke effekter.

Andre effekter kan også fremstille under visse betingelser en ikke resiprok faseforskjell.

Motsatt vil variasjoner til forskjellige parametere som er representative for miljøet, som ofte er årsaken til måleforstyrrelser, bare ha resiproke effekter på Sagnac interferometeret, som ikke forstyrrer den relative faseforskjellen mellom de motsatt utbredte bølgene og dermed har disse ingen påvirkning på de studerte parametermålingene. Slikt er tilfelle til langsomme variasjoner i temperatur, indekser etc. som modifiserer den optiske veien brukt av bølgene, men modifiserer de på en resiprok måte.

Uttallige arbeider har blitt utført for å forbedre følsomheten og nøyaktigheten til målinger som kan bli gjort med et slikt måleapparat. For videre lesning om dette emnet vises til for eksempel kapittel 9, med tittelen "Fiber Optic Gyroscope" av Hervé C. LEFEVRE i "Optical Fiber Sensors" vol.2 - ARTECH HOUSE - 1989, og artikkelen med tittelen "Principe du gyrofibre, le gyrométre, des applications å haute dynamique" av den samme forfatteren, publisert i "La Revue Scientifique de la Défense" (1. trimester 1990).

Forskjellige signalprosesseringsmodus har blitt foreslått. Først har det vært lagt merke til at responsen gitt av Sagnacinterferometeret er i formen av P = P0(1 + cos8<)>) og dermed vil sensitiviteten til dette signalet i nærheten av faseforskjellen 5<() = 0 være lav.

Patentpublikasjon EP0206970 A beskriver en rotasjonsmåleinnretning som benytter en Sagnac ringinterferometer montert på en plattform utsatt for mekaniske vibrasjoner for å modulere faseskiftet mellom de to armene til interferometeret. En optisk detektor og et elektronisk system med tilbakekopling muliggjør indikasjon av vibrasjonene.

Patentpublikasjonen US4299490 A beskriver også et rotasjonsmåleinstrument som benytter en Sagnac ringinterferometer og omfatter elektroniske innretninger med tilbakekoplingsregulering av den optiske effekten til lyskilden og en oscillator som kontrollerer en optisk fasemodulator for å kansellere faseskiftet som ble introdusert ved rotasjon.

Det har blitt foreslått å introdusere en faseforskjellmodellasjon 8<t>b, kvadratisk og med den aplitude som er mer eller mindre 7t/2, for eksempel, som skifter operasjonspunktet og som fremstiller et periodisk signal der amplituden til dette er en sinusformet funksjon av den målte parameteren og som dermed kan bli brukt med større følsomhet og stabilitet. Denne faseforskjellen er kalt biasing faseforskjell 8<t>b.

Denne faseforskjellen 8^ er fremstilt av en fasemodulator, plassert i en ende av interferometereta multivindingsspole og kontrollert av et kontrollsignal Vb. Dette kontrollsignalet Vbgenererer på hver bølge et faseskift <)>b som fremstiller en faseforskjell mellom de motsatt utbredte bølgene:

hvor t er tiden og t er transittiden til en av bølgene i spolen.

Det har videre blitt demonstrert at nøysktigheten til målingen blir forbedret ved bruken av en null fremgangsmåte også kalt lukket sløyfeoperasjon. I henhold til denne fremgangsmåten vil en tilleggs såkalt tilbakekoblingsfaseforskjell 8<t>crbli anvendt og tjener til å forskyve faseforskjellen S<t>p fremstilt av den målte parameteren. Summen av disse to faseforskjell ene 8<t>crog 8<t>p blir holdt nær null, som muliggjør at interferometeret opererer med den maksimale følsomheten. Målingen blir gjort ved å bruke signalet nødvendig for fremstillingen av tilbakekoblingsfaseforskjell en 8<t>cr. Målingen er dermed stabil og lineær.

Denne faseforskjellen 8<t>crer fremstilt av fasemodellatoren kontrollert av et Vcrsom legger seg til biasing modulasjonen Vbfor å gi det totale signalet Vm. Dette signalet Vcrgenererer på hver bølge et faseskift <t>crsom fremstiller en faseforskjell S<t>crmellom de motsatt utbredte bølgene:

En implementasjon av den såkalte serrodyne fremgangsmåten består i å anvende et trappetrinnstidssignal der trinnene til dette har en hardhet T og en høyde lik med faseforskjellen 8<t>crsom ønskes å bli anvendt. For å unngå at signalet <t>crøker opp til pluss eller minus uendelig er det nødvendig å lage fasehopp tilsvarende til multipler av 2tz, som interferometeret er ufølsom overfor siden responsen til dette er i formen av P = Po(l+cos(S<t>)) = Po(l+cos(5<t>+k.27i)), hvor k er et hvert positivt eller negativt heltall. En slik serrodyn modulasjon har en sagtanns karakteristisk bølgeform.

Videre, i fransk patent FR-A-2 654 827, vil en såkalt "fjerde tilstand" signalprosessering bli brukt, som gir den lukkede sløyfeoperasjonen til interferometeret. I henhold til denne teknikken vil en biasfaseforskjell 8<)>b bli modellert i fire etterfølgende verdier a0, 2n- a0, -a0, -(27i-a0). Denne bestemte modulasjonen tillater, i tillegg til null -servo kontrollen til den ovenfor beskrevne faseforskjellen 8<t>p+8<t>cr, a følge variasjonene til forholdet mellom signalet anvendt på modulatoren og det resulterende faseskift. Riktignok er dette forholdet mellom signalene anvendt på modulatoren og det resulterende faseskiftet definert av en verdi benevnt som V*= rc.Vm/<t>m, som varierer med miljøet, for eksempel med temperaturen. Dermed vil "firetilstands" modulasjonen tillate på samme tid å null-servokontrollere faseskiftet S<t>p+S<t>crog å servokontrollere innstillingen av V71og har flere spesifikke fordeler.

Fig. 1 viser en kjent teknikk innretning som bruker en tilbakekoblet lukket sløyfe og hvor den målte parameteren er rotasjonshastigheten til Sagnac interferometeret. Dette optiske fibergyroskopet innbefatter et Sagnac interferometer 1 som inkluderer en optisk fiber spunnet i en multivindingsspole 2 om en akse om hvilken rotasjonen av interferometeret 1 blir målt. De to elektromagnetiske bølgene som brer seg i motsatte retninger i interferometeret 1 er sendt ut av en lyskilde 3. Denne kilden er en bredspektret kilde, for eksempel en superluminisent faststoffkilde. Mellom lyskilden 3 og interferometeret 1 er det plassert en optisk anordning som inkluderer en første optisk fiber 4 og en ende 5 som er plassert i et punkt med maksimal emisjon av lyskilden 3, den andre enden sender lyset sendt ut av kilden 3 til en optisk strålekobler 6. Denne kobleren 6 innbefatter et medium 7 som sender lyset og fire porter 8-11, lagt ut i par i hver ende av dette mediet 7. En første port 8 mottar lyset sendt ut av den første optiske fiberen 4 som kjører fra lyskilden 3. På den andre porten 9 plassert på den samme siden av kobleren 6 er det posisjonert en andre optisk fiber 12 som er koblet til en fotodetektor 13.1 den andre enden av kobleren 6 er en port 10 koblet til Sagnac interferometeret 1 gjennom en tredje optisk fiber. Fjerde port 11 er plassert på den samme siden av kobleren 6 som innbefatter en ikkereflekterende terminering 14 som bruker, for eksempel, en optisk fiberdel. Gyroskopet innbefatter også en fasemodulator 15 plassert i en ende av multivindingsfiberspolen til interferometer 1. Denne optiske fasemodulatoren 15 mottar kontroll signal er sendt ut av en digital-analog konverterer 16.

De optiske signalene sendt ut fra Sagnac interferometer 1 blir sendt gjennom andre optiske fiber 12 til fotodetektor 13, som konverterer de til elektriske signaler som representerer de mottatte optiske signalene. En lukket sløyfekrets koblet til fotodetektoren 13 på den ene siden og til digital-analog konverterer 16 på fasemodulatoren på den andre siden innbefatter en forsterker 17 som forsterker det elektriske signalet fremstilt av fotodetektor 13, en analog-digjtal konverterer 18 som digitaliserer det forsterkede elektriske signalet, og en digitalelektronisk tilbakekoblingsinnretning 19. Denne digitale elektriske tilbakekoblingsinnretningen 19 bestemmer tilbakekoblingsfaseforskjell en 8<t>crsom forskyver faseforskjellen 5<t>binnført av rotasjonen av Sagnac interferometeret, og legge til biasingkomponenten 8<t>b.

Digitalelektronisk tilbakekoblingsinnretning 19 innbefatter en fasedemodulator 20, etterfulgt av en PID-type regulator 21 ("PID" - proporsjonal, integrert og deriverende handling) og en tilleggsintegrator 22 for å avvike differensieringen formet av biasingmodulatoren 23 på utgangen som blir lagt til tilbakekoblingen i summereren 24 for å danne det totale signalet som blir sendt til digital-analogkonverterer 16.

Fasedemodulator 20 tar hensyn til, synkront med biasingmodulasjonen, fortegnet tatt av det målte signalet som representerer rotasjonsretningen. Dermed, i en hypotese av "to-tilstands" biasingmodulasjon omkring, for eksempel, to suksessive verdier rc/2 og -rc/2, vil fasemodulatoren 20 multiplisere de mottatte signaler med de respektive verdiene +1 og-1.

Regulator 21 innbefatter ofte en enkelt integrator, og i dette tilfellet, er servokontrolleren så i størrelsesordenen eller 1. Det demodulerte signalet i utgangen av fasedemodulatoren 20 og inngangen til regulatoren 21 representerer det null-servo-kontrollerte feilsignalet. Utgangssignalet fra regulatoren 21 er benevnt som 8Vcr. Dette er et mål på 8<t>cr= -8<t>p og dermed en verdi proporsjonal med rotasjonshastigheten.

Integrator 22 utfører en tilleggsintegrasjon for å avvike differensieringen på grunn av resiprok modulasjon som finner sted i den optsiek fasemodulatoren 15.

Biasingmodulatoren 23 genererer et signal som, med en gang differensiert av den resiproke modulasjonen, utfører biasingen på den ønskede verdien. For eksempel, for en "to-tilstand" modulasjon på etterfølgende verdier 8<t>bi = rc/2 og 8^2 = -rc/2, biasingmodulatoren 23 generere et kvadratisk bølgeformperiodisk signal med periode 2T, som varierer mellom verdi Vm = VK12 under tiden x og Vb2= 0 under den andre halvdelen av perioden.

Summereren 24 legger til biasingsignalet Vbog tilbakekoblingssignalet Vcr. Utgangen av summereren 24 er koblet til digital-analog konverterer 16 som kontrollerer optisk fasemodulator 15.

En slik kjent teknikk digital lukket sløyfeinnretning muliggjør utmerket ytelse i å bli oppnådd, særlig når det gjelder oppløsningen og støyen assosiert med rotasjonshastighetsmålingen, denne støyen er også kalt vinkeltilfeldig gange (ARW). ARW er et resultat av signal til støyforholdet i den optiske deteksjonen av signaler sendt ut fra Sagnac interferometer 1. Dermed vil ARW variere på grunn av variasjonene i det optiske tapet i de passive komponentene og i de aktive komponentenes effektivitet.

For å stabilisere den optiske effekten i innretningen består løsningen som ofte er brukt i en servokontroll av effekten til lyskilden 3 gjennom en enkel måling utført av en fotodetektor 25 koblet etter en uttakskobler 26. Denne uttakskobleren 26 er plassert mellom første optiske fiber 4 som kommer fra lyskilden 3 og første port 8 til kobler 6. Fra målingen tatt av fotodetektor 25 vil en effekttilbakekoblingselektronikkblokk 27 i kilden kontrollere lyskilden 3. Dermed, dersom for eksempel effekten målt av fotodetektoren 27 er lavere enn ønsket verdi, vil blokken 27 øke kontrollen til kilden helt til målingen gjort av fotodetektoren 27 samsvarer med denne ønskede verdien (fig. 2).

Denne løsningen er begrenset ved at den ikke tillater å motvirke tapsutviklingen til de optiske komponentene plassert etter lyskilden 3, der denne utviklingen er et resultat for eksempel fra en formørkelse av komponentene på grunn av stråling fra gyroskoper brukt i romfartsanvendelser eller til en avhengighet i temperatur av den optiske attenueringen. Et enkelt skift i effektmålingspunktet i deteksjonsnivået er delikat siden lyset har beveget seg gjennom den optiske fasemodulatoren 15 og spolen og følgelig er avhengig av faseskifttilstanden til interferometeret 1, dermed på dennes rotasjon, tilbakekoblingen og forspenning. Det målte nivået vil være avhengig av effekttopper som opptrer under transiente tilstander mellom modulasjonstilstandene og fasehoppene på 2n.

Dermed er hensikten ved foreliggende oppfinnelse å foreslå en optisk fibermålingsinnretning der konstruksjonen og den virksomme prosedyren til denne er enkel, ved å bruke den samme deteksjonskjeden som tjener til å måle rotasjonen for å trekke ut av denne et stykke informasjon om effekten tilgjengelig i interferometerutgangen, som er deteksjonseffekten P0til interferometeret når denne senere er i en nullfaseskifttilstand.

En annen hensikt er å måle operasjonssløyfeforsterkningen og å gi en selvtesting av den korrekte operajonen av hovedsløyfen gjennom innføring på innsiden av den lukkede sløyfen en forstyrrelse innenfor hovedsløyfens båndbredde.

Denne måleinnretningen tillater fordelaktig å forskyve attenueringsvariablene til den optiske fibermultivindingsspolen utsatt for stråling.

I denne forstand er foreliggende oppfinnelse relatert til en optisk fibermåleinnretning hvor variasjonen av en målt parameter genererer en faseforskjell mellom to bølger, som inkluderer:

- en bredspektret lyskilde med en lyseffekt P,

- et Sagnac ring interferometer, foretrukket singelmodus, som utbrer to motsatt utbredte bølger, bølgeutbredelsestiden mellom separasjonen og rekombinasjonen av disse er t, - en detektor mottar en lysfluks fra interferometeret og konverterer dette til et elektrisk signal som representerer den totale faseforskjellen 8<t>tmellom de motsatt utbredte bølgene, - en optisk fasemodulator som genererer en faseforskjell 8<t>m = 8<)>b + 8<t>cr, som inkluderer en biasingkomponent 8<t>b og en tilbakekoblingskomponent 8<t>cr, - elektronisk innretning som mottar det elektriske signalet fra detektoren og som gir et første signal Si som funksjon av den målte parameteren, - den første signalfunksjonen til den målte parameteren fremstiller en optisk fasemodulator s første kontroll signal Vcr, bestemt slik at faseforskjellen 8<t>crfremstilt av denne mellom de motsatt utbredte bølgene motvirker faseforskjellen 8<)>p innført av den målte parameteren, - elektronisk innretning som inkluderer en demodulator som bidrar til å gi den første signalfunksjonen til den målte parameteren, - den elektroniske innretningen gir et andre signal S2som funksjon av lyseffekten P til lyskilden.

I henhold til foreliggende oppfinnelse vil den optiske fasemodulatoren generere en forstyrrelseskomponent 8<t>cp som legges til faseforskjellen 8<)>m = 8<t>b+ 8<t>cr.

I forskjellige bestemte utførelser av den optiske fibermåleinnretningen vil hver ha respektive bestemte fordeler og er gjenstand for uttallige mulige tekniske kombinasjoner:

- den elektroniske innretningen inkluderer en lukket sløyfetilbakekoblingskrets innbefattende elektronisk innretning for servo-kontrollering av lyseffekten P til lyskilden, - innretningen innbefatter en forsterker som forsterker det elektriske signalet fremstilt av detektoren og en analog-digjtal konverterer som digitaliserer det forsterkede elektriske signalet, denne forsterkeren og denne konvertereren er plassert mellom detektoren og den elektroniske innretningen, - den elektroniske innretningen innbefatter en biasingmodulator som fremstiller et optisk fasemodulert andre kontroll signal Vbsom genererer biasingkomponenten 5<t»b, - den elektroniske innretningen innbefatter en summerer innbefattende to innganger og en utgang, den første inngangen til summereren mottar den optiske fasemodulatorens første kontroll signal Vcrog den andre inngangen av denne mottar den optiske fasemodulatoren andre kontroll signal Vb, - og innretningen innbefatter en digital-analog konverterer som mottar utgangssignalet fra summereren og kontrollerer den optiske fasemodulatoren,

- den elektroniske innretningen innbefatter:

- en regulator plassert etter demodulatoren, regulatoren er en første integrator,

- en andre integrator plassert etter den første integratoren,

- en forstyrrelseskilde som innfører en frekvensforstyrrelse fcp som genererer en optisk fasemodulators tredje kontroll signal Vcp, det tredje kontrollsignalet Vcp fremstiller en faseforskjell 8<t>cp mellom de motsatt utbredte bølgene og legger seg til det første kontrollsignalet Vcr, - denne forstyrrelsen bli ført inn gjennom en forstyrrelsesinnføringskrets øyeblikkkelig før eller etter regulatoren,

- forstyrrelsen har en null-gjennomsnittverdi,

- forstyrrelsen er aperiodisk,

- frekvensen fcp til forstyrrelsen er større enn frekvensen til det målte parametersignalet,

- forstyrrelsessignalet inkluderer pseudotilfeldige ramper,

biasingkomponenten 8<t>bblir generert av en optisk fasemodulators andre kontroll signal Vb, bestemt slik at faseforskjellen 8<t>b fremstilt av dette mellom de motsatte utbredte bølgene tar i det minste seks tilstander (8<t>i, 8<t>2,...) definert av a0og eo, der 0 < eo < oc0 < n og slik at:

og den elektroniske innretningen fremstiller et andre kontroll signal S2som funksjon av effekten P til lysfluksen målt av detektoren ved å bruke de seks verdiene xi, x2, x3,X4, x5og x6gitt som reaksjon på en periode av kontrollsignalet i henhold til formelen (xi + x4)

-(x2+x5).

Foreliggende oppfinnelse er også relatert til et gyrometer i henhold til den ovenfor beskrevne måleinnretning, den målte parameteren er rotasjonshastigheten til interferometeret.

Foreliggende oppfinnelse er også relatert til en fremgangsmåte for å måle en parameter hvis variasjoner genererer en faseforskjell mellom to bølger, hvor: - to motsatt utbredte bølger sendt ut av en bredspektret lyskilde med en lyseffekt P som blir utbredt i et foretrukket enkeltmodus Sagnac ring interferometer, bølgeutbredelsestiden mellom separasjonen og rekombinasjonen av disse er t, - lysfluksen sendt ut fra interferometeret blir detektert og konvertert til et elektrisk signal som representerer den totale faseforskjellen 8<t>tmellom de motsatt utbredte bølgene, - en faseforskjell 8<t>m = 8<t>b + 5<t>crmellom de motsatte utbredte bølgene blir generert, faseforskjellen 8<t>minkluderer en biasingkomponent 8^ og en tilbakekoblingskomponent 8<t>cr, - et elektrisk signal sendt ut fra detektoren ble sendt til elektronisk innretning og den elektroniske innretningen bestemmer et første signal Si som funksjon av den målte parameteren, - dette første signalet som er en funksjon av den målte parameteren fremstiller en optisk fasemodulators første kontroll signal Vcr, bestemt slik at faseforskjellen S<t>crfremstilt av dette mellom de motsatt utbredte bølgene motvirker faseforskjellen 8<t>p innført av den målte parameter,

den elektroniske innretningen bestemmer et andre signal S2som funksjon av lyseffekten P til lyskilden fra det elektriske signalet sendt ut fra detektoren.

I henhold til foreliggende oppfinnelse vil den optiske fasemodulatoren generere en forstyrrelseskomponent 8<t>cp som legger seg til faseforskjellen 8<)>m = 8<)>b + 8<t>cr.

Foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet i større detalj med referanse til de vedlagte tegninger hvor:

Fig. 1 er en skjematisk representasjon av et optisk fibergyroskop i henhold til en første utførelse av den kjente teknikk Fig. 2 er en skjematisk representasjon av et optisk fibergyroskop i henhold til en andre utførelse av den kjente teknikk Fig. 3 er en skjematisk representasjon av en optisk fibermåleinnretning i henhold til en utførelse av foreliggende oppfinnelse Fig. 4 er en skjematisk representasjon av en Sagnac sløyfe i kjent teknikk hvor forskjellen mellom inngangssignalet e(t) og utgangssignålet s(t), som er fasefeilen (8<t>p + som blir servokontrollert til null Fig. 5 er en skjematisk representasjon av en Sagnacsløyfe hvor foskjellen mellom inngangssignalet e(t) og utgangssignalet s(t) blir servo-kontrollert til null, et fast faseskift blir ført inn øyeblikkelig før regulatoren i henhold til utførelsen av oppfinnelsen Fig. 6 viser effektnivået detektert i utgangen av interferometeret som funksjon av interferenstilstanden til dette i tilfellet av en såkalt "firetilstands" modulasjon i henhold til kjent teknikk. Fig. 7 viser effektnivået detektert i utgangen av interferometeret som funksjon av interferenstilstanden til dette i tilfellet av en såkalt "sekstilstand" modulasjon i henhold til en utførelse av foreliggende oppfinnelse Fig. 8 viser effektnivået detektert i utgangen av interferometeret som funksjon av interferometertilstanden til dette i tilfellet av et såkalt "høydetilstand" modulasjon i henhold til en utførelse av foreliggende oppfinnelse Fig. 3 viser en optisk fibermåleinnretning i henhold til foreliggende oppfinnelse der variasjonen av en målt parameter genererer en faseforskjell mellom to bølger. Innretningen inkluderer en bredspektret lyskilde 3 med en lyseffekt P der gjennomsnittlig bølgelengde er Xm. Den innbefatter også et Sagnacringjnterferometer 1, foretrukket enkeltmodus, der to motsatt utbredte bølger brer seg. Bølgeutbredelsestiden mellom separasjonen og rekombinasjonen av disse er t. Sagnacinterferometeret 1

inkluderer en optisk fiber spundet i en multivindingsspole 2. Mellom lyskilden 3 og interferometeret 1 er det plassert en optisk anordning der elementene er benevnt med de samme referansene som de i fig. 1 som representerer de samme objektene. Måleinnretningen innbefatter også en detektor 13 som mottar en lysfluks fra interferometeret og konverterer denne til et elektrisk signal som representerer den totale faseforskjellen 8<t>tmellom de motsatte utbredte bølgene. Det elektriske signalet sendt ut av detektor 13 blir sendt til elektronisk innretning 19 som gir et første signal Si som funksjon av den målte parameteren. Disse elektroniske innretningene 19 innbefatter en fasedemodulator 20 som bidrar til å gi det første signal Si.

Det første signalet Si genererer et første kontroll signal Vcrsendt gjennom en digital-analog konverterer 16 til enoptisk fasemodulator 15 plassert i en ende av fibermultivendingsspolen til interferometeret 1. Dette første kontrollsignalet VCTblir bestemt slik at faseforskjellen 8<t>crfremstilt av dette mellom de motsatt utbredte bølgene motvirker faseforskjellen 8<t>p innført av den målte parameteren. Fasegeneratoren 15 genererer en faseforskjell 8<)>m = 8<t>b+ 8<t>cr, innbefattende tilbakekoblingskomponenten S<t>crog en biasingkomponent 8^.

I henhold til foreliggende oppfinnelse vil elektronisk innretning 19 videre gi et andre signal S2som funksjon av lyseffekten P til lyskilden.

Foretrukket vil disse elektroniske innretningene 19 være plassert i en lukket sløyfekrets koblet til fotodetektoren 13 på den ene siden og til digital-analogkonverterer 16 på den andre siden.

Denne lukkede sløyfen innbefatter også en forsterker 16 for å forsterke det elektriske signalet fremstilt av detektor 13 og en analog-digital konverterer 18 som digitaliserer det forsterkede elektriske signalet, som er plassert mellom detektoren 13 og elektronisk innretning 19.

I en utførelse av foreliggende oppfinnelse er det søkt å skifte tilbakekoblingen med en konstant A homogent til et faseskift for å oppnå dette andre signalet S2. Optisk fasemodulator 15 mottar dermed et tredje kontroll signal Vcp som legger til det første og andre kontrollsignalet Vcrog Vbfor å generere en forstyrrelseskomponent 8<t>cp lagt til faseforskjellen 8<t>m= 8<))b + 8<t>cr. En forstyrrelseskilde innfører en frekvensforstyrrelse fcp som genererer denne optiske fasemodulatorens tredje kontroll signal Vcp.

Innførig av denne forstyrrelsen gjennom en innføringskrets er fordelaktig gjort øyeblikkelig før regulatoren (fig. 3).

Forstyrrelse som er innført slik samsvarer med ikke-null vinkelakselerasjoner. Null-servokontrollen søkt å bli gjort på forskjellen mellom inngangssignalet e(t) og utgangssignalet s(t) i Sagnacsløyfen (fig. 4), dvs. på fasefeilen (5cpp+8cpcr), slik at interferometeret opererer med en maksimal følsomhet, har så en ikke-null trekkfeil. Denne trekkfeil en skyldes den ikke-nullreaksjonstiden til sløyfen mellom inngangen og utgangen av denne. Sløyfeutgangen forårsaker en feil lik med akselerasjonen multiplisert med tidsforsinkelsen. Nå, i et første ordenssystem, er forsinkelsestiden den karakteristiske tiden til sløyfen, lik med den inverse av forsterkningskoeffisienten K. Dermed, en vinkelakselerasjon har for å effektuere og opprette et tilleggsfaseskift med

tidsenhet tilA =x og en vinkeltrekkfeil på Qp_„, = x f., dermed et

dt Q.x eneur dt c

faseskift som er likt med:

Dermed vil en trekkfeil bli simulert som genererer en bias som er invers proporsjonal med forsterkningen av systemet.

Tilslutt, for å dissosiere den falske trekkfeilen fra en virkelig rotasjon er det mulig for eksempel å alternere mellom positive og negative verdier for konstanten A.

Fig. 5 beskriver en slik innretning som tillater å måle en verdi invers proporsjonal med K. Det kvadratiske bølgeformsignalet 30 representerer den fiktive vinkelakselerasjonen A(t), lagt til ved tilbakekobling, som funksjon av tid. Signal 31 representerer faseskiftet S2O) som funksjon av tid. Den fiktive vinkelakselerasjonen A(t) fremstiller en effekt på S2(t) som legger seg til målingen.

Gjennomsnittlig forskjell mellom høye og lave nivåer til den kvadratiske bølgeformen, som legger seg til utgangen er lik med 2A/K. Nå vil fluktuasjonene til K bare være på grunn av variasjoner i den analoge forsterkning, og hovedsakelig til variasjonene i deteksjonens optiske effekt Po.

For så ikke å blande reaksjonene til den optiske fibermåleinnretningen på tidspunktet for innføring av en forstyrrelse med det første signalet Si som funksjon av den målte parameteren, vil frekvensen f0til forstyrrelsen også bli justert for eksempel slik at den er aperiodisk eller større enn frekvensen til det målte parametersignalet.

Enhver signalbølgeform kan bli brukt: pseudotilfeldig rampe, semiparabol, sinusformet, trekantbølgeformer og andre.

Denne prosesseringen kan bli brukt til å servokontrollere lyskilden 3. Denne prosesseringen er også et mål på Sarnacsløyfens lukkede sløyfeforsterkning og kan bli brukt som en selvtesting av et optisk fibergyroskop.

En teoretisk fremgangsmåte har blitt utviklet som forklarer de oppnådde resultatene.

Ved å betrakte Sagnacsløyfekonstruksjonen i henhold til fig. 4, hvor en regulator 21 faktisk er en enkel integrator med en integreringskoeffisient Kj, er Sagnacsløyfen en førsteordens servokontrollsløyfe, som betyr at tilbakekoblingens faseskift benevnt som 8<t>crer styrt av følgende differensielle ligning:

hvor:

t er tiden,

8<t>p er faseskiftet på grunn av rotasjonen av Sagnaceffekten og tjener som en

inngangsfunksjon til systemet: e(t) = 8<t>p,

K er integrasjonsforsterkningskoeffisienten til første ordenssystemet,

8<t>crer tilbakekoblingsfaseskiftet som motvirker 8<t>p og tjener til, bortsett fra fortegnet, som en utgangsfunksjon av systemet s(t) =

Det kan også bli etablert at dette systemet er av første orden på grunn av tilstedeværelsen av to integratorer (regulator 21 og integrator 22) og på grunn av en differensiator (optisk modulator 15) i Sagnacsløyfetilbakekoblingen.

Diagrammet til Sagnacsløyfen er gitt i fig. 4.1 denne sløyfen vil fasefeilen (8<t>p+8<t>cr) = e(t)-s(t) bli servokontrollert til null.

I denne utførelsen av foreliggende oppfinnelse er det søkt å skifte tilbakekoblingen med en konstant A som er homogen i forhold til et faseskift. Denne konstanten er numerisk lagt til og, ved å anta at verdien til Vrc er godt servokontrollert, tilsvarer konstanten A et fast faseskift i interferometeret, som er uavhengig av den optiske effekten P0og til forsterkningens analoge bidrag som sannsynligvis vil variere.

Vi har da:

Ved å benevne S(p) og E(p) vil de respektive Laplace transformene til signalene s(t) og e(t)gi:

Ved å anvende den inverse Laplace transformen gir dette utgangssignalet • Si(t) er den inverse Laplace transformasjonen av og samsvarer med den normale reaksjonen på et første ordenssystem i henhold til fig. 4. • S2O) er den inverse Laplace transformasjonen av

og samsvarer

med effekten ved innføringen av et skifte A.

Fra invers Laplace transformtabeller finner vi:

Det blir utledet at å skifte servokontrollen med konstant A resulterer, etter en karakteristisk tid som eksponensielt reiser seg likt til det i sløyfen, vil dette skape i utgangen et bias med en verdi invers proporsjonal med den første ordens forsterkningskoeffisient til Sarnacsløyfen. 1 en annen utførelse av foreliggende oppfinnelse er det søkt å skape nye modulasjonstilstander som tillater å måle, etter en spesifikk demodulasjon, effektnivået mottatt i hoveddetektoren.

La oss først se på at "firetilstands" modulasjonen beskrevet i det franske patentet FR-A-2 654 827 består av en biasingmodulasjon med fire faseskiftverdier: hvor ocoer et konstant faseskift. Biasingfaseskiftet legger seg til faseforskjellen 8<t>p fremstilt av den målte parameteren og til tilbakekoblingsfaseskiftet 8<t>cr. Effektverdiene målt i detektor 13 som mottar lysfluksen fra interferometeret har dermed respektivt for tilstandene i = 1 til 4:

Under operasjonen av en optisk fibermåleinnretning vil signalet (8cpp+8cpcr) bli servokontrollert til null, som muliggjør at inteferometeret blir operert med den maksimale følsomhet. Signalet (Scpp+Scpcr) er dermed svært små relativt til 1 og den lineære tilnærmingen av cos<2>funksjonen rundt verdien cos<2>(8<t>bi/2) kan bli gjort. Dermed:

Svært ofte vil den synkrone deteksjonen bli etterfulgt av et høypassfilter som eliminerer de kontinuerlige komponentene før en sampling i analog-digjtalkonverterer 18 (fig. 14).

Det er interessant å legge merke til at i henhold til trigonometriske lover:

Det ble utledet av dette at, når den optiske fibermåleinnretningen, og dermed Sagnacsløyfen blir servokontrollert vil den kontinuerlige komponenten være:

Fire modulasjonstilstandene har det samme effektnivået, som vist i fig. 6, som representerer effektnivået detektert i utgangen av interferometeret som funksjon av interferenstil standen av det.

I fig. 6 vil ordinataksen representere signalet målt av detektorenheten og abskissaksen representere faseskitfverdien.

Feilsignalet brukt i Sarnacsløyfen blir beregnet ved:

Feilsignalet brukt i sløyfeservokontrolleringen har verdien YK= n. Vm/<t>m er beregnet ved:

I henhold til denne utførelsen av foreliggende oppfinnelse vil to nye modulasjonstilstander være lagt til, som har en gjennomsnittlig effekt noe forskjellig fra Po x cos2(<xo/2).

Den kan bli utført for eksempel i en sekstilstandsmodulasjon med:

hvor80er lav nok til å være i måleområdet til analog-digjtalkonverterer 18. Effektgjennomsnittsnivået til de forskjellige tilstandene er nå noe forskjellig som vist i fig. 7, og forskjellen til disse er proporsjonal med effekten P0.

Med dette modulasjonsmønsteret vil feilsignalet som er brukt i Sarnacsløyfen bli beregnet ved:

Feilsignalet brukt i sløyfeservoen for å kontrollere verdiene YK= n. Vm/<t>m bli beregnet ved:

Signalet som tjener til å måle Po er beregnet av:

Po kan muligens være servokontrollert til en konstant gjennom å bruke følgende feil signal:

Det er så nok å bruke dette feilsignalet til å sette effekten til lyskilden. En tilbakekobling kan dermed bli gjort på kilden som vist i fig. 5 og fig. 3 hvor tilbakekoblingsdigitalelektroniskblokk 19 er antatt å bli økt av den foreslåtte digitale prosesseringen og dermed et effektkontrollsignal som tilleggsutgang til kilden 3.

Den kan også bli utført på en høytilstandsmodulasjon med:

hvor80er lav nok til å være I måleområdet for analog-digitalkonverterer 18. Gjennomsnittlig effektnivåer til de forskjellige tilstandene er også noe forskjellig som vist i fig. 8, og forskjellene til disse er proporsjonale med Po.

Med dette modulasjonsmøsteret vil feilsignalet brukt i Sarnacsløyfen være beregnet som:

Feilsignalet som er brukt i sløyfeservokontrolleringen av verdien YK = n. Vm/<t>m er beregnet av:

Modulasjoner ved et antall av tilstander større enn 8 er også mulig.

Claims (13)

1. Optisk fibermåleinnretning i hvilken variasjonen av en målt parameter genererer en faseforskjell mel om to bølger, og som inkluderer: - en bredspektret lyskilde (3) med en lyseffekt P, - et Sagnacringinterferometer (1), foretrukket enkeltmodus, i hvilket det brer seg to motsatt utbredte bølger, bølgeutbredelsestiden mellom separasjonen og rekombinasjonen av disse er t, - en detektor (13) som mottar en lysfluks fra interferometeret (1) og som konverterer den til et elektrisk signal som representerer den totale faseforskjellen 8<t>tmellom de motsatte utbredte bølgene, - en optisk fasemodulator (15) som genererer en faseforskjell 8<t>m= 8^ + 8<t>cr, som inkluderer en biasingkomponent 8<t>bog en tilbakekoblingskomponent 8<t>CT, - elektronisk innretning (19) som mottar det elektriske signalet fra detektoren (13) og som gir et førstesignal Si som funksjon av den målte parameteren, - det første signalet som er funksjon av den målte parameteren fremstiller en optisk fasemodulators (15) første kontroll signal Vcr, bestemt slik at faseforskjellen fremstilt av denne mellom de motsatt utbredte bølgene motvirker faseforskjellen 8<t>p innført av den målte parameteren, - den elektroniske innretningen (19) inkluderer en demodulator som bidrar til å gi det første signalet som funksjon av den målte parameteren, - den elektroniske innretningen (19) gir et andre signal S2som funksjon av lyseffekten P til lyskilden (3),karakterisertved at den optiske fasemodulatoren (15) genererer en forstyrrelseskomponent 5<t>cp som legger seg til faseforskjellen 8<t>m= 5<t>b+ 5<t>cr.

2. Optisk fibermåleinnretning i henhold til krav 1,karakterisertved at den elektroniske innretningen (19) inkluderer en lukket sløyfetilbakekoblings-krets innbefattende elektronisk innretning for servokontrollering av lyseffekten P til lyskilden (3).

3. Optisk fibermåleinnretning i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat den innbefatter en forsterker (17) som forsterker det elektriske signalet fremstilt av det detektoren (13) og en analog-digitalkonverterer (18) som digitaliserer det forsterkede elektriske signalet, forsterkeren (17) og konvertereren (18) er plassert mellom detektoren og den elektroniske innretningen (19).

4. Optisk fibermåleinnretning i henhold til et av kravene 1 til 3,karakterisert vedat den elektroniske innretningen (19) innbefatter en biasingmodulator som fremstiller en optisk fasemodulators (15) andre kontrollsignal Vbsom genererer biasingkomponenten 5<t>b.

5. Optisk fibermåleinnretning i henhold til krav 4,karakterisertved at: den elektroniske innretningen (19) innbefatter en summerer innbefattende to innganger og en utgang, - den første inngangen til summereren mottar den optiske fasemodulatorens (15) første kontrollsignal Vcrog den andre inngangen av den mottar den optiske fasemodulatorens (15) andre kontrollsignal Vb, - og innretningen innbefatter en digjtal-analogkonverterer som mottar utgangssignalet fra summereren og som kontrollerer den optiske fasemodulatoren (15).

6. Optisk fibermåleinnretning i henhold til et av kravene 1 til 5,karakterisert vedat den elektroniske innretningen (19) innbefatter: - en generator plassert etter demodulatoren, regulatoren er en første integrator, - en andre integrator plassert etter den første integrator, - en forstyrrelseskilde som innfører en frekvensforstyrrelse fcp som genererer en optisk fasemodulators (15) tredje kontrollsignal Vcp, det tredje kontrollsignalet Vcp fremstiller en faseforskjell 8<t>cp mellom de motsatt utbredte bølgene og legger seg til det første kontrollsignalet Vcr, - forstyrrelsen blir ført inn gjennom en forstyrrelsesinnføringskrets øyeblikkelig før eller etter regulatoren.

7. Optisk fibermåleinnretning i henhold til krav 6,karakterisertved at forstyrrelsen har en gjennomsnittlig nullverdi.

8. Optisk fibermåleinnretning i henhold til krav 6 eller 7,karakterisert vedat forstyrrelsen er aperiodisk.

9. Optisk fibermåleinnretning i henhold til krav 6 eller 7,karakterisert vedat frekvensen fcp til forstyrrelsen er større enn frekvensen til det målte parametersignalet.

10. Optisk fibermåleinnretning i henhold til et av kravene 6 til 9,karakterisert vedat forstyrrelses signalet inkluderer pseudotilfeldige ramper.

11. Optisk fibermåleinnretning i henhold til et av kravene 1 til 5,karakterisert vedat biasingkomponenten 8<)>b er generert av en optisk fasemodulators (15) andre kontrollsignal Vb, bestemt slik at faseforskjellen 8<t>bfremstilt av dette mellom de motsatt utbredte bølgene har i det minste seks tilstander (8<t>i, 8<t>2,...) definert av oc0 og eo, med 0 < eo < a0 < ti og slik at:

og ved at den elektroniske innretningen (19) fremstiller et andre signal S2som funksjon av effekten P til lysfluksen målt av detektoren (13) ved å bruke de seks verdiene xi,X2,X3,X4,X5ogX6gitt som reaksjon på en periode av kontrollsignalet i henhold til formelen (xi +x4)-(x2 + x5).

12. Gyrometer,karakterisert vedat den er i overensstemmelse med måleinnretningen i henhold til et av kravene 1 til 11, den målte parameteren er rotasjonshastigheten til interferometeret (1).

13. Fremgangsmåte for å måle en parameter hvis variasjon genererer en faseforskjell mellom to bølger, i hvilke: - to motsatt utbredte bølger sendt ut av en bredspektret lyskilde (3) med en lyseffekt P blir utbredt i et foretrukket enkeltmodus Sagnacringjnterferometer (1), bølgeutbredelsestiden mellom separasjonen og rekombinasjonen av disse er - lysfluksen sendt ut fra interferometeret (1) blir detektert og konvertert til et elektrisk signal som representerer den totale faseforskjellen 8<t>tmellom de motsatt utbredte bølgene, - en faseforskjell 8<t>m = 8<t>b+ 5<t>crmellom de motsatt utbredte bølgene blir generert, faseforskjellen 8<t>minkluderer en biasingkomponent 8<)>b og en tilbakekoblingskomponent 8<t>cr, - et elektrisk signal sendt ut fra detektoren (13) blir sendt til elektronisk innretning (19) og den elektroniske innretningen (19) bestemmer et første signal Si som funksjon av den målte parameteren, - det første signalet som er funksjon av den målte parameteren fremstiller den optisk fasemodulators (15) første kontrollsignal Vcr, bestemt slik at faseforskjellen 8<t>crfremstilt av dette mellom de motsatt utbredte bølgene motvirker faseforskjellen 8<t>p innført av den målte parameteren, - den elektroniske innretningen (19) bestemmer et andre signal S2som funksjon av lyseffekten P til lyskilden (3) fra det elektriske signalet sendt ut fra detektoren,karakterisert vedat den optiske fasemodulatoren (15) genererer en forstyrrelseskomponent 5<t>cp som legger seg til faseforskjellen 8<t>m=5<t>b<+>5<t>cr.