SE451761B - Ringlasergyro - Google Patents

Description

20 25 30 35 451 761 2 Avdriftshastigheten É på grund av retroreflektorns lägesänd- ring är: å = k âå cos W där k är en konstant bestämd av storleken på RLG:t. För ett 2x2,11s/o,632sx1o'6 °,sek/h, m, där 2,118 utgör RLG:ts skalfaktor i arcsek/puls och 0,6328Xl0_ utgör våglängden i meter. Cos W utgör den radiella komponen- °/h <2) typiskt gyro är k = 6 ten av expansionen projicerad mot ljusriktningen in i retro- reflektorn. I detta exempel är cos W 0,934. Genom kombination o,o7 °/h. För att reducera avdriftshastigheten till ett mer önskvärt värde, av ekv (l) och ekv (2) erhålles lösningen å = exempelvis 0,005 0/h, bör expansionen nedbringas med en fak- tor 14. Detta kan ske med termisk kompensering såsom angivits ovan, men är besvärligt.

Redogörelse för uppfinningen Ändamålet med den föreliggande uppfinningen är att till ringa kostnad åstadkomma en kompenserande strålkombinator för mekaniskt vibrerade RLG. Genom användning av optiska fib- rer i stället för konventionell optik kan en dubbel fotodetek- tor med tillhörande förstärkare placeras utanför RLG-höljet.

Detta har den fördelen att samtliga elektronikkomponenter flyttas bort från gyrohöljet. Likaledes undvikes den normalt använda kubiska hörnretroreflektorn, vilken är dyrbar.

En prisma utnyttjas för att koppla ljus från RLG:t till två optiska fibrer via stavlinser med lutningsindex. En optisk fibervibrationskompenserare är tangentiellt monterad relativt en cirkel med förutbestämd radie, så att kompensera- ren undanröjer vibrationseffekten från RLG:t.

För att skydda de optiska ytorna i kompenseraren kan en miniatyrbälg användas.

Den föreliggande uppfinningen innebar vidare en kombi- nation av en kompenserare och en strålkombinator till en en- het. Vidare innebär uppfinningen en utformning som undviker återkastat ljus inuti RLG:t genom användning av ett förskjutet montage av fiberoptiken relativt stavlinserna med lutnings- index. 10 l5 20 25 30 35 451 761 3 Föredragna utföringsformer Ovan angivna ändamål med och fördelar hos den före- liggande uppfinningen kommer att framgå närmare av den följ- ande beskrivningen, som ges i samband med bifogade ritningar, där fig. l visar ett snitt genom ett känt ringlasergyro, fig. 2 visar ett förenklat mekaniskt diagram för ring- lasergyrot enligt uppfinningen, fig. 3 visar en partiell planvy av ringlasergyrot för återgivning av dess kopplingsorgan för utgående ljus till optiska fibrer, fig. 4 visar en detaljvy för återgivning av den optiska vibrationskompensatorn, såsom den utnyttjas vid den föreliggan- de uppfinningen, fig. 5 visar en detaljvy av en strålkombinerare, såsom den utnyttjas vid den föreliggande uppfinningen med en dubbel fotodetektor, fig. 6 visar en detaljvy som åskådliggör en alternativ W. utföringsform med kompensatorn och strålkombineraren kombinera- de med varandra, fig. 7a visar ett symmetriskt arrangemang av en optisk fiber för anslutning till ringlasergyrot, vilket skulle med- föra återreflekterat ljus in i ringlasergyrot och fig. 7b visar en vy likartad den i fig. 7a men med en förskjuten montering av den optiska fibern för undvikande av återreflekterat ljus.

För att åstadkomma en grund för diskussionen av den föreliggande uppfinningen hänvisas först till fig. l som åskådliggör ett ringlasergyro (RLG) av känt slag. RLG:t har en triangulärt formad glaskeramisk kropp 10. Rörformiga kanal- sektioner 6, 7, 8 bildar triangelformiga sektioner som inne- håller gasblandningar såsom helium och neon. Större hålrum 2, 3, 4 sammanbinder de triangelformiga sektionerna för att bilda ett kontinuerligt hâlrum. En spegel 12 med hög reflexionsför- måga tillsluter det övre hörnet av gyrot med en liknande spegel 13 tillsluter det nedre vänstra hörnet. En utgångs- spegel l4 tillsluter det nedre högra hörnet av RLG:t. Utgångs- spegeln 14 har en halvförsilvrad del 2l. Spegelkombinationen 451 761 10 l5 20 25 30 35 4 14, 21 reflekterar ljus som infaller på densamma samtidigt som den medger ljuspassage ut från gyrots nedre högra ände.

' En första anod 15 är monterad i RLG:ts kropp l0 och har tillträde till kanalsektionen 6. En andra anod l6 är på liknande sätt monterad i RLG:ts kropp l0. En katod 17 är mon- terad vid den nedre kanten på den triangulära glaskeramiska gyrokroppen 10 och där föreligger tillträde mellan katoden och motsvarande kanalsektion 8. Vid elektrisk matning av anod- och katodelektroderna erhålles lasereffekt hos helium/neon- blandningen vari medurs- och motursstrålar uppträder i den sammankopplade kanalsektionerna 6, 7, 8. Radiella torsions- fjädrar 18 är monterade mellan en bärstav l9 och RLG:ts kropp l0. På grund av normala oregelbundenheter på speglarnas 12, l3, l4 ytor så kommer en stråle som infaller på en viss spe- gel icke att bli perfekt reflekterad. Snarare uppträder en viss àterkastning. Detta medför att den stående frekvensen mellan de båda strålarna försvinner vid låga insignalfrekven- ser för tröghetsrotationen. Detta anges som en "lâsnings- MH effekt", vilken har blivit uppmärksammad under senare tid vid känd teknik. Detta har undanröjts genom att RLG-kroppen 10 drivits med rotationssvängning (vibration). Organen för ut- förande av vibrering innefattar konventionellt en piezoelek- trisk aktiverare (ej visad) ansluten till fjädern 18 och på- verkande kroppen l0 till att erhålla en vinkelsvängning vid dess naturliga mekaniska resonansfrekvens.

Vibrationen överlagras gyrots aktuella rotation i tröghetsutrymme. Följaktligen är det nödvändigt att ta ut tröghetsrotationsdata som är fria från vibration. Exakt uttag- ning av aktuella data har tidigare genomförts genom användning av en kompenserande strålkombinerare. Denna strålkombinerare använder en kubisk hörnretroreflektor 20. De medurs och moturs gående laserstrålarna kombineras medelst den halvförsilvrade spegeln 21. Medurs- och motursstrålarnas heterodyn- eller blandningsförhållande avkännes med en dubbel fotodetektor 22, som är monterad på hållare som vanligtvis är fäst på ett hus som omger kombineraren och RLG:t i ett hermetiskt tillslutet rum (ej visat). Med detta förverkligande bildas en interfero- meter för medurs- och motursstrålarna. Enkelt uttryckt är en l0 15 20 25 30 35 451 761 5 interferometer varje anordning varmed en ljusstråle åtskiljes i tvâ eller flera delar genom en delvis transmission eller reflexion, varefter delarna återförenas efter att ha genom- löpt olika optiska banor. Den bildade interferometerns käns- lighet är lika med och motsatt den för RLG-utsignalen då.gyrot vibreras runt punkten A på stavens 19 axel. För att uppnå den nödvändiga exakta inställningen av strålkombineraren i linje med utgångsspegeln 14 så förutsättes en avvikelse "d" mellan axelpunkten A och det geometriska centrumet för RLG-kroppenlß.

Avvikelsen "d" är tilltagen lika med spegelns 14 tjocklek "t".

Vid känd teknik kombineras medurs- och motursstrålar- na så att en liten konvergensvinkel bildas mellan de båda strålarna när de når fotodetektorn 22. Genom att göra så bil- das ett interferensmönster som består av ljusa ytor åtskilda av mörka ytor. Det balkformade interferensmönstret förflyttar sig åt endera sidan beroende av den riktning varmed RLG:t roterar. Rotationsriktningen för RLG:t kan sålunda avkännas genom uppdelning av fotodetektorn i två områden åtskilda med en fjäderdel av avståndet mellan de ljusa områdena i det balk- formade mönstret. Utförandet av RLG:t är extremt känsligt för mekanisk stabilitet hos den kompenserande strålkombineraren med avseende på RLG:t. Såsom angivits ovan fastställer sig känsligheten själv i den avdrift från den verkliga utsignalen för tröghetsrotationsdata som uppträder på grund av strålkom- binerarens uppvärmning. Detta problem kräver en användning av lågexpanderande material i bärkonstruktionen som uppbär den kubiska hörnretroreflektorn.

Asymmetriska urtag 23, 24, 26 användes tillsammans med en förskjuten öppning 27 i kroppen 10 för att mekaniskt balan- sera kroppen lO kring dess bärstav 19. Denna balansering är nödvändig för att undvika mekanisk koppling till yttre linjära vibrationskällor.

Ett huvudproblem med sådana kända ringlasergyron som visas i fig. l härrör från den extrema känsligheten för tempe- raturgradienter över RLG-kroppens 10 symmetriaxel B - B. Dessa gradienter förändrar gasflödet i RLG-hålrummet, vilket medför utsignalpulser från RLG:t vid tidpunkter då någon verklig rota- tion i tröghetsutrymmet ej uppfattas av RLG:t. Instabilitet lO l5 20 25 30 35 451 761 6 uppkommer när det föreligger en förändring av yttertempera- turen. Skälet härtill är att det asymmetriska blocket indu- cerar asymmetriska temperaturgradienter som förorsakar asymme- triska mekaniska förändringar.

I fig. 2 återges en förenklad schematisk illustration av den föreliggande uppfinningen innefattande ett RLG 3l ut- rustat med tre speglar 33a, 33b, 33c. En medurs- och moturs~ stråle 32 går längs den optiska banan inuti RLG:t liksom vid kända anordningar. En liten del av strålen 32 matas genom spegeln 33a. RLG-kroppen 31 är mekaniskt vibrerad runt den centrala punkten 34. Normalt är vibrationsfrekvensen 400 Hz och vibrationsamplituden 100 bågsek. Såsom förklarats ovan minskar vibreringen låsningseffekterna i ett RLG. Samtidigt som dylika effekter elimineras påverkas även RLG:t av vibra- tionerna och genererar utsignaler som måste kompenseras innan en signal, som uppträder på den antydda utgången, kan användas för sitt ändamål, såsom för navigering. Denna kompensation genomförs av en vibrationskompensator 35, som är monterad på RLG:t på visst sätt. Såsom kan noteras är en tänkt cirkel 36 med radien R inskriven inom strålens 32 triangelbana. Vibra- tionskompensatorn 35, som kommer att beskrivas mer i detalj, är monterad med sin symmetriaxel tangentiellt till cirkeln 36.

En optisk fiber A är optiskt kopplad mellan spegeln 33a och vibrationskompensatorn 35. En andra optisk fiber C matar den optiska utsignalen från kompensatorn 35 till en strålkombine- rare 49. En tredje optisk fiber B är inkopplad mellan spegeln 33a och en optisk ingång på strålkombineraren 49.

Fig. 3 är en detaljåtergivning av hur medursstrâlen 37 och motursstrålen 38 passerar genom spegeln 33a och överkopp- las genom prismat 39 mot de optiska fibrerna A och B. Prismat har en kantvinkel W så att de båda strålarna 37, 38 utträder från prismat 39 vid nästan en infallsnormal. De båda stavlins- erna 40, 4l med lutande index fokuserar respektive strålar 38, 37 och matar dem till motsvarande optiska fibrer A och B. Dessa fibrer är av enkelmodstyp. Samtliga beskrivna komponenter kan fastställas på varandra med konventionellt transparent lim.

Stavlinserna 40, 41 är kommersiellt tillgängliga hos Nippon Sheet Glass Company, Japan. ëec l0 15 20 25 30 35 451 761 7 Av fig. 4 framgår i detalj den i fig. 2 allmänt med 35 betecknade optiska vibrationskompensatorn. Stavlinser 45, 44 av lutande indextyp kopplar var och en ljus ut från och in i respektive optiska fibrer A och B. Den ljusstråle som upp- träder vid 46 mellan varandra närliggande ytor på linserna 44,_ 45 kollimatiseras. Stavlinsens 44 är fastsatt på RLG-kroppen.

Stavlinsen 45 är fäst på en fast yta, såsom en kåpa som nor- malt omsluter RLG:t. Till skillnad från känd teknik behöver de diskuterade komponenterna ej förbindas med material med låg expansion. Orsaken härtill är att om expansion sker upp- träder den i radiell riktning från RLG:ts centrum. En sådan radiell expansion, där cos W = O, förorsakar icke några falska utsignalpulser. Med vibrationskompensatorn monterad så att dess symmetrilinje 47 utgör tangent till den inskrivna cirkeln 36 (fig. 2) ger en känslighet hos vibrationskompensatorn enligt fig. 4 som är exakt lika med men motriktad den för RLG:t.

Effekten blir ett fullständigt undanröjande av vibrations- pulserna i RLG:ts utsignal. »W Hela den optiska vibrationskompensatorn 35 kan skyddas mot omgivningens påverkan, såsom mot damm och fuktighetmedelst en bälg 48. Denna bälg är företrädesvis utförd av metall, exem- pelvis av elektropålagt nickel som gör kompensatorkomponenter~ na otillgängliga för fukt. Med ett sådant skydd på plats behövs ej något tätat RLG-hölje. Detta kan reducera fabrikationskost- naderna för RLG:t väsentligt jämfört med känd teknik.

Fig. 5 visar i detalj strålkombineraren som ovan all- mänt betecknats med 49 i fig. 2. Strålkombineraren 49 inne- fattar två stavlinser 50, 51 anordnade i huvudsak rätvinkligt mot varandra. En konventionell stråluppdelarkub 52 med ett femtio procents reflexionsskikt 53 är anordnad vid skärnings- punkten mellan linsernas 50, Sl symmetriaxlar. En dubbel foto- detektor 54 av konventionellt utförande är anordnad koaxiellt med kuben 52 och linsen 51, varvid fotodetektorn är anordnad på den sida om kuben som är vänd bort från linsen 51. En strål- absorberare 55 av konventionellt slag är koaxiellt anordnad med linsen 50 och kuben 52. Ändamålet med absorberaren 55 är att absorbera ljus som utsändes från linsen 50 och passerar genom kuben 52. Kuben är inreglerad så att ett 10 15 20 25 30 35 451 761 8 interferensmönster bildas på den dubbla fotodetektorn 54.

Detta sker genom att de båda infallande strålarna, som matas via linserna 50, 51 och kuben 52, får konvergera mot samma fotodetektorarea. Konvergensvinkeln väljes så att ett inter- ferensmönster bildas där ljuset på de båda fotodetektorsegmen- ten representerar 90 graders fasskiftning. När full ljusstyrka träffar ett segment har det andra sålunda 50 procents ljus- styrka. Detta tjänar ändamålet att indikera rotationsriktning- en för RLG:t. Litteraturen på området beskriver strålkombine- rare av den allmänna typ som illustreras i fig. 5, men med enbart en enkel fotodetektor i stället för den nu presentera- de dubbeldetektorn. Symmetrilinjen i dubbeldetektorn är så förlagd med avseende på konvergensvinkeln att vridningen av stavlinsen 44 på grund av vibrering gör att interferensmönst- ret skiftar utmed symmetrilinjen. Detta säkerställer att kom- pensatorn är okänslig för vibrationsamplituden.

Fig. 6 visar en alternativ utföringsform av en strål- kombinerare med fiberoptik. Utförandet enligt fig. 6 är en w kombination av kompensatorn enligt fig. 4 och strålkombinera- ren enligt fig. 5. Sålunda är identiska komponenter betecknade med samma hänvisningar. Skillnaden hos utföringsformen enligt fig. 6 ligger i lagringen av stavlinsen 51 med lutningsindex så att den huvudsakligen bildar tangenten till den inskrivna cirkeln 36 (fig. 2). Vidare är linsen 51 fysiskt lagrad på RLG-kroppen (eller en förlängning därav). Linsen 51 vibrerar således fram och tillbaka med RLG:t. De återstående komponen- terna, som visas till vänster om linsen 5l, är fysiskt lagrade i fast läge relativt en yta såsom RLG:ts kåpa. Även om det icke visas så kan en bälg finnas för att omsluta linserna 50, 51 och därmed tjäna som skydd mot damm och fukt om ett RLG- hölje helt undvaras. I det senare fallet skulle den återgivna fasta lagringen för kombinerarkomponenterna enligt fig. 6 kräva infästning på en annan fast yta.

Som alltid är återspegling i RLG:t av primär vikt eftersom den förorsakar låsning och ökande osäkerhet i den indikerade utsignalen även om detta minskas till minimum med vibrering. Återspegling från stavlinserna av lutningsindextyp kan minskas medelst antireflexion beläggning av de exponerade h? 10 15 20 25 30 35 451 761 9 plana ytorna. Emellertid är det möjligt att i det närmaste eliminera all återspegling såsom nu kommer att förklaras i 7a och 7b. 7a är en optisk fiber återgiven som om den är samband med fig.

I fig. anbringad vid en central punkt på ytan 59 på en stavlins av lutningsindextyp. Även om huvuddelen av ljuset kommer att av- ges från en motsatt yta 58 på linsen så förorsakar ytan 59 reflexion av en viss ljusmängd bakåt mot den optiska fibern.

Fig. 7b åskådliggör en modifikation av den optiska fiberanbringningen, vilken i det närmaste helt eliminerar återspeglingen. Genom förflyttning av den optiska fibern från dess ursprungligen åskådliggjorda symmetriska läge på stav- linsytan 59 till ett något sidoordnat läge så kan det reflek- terade ljuset från den plana ytan 58 fås att missa den op- tiska fibern, huvudsakligen fullt ut. Den optiska fiberns förskjutning relativt ytan 59 anges med måttet "e".

Följaktligen medför den ovan beskrivna uppfinningen ett förbättrat RLG som möjliggör lägre tillverkningskostnader och en stabil funktion. Större installationsflexibilitetföre- ligger hos uppfinningen eftersom elektronikkomponenterna kan placeras antingen utanför RLG-höljet (ej visat) eller också kan ett sådant hölje helt och hållet elimineras. Reduceringen av tillverkningskostnaderna uppnås genom användning av stan- dardkomponenter av lågpristyp, såsom stavlinser av lutnings- indextyp och optiska fibrer i stället för de väsentligt dyr- barare kubiska hörnretroreflektorer som krävs vid känd teknik.

Stabil funktion erhålles med avseende på temperaturförändring- ar medelst en montering av kompensatorer så att radiell tempe- raturexpansion ej kan ge en falsk utsignal från RLG:t. Vidare krävs ej förskjuten montering av RLG:t som vid tidigare känd teknik. Detta nedbringar termiskt inducerad avdrift i RLG:t till ett minimum. .

Den föreliggande uppfinningen gör det möjligt att mon- tera elektroniska komponenter utanför RLG-kroppen, varigenom värmen från dessa komponenter icke kommer att påverka RLG:t.

Genom att utföra RLG:t enligt uppfinningen kan det fås att arbeta i fuktiga, dammiga och i utrymmen med lågt tryck utan någon användning av hölje. Detta innebär en mindre dyrbar enhet. 451 761 10 Det bör inses att uppfinningen ej är begränsad till exakt de konstruktionsdetaljer som visas och beskrivs häri utan modifieringar kan utföras inom uppfinningens ram av fackmannen. n

Claims (10)

l0 15 20 25 30 451 761 ll PATENTKRAV

1. l. Ringlasergyro med medurs- och motursgâende ljusstrå- lar utmed en förutbestämd inre geometrisk bana (32) uppvisar en spegel (33a) vid en spets på banan, vilken spegel medger partiell ljustransmission och står i kontakt med ett prisma (39) för att rikta strålarna i förutbestämda riktningar, k ä n n e t e c k n a t av första och andra linsorgan (40,4l) som är kopplade till prismat (39) för fokusering av de genom detta matade strålarna, varvid första och andra optiska fibrer (A, B) med sina respektive första ändar är kopplade till lins- organen för att rikta strålarna ut ur gyrot samt av organ (fig. 5) för att kombinera de båda i de optiska fibrerna ledda strålarna och generera en däremot svarande elektrisk utsignal.

2. Gyro enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av att varje linsorgan (40, 41) utgörs av en stavlins med lut- ningsindex. ”

3. Gyro enligt patentkraven l och 2, k ä n n e - t e c k n a t av att kombinerarorganen (fig. 5) omfattar tredje och fjärde stavlinser (50, 51) med lutningsindex, vilka är anordnade att optiskt kommunicera med motsatta ändar på de optiska fibrerna (A, B) för fokusering av strålarna, samt av organ (52) för projicering av de fokuserade strålarna på foto- detekterande organ (54).

4. Gyro enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av optiska fiberorgan (35; fig. 4) anordnade i huvudsak tangentiellt relativt en inom den geometriska banan (32) in- skriven cirkel (36) och att optiskt koppla den första optiska fibern (A) till strålkombinerarorganet (fig. 5) för kompense- ring av mekaniska vibrationer som är pålagda gyrot.

5. Gyro enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a t av att de tredje och fjärde stavlinserna (50, 51) är oriente- rade vinkelrätt mot varandra samt av att projiceringsorganen (52) utgörs av en stråluppdelare som är anordnad mellan de tredje och fjärde stavlinserna för projicering av de fokuse- rade strålarna mot de fotodetekterande organen (54). 10 15 25 30 451 761 l2

6. Gyro enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t av att de fotodetekterande organen (54) omfattar en dubbel fotodetektor mot vilken ett av medurs- och motursstrâlarna bildat interferensmönster projiceras.

7. Gyro enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av en vibrationskompensator (fig. 4) omfattande dels en femte stavlins (45) med lutningsindex kopp- lad till den andra änden på den första optiska fibern (A) och fast lagrad i huvudsakligen ett tangentiellt förhållande till den inskrivna cirkeln (36) men fysiskt fri från gyrot, och dels en sjätte stavlins (44) med lutningsindex kopplad till en första ände av en tredje optisk fiber (C) och anordnad i ett tangentiellt förhållande till den inskrivna cirkeln så att de femte och sjätte stavlinserna (45, 44) ligger optiskt i linje med varandra, varvid den tredje optiska fiberns andra ände är kopplad till strålkombinerarorganets (fig. 5) tredje stav- lins (50).

8. Gyro enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a t is av en skyddsbälg (48) anordnad att omge de femte och sjätte stavlinserna (45, 44).

9. Gyro enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att den tredje stavlinsen (50) är fast lagrad fysiskt fri från gyrot medan den fjärde stavlinsen (51) är kopplad till gyrot för att utsättas för dess vibra- tioner, varigenom kompensation av vibrationsrörelsen erhålles.

10. Gyro enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a t av att förutbestämda optiska fibrer är monterade på motsvaran- de stavlinser i ett från centrum förskjutet läge (e) för und- vikande av överföring av återspeglat ljus från stavlinsen till dess optiska fiber (fig. 7b). “_60 A)