WO1999004222A1 - Faseroptischer kreisel - Google Patents

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WO1999004222A1
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light
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fiber
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Klaus Hilpert
Michael Neukirch
Wolfgang Ecke
Eberhard Handrich
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Litef Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/721—Details

Definitions

  • the invention relates to fiber-optic interferometers, in particular fiber-optic gyroscopes for determining rotation rates, in which light from a preferably stabilized light source, in particular a laser diode (LD) or a superluminescence diode (SLD), after two beam splitting with the same light intensity components in the two ends is injected into a fiber spool.
  • a preferably stabilized light source in particular a laser diode (LD) or a superluminescence diode (SLD)
  • LD laser diode
  • SLD superluminescence diode
  • the fiber-optic interferometer in particular yaw rate sensors with this basic structure, are known both in an open-loop arrangement and with a closed control loop, that is to say as a closed-loop arrangement.
  • it is also known to modulate the phase of the luminous flux passing through the fiber coil in such a way that the operating point for signal evaluation is always in the characteristic range of maximum measuring signal changes when the rotation rate changes. This modulation can be periodically or statistically distributed.
  • FIG. 2 illustrates the typical known structure of a Sagnac-type fiber gyroscope in an open-loop arrangement.
  • a depolarizer 5 and a phase modulator 7 being arranged between the outputs / inputs of the main beam splitter 4 and the inputs / outputs of the fiber coil 6.
  • the depolarizer 5 When using non-polarization-maintaining monomode fibers, the depolarizer 5 serves to ensure the interference ability of the light; it does not apply if polarization-maintaining fiber is used.
  • the phase modulator 7 is controlled by a modulation oscillator 8, which periodically or periodically the phase of the light portion intended for signal evaluation according to a known quasi-stochastic modulation method in each case at an operating point maximum sensitivity with respect to a rotation of the fiber spool 6 about its axis.
  • the accuracy of a fiber gyroscope - especially with open-loop configuration - depends, among other things, on the scale factor stability.
  • the scale factor in turn or its stability depends, among other things, on the properties of the light source. Considerable efforts have been made to stabilize the light source with regard to its zero point or against wavelength changes due to various causes, such as environmental influences, aging and production-related fluctuations, for which purpose the documents DE 40 37 1 18 C1, DE 38 05 915 C2 and EP 0 61 1 950 B1 may serve as selected examples.
  • the invention is therefore based on the object, the stability of the scale factor of a fiber optic Sagnac interferometer, in particular a fiber gyroscope in an open-loop design, or the reproducible accuracy of a fiber gyroscope in a closed-loop arrangement with regard to the influences of the zero point drift and the random walk to improve.
  • the technical teaching of the invention arose in order to increase the scale factor stability in fiber gyros in an open-loop arrangement by applying a small modulation current to the light source, the phase position of which is regulated so that the light passing through the interferometer is unmodulated remains, i.e. does not contain a modulation component.
  • the phase position and the amplitude of the modulation current must be regulated.
  • the same principle of compensating modulation of the light source can significantly reduce the zero point drift and / or the random walk.
  • a fiber gyroscope of the Sagnac type, in which stabilization takes place according to the invention, is the subject of patent claim 3.
  • Figure 1 shows the basic structure of a fiber gyroscope of the Sagnac type in an open-loop arrangement with control of the light source according to the invention.
  • Fig. 3 shows the basic structure of a Sagnac-type fiber gyroscope in a closed-loop structure with digital reset and control of the light source according to the teaching of the invention.
  • the aim of the invention is to eliminate, or at least significantly, the light modulations, which in particular enter the interferometer, with regard to the proportions of modulated light and their influence on the accuracy of the scale factor stability or the zero point and the influences of the random walk to reduce. In other words, make sure that no interfering light enters the interferometer.
  • a control loop influencing the light source 1 is provided with an additional detector 14 whose reference or control signal e.g. is tapped at an already free output / input of the first beam splitter (coupler) 2.
  • the output signal of the additional detector 14 provides, after filtering and / or amplification in 15, a modulation component which is small in comparison to the DC or direct current which excites the light source 1 (laser diode) and which is adjusted in amplitude and phase in such a way that the light emitted by the Light source 1 gets into the fiber and thus into the interferometer, no longer contains any modulated portion.
  • FIG. 3 illustrates the basic block diagram of a fiber gyroscope with digital reset.
  • the assemblies and components with the same or similar function that are also present in the fiber gyro without resetting according to FIGS. 2 and 1 are also provided with the same reference information in the illustration in FIG. 3, so that a renewed explanation can be dispensed with in this respect.
  • the closed control loop via a fiber gyro structure according to FIG. 3 determining modules include a scale factor controlled system with a demodulator 16 and an amplification filter 17, the output signal of which determines the amplification factor of a controllable amplifier 18 which controls the phase modulator 7.
  • the modulation oscillator 8 provides modulation patterns of different heights: modulo 2 ⁇ phase jumps provide the reference for the demodulator 16, while modulo ⁇ / 2 phase jumps provide the reference for the synchronous demodulator 19, the output signal of which is via a gain filter 20 and one digital ramp generator 21, on the other hand, provides the reset signal or the rotation rate signal ⁇ .
  • the modulation signal of the modulation oscillator 8, which determines the operating point, and the reset signal from the digital ramp generator 21 are combined in an addition stage 22 and determine the input signal for the controllable amplifier 18.
  • the scale factor is significantly influenced by the phase modulator, which resets the Sagnac phase and whose activation signal is readjusted by the controllable amplifier 18. This means that the influence of light modulation on the scale factor is negligible.
  • light source modulations can cause a zero point drift with periodic modulation and an increase in noise (random walk) with statistical modulation.
  • the direct coupling of the modulator voltages into the light source electronics is generally dominant.
  • a further detector 14 is present in the fiber gyro with closed control loop according to FIG. 3 at an output / input of the first beam splitter 2, by means of which a small modulation signal after filtering and amplification 15 is applied to the Light source 1 arrives, whereby the light modulation and thus possible signal noise components or possible zero point errors can be compensated.

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Abstract

Zur Erhöhung der Genauigkeit und/oder Stabilität des Skalenfaktors eines Faserkreisels vom Sagnac-Typ ohne Signalrückstellung (Open-Loop-Anordnung) bzw. zur Verminderung von Biasfehlern und Random Walk bei Faserkreiseln mit Signalrückstellung (Closed-Loop-Anordnung) wird gemäß der Erfindung die Lichtquelle (1) mit einem kleinen Modulationsstrom beaufschlagt, dessen Phasenlage und gegebenenfalls Amplitude über einen Regelkreis, dessen Referenz an einem auf die Lichtquelle (1) folgenden ersten Strahlteiler (2) abgegriffen wird, so geregelt wird, daß das von der Lichtquelle (1) in das faseroptische Interferometer (2 bis 6) gelangende Licht keinen Modulationsanteil enthält, der ohne diese Zusatzmaßnahme aufgrund des vom Interferometer zurückkommenden Lichts oder aufgrund von elektrischen Einstreuungen eine Verschlechterung der Kreiselstabilität zur Folge hat. Mit der Erfindung ist es möglich, Faserkreisel mit hoher Meßgenauigkeit herzustellen.

Description

FASEROPTISCHER KREISEL
Die Erfindung bezieht sich auf faseroptische Interferometer, insbesondere faserop- tische Kreisel zur Bestimmung von Drehraten, bei denen Licht aus einer vorzugsweise stabilisierten Lichtquelle, insbesondere einer Laserdiode (LD) oder einer Superlumineszenzdiode (SLD), nach zweimaliger Strahlteilung mit gleichen Lichtintensitätsanteilen in die beiden Enden einer Faserspule eingestrahlt wird. Die beiden Lichtanteile werden nach ihrem Weg durch die (in der Regel) aus polarisa- tions- oder nicht polarisationserhaltender Monomodefaser hergestellte Spule am zweiten Strahlteiler, dem Hauptstrahlteiler, interferierend überlagert. Nach Rücklauf durch einen Polarisator wird am ersten, näher bei der Lichtquelle liegenden Strahlteiler möglichst der halbe Anteil des interferierenden Lichts ausgekoppelt und beaufschlagt einen Photodetektor, dessen Ausgangssignal nach Verstärkung und Analog- /Digitalwandlung einer Frequenzanalyse und Signalauswertung zur Gewinnung eines Drehratensignals zugeführt wird. Das faseroptische Interferometer, insbesondere Drehratensensoren mit diesem prinzipiellen Aufbau sind sowohl in Open-Loop-Anordnung als auch mit geschlossener Regelschleife, also als Clo- sed-Loop-Anordnung bekannt. Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit ist es auch bekannt, den die Faserspule durchsetzenden Lichtstrom in der Phase so zu modulieren, daß der Arbeitspunkt für die Signalauswertung stets im Kennlinienbereich maximaler Meß Signaländerungen bei einer Änderung der Drehrate liegt. Diese Modulation kann periodisch oder statistisch verteilt erfolgen.
Die Fig. 2 veranschaulicht den typischen bekannten Aufbau eines Sagnac-Typ-Fa- serkreisels in Open-Loop-Anordnung. Das Licht einer hinsichtlich Intensität und Wellenlänge stabilisierten Lichtquelle, insbesondere einer LSD gelangt über eine Faserstrecke auf einen ersten Strahlteiler 2, von dort über einen Polarisator 3 auf einen zweiten Strahlteiler, den Hauptstrahlteiler 4. Von den beiden der Lichtquelle 1 abgewandten Aus-/Eingängen gelangen die durch Strahlteilung entstandenen Teillichtströme auf die beiden Ein- /Ausgänge einer Faserspule 6, wobei zwischen den Aus-/Eingängen des Hauptstrahlteilers 4 bzw. den Ein-/Ausgängen der Faserspule 6 einerseits ein Depolarisator 5 und andererseits ein Phasenmodulator 7 angeordnet sind. Der Depolarisator 5 dient bei Verwendung von nicht polarisati- onserhaltender Monomodefaser dazu, die Interferenzfähigkeit des Lichtes sicherzustellen; er entfällt, wenn polarisationserhaltende Faser verwendet wird. Der Phasenmodulator 7 wird durch einen Modulationsoszillator 8 angesteuert, der die Phase des für die Signalauswertung vorgesehenen Lichtanteils periodisch oder nach einem bekannten quasi-stochastischen Modulationsverfahren jeweils in einem Arbeitspunkt maximaler Empfindlichkeit hinsichtlich einer Drehung der Faserspule 6 um ihre Achse verschiebt. Die im Hauptstrahlteiler 4 nach Durchlaufen der Faserspule 6 interferierenden Lichtanteile durchlaufen wiederum den Polarisator 3 und werden über den ersten Strahlteiler 2 zu einem möglichst großen (halben) Anteil auf einen Photodetektor 9 geleitet, dessen Ausgangssignal zunächst in 10 verstärkt und in bestimmter Weise gefiltert, sodann in 11 A/D-gewandelt und anschließend in 12 einer Frequenzanalyse und einer Signalauswertung 13 zur Gewinnung des Drehratensignals Ω zugeführt wird.
Die Genauigkeit eines Faserkreisels - insbesondere bei Open-Loop-Konfigura- tion - hängt unter anderem von der Skalenfaktorstabilität ab. Der Skalenfaktor seinerseits bzw. dessen Stabilität ist unter anderem von den Eigenschaften der Lichtquelle abhängig. Um die Lichtquelle hinsichtlich ihres Nullpunktes bzw. ge- gen Wellenlängenänderungen aufgrund verschiedener Ursachen, wie Umwelteinflüsse, alterungs- und herstellungsbedingte Schwankungen usw. zu stabilisieren sind erhebliche Anstrengungen unternommen worden, wofür die Druckschriften DE 40 37 1 18 C l , DE 38 05 915 C2 sowie EP 0 61 1 950 B l als ausgewählte Beispiele dienen mögen.
Es wurde jedoch festgestellt, daß solche Bemühungen zur Stabilisierung der Lichtquelle bzw. durch Kompensation von Lichtquellenwellenlängenänderungen nicht ausreichen, um den Skalenfaktor - soweit die Lichtquelle diesen beeinflußt - ausreichend stabil zu halten, wenn eine bestimmte Meßgenauigkeit verlangt wird.
Bei Closed-Loop-Aufbau andererseits bereiten vor allem zwei Einflußgrößen, nämlich die Nullpunktdrift (Biasdrift) und das Signalrauschen (Random Walk) im Meßsignal, verursacht vor allem durch die elektrische Ansteuerung der Lichtquelle und durch Übersprechen der Modulationsspannung am I/O-Chip auf die Licht- quellenelektronik, besondere Genauigkeitsprobleme.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die Stabilität des Skalenfaktors eines faseroptischen Sagnac-Interferometers, insbesondere eines Faserkreisels in Open-Loop-Aufbau, bzw. die reproduzierbare Genauigkeit eines Faserkreisels in Closed-Loop-Anordnung hinsichtlich der Einflüsse der Nullpunktdrift und des Random Walk zu verbessern.
Um den Skalenfaktorfehler bei Open-Loop Faserkreiseln gering zu halten, wurde zunächst die Verwendung eines optischen Isolators untersucht. Die Ergebnisse waren jedoch aufgrund zumindest teilweise fehlender Reproduzierbarkeit nicht befriedigend. Aber auch aus Kostengründen wurde dieser Lösungsansatz als wenig erfolgversprechend eingestuft.
Es wurde jedoch auch beobachtet, daß das vom Interferometer zurückkommende Licht, das zu einem gewissen Anteil reflektiert wird und zurück in das Interferometer gelangt, den Skalenfaktor verschlechtert. Diese Rückstreuung oder Reflexion kann z.B. an der Lichtquelle und/oder am Detektor erfolgen und hängt vom Aufbau ab. Meist nicht vermeidbar sind Rückstreuungen an der Lichtquelle, z.B. durch Beeinflussung der abgegebenen Lichtleistung durch das vom Interferometer zurückkommende Licht. Daraus folgt die Erkenntnis, daß der zum Interferometer (z.B. von der Lichtquelle aus) zurückgestreute Anteil an moduliertem Licht beseitigt werden müßte, und zwar entweder durch Unterdrückung oder durch Kompen- sation. Als weitere Ursache der Lichtmodulation wurde erkannt, daß bei kompakten Aufbauten ein Übersprechen der Modulationsspannung in die Lichtquellenelektronik unvermeidlich ist und zu einer Modulation der Lichtintensität führt.
Auf dieser Erkenntnis basierend entstand die technische Lehre der Erfindung da- hingehend, daß zur Erhöhung der Skalenfaktorstabilität bei Faserkreiseln in Open-Loop-Anordnung die Lichtquelle mit einem kleinen Modulationsstrom zu beaufschlagen sei, dessen Phasenlage so geregelt wird, daß das das Interferometer durchsetzende Licht unmoduliert bleibt, also keinen Modulationsanteil enthält. Dabei ist die Phasenlage und die Amplitude des Modulationsstroms zu regeln.
Für Faserkreisel mit Signalrückstellung, also mit geschlossenem Regelkreis, läßt sich mit dem gleichen Prinzip einer kompensierenden Modulation der Lichtquelle eine erhebliche Reduzierung der Nullpunktdrift und/oder des Random Walk erreichen.
Ein Faserkreisel vom Sagnac-Typ, bei dem eine Stabilisierung gemäß der Erfindung erfolgt, ist Gegenstand des Patentanspruchs 3.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Faserkreisels vom Sagnac-Typ in Open- Loop-Anordnung mit Regelung der Lichtquelle gemäß der Erfindung;
Fig. 2 den bereits erläuterten prinzipiellen Aufbau eines bekannten Faserkrei- sels in Open-Loop-Technik; und
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Sagnac-Typ-Faserkreisels in Closed-Loop- Aufbau mit digitaler Rückstellung und Regelung der Lichtquelle gemäß der Lehre der Erfindung.
Bereits anhand der Fig. 2 erläuterte Teile, Abschnitte und Funktionsweisen des Faserkreiselsaufbaus gemäß Fig. 1 werden nachfolgend nicht mehr näher erläutert.
Wie oben erwähnt, ist es das Ziel der Erfindung, die Lichtmodulationen, die insbesondere in das Interferometer gelangen, hinsichtlich der Anteile von moduliertem Licht und ihres Einflusses auf die Genauigkeit der Skalenfaktorstabilität bzw. des Nullpunkts und der Einflüsse des Random Walk zu beseitigen oder zumindest erheblich zu reduzieren. In anderen Worten, es ist sicherzustellen, daß kein modu- liertes Licht in das Interferometer gelangt, das stört.
Um dies zu erreichen ist gemäß der Erfindung (vgl. Fig. 1) ein die Lichtquelle 1 beeinflussender Regelkreis vorgesehen mit einem zusätzlichen Detektor 14 dessen Referenz- oder Ansteuersignal z.B. an einem ohnehin freien Aus-/Eingang des er- sten Strahlteilers (Kopplers) 2 abgegriffen wird. Das Ausgangssignal des zusätzlichen Detektors 14 liefert nach Filterung und/oder Verstärkung in 15 einen im Vergleich zum die Lichtquelle 1 (Laserdiode) erregenden DC- oder Gleichstrom kleinen Modulationsanteil, der in der Amplitude und Phase so eingestellt wird, daß das Licht, das von der Lichtquelle 1 aus in die Faser und damit in das Inter- ferometer gelangt, keinen modulierten Anteil mehr enthält.
Die Fig. 3 veranschaulicht das Prinzip-Blockschaltbild eines Faserkreisels mit digitaler Rückstellung. Die auch bei dem Faserkreisel ohne Rückstellung gemäß Fig. 2 bzw. 1 vorhandenen Baugruppen und Bauteile mit gleicher oder ähnlicher Funk- tion sind auch bei der Darstellung in Fig. 3 mit den gleichen Bezugshinweisen versehen, so daß insoweit eine erneute Erläuterung erübrigt werden kann.
Zu den die geschlossene Regelschleife über einen Faserkreiselaufbau nach Fig. 3 bestimmenden Baugruppen gehört eine Skalenfaktorregelstrecke mit einem Demo- dulator 16 und einem Verstärkungsfilter 17, dessen Ausgangssignal den Verstärkungsfaktor eines den Phasenmodulator 7 ansteuernden regelbaren Verstärkers 18 bestimmt. Der Modulationsoszillator 8 liefert Modulationsmuster unterschiedli- eher Höhe: Modulo-2π-Phasensprünge liefern die Referenz für den Demodulator 16, dagegen bilden Modulo-π/2-Phasensprünge die Referenz für den Synchronde- modulator 19, dessen Ausgangssignal über ein Verstärkungsfilter 20 einerseits und einen digitalen Rampengenerator 21 andererseits das Rückstellsignal bzw. das Drehratensignal ΔΩ bereitstellt. Das den Arbeitspunkt bestimmende Modulati- onssignal des Modulationsoszillators 8 bzw. das Rückstellsignal vom digitalen Rampengenerator 21 werden in einer Additionsstufe 22 kombiniert und bestimmen das Eingangssignal für den regelbaren Verstärker 18.
Beim Faserkreisel mit digitaler Rückstellung (Closed-Loop) wird der Skalenfaktor wesentlich durch den Phasenmodulator beeinflußt, der die Rückstellung der Sagnac-Phase vornimmt und dessen Anstellsignal durch den steuerbaren Verstärker 18 nachgeregelt wird. Dadurch ist der Einfluß der Lichtmodulation auf den Skalenfaktor vernachlässigbar. Dagegen können Lichtquellenmodulationen eine Nullpunktdrift bei periodischer Modulation und eine Erhöhung des Rauschens (Random Walk) bei statistischer Modulation bewirken. Dabei sind im allgemeinen die direkten Einkopplungen der Modulatorspannungen in die Lichtquellenelektronik dominant.
Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen ist nach der Erfindung auch bei dem Fa- serkreisel mit geschlossener Regelschleife gemäß Fig. 3 an einem Aus-/Eingang des ersten Strahlteilers 2 ein weiterer Detektor 14 vorhanden, durch den ein kleines Modulationssignal nach Filterung und Verstärkung 15 auf die Lichtquelle 1 gelangt, wodurch die Lichtmodulation und damit mögliche Signalrauschanteile bzw. eventuelle Nullpunktfehler kompensierbar sind.
Erfolgreiche Versuche haben gezeigt, daß es aufgrund der Erfindung mit vergleichsweise geringen Zusatzkosten möglich ist, Faserkreisel in Open-Loop-Tech- nik mit wesentlich besserer Skalenfaktorgenauigkeit herzustellen. Für Faserkreisel mit Rückstellung werden die Einflüsse des Random Walk reduziert und die Nullpunktstabilität verbessert. Gegenüber anderen bekannten oder vorgeschlagenen Möglichkeiten lassen sich die Gesamtkosten für einen Faserkreisel mit sehrhoher Genauigkeit reduzieren.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Erhöhung der Stabilität eines interferometrischen Faserkreisels von Sagnac-Typ, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) zusätzlich zur normalen DC-Erregung mit einem kleinen Modulationsstrom beaufschlagt wird, dessen Phasenlage so geregelt wird, daß das von der Lichtquelle in das Interferometer gelangende Licht unmoduliert bleibt, also keinen Modulationsanteil enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Phasenlage auch die Amplitude des Modulationsstroms, angepaßt an die Art der verwendeten Lichtquelle, geregelt wird.
3. Sagnac-Typ-Faserkreisel mit einer Lichtquelle ( 1) , - einem ersten (2) und einem zweiten Strahlteiler (4), einer an die der Lichtquelle ( 1) und dem ersten Strahlteiler (2) abgekehrten Ausgänge des zweiten Strahlteilers (4) angekoppelten Faserspule (6), einem ein Ende der Faserspule (6) mit einem Modulationssignal beaufschlagenden Phasenmodulator (7), sowie mit - einem an einen Eingang des ersten Strahlteilers (2) angeschlossenen Auswertungsdetektor (9), der das interferierende, von der Faserspule zurückkommende Licht erfaßt und dessen Ausgang auf eine Frequenzanalyse- und Signalauswerteschaltung zur Ausgabe einer Drehrate (Ω; ΔΩ) geschaltet ist, gekennzeichnet durch einen an einen weiteren Aus-/Eingang des ersten Strahlteilers (2) angeschlossenen weiteren Detektor ( 14), dessen Ausgangssignal nach Verstärkung als Vorgabesignal auf einen Eingang einer Verstärkungs- und Phasenregelschaltung ( 15) gelangt, durch welche die Lichtquelle (1) mit einem Modulationsstrom beaufschlagt wird, der hinsichtlich Phase und Amplitude derart abgestimmt ist, daß das in das Interferometer (2 bis 6) abgestrahlte Licht keinen modulierten Anteil enthält.
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