WO2005071424A1 - Detection of speed components - Google Patents

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WO2005071424A1
WO2005071424A1 PCT/EP2005/000515 EP2005000515W WO2005071424A1 WO 2005071424 A1 WO2005071424 A1 WO 2005071424A1 EP 2005000515 W EP2005000515 W EP 2005000515W WO 2005071424 A1 WO2005071424 A1 WO 2005071424A1
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path
paths
speed
emission
reflector
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PCT/EP2005/000515
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Inventor
Klaus Wolter
Original Assignee
Klaus Wolter
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
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    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/50Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring linear speed
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/12Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for detecting a speed component.
  • the invention also relates to a system which has at least one such device.
  • Speed measurements are usually carried out relative to a reference system and therefore require external information. Independent speed measurements are also possible.
  • the device can have two paths of different physical lengths, into which wave-shaped signals are fed. Different physical lengths mean that the running time of the waves on the two paths is different when the device is idle. To determine a speed component, relative phase changes of the waves that leave the two paths, which are dependent on the speed of the device, can then be recorded and evaluated.
  • the relative phase changes can be recorded in particular by superimposing the signals emerging from the paths, so that the interference pattern that arises can be evaluated. To do this, the signals must be capable of interference. That means that
  • BESTATIGUNGSKOPIE Signals are emissions from a single source with a corresponding coherence length, or that the signals are emissions from multiple, suitably coupled sources.
  • the relative phase changes can result, for example, from effects according to Pizeau and Sagnac.
  • relative phase changes are also caused by the second-order Doppler effect on which the present invention is based.
  • the phase shift due to the second-order Doppler effect is significantly less than the phase shift due to the Sagnac effect.
  • the difference is on the order of v / c, where v is the speed of the device and c is the speed of light.
  • a light source emits a light beam, which is split via a beam splitter.
  • a first partial beam strikes a first mirror and is reflected back to the beam splitter. This creates a first interferometer arm.
  • a second partial beam hits a second mirror and is reflected back to the beam splitter. This forms a second interferometer arm.
  • the length of the first interferometer arm is greater than the length of the second interferometer arm.
  • BESTATIGUNGSKOPIE Partial beams are superimposed on one another and fed to an evaluation device in which the phase difference between the two partial beams is determined.
  • the length of the first interferometer arm in comparison to the length of the second interferometer arm determines the resolution of the measurement result.
  • the length of the first interferometer arm is limited for a compact measuring device.
  • the first partial beam is not reflected back to the beam splitter, but is guided to a superimposition location via several mirrors.
  • the beam splitter also feeds the second partial beam directly to this superposition location.
  • a laser has two resonance spaces that are different from one another and excited via separate anodes, from each of which a laser beam is coupled out.
  • the detection is carried out by measuring the difference between the frequencies of the outcoupled laser beams.
  • the outcoupled laser beams are not coherent and therefore not capable of interference, which makes the evaluation impractical.
  • the difference in length of the paths achieved is relatively small, which prevents high resolution.
  • the invention is based on the object of enabling an improved measurement of speed components.
  • the object is achieved by an apparatus for detecting a velocity component which at least a source, at least two paths of different physical length and an evaluation device comprises'.
  • the at least one source is designed to feed coherent emissions into each of the at least two paths. There is therefore a fixed phase relationship between the emissions components fed in.
  • Each is at least two paths trained to direct a fed-in emission component in the same way to a reflector closing the path, and after reflection by the reflector to the evaluation device. The longer of the at least two paths deviates from a direct connection between its beginning and the reflector closing the path.
  • the evaluation device is also designed to detect a change in the phase shift between the emission components supplied by the paths compared to a phase shift when the device is at rest as a basis for determining a speed component.
  • the object is also achieved by a system for detecting a speed, which comprises one or more such devices.
  • the object is achieved by a method for detecting a speed component of a device.
  • the method comprises feeding in coherent emissions in at least two paths of different physical lengths.
  • the method further comprises forwarding a fed-in emission component on each of the at least two paths in the same way to a reflector that closes the path, and after reflection by the reflector to an evaluation device, the emission component on the longer path deviating from a direct connection between the Start of the longer path and the reflector that closes the path.
  • the method comprises detecting a change in the phase shift between the emission components fed from the paths to the evaluation device compared to a phase shift when the device is at rest
  • BESTATIGUNGSKOPIE Basis for determining a speed component
  • the invention is based on a device in which a change in the phase shift between the emission components spreading on two paths of different lengths is determined.
  • the change in phase shift can be caused by the second-order Doppler effect as soon as the device moves.
  • the invention is based on the consideration that the longer path to achieve a particularly long path length in a compact device can have deviations from a straight line.
  • the invention is also based on the consideration that undesirable influences by the Sagnac effect can be prevented if there is a path to each path component in one direction of an emission component
  • a non-rectilinear path is used, which, on the other hand, is closed off by a reflector, which ensures that an emission component that has traversed the path subsequently traverses the path in the opposite direction before it is fed to an evaluation device becomes. This avoids circular shares on the way of the emission shares.
  • the invention has the advantage that it enables reliable and independent speed measurement. It can be realized in the smallest space and is therefore particularly flexible and versatile. A separate compensation of the Sagnac effect in the case of a rotary movement is not necessary in order to filter out the second-order Doppler effect, since the Sagnac effect is completely compensated for by the construction of the device itself, and not only kept as low as possible as in EP 0 220 378 AI.
  • the longer path is at least twice as long as a direct connection between its starting point and the reflector closing the path due to its deviation from a straight line in one embodiment of the device according to the invention.
  • the starting point of the longer path can be, for example, the source that provides an emission component for this path, but also, for example, the point at which an emission provided jointly for both paths is split into two emission components.
  • the at least one source can be designed in a wide variety of ways and provide different types of emission components. In particular, it can provide any emission components with a known wavelength. Wavelength is the universal physical wavelength that can be assigned to any object.
  • the at least one source can comprise, for example, a light source, for example in the form of any LASER. Alternatively, the at least one source can also comprise, for example, a MASER or an electron beam source.
  • BESTATIGUNGSKOPIE Emission components supplied to paths can also be output simultaneously or at intervals.
  • the only thing that matters is that the phase offset between the emission components on the two paths is known when the device is at rest. It goes without saying that a single source can generate a single emission, which is then appropriately split into the emission components. If, on the other hand, the at least one source generates several emissions, the respective emission component can also comprise a complete emission.
  • the paths used can also be designed in a wide variety of ways, as long as they are suitable for forwarding the emission components generated by the source.
  • the paths can be made of the same material or different materials.
  • a single path can also be homogeneous or inhomogeneous. It can consist of one material or consist of several parts made of different materials.
  • At least the longer path is formed in a propagation medium by means of reflectors which repeatedly reflect an emission to lengthen the path back and forth before the emission is fed to a final reflector and which takes the same path back.
  • Such path design can be used, for example, with a light source as the source.
  • path guidance in a propagation medium that does not limit the path via pure reflections has the advantage that entrainment effects that are present in conductors are prevented can prevent the required phase shift when the speed changes.
  • a change in the phase shift between the emission components spreading on the at least two paths due to a translational movement of the device can be achieved in that the emission components on the two paths take different lengths of time in the idle state of the device to traverse the path, i.e. due to different physical lengths of the paths.
  • This can be achieved, for example, in that the geometric path length on one path is longer than on the other and / or in that the propagation speed on one path is longer than on the other, for example due to different refractive indices of different materials used.
  • the greater the difference in transit time on the two paths the greater the resolution of the recorded speed.
  • the paths can already. be designed in their geometric design in such a way that a rotational influence on the phase position of the emission components is prevented from the outset.
  • This can be achieved in that each of the paths has essentially equally large parts of the path on opposite sides of a direct connection between its beginning and the end of the path
  • BESTATIGUNGSKOPIE Has reflector The imaginary straight line usually corresponds to the measuring direction of the device.
  • the device further comprises at least one acceleration sensor, with which a reference to the local gravitational normal can be made even without movement.
  • an acceleration sensor can be used to determine the orientation of the device in space in an initial state, from which the speed of the device is determined according to the invention.
  • Only a device according to the invention is required for a speed measurement in a single spatial direction. This device is then aligned in such a way that its measuring direction coincides with the desired spatial direction. In addition, the device can be rotated until a maximum change in the phase shift between the emission components is achieved. The direction of movement then corresponds to the measuring direction of the device in the position in which the maximum change is achieved.
  • a single source can optionally be used simultaneously to generate emissions for several of the devices.
  • a light source can simultaneously emit a light signal in a plurality of suitably aligned paths
  • the system comprises at least six of the devices according to the invention. With a suitable arrangement of the measuring directions of the six devices, any movement can then be recorded in terms of size using mathematical calculations.
  • the accuracy of the measurements depends in particular on the wavelength of the emissions and on the differences in transit time on the at least two paths.
  • the possible repetition rate of the measurements depends in particular on the running time of the emission component on the path with the longer running time and on the time required for the evaluation.
  • a device according to the invention can be used to determine its own speed.
  • the device itself can have further components and functions, in particular those for which the speed measurement is of interest. If the device is brought into a fixed relationship to another moving object, the speed of any objects can also be determined by means of a device according to the invention. The same applies to the system according to the invention.
  • the invention can be used in a wide variety of fields, for example for determining speed, location and position in a navigation system or for detecting the movements of a computer mouse.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment of the device according to the invention and Fig. 2 schematically shows an embodiment of the system according to the invention.
  • Figure 1 schematically illustrates an exemplary embodiment of the device according to the invention, which allows the detection of a speed component, i.e. the speed in a certain direction.
  • the device comprises a source 10 at an emission location and a phase comparator 11 with a detector (not shown separately) at a measurement location.
  • the source 10 can be, for example, a LASER that emits a light signal.
  • the device further comprises a propagation medium 12 which is delimited at the top and at the bottom by smiling reflectors 21, 22.
  • the source 10 is arranged on an imaginary, elongated straight line through the propagation medium 12 parallel and equidistant to the reflectors 21, 22.
  • a radiation splitter 24, a fourth reflector 25 and a fifth reflector 26 are also arranged on the imaginary straight line, starting from the third reflector 23 in this order.
  • the source 10 If the source 10 generates an emission, it first strikes the third reflector 23.
  • the third reflector 23 allows the emission to pass, so that it enters the propagation medium 12.
  • the radiation splitter 24 in the propagation medium 12 allows a first emission component to pass without being deflected.
  • the first emission component strikes the fourth reflector 25 perpendicularly, is reflected there and runs back to the third reflector 23.
  • the third reflector 23 deflects the first emission component in the direction of the phase comparator 11.
  • the beam splitter 24 deflects a second portion of the emission generated by the source 10 upwards.
  • This second emission component strikes the upper, first reflector 21, is reflected by this, strikes the lower, second reflector 22, is reflected by this, strikes the upper, first reflector 21, is reflected by the latter, etc.
  • the deflection angle by the beam splitter 24 is so
  • BESTATIGUNGSKOPIE set that the second emission component is finally fed from the lower reflector 22 exactly to the fifth reflector 26.
  • the second emission component strikes the fifth reflector 26 perpendicularly.
  • the fifth reflector 26 consequently reflects the incoming second emission component in such a way that it takes the same path back via the second reflector 22 and the first reflector 21 to the third reflector 23.
  • the third reflector 23 also deflects the second emission component in the direction of the phase comparator 11.
  • a first path 31 is thus formed between the beam splitter 24 and the fourth reflector 25 and a second path 32 is formed between the beam splitter 24 and the fifth reflector 26.
  • the first path 31 has equal parts on opposite sides of the imaginary straight line, while the second path 32 has no parts that deviate from the imaginary straight line.
  • the emission components from the two paths 31, 32 are superimposed to form an interference signal.
  • the phase comparator 11 evaluates the interference signal resulting from the two emission components. If the device is in an idle state, this results from the different path lengths
  • BESTATIGUNGSKOPIE certain phase offset between the emissions. If the device moves with a directional component that corresponds to the imaginary straight line, this phase shift changes.
  • the phase comparator 11 determines the extent of the change and, based on this, the translatory speed of the device.
  • the imaginary straight line also corresponds to the measuring axis of the device.
  • a runtime of t x can result on the path 31 in the idle state and a runtime of t 2 on the path 32.
  • the transit time t x is greater than the transit time t 2 , since the path 31 is longer than the path 32.
  • an interference signal is thus formed at the measurement location at the times t 0 and t 0 + (t ⁇ -t 2 ) generated emissions.
  • the propagation speed in the propagation medium 12 is reduced by v 2 / c 2 due to the second-order Doppler effect.
  • v is the component of the speed of the device in the direction of the measuring axis
  • c is the speed of propagation in the propagation medium 12 when the device is stationary.
  • a runtime of t x - ⁇ t ⁇ then results on path 31 and a runtime of t 2 - ⁇ t 2 on path 32. Due to the different path lengths, ⁇ ti is greater than ⁇ t 2 , the extent of the difference depending on the speed of the device in the direction of the measuring axis.
  • the phase shift between the two emission components at the measurement location also changes depending on the
  • BESTATIGUNGSKOPIE Speed of the device in the direction of the measuring axis is the BESTATIGUNGSKOPIE Speed of the device in the direction of the measuring axis.
  • the change in the phase shift between the emission components on the two paths 31, 32 results in a periodic interference signal consisting of emission components generated at times t 0 and t 0 + ((t ⁇ - ⁇ t x ) - (t 2 - ⁇ t 2 )).
  • the phase comparator 11 determines the extent of the phase change on the basis of the interference signal and the translational speed v of the device in the direction of the measurement axis on the basis of this.
  • source 10 paths 31, 32 and phase comparator 11 corresponds to the Kennedy-Thorndike interferometer.
  • the determined speed can then be used in any way, for example for an immediate display of the speed on a display unit or for calculations in a navigation system.
  • the components required for the further processing of the determined speed can be integrated in the device 1 or connected externally to it, for example as part of another device.
  • FIG. 2 shows schematically an embodiment of the system according to the invention, which allows a measurement of any translational and rotational speeds.
  • the system is in the form of a cube.
  • Each of the six sides of the cube comprises one of the devices according to FIG. 1.
  • the measuring axis 50, 51, 52 of the respective device is indicated on the three visible sides of the cube 40, 41, 42.
  • the three hidden sides of the cube each comprise a device with a measuring axis in opposite orientation compared to the measuring axis 50, 51, 52 of the device on the opposite side of the cube 40, 41, 42.
  • a processing unit (not shown) evaluates the one recorded for the six directions Speed of the system and determines the total speed of the system, including translational and rotary
  • This method and / or this device for measuring speed vectors is based on the effects according to Fizeau, Sagnac and Doppier and is characterized in that there is at least one (and or more) emission location at least one (and / or more) source, the Emission itself on at least two paths, each with a known speed and a known wavelength (here the universal physical wavelength is meant that each object assignable) and spreads evaluable interferences in particular, but not necessarily only for the time of the respectively necessary measurement duration at one or more measurement locations, as well as at least one of the paths from the emission location (s) of this type to the location (s) Measuring location (s) in such a way that the phase position given on this path is shifted against that of another path by a translational event.
  • the named effects and thus the measurement signal occur when the emission can spread unhindered on the planned propagation paths; in other words: the emission has the necessary degrees of freedom for its propagation and thus the necessary degrees of freedom for the
  • BESTATIGUNGSKOPIE Occurrence of the effects Illustrated and thus put simply: Is z. B. a photon in an optical waveguide exists only in the longitudinal mode, there is only one degree of freedom in this mode and only in this degree of freedom there will be detectable effects.
  • the selection of a preferred measuring direction can and is predetermined by the construction and physical properties of the sensor, that is to say by determining the degrees of freedom of the propagation.
  • the wavelength of the emission and the difference in transit time along the paths are decisive for the possible resolution of the previously proposed method and / or the previously proposed device.
  • the capabilities of the phase comparator as well as the static and systematic errors are subordinate.
  • BESTATIGUNGSKOPIE within the manifold represent special cases of the principle and other embodiments are modifications of this.
  • the source is a light source.
  • a laser of any type linear ring laser (this can of course still be used for angle measurements) solid-state, gas, and liquid lasers, just to present the generic terms. Techniques such as exotic physical effects such as quantum well and superfluorescence or similar must be probably not be listed individually). And so the known speed is the speed of light.
  • the source is any kind of burl.
  • variations with materials in which the propagation speeds are different can be specified as solutions for the paths, as well as variations in path lengths as well as the combination of both approaches.
  • the emission is divided between the paths and brought together again for interferometric evaluation.
  • the lock-in effect has an effect on the design of some embodiments (to put it simply: the fixation of a vibration node to an interfering part).
  • the lock-in effect is necessary for at least two of the three room dimensions. If it is not available for one spatial direction (e.g. laser gyroscope), the path of greatest difference must have a vector component orthogonal to this spatial direction in order to obtain a usable measurement signal. The reason for this is that in this case the Sagnac effect does not play a role in the movement in this lock - in free space dimension, but rather the shift of the phase due to the shift in the emission location due to the speed in interaction with the different transit times to the individual paths comes about.
  • the two paths (path 1 have a signal propagation time of ti and path 2 have one of t 2 and let t x > t 2.
  • Eg ti a * t 2 ) a signal with identical phase position is fed in at time t 0 . If the device does not move, there is an interference signal at the measuring location formed from the signals emitted at times t 0 and -t 0 + (t ⁇ -t2). Now the device with a
  • Velocity v ⁇ l / ⁇ t moves, so the displacement due to this movement and the respective path add to both paths, i.e. the respective transit time becomes longer (Sagnac effect), namely for path 2 by ⁇ t and for path 1 by a * At.
  • Phase position of t 2 + ⁇ t corresponds. And this change in the difference in the phase positions as a function of the speed v by (a-1) * ⁇ t results in a periodic interference signal.
  • the path greatest difference must have a vector component orthogonal to this spatial direction, as already described.
  • this vector component there is a change in the phase difference by (a-1) * ⁇ t in a manner similar to the one above.
  • the previously proposed method and / or the previously proposed device for measuring speed vectors captures all speeds / speed vectors in sum in the case of a three-dimensional measurement, e.g. starting from the speed of the Milky Way in the universe known to us, to the movement of the solar system with respect to of the galactic center, about the movement of the earth in the solar system, about the movement of the earth itself, as well as the movement of the earth's crust up to the self-movement of the object to be measured, such as the self-speed of the device itself. To determine the correspondingly considered vector component, the others must therefore be subtracted.
  • Another embodiment uses, for example, in particular a laser, a laser diode (consequently a linear gas, liquid or solid-state laser, as well as a ring laser of whatever type) as the source.
  • a laser for example, a laser diode (consequently a linear gas, liquid or solid-state laser, as well as a ring laser of whatever type) as the source.
  • an interference evaluation device Phase comparator
  • There the phase position of the previously emitted (stored) light is then compared with that of the later emitted light.
  • optical fiber is now laid according to the requirement (see above) for selecting a spatial direction.
  • a physically analog structure with reflectors and beam splitters is used.
  • the light of the laser used here can be used at the same time for all of the further split optical waveguides for measuring further spatial directions.
  • Another preferred embodiment uses the structure of well-known fiber gyros in principle.
  • This does not consist of a wound fiber optic fiber, but of paths constructed according to the above regulations.
  • the light of the laser used here can be used at the same time for all further appropriately arranged optical fibers for measuring further spatial directions.
  • the change in the speed of propagation in the medium can also be used to "lengthen" the path by using a material with a different refractive index. This of course also through and in combination of both forms. The following applies: the greater the difference, the greater the resolution, the more sensitive the execution.
  • the resulting shift is based on a
  • the potentially possible repetition rate for measurements is essentially given by the duration of the emission on the longer path and the subsequent processing of the signal and is in the upper megahertz range.
  • a reference to another moving object is e.g. B. represents by a simple contact to this. Otherwise, the device shows the airspeed vector of itself.
  • a path is used at least twice by the emission radiating through it in both (opposite) directions.
  • this one path is replaced by two separate paths.
  • BESTATIGUNGSKOPIE Measuring signals of the measuring axes given by the method and / or the device can be unambiguously separated by a suitably chosen mathematical calculation rule into the space vectors characterizing a movement - translatory and rotational speed.
  • the resolution of the rotational speed is improved by increasing the distances between the devices and thus the measuring axes.
  • An example of the arrangement is the placement of six devices on the six faces of a cube.
  • measurement axes that are not required are omitted and / or replaced by other methods and or devices.
  • the method and / or the device is supplemented by one or more acceleration sensors, so that a reference to the local gravitational normal can be established without any movement.
  • the method and / or the device is replaced by one or more spirit levels or the like. added so that a reference to the local gravitational normal can be made without any movement.
  • the device according to the invention or the system according to the invention can be varied in many ways, including according to a method described below and a device described below.
  • This effect is the so-called second-order Doppler effect. This is filtered out of the signal range if the portion of the Sagnac effect is eliminated by appropriate feedback with the same path length.
  • Manfred Böhm made suggestions for interpretation and execution with sustainable errors in his essay “Inertial Navigation Without Accelerome ers * (M.
  • BESTATIGUNGSKOPIE Straight line of freedom of a movement in space presented.
  • the signal transmitter the measuring head in which the signal, ie the measure for the speed, is generated before the whole is shown in further preferred embodiments.
  • the length difference I01-I02 is preferably one meter
  • the wavelength ⁇ is 500 nm
  • the speed v is 300m / s (speed of sound)
  • the speed of light c for the sake of simplicity, assume 3 * 10 8 m / s.
  • is very small at 0.2 10 "5 and becomes almost no longer measurable in an application that is interesting for universal handling.
  • the laser would have at least the same extent at ⁇ l of one meter in this representation as in 9.2.
  • the measured variable would be ⁇ at a speed v of 3 m / s by a factor of 10 4 less, i.e. at 0.2 * 10 "9 .
  • BESTATIGUNGSKOPIE Hiding the Sagnac effect is common to embodiments of the paths. This is achieved in that for each path component in one direction there is a path length in the opposite direction that is always of the same length with respect to the propagation duration, so that the Sagnac. - Effect is compensated. As already mentioned, in a preferred embodiment this is an optical waveguide which is wound in the form of an eight and which then has a mirror at one end in order to mask out the Sagnac effect for translation.
  • Pen such as Pen, ballpoint pen, computer, computer mouse, bicycle, motorcycle, automobile, special vehicles such as cranes, mobile bridges, construction and cargo vehicles, railways, transrapid, helicopters, guided missiles, aircraft, spacecraft, ships, submarines, military vehicles of all kinds, bullets , Grenade, rocket, household appliances such as Vacuum cleaners, lawn mowers, robots for household and industry, industrial devices such as rollers,
  • BESTATIGUNGSKOPIE Cranes forklift trucks, transport pallets, mining and tunneling machines, such as drills, milling cutters, offshore applications such as platform stabilization, deep drilling rigs, toys such as dolls, animals, automobiles and sub-components thereof, as well as any object whose degrees of freedom of movement are to be determined and / or regulated.

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Abstract

The invention relates to a device for detecting a speed component, comprising a source (10), two paths (31,32) having different physical length and an evaluation device (11). The source is configured to feed coherent emission fractions into each path. Each path is configured to guide a fed emission fraction along the same route to a reflector (25, 26) closing the path and to the evaluation device after reflection by the reflector. The longer path (31) deviates from a direct connection between its beginning and the reflector (26) closing the path. The evaluation device is configured to detect any change in phase displacement between the emission fractions fed by the paths and phase displacement while the device is idle as the basis for determining a speed component. The invention also relates to a system comprising said device and a corresponding method for speed measurement.

Description

Erfassen von GeschwindigkeitskomponentenDetection of speed components
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Geschwindigkeitskomponente. Die Erfindung betrifft ebenso ein System, das mindestens eine solche Vorrichtung aufweist.The invention relates to a device and a method for detecting a speed component. The invention also relates to a system which has at least one such device.
Zum Messen von Komponenten der Geschwindigkeiten einer Vorrichtung oder eines Systems können verschiedenste Ansätze genutzt werden. Üblicherweise erfolgen Geschwindigkeitsmessungen relativ zu einem Bezugssystem und erfordern somit externe Informationen. Ebenso sind aber auch unabhängige Geschwindigkeitsmessungen möglich.A wide variety of approaches can be used to measure components of the speeds of a device or system. Speed measurements are usually carried out relative to a reference system and therefore require external information. Independent speed measurements are also possible.
Zur unabhängigen Messung einer Geschwindigkeitskomponente einer Vorrichtung kann die Vorrichtung zwei Pfade unterschiedlicher physikalischer Länge aufweisen, in die wellenförmige Signale gespeist werden. Unterschiedliche physikalische Länge bedeutet dabei, dass die Laufzeit der Wellen auf den beiden Pfaden im Ruhezustand der Vorrichtung unterschiedlich ist. Zur Bestimmung einer Geschwindigkeitskomponente können dann von der Geschwindigkeit der Vorrichtung abhängige, relative Phasenänderungen der Wellen, die die zwei Pfade verlassen, erfasst und ausgewertet werden.For the independent measurement of a speed component of a device, the device can have two paths of different physical lengths, into which wave-shaped signals are fed. Different physical lengths mean that the running time of the waves on the two paths is different when the device is idle. To determine a speed component, relative phase changes of the waves that leave the two paths, which are dependent on the speed of the device, can then be recorded and evaluated.
Die relativen Phasenänderungen können dabei insbesondere erfasst werden, indem die aus den Pfaden austretenden Signale überlagert werden, so dass das entstehende Interferenzmuster ausgewertet werden kann. Hierzu müssen die Signale interferenzfähig sein. Das bedeutet, dass dieThe relative phase changes can be recorded in particular by superimposing the signals emerging from the paths, so that the interference pattern that arises can be evaluated. To do this, the signals must be capable of interference. That means that
BESTATIGUNGSKOPIE Signale Emissionen einer einzigen Quelle mit entsprechender Kohärenzlänge sind, oder dass die Signale Emissionen mehrerer, in geeigneter Weise verkoppelter Quellen sind.BESTATIGUNGSKOPIE Signals are emissions from a single source with a corresponding coherence length, or that the signals are emissions from multiple, suitably coupled sources.
Die relativen Phasenänderungen können sich beispielsweise auf Grund von Effekten nach Pizeau und Sagnac ergeben. Relative Phasenänderungen werden aber auch durch den Dopplereffekt zweiter Ordnung verursacht, auf dem die vorliegende Erfindung basiert. Hierbei ist zu beachten, dass die Phasenverschiebung aufgrund des Dopplereffekts zweiter Ordnung deutlich geringer ist als die Phasenverschiebung aufgrund des Sagnac-Effekts . Der Unterschied liegt bei einer Größenordnung von v/c, wobei v die Eigengeschwindigkeit der Vorrichtung und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Bei der Erfassung der relativen Phasenänderungen muss also sichergestellt werden, dass der Sagnac-Effekt das Messergebnis nicht verfälscht.The relative phase changes can result, for example, from effects according to Pizeau and Sagnac. However, relative phase changes are also caused by the second-order Doppler effect on which the present invention is based. It should be noted here that the phase shift due to the second-order Doppler effect is significantly less than the phase shift due to the Sagnac effect. The difference is on the order of v / c, where v is the speed of the device and c is the speed of light. When recording the relative phase changes, it must therefore be ensured that the Sagnac effect does not falsify the measurement result.
In der Druckschrift EP 0 220 378 AI werden Geschwindigkeitsmesseinrichtungen beschrieben, die auf dem Dopplereffekt zweiter Ordnung beruhen.In the publication EP 0 220 378 AI speed measuring devices are described which are based on the second order Doppler effect.
In einer beschriebenen Grundform sendet eine Lichtquelle einen Lichtstrahl aus, der über einen Strahlenteiler aufgeteilt wird. Ein erster Teilstrahl trifft auf einen ersten Spiegel und wird zu dem Strahlenteiler zurückreflektiert. Hierdurch wird ein erster Interferometerarm gebildet. Ein zweiter Teilstrahl trifft auf einen zweiten Spiegel und wird zu dem Strahlenteiler zurückreflektiert. Hierdurch wird ein zweiter Interferometerarm gebildet. Die Länge des ersten Interferometerarms ist dabei größer als die Länge des zweiten Interferometerarms. Die reflektiertenIn a basic form described, a light source emits a light beam, which is split via a beam splitter. A first partial beam strikes a first mirror and is reflected back to the beam splitter. This creates a first interferometer arm. A second partial beam hits a second mirror and is reflected back to the beam splitter. This forms a second interferometer arm. The length of the first interferometer arm is greater than the length of the second interferometer arm. The reflected
BESTATIGUNGSKOPIE Teilstrahlen werden einander überlagert und einer Auswerteeinrichtung zugeführt, in der die Phasendifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen ermittelt wird. Die .Länge des ersten Interferometerarms im Vergleich zur Länge des zweiten Interferometerarms bestimmt dabei die Auflösung des Messresultats . Für eine kompakte Messeinrichtung ist die mögliche Länge des ersten Interferometerarms j edoch begrenzt .BESTATIGUNGSKOPIE Partial beams are superimposed on one another and fed to an evaluation device in which the phase difference between the two partial beams is determined. The length of the first interferometer arm in comparison to the length of the second interferometer arm determines the resolution of the measurement result. However, the length of the first interferometer arm is limited for a compact measuring device.
Zur Verlängerung des ersten Interferometerarms wird in einer weiteren Ausführungsform der erste Teilstrahl nicht zum Strahlenteiler zurückreflektiert, sondern über mehrere Spiegel zu einem Überlagerungsort geleitet . Diesem Überlagerungsort wird von dem- Strahlenteiler auch direkt der zweite Teilstrahl zugeführt.In a further embodiment, to extend the first interferometer arm, the first partial beam is not reflected back to the beam splitter, but is guided to a superimposition location via several mirrors. The beam splitter also feeds the second partial beam directly to this superposition location.
In der Druckschrift EP 0 220 378 AI wird darauf hingewiesen, dass bei Rotation zusätzlich eine durch den Sagnac-Effekt bedingte Phasenverschiebung entsteht, wenn einer oder beide der Interferometerarme mit Lichtleitfasern realisiert sind, die eine geschlossene Fläche umschließen. Es wird vorgeschlagen, den hieraus resultierenden Messfehler zu minimieren, indem die umschlossene Fläche klein gehalten wird. Dies bedeutet jedoch, dass in jedem Fall ein Restfehler verbleibt.In the document EP 0 220 378 AI it is pointed out that during rotation a phase shift caused by the Sagnac effect additionally occurs if one or both of the interferometer arms are realized with optical fibers which enclose a closed surface. It is proposed to minimize the measurement error resulting from this by keeping the enclosed area small. However, this means that a residual error remains in any case.
Als Alternative wird vorgeschlagen, die durch den Sagnac- Effekt bedingte Phasendifferenz durch eine geeignete Anordnung zu messen und sie bei der Auswertung zur Ermittlung der Geschwindigkeit rechnerisch zu berücksichtigen. Dies macht die Einrichtung jedoch komplexer. In einer weiteren Ausführungsform werden zwei physikalisch verschiedene Lichtquellen genutzt. Insbesondere weist ein Laser zwei voneinander unterschiedliche und über separate Anoden angeregte Resonanzräume auf, aus denen jeweils ein Laserstrahl ausgekoppelt wird. Die Erfassung erfolgt durch eine Messung der Differenz zwischen den Frequenzen der ausgekoppelten Laserstrahlen. Die ausgekoppelten Laserstrahlen sind allerdings nicht kohärent und somit nicht interferenzf hig, was die Auswertung unpraktikable macht. Darüber hinaus ist der Längenunterschied der erzielten Pfade relativ gering, was eine hohe Auflösung verhinder .As an alternative, it is proposed to measure the phase difference caused by the Sagnac effect using a suitable arrangement and to take it into account in the evaluation to determine the speed. However, this makes the setup more complex. In a further embodiment, two physically different light sources are used. In particular, a laser has two resonance spaces that are different from one another and excited via separate anodes, from each of which a laser beam is coupled out. The detection is carried out by measuring the difference between the frequencies of the outcoupled laser beams. However, the outcoupled laser beams are not coherent and therefore not capable of interference, which makes the evaluation impractical. In addition, the difference in length of the paths achieved is relatively small, which prevents high resolution.
Schließlich wird in der Druckschrift EP 0 220 378 AI ausgeführt, dass zur unabhängigen Messung einer Geschwindigkeit drei der beschriebenen Messeinrichtungen erforderlich sind, mit denen jeweils in unterschiedlichen Raumrichtungen eine Geschwindigkeitskomponente gemessen wird.Finally, it is stated in the document EP 0 220 378 AI that three of the measuring devices described are required for the independent measurement of a speed, with each of which a speed component is measured in different spatial directions.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Messung von Geschwindigkeitskomponenten zu ermöglichen.The invention is based on the object of enabling an improved measurement of speed components.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Erfassen einer Geschwindigkeitskomponente, die mindesten eine Quelle, mindestens zwei Pfade unterschiedlicher physikalischer Länge und eine Auswerteinrichtung umfasst'. Die mindestens eine Quelle ist ausgebildet, kohärente Emissionsanteile in jeden der mindestens zwei Pfade einzuspeisen. Zwischen den eingespeisten Emissionsanteilen besteht also eine feste Phasenbeziehung. Jeder der mindestens zwei Pfade ist ausgebildet, einen eingespeisten Emissionsanteil auf gleichem Weg zu einem den Pfad abschließenden Reflektor, und nach einer Reflexion durch den Reflektor zu der Auswerteinrichtung zu leiten. Der längere der mindestens zwei Pfade weicht dabei von einer direkten Verbindung zwischen seinem Anfang und dem den Pfad abschließenden Reflektor ab. Die Auswerteinrichtung ist außerdem ausgebildet zum Erfassen einer Änderung der Phasenverschiebung zwischen den von den Pfaden zugeführten Emissionsanteilen gegenüber einer Phasenverschiebung bei ruhender Vorrichtung als Grundlage für die Bestimmung einer Geschwindigkeitskomponente.The object is achieved by an apparatus for detecting a velocity component which at least a source, at least two paths of different physical length and an evaluation device comprises'. The at least one source is designed to feed coherent emissions into each of the at least two paths. There is therefore a fixed phase relationship between the emissions components fed in. Each is at least two paths trained to direct a fed-in emission component in the same way to a reflector closing the path, and after reflection by the reflector to the evaluation device. The longer of the at least two paths deviates from a direct connection between its beginning and the reflector closing the path. The evaluation device is also designed to detect a change in the phase shift between the emission components supplied by the paths compared to a phase shift when the device is at rest as a basis for determining a speed component.
Die Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein System zum Erfassen einer Geschwindigkeit, das eine bzw. mehrere solcher Vorrichtungen umfasst.The object is also achieved by a system for detecting a speed, which comprises one or more such devices.
Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Erfassen einer Geschwindigkeitskomponente einer Vorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Einspeisen von kohärenten Emissionsanteilen in mindestens zwei Pfade unterschiedlicher physikalischer Länge. Das Verfahren umfasst ferner ein Weiterleiten eines eingespeisten Emissionsanteil auf jedem der mindestens zwei Pfade auf gleichem Weg zu einem den Pfad abschließenden Reflektor, und nach einer Reflexion durch den Reflektor zu einer Auswerteinrichtung, wobei der Emissionsanteil auf dem längeren Pfad abweichend von einer direkten Verbindung zwischen dem Anfang des längeren Pfads und dem den Pfad abschließenden Reflektor geführt wird. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein Erfassen einer Änderung der Phasenverschiebung zwischen den der Auswerteinrichtung von den Pfaden zugeführten Emissionsanteilen gegenüber einer Phasenverschiebung bei ruhender Vorrichtung alsFinally, the object is achieved by a method for detecting a speed component of a device. The method comprises feeding in coherent emissions in at least two paths of different physical lengths. The method further comprises forwarding a fed-in emission component on each of the at least two paths in the same way to a reflector that closes the path, and after reflection by the reflector to an evaluation device, the emission component on the longer path deviating from a direct connection between the Start of the longer path and the reflector that closes the path. Furthermore, the method comprises detecting a change in the phase shift between the emission components fed from the paths to the evaluation device compared to a phase shift when the device is at rest
BESTATIGUNGSKOPIE Grundlage für die Bestimmung einer Geschwindigkeitskomponente .BESTATIGUNGSKOPIE Basis for determining a speed component.
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung aus, bei- der eine Änderung der Phasenverschiebung zwischen den sich auf zwei unterschiedlich langen Pfaden ausbreitenden Emissionsanteilen bestimmt wird. Die Änderung der Phasenverschiebung kann durch den Doppler-Effekt zweiter Ordnung hervorgerufen werden, sobald sich die Vorrichtung bewegt. Die Erfindung basiert auf der Überlegung, dass der längere Pfad zur Erzielung einer besonders großen Pfadlänge in einer kompakten Vorrichtung Abweichungen von einem geradlinigen Verlauf aufweisen kann. Die Erfindung basiert ferner auf der Überlegung, dass unerwünschte Einflüsse durch den Sagnac-Effekt dabei verhindert werden können, wenn es zu jeder Wegkomponente in eine Richtung eines Emissionsanteils eine bezüglich derThe invention is based on a device in which a change in the phase shift between the emission components spreading on two paths of different lengths is determined. The change in phase shift can be caused by the second-order Doppler effect as soon as the device moves. The invention is based on the consideration that the longer path to achieve a particularly long path length in a compact device can have deviations from a straight line. The invention is also based on the consideration that undesirable influences by the Sagnac effect can be prevented if there is a path to each path component in one direction of an emission component
Ausbreitungsrichtung gleichlange Weglänge in der jeweils entgegen gesetzten Richtung gibt.Direction of propagation gives the same length of path in the opposite direction.
Es wird deshalb vorgeschlagen, dass einerseits ein nicht geradliniger Pfad genutzt wird, der andererseits von einem Reflektor abgeschlossen wird, der dafür sorgt, dass ein Emissionsanteil, der den Pfad durchlaufen hat, den Pfad anschließend in entgegen gesetzter Richtung durchläuft, bevor er einer Auswerteinrichtung zugeführt wird. Dadurch werden Kreisanteile auf dem Weg der Emissionsanteile vermieden.It is therefore proposed that, on the one hand, a non-rectilinear path is used, which, on the other hand, is closed off by a reflector, which ensures that an emission component that has traversed the path subsequently traverses the path in the opposite direction before it is fed to an evaluation device becomes. This avoids circular shares on the way of the emission shares.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie eine zuverlässige und unabhängige Geschwindigkeitsmessung ermöglicht. Sie lässt sich dabei auf kleinstem Raum realisieren und ist damit besonders flexible und vielfältig einsetzbar. Eine separate Kompensation des Sagnac-Effekts im Falle einer rotatorischer Bewegungen ist nicht erforderlich, um den Doppler-Effekt zweiter Ordnung herauszufiltern, da der Sagnac-Effekt durch die Konstruktion der Vorrichtung selber vollständig kompensiert wird, nicht nur möglichst gering gehalten wie in der Druckschrift EP 0 220 378 AI.The invention has the advantage that it enables reliable and independent speed measurement. It can be realized in the smallest space and is therefore particularly flexible and versatile. A separate compensation of the Sagnac effect in the case of a rotary movement is not necessary in order to filter out the second-order Doppler effect, since the Sagnac effect is completely compensated for by the construction of the device itself, and not only kept as low as possible as in EP 0 220 378 AI.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.
Für eine besonders effiziente Pfadverlängerung ist der längere Pfad aufgrund seiner Abweichung von einem geradlinigen Verlauf in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens doppelt so lang wie eine direkte Verbindung zwischen seinem Anfangspunkt und dem den Pfad abschließenden Reflektor. Der Anfangspunkt des längeren Pfades kann dabei beispielsweise die Quelle sein, die für diesen Pfad einen Emissionsanteil bereitstellt, aber beispielsweise auch der Punkt, an dem eine gemeinsam für beide Pfade bereitgestellte Emission in zwei Emissionsanteile aufgespaltet wird.For a particularly efficient path extension, the longer path is at least twice as long as a direct connection between its starting point and the reflector closing the path due to its deviation from a straight line in one embodiment of the device according to the invention. The starting point of the longer path can be, for example, the source that provides an emission component for this path, but also, for example, the point at which an emission provided jointly for both paths is split into two emission components.
Die mindestens eine Quelle kann in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein und verschiedene Arten von Emissionsanteilen bereitstellen. Insbesondere kann sie beliebige Emissionsanteile mit bekannter Wellenlänge bereitstellen. Mit Wellenlänge wird hier die universelle physikalische Wellenlänge bezeichnet, die jedem Objekt zuordenbar ist. Die mindestens eine Quelle kann zum Beispiel eine Lichtquelle umfassen, etwa in Form eines beliebigen LASERS . Alternativ kann die mindestens eine Quelle zum Beispiel auch einen MASER oder eine Elektronenstrahlquelle umfassen. Die den mindestens zweiThe at least one source can be designed in a wide variety of ways and provide different types of emission components. In particular, it can provide any emission components with a known wavelength. Wavelength is the universal physical wavelength that can be assigned to any object. The at least one source can comprise, for example, a light source, for example in the form of any LASER. Alternatively, the at least one source can also comprise, for example, a MASER or an electron beam source. The at least two
BESTATIGUNGSKOPIE Pfaden zugeführten Emissionsanteile können des -Weiteren gleichzeitig oder in zeitlichem Abstand ausgegeben werden. Es -kommt lediglich darauf an, dass der sich auf den beiden Pfaden ergebende Phasenversatz zwischen den Emissionsanteilen im Ruhezustand der Vorrichtung bekannt ist. Es versteht sich, dass eine einzige Quelle eine einzige Emission erzeugen kann,- die dann in geeigneter Weise in die Emissionsanteile aufgesplittet wird. Wenn die mindestens eine Quelle dagegen mehrere Emissionen erzeugt, so kann der jeweilige Emissionsanteil auch eine jeweils vollständige Emission umfassen kann.BESTATIGUNGSKOPIE Emission components supplied to paths can also be output simultaneously or at intervals. The only thing that matters is that the phase offset between the emission components on the two paths is known when the device is at rest. It goes without saying that a single source can generate a single emission, which is then appropriately split into the emission components. If, on the other hand, the at least one source generates several emissions, the respective emission component can also comprise a complete emission.
Die eingesetzten Pfade können ebenso in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein, solange sie geeignet sind, die von der Quelle erzeugten Emissionsanteile weiterzuleiten. Die Pfade können aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Auch ein einzelner Pfad kann homogen oder inhomogen sein. Er kann also durchgehend aus einem Material bestehen oder aus mehreren Teilstücken aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein.The paths used can also be designed in a wide variety of ways, as long as they are suitable for forwarding the emission components generated by the source. The paths can be made of the same material or different materials. A single path can also be homogeneous or inhomogeneous. It can consist of one material or consist of several parts made of different materials.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zumindest der längere Pfad in einem Ausbreitungsmedium mittels Reflektoren gebildet, die eine Emission zur Verlängerung des Weges mehrfach hin- und herreflektieren, bevor die Emission einem abschließenden Reflektor zugeführt wird und dass den gleichen Weg zurück nimmt. Eine solche Pfadgestaltung kann beispielsweise mit einer Lichtquelle als Quelle genutzt werden. Gegenüber Lichtwellenleitern hat eine Pfadführung in einem den Pfad nicht begrenzenden Ausbreitungsmedium über reine Reflexionen den Vorteil, dass. Mitnahmeeffekte verhindert werden, die in Leitern die erforderliche Phasenverschiebung bei einer Geschwindigkeitsänderung verhindern können.In an advantageous embodiment, at least the longer path is formed in a propagation medium by means of reflectors which repeatedly reflect an emission to lengthen the path back and forth before the emission is fed to a final reflector and which takes the same path back. Such path design can be used, for example, with a light source as the source. Compared to optical waveguides, path guidance in a propagation medium that does not limit the path via pure reflections has the advantage that entrainment effects that are present in conductors are prevented can prevent the required phase shift when the speed changes.
Eine Änderung der Phasenverschiebung zwischen den sich auf den mindestens zwei Pfaden ausbreitenden Emissionsanteilen aufgrund einer translatorischen Bewegung der Vorrichtung kann dadurch erzielt werden, dass die Emissionsanteile auf den beiden Pfaden im Ruhezustand der Vorrichtung unterschiedlich lange brauchen, um den Pfad zu durchlaufen, d.h. durch unterschiedliche physikalische Längen der Pfade. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die geometrische Weglänge auf dem einen Pfad länger ist als auf dem anderen und/oder dadurch, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem einen Pfad länger ist als auf dem anderen, beispielsweise aufgrund verschiedener Brechungsindizes verschiedener eingesetzter Materialien. Je größer der Laufzeitunterschied auf den beiden Pfaden, desto größer ist die Auflösung der erfassten Geschwindigkeit.A change in the phase shift between the emission components spreading on the at least two paths due to a translational movement of the device can be achieved in that the emission components on the two paths take different lengths of time in the idle state of the device to traverse the path, i.e. due to different physical lengths of the paths. This can be achieved, for example, in that the geometric path length on one path is longer than on the other and / or in that the propagation speed on one path is longer than on the other, for example due to different refractive indices of different materials used. The greater the difference in transit time on the two paths, the greater the resolution of the recorded speed.
Ferner können weitere Einflüsse einer rotatorischen Bewegung auf die Geschwindigkeitsbestimmung auf verschiedene Weisen ausgeschaltet werden.Furthermore, other influences of a rotary movement on the speed determination can be switched off in different ways.
So können zum Beispiel bereits die Pfade. in ihrer geometrischen Gestaltung so ausgebildet werden, dass ein -rotatorischer Einfluss auf die Phasenlage der Emissionsanteile von vornherein verhindert wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass jeder der Pfade im Wesentlichen gleich große Pfadanteile auf gegenüberliegenden Seiten einer direkten Verbindung zwischen seinem Anfang und dem den Pfad abschließendenFor example, the paths can already. be designed in their geometric design in such a way that a rotational influence on the phase position of the emission components is prevented from the outset. This can be achieved in that each of the paths has essentially equally large parts of the path on opposite sides of a direct connection between its beginning and the end of the path
BESTATIGUNGSKOPIE Reflektor aufweist. Die imaginäre Gerade entspricht in der Regel der Messrichtung der Vorrichtung.BESTATIGUNGSKOPIE Has reflector. The imaginary straight line usually corresponds to the measuring direction of the device.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner mindestens einen Beschleunigungssensor, mit dem auch ohne Bewegung ein Bezug zur lokalen Schwerkraftnormalen hergestellt werden kann. Das heißt, ein Beschleunigungssensor kann dazu genutzt werden, die Ausrichtung der Vorrichtung im Raum in einem Anfangszustand zu ermitteln, von dem ausgehend die Geschwindigkeit der Vorrichtung erfindungsgemäß bestimmt wird.In an advantageous embodiment of the invention, the device further comprises at least one acceleration sensor, with which a reference to the local gravitational normal can be made even without movement. This means that an acceleration sensor can be used to determine the orientation of the device in space in an initial state, from which the speed of the device is determined according to the invention.
Für eine Geschwindigkeitsmessung in einer einzigen Raumrichtung ist lediglich eine erfindungsgemäße Vorrichtung erforderlich. Diese Vorrichtung wird dann so ausgerichtet, dass ihre Messrichtung mit der gewünschten Raumrichtung übereinstimmt. Die Vorrichtung kann darüber hinaus jeweils so lange gedreht werden, bis eine maximale Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Emissionsanteilen erzielt wird. Die Bewegungsrichtung entspricht dann der Messrichtung der Vorrichtung in der Lage, in der die maximale Änderung erzielt wird.Only a device according to the invention is required for a speed measurement in a single spatial direction. This device is then aligned in such a way that its measuring direction coincides with the desired spatial direction. In addition, the device can be rotated until a maximum change in the phase shift between the emission components is achieved. The direction of movement then corresponds to the measuring direction of the device in the position in which the maximum change is achieved.
Für eine einfachere und schnellere Erfassung einer Geschwindigkeit in mehreren Richtungen können in einem erfindungsgemäßen System aber auch mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen eingesetzt werden, die die Geschwindigkeit gleichzeitig in unterschiedlichen Raumrichtungen erfassen. Hierbei kann optional eine einzige Quelle gleichzeitig zur Emissionserzeugung für mehrere der Vorrichtungen genutzt werden. Beispielsweise kann eine Lichtquelle ein Lichtsignal gleichzeitig in eine Mehrzahl von geeignet ausgerichteten PfadenFor a simpler and faster detection of a speed in several directions, however, several of the devices according to the invention can be used in a system according to the invention, which simultaneously detect the speed in different spatial directions. Here, a single source can optionally be used simultaneously to generate emissions for several of the devices. For example, a light source can simultaneously emit a light signal in a plurality of suitably aligned paths
BESTATIGUNGSKOPIE einspeisen. Zur vollständigen Erfassung von translatorischen und rotatorischen Bewegungen eines Systems umfasst das System mindestens sechs der erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Durch mathematische Berechnungen lässt sich dann bei einer geeigneten Anordnung der Messrichtungen der sechs Vorrichtungen jede beliebige Bewegung größenmäßig erfassen.BESTATIGUNGSKOPIE feed. For the complete detection of translatory and rotary movements of a system, the system comprises at least six of the devices according to the invention. With a suitable arrangement of the measuring directions of the six devices, any movement can then be recorded in terms of size using mathematical calculations.
Die Genauigkeit der Messungen hängen insbesondere ab von der Wellenlänge der Emissionen sowie von den Laufzeitunterschieden auf den mindestens zwei Pfaden.The accuracy of the measurements depends in particular on the wavelength of the emissions and on the differences in transit time on the at least two paths.
Die mögliche Wiederholrate der Messungen ist insbesondere von der Laufzeit des Emissionsanteils auf dem Pfad mit der längeren Laufzeit und von der für die Auswertung benötigten Zeit abhängig.The possible repetition rate of the measurements depends in particular on the running time of the emission component on the path with the longer running time and on the time required for the evaluation.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann genutzt werden, um ihre Eigengeschwindigkeit zu bestimmen. In diesem Fall kann die Vorrichtung selber weitere Bauteile und Funktionen aufweisen, insbesondere solche, für die die Geschwindigkeitsmessung von Interesse ist. Wird die Vorrichtung in einen festen Bezug zu einem anderen bewegten Objekt gebracht, so lässt sich mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aber auch die Geschwindigkeit beliebiger Objekte bestimmen. Entsprechendes gilt für das erfindungsgemaße System.A device according to the invention can be used to determine its own speed. In this case, the device itself can have further components and functions, in particular those for which the speed measurement is of interest. If the device is brought into a fixed relationship to another moving object, the speed of any objects can also be determined by means of a device according to the invention. The same applies to the system according to the invention.
Die Erfindung kann in den verschiedensten Gebieten eingesetzt werden, beispielsweise zur Bestimmung von Geschwindigkeit, Ort und Lage in einem Navigationssystem oder zur Erfassung der Bewegungen einer Computermaus.The invention can be used in a wide variety of fields, for example for determining speed, location and position in a navigation system or for detecting the movements of a computer mouse.
BESTATIGUNGSKOPIE Es versteht sich, dass die Funktionen von strukturellen Merkmalen in den vorgestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend auch als funktionale Merkmale in Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden können und umgekehrt .BESTATIGUNGSKOPIE It goes without saying that the functions of structural features in the presented exemplary embodiments of the device according to the invention can accordingly also be used as functional features in exemplary embodiments of the method according to the invention and vice versa.
Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:Embodiments of the invention are explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to drawings. It shows:
Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems.Fig. 1 shows schematically an embodiment of the device according to the invention and Fig. 2 schematically shows an embodiment of the system according to the invention.
Figur 1 illustriert schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Erfassung einer Geschwindigkeitskomponente erlaubt, d.h. der Geschwindigkeit in eine bestimmten Richtung.Figure 1 schematically illustrates an exemplary embodiment of the device according to the invention, which allows the detection of a speed component, i.e. the speed in a certain direction.
Die Vorrichtung umfasst eine Quelle 10 an einem Emissionsort sowie einen Phasenvergleicher 11 mit einem nicht separat dargestellten Detektor an einem Messort. Die Quelle 10 kann beispielsweise ein LASER sein, der ein Lichtsignal emittiert.The device comprises a source 10 at an emission location and a phase comparator 11 with a detector (not shown separately) at a measurement location. The source 10 can be, for example, a LASER that emits a light signal.
Die Vorrichtung umfasst ferner ein Ausbreitungsmedium 12, das nach oben und nach unten hin von lächigen Reflektoren 21, 22 begrenzt wird. Die Quelle 10 ist auf einer imaginären, verlängerten Gerade durch das Ausbreitungsmedium 12 parallel und äquidistant zu den Reflektoren 21, 22 angeordnet.The device further comprises a propagation medium 12 which is delimited at the top and at the bottom by smiling reflectors 21, 22. The source 10 is arranged on an imaginary, elongated straight line through the propagation medium 12 parallel and equidistant to the reflectors 21, 22.
BESTATIGUNGSKOPIE Zwischen der Quelle 10 und dem Ausbreitungsmedium 12 befindet sich ein einseitig durchlässiger dritter Reflektor 23 auf der imaginären, verlängerten Gerade durch das Ausbreitungsmedium 12. Der Phasenvergleicher 11 ist dabei unterhalb dieses dritten Reflektors 23 angeordnet .BESTATIGUNGSKOPIE Between the source 10 and the propagation medium 12 there is a third reflector 23, which is permeable on one side, on the imaginary, extended straight line through the propagation medium 12. The phase comparator 11 is arranged below this third reflector 23.
Innerhalb des Ausbreitungsmediums 12 sind auf der imaginären Geraden außerdem, ausgehend von dem dritten Reflektor 23 in dieser Reihenfolge, ein Strahlungsteiler 24, ein vierter Reflektor 25 und ein fünfter Reflektor 26 angeordnet .Within the propagation medium 12, a radiation splitter 24, a fourth reflector 25 and a fifth reflector 26 are also arranged on the imaginary straight line, starting from the third reflector 23 in this order.
Erzeugt die Quelle 10 eine Emission, so trifft diese zunächst auf den dritten Reflektor 23. Der dritte Reflektor 23 lässt die Emission passieren, so dass diese in das Ausbreitungsmedium 12 eintritt .If the source 10 generates an emission, it first strikes the third reflector 23. The third reflector 23 allows the emission to pass, so that it enters the propagation medium 12.
In dem Ausbreitungsmedium 12 lässt der Strahlungsteiler 24 nun einerseits einen ersten Emissionsanteil ohne Ablenkung passieren. Der erste Emissionsanteil trifft senkrecht auf den vierten Reflektor 25, wird dort reflektiert und läuft zurück zu dem dritten Reflektor 23. Der dritte Reflektor 23 lenkt den ersten Emissionsanteil ab in Richtung des Phasenvergleichers 11.On the one hand, the radiation splitter 24 in the propagation medium 12 allows a first emission component to pass without being deflected. The first emission component strikes the fourth reflector 25 perpendicularly, is reflected there and runs back to the third reflector 23. The third reflector 23 deflects the first emission component in the direction of the phase comparator 11.
Andererseits lenkt der Strahlenteiler 24 einen zweiten Anteil der von der Quelle 10 erzeugten Emission nach oben hin ab. Dieser zweite Emissionsanteil trifft auf den oberen, ersten Reflektor 21, wird von diesem reflektiert, trifft auf den unteren, zweiten Reflektor 22, wird von diesem reflektiert, trifft auf den oberen, ersten Reflektor 21, wird von diesem reflektiert, etc. Der Ablenkungswinkel durch den Strahlenteiler 24 ist dabei soOn the other hand, the beam splitter 24 deflects a second portion of the emission generated by the source 10 upwards. This second emission component strikes the upper, first reflector 21, is reflected by this, strikes the lower, second reflector 22, is reflected by this, strikes the upper, first reflector 21, is reflected by the latter, etc. The deflection angle by the beam splitter 24 is so
BESTATIGUNGSKOPIE eingestellt, dass der zweite Emissionsanteil schließlich von dem unteren Reflektor 22 genau zu dem fünften Reflektor 26 zugeleitet wird. Der zweite Emissionsanteil trifft senkrecht auf den fünften Reflektor 26. Der fünfte Reflektor 26 reflektiert den ankommenden zweiten Emissionsanteil folglich so, dass er den gleichen Weg zurück über den zweiten Reflektor 22 und den ersten Reflektor 21 zu dem dritten Reflektor 23 nimmt. Der dritte Reflektor 23 lenkt den zweiten Emissionsanteil ebenfalls in Richtung des Phasenvergleichers 11 ab.BESTATIGUNGSKOPIE set that the second emission component is finally fed from the lower reflector 22 exactly to the fifth reflector 26. The second emission component strikes the fifth reflector 26 perpendicularly. The fifth reflector 26 consequently reflects the incoming second emission component in such a way that it takes the same path back via the second reflector 22 and the first reflector 21 to the third reflector 23. The third reflector 23 also deflects the second emission component in the direction of the phase comparator 11.
Zwischen dem Strahlenteiler 24 und dem vierten Reflektor 25 wird also ein erster Pfad 31 ausgebildet und zwischen dem Strahlenteiler 24 und dem fünften Reflektor 26 wird ein zweiter Pfad 32 ausgebildet. Der erste Pfad 31 weist dabei gleiche Anteile auf gegenüberliegenden Seiten der imaginären Geraden auf, während der zweite Pfad 32 keine Anteile aufweist, die von der imaginären Geraden abweichen.A first path 31 is thus formed between the beam splitter 24 and the fourth reflector 25 and a second path 32 is formed between the beam splitter 24 and the fifth reflector 26. The first path 31 has equal parts on opposite sides of the imaginary straight line, while the second path 32 has no parts that deviate from the imaginary straight line.
Da die Pfade 31, 32 von der gleichen Quelle 10 gespeist werden, werden Emissionsanteile mit gleicher Phasenlage in beide Pfade 31, 32 eingespeist. Aufgrund der unterschiedlichen Länge der Pfade 31, 32 benötigen die beiden Emissionsanteile jedoch eine unterschiedliche Zeit um den durch den jeweiligen Pfad 31, 32 gebildeten Weg zurückzulegen.Since the paths 31, 32 are fed by the same source 10, emission components with the same phase position are fed into both paths 31, 32. Due to the different lengths of the paths 31, 32, however, the two emission components need a different time to cover the path formed by the respective path 31, 32.
An dem Messort werden die Emissionsanteile von den beiden Pfaden 31, 32 zu einem Interferenzsignal überlagert. Der Phasenvergleicher 11 wertet das aus den beiden Emissionsanteilen entstehende Interferenzsignal aus. Befindet sich die Vorrichtung in einem Ruhezustand, so ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Weglängen einAt the measurement location, the emission components from the two paths 31, 32 are superimposed to form an interference signal. The phase comparator 11 evaluates the interference signal resulting from the two emission components. If the device is in an idle state, this results from the different path lengths
BESTATIGUNGSKOPIE bestimmter Phasenversatz zwischen den Emissionsanteilen. Bewegt sich die Vorrichtung mit einer Richtungskomponente, die der imaginären Geraden entspricht, so ändert sich dieser Phasenversatz. Der Phasenvergleicher 11 bestimmt das Ausmaß der Änderung und anhand dessen die translatorische Geschwindigkeit der Vorrichtung. Die imaginäre Gerade entspricht also auch der Messachse der Vorrichtung.BESTATIGUNGSKOPIE certain phase offset between the emissions. If the device moves with a directional component that corresponds to the imaginary straight line, this phase shift changes. The phase comparator 11 determines the extent of the change and, based on this, the translatory speed of the device. The imaginary straight line also corresponds to the measuring axis of the device.
Auf dem Pfad 31 kann sich zum Beispiel im Ruhezustand eine Laufzeit von tx ergeben und auf dem Pfad 32 eine Laufzeit von t2. Die Laufzeit tx ist dabei größer als die Laufzeit t2, da der Pfad 31 länger ist als der Pfad 32. Solange sich die Vorrichtung nicht bewegt, bildet sich somit am Messort ein Interferenzsignal aus zu den Zeiten t0 und t0 +(tι-t2) erzeugten Emissionsanteilen.For example, a runtime of t x can result on the path 31 in the idle state and a runtime of t 2 on the path 32. The transit time t x is greater than the transit time t 2 , since the path 31 is longer than the path 32. As long as the device is not moving, an interference signal is thus formed at the measurement location at the times t 0 and t 0 + (tι -t 2 ) generated emissions.
Bewegt sich nun die Vorrichtung mit einer Komponente in Richtung der Messachse der Vorrichtung, so reduziert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Ausbreitungsmedium 12 aufgrund des Doppler-Effekts zweiter Ordnung um v2/c2. Dabei ist v die Komponente der Geschwindigkeit der Vorrichtung in Richtung der Messachse und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Ausbreitungsmedium 12 bei ruhender Vorrichtung. Auf dem Pfad 31 ergibt sich dann eine Laufzeit von tx-Δtι und auf dem Pfad 32 eine Laufzeit von t2-Δt2. Aufgrund der unterschiedlichen Weglängen ist Δti größer ist als Δt2, wobei das Ausmaß der Differenz von der Geschwindigkeit der Vorrichtung in Richtung der Messachse abhängt. Somit ändert sich auch die Phasenverschiebung zwischen den beiden Emissionsanteilen am Messort in Abhängigkeit von derIf the device now moves with one component in the direction of the measuring axis of the device, the propagation speed in the propagation medium 12 is reduced by v 2 / c 2 due to the second-order Doppler effect. Here v is the component of the speed of the device in the direction of the measuring axis and c is the speed of propagation in the propagation medium 12 when the device is stationary. A runtime of t x -Δtι then results on path 31 and a runtime of t 2 -Δt 2 on path 32. Due to the different path lengths, Δti is greater than Δt 2 , the extent of the difference depending on the speed of the device in the direction of the measuring axis. The phase shift between the two emission components at the measurement location also changes depending on the
BESTATIGUNGSKOPIE Geschwindigkeit der Vorrichtung in Richtung der Messachse.BESTATIGUNGSKOPIE Speed of the device in the direction of the measuring axis.
Die Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Emissionsanteilen auf den beiden Pfaden 31, 32 ergibt ein periodisches Interferenzsignal, das aus zu den Zeiten t0 und t0+ ( (tι-Δtx) - (t2-Δt2) ) erzeugten Emissionsanteilen besteht .The change in the phase shift between the emission components on the two paths 31, 32 results in a periodic interference signal consisting of emission components generated at times t 0 and t 0 + ((tι-Δt x ) - (t 2 -Δt 2 )).
Der Phasenvergleicher 11 bestimmt anhand des Interferenzsignals das Ausmaß der Phasenänderung und anhand dessen die translatorische Geschwindigkeit v der Vorrichtung in Richtung der Messachse.The phase comparator 11 determines the extent of the phase change on the basis of the interference signal and the translational speed v of the device in the direction of the measurement axis on the basis of this.
Die generelle Zusammenstellung von Quelle 10, Pfaden 31, 32 und Phasenvergleicher 11 entspricht dem Kennedy - Thorndike Interferometer.The general combination of source 10, paths 31, 32 and phase comparator 11 corresponds to the Kennedy-Thorndike interferometer.
Die ermittelte Geschwindigkeit kann dann auf beliebige Weise genutzt werden, zum Beispiel für eine unmittelbare Anzeige der Geschwindigkeit auf einer Anzeigeeinheit oder für Berechnungen in einem Navigationssystem. Die für die Weiterverarbeitung der ermittelten Geschwindigkeit benötigten Komponenten können in die Vorrichtung 1 integriert sein oder extern mit ihr verbunden sein, beispielsweise als Teil einer anderen Vorrichtung.The determined speed can then be used in any way, for example for an immediate display of the speed on a display unit or for calculations in a navigation system. The components required for the further processing of the determined speed can be integrated in the device 1 or connected externally to it, for example as part of another device.
Eine separate Kompensation des Sagnac-Effekts im Falle einer rotatorischer Bewegungen ist nicht erforderlich, da solche Effekte durch die Konstruktion der Vorrichtung selber kompensiert werden. Figur 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems, das eine Messung beliebiger translatorischer und rotatorischer Geschwindigkeiten erlaubt .A separate compensation of the Sagnac effect in the case of rotary movements is not necessary, since such effects are compensated for by the construction of the device itself. Figure 2 shows schematically an embodiment of the system according to the invention, which allows a measurement of any translational and rotational speeds.
Das System ist in Form eines Würfels ausgebildet. Jede der sechs Seiten des Würfels umfasst eine der Vorrichtungen gemäß Figur 1. Auf den drei sichtbaren Seiten des Würfels 40, 41, 42 ist die Messachse 50, 51, 52 der jeweiligen Vorrichtung angedeutet. Die drei verborgenen Seiten des Würfels umfassen jeweils eine Vorrichtung mit einer Messachse in entgegengesetzter Ausrichtung verglichen mit der Messachse 50, 51, 52 der Vorrichtung auf der gegenüberliegenden Würfelseite 40, 41, 42. Eine (nicht dargestellte) Verarbeitungseinheit wertet die für die sechs Richtungen erfasste Geschwindigkeit des Systems aus und ermittelt daraus die gesamte Geschwindigkeit des Systems, einschließlich translatorischer und rotatorischerThe system is in the form of a cube. Each of the six sides of the cube comprises one of the devices according to FIG. 1. The measuring axis 50, 51, 52 of the respective device is indicated on the three visible sides of the cube 40, 41, 42. The three hidden sides of the cube each comprise a device with a measuring axis in opposite orientation compared to the measuring axis 50, 51, 52 of the device on the opposite side of the cube 40, 41, 42. A processing unit (not shown) evaluates the one recorded for the six directions Speed of the system and determines the total speed of the system, including translational and rotary
Geschwindigkeitskomponenten, und die Richtung oder Richtungen der Bewegung.Speed components, and the direction or directions of movement.
Im Folgenden wird nun zunächst ein bereits zuvor vorgeschlagenes Verfahren bzw. ein bereits zuvor vorgeschlagene Vorrichtung beschrieben. Dieses Verfahren und / oder diese Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeitsvektoren basiert auf den Effekten nach Fizeau, Sagnac und Doppier und zeichnet sich dadurch aus, das mindestens ein (und oder mehrere) Emissionsort an mindestens ein (und/ oder mehrere) Quelle vorhanden ist, dessen Emission sich auf mindestens zwei Pfaden mit jeweils einer bekannten Geschwindigkeit und jeweils einer bekannten Wellenlänge (hier ist die universelle physikalische Wellenlänge gemeint, die jedem Objekt zuortbar ist) ausbreitet und auswertbare Interferenzen insbesondere, aber nicht notwendigerweise nur für die Zeit der jeweils notwendigen Messdauer an einen oder mehreren Messorten ergibt, sowie mindestens einen der Pfade von dem (den) so gearteten Emissionsort (en) zu dem (den) so gearteten Messort (en) derart, dass die auf diesem Pfad gegebene Phasenlage durch ein translatorisches Ereignis gegen die eines jeweils anderen Pfades verschoben wird. Dabei sind die Pfade " so dargestellt, dass ein rotatorisches Ereignis, ein thermischer, oder sonstiger nicht translatorischer Einfluss keine Verschiebung der Phasenlagen zwischen diesen Pfaden ergibt, oder diese superponierenden Ereignisse und Einflüsse durch außerhalb der Pfade liegende (=externe) Vorrichtungen korrigiert sind. Die Verschiebung der Phasenlagen (= Messsignal) die das Interferenzsignal dieser Pfade ergibt ist dann ein Maß für die Geschwindigkeit. Die Richtung ergibt sich als' die Raumrichtung, für die das Messsignal für die gegebenen Pfade maximal wird (= Pfad größter Differenz) . Insbesondere lässt sich so, bei Vorgabe eines definierten Geschwindigkeitsvektors die vorrichtungsimmanente Messachse ermitteln.A method or an apparatus which has already been proposed is described below. This method and / or this device for measuring speed vectors is based on the effects according to Fizeau, Sagnac and Doppier and is characterized in that there is at least one (and or more) emission location at least one (and / or more) source, the Emission itself on at least two paths, each with a known speed and a known wavelength (here the universal physical wavelength is meant that each object assignable) and spreads evaluable interferences in particular, but not necessarily only for the time of the respectively necessary measurement duration at one or more measurement locations, as well as at least one of the paths from the emission location (s) of this type to the location (s) Measuring location (s) in such a way that the phase position given on this path is shifted against that of another path by a translational event. The paths " are shown in such a way that a rotational event, a thermal or other non-translational influence does not result in a shift in the phase position between these paths, or these superposing events and influences are corrected by (= external) devices lying outside the paths The shift of the phase positions (= measurement signal) which the interference signal of these paths gives is then a measure of the speed. The direction results as ' the spatial direction for which the measurement signal becomes maximum for the given paths (= path greatest difference). In particular, so, if a defined speed vector is specified, determine the measuring axis inherent in the device.
Die oben beschriebenen Pfade müssen nicht notwendigerweise homogen sein, das bedeutet, dass sie auch aus jeweils mehreren auch verschiedenen Teilstücken zusammengesetzt sein können.The paths described above do not necessarily have to be homogeneous, which means that they can also be composed of several different sections in each case.
Die benannten Effekte und damit das Messsignal treten dann auf, wenn auf den geplanten Ausbreitungspfaden die Emission sich ungehindert ausbreiten kann; anders gesagt: Die Emission die nötigen Freiheitsgrade für ihre Ausbreitung und damit die nötigen Freiheitsgrade für dasThe named effects and thus the measurement signal occur when the emission can spread unhindered on the planned propagation paths; in other words: the emission has the necessary degrees of freedom for its propagation and thus the necessary degrees of freedom for the
BESTATIGUNGSKOPIE Auftreten der Effekte aufweist. Veranschaulicht und damit vereinfacht gesagt: Ist z. B. ein Photon in einem Lichtwellenleiter ausschließlich in der longitudinalen Mode existent, so hat es auch nur in dieser Mode einen Freiheitsgrad und nur in diesem Freiheitsgrad wird es nachweisbare Effekte geben. Also kann und wird die Selektion einer bevorzugten Messrichtung durch die Konstruktion und physikalischen Eigenschaften des Sensors, also durch die Festlegung der Freiheitsgrade der Ausbreitung vorgegeben.BESTATIGUNGSKOPIE Occurrence of the effects. Illustrated and thus put simply: Is z. B. a photon in an optical waveguide exists only in the longitudinal mode, there is only one degree of freedom in this mode and only in this degree of freedom there will be detectable effects. The selection of a preferred measuring direction can and is predetermined by the construction and physical properties of the sensor, that is to say by determining the degrees of freedom of the propagation.
Anders ausgedrückt ist das bereits zuvor vorgeschlagene Verfahren und /oder die bereits zuvor vorgeschlagene Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass eine wie auch immer geartete Quelle mit Emissionsorten für Strahlung dargestellt wird, die einen bekannten Phasenbezug zwischen den Emissionsorten des Messvorgangs aufweist - diese Emissionsorte können räumlichen und / oder zeitlichen Abstand aufweisen - und für die jeweils die Pfade (= Wege) eine (möglichst große) Verschiebung der Phasenlagen bezüglich einer translatorischen Bewegung aufweisen.In other words, the previously proposed method and / or the previously proposed device is characterized in that a source of whatever type is shown with emission locations for radiation that have a known phase relationship between the emission locations of the measurement process - these emission locations can have spatial and / or or have a time interval - and for each of which the paths (= paths) have a (as large as possible) shift in the phase positions with respect to a translatory movement.
Maßgeblich für die prinzipiell mögliche Auflösung des bereits zuvor vorgeschlagenen Verfahrens und/oder der bereits zuvor vorgeschlagenen Vorrichtung sind die Wellenlänge der Emission, sowie der Laufzeitunterschied auf den Wegen. Nachgeordnet sind die Fähigkeiten des Phasenvergleichers, sowie die statischen und systematischen Fehler.The wavelength of the emission and the difference in transit time along the paths are decisive for the possible resolution of the previously proposed method and / or the previously proposed device. The capabilities of the phase comparator as well as the static and systematic errors are subordinate.
Für die Realisierung gibt es nun eine Mannigfachigkeit an bevorzugten Ausführungsformen, aus denen hier allerdings nur einige wenige hervorgehoben werden, da dieseThere are now a variety of preferred embodiments for the implementation, from which only a few are emphasized here, however, since these
BESTATIGUNGSKOPIE innerhalb der Mannigfachigkeit Spezialfalle des Prinzips darstellen und andere Ausführungsformen Abwandlungen dieser sind.BESTATIGUNGSKOPIE within the manifold represent special cases of the principle and other embodiments are modifications of this.
In einer Ausführungsform ist die Quelle eine Lichtquelle. Im Allgemeinen ein Laser beliebiger Bauart (Linear- Ringlaser (diese kann natürlich weiterhin für Winkelmessungen genutzt werden) Festkörper-, Gas-, Flüssigkeitslaser, um nur die Oberbegriffe dazustellen. Techniken wie exotische physikalische Effekte z.B. Quantum Well und Superfluoreszenz o. ä. müssen ja wohl nicht einzeln aufgezählt werden) . Und damit ist als bekannte Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit gegeben.In one embodiment, the source is a light source. Generally a laser of any type (linear ring laser (this can of course still be used for angle measurements) solid-state, gas, and liquid lasers, just to present the generic terms. Techniques such as exotic physical effects such as quantum well and superfluorescence or similar must be probably not be listed individually). And so the known speed is the speed of light.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Quelle ein wie auch immer gearteter Maser.In a further embodiment, the source is any kind of burl.
Als Lösungen für die Wege lassen sich in weiteren Ausführungsformen einerseits insbesondere Variationen mit Materialen, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten verschieden sind, angeben, wie auch Variationen der Weglängen wie auch die Kombination beider Vorgehensweise .In further embodiments, in particular, variations with materials in which the propagation speeds are different can be specified as solutions for the paths, as well as variations in path lengths as well as the combination of both approaches.
Für die Kompensation rotatorischer Phasenverschiebungen gibt es wieder mehrere Möglichkeiten. Eine ist die geometrische Gestaltung der Wege - dazu müssen die Anteile eines Weges außerhalb der Verbindungslinie zwischen Anfang und Ende sich jeweils so verhalten, dass es zu jedem Teil auf einer Seite einen gleichgroßen Teil auf der jeweils gegenüberliegenden Seite gibt - ein anderer ist die rechnerische Kompensation durch ermitteln der Drehung mittels z. B. Laserkreisel und einer anschließenden Subtraktion.There are again several options for compensating for rotational phase shifts. One is the geometric design of the paths - the parts of a path outside the connecting line between the beginning and end must behave in such a way that each part on one side has an equally large part on the opposite side - another is the computational compensation by determine the rotation by means of z. B. laser gyroscope and a subsequent subtraction.
In allen Ausführungsformen wird die Emission auf die Wege aufgeteilt und zur interferometrischen Auswertung wieder zusammengeführt .In all embodiments, the emission is divided between the paths and brought together again for interferometric evaluation.
Auswirkung auf die Gestaltung einiger Ausführungsformen hat der Lock In - Effekt (vereinfacht gesagt : das Fixiertsein eines Schwingungsknotens an eine Störsteile) . Der Lock In - Effekt ist in diesen Fällen zumindest für zwei der drei Raumdimensionen nötig. Ist er für eine Raumrichtungen nicht vorhanden (z.B. Laserkreisel), so muss zwecks Erlangen eines nutzbaren Messsignals der Pfad größter Differenz eine Vektorkomponente orthogonal zu dieser Raumrichtung haben. Grund dafür ist, dass in diesem Fall der Sagnac - Effekt für die Bewegung in dieser Lock - In Effekt freien Raumdimension keine Rolle spielt, sondern die Verschiebung der Phase durch die, durch die Geschwindigkeit bedingte Verschiebung des Emissionsortes in Zusammenspiel mit der verschiedenen Laufzeit auf den einzelnen Pfaden zustande kommt. Dieses Ergebnis ist allerdings nicht eindeutig dieser Lock - In Effekt freien Raumrichtung zuzuordnen, da ebenso eine Phasenverschiebung in dieser Anordnung durch eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Pfades größter Differenz bedingt durch den Sagnac Effekt zustande kommt (s u.) Es ergibt sich somit ein Maß für die Geschwindigkeit in dieser durch den Pfad und die Lock - In Effekt freie Raumrichtung aufgespannten Fläche. Ein Geschwindigkeitsanteil normal zu dieser Fläche ergibt kein Signal. Wird dieses vektorielle Geschwindigkeitsmaß mit den Maßen analog ermittelter vektorieller Geschwindigkeitsmaße linear unabhängig zu dieser undThe lock-in effect has an effect on the design of some embodiments (to put it simply: the fixation of a vibration node to an interfering part). In these cases, the lock-in effect is necessary for at least two of the three room dimensions. If it is not available for one spatial direction (e.g. laser gyroscope), the path of greatest difference must have a vector component orthogonal to this spatial direction in order to obtain a usable measurement signal. The reason for this is that in this case the Sagnac effect does not play a role in the movement in this lock - in free space dimension, but rather the shift of the phase due to the shift in the emission location due to the speed in interaction with the different transit times to the individual paths comes about. However, this result cannot be clearly assigned to this lock - in free direction of space, since a phase shift in this arrangement is also caused by a speed component in the direction of the path of greatest difference due to the Sagnac effect (see below) the speed in this area spanned by the path and the lock - in effect. A speed component normal to this area gives no signal. If this vectorial speed measure is linearly independent of this and with the measures of analogously determined vectorial speed measures
BESTATIGUNGSKOPIE zugleich linear unabhängig zueinander stehender weiterer Flächen kombiniert, so ergibt sich nach einfacher Vektorrechnung das Maß für die Geschwindigkeit im Raum. Andererseits, im Fall eines für alle Raumrichtungen vorhandenen Lock - In Effektes gibt es keine Einschränkung und der Sagnac - Effekt liefert die Verschiebung.BESTATIGUNGSKOPIE combined at the same time linearly independently of other surfaces, the result for simple velocity calculation is the measure of the speed in space. On the other hand, in the case of a lock-in effect that is present for all spatial directions, there is no restriction and the Sagnac effect provides the shift.
Im Fall, dass der Lock - In Effekt in diesen Ausführungsformen in allen Raumrichtungen vorliegt, wird in die beiden Pfade (Pfad 1 habe eine Signallaufzeit von ti und Pfad 2 eine von t2 und es sei tx > t2. Z.B. ti = a*t2 ) zur Zeit t0 ein Signal mit identischer Phasenlage eingespeist. Bewegt sich nun die Vorrichtung nicht, so existiert am Messort ein Interferenzsignal gebildet aus den zu den Zeiten t0 und-t0 + (tχ-t2 ) ausgesandten Signalen. Wird nun die Vorrichtung mit einerIn the event that the lock-in effect in these embodiments is present in all spatial directions, the two paths (path 1 have a signal propagation time of ti and path 2 have one of t 2 and let t x > t 2. Eg ti = a * t 2 ) a signal with identical phase position is fed in at time t 0 . If the device does not move, there is an interference signal at the measuring location formed from the signals emitted at times t 0 and -t 0 + (tχ-t2). Now the device with a
Geschwindigkeit v = Δl/Δt bewegt, so addiert sich zu beiden Pfaden die Verschiebung durch diese Bewegung und der jeweilige Pfad, also die jeweilige Laufzeit wird damit länger (Sagnac - Effekt) und zwar für Pfad 2 um Δt und für Pfad 1 um a*Δt. D.h., dass am Ende des Pfades 1 eine Phase vorliegt, die der Phasenlage eines Pfades der Laufzeit ti + a*Δt entspricht und am Ende des Pfades 2, da ja durch den Lock - In Effekt die ursprüngliche Phase mitgenommen wurde, eine Phase vorliegt, die derVelocity v = Δl / Δt moves, so the displacement due to this movement and the respective path add to both paths, i.e. the respective transit time becomes longer (Sagnac effect), namely for path 2 by Δt and for path 1 by a * At. This means that at the end of path 1 there is a phase that corresponds to the phase position of a path with the transit time ti + a * Δt and that there is a phase at the end of path 2, since the original phase was carried away by the lock-in effect, the the
Phasenlage von t2 + Δt entspricht. Und diese Änderung der Differenz der Phasenlagen Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v um (a-1) *Δt ergibt ein periodisches Interferenzsignal.Phase position of t 2 + Δt corresponds. And this change in the difference in the phase positions as a function of the speed v by (a-1) * Δt results in a periodic interference signal.
BESTATIGUNGSKOPIE Im Fall, dass der Lock - In Effekt in diesen Ausführungsformen für eine Raumrichtung nicht vorliegt, so muss wie schon beschrieben der Pfad größte Differenz eine Vektorkomponente orthogonal zu dieser Raumrichtung haben. Für diese Vektorkomponente ergibt sich nun in ganz ähnlicher Betrachtung wie vorstehend ebenso eine Änderung der Phasendifferenz um (a-1) * Δt .BESTATIGUNGSKOPIE In the event that the lock-in effect does not exist for a spatial direction in these embodiments, the path greatest difference must have a vector component orthogonal to this spatial direction, as already described. For this vector component, there is a change in the phase difference by (a-1) * Δt in a manner similar to the one above.
Das bereits zuvor vorgeschlagenen Verfahren und / oder die bereits zuvor vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeitsvektoren erfasst für den Fall einer dreidimensionalen Messung alle Geschwindigkeiten / Geschwindigkeitsvektoren in Summa z.B. angefangen von der Geschwindigkeit der Milchstraße im uns bekannten Universum, über die Bewegung des Sonnensystems bzgl . des galaktischen Zentrums, über die Bewegung der Erde in Sonnensystem über die Bewegung der Erde an sich, wie auch die Bewegung der Erdkruste bis hin zur Eigenbewegung des zu messenden Objektes, wie der Eigengeschwindigkeit der Vorrichtung selber . Für die Ermittlung des entsprechend betrachteten Vektoranteils sind somit die anderen zu subtrahieren.The previously proposed method and / or the previously proposed device for measuring speed vectors captures all speeds / speed vectors in sum in the case of a three-dimensional measurement, e.g. starting from the speed of the Milky Way in the universe known to us, to the movement of the solar system with respect to of the galactic center, about the movement of the earth in the solar system, about the movement of the earth itself, as well as the movement of the earth's crust up to the self-movement of the object to be measured, such as the self-speed of the device itself. To determine the correspondingly considered vector component, the others must therefore be subtracted.
Eine weitere Ausführungsform nutzt als Quelle z.B. insbesondere einen Laser, eine Laserdiode (mithin ein linearer Gas-, Flüssigkeits- , oder Festkörperlaser, wie auch ein wie auch immer gearteter Ringlaser) . Vom Lichtemissionsort dieses Lasers führt nun z.B. ein nach kurzem Weg gesplitteter Lichtwellenleiter (=LWL) , dessen einer Ast (=Pfad) nach dem Split länger (im Sinne des vorher geschriebenen) ist als der andere und die zwecks Interferenzbildung wieder zusammengeführt werden. An dessen Ende ist dann eine Interferenzauswertevorrichtung (Phasenvergleicher) z.B. mit einer Photodiode als Sensor angebracht. Dort wird dann die Phasenlage des früher ausgesandten (gespeicherten) Lichtes mit der des später ausgesandten Lichtes verglichen. Der Lichtwellenleiter wird nun entsprechend der Anforderung (s.o.) zur Selektion einer Raumrichtung verlegt . Oder aber es wird ein physikalisch analoger Aufbau mit Reflektoren und Strahlteilern genutzt. Insbesondere lässt sich das Licht des hier eingesetzten Lasers gleichzeitig für alle mittels entsprechend angeordneter weiter gesplitteter Lichtwellenleiter zur Messung weiterer Raumrichtungen nutzen.Another embodiment uses, for example, in particular a laser, a laser diode (consequently a linear gas, liquid or solid-state laser, as well as a ring laser of whatever type) as the source. From the light emission location of this laser, for example, a light waveguide (= fiber optic) split after a short distance now leads, one branch (= path) after the split is longer (in the sense of the one previously written) than the other and is brought together again for the purpose of interference formation. At the end there is an interference evaluation device (Phase comparator) attached, for example, with a photodiode as a sensor. There the phase position of the previously emitted (stored) light is then compared with that of the later emitted light. The optical fiber is now laid according to the requirement (see above) for selecting a spatial direction. Or a physically analog structure with reflectors and beam splitters is used. In particular, the light of the laser used here can be used at the same time for all of the further split optical waveguides for measuring further spatial directions.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform nutzt im Prinzip den Aufbau hinlänglich bekannter Faserkreisel. Der Kernunterschied liegt hier in der Gestaltung des Sensorkopfes (=Pfade) . Dieser besteht hier nicht aus einer aufgewickelten Lichtwellenleiterfaser, sondern aus gemäß obiger Vorschriften konstruierten Pfaden. Insbesondere lässt sich das Licht des hier eingesetzten Lasers gleichzeitig für alle mittels entsprechend angeordneter weiterer gesplitteter Lichtwellenleiter zur Messung weiterer Raumrichtungen nutzen. Anstelle der Verlängerung des einen Teils des Weges durch Faltung kann auch die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium durch Einsatz eines Materials mit verschiedenem Brechungsindex zur "Verlängerung" des Weges genutzt werden. Dies natürlich auch durch und in Kombination beider Formen. Es gilt: Je größer die Differenz, desto größer die Auflösung, desto empfindlicher die Ausführungsfor .Another preferred embodiment uses the structure of well-known fiber gyros in principle. The main difference here lies in the design of the sensor head (= paths). This does not consist of a wound fiber optic fiber, but of paths constructed according to the above regulations. In particular, the light of the laser used here can be used at the same time for all further appropriately arranged optical fibers for measuring further spatial directions. Instead of extending one part of the path by folding, the change in the speed of propagation in the medium can also be used to "lengthen" the path by using a material with a different refractive index. This of course also through and in combination of both forms. The following applies: the greater the difference, the greater the resolution, the more sensitive the execution.
Um eine Vorstellung von der Größe des Messeffektes zu erhalten sei die resultierende Verschiebung anhand einerIn order to get an idea of the size of the measurement effect, the resulting shift is based on a
BESTATIGUNGSKOPIE typischen Schrittgeschwindigkeit von 3,6 km/std. verdeutlicht (3,6 km/std = 1 nm/nsek) bei einem angenommen Abstand der Lichtemissionsorte von einer Lichtnanosekunde (ca. 30 cm) und einer Wellenlänge des Lichtes von 400 nm ergibt dies eine gut beherrschbare Messgröße .BESTATIGUNGSKOPIE typical walking speed of 3.6 km / h. clarified (3.6 km / h = 1 nm / nsec) with an assumed distance of the light emission locations of one light nanosecond (approx. 30 cm) and a wavelength of light of 400 nm, this results in a well controllable measurement variable.
Die potentiell mögliche Wiederholrate für Messungen ist im Wesentlichen durch die Laufzeit der Emission auf dem längeren Weg, sowie der nachfolgenden Verarbeitung des Signals gegeben und liegt im oberen Megahertzbereich.The potentially possible repetition rate for measurements is essentially given by the duration of the emission on the longer path and the subsequent processing of the signal and is in the upper megahertz range.
Da das bereits zuvor vorgeschlagene Verfahren und / oder die bereits zuvor vorgeschlagene Vorrichtung ein inertiales arbeitendes System darstellt, wird ein Bezug zu einem anderen bewegten Objekt z. B. durch einen einfachen Kontakt zu diesem darstellt. Ansonsten zeigt das Gerät den Eigengeschwindigkeitsvektor seiner selbst an.Since the previously proposed method and / or the previously proposed device represents an inertial working system, a reference to another moving object is e.g. B. represents by a simple contact to this. Otherwise, the device shows the airspeed vector of itself.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Pfad mindestens doppelt ausgenutzt, indem die Emission diesen in beiden (gegenläufigen) Richtungen durchstrahlt. Vorteil dessen ist die Einsparung eines Pfades für eine Messrichtung zwecks Minimierung der Bauteile und die Reduktion thermischer und sonstiger Pfadkonditionen.In a further preferred embodiment, a path is used at least twice by the emission radiating through it in both (opposite) directions. The advantage of this is the saving of a path for one measuring direction in order to minimize the components and the reduction of thermal and other path conditions.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieser eine Pfad durch zwei separate Pfade ersetzt.In a further preferred embodiment, this one path is replaced by two separate paths.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden zur vollständigen Erfassung einer Bewegung - Translation und Rotation - nun wenigstens sechs der nach obigem Verfahren dargestellten Vorrichtung so im Raum verteilt, dass dieIn a further preferred embodiment, for complete detection of a movement - translation and rotation - at least six of the devices represented by the above method are now distributed in space such that the
BESTATIGUNGSKOPIE Messsignale der durch das Verfahren und /oder die Vorrichtung gegeben Messachsen durch eine geeignet gewählte mathematische Rechenvorschrift eineindeutig in die eine Bewegung charakterisierenden Raumvektoren - translatorische und rotatorische Geschwindigkeit - zerlegbar sind. Die Auflösung der rotatorischen Geschwindigkeit wird durch die Vergrößerung der Abstände der Vorrichtung und damit der Messachsen verbessert. Ein Beispiel für die Anordnung ist die Anbringung von sechs Vorrichtungen auf den sechs Flächen eines Würfels.BESTATIGUNGSKOPIE Measuring signals of the measuring axes given by the method and / or the device can be unambiguously separated by a suitably chosen mathematical calculation rule into the space vectors characterizing a movement - translatory and rotational speed. The resolution of the rotational speed is improved by increasing the distances between the devices and thus the measuring axes. An example of the arrangement is the placement of six devices on the six faces of a cube.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, in der keine vollständige Erfassung einer Bewegung gewollt und / oder erforderlich ist werden nicht benötigte Messachsen weggelassen und /oder durch andere Verfahren und oder Vorrichtungen ersetzt .In a further preferred embodiment, in which complete detection of a movement is not desired and / or required, measurement axes that are not required are omitted and / or replaced by other methods and or devices.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren und / oder die Vorrichtung um einen oder mehrere Beschleunigungssensoren ergänzt, damit so, ohne vorliegen einer Bewegung ein Bezug zur lokalen Schwerkraftnormalen hergestellt werden kann.In a further preferred embodiment, the method and / or the device is supplemented by one or more acceleration sensors, so that a reference to the local gravitational normal can be established without any movement.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren und oder die Vorrichtung um eine oder mehrere Wasserwaagen o.a. ergänzt, damit so, ohne vorliegen einer Bewegung ein Bezug zur lokalen Schwerkraftnormalen hergestellt werden kann.In a further preferred embodiment, the method and / or the device is replaced by one or more spirit levels or the like. added so that a reference to the local gravitational normal can be made without any movement.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße System können auf vielfältige Weise variiert werden, unter anderem entsprechend einem im Folgenden beschriebenen Verfahren und einer im Folgenden beschriebenen Vorrichtung.The device according to the invention or the system according to the invention can be varied in many ways, including according to a method described below and a device described below.
BESTATIGUNGSKOPIE Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Freiheitsgrade einer Bewegung im Raum unterscheidet sich von den Ausführungsformen und Ansprüchen des bereits zuvor vorgeschlagenen Verfahrens und / oder der bereits zuvor vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeitsvektoren nur darin, dass ein anderer, allerdings um den Faktor v/c (v= Eigengeschwindigkeit der Bewegung; c= Lichtgeschwindigkeit) kleinerer Effekt für die Messung der Geschwindigkeitsvektorkomponenten genutzt wird. Dieser Effekt ist der sogenannte Dopplereffekt zweiter Ordnung. Dieser wird aus dem Signalangebot herausgefiltert, wenn der Anteil des Sagnac -Effektes durch entsprechende Rückführung mit gleicher Weglänge eliminiert wird. Mit nachhaltigen Fehlern belastete Vorschläge zur Interpretation und Ausführung hat Manfred Böhm im Jahr 1986 in seinem Aufsatz „Inertial Navigation Without Accelerome ers* gemacht (M. Böhm, SEL - Standard Elektrik Lorenz AG, Lorenzstraße 10, D-7000 Stuttgart 40) . Dort sind auch die physikalischen Grundlagen beschrieben. Als wesentliche Voraussetzung für die Funktionalität sei hier noch einmal auf die Notwendigkeit der Interferenzfähigkeit der genutzten Emissionen hingewiesen, was bedeutet, dass die Emission aus einer Quelle mit entsprechender Kohärenzlänge stammt oder im Fall mehrere Quellen so verkoppelt sind, dass dies gewährleistet ist (z.B. durch eine Einkopplung der Emission der einen in die andere Quelle, sowie vice versa und entsprechender Abstimmung der Geometrie und der Anregung, um nur einige Parameter zu nennen) .BESTATIGUNGSKOPIE The method and / or the device according to the invention for detecting the degrees of freedom of movement in space differs from the embodiments and claims of the previously proposed method and / or the previously proposed device for measuring speed vectors only in that another, but by the factor v / c (v = own speed of motion; c = speed of light) smaller effect is used for the measurement of the speed vector components. This effect is the so-called second-order Doppler effect. This is filtered out of the signal range if the portion of the Sagnac effect is eliminated by appropriate feedback with the same path length. In 1986 Manfred Böhm made suggestions for interpretation and execution with sustainable errors in his essay “Inertial Navigation Without Accelerome ers * (M. Böhm, SEL - Standard Elektrik Lorenz AG, Lorenzstraße 10, D-7000 Stuttgart 40). The basic physical principles are also described there. As an essential prerequisite for the functionality, the necessity of the interference capability of the emissions used should be pointed out here again, which means that the emission comes from a source with a corresponding coherence length or, in the case of multiple sources, is coupled in such a way that this is guaranteed (e.g. by a Coupling the emission from one source to the other, as well as vice versa and corresponding coordination of the geometry and the excitation, to name just a few parameters).
Um diese Fehler zu vermeiden, wird hier das Verfahren und/oder die Vorrichtung zur Erfassung derTo avoid these errors, the method and / or the device for detecting the
BESTATIGUNGSKOPIE Freiheitsgerade einer Bewegung im Raum vorgestellt. Betrachtet wird zunächst wiederum nur der basislegende Teil des Verfahrens und/oder der Vorrichtung, der Signalgeber, der Messkopf in dem das Signal, also das Maß für die Geschwindigkeit erzeugt wird, bevor in weiterer bevorzugten Ausführungsformen das Gesamt dargestellt wird.BESTATIGUNGSKOPIE Straight line of freedom of a movement in space presented. First of all, only the basic part of the method and / or the device, the signal transmitter, the measuring head in which the signal, ie the measure for the speed, is generated before the whole is shown in further preferred embodiments.
Einer der wesentlichen Fehler, die ununterscheidbare Überlagerung des gewünschten translatorischen Signals mit einem rotatorischen Anteil ist aus den Bildern 9.1a und 9.1b im Kapitel 9 des zitierten Aufsatzes von M. Böhm direkt zu ersehen. Dort sind Wege konstruiert, die in beiden Fällen Kreisanteile oder vollständige Kreise aufweisen, die ein durch den viel stärkeren Sagnac - Effekt hervorgerufenes Signal im Falle einer Rotation erzeugen. Es wird zwar in der Anmerkung im Bild 9.1b auf den Sagnac - Effekt hingewiesen, durch die Zeichnungen offenbaren, dass hier nur die Kompensation des Sagnac - Anteils der Translation gemeint ist, nicht jedoch der durch die Wicklung vorhandene Sagnac - Effekt für die Rotation bedacht wurde. Dies wird insbesondere dadurch deutlich, dass Böhm dies in beiden Bildern 9.1a und 9.1b gleichermaßen falsch macht. Dadurch werden diese Geräte unbrauchbar. Dass Böhm der Sagnac - Effekt der Rotation bekannt ist zeigt er in Kapitel 6 seines Aufsatzes, was ebenso zeigt, dass er hier den Sagnac - Effekt der Rotation nicht meint. Die Ausführung aus Bild 9.2 dieses Aufsatzes vermeidet zwar Kreisanteile oder Kreise, weist dagegen allerdings weitere Mängel auf wovon einer, in dem zur geringen Längenunterschied der dort bezeichneten Wege zu finden ist und ein weiterer weiter unten beschrieben ist. Für die Bedeutung des Dimensionsfaktors sei an Hand eines Beispieles die Größenordnung verdeutlicht (sieheOne of the essential errors, the indistinguishable superimposition of the desired translatory signal with a rotary component, can be seen directly from Figures 9.1a and 9.1b in Chapter 9 of the article by M. Böhm cited. Paths are constructed there which in both cases have circular parts or complete circles which produce a signal caused by the much stronger Sagnac effect in the event of rotation. Although the note in Figure 9.1b refers to the Sagnac effect, the drawings show that this only means the compensation of the Sagnac part of the translation, but not the Sagnac effect caused by the winding for the rotation has been. This is particularly evident from the fact that Böhm makes this equally wrong in both Figures 9.1a and 9.1b. This makes these devices unusable. Chapter 6 of his essay shows that Böhm is aware of the Sagnac effect of rotation, which also shows that he does not mean the Sagnac effect of rotation here. The version from Figure 9.2 of this article avoids circular parts or circles, however, has other shortcomings, one of which contains the paths described there for the small difference in length and another is described below. The order of magnitude for the meaning of the dimension factor is illustrated using an example (see
BESTATIGUNGSKOPIE Kapitel 8, sowie speziell die Formel in Bild 8.1). Es ist eine gute Annahme, den Geometriefaktor K auf 1 (Kap. 5) zu setzen, die Längendifferenz I01-I02 sei vorzugsweise ein Meter, die Wellenlänge λ sei 500 nm, die Geschwindigkeit v sei 300m/s (Schallgeschwindigkeit) und die Lichtgeschwindigkeit c sei der Einfachheit halber mit 3 * 108 m/s angenommen. Dann ist ΔΦ mit 0,2 10"5 sehr klein und wird bei einer für eine universelle Handhabung interessanten Anwendung fast nicht mehr meßbar. Der Laser hätte bei Δl von einem Meter in dieser Darstellung wie in 9.2 mindestens eine ebensolche Ausdehnung. Die Messgröße ΔΦ wäre bei einer Geschwindigkeit v von 3 m/s um einen Faktor 104 kleiner, also bei 0,2 * 10"9.BESTATIGUNGSKOPIE Chapter 8, and especially the formula in Figure 8.1). It is a good assumption to set the geometry factor K to 1 (chap. 5), the length difference I01-I02 is preferably one meter, the wavelength λ is 500 nm, the speed v is 300m / s (speed of sound) and the speed of light c for the sake of simplicity, assume 3 * 10 8 m / s. Then ΔΦ is very small at 0.2 10 "5 and becomes almost no longer measurable in an application that is interesting for universal handling. The laser would have at least the same extent at Δl of one meter in this representation as in 9.2. The measured variable would be ΔΦ at a speed v of 3 m / s by a factor of 10 4 less, i.e. at 0.2 * 10 "9 .
Durch Einsatz eines nun nach den älteren Vorschlägen gestalteten Weges, z.B. der gewickelten Acht o.a., die keine rotativen Komponenten zulassen, wird der so herausgefilterte Dopplereffekt zweiter Ordnung messbar (9.1 a/b) bzw. kommt überhaupt erst dadurch in eine nutzbare, aber immer noch um v/c zu kleine Größenordnung durch Verlängerung eines der Wege in Bild 9.2. Die Ausführung aus Bild 9.2 unterscheidet sich zudem grundlegend von denen aus 9.1 a/b, durch die Nutzung zweier physikalisch verschiedener Lichtquellen, was zu einer nicht vorhandenen Kohärenz führt und damit den Aufbau unpraktikabel macht (siehe auch eigenes Argument des Autors Böhm in 9.1 b) . Die Lösung der Steuerung der Kohärenz durch entsprechende Maßnahmen, wie oben vorgeschlagen entfällt bei Böhm.By using a path now designed according to the older proposals, e.g. In the wound eight or the like, which do not allow any rotating components, the Doppler effect filtered out in this way becomes measurable (9.1 a / b) or only comes into a usable order, but still too small by v / c by extending one of the paths in Figure 9.2. The version from Figure 9.2 also differs fundamentally from those from 9.1 a / b, through the use of two physically different light sources, which leads to a lack of coherence and thus makes the structure impractical (see also the author's own argument in 9.1 b) , The solution to control coherence through appropriate measures, as suggested above, is no longer available at Böhm.
Allen diesen nun jetzt für das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Freiheitsgrade einer Bewegung im Raum vorgeschlagenenAll of these now proposed for the method according to the invention and / or the device according to the invention for detecting the degrees of freedom of a movement in space
BESTATIGUNGSKOPIE Ausführungsformen für die Wege ist die Ausblendung des Sagnac - Effektes gemeinsam. Dies wird dadurch erreicht, dass es zu jeder Wegkomponente in eine Richtung eine immer bezüglich der Ausbreitungsdauer gleichlange Weglänge in der jeweils entgegengesetzten Richtung gibt, sodass der Sagnac. - Effekt kompensiert ist. Dies ist wie schon erwähnt in einer bevorzugten Ausführungsform ein Lichtwellenleiter der in Form einer Acht gewickelt ist und der dann zwecks Ausblendung des Sagnac - Effektes für die Translation an einem Ende einen Spiegel aufweist.BESTATIGUNGSKOPIE Hiding the Sagnac effect is common to embodiments of the paths. This is achieved in that for each path component in one direction there is a path length in the opposite direction that is always of the same length with respect to the propagation duration, so that the Sagnac. - Effect is compensated. As already mentioned, in a preferred embodiment this is an optical waveguide which is wound in the form of an eight and which then has a mirror at one end in order to mask out the Sagnac effect for translation.
Sogeartete Wege werden dann in weiteren bevorzugten Ausführungsformen in Manier des Kennedy - Thorndike Interferometers (Bild 8.1 des zitierten Aufsatzes) unterVerwendung einer geeigneten Quelle (s.o.) und dem notwendigen Phasendetektor zusammengebracht (Fig. 1) .So-called paths are then brought together in further preferred embodiments in the manner of the Kennedy-Thorndike interferometer (Figure 8.1 of the cited article) using a suitable source (see above) and the necessary phase detector (Fig. 1).
Alle bevorzugten Ausführungsformen, die zur Erfassung der Freiheitsgrade einer Bewegung im Raum geeignet sind sind bereits in den älteren Ausführungen beschrieben und werden von dort übernommen.All preferred embodiments that are suitable for detecting the degrees of freedom of a movement in space have already been described in the older versions and are adopted from there.
Anwendungsgebiete sind Orts- und Lagebestimmung von diversen Objekten und Subjekten oder Teilen derselben, von denen exemplarisch nur einige hier aufgeführt werden:Areas of application are location and location determination of various objects and subjects or parts thereof, of which only a few are listed as examples:
Schreibgeräte, wie z.B. Stift, Kugelschreiber, Computer, Computermaus, Fahrrad, Motorrad, Automobil, Sonderfahrzeuge, wie Kräne, mobile Brücken, Bau- und Lastfahrzeuge, Eisenbahn, Transrapid, Hubschrauber, Lenkflugkörper, Flugzeug, Raumfahrzeug, Schiff, U-Boot, Militärfahrzeuge jeglicher Art, Kugel, Granate, Rakete, Haushaltsgeräte wie z.B. Staubsauer, Rasenmäher, Roboter für Haushalt und Industrie, Industriegeräte, wie Walzen,Writing instruments such as Pen, ballpoint pen, computer, computer mouse, bicycle, motorcycle, automobile, special vehicles such as cranes, mobile bridges, construction and cargo vehicles, railways, transrapid, helicopters, guided missiles, aircraft, spacecraft, ships, submarines, military vehicles of all kinds, bullets , Grenade, rocket, household appliances such as Vacuum cleaners, lawn mowers, robots for household and industry, industrial devices such as rollers,
BESTATIGUNGSKOPIE Kräne, Gabelstapler, Transportpaletten, Berg- und Tunnelbaumaschinen, wie Bohrer, Fräser, Offshoreanwendung wie Plattformstabilisierung, Tiefenbohrgeräte, Spielzeug wie Puppen, Tiere, Automobile sowie Teilkomponenten derselben sowie jeglicher Gegenstand dessen Freiheitsgrade der Bewegung festgestellt und / oder geregelt werden sollen.BESTATIGUNGSKOPIE Cranes, forklift trucks, transport pallets, mining and tunneling machines, such as drills, milling cutters, offshore applications such as platform stabilization, deep drilling rigs, toys such as dolls, animals, automobiles and sub-components thereof, as well as any object whose degrees of freedom of movement are to be determined and / or regulated.
Mensch, sowie Teile des Menschen, wie z. B. Finger, Hände, Arme, Beine, Füße, Kopf und Rumpf. Auch innere Teile wie die Organe oder deren Teile.Human, as well as parts of human, such as. B. fingers, hands, arms, legs, feet, head and trunk. Even internal parts such as the organs or their parts.
Tier, sowie Teile desselben (s. Mensch)Animal, as well as parts of it (see man)
Die beschriebenen Ausführungsformen stellen nur ausgewählte aus einer Vielzahl von verschiedenen möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar .The described embodiments represent only selected from a large number of different possible embodiments of the method and the device according to the invention.
BESTATIGUNGSKOPIE BESTATIGUNGSKOPIE

Claims

 3E
P A T E N T A N S P R Ü C H EP A T E N T A N S P R Ü C H E
Vorrichtung zum Erfassen einerDevice for detecting a
Geschwindigkeitskomponente, umfassend mindestens eine Quelle (10), mindestens zwei Pfade (31,32) unterschiedlicher physikalischer Länge und eine Auswerteinrichtung (11) , wobei die mindestens eine Quelle (10) ausgebildet ist, kohärente Emissionsanteile in jeden der mindestens zwei Pfade (31,32) einzuspeisen, wobei jeder der mindestens zwei Pfade (31,32) ausgebildet ist, einen eingespeisten Emissionsanteil auf gleichem Weg zu einem den Pfad abschließenden Reflektor (26,25), und nach einer Reflexion durch den Reflektor (26,25) zu der Auswerteinrichtung (11) zu leiten, wobei der längere der mindestens zwei Pfade (31) von einer direkten Verbindung zwischen seinem Anfang und dem den Pfad abschließenden Reflektor (26) abweicht, und wobei die Auswerteinrichtung (11) ausgebildet ist zum Erfassen einer Änderung der Phasenverschiebung zwischen den von den Pfaden (31,32) zugeführten Emissionsanteilen gegenüber einer Phasenverschiebung bei ruhender Vorrichtung als Grundlage für die Bestimmung einer Geschwindigkeitskomponente .Speed component, comprising at least one source (10), at least two paths (31, 32) of different physical lengths and an evaluation device (11), the at least one source (10) being designed, coherent emission components in each of the at least two paths (31, 32), wherein each of the at least two paths (31, 32) is designed, an input emission component in the same way to a reflector (26, 25) closing the path, and after reflection by the reflector (26, 25) to the To guide evaluation device (11), wherein the longer of the at least two paths (31) deviates from a direct connection between its beginning and the reflector (26) closing the path, and wherein the evaluation device (11) is designed to detect a change in the phase shift between the emission components supplied by the paths (31, 32) compared to a phase shift with the device at rest as the basis for the determinations tion of a speed component.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der längere Pfad (32) durch eine Mehrzahl von Reflektoren (21,22)The apparatus of claim 1, wherein the longer path (32) through a plurality of reflectors (21, 22)
BESTATIGUNGSKOPIE festgelegt wird, und wobei die Reflektoren (21,22) angeordnet sind, einen von der Quelle (10) bereitgestellten ersten Emissionsanteil durch Reflexionen auf dem längeren Pfad (32) weiterzuleiten, bevor der erste Emissionsanteil von dem den längeren Pfad (32) abschließenden Reflektor (26) durch Reflexion in entgegengesetzter Richtung auf den längeren Pfad (32) zurück geleitet wird.BESTATIGUNGSKOPIE and wherein the reflectors (21, 22) are arranged to transmit a first emission component provided by the source (10) by reflections on the longer path (32) before the first emission component from the reflector closing the longer path (32) (26) by reflection in the opposite direction is led back to the longer path (32).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der längere Pfad (32) zwischen den Reflektoren (21,22) in einem den Pfad (32) nicht begrenzenden Ausbreitungsmedium ausgebildet wird.3. The device according to claim 2, wherein the longer path (32) between the reflectors (21, 22) is formed in a propagation medium which does not delimit the path (32).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der mindestens zwei Pfade (31,32) im Wesentlichen gleich große Pfadanteile auf gegenüberliegenden Seiten einer direkten Verbindung zwischen seinem Anfang und dem den Pfad abschließenden Reflektor (26,25) aufweist.4. The device according to claim 1, wherein each of the at least two paths (31, 32) has substantially equal path components on opposite sides of a direct connection between its beginning and the reflector (26, 25) closing the path.
5. System zum Erfassen einer Geschwindigkeit, umfassend mindestens eine- Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Vorrichtung zum Messen mindestens einer Geschwindigkeitskomponente des Systems angeordnet ist .5. A system for detecting a speed, comprising at least one device according to one of the preceding claims, wherein the at least one device for measuring at least one speed component of the system is arranged.
6. System nach Anspruch 5, umfassend mindestens sechs Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die in dem System zum Messen von Geschwindigkeitskomponenten des Systems in sechs unterschiedlichen Raumrichtungen (70,71,72) angeordnet sind.6. System according to claim 5, comprising at least six devices according to one of claims 1 to 3, which are arranged in the system for measuring speed components of the system in six different spatial directions (70,71,72).
BESTATIGUNGSKOPIE Verfahren zum Erfassen einer Geschwindigkeitskomponente einer Vorrichtung umfassend: Einspeisen von kohärenten Emissionsanteilen in mindestens zwei Pfade (31,32) unterschiedlicher physikalischer Länge, Weiterleiten eines eingespeisten Emissionsanteil auf jedem der mindestens zwei Pfade (31,32) auf gleichem Weg zu einem den Pfad abschließenden Reflektor (26,25), und nach einer Reflexion durch den Reflektor (26,25) zu einer Auswerteinrichtung (11) , wobei der Emissionsanteil auf dem längeren Pfad (32) abweichend von einer direkten Verbindung zwischen dem Anfang des längeren Pfads (32) und dem den Pfad abschließenden Reflektor (26) geführt wird, und Erfassen einer Änderung der Phasenverschiebung zwischen den der Auswerteinrichtung (11) von den Pfaden (31,32) zugeführten Emissionsanteilen gegenüber einer Phasenverschiebung bei ruhender Vorrichtung als Grundlage für die Bestimmung einer Geschwindigkeitskomponente.BESTATIGUNGSKOPIE A method for detecting a speed component of a device, comprising: feeding in coherent emission components in at least two paths (31, 32) of different physical lengths, forwarding a supplied emission component on each of the at least two paths (31, 32) in the same way to a reflector closing the path (26, 25), and after reflection by the reflector (26, 25) to an evaluation device (11), the emission component on the longer path (32) deviating from a direct connection between the beginning of the longer path (32) and is guided to the reflector (26) closing the path, and detecting a change in the phase shift between the emission components fed to the evaluation device (11) from the paths (31, 32) compared to a phase shift when the device is at rest as a basis for determining a speed component.
Verfahren nach Anspruch 7, umfassend Bestimmen einer Geschwindigkeitskomponente in sechs unterschiedlichen Raumrichtungen (70,71,72) durch mindestens sechs Vorrichtungen, und Ermitteln der translatorischen und rotatorischen Geschwindigkeit eines die mindestens sechs Vorrichtungen umfassenden Systems aus den für die jeweilige Vorrichtung erfassten Geschwindigkeitskomponenten.The method of claim 7, comprising determining a speed component in six different spatial directions (70, 71, 72) by at least six devices, and determining the translational and rotational speed of a system comprising the at least six devices from the speed components recorded for the respective device.
BESTATIGUNGSKOPIE BESTATIGUNGSKOPIE
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