Title:
FASERKREISEL
Kind Code:
A1


Abstract:
A filter optics gyroscope has an optical phase modulator that is supplied with a modulation voltage and that ensures the phase modulation of light rays which circulated in opposite directions in a sensor coil made of fiber optical waveguides. A rotating speed signal is obtained from the superimposed light rays through phase-sensitive rectification. To optimize the phase modulation, switching means are provided that derive a regulating signal through filtering out and phase-sensitive rectification from the output signal of the fiber optics gyroscope, said signal containing in cases when regulation is required, besides the rotating speed signal J1 (2 PSI ) sin DELTA phi of the fibers optics gyroscope (7), a partial signal concerning the auxiliary modulation frequency (f2) or an odd multiple thereof. The regulating signal influences the modulation voltage of the optical phase modulator, bringing the partial signal of frequency (f2) or its odd multiples at least appproximately down to zero.



Inventors:
KIESEL EBERHARD DIPL PHYS (DE)
Application Number:
DE3727167A
Publication Date:
02/23/1989
Filing Date:
08/14/1987
Assignee:
TELDIX GMBH
Domestic Patent References:
DE2936303A1N/A
DE3040514A1N/A
DE3042794A1N/A
DE3144162A1N/A
DE3401640A1N/A
DE3436249A1N/A
DE3603935A1N/A
DE3628409A1N/A



Foreign References:
GB2020419A
EP0120737
EP0160450
Claims:
1. Faserkreisel, bei dem zur Erzeugung einer Phasenmodulation der gegensinnig in einer Lichtleitfaser umlaufenden Lichtstrahlen ein optischer Phasenmodulator vorgesehen ist, dem eine Modulationsspannung zugeführt wird, bei dem aus den überlagerten Lichtstrahlen durch phasenempfindliche Gleichrichtung ein Drehratensignal gewonnen wird und beim dem Schaltmittel zur Optimierung der Phasenmodulation vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Modulationsspannung der Frequenz fmod mit einem Hilfsmodulationssignal der Frequenz f¥, die ungleich der Frequenz fmod der Modulationsspannung ist, moduliert wird und daß das bei der phasenempfindlichen Gleichrichtung (in 11) gewonnene Signal dahingehend überprüft wird, ob es einen Signalanteil mit der Frequenz f¥ oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon aufweist und daß bei vorhandenem Signalanteil daraus ein Regelsignal zur Einstellung des Arbeitspunktes der Phasenmodulation abgeleitet wird derart, daß die Signalanteile mit der Frequenz f¥ und dem ungeradzahligen Vielfachen davon wenigstens näherungsweise zu Null werden.

2. Faserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsignal durch phasenempfindliche Gleichrichtung (in 20) gewonnen wird.

3. Faserkreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorzeichen des Drehratensignals ermittelt und bei der Bildung des Regelsignals berücksichtigt wird.

4. Faserkreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsmodulationssignal (f¥) und das Regelsignal (aus 20) zusammengefaßt werden und das zusammengefaßte Signal zur Beeinflussung der Amplitude der Modulationsspannung benutzt wird.

5. Faserkreisel, bei dem als Phasenmodulator ein piezoelektrischer Körper verwendet wird, auf den wenigstens ein Teil der Lichtleitfaser aufgewickelt ist und der durch die Modulationsspannung erregt wird nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich am piezoelektrischen Körper (21) angebrachte Meßwertgeberelektroden zur Bestimmung des Schwingungszustands, ein Differenzverstärker (9) und ein Referenzwertgeber (17) vorgesehen sind, dessen Ausgangssignal nach Überlagerung mit dem Regelsignal (aus 19) im Differenzverstärker (9) mit dem Signal der Meßwertgeberelektroden verglichen wird, wobei das Differenzsignal mit dem Hilfsmodulationssignal überlagert wird.

Description:
Die Erfindung betrifft einen Faserkreisel, bei dem zur Erzeugung einer Phasenmodulation der gegensinnig in einer Lichtleitfaser umlaufenden Lichtstrahlen ein optischer Phasenmodulator vorgesehen ist, dem eine Modulationsspannung zugeführt wird. Aus den überlagerten Lichtstrahlen wird durch phasenempfindliche Gleichrichtung ein Drehratensignal gewonnen. Zur Optimierung der Phasenmodulation sind Schaltmittel vorgesehen, die aus dem Ausgangssignal des Faserkreisels ein Regelsignal gewinnen. Zur Phasenmodulation kann in bekannter Weise (EPA 01 60 450) ein piezoelektrischer Körper, auf den ein Teil der Lichtleitfaser aufgewickelt ist und der durch die Modulationsspannung erregt wird, verwendet werden, jedoch sind auch integriert optische Phasenmodulatoren verwendbar, bei denen die Lichtbrechzahl durch die Modulationsspannung variiert wird. In einer älteren Anmeldung P 36 28 409.2 ist vorgeschlagen worden, die Phasenmodulation durchzuführen mit Hilfe eines piezoelektrischen Körpers, an dem Meßwertgeber zur Bestimmung des Schwingungszustands angebracht sind, eines Differenzverstärkers, zum Vergleich der Amplitude des Meßwertgebersignals mit einer Referenzgröße und mit einem Steuerglied zur Beeinflussung der Amplitude der Erregerspannung in Abhängigkeit vom Differenzverstärker-Ausgangssignal. Bei diesem Phasenmodulator wird am piezoelektrischen Körper direkt festgestellt, ob der Modulationshub konstant bleibt und die Erregung des piezoelektrischen Körpers entsprechend geregelt. Nicht ausgeregelt werden z. B. dabei:1. Kopplungsänderungen zwischen piezoelektrischem Körper und der Lichtleitfaser, die auftreten, wenn der für das Verkleben der Lichtleitfaser auf dem piezoelektrischen Körper verwendete Kleber mit der Zeit seine Eigenschaft ändert,2. Frequenzänderungen der Modulationsfrequenz f, die aufgrund der Proportionalität des Modulationshubes zu sin f f T zu einer Variation des Modulationshubes führen. Frequenzänderungen können auftreten z. B. durch Temperaturschwankungen und damit verbundene Volumenänderungen des piezoelektrischen Körpers.3. Wellenlängenänderungen des Laserlichts der Laserdiode durch Alterung oder Temperaturschwankungen, die auch zu Änderungen des Modulationshubes führen, da dieser umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den eingangs beschriebenen Phasenmodulator dahingehend zu verbessern, daß auch diese erwähnten Komponenten ausgeregelt werden. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei einem Faserkreisel, wie in Fig. 1 dargestellt, erhält man am Ausgang der Photodiode ein Signal I(t), das durch die Funktiondarstellbar ist. Hierin sind I¬ eine Konstante, d die zu messende, zur Drehrate proportional Sagnacphase, c die Amplitude der Phasenmodulation, f die Modulationsfrequenz und T die Zeit, die die Lichtstrahlen zum Durchlaufen der Faser benötigen. Um d zu ermitteln, wird von der Vielzahl der in diesem Signal enthaltenen Komponenten unterschiedlicher Frequenz z. B. die Komponente°KJ°kÉ (2™°Kq˜) sin ™°Kf˜ cos 2™°Kp˜°Kf°k°T°Kmod°k°t°Kt×°k mit °Kt×°k = @W:°KT°k:2–°zdurch phasenempfindliche Gleichrichtung ausgewertet und man erhält°KU°k = °KJ°kÉ (2™°Kq˜) sin 2™°Kf˜°zwobei J£ (2c) die Besselfunktion 1. Ordnung in Abhängigkeit vom Argument 2c ist. Diese hat ein Maximum bei 2c=1,84 (siehe Fig. 3). Es ist günstig, die Auswertung bei diesem Wert vorzunehmen, da man dann die maximale Ausgangsspannung U erhält. Außerdem muß darauf geachtet werden, daß das Maximum eingestellt bleibt. Hierzu dient die erfindungsgemäße Ausbildung, die dafür sorgt, daß bei vorhandener Drehrate d das Maximum immer eingestellt ist. Mit der eingangs geschilderten vorgeschlagenen Lösung, bei der der Modulationshub des piezoelektrischen Körpers konstant gehalten und hierzu die Erregerspannung entsprechend geregelt wird, ist zwar schon eine Verbesserung der Phasenmodulation des Faserkreisels erreichbar, jedoch bleiben eine Reihe von Einflußgrößen, wie oben bereits angeführt, unberücksichtigt. Die erfindungsgemäße Lösung berücksichtigt auch diese Einflußgrößen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung ist, daß die Optimierung des Modulationshubs des piezoelektrischen Körpers um so besser arbeitet, je höher das Kreiselausgangssignal ist. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Faserkreisels, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Faserkreisels, Fig. 3 eine Kennlinie einer Besselfunktion 1. Ordnung mit den Arbeitspunkten AP 1 und AP 2. Der in Fig. 1 gezeigte schematische Aufbau eines Faserkreisels ist allgemein bekannt und soll hier nur der Vollständigkeit halber nochmals kurz aufgezeigt werden. Das von einer Laserdiode 1 erzeugte Licht gelangt über zwei faseroptische Koppler 2 und 3, wo das Licht aufgeteilt wird, zur Sensorspule 4, die von den Lichtwellen entgegengesetzt durchlaufen wird. Das umlaufende Licht wird durch eine Modulationseinrichtung 5 phasenmoduliert und gelangt über die beiden Koppler 3 und 2 zur Photodiode 6. Das von der Photodiode aufgenommene Licht dient als Eingangssignal eines Vorverstärkers 8 (siehe Fig. 2). Die Zusammenschaltung von Photodiode 6 und Vorverstärker 8 dient somit der optoelektronischen Signalwandlung. Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Faserkreisels 7, dessen Photodiode 6 mit dem Vorverstärker 8 verbunden ist. Im Block 7 ist mit 21 ein piezoelektrischer Körper mit den Erregerelektroden und den Meßwertgeberelektroden dargestellt. Der piezoelektrische Körper 21 wird von einem Steuerglied 10 mit der Modulationsfrequenz fmod erregt. Das Signal der Meßwertgeberelektroden des piezoelektrischen Körpers 21 wird auf einen Differenzverstärker 9 geführt, der in Amplitude dieses Signals mit einer Referenzgröße eines Referenzwertgebers 17, die über den Summenverstärker 14 zugeführt wird, vergleicht und eine vorhandene Differenz als Stellsignal dem Steuerglied 10, zur Beeinflussung der Amplitude der Erregerspannung des piezoelektrischen Körpers 21, zugeführt. In einem Oszillator 18 wird ein Hilfsmodulationssignal mit der Frequenz f¥ erzeugt und zur Stellgröße des Differenzverstärkers 9 addiert. Hierdurch wird das Ausgangssignal des Steuerglieds 10 in seiner Amplitude mit der Hilfsmodulationsfrequenz f¥ moduliert. Das bei einer Drehung des Faserkreisels 7 vom phasenempfindlichen Gleichrichter 11 empfangene und in bezug auf die Referenzfrequenz fmod phasenempfindlich gleichgerichtete Signal enthält im wesentlichen das Drehratensignal J£ (2c) sin Wd des Faserkreisels 7 sowie im auszuregelnden Fall (der Arbeitspunkt AP befindet sich nicht mehr auf dem Extremwert der Besselfunktion (siehe Fig. 3)) das Hilfsmodulationssignal f¥ und Vielfache davon (siehe Fig. 3). Ein dem phasenempfindlichen Gleichrichter 11 folgender Tiefpaß 12 filtert die im Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters 11 eventuell noch vorhandenen unerwünschten Signale mit der Frequenz fmod aus. Der Ausgang des Tiefpasses 12 ist mit einem Tiefpaß 13, zur Unterdrückung der in diesem Signal vorhandenen Signale mit den Frequenzen nf¥, mit einem Bandpaß 16, für die Frequenz f¥, und mit einer Vorzeichenerkennung 15, zur Erkennung des im Drehratensignal sin Wd vorhandenen Vorzeichens, (siehe Fig. 3) verbunden. Am Ausgang des Tiefpasses 13 steht das Drehratensignal sin Wd als Nutzsignal des Faserkreisels 7 zur weiteren Verwendung zur Verfügung. Das am Ausgang des Bandpasses 16 im auszuregelnden Fall (siehe Fig. 3) vorhandene Hilfsmodulationssignal mit der Frequenz f¥ wird in einem phasenempfindlichen Gleichrichter 20 mit der Referenzfrequenz f¥ des Oszillators 18, phasenempfindlich gleichgerichtet und in einem Multiplizierer 19 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vorzeichenerkennung 15 multipliziert. Das dadurch am Ausgang des Summenverstärkers 14 anstehende Korrektursignal führt somit zu einer Verlagerung des Arbeitspunktes (Modulationshub) in die gewünschte Richtung, so daß im ausgeregelten Fall der Signalanteil mit der Frequenz f¥ oder einem Vielfachen davon am Ausgang des Tiefpasses 12 näherungsweise zu Null wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 19 wird im Summierverstärker 14 zum Referenzwertgebersignal von 17 addiert, um hierdurch die Korrektur des Amplitudensollwerts durchzuführen. In Fig. 3 ist eine Besselfunktion 1. Ordnung mit den Arbeitspunkten AP 1 und AP 2 dargestellt. Im Koordinatensystem ist auf der Abszisse der Modulationshub 2c und auf der Ordinate das Drehratensignal des Faserkreisel J£ (2c) sin Wd in Abhängigkeit vom Modulationhub dargestellt. Der Modulationshub des piezoelektrischen Körpers 21 (siehe Fig. 2) soll auf den Extremwert der Besselfunktion (Modulationshub 1,84, AP 1) stabilisiert werden. Schwingt der piezoelektrische Körper 21 mit einer Amplitude, die dem Extremwert der Besselfunktion entspricht (Modulationshub 1,84, AP 1) so tritt am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 11 (siehe Fig. 2) außer dem Drehratensignal J£ (2c) sin Wd, ein Signal mit den geradzahligen Vielfachen (2f¥, 4f¥ . . .) der Hilfsmodulationsfrequenz f¥ auf. Dieses Signal führt in der weiteren Signalverarbeitung (siehe Fig. 2) zu keinem Ausgangssignal am phasenempfindlichen Gleichrichter 20, da 1. der Bandpaß 16 nur die Signale mit der Frequenz f¥ passieren läßt und 2. der phasenempfindliche Gleichrichter 20 nur Signale mit der Frequenz f¥ verarbeitet. Die Folge ist, daß der piezoelektrische Körper 21 (siehe Fig. 2) in seinem Modulationshub nicht verändert wird. Hat sich dagegen aus den in der Einleitung genannten Gründen der Arbeitspunkt des piezoelektrischen Körpers 21 (siehe Fig. 2) aus dem Extremwert der Besselfunktion z. B. zum hier mit AP 2 bezeichneten Punkt verschoben, so treten am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 11 außer dem Drehratensignal J£ (2c) sin Wd, ein Signal mit Frequenz f¥ und Vielfache davon auf, was über die folgende Signalverarbeitung am Ausgang des Steuerglieds 10 zu einer Änderung des Modulationshubs in Richtung des Extremwertes der Besselfunktion 1. Ordnung (AP 1).Bezugszeichenliste÷1÷Laserdiode÷2÷Koppler÷3÷Koppler÷4÷Sensorspule÷5÷Phasenmodulator÷6÷Photodiode÷7÷Faserkreisel÷8÷Vorverstärker÷9÷Differe nzverstärker10÷Steuerglied11÷phasenempfindlicher Gleichrichter (LIV=Lock In Verstärker12÷Tiefpaß13÷Tiefpaß14÷Summenverstärker15÷Vorzeichenerkennung16÷Bandpaß17÷Referenzwertgeber18÷Oszillator19÷Multiplizierer20÷phasen empfindlicher Gleichrichter (LIV=Lock In Verstärker21÷piezoelektrischer Körper