DE3140110C2

DE3140110C2 -

Info

Publication number: DE3140110C2
Application number: DE3140110A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7906 Blaustein-Dietingen De Marten; Klaus Dr.-Ing. 7900 Ulm De Petermann
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-10-09
Filing date: 1981-10-09
Publication date: 1991-10-24
Also published as: DE3140110A1; US4549806A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung absoluter Drehungen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.

Ein derartiges Lichtleitfaser-Ringinterferometer ist schematisch in dem ausgezogen gezeichneten Teil der Fig. 1 dargestellt. Das Licht einer Lichtquelle Q gelangt über eine strahlaufteilende Anordnung T mit den Toren T1 bis T4 in beide Enden eines aus einer Lichtleitfaserspule gebildeten Lichtwegs L. Nach Durchlaufen des Lichtweges L werden die Lichtstrahlen in der strahlenaufteilenden Anordnung T wieder vereinigt, und das derart entstandene optische Ausgangssignal wird schließlich vom Photodetektor D empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, aus dem die zu messende Drehung ausgewertet wird.

Im Lichtweg L wird die optische Phase des Lichtes durch einen Phasenmodulator Ph um den Betrag δϕ(t) moduliert, wobei der Phasenmodulator Ph mit einem periodischen, vorzugsweisen sinusförmigen, Signal der Grundfrequenz f₀ angesteuert wird, so daß gilt

δϕ (t) = ϕ₀ · sin (2πf₀t).

Aufgrund dieser Modulation ist auch das vom Photodetektor D empfangene Licht, das optische Ausgangssignal, moduliert, so daß sich für dessen Lichtleistung P_D folgende Reihenentwicklung ergibt:

P_D = C · P_Q {1 + J₀ (ψ) · cos (2ΔΦ) + 2 · J₁ (ψ) · sin (2ΔΦ) · cos (2πf₀ (t - τ/2))
+ 2 · J₂ (ψ) · cos (2ΔΦ) · cos (2π · 2f₀ (t - τ/2)) + . . .} (1)

mit

ψ = 2ϕ₀ · sin (_πf₀τ)

und der Leistung P_Q der Lichtquelle Q, einer Konstanten C und der Sagnac-Phasenverschiebung ΔΦ, J₀, J₁, J₂ bezeichnen Besselfunktionen. Die Sagnac-Phasenverschiebung ist proportional zur zu messenden Drehgeschwindigkeit, so daß durch Messung der Sagnac-Phasenverschiebung die Drehung bestimmbar wird.

Die Leistung P_Q der Lichtquelle Q ist nicht moduliert und konstant, so daß sich die Sagnac-Phasenverschiebung ΔΦ beispielsweise dadurch aus dem optischen Ausgangssignal bestimmen läßt, daß zunächst die zur Grundfrequenz f₀ gehörende Signalamplitude

A₁ = C · P_Q · 2 · J₁ (ψ) sin (2ΔΦ)

und die zur Frequenz 2f₀ gehörende Signalamplitude

A₂ = C · P_Q · 2 J₂ (ψ) cos (2ΔΦ)

erzeugt werden und anschließend, z. B. mit einer entsprechenden elektrischen Schaltung, der Quotient

gebildet wird. Dieser Quotient hängt neben der Sagnac-Phasenverschiebung lediglich vom effektiven Phasenhub ψ ab, der z. B. mit einer Regelanordnung auf einem konstanten Wert gehalten werden kann, so daß gemäß Gleichung (2) die Sagnac-Phasenverschiebung 2ΔΦ aus der Messung des Quotienten A₁/A₂ mit hoher Genauigkeit bestimmbar wird.

Optimale Modulationsverhältnisse ergeben sich, wenn die Grundfrequenz f₀ des Phasenmodulators Ph zu f₀=1/2τ gewählt wird, wobei τ den Laufzeitunterschied zwischen den Lichtlaufzeiten von den Toren T1, T2 zum Phasenmodulator Ph bezeichnet. Diese Grundfrequenz f₀ hat einen derartig hohen Wert, daß eine Auswertung erschwert wird. So ergibt sich beispielsweise bei einem Lichtweg L mit einer Lichtleit-Faserlänge von 1 km eine Grundfrequenz f₀=100 kHz. Bei kürzeren Faserlängen ergeben sich noch höhere Grundfrequenzen. Für eine sehr genaue Signalverarbeitung ist es erstrebenswert, möglichst unmittelbar am Photodetektor D oder zumindest nur bei Zwischenschaltung eines Vorverstärkers einen elektrischen Analog/Digital-Wandler anzuordnen, so daß die weitere Signalverarbeitung bis zur Gewinnung der Drehrate rein digital erfolgen kann. Die genannten hohen Grundfrequenzen von einigen 100 kHz lassen sich mit derzeitigen hochgenauen Analog/Digital-Wandlern lediglich in einer aufwendigen und daher teuren Weise verarbeiten, denn es werden Wandlungszeiten in der Größenordnung von 1 µs gefordert.

Aus der DE 29 49 327 A1 ist ein Verfahren zur Messung absoluter Drehung mittels eines Ringinterferometers bekannt, welches nach dem Prinzip der Phasennullregelung arbeitet. Dabei wird durch einen Phasenmodulator im Lichtweg eine Frequenzverschiebung des Lichts vorgenommen. Über einen Regelkreis wird die Frequenzverschiebung quantitativ so eingestellt, daß sie durch die Frequenzverschiebung bewirkte Phasenverschiebung im Detektorausgangssignal die durch die zu messende Drehung verursachte Phasenverschiebung genau kompensiert. Aus der im eingeregelten Zustand eingestellten Frequenzverschiebung kann die Drehgeschwindigkeit abgeleitet werden. Mittels des Phasenmodulators kann zusätzlich eine Phasenschwingung vorgegebener Frequenz erzeugt werden, die zu Wechselsignalanteilen im Detektorausgangssignal führt. Im eingeregelten Zustand enthält das Ausgangssignal nur Wechselsignalanteile bei geradzahligen Vielfachen der vorgegebenen Frequenz und das Auftreten von Signalanteilen bei ungeradzahligen Vielfachen kann überwacht und zur Nachregelung ausgenutzt werden. Die Lichtquelle kann synchron zur Phasenmodulation impulsbetrieben werden, was sich vorteilhaft auf Lebensdauer, Verlustleistung und Rauschabstand auswirkt.

Ebenfalls eine Phasenschwingung vorgegebener Frequenz zur Erzeugung eines Regelsignals zur Kompensation der Sagnac-Phasenverschiebung ist aus DE 30 01 721 A1 bekannt. Zur Reduzierung von Streulichtstörungen wird die Lichtquelle gepulst betrieben mit einer Pulsfolgefrequenz die höher als oder vorzugsweise gleich der doppelten Frequenz der Phasenschwingung ist. Hierdurch funktioniert die gepulste Anordnung gleich wie eine Anordnung mit einer Dauerstrich-Lichtquelle, zeigt aber geringere Streulichtstörungen.

Ein weiteres auf der Frequenzverschiebung zur Kompensation der Drehung und Einregelung der Phasenverschiebung auf einen konstanten Wert beruhendes Verfahren ist in der DE 29 34 794 A1 beschrieben. Dabei wird eine doppelte Frequenzverschiebung des Lichts mit zwei verschiedenen Frequenzen in zwei Einseitenbandmodulatoren im Lichtweg vorgenommen. Die Drehgeschwindigkeit wird im eingeregelten Zustand aus der Frequenzdifferenz der beiden eingestellten Frequenzverschiebungen ermittelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung absoluter Drehungen der eingangs genannten Gattung anzugeben, das es auf kostengünstige Weise gestattet, absolute Drehungen genau und störungssicher zu messen und insbesondere eine digitale Auswertung vorzunehmen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den Patentansprüchen 1 oder 2 angegebenen Merkmale.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nur wenig aufwendige optische Bauelemente, benötigt werden, um ein Lichtleitfaser-Ringferometer aufzubauen. Durch einen derartigen Aufbau wird die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der Meßanordnung wesentlich erhöht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Ein erstes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß nicht nur die Phase des Lichtes moduliert wird, sondern auch dessen Intensität. Gemäß Fig. 1 geschieht dieses dadurch, daß der im Lichtweg L befindliche Phasenmodulator Ph durch einen elektrischen Oszillator OS derart angesteuert wird, daß eine periodische, vorzugsweise sinusförmige, optische Phasenmodulation mit der Grundfrequenz f₀ entsteht. Die Lichtquelle Q, z. B. eine lichtemittierende Diode oder eine Halbleiter-Laserdiode wird durch einen elektrischen Frequenz- und/oder Pulsgenerator PG elektrisch derart angesteuert, daß intensitätsmoduliertes Licht, wobei die Modulationsfrequenz gleich der Mischfrequenz f₂ ist, ausgesandt wird. Gemäß Gleichung (1) ergeben sich zwei modulierte Anteile, nämlich die Modulation der Leistung P_Q mit der Mischfrequenz f₂ und die durch den Phasenmodulator Ph bewirkte optische Phasenmodulation, die mit der geschweiften Klammer berücksichtigt wird.

Durch eine Multiplikation dieser beiden Anteile entstehen Mischprodukte, so daß sich beispielsweise die Signalamplitude A₁ nicht nur der Grundfrequenz f₀, sondern auch bei einer Auswertefrequenz

f₁ = |f₂ - f₀|

bestimmen läßt. Durch eine entsprechende Wahl der Mischfrequenz f₂ läßt sich erreichen, daß die Auswertefrequenz f₁ wesentlich kleiner als die Grundfrequenz f₀ ist und daher einer digitalen Signalverarbeitung zugänglich wird.

Wenn nun entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung das modulierte Licht nicht nur die Frequenzkomponente f₂, sondern wenigstens auch die Frequenzkomponente 2f₂ enthält, läßt sich auch die Signalamplitude A₂ leicht bestimmen und zwar durch Bestimmung der Signalamplitude bei der Frequenz

2f₁ = |2f₂ - 2f₀|.

Entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung ergeben sich die oben genannten Frequenzkomponenten, wenn die Lichtquelle Q sich periodisch wiederholende Lichtpulse mit der Mischfrequenz f₂ aussendet, wobei die Pulslänge kurz gegenüber der Periodenlänge sein soll. Derartige Lichtpulse lassen sich dann einfach erzeugen, wenn als Lichtquelle eine lichtemittierende Diode oder eine Halbleiterlaserdiode verwendet wird, deren elektrischer Ansteuerstrom entsprechende Pulse aufweist.

Von dem optischen Ausgangssignal, das vom Photodetektor D in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, werden einem nachgeschalteten elektrischen Analog-Digitalwandler A/D lediglich die Frequenzen

f₁ = |f₂ - f₀| und 2f₁ = |2f₂ - 2f₀|

entsprechenden elektrischen Signale zugeführt. Eine an den Analog-Digitalwandler A/D angeschlossene Datenverarbeitungsanlage, z. B. ein Mikroprozessor mit einer optischen Anzeigeeinheit, ermöglicht eine weitere digitale Signalverarbeitung, beispielsweise die Bildung des Quotienten A₁/A₂ gemäß Gleichung (2) oder die Anzeige der zu messenden Drehrate.

Soll oder kann das Licht der Lichtquelle Q nicht moduliert werden, so ist eine Reduzierung der vom Analog-Digitalwandler A/D zu verarbeitenden Frequenz auch durch einen elektrischen Mischer möglich. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt lediglich den zur Erläuterung wesentlichen Teil einer Meßanordnung. Gemäß Fig. 2 ist dem Photodetektor D eine elektrische Auswerteeinheit 20 elektrisch nachgeschaltet, die einen Frequenzgenerator FG, einen Mischer M, einen Analog-Digitalwandler A/D sowie eine nachgeschaltete digitale Datenverarbeitungsanlage DV enthält. Wird nun das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors D, das im wesentlichen dem optischen Ausgangssignal entspricht, mit einem elektrischen Signal des Frequenzgenerators FG, das Signalkomponenten bei den Frequenzen f₂ und 2f₂ enthält, im Mischer gemischt, so entstehen ebenfalls die beschriebenen Signalkomponenten bei niedrigen Frequenzen, die für eine digitale Weiterverarbeitung geeignet sind, so daß von der Wirkung her das Mischerkonzept gemäß Fig. 2 der Intensitätsmodulation des Lichtes der Lichtquelle Q entspricht (Fig. 1).

Eine langsame digitale Weiterverarbeitung wird auch dann möglich, wenn die Signalamplituden A₁/A₂ nicht bei jeder Periode der Signalschwingung an der Photodiode gewonnen werden, sondern lediglich ein Bruchteil der Signalperioden mit Hilfe einer entsprechend angesteuerten Abtasthalteschaltung ausgewertet wird.

Als Ausführungsbeispiel wird eine Lichtleitfaserspule mit einer Faserlänge von 850 m gewählt, so daß sich eine Grundfrequenz f₀ von 120 kHz ergibt. Ein Halbleiterlaser, als Lichtquelle Q, wird mit einem Pulsgenerator PG angesteuert, der elektrische Pulse einer Pulslänge von 1 µs erzeugt, die sich periodisch wiederholen mit einer Mischfrequenz f₂=118 kHz. Am Photodetektor D entstehen dann unter anderem Signalkomponenten bei der Auswertefrequenz

f₁ = |f₂ - f₀| = 2 kHz

und deren zweiten Harmonischen 2f₁=4 kHz. Diese Signale werden dem Analog-Digital-Wandler A/D zugeführt, der das Signal 16 000mal pro Sekunde abtastet, was acht Abtastwerten pro Periodendauer bezüglich der Auswertefrequenz f₁ entspricht. Aus diesen digitalen Abtastwerten werden dann die Größe der Signalamplituden bei den Frequenzen f₁ und 2f₁ entsprechend A₁ und A₂ bestimmt sowie der Quotient A₁/A₂, woraus schließlich die Drehrate bestimmbar wird. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr zuverlässige Drehgeschwindigkeitsbestimmung, wobei hervorzuheben ist, daß Skalenfaktorschwankungen des Analog-Digital-Wandlers A/D vernachlässigbar werden, da diese durch die genannte Divisionsbildung entfallen.

Für eine genaue Auswertung des von dem Photodetektors D erzeugten elektrischen Analogsignals ist es vorteilhaft, dieses Analogsignal zunächst einem sogenannten Sample- and Hold-Schaltkreis zuzuführen, der dem zu digitalisierenden Analogsignal zeitlich sehr kurze Proben (Dirac-Impulse) entnimmt, die ein elektrisch nachgeschalteter Analog-Digital-Wandler, der z. B. nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeitet, in ein sogenanntes Datenwort umwandelt. Derartige zeitlich folgende Datenwörter z. B. 16-bit-parallel-Wörter, enthalten in digitaler Form Amplituden- und Phasenwerte des Analogsignales und können von einer Datenverarbeitungsanlage, z. B. ein Mikroprozessor und/oder ein elektronisches parallel arbeitendes, schnelles Rechenwerk, weiterverarbeitet werden gemäß den eingangs erwähnten Gleichungen.

Claims

1. Verfahren zur Messung absoluter Drehungen mit Hilfe eines Lichtleitfaser-Ringinterferometers, bestehend aus einer Lichtquelle (Q), einer strahlenaufteilenden Anordnung (T), einem durch eine Faserspule gebildeten Lichtweg (L), in dem sich ein Phasenmodulator (Ph) befindet, der die optische Phase des Lichts im Lichtweg (L) periodisch mit einer Grundfrequenz f₀ moduliert und auf diese Weise einen Wechselsignalanteil im Ausgangssignal eines nach dem Lichtweg (L) angeordneten Photodektors (D) bewirkt, und aus Einrichtungen zur frequenzselektiven Auswertung des elektrischen Ausgangssignals des Photodetektors (D), dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Lichtes der Lichtquelle (Q) durch ein Mischsignal mit einer von der Grundfrequenz f₀ verschiedenen Mischfrequenz f₂ moduliert wird und daß zur Auswertung Signalanteile des Detektorausgangssignals bei einer Auswertefrequenz f₁, die gleich der Differenz zwischen Grundfrequenz f₀ und Mischfrequenz f₂ und wesentlich kleiner als die Grundfrequenz f₀ ist, herangezogen werden.

2. Verfahren zur Messung absoluter Drehungen mit Hilfe eines Lichtleitfaser-Ringinterferometers, bestehend aus einer Lichtquelle (Q), einer strahlenaufteilenden Anordnung (T), einem durch eine Faserspule gebildeten Lichtweg (L), in dem sich ein Phasenmodulator (Ph) befindet, der die optische Phase des Lichts im Lichtweg (L) periodisch mit einer Grundfrequenz f₀ moduliert und auf diese Weise einen Wechselsignalanteil im Ausgangssignal eines nach dem Lichtweg (L) angeordneten Photodetektors (D) bewirkt, und aus Einrichtungen zur frequenzselektiven Auswertung des elektrischen Ausgangssignals des Photodetektors (D), dadurch gekennzeichnet, daß das vom Photodetektor (D) abgegebene Signal in einem Mischer (M) mit einem Mischsignal, das Signalanteile mit einer von der Grundfrequenz f₀ verschiedenen Mischfrequenz f₂ aufweist, gemischt wird und daß zur Auswertung Signalanteile des Ausgangssignals des Mischers (M) bei einer Auswertefrequenz f₁, die gleich der Differenz zwischen Grundfrequenz f₀ und Mischfrequenz f₂ und wesentlich kleiner als die Grundfrequenz f₀ ist, herangezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Grundfrequenz f₀ im wesentlichen f₀=1/(2τ) gilt, wobei τ im Lichtweg (L) den Laufzeitunterschied des Lichtes bezeichnet, der zwischen den Lichtlaufzeiten von jeweils einem Tor (T1, T2) der strahlenaufteilenden Anordnung (T) zum Phasenmodulator (Ph) besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischsignal zusätzlich Anteile der ersten Harmonischen 2f₂ der Mischfrequenz f₂ enthält und daß bei der Auswertung Signalanteile des Detektorausgangssignals bzw. des Mischerausgangssignals auch bei der ersten Harmonischen 2f₁ der Auswertefrequenz f₁ herangezogen werden zur Bestimmung der Drehung aus einer Quotientenbildung der Signalamplituden bei der Auswertefrequenz f₁ und deren erster Harmonischen 2f₁.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle (Q) Lichtpulse ausgesandt werden, die sich periodisch wiederholen mit der Mischfrequenz f₂.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (Q) eine lichtemittierende Diode oder eine Halbleiter-Laserdiode verwendet wird und daß deren Lichtintensitätsmodulation durch eine Modulation des elektrischen Ansteuerstromes bewirkt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auszuwertende Signal digitalisiert und die Auswertung digital durchgeführt wird.