NO851642L - Fiberoptisk interferometer for faselesing. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår interferometere og nærmere bestemt et fiberoptisk interferometer for faselesing som innbefatter en fremgangsmåte og anordning for måling av faseforskjellssignaler fra interferometere over et utstrakt dynamisk operasjonsområde.

Interferometere innbefatter typiske anordninger som sørger for forplantning av to interfererende lysbølger med faseforskjellen mellom lysbølgene i avhengighet av forskjellen ved de respektive optiske banelengder utbredt av de to lysbølgene i interferometeret. Faseforskjellen mellom to interfererende bølger kan også bli påvirket av ytre krefter, slik som interferometerets operasjon. Interferometeret tilveiebringer generelt således et utgangssignal hvis intensitet er avhengig av faseforskjellen mellom bølgene. Forskjellige metoder og anordninger for å detektere og måle denne faseforskjellen, har blitt foreslått, men hver av dem har vist å ha problemer eller begrensninger under visse operasjonsbetingelser.

Anordning for å måle faseforskjellen har ofte funnet anvendelse ved interferometere som ble anvendt for rota-sjonsavføling. Selv om fremgangsmåten og anordningen beskrevet her for detektering og måling av faseforskjellen til utgangssignalet er brukbar med alle konvensjonelle interferometere, kan dens konfigurasjon og drift best bli beskrevet i forbindelse med fiberoptiske rotasjonssensorere, som innbefatter en foretrukket utførelse i form av oppfinnelsen .

Fiberoptiske rotasjonssensorer innbefattet typisk en fibersløyfe av optisk materiale til hvilken lysbølger er koblet for forplantning rundt sløyfen i motsatte retninger. Rotasjon av sløyfen danner en relativ faseforskjell mellom de motsatt utbredende bølger i samsvar med den velkjente "Sagnac-effekten", med størrelsen på faseforskjellen korresponderende med rotasjonshastigheten. De motsatt utbredende bølger, nå kombinert på nytt, interfererer konstruktivt eller destruktivt for å frembringe et optisk utgangssignal som varierer i intensitet i samsvar med sløyfens rotasjonshastighet. Rotasjonsavføling er vanligvis tilveiebragt ved detektering av dette optiske utgangssignalet.

Forskjellige teknikker har blitt foreslått for å øke følsomheten til den fiberoptiske rotasjonssensoren til små rotasjonshastigheter. En åpen sløyfeteknikk innbefatter f.eks. fasemodulering av seg motsatt utbredende lysbølger ved en første harmonisk frekvens. Rotasjonshastigheten kan således bli bestemt ved fasefølsomt detektering av komponenten ved det optiske utgangssignalet ved fasemodulasjonssekvensen. Amplituden til denne komponenten er proporsjonal med rotasjonshastigheten. Denne teknikken er imidlertid ikke tilgjengelig for detektering av store rotasjonshastigheter på grunn av at det optiske utgangssignalet definerer en bølgeform som gjentar seg selv periodisk når rotasjonshastigheten økes eller reduseres. Amplituden til den målte komponenten er således den samme ved hver periodisk gjentagelse av utgangssignalet selv om den tilknyttede sløyferotasjonshastigheten er forskjellig. Anordningens følsomhet blir dessuten hovedsakelig null ved noen steder på den gjentagende signalbølgeformen som bevirker en ikke-lineær reaksjon for anordningen. Slike teknikker er vanskelige å anvende ved mange anvendelser som krever rotasjonsavføling over et utstrakt dynamisk område.

En annen teknikk som innebærer en åpen sløyfekonfigurasjon innebærer et enkelt sidebåndsdetekteringsskjerna slik som det beskrevet av D. Eberhard og E. Voges, "Fiber Gyroscope with Phase-Modulated Single-Sideband Detection", Opt. Lett. 9, 22

(1984). Denne metoden er imidlertid ikke egnet siden den krever en bredbåndsfasemodulator som ikke er tilgjengelig i fiberoptisk form.

En annen metode for rotasjonavføling innebærer signal-behandlingsteknikk som beskrevet av K. Bohm, P. Marten, E. Weidel og K. Peterman, "Direct Rotation-Rate Detection With A Fiber-Optic Gyro By Using Digital Data Processing," Electron. Lett. J_9, 997 ( 1983). Ved denne metoden blir, som ved teknikken beskrevet ovenfor, seg motsatt utbredende bølger fasemodulert ved en valgfrekvens. En odde harmonisk og en heltallig harmonisk av utgangssignalet blir hver målt og disse signalene blir så behandlet kombinert for å definere tangenten til faseforskyvningen bevirket ved sløyferotasjonen. Rotasjonshastigheten kan så bli beregnet utfra denne informasjonen. På grunn av det begrensede området for kjente analoge/digitalomformere som ble anvendt med denne anordningen, kan anordningen ikke tilveiebringe det nødvendige dynamiske området ved den oppløsningen som er nødvendig ved de fleste gyroskopiske anvendelser, slik som mange navigasjonstyper.

For å overvinne noen av problemene forbundet med den ovenfor beskrevne teknikken, har forskjellige andre lukkede sløyfe-metoder blitt utviklet. Flere lukkede sløyfeteknikker innbefatter f.eks. fasemodulasjon for seg motsatt utbredende lysbølger ved en valgfrekvens. Det optiske utgangssignalet frembragt av lysbølgene ble overvåket for å detektere sløyferotasjonen. Når rotasjonen ble detektert, blir et tilbakekoblingssignal frembragt som styrer fasemodulasjonssignalet som ble tilført seg motsatt utbredende lysbølger. Som reaksjon på tilbakekoblingssignalet, ble amplituden til fasemodulasjonssignalet justert for å slette komponenten i de optiske utgangssignaler frembragt av sløyferotasjonen. Amplituden til fasemodulasjonssignalet innbefatter således et mål for sløyfens rotasjonshastighet.

Denne lukkede sløyfeteknikken tilveiebringer samme følsom-hetsnivå som er tilgjengelig ved åpne sløyfeanordninger, som også øker betydelig det dynamiske området over hvilket rotasjonshastigheten kan bli nøyaktig målt. Presisjonen og området for disse rotasjonssensorene er imidlertid begrenset ved anvendelsen av de forskjellige utgangsanordningenes mulighet til hvilke sensorene kan bli forbundet. Utgangsanordningene må f.eks. ha et område og oppløsning som tillater måling av amplituden til fasemodulasjonssignalet for store såvel som for svært små rotasjonshastigheter. Utgangsanordningene som skal bli anvendt ved disse systemene er ikke tilgjengelige med både følsomhetsnivåer og dynamiske områder som tilfredsstiller kravene for anvendelser slik som luftfartsnavigasjon. Disse systemene er dessuten i og for seg mer komplekse enn åpne sløyfesystemer på grunn av de ytterligere elektroniske kretsene innbefattet deri.

I lys av ovenfor nevnte skulle det bli en stor forbedring ved denne teknikken å tilveiebringe et åpent sløyferota-sjonsavfølingssystem og en fremgangsmåte hvor rotasjonshastigheten til alle fiberoptiske gyroskop kunne bli nøyaktig, utvetydig og lineært bestemt over et utstrakt dynamisk område. Det ville dessuten være en viktig forbedring å tilveiebringe et slikt system og metode som ville anvende eksisterende komponenter for å frembringe digital utlesning av rotasjonshastigheten over et hovedsakelig ubegrenset dynamisk område.

Foreliggende oppfinnelse innbefatter en anordning og fremgangsmåte for detektering og måling av påvirkningen av valgte ytre krefter på et interferometer over et utstrakt dynamisk driftsområde. Anordningen innbefatter et interferometer som har en detektor for tilveiebringelse av et utgangssignal bestående av to interferende lysbølger som utbreder seg i interferometeret. Faseforskjellen mellom interfererende lysbølger er avhengig av forskjellen i respektivt optiske banelengder utbredt av lysbølgene i interferometeret og ved påvirkningen av ytre krefter slik som trykk, temperatur og interferometerets rotasjon. Intensiteten til utgangssignalet er avhengig av faseforskjellen til bølgene og er således avhengig av ytre krefter påført interferometeret.

En første krets amplitudemodulerer utgangssignalet for å frembringe et første signal som har valgte harmoniske som inneholder både sinus og kosinus-komponenter for utgangssignalet. En andre krets har til funksjon å reagere på det første signalet for å tilveiebringe et annet signal som er representativt for forskyvningen i faseforskjellen til de interfererende lysbølgene bevirket av de ytre kreftene.

Ved en foretrukket utførelsesform innbefatter oppfinnelsen en åpen sløyferotasjonssensor og en fremgangsmåte av dens drift for bruk ved nøyaktig og pålitelig avføling av et bredt område av rotasjonshastigheter og for å tilveiebringe en fase for et lavfrekvenssignal som korresponderer med den avfølte rotasjonen. Rotasjonssensoren innbefatter fiberoptiske helkomponenter, slik som fiberoptiske retnings-koblere som a) spalter lyset fra kilden i to bølger som utbreder seg rundt avfølingssløyfen i motsatte retninger, og b) kombinering av seg motsatt utbredende bølger for å tilveiebringe et optisk utgangssignal.

Egnet polarisasjon av tilført lys, seg motsatt utbredende bølger og det optiske utgangssignalet blir etablert, styrt og opprettholdt av en fiberoptisk polarisator og en fiberoptisk polarisasjonsstyrer. En andre fiberoptisk kobler er anordnet for å koble det optiske utgangssignalet fra kontinuerlige strenger til en fotodetektor som sender ut et elektrisk signal som er proporsjonal med det optiske signalets intensitet.

Forbedret driftstabilitet og følsomhet for rotasjonssensoren blir tilveiebragt ved fasemodulering av de seg motsatt utbredende bølgene ved en valgfrekvens ved bruk av en fasemodulator og derved forspenning av fasen til det optiske utgangssignalet. Den optiske intensiteten for utgangssignalet fra fotodetektoren blir amplitudemodulert ved fasemodulasjonsfrekvensen for å omstille den optiske faseforskyvningen til en faseforskyvning for et lavfrekvent elektronisk signal. Det modulerte signalet blir filtrert for å velge en av dets harmoniske frekvenser.

Ved en foretrukket utførelsesform blir amplitudemodulasjonen tilveiebragt av en elektronisk bryter som vekselvis sender det amplitudemodulerte signalet til en av de to kanalene ved fasemodulasjonsfrekvensen. Signalene ved de to kanalene blir således kvadratbølgemodulert ved modulasjonsfrekvensen og er<180>° ut av fase me$ hverandre. En komponent til hver av signalene i kanalen ble valgt ved en harmonisk til modulasjonsssfrekvensen ved hjelp av bandpassfiltrene og faseforskjellen til disse komponentene ble bestemt ved en fasemåler. Denne faseforskjellen innbefatter en verdi som er to ganger faseforskjellen frembragt i de seg motsatt utbredende bølgene ved rotasjonshastigheten. Ved en foretrukket utførelsesform er fasemåleren en tidsintervallteller som frembringer et svært nøyaktig digitalt utgangssignal som lett kan bli anvendt ved konvensjonelle digitale utgangsanordninger.

Ved en annen foretrukken utførelsesform blir intensitets-utgangssignalet amplitudemodulert av en konvensjonell elektronisk fot, og fasen til en valgt harmonisk for det amplitudemodulerte signalet ble målt i forhold til det til en korresponderende harmonisk av fasemodulasjonssignalet. Denne måling kan bli utført ved en fasemåler som beskrevet ovenfor for å frembringe en digitalverdi som korresponderer med faseforskjellen frembragt ved seg motsatt utbredende bølger ved hjelp av rotasjon av sløyfen. Amplitudemodulasjonen kan vanligvis bli utført ved den optiske sløyfen ved bruk av en optisk fot slik som en lukker.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 viser skjematisk en hovedrotasjonssensor hvor fiberoptiske komponenter er vist anbragt langs en kontinuerlig, ikke-avbrutt streng av fiberoptisk materiale og hvor det også er vist en signalgenerator, fotodetektor, låseforsterker, og fremvisningsanordning forbundet med detekteringssystemet. Figur 2 viser et snitt av en utførelsesform av en fiberoptisk retningskobler for bruk ved rotasjonssensoren på fig. 1. Figur 3 viser et snitt gjennom utførelsesform av en fiberoptisk polarisator for bruk ved rotasjonssensoren på fig. 1. Figur 4 viser et perspektivriss av en utførelsesform av en fiberoptisk polarisasjonsstyrer for bruk ved rotasjonssensoren ifølge fig. 1. Figur 5 viser et skjematisk diagram av rotasjonssensoren på fig. 1 med polarisatoren, polarisasjonsstyrerene, og fasemodulatorene fjernet derfra. Figur 6 viser en kurve over intensiteten for det optiske utgangssignalet målt av fotodetektoren som en funksjon av rotasjonsmessig indusert "Sagnac"-faseforskjell, som viser virkningen av dobbeltbrytningsinduserte faseforskjeller og dobbeltbrytningsindusert amplitudefluktasjoner. Figur 7 viser en kurve over faseforskjellen som en funksjon av tiden som viser fasemodulasjonen for hver av de seg motsatt utbredende bølger og faseforskjellen mellom de seg motsatt utbredende bølger. Figur 8 viser skjematisk virkningen av fasemodulasjonen på intensiteten til det optiske utgangssignalet, da målt ved detektoren når sløyfen er i ro. Figur 9 viser skjematisk virkningen av fasemodulasjonen på intensiteten til det optiske utgangssignalet da målt av detektoren når sløyfen roterer. Figur 10 viser et diagram av en foretrukken utførelsesform av en rotasjonssensor for åpen sløyfefaseavlesning med utstrakt dynamisk område. Figur 11 viser det første til den fjerde harmoniske fre-kvenskomponenten for det optiske utgangssignalet fra den fiberoptiske sløyfen forbundet med rotasjonssensoren. Figur 12 viser forholdet mellom fase og amplitudemodula-sjonssignalene med omkoblings- og filterutgangssignaler iløpet av tilstanden hvor den optiske sløyfen forbundet med rotas jonssensoren vist på fig. 10 er i ro, henholdsvis i rotasjon. Figur 13 viser en kurved over en lineære graderingsfaktoren for rotasjonssensoren vist på fig. 10. Figur 14 viser et diagram av en annen foretrukket utfør-elsesform av en rotasjonssensor for faseavlesning av den åpne sløyfetypen med det utstrakte dynamiske området. Figur 15 viser et diagram over forholdet mellom fasen og amplitudemodulasjonssignaler med port- og filterutgangssig-

naler iløpet av både tilstanden hvor den optiske sløyfen forbundet med rotasjonssensoren vist på fig. 14, er i ro og i rotasjon.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere i forbindelse med den bestemte type interferomter som innbefatter en bestemt anvendelse ved en foretrukket utførelses-form av oppfinnelsen. Oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med et "Sagnac"-interferometer for rotasjonsavføling, men det er klart at oppfinnelsen kan bli anvendt ved et hvert interferometer ved mange slags anvendelser.

Før beskrivelsen av en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, skal det beskrives nærmere prinsippene ved rotasjonssensoren anvendt ved oppfinnelsen. Fig. 1 viser en rotasjonssensor som har en optisk basissløyfestruktur som er av den typen anvendt i foreliggende oppfinnelse. De andre komponentene utenfor sløyfen er innbefattet kun for å gi et eksempel på hvorledes et slikt system generelt drives. Rotasjonssensoren innbefatter en lyskilde 10 for innføring av lys i en kontinuerlig lengde eller streng av optisk fiber 12, av hvilken en del er viklet i en avfølingssløyfe 14. Henvisningstallet 12 betegner her generelt hele den kontinuerlige strengen med optisk fiber, mens henvisningstallet 12 med indeks (A, B, C, etc.) betegner deler av den optiske fiberen 12.

Ved den viste utførelsesformen innbefatter lyskilden 10 en galiumarsenide (GaAs)-laser som frembringer lys med en bølgelengde i størrelsesorden av 0,82 pm. Ved et spesifikt eksempel kan lyskilden 10 innbefatte en laserdiode av typen GO-DIP kommersielt tilgjengelig fra General Optronics Corp., 3005 Hadley Road, South Plainfield, New Jersey. Fiberoptiske strenger slik som strengen 12, er fortrinnsvis enmodusfibre med f.eks. en ytre diameter på 80 pm og en kjernediameter på 4 |jm. Sløyfen 14 innbefatter flere viklinger av fiberen 12 viklet rundt en spole eller annenn egnet bærer (ikke vist). Ved hjelp av et spesifikt eksempel kan sløyfen 14 ha tilnærmet 1000 viklinger av fibrer viklet på en form som har en diameter på 14 cm.

Sløyfen 14 er fortrinnsvis viklet symmetrisk startende fra midten slik at symmetriske punkter i sløyfen 14 er nær hverandre. Det er antatt at dette reduserer omgivelsesføl-somheten til rotasjonssensoren siden slik symmetri bevirker tidsvarierende temperatur- og trykkgradienter til å ha en lignende effekt på begge de seg motsatt utbredende bølger.

Lys fra kilden 10 blir optisk koblet til den ene enden av fiberen 12 ved å legge an fiberen 12 mot lyskilden 10. Forskjellige komponenter for føring og behandling av lys er anbragt eller formet ved forskjellige steder langs den kontinuerlige strengen 12. For beskrivning av den relative anbringelsen til disse komponentene, vil den kontinuerlige fiberen 12 bli beskrevet som delt i syv deler merket med henholdsvis 12A til 12G med delene 12A til 12E anbragt på siden av sløyfen 14, dvs. koblet med kilden 10 og delene 12F og 12G er på motsatte sider av sløyfen 14.

Tilliggende lyskilden 10 mellom fiberdelene 12A og 12B er en polarisasjonsstyrer 24. En polarisasjonsstyrertype er egnet for bruk som styrer 24 er beskrevet nærmere i US-patent nr. 4.389.090. Polarisasjonsstyrererene 24 vil bli beskrevet nærmere senere. Det skal imidlertid bemerkes at denne styreren 24 tillater justering av det tilførte lysets polarisasjonsretning og -tilstand.

Fiberen 12 slipper så igjennom portene merket A og B til en retningskobler 26 anbragt mellom fiberdelene 12B og 12C. Kobleren 26 kobler den optiske energien til den andre streng av optisk fiber som passerer gjennom portene merket C og D til kobleren 26, idet porten C er på samme side av kobleren som porten A og porten D er på samme side av kobleren som porten B. Enden av fiberen 28 som strekker seg fra porten D avsluttes ikke-reflekterende ved punktet merket "NC" (ikke-forbundet), mens fiberens 29 ende som strekker seg fra porten C, er optisk koblet med en fotodetektor 30. Fotode-tektorén kan f.eks. innbefatte en standard fotodiode revers forspent og av silisium PIN-typen. Kobleren 26 er beskrevet nærmere i europeisk patentsøknad nr. 0074789 og europeisk patentsøknad nr. 0038023.

Fiberdelen 12C som strekker seg fra porten B til kobleren 26, går gjennom en polarisator 32 anbragt mellom fiberdelen 12C og 12D. En optisk fiber av monomodustypen har to polarisasjonsmoduser for utbredelse av enhver lysbølge. Polarisatoren 32 tillatter passasje av lys i en av polarisa-sjonsmodusene til fiberen 12, mens den forhindrer lyspas-sasje i den andre polarisasjonsmodusen. Polarisasjonsstyreren 24 nevnt ovenfor, blir fortrinnsvis anvendt for å justere polarisasjonen til det tilførte lyset slik at slik polarisasjon i hovedsaken er den samme som polarisasjonsmodusen sluppet gjennom av polarisatoren 32. Dette reduserer tapet med optisk energi når tilført lys forplanter seg gjennom polarisatoren. En foretrukket polarisatortype for bruk ved foreliggende oppfinnelse er beskrevet nærmere i US-patent nr. 4.386.822.

Etter å ha gått igjennom polarisatoren 32, går fiberen 12 gjennom portene merket A og B til en retningskobler 34 anbragt mellom fiberdelene 12D og 12E. Denne kobleren 34 er fortrinnsvis av samme type som beskrevet ovenfor med henvisning til kobleren 26. Fiberen 12 er så viklet i en sløyfe 14 med en polarisasjonsstyrer 36 anbragt mellom sløyfen 14 og fiberdelen 12E. Denne polarisasjonsstyreren 36 kan være av den typen som er beskrevet med henvisning til styreren 24 og blir anvendt for å justere polarisasjonen til lysbølgene som utbreder seg motsatt hverandre gjennom sløyfen 14 slik at det optiske utgangssignalet dannet ved interferens mellom disse seg motsatt utbredende bølger, har en polarisasjon som vil bli effektivt sluppet gjennom av polarisatoren 32 med minimalt optisk energitap. Ved anvendelse av begge polarisasjonsstyrerene 24 og 36, kan således polarisasjon til lyset som utbreder seg gjennom fiberen 12, bli justert for maksimal optisk energiutførsel.

En fasemodulator 38 drevet av en vekselstrømsgenerator 40 er montert i fibersegmentet 12F mellom sløyfen 14 og den andre retningskobleren 34. Denne modulatoren 38 innbefatter en PZT-sylinder rundt hvilken fiberen 12 er lagt. Fiberen 12 er bundet til sylinderen slik at når den utvides radialt som reaksjon på modulasjonssignalet fra generatoren 40, strekker den fiberen 12.

En alternativ modulatortype (ikke vist) egnet for bruk ved foreliggende oppfinnelse, innbefatter en PZT-sylinder som i lengderetningen strekker fire segmenter med fibre 12 bundet til korte lengder med kapillarrør ved endene av sylinderen. Fagmannen på området vil se at denne alternative modulat-ortypen kan gi en mindre grad av polarisasjonsmodulasjon til det seg utbredende optiske signalet enn modulatoren 38, men modulatoren 38 vil imidlertid bli drevet ved den frekvens som eliminerer den uønskede virkningen av polarisasjons-modulas jonen . Begge modulatortypene er således egnet for bruk ved foreliggende oppfinnelse.

Fiberen 12 går så gjennom portene merket C og D til kobleren 34 med fiberdelen 12F strekkende fra porten D og fiberdelen 12G som strekker seg fra porten C. Fiberdelen 12G avsluttes ikke-reflekterende ved et punkt merket "NC"

(ikke-forbundet).

Utgasngssignalet fra vekselstrømsgeneratoren 40 ble tilført på en linje 44 til en låseforsterker 46 som et referanse signal. Låseforsterkeren er også tilkoblet for å motta utgangssignalet til fotodetektoren 30 via en linje 48. Dette signalet på linjen 44 til forsterkeren 46 tilveiebringer et referansesignal for klargjøring av forsterkeren 46 for synkront å detektere detektorutgangssignalet ved modulasjonsfrekvensen, dvs. den første harmoniske komponenten til det optiske utgangssignalet til modulatoren 38 mens den blokkerer for alle andre harmoniske til denne frekvensen.

Låseforsterkere er velkjente og er kommersielt tilgjeng-lige .

Det skal bemerkes at størrelsen til den første harmoniske komponenten for detektorutgangssignalet er proporsjonalt over et visst begrenset operasjonsområde med rotasjonshastigheten til sløyfen 14. Forsterkeren 46 sender ut et signal som er proporsjonalt med den første harmoniske komponenten og frembringer således en direkte indikasjon av rotasjonshastigheten som kan være visuelt fremvist på et fremvisningspanel 47. Detekteringsprinsippet vist ved fig. 1, er imidlertid konstruert for å detektere relativt små rotasjonshastigheter som vil bli nærmere beskrevet i forbindelse med fig. 9.

En foretrukken fiberoptisk retningskobler for bruk som koblererene 26 og 34 ved rotasjonssensoren eller gyroskopet ifølge foreliggende oppfinnelse, er vist på fig. 2. Kobleren innbefatter to optiske fiberstrenger merket 50A og 50B på fig. 2, til et fiberoptisk materiale av enmodustypen ved en del av den optiske kappen fjernet fra den ene side. De to strengene 50A og 50B er montert i respektive bue-formede spalter 52A og 52B dannet i respektive blokker 53A og 53B. Strengene 50A og 50B er anbragt i delen av strengene hvor den optiske kappen har blitt fjernet i et forhold med liten avstand for dannet samvirkningsområde 54 ved hvilket lyset blir overført mellom kjernedelene til strengene. Mengden av det fjernede materialet er slik at kjernedelen til hver streng 50A og 50B er innenfor det flyktige feltet til det andre. Senter-til-senter-mellomrommet mellom strengene ved koblerens senter er typisk mindre enn omkring 2-3 kjernediametre.

Det er viktig å bemerke at lyset overført mellom strengene ved samvirkningsområdet 54 er retningsbestemt. Det vi si hovedsakelig alt lyset tilført inngangsporten A blir levert til utgangsportene B og D uten motretningskobling med porten C. Hovedsakelig alt lysert tilført inngangsporten C er likeledes levert til utgangsportene B og D. Denne retnings-bestemmelsen er dessuten symmetrisk. Lyset tilført enten inngangsporten B eller inngangsporten D blir således levert til utgangsportene A og C. Kobleren er dessuten hovedsakelig ikke-diskriminerende med hensyn til polarisasjonen og tar således vare på polarisasjonen til det koblede lyset. Dersom en lysstråle med en veertikal polarisasjon blir ført til porten A, vil således f.eks. lyset koblet fra porten A til porten D såvel som lyset som passeret rett gjennom fra porten A til porten B, forbli vertikalpolarisert.

Utfra ovennevnte fremgår det at kobleren kan virke som en strålespalter for å dele det tilførte lyset i seg motsatte utbredende bølger W1, W2 (fig. 1). Kobleren kan dessuten ha som funksjon å rekombinere seg motsatt utbredende bølger etter at de har gått gjennom sløyfen 14 (fig. 1).

Ved den viste utførelsesformen har hver av kobleren 26, 34, en koblingsvirkningsgrad på 50% da dette koblingsvalget effektivt tilveiebringer maksimal optisk energi ved fotodetektoren 30 (fig. 1). Uttrykket koblingsvirkningsgrad er her definert som energiforholdet mellom koblet energi og totalt utført energi uttrykt i %. Med henvisning til fig. 1, dersom lyset blir tilført porten A, vil f.eks. koblingsvirk- ningsgraden være lik forholdet mellom energien ved porten D og summen av energien utført ved portene B og D. En koblingsvirkningsgrad på 50% for kobleren 34 sikrer dessuten at de seg motsatt utbredende bølger W1, W2 har lik stør-relse .

En foretrukket polarisator for bruk ved rotasjonssensoren ifølge foreliggende oppfinnelse er vist på fig. 3. Denne polarisatoren innbefatter et dobbeltbrytningskrystall 60 anbragt i det flyktige feltet til lyset sendt av fiberen 12. Fiberen 12 er montert i en spalte 62 som åpnes mot en øvre flate 63 til en generell rektangulær kvartsblokk 64. Spalten 62 har en nøyaktig bueformet bunnvegg og fiberen er montert i spalten 62 slik at den følger konturen til denne bunnveggen. Den øvre overflaten 63 til blokken 64 er polert for å fjerne en del av den optiske kappen fra fiberen 12 i et område 67. Krystallet 60 er montert på blokken 64 med den nedre krystallflaten 68 vendt mot blokkens 64 flate 63 for å anbringe krystallet 60 i det flyktige feltet til fiberen 12.

De relative brytningsindeksene til fiberen 12 og dobbeltbrytningsmaterialet og dobbeltbrytningsmaterialet 60 er valgt slik at bølgehastigheten til den ønskede polarisasjonsmodusen er større ved dobbeltbrytningskrystallet 60 enn ved fiberen 12, mens bølgehastigheten til en uønsket polarisasjonsmodus er større ved fiberen 12 enn ved dobbeltbrytningskrystallet 60. Lyset til den ønskede polari-sas jonsmodusen forblir ledet av kjernedelen til fiberen 12, mens derimot lyset til den uønskede polarisasjonsmodusen er koblet fra fiberen 12 til dobbeltbrytningskrystallet 60. Polarisatoren 32 tillater passasje og lys i en polarisasjonsmodus, mens den forhindrer passasje av lys i den andre polarisasjonsmodusen. Som tidligere nevnt kan polarisasjonsstyrere 24, 36 (fig. 1) bli anvendt for å justere polarisasjon til tilført lys og det optiske utgangssignalet henholdsvis, slik at det optiske energitapet gjennom polarisatoren bli minimalisert.

En type polarisasjonsstyrere egnet for bruk ved rotasjonssensoren ifølge foreliggende oppfinnelse er vist på fig. 4. Styreren innbefatter en bunn 70 på hvilken er montert flere opprettstående blokker 72A-72D. Mellom tilliggende blokker 72 er montert spoler 74A-74C tangentialt på aksler, henholdsvis 76A-76C. Akselen 76 er aksialt innrettet i forhold til hverandre og rotert montert mellom blokkene 72. Spolene 74 er generelt sylindriske og anbragt tangentialt i forhold til akselene 76.

Strengen 12 strekker seg gjennom aksiale boringer i akselene 76 og er lagt om hver av spolene 74 og danner tre spoleviklinger 78A-78C. Radiene til spolen 78 er slik at fiberen 12 er spent for å danne et dobbeltbrytende medium ved hver av spoleviklingene 78. De tre spoleviklingene 78A-78C kan bli drøyet uavhengig av hverandre om akselene 74A-74C, henholdsvis, for å justere dobbeltbrytningen til fiberen 12 og således styre polarisasjonen til lyset passerer gjennom fiberen 12.

Diameteren og viklingsantallet til spoleviklingene 78 er slik at de ytre spoleviklinger 78A og C tilveiebringer en rommessig forsinkelse på en kvart bølgelengde, mens midt-spoleviklingen 78D frembringer en rommessig forsinkelse på en halv bølgelengde. Kvartbølgelengdespoleviklingene 78A og C styrer polarisasjonens eliptisitet og halvbølgelengde-spoleviklingen 78 styrer polarisasjonsretningen. Dette frembringer fullstendig justeringsområde for polasisasjonen til lyset som utbreder seg gjennom fiberen 12.

Det skal imidlertid bemerkes at polarisasjonsstyreren kan bli modifisert for å frembringe kun to kvartbølgespolevik-linger 78A og C siden polarisasjonsretningen (ellers tilveiebragt av sentralspolen 78B) kan bli styrt indirekte gjennom egnet justering av polarisasjonseliptisiteten ved hjelp av to kvartbølgespoleviklinger 78A og C. Polarisasjonsstyrerene 24 og 36 er følgelig vist på fig. 1 innbefattende kun to kvartbølgespoleviklinger 78A og C. Siden denne sammenstillingen mellom å redusere den totale størrelsen på styrerene 24-36, kan den være fordelaktig for visse anvendelser av foreliggende oppfinnelse hvor det er rombegrens-ninger.

Polarisasjonsstyrerene 24 og 36 sørger således for eta-blering og opprettholdelse og styring av polarisasjonen til både det tilførte lyset og de seg motsatt utbredende bølger.

For fullstendig å forstå funksjonen og viktigheten til polarisatoren 32 (fig. 1) og fasemodulatoren 38, vil operasjonen av rotasjonssensoren på fig. 1 først bli beskrevet som om disse komponentene var blitt fjernet fra systemet. Fig. 5 viser således rotasjonssensoren på fig. 1 i skjematisk blokkdiagramform med modulatoren 38, polarisatoren 32 og tilknyttede komponenter fjernet derfra.

Lys blir koblet fra laserkilden 10 til fiberen 12 for utbredelse deri. Lyset entrer porten A til kobleren 26 hvor en del av lyset blir tapt gjennom porten D. Den øvrigen delen av lyset utbreder seg fra porten B til porten A i kobleren 34 hvor det blir spaltet i seg to motsatt utbredende bølger W1, W2 med lik amplitude. Bølgen W1 utbreder seg fra porten B i urviserretningen om sløyfen 14, mens bølgen W2 utbreder seg fra porten D mot urviserretningen rundt sløyfen 14.

Etter at bølgene W1, W2 har utbredt seg gjennom sløyfen 14, bli de rekombinert av kobleren 34 for å danne et optisk utgangssignal, som utbreder seg fra porten A til kobleren 34 til porten B tilhørende kobleren 26. En del av det optiske utgangssignalet blir koblet fra porten B til porten C tilhørende kobleren 26 for utbredelse langs fiberen 29 til fotodetektoren 30. Denne fotodetektoren 30 sender ut et elektrisk signal som er proporsjonalt med lysets intensitet påtrykt derpå av det optiske utgangssignalet.

Intensiteten til det optiske utgangssignalet vil variere i samsvar med mengden og typen, dvs. konstruktivt eller destruktivt, av interferensen mellom bølgene W1 og W2 når de blir rekombinert eller interferert ved kobleren 34. For øyeblikket ignoreres virkningen av fiberdobbeltbrytning og bølgen W1, W2 vil utbrede seg den samme optiske banen rundt sløyfen 14. Antas det således at sløyfen 14 er i ro når bølgene W1, W2 blir rekobinert ved kobleren 34, vil de interferere konstruktivt med ingen faseforskjell dermellom og intensiteten til det optiske utgangssignalet vil være ved et maksimum. Når sløyfen 14 blir rotert, vil imidlertid de seg motsatt utbredende bølger W1, W2 bli forskjøvet i fase i samsvar med Sagnac-effekten slik at de blir overlagret ved kobleren 34 hvor de destruktivt interfererer for å redusere intensiteten til det optiske utgangssignalet. Slik Sagnac-faseforskjell mellom bølgene W1, W2 bevirket ved rotasjon av sløyfen 14 er definert av følgende forhold:

hvor

A er arealet avgrenset av sløyfen 14 til den optiske fiberen,

N er antall viklinger for den optiske fiberen om arealet A,

Q er vinkelhastigheten til sløyfen og en akse som er perpendikulær på sløyfens plan, og

X og c er frie romverdier for bølgelengde og hastighet henholdsvis, til lyset tilført sløyfen.

Intensiteten til det optiske utgangssignalet IT er en funksjon av Sagnac-f asef orsk jellen A<t>R mellom bølgene W1, W2 og er definert av følgende ligning:

hvor I1og I2er individuelle intensiteter for de respektive bølgene W1, W2.

Utfra ligningene (1) og (2) fremgår det at intensiteten til det optiske utgangssignalet er en funksjon av rotasjonshastigheten fi. En indikasjon på slik rotasjonshastighet kan således bli tilveiebragt ved å måle intensiteten til det optiske utgangssignalet som anvender detektoren 30.

Fig. 6 viser en kurve 80 som viser dette forholdet mellom intensiteten til det optiske utgangssignalet IT ogSagnac-faseforskjellen A<t»Rmellom seg motsatt utbredende bølger W1 , W2. Kurven 80 har form av en kosinuskurve og intensiteten til det optiske utgangssignalet er et maksimum når Sagnac-faseforskjellen er null. Når faseforskjellen mellom seg motsatt utbredende bølger W1, W2 er bevirketi sin helhet ved rotasjon av sløyfen 14, vil kuven 80 variere symmetrisk om den vertikale aksen. Som beskrevet i europapatent-søknadnr. 0084055, kan med polarisert lys en ytterligere ikke-resiprok, faseforskjell mellom seg motsatt utbredende bølger W1, W2, bli bevirket ved restdobbeltbrytningen til den optiske fiberen 12. Denne ytterligere ikke-resiproke faseforskjellen vil ikke forekomme dersom fullstendig ikke-polarisert lys blir anvendt.

Dobbeltbrytningsinduserte faseforskjeller forekommer på grunn av at lys som utbreder seg ved hver av de to polarisa-sjonsmodusene til enmodusfiberen 12 utbreder seg ved en annen hastighet. Dette danner en ikke-rotasjonsmessig indusert faseforskjell mellom bølgene W1, W2 som bevirker at bølgen W1, W2 interfererer på en måte som ødelegger eller forskyver kurven 80 på fig. 6. En slik forskyvning er vist med kurven 82 vist med fantomlinjer på fig. 6.

Slik dobbeltbrytningsindusert, ikke-resiprok faseforskjell er ikke skillbar fra en rotasjonsmessig indusert Sagnac-faseforskjell er avhengig av omgivelsesfaktorene som varierer fiberdobbeltbrytningen, slik som temperatur og trykk. Fiberdobbeltbrytning er således en hovedfeilkilde ved fiberoptisk rotasjonssensorer.

Problemet med den ikke-resiproke drift på grunn av fiberdobbeltbrytning blir løst ved rotasjonssensoren til foreliggende oppfinnelse ved hjelp av polarisator 32 (fig. 1) som beskrevet ovenfor, tillater anvendelse av kun en polarisasjonsmodus. Når polarisatoren 32 er innført i systemet ved et punkt betegnet med henvisningstall 84 på fig. 5, utbreder seg lys som passerer gjennom polarisatoren 32 inn i sløyfen 14 i en valgt polarisasjonsmodus. Når seg motsatt utbredende bølger dessuten blir rekombinert for å danne det optiske utgangssignalet, blir et hvert lys som ikke har samme polarisasjon som det tilførte lyset til sløyfen forhindret fra å nå fotodetektoren 30 siden det optiske utgangssignalet passerer gjennom polarisatoren 32. Det optiske utgangssignalet når det går fra koblerens 34 port A til koblerens 26 port B, vil således ha den nøyaktige samme polarisasjon som lyset tilført sløyfen.

Ved å slippe gjennom inngangslys og optisk utgangssignal gjennom polarisatoren 32, blir det anvendt kun en optisk bane som derved eliminerer problemet dobbelbrytningsindusert faseforskjell bevirket av forskjellige hastigheter til utbredelsen i to mulige polarisasjonsmoduser. Det vil si ved utfiltrering av alt lys som blir overført fra den valgte modusen til den ikke-valgte modusen ved dobbeltbrytning i fiberen, er det mulig å eliminere alle lysbølger ved den ikke-valgte modusen som kan forsterke eller tape fasen relativt i forhold til valgt modus på grunn av forskjellig utbredelse av hastighet. Det skal dessuten bemerkes at polarisasjonsstyrerene 24,36 (fig. 1) kan bli anvendt for å justere polarisasjonen tilført lys og optisk utgangssignal, henholdsvis for å redusere optisk energitap ved polarisatoren 32 og således maksimalisere signalintensiteten til detektoren 30.

Med henvisning igjen til figur 6, skal det bemerkes at kurven 80 er en kosinusfunksjon, intensiteten til det optiske utgangssignalet er ikke-lineær for små Sagnac-faseforskjeller (AfR)mellom bølgene W1, W2. Det optiske utgangssignalets intensitet er dessuten relativt ufølsomt for endringer i f asef orsk jellen for små A<t>R-verdier. Slik ikke-lineæritet og ufølsomhet gjør det vanskelig å omforme den optiske intensiteten iT målt ved detektoren 30 i et signal indikativ for rotasjonshastigheten til sløyfen 14 (via ligningen 1).

Selv om dobbeltbrytningsindusert faseforskjeller mellom bølgene W1 og W2 er eliminert som beskrevet ovenfor ved bruk av polarisatoren 32, vil ikke dessto mindre krysskobling forekomme mellom polarisasjonsmoduser bevirket ved fiberens dobbeltbrytning. Denne krysskoblingen reduserer optisk intensitet for det optiske utgangssignalet siden krysskoblet lys blir forhindret fra å nå fotodetektoren 30 på polarisatoren 32. Endringer i fiberdobbeltbrytningen bevirker således at amplituden til kurven 80 på fig. 6 varierer, f.eks. som vist ved kurven 84. Det skal bemerkes at kurvene 80, 82, 84 på fig. 6 ikke er tegnet i målestokk.

Ovenfor nevnte problemer blir løst ved anordningen på fig. 1 ved hjelp av et sykrondetekteringssystem som anvender fasemodulatoren 38, signalgeneratoren 40 og låseforsterkeren 46 vist på fig. 1.

Med henvisning til figur 7 modulerer fasemodulatoren 38 fasen til hver av de seg motsatt utbredende bølger W1, W2 ved frekvensen til signalgeneratoren 40. Som det fremgår av fig. 1, er imidlertid fasemodulatoren 38 anbragt ved den ene enden til sløyfen 14. Modulasjonen til bølgen W1 er således ikke nødvendigvis i fase med modulasjonen til bølgen W2. Det er i virkeligheten foretrukket for riktig drift av dette synkrondetekteringssystemet at modulasjonen av bølgene W1, W2 er 180° ut av fase. Med henvisning til fig. 7 er det foretrukket at modulasjonen til bølgen W1 vist med sinuskurven 90, er 180° ut av fase med modulasjonen til bølgen W2 vist ved kurven 92. Bruk av en modulasjonsfrekvens som tilveiebringes slik 180° faseforskjell mellom modulasjonen til bølgen W1 relativt i forhold til bølgen W2, er spesielt fordelaktig ved at det eliminerer modulatorindusert amplitudemodulasjon ved det optiske utgangssignalet målt ved detektoren 30. Modulasjonsfrekvensen f kan bl± beregnet ved å anvende følgende ligning:

hvor:

L er differentialfiberlengden mellom kobleren 34 og modulatoren 38 for seg motsatt utbredende bølger W1, W2, dvs. avstand målt langs fiberen mellom modulatoren 38 og et symmetrisk punkt på den andre siden av sløyfen 14;

<n>eq er den ekvivalente brytningsindeksen for enmodusfiberen 12; og

c er hastigheten til lys i fritt rom tilført sløyfen 14.

Ved denne modlulasjonsfrekvensen (f m) som er kalt "riktig" frekvens er f asef orsk jellen A«t>1mellom seg motsatt utbredende bølger W1,W2, som stammer fra fasemodulasjonen til disse bølgene som i kurvene 90 og 92, vist ved sinuskurven 94 på fig. 7. Kurven 94 er tilveiebragt ved subtrahering og kurve 92 fra kurve 90 for å tilveiebringe faseforskjellen mellom W1 og W2. Denne fasemodulasjonsforskjell mellom bølgene W1, W2 vil også modulere intensiteten IT til det optiske utgangssignalet i samsvar med kurven 80 på fig. 6 slik som Sagnac-faseforskjellen ville, siden slik fasemodulasjon A<t>^ikke kan skilles fra rotas jonsmessig indusert Sagnac-f asef orsk jeller A<t> R

Ovenfor nevnte skal nærmere forklares med henvisning til fig. 8 og 9, hvilke kurve viser virkningen av (a) f asemodulas jonen A<t>1definert av kurven 94 på fig. 7, og (b) Sagnac-faseforskjellen A<t>Rved intensiteten IT til det optiske utgangssignalet.

Før beskrivelsen av fig. 8 og 9 fortsetter, skal det

bemerkes at intensiteten I . - n n . modulerte •

T til aet modulerte optiske utgangssignalet er en funksjon av den totale faseforskjellen mellom bølgene W1, W2. Slik total faseforskjell er innbefattet av både en rotasjonsmessig induserte Sagnac-faseforskjellen A<t»Rog tidsvarierende modulasjonsindusert faseforskjell Den totale f asef orsk jellen A<t> mellom bølgene W1, W2 kan bli uttrykt som følgende:

Siden virkningen av modulas jonsindusert f asef orsk jell A<t>^, så vel som rotas jonsmessig indusert f asef orsk jell A<t> a. følgelig vil bli betraktet med henvisning til fig. 8 og 9 av den horisontale aksen for kurven 80 blitt merket på nytt som A<t> for å angi at den totale f asef orsk jellen blir betraktet istedet for kun den rotasjonsmessig induserte faseforskjellen, som på fig. 6.

Det skal bemerkes at selv om f asef orsk jelluttrykket A<t>Rblir anvendt med henvisning til den foretrukne utfØrelsesformen som viser rotasjonsindusert faseforskjell representerer dette uttrykket generelt faseforskyvningen indusert av en hver ekstern kraft eller fysisk størrelse som blir avfølt, f.eks. rotasjon, trykk, temperatur, etc. Fagmannen vil således se at ligningen (4) og påfølgende ligning vist her, blir utledet spesielt for Sagnac-interferometere ved hvilke interfererende lysbølger utbreder seg ved samme optiske bane. Dersom oppfinnelsen blir anvendt ved andre interferometertyper, slik som Mach-Zehnder-interferometere, som er strukturmessig konfigurert for å tilveiebringe forskjellige optiske baner for to bølger, skulle et ytterligere faseuttrykk bli tillagt for å definere faseforskyvningen tilleggbart til de strukturmessig forskjellige optiske baner. Tillegget av det ytterligere faseuttrykket endrer imidlertid ikke løsningen for interferometerfasedetekter-ingen som er tilveiebragt ved foreliggende oppfinnelse og påvirker heller ikke analyseringen av slik fasedetektering som vist her. Ligningen (4) og ligning (5)-(6), (8), (9) og (11)—(17) kan bli revidert for å vise strukturindusert f asef orsk jell kun ved erstatning av størrelsen (A0_+A(d \

R " st; for A<t>R, hvor øst er f asef orskyvningsbidraget til strukturmessig forskjellige optiske baner. Ligningen (7) og (10) krever på den annen siden, ingen slik revisjon for å ta med i beregningen denne strukturmessige induserte faseforskjellen <t>

St •

Med henvisning til fig. 8 skal virkningen til fasemodulasjonen A<t>1 (kurve 94) for det optiske utgangssignalet bli beskrevet. Kurven 80 viser forholdet mellom intensiteten for det optiske utgangssignalet som resulterer fra to interfererende koherente bølger i forhold til f asef orskjellen A<t> mellom bølgene. Når den relative fasevinkelen mellom dem er null, som vist ved 93, er den resulterende intensiteten til den kombinerte bølgen ved et maksimum som vist ved henvisningstallet 95. Når den relative fasen mellom bølgene W1 og W2 er ikke-null, vil det kombinerte optiske signalet ha en lavere intensitet avhengig av størrelsen på faseforskjellen A<t>. Intensiteten fortsetter å avta med økende A<t> inntil den relative faseforskjellen er enten pluss eller minus 180°, som vist ved henvisningstallet 97 og 99, henholdsvis. Ved en faseforskjell på pluss eller minus 180°, interfererer de to seg motsatt utbredende bølger fullstendig destruktivt og den resulterende intensiteten er null som vist ved henvisningstallet 97 og 99.

På fig. 8 er det vist at sløyfen 14 er i ro og det optiske signalet er således ikke påvirket av Sagnac-effekten. Spesielt fremgår det at den modulasjonsinduserte fasefor-skjellskurven 94 bevirker at det optiske utgangssignalet varierer som vist ved kurven 96. Kurven 96 er tilveiebragt ved omsetting av punktene på kurven 94, som representerer øyeblikksfaseforskjellen A<t> 1 mellom bølgene W1 og W2, til kurven 80 som representerer den resulterende optiske intensiteten for en faseforskjell av den størrelse. Når alle punktene på kurven 94 er omsatt på kurven 80 og korresponderende intensiteter er opptegnet, fremkommer kurven 96. Omsettingen av kurven 94 via kurven 80 er symmetrisk om en vertikal akse ved kurven 80, slik at den optiske intensiteten målt ved detektoren 30, varierer periodisk ved en frekvens lik den andre harmoniske for modulasjonsfrekvensen som vist med kurven 96.

Når sløyfen 14 blir rotert, blir de seg motsatt utbredende bølger W1, W2 forskøvet i fase, som beskrevet ovenfor, i samsvar med Sagnac-effekten. Sagnac-faseforskyvingen tilveiebringer en konstant f asef orsk jell A<<J>>for en konstant rotasjonshastighet. Denne Sagnac-faseforskyvningen adderes til faseforskjellen Aø1dannet av modulatoren 38, slik at hele kurven 94 er omsatt i fase fra posisjonen vist på fig. 8 med en mengde lik A* R, som vist på fig. 9. Dette bevirker at det optiske utgangssignalet varierer ikke-symmetrisk langs kurven 80 mellom punktene 99 og 101. Dette bevirker et optisk utgangssignal som vist med kurven 96.

Punktene på kurven 96 er utledet som følgende. Den kombinerte faseforskjellen, vist ved 103 på kurven 94, omsettes via punkt 101 på kurven 80 til punktet 105 på kurven 96. Punktet 107 på kurven 94 omsettes via punkt 109 på kurven 80 til et punkt 111 på kurven 96. Punkt 113 omsettes likeledes via punkt 99 til punkt 115, og punkt 117 omsettes gjennom punkt 109 til punkt 119. Punkt 121 omsettes til slutt gjennom punkt 101 til punkt 123.

Det optiske utgangssignalet 96 har en første harmonisk komponent som vist med fantomlinjer til sinuskurven 98. Toppamplituden til den første harmoniske komponenten 98 må imidlertid ikke nøyaktig passe med amplituden til det optiske utgangssignalet ved punkt 115 selvom det kan være slik i noen tilfeller.

Det skal bemerkes at RMS-verdien til denne sinuskurven 98 er proporsjonal med sinus til rotasjonsmessig indusert Sagnac-f asef orsk jell A4<>>R. siden forsterkeren 46 synkront detekterer signaler som har grunnfrekvensen til modulatoren 38, vil forsterkeren 46 sende ut et signal som er proporsjonalt med RMS-verdien til kurven 98. Dette signalet kan bli anvendt for å indikere rotasjonshastigheten til sløyfen.

Tegningene på fig. 9 viser intensitetsbølgeformen til det optiske utgangssignalet for en rotasjonsretning (f.eks. urviserretningen) til sløyfen 14. Det skal imidlertid bemerkes at dersom sløyfen 14 blir dreiet i motsatt retning (f.eks. mot urviseren) ved en lik hastighet, vil intensi-tetsbølgef ormen 96 til det optiske utgangssignalet være nøyaktig det samme som vist på fig. 9 med unntak av at det vil bli omsatt slik at kurven 98 blir forskøvet 180° fra posisjonen vist på fig. 9.

Låseforsterkeren 46 detekterer denne 180° faseforskjellen for kurven 98 ved å sammenligne fasen til den første harmoniske 98 med fasen til referansesignalet fra signalgeneratoren 40 for å bestemme om sløyferotasjonen er i urviserretningen eller mot urviserretningen. Avhengig av rotasjonsretningen sender forsterkeren 46 enten ut et positivt eller negativt signal til fremvisningsanordningen 47. Uten hensyn til rotasjonsretningen, er imidlertid størrelsen på signalet det samme for like rotasjonshastigheter for sløyfen 14.

Det skal igjen bemerkes ved henvisning til ligning (3) at ved drift ved en bestemt eller "riktig" frekvens, ved hvilke faseforskjellen mellom modulasjonen til bølgene W1 og W2 er 180", opphever de odde harmoniske frekvenskomponentene til denne amplitudemodulasjonen, som er indusert ved hver av seg motsatt utbredende bølger W1, W2 av modulatoren 38, hverandre når bølgene blir overlagret for å danne det optiske utgangssignalet. Siden ovenfor beskrevne detekter-ingssystem detekterer kun en odde harmonisk, dvs. grunnfrekvensen til det optiske utgangssignalet, blir således virkningen av den ønskede amplitudemodulasjonen eliminert.

En ytterligere fordel ved driften ved den riktige frekvens er at like harmoniske til fasemodulasjonen indusert av modulatoren 38 ved hver seg motsatt utbredende bølger W1, W2, oppheves når disse bølgene blir overlagret for å danne det optiske utgangssignalet. Siden disse like harmoniske kan bli overlagret, frembringer falske ulike harmoniske ved det optiske signalet som ellers kan bli detektert av detekteringssystemet, hvor deres eliminering forbedrer nøyaktigheten til rotasjonsavfølingen.

I tillegg til drift av fasemodulatoren 38 ved frekvensen definert med ligningen (3) er det også foretrukket med anordningen på fig. 1 å justere størrelsen på fasemodulasjonen slik at amplituden til den detekterte første harmoniske for det optiske utgangssignalintensiteten er ved et maksimum siden dette forbedrer rotasjonsavfØlingsfølsomheten og nøyaktigheten. Det er blitt funnet at den første harmoniske for det optiske utgangssignalets intensitet er ved et maksimum for en gitt rotasjonshastighet når amplituden til denne modulatorinduserte faseforskjellen Aø^ mellom bølgene W1, W2 angitt med størrelsen Z på fig. 7, 8 og 9, er 1,84 radianer. Dette kan bli bedre forstått ved henvisning til følgende ligning for totalintensiteten (IT) for to overlag-redre bølger med hver sin intensitet på I1og 1^, henholdsvis, med en f asef orsk jell A<t> dermellom. Således,

Fourier-utvidelsen av kosinus (A<t>) er:

hvor J n(z) er den n"te Bessel-funksjonen til den variable z, og z er toppamplituden til modulatorindusert faseforskjell mellom bølgene W1 og W2.

Detering kun av det første harmoniske til IT gir derfor:

Amplituden til den første harmoniske for det optiske utgangssignalets intensitet er således avhengig av verdien til den første Bessel-funks jonen J^z). Siden J.,(z) er et maksimum når z er lik 1,84 radianer, skulle amplituden til fasemodulasjonen fortrinnsvis bli valgt slik at størrelsen (z) til den modulatorinduserte f asef orsk jellen å<t>^ mellom bølgene W1, W2 er 1,84 radianer.

Det skal bemerkes at foreliggende optiske fiber ikke er optisk perfekt, men har urenheter slik som tetthetsflukta-sjon i basismaterialet til fiberen. Disse urenhetene bevirker variasjoner i brytingsindeksen til fiberen som bevirker spredning av små lysmengder. Dette fenomenet er vanligvis henvist til som Raylleigh-spredning. Selvom en slik spredning bevirker at noe lys går tapt fra fiberen, er størrelsen på et slikt tap relativt lite og det er ikke av hovedbetydning.

Prinsipielle problemer forbundet med Rayleigh-spredningen angår ikke spredning av lys som blir tapt, men heller lys som blir reflektert slik at det utybreder seg gjennom fiberen i en retning motsatt den opprinnelige utbredelse-retningen. Dette er vanligvis henvist til som tilbakespredt lys. Siden slikt tilbakespredt lys er koherent med lys som innbefatter seg motsatt utbredende bølger W1, W2, kan det konstruktivt eller destruktivt interferere med slike seg utbredende bølger og derfor bevirke variasjon i intensiteten til det optiske utgangssignalet, da målt av detektoren 30.

Delen av det tilbakespredte lyset fra en bølge som vil være koherent med den seg motsatt utbredende bølge, er det som er spredt innenfor en koherenslengde til sløyfens 14 senter. Ved å redusere koherenslengden til kilden, blir således koherensen mellom det tilbakespredte lyset og de seg motsatt utbredende bølger redusert. Den øvrige delen av det tilbakespredte lyset vil være inkoherent med den seg motsatt utbredende bølge og interferensen dermellom vil derfor varierere vilkårlig slik at den blir gjennomsnittsført. Den inkoherente delen av det tilbakespredte lyset vil således være av hovedsakelig konstant intensitet og følgelig vil de ikke bevirke betydelige variasjoner i intensiteten til det optiske utgangssignalet.

Ved foreliggende oppfinnelse blir virkningen av det tilbakespredte lyset følgelig redusert ved anvendelse som lyskilde 10, en laser med relativt kort koherenslengde, f.eks. en meter eller mindre. Lyskilden 10 kan f.eks. utgjøre en laserdiode av typen GO-DIP, kommersielt tilgjengelig fra General Optronics Corp., som nevnt ovenfor.

En alternativ metode for å fremvise destruktiv eller konstruktiv interferens mellom tilbakespredte bølger og seg utbredende bølger innbefatter inkluderingen av en ytterligere fasemodulator i systemet ved fibersløyfens 14 senter. Denne fasemodulatoren er ikke synkronisert med modulatoren 38.

De seg utbredende bølger vil passere gjennom denne ytterligere fasemodulatoren kun en gang og ved deres utbredelse rundt sløyfen. For tilbakespredningen som forekommer fra en seg utbredende bølge før bølgen når den ytterligere modulatoren, vil tilbakespredningen ikke bli fasemodulert av denne ytterligere modulatoren siden verken dens kileutbredelse-bølge eller dens tilbakespredte bølgen, har passert gjennom den ytterligere modulatoren.

For tilbakespredning, som forekommer fra en seg utbredende bølge etter at bølgen har passert gjennom denne ytterligere fasemodulatoren, vil på den andre siden, tilbakespredningen bli effektivt fasemodulert to ganger, en gang når den seg utbredende bølge har passert gjennom den ytterlige fasemodulatoren og en gang når den tilbakespredte bølgen har passert gjennom den ytterligere modulatoren.

Dersom den ytterligere fasemodulatoren således innfører en f asef orskyvning på <t>(t), vil den tilbakespredte bølgen oppstå ved et hvert punkt med unntak av senter til sløyfen 14, ha en f asef orskyvning på enten null eller 2<t>(t), av hvilke hver er tidsvarierende i forhold til <t>(t) f asef orskyvningen for den seg utbredende bølgen. Denne tidsvarierende interferensen vil danne et gjennomsnitt over tiden som effektivt eliminerer virkningen av tilbakespredningen.

Ved en ytterligere alternativ metode for å fremvise destruktiv eller konstruktiv interferens fra tilbakespredningen, kan den ytterligere fasemodulatoren, ikke-synkronisert med modulatoren 38, bli innført ved utgangen av lyskilden 10.

I dette tilfelle vil tilbakespredning som forekommer ved hvert punkt utenom sløyfens 14 senter ha en annen optisk banelengde fra lyskilden 10 til detektoren 30 enn den til den seg utbredende bølge fra hvilke det tilbakespredte lyset opprinnelig oppsto.

Den seg utbredende bølge vil således gå gjennom sløyfen 14 en gang, mens den tilbakespredte bølgen og den seg utbredende bølgen fra hvilke den opprinnelig kom, vil ha gått en del av sløyfen 14 to ganger. Dersom denne delen ikke er en halvdel av sløyfen, avviker banelengdene.

På grunn av at banelengdene avviker, vil en seg utbredende bølge som når detektoren 30 ha blitt generert ved kilden 10 ved en annen tid enn seg tilbakespredt bølge som når detektoren 30 samtidig.

Faseforskyvningen innført av den ytterligere fasemodulatoren ved kilden 10 innfører en f asef orskyvning <t>(t) relativt i forhold til den seg utbredende bølge, men en faseforskyvning av <t»(t+K) til den tilbakespredte bølgen, hvor K er tidsfor-skjellen mellom passasjen til bølgene gjennom modulatoren. Siden <t»(t+K) er tidsvarierende i forhold til <t>(t), vil den tilbakespredte interferensen bli gjennomsnittlig med tiden, som effektivt eliminerer virkningen av tilbakespredningen.

Detekteringssystemet beskrevet ovenfor med henvisning til fig. 1-9 er et svært effektivt rotasjonsavfølingssystem innenfor et visst rotasjonshastighetsområde for sløyfen 14. Det dynamiske område er imidlertid begrenset av visse fenomener. Med henvisning til fig. 9 skal det f.eks. bemerkes at følsomheten til detekteringssystemet kan bli redusert ved svært små rotasjonshastigheter eller når rotasjonen bevirker at sentralaksen til kurven 94 er nær punktene 95 eller 97.

Det fremgår således at kurven 80 er periodisk. Dersom en stor rotasjonshastighet bevirker en stor nork AøRfor a bevege sentralaksen til kurven 94 forbi punktene 97 eller 95, kunne derfor funksjonen 96 gjenta seg selv for en andre, høyere rotasjonshastighet. Denne andre rotasjonshastigheten vil være vesentlig større enn rotasjonshastigheten som bevirket Sagnac-f asef orskyvningen A<<>t>Rvist på fig. 9, men det utsendte optiske signalet 96 kunne korrespondere med et frembragt ved den lavere rotasjonshastighet. Det vil si, dersom A<t>R fra en større rotasjonshastighet var tilstrekke-lig stor for å bevege kurven 94 for således å operere mellom to nye punkter 99' og 101' på den andre lobelte kurven 80, så kunne det optiske utgangssignalet 96 fremkomme som det gjør for tilfeller hvor kurven 94 opereres mellom punkter 99 og 101.

Foreliggende oppfinnelse innbefatter en ny fremgangsmåte og tilknyttet åpen sløyfeanordning for å Øke området ved hvilket påvirkningen av ytre krefter på interferometere, slik som rotasjon og optiske fibergyroskoper, kan bli nøyaktig og pålitelig avfølt. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer dessuten er fase av et lavfrekvenssignal som korresponderer med virkningen frembragt av eksterne krefter, slik som sløyferotasjonshastighet og som kan bli konven-sjonelt anvendt for å tilveiebringe data for konvensjonell digital utgangsanordninger for å kvantifisere disse virk-ningene, slik som rotasjonshastigheten.

En foretrukket utførelsesform av søknadens nye rotasjonssensor er vist på fig. 10. Det skal bemerkes at detekteringssystemet på fig. 10 innbefatter en fiberoptisk sensor-konfigurasjon av åpen sløyfetype. Detekteringssystemet på fig. 10 innbefatter mange av de komponentene til systemet vist på fig. 1. For enkelhetens skyld har de komponentene på fig. 1 og 10 som har samme konstruksjon og funksjoner blitt gitt samme henvisningstall.

Det skal bemerkes her at forskjellige faseforskyvninger (<A<t>>R) er lineært proporsjonal med rotasjonshastigheten. Intensitetsutgangen fra detektoren 30 er imidlertid en ikke-lineær (periodisk) funksjon av rotasjonshastigheten. For å tilveiebringe et utstrakt dynamisk område for dette åpne sløyfesystemet, er det derfor nødvendig å gjenvinne den opprinnelige optiske faseinformasjonen fra det optiske utgangssignalet til detektoren 30.

Ved anordningen på fig. 10 blir det optiske signalet fra rotasjonssløyfen omformet til et elektrisk utgangssignal av detektoren 30. Dette elektriske utgangssignalet inneholder komponenter ved fasemodulasjonsfrekvensen f m oa 3 dens harmoniske, som angitt ved følgende ligning:

hvor C er en konstant, Jr betegner n'te ordens Bessels funksjon, A<t>mer amplituden til f asef orsk jellen mellom seg motsatt utbredende bølger frembragt av modulasjonen, og

w = 2 TT f .

m m

Foreliggende oppfinnelse forsøker å overvinne mange av problemene ved teknikkens stilling ved å tilveiebringe en rotasjonssensor av åpen sløyfetype hvor den opprinnelige optiske faseinformasjonen kan bli anvendt for hurtig og nøyaktig å tilveiebringe en fase til et lavfrekvenssignal som er representativ for A<t>R. Dette kunne bli tilveiebragt dersom komponentene til utgangssignalet innbefatter to sinusformede signaler ved samme frekvens (nm ) som har

amplituden til kosinus A<t>„ oa sinus a<d k u i ^

R og sinus A<PR, henholdsvis, med deres fase i kvadrat. Ved denne situasjonen kunne, ved bruk av velkjente trigometriske lover, disse signalene bli tillagt direkte for å tilveiebringe et lavfrekvens sinusformet signal hvis fase korresponderer med A<t>R.Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et slikt sinusformet signal ved behandling av utgangssignalet fra detektoren 30 som beskrevet nedenfor.

Ligningen (11) angir at utgangssignalet fra detektoren 30 inneholder uttrykk av ovenfor nevnte art, idet den eneste

mangelen er at kosinus A<t> - og sinus A<t> -uttrykkene er av

ti. K

forskjellige frekvenser. Fig. 11 viser grafisk dette forholdet som det eksisterer mellom første til fjerde harmoniske frekvenskomponenter for utgangssignalet fra detektoren 30. Spesielt skal det bemerkes at nullgjennomgangen til alle ulike harmoniske frekvenskomponenter 102,106, korresponderer med nullgjennomgangene til fasefor-skjellsmodulasjonssignalet 102, og at alle like harmoniske utgangskomponenter 104,108, er ved deres topp (90° ut av fasen med et fasemodulasjonssignal 102) ved hver nullgjen-nomgang til modulasjonssignalet. Bølgeformene til disse harmoniske komponentene kan matematisk bli definert som følgende:

hvor n er et helt tall.

Siden de forskjellige harmoniske er ved forskjellige frekvenser, kan ovenfor viste forhold ikke bli direkte anvendt for å tilveiebringe et sinusformet signal hvis fase gv A(l)

er "r. Dersom ovenfor nevnte bølgeformer eksister ved samme frekvens, kunne imidlertid det ønskede sinusformede signalet med en fase A<t>Rbli frembragt ved å kombinere de sinusformede signalene som følgende:

Rotasjonssensoren på fig. 10 innbefatter en foretrukken utførelsesform av en rotasjonssensor som tilveiebringer ovenfor viste bølgeformforhold. Dette forholdet blir tilveiebragt ved anordningen på fig. 10 ved bruk av ampli-tudemodulas jon . Amplitudemodulasjon innebærer det å gjøre amplituden til et elektrisk utgangssignal fra detektoren 30 varierende i samsvar med amplituden til et modulerende signal.

Når utgangssignalet for detektoren 30 blir amplitudemodusert ved hjelp av et modulerende signal med en frekvens som er et ulikt multippel av fasemodulasjonsfrekvensen f m(som også er forskjellsfrekvensen mellom tilliggende harmoniske), blir hver komponent av utgangssignalet fra detektoren 30 som er et harmonisk av f m frekvensen delvis omsatt til frekvenser av dens harmoniske naboer. Med andre ord blir via amplitudemodulasjonen på denne måten sidebåndsfrekvenser dannet ved harmoniske til fasemodulasjonsfrekvensen. Disse sidebånds-frekvensene inneholder sinuskomponenter som har blitt frekvensforskøvet fra harmoniske amplitudemodulerte komponenter til utgangssignalet fra detektoren 30. Disse side-båndsf rekvensene blir kombinert med komponenten til utgangssignalet ved korresponderende frekvens. Komponentene til utgangssignalet fra detektoren 30 som er harmoniske av fm-frekvensen, definerer således bølgeformene til typen definert av ligning (14). Disse og andre karakteristikker ved amplitudemodulasjonen er generelt kjent for fagmannen på område og er beskrevet nærmere i en artikkel av F.G. Stremler, "Introduction to Communication Systems" (1979). Det skal her spesielt vises til side 191-260.

Basert på ovennevnte skal det bemerkes at en sinusformet amplitudemodulasjon ved frekvens f vil overføre energi utav hver harmoniske frekvenskomponent og inn i nærmeste harmon iske frekvensnabo. Hvert signal som resulterer fra en slik amplitudemodulsjon vil dessuten være i fase med dets korresponderende harmoniske frekvenskomponent ved utgangssignalet fra detektoren 30. Resultatet av slik amplitudemodulasjon er at alle harmoniske så kan inneholde uttrykkene ved både kosinus A<t>Rog sinus A<t,Rslik at den n'te harmoniske har et uttrykk lik kosinus (nm + A<t> ) . Den optiske

m R

Sagnac-f asef orskyvningen A<t» R har således blitt isolert og omsett til en lavfrekvensfaseforskyvning som kan bli målt direkte ved standard innretninger.

Et eksempel på bruk av detekteringssensoren vist på fig. 10 for detektering av rotasjonshastigheten over et utstrakt dynamisk område, kan bli beskrevet med henvisning til fig. 12 i forbindelse med fig. 10. En signalgenerator 150 (fig. 10) frembringer nærmere bestemt en faseforskjellsmodula-sjonssignal ved frekvensen f med en bølgeform som vist ved 200 på fig. 12 korresponderende med sinus AO^t.

Fasemodulasjonsfrekvensen fmkorresponderer fortrinnsvis med den "riktige" frekvensen f psom beskrevet tidligere med henvisning til ligning (3). Ved fasemodulasjon av de seg motsatt utbredende bølger ved den riktige frekvens, blir følsomheten til rotasjonssensoren sterkt forbedret. Sensoren vil naturligvis også virke ved frekvenser utenom f men ytterligere støy og redusert følsomhet vil være resultatet, som tidligere forklart.

Fasemodulasjonssignalet fra generatoren 150 blir tilført fasemodulatoren 38, som derved fasemodulerer de seg motsatt utbredende lysbølger inne i sløyfen som beskrevet med henvisning til fig. 1. Det resulterende optiske utgangssignalet på fibere 29 blir detektert av en detektor 30 som frembringer et elektronisk utgangssignal som korresponderer med det optiske utgangssignalet. Det elektroniske signalet fra detektoren 30 blir forsterket ved en konvensjonell vekselstrømtorsterker 152 og sendt via linjen 154 til inngangen til en konvensjonell dobbeltpolet bryter 156.

Bryteren 156 virker som reaksjon på et styresignal mottatt vis linjen 154 fra en konvensjonell elektronisk forsinkelseskrets 162. Ved den foretrukne utførelsesformen er styresignalet ved fasemodulasjonssekvensen f Kretsen 162

er elektrisk forbundet med signalgeneratoren 150 for således å motta styresignalet fra den generatoren. Forsinkelseskretsen 162 kan bli justert for å synbkronisere signalet mottatt fra generatoren 150 til fasen for signalet mottatt ved brytreren 156 fra linjen 154.

Som reaksjon på styresignalet fra forsinkelseskretsen 162 overfører bryteren 156 signalet fra linjen 154 til en av de to utgangsportene 158 og 160 som definerer henholdsvis inngangsportene til kanalene 1 og 2 for detekteringssystemet. Brytervirkningen bevirker amplitudemodulasjon av signalene mottatt fra linjen 154 ved f m-frekvensen til synkroniseringssignalet mottatt via linjen 154 fra forsinkelseskretsen 162. Kvadratbølgeformen til amplitudemodulasjonen frembragt av bryteren 156 er grafisk vist på fig. 12(B) ved 202 for kanalen 1 og ved 204 for kanalen 2.

Det skal bemerkes at kvadratbølgeamplitudemodulasjonen frembragt ved anordningen på fig. 10, kun er en av mange bølgeformer som kunne bli anvendt for denne amplitudemodu-las jonen. Kvadratbølgemodulasjonen innbefatter kun en utførelsesform som er spesielt enkel å utføre ved anordningen på fig. 10. Det skal dessuten bemerkes at amplitudemodulasjonen ved frekvenser utenom fm eller ulike harmoniske for fm, kunne bli anvendt.

På grunn av det trigonometriske forholdet mellom bølgeform-ene, vil imidlertid amplitudemodulasjonen ved like harmoniske for £m ikke frembringe kobling mellom tilliggende harmoniske frekvenser. Amplitudemodulasjonen ved like harmoniske for fvn heller resultere i like harmoniske som kobler med like harmoniske og ulike harmoniske som kobler med ulike harmoniske. Denne situasjonen skulle generelt bli forstått av fagmannen på området og grunnlag for dette forholdet er nærmere forklart i artikkelen av Stremler nevnt ovenfor. Disse problene blir unngått dersom amplitudemodulasjonen ved ulike harmoniske bli anvendt.

Med henvisning til fig. 12(C) skal det bemerkes at når sløyfen ikke roteres, tilveiebringer kvadratbølgeamplitude-modulasjonen frembragt av bryteren 156 et utgangssignal 206 ved kanalen 1 som er 180° ut av fase i forhold til utgangssignal 208 ved kanal 2. Ved amplitudemodulering av signalet på linjen 154 for å frembringe signaler som er 180° ut av fase, kan sinus- og kosinus-forholdet mellom komponentene lett bli vurdert.

Fra utgangen 158 til bryteren 156 føres det modulerte signalet i kanalen 1 gjennom en båndpassfilter 166 som er avstemt for å velge en harmonisk komponent (nujm) til signalet ved kanalen 1 (hvor n = den valgte harmoniske). Signalet fra utgangen 160 til bryteren 156 er likeledes sendt til et båndpassfilter 168 som blir avstemt for å velge komponent for signalet ved kanalen 2 ved korresponderende harmonisk frekvens. De filtrerte signalene sendt fra filtrene 166 og 168 kan bli matematisk beskrevet som følgende:

Kanal 1:

hvor K1tii K er konstant bestemt av A<t> m og 3 n

I eksemplet vist på fig. 12 ble den andre harmoniske til fm-frekvensen valgt for å unngå støy frembragt av elektro-nikken så vel som for å utelukke falske signaler som kan bli frembragt ved bryteren ved f m-frekvensen. Det skal bemerkes at andre harmoniske til f mnaturligvis kunne bli valgt basert på det ønskede frekvensområdet og karakteristikken til bryteren og elektronikkomponentene.

Ved den andre harmoniske frekvensen kan konstantene K1til K- bli beskrevet som følger:

Dersom K 1 = K2= K, så blir ligningen (15) som følgende:

Fagmannen på området vil se at vurderingen av koeffisientene K.j-K4avhenger av flere faktorer innbefattende f. eks. amplituden til fasemodulasjonen tilført fasemodulatoren, bølgeformen til amplitudemodulasjonen, frekvensen til koblingen ved bryteren 156 og frekvensen som båndpassfUt-rene 166 og 168 er avstemt til. Med disse informasjonene kan fagmannen på området bestemme verdiene for Ki"K4ve(^ konvensjonell matematiske innretninger, generelt vist i flere publikasjoner som f.eks. den nevnt ovenfor av Stremler.

Forholdet i ligningen (17) kan bli tilveiebragt uten bruk av matematikk ved å justere elementene til rotasjonssensoren. Således kan f.eks. man velge frekvensen til bryteren, frekvensen ved hvilken båndpassfiltrene er avstemt og bølgeformen for amplitudemodulasjon. Verdiene for K1og K2ved ligning (17) kan så bli gjort lik hverandre ved kun å justere amplituden til fasemodulasjonssignalet som blit tilført modulatoren 38. Ved avstemning av systemet til et forhold hvor k1=k2, blir amplituden til fasemodulasjonssignalet gjentagende justert og sløyfen blir rotert inntil amplituden for signalet fra båndpassfiltrene ikke endrer seg som et resultat av rotasjonen.

Med henvisning igjen til fig. 12(C) skal det bemerkes at den andre harmoniske utgangsbølgeformen for båndpassfilteret 166 ved kanalen 1 er vist ved henvisningstall 210. Den andre harmoniske bølgeformen for utgangsbåndpassfilteret 168 ved kanalen 2 er likeledes vist ved henvisningstall 212.

Signalene 210,212, på linjene 170 og 172 på fig. 10 blir sendt til en fasemåler 174, som kan innbefatte en konvensjonell tidsintervallteller, slik som modell nr. 5345A fremstilt av Hewlett-Packard. Ved denne fasemåleren 174 blir tidsintervalltelleren aktivert når bølgeformen 210 på fig. 12(C) krysser null og fortsetter å telle inntil bølgeformen 212 krysser null. Den totale telleverdien identifiserer faseforskjellen mellom bølgeformen 210 og 212 som korresponderer med to ganger f asef orsk jellen A<<>t>R. Fasef orsk jellen er naturligvis representativ for rotasjonsstørrelsen utøvet av den optiske sløyfen. Faseforskjellmålet frembragt av fasemåleren 174 er derfor representativ for rotasjonshastigheten til sløyfen.

Bølgeformen på fig. 12(C) blir frembragt når ingen rotasjon blir utøvd av den optiske sløyfen. Under slike betingelser er bølgeformene 210 og 212 i fase og fasemåleren 174 ville derfor detektere ingen faseforskjell mellom disse bølgeform-ene. Denne situasjon er vist på fig. 12(C) ved henvisnings-

tall 214 hvor det fremgår at verdien for A0„ ^ ^n;i, ,,,,-n

R er slik null. Ved dette tilfellet er utgangssignalet for fasemåleren 174 også lik null. Signalet fra fasemåleren 174 blir så ført på linjen 176 fra når det kan bli anvendt av en konvensjonell utgangsanordning 178 slik som en digital datamaskin for kommunisering av rotasjonshastigheten til sløyfen.

Utgangsanordningen 178 ville typisk kunne opprettholde en opptegning av de nyeste målte rotasjonshastighetene slik at informasjonen med hensyn til endringer i rotasjonshastigheten fra fasemåleren 174, ville bli anvendt for å oppdatere rotasjonshastighetsopptegningen til utgangsanordningen 178. Dersom operasjonsområdet til systemet var slik at nullgjennomgangen til signal 212 strekker seg over en periode fra nullgjennomgangen til bølgeformen 210, ville således digitalutgangsanordningen bestemme rotasjonshastigheten ved dette forstørrede dynamiske området selvom utgangssignalet fra fasemåleren 174 i seg selv ikke ville kunne angi at denne målingen var gjort etter første periode av bølgefor-men .

Med henvisning til fig. 12(D) er forholdet fremkommet ved rotasjonssensoren på fig. 10 som et resultat av sløyferota-sjonen ved størrelser på 40° pr. sekund, vist. Fasemodula-

sjonssignalet blir igjen tilført ved frekvensen f ^ TO

XCi5 OIQ angitt ved henvisningstall 200 og utgangssignalet fra detektoren 30 blir amplitudemodulert ved bryteren 156 med et firkantbølgesignal 202,204 ved frekvensen fUtgangssig-nalet ved kanalen 1 fra bryteren 156 er vist ved 216 på fig. 12(D), mens utgangssignalet fra bryteren 156 på kanalen 2 er vist ved 218. Korresponderende båndpassfilterutgangssignal for kanalen 1 er vist ved henvisningstall 220, mens utgangssignalet for kanalen 2 er vist ved henvisningstall 222.

Som et resultat av rotasjonen vil fasemåleren 174 detektere en faseforskjell mellom bølgeformen 220 til kanalen 1 og bølgeformen 222 for kanalen 2. Denne faseforskjellen er angitt ved 224 til fig. 12(D) og er proporsjonal med to ganger f asef orsk jellenA«>Rfrembragt av rotasjonen til den optiske sløyfen.

Med henvisning til fig. 13 viser kurven 250 faseforskyvningen detektert av fasemåleren 174 mellom kanalen 1 og kanalen 2 filtrerte utgangssignaler da sammenlignet med den virke-lige Sagnac-faseforskyvningen. Det skal bemerkes at et hovedsakelige lineært resultat blir tilveiebragt over et svært stort dynamisk område. Punktene langs linjen 250 identifiserer opptegninger fra spesielle eksperimentale målinger som ble utført.

Utfra ovenfor nevnte fremgår det at den enkle rotasjonssensoren av åpen sløyfetype på fig. 10 innbefatter en anordning som utgjør en viktig teknikk for anvendelse av rotasjonssensorer av åpen sløyfetype for å tilveiebringe utstrakt dynamisk avføling av fiberoptisk gyroskopisk rotasjon. Anordningen utfører dette nøyaktig med en høy følsomhetsgrad og uten bruk av dyre elektroniske komponenter eller andre anordninger som har vært nødvendige ved andre rotasjonssen-sortyper.

En annen fortrukket utførelsesform av rotasjonssensoren ifølge foreliggende oppfinnelse er vist på fig. 14. Ved denne utførelsesformen er bryteren 156 på fig. 10 erstattet av en konvensjonell elektronisk port 300. Porten 300 virker ved reaksjon på et signal mottatt på linjen 164 fra en forsinkelseskrets 162 på en måte tidligere beskrevet med henvisning til utførelsesformen på fig. 10. Porten 300 frembringer således en kvadratbølgeamplitudemodulasjon på et signal mottatt fra forsterkeren 152 i samsvar med anordningen vist på fig. 10. Når modulert ved egnet fase og amplitude i forhold til frekvensen fm>blir det ampiitudemodulerte signalet for denne utførelsesformen definert av ligningen<cos>(<nu>)m<t>_ aør) Dette korresponderer med definisjonen ved ligningen (17) for I1på kanalen 1 til utførelsesformen på fig. 10.

Fra porten 300 blir det amplitudemodulerte signalet sendt via linjen 302 til et båndpassfilter 304 som er avstemt til en valgt harmonisk for fasemodulasjonsfrekvensen f . Av grunner beskrevet ovenfor, skulle ved den viste utførelses-formen på fig. 14, den valgte frekvensen være første harmonisk korresponderende med f m-frekvensen. Det filtrerte signalet blir så sendt via linjen 306 til en fasemåler 308 som korresponderer i funksjon med fasemåleren 174 ved utførelsesformen på fig. 10. Signalet fra linjen 306 blir sammenlignet med et referansesignal mottatt via linjen 310 fra forsinkelseskretsen 162 ved frekvensen f m. Signalet på linjen 310 korresponderer med faseforskjellemodulasjonssig-nalet da forsinket ved kretsen 162, som er definert med uttrykket cos w t. Det resulterende utgangssignalet fra fasemåleren 308 korresponderer med faseforskjellssignalet A<<t>>Rfrembragt ved rotasjon av den optiske sløyfen.

Det er ønskelig å velge en harmonisk utenom den første harmoniske i båndpassfilteret 304, idet anordningen på fig. 14 kan bli modifisert ved å innbefatte en frekvensmultipli-kator (ikke vist) i linjen 310 slik at den valgte harmoniske til fm~fasemodulasjonssignalet kan bli tilført den egnede inngangen til fasemåleren 308. Som ved utgangen fra fasemåleren 174 ved utførelsesformen på fig. 10, kan utgangen til fasemåleren 308 bli anvendt ved konvensjonelle digitale anordninger for å angi rotasjonshastigheten til den optiske sløyfen.

Med henvisning til fig. 15 kan operasjonen til anordningen på fig. 14 bli grafisk beskrevet. Når et fasemodulasjonssignal blir tilført signalgeneratoren 150 til fasemodulatoren 38 ved frekvensen fm, blir den resulterende faseforskjel-lsmodulasjonsbølgeformen ved frekvensen f vist ved 350. Ved denne frekvensen frembringer porten 300 kvadratbølgeampli-tudemodulasjon i samsvar med bølgeformen vist ved henvisningstall 352. Fig. 15(B) viser bølgeformene frembragt når den optiske sløyfen ikke blir rotert. Når ingen rotasjon er utøvd i sløyfen, er nærmere bestemt bølgeformen til utgangssignalet fra detektoren 30 som vist ved henvisningstall 354. Det amplitudemodulerte utgangssignalet ved frekvensen fm frembragt ved porten 300 er vist ved henvisningstall 356, med resulterende utgang til båndpassfilteret 304 ved frekvensen fffi vist ved henvisningstall 358. Under disse forholdene vil fasemåleren 308 detektere tidsintervallet mellom nullgjennomgangen til bølgeformen 358 og frontflanken til referansesignalet 352. Siden like sinusuttrykk oppheves ved dette forholdet, angir fasemåleren 308 at rotasjonshastigheten er null. Denne situasjonen er kurvemessig vist ved henvisningstall 360 på fig. 15(B). Fig 15(C) viser situasjonen som forefinnes ved anordningen på fig. 14 iløpet av rotasjonen av den optiske sløyfen. Dette forholdet hvor fasemodulasjonen er ved frekvensen fm og den påførte amplitudemodulasjonen ved frekvensen f mer uttgangssignalet til detektoren 30 vist ved henvisningstall 362. Det amplitudemodulerte signal fra porten 300 er følgelig vist ved henvisningstall 364. Korresponderende bølgeform som vist på utgangen til båndpassfilteret 304 ved frekvensen f er vist ved henvisningstall 366. Ved denne situasjonen skal det bemerkes at nullgjennomgangen til bølgeformen 366 er forskøvet fra korresponderende front-flanke til referansesignalet 352. Forskyvningen er detektert ved fasemåleren 308 og et utgangssignal er følgelig frembragt korresponderende med faseforskjellssignalet frembragt ved seg mottsatt utbredende bølger ved rotasjon av den optiske sløyfen. Størrelsen på denne faseforskyvningen, som korresponderer med A4<>>R(er vist ved henvisningstall 368 på fig. 15(C).

Portføringen til anordningen på enten fig. 10 eller fig. 14 kunne bli valgvis utført optisk fremfor elektrisk ved å anvende minst en optisk port, slik som en lukker anbragt ved ønsket sted på den optiske sløyfen før fotodetektoren 30. Den optiske porten kunne bli anbragt f.eks. ved inngangen til lyskilden mellom første retningskobler og laserdioden. Ved en slik sammenstilling ville porten fortsette å bli styrt av et forsinkelsessignal ved en frekvens f slik at lyset som utbreder seg i sløyfen ville bli amplitudemodulert ved f m-frekvensen. I alle henseende ville bruken av den optiske porten frembringe et resultat hovedsakelig identisk med det beskrevet med hensyn til anordningen på fig. 10 eller 14.

Ikke bare oppfinnelsen er beskrevet, her innbefatter en betydelig forbedring av, i forhold til tidligere kjente anordninger ved detektering av rotasjonshastigheter til optiske gyroskoper, men den overvinner også andre lenge eksisterende problemer ved tidligere kjente anordninger:

(1) tilveiebringelse av en åpen sløyfesensor med

et hovedsakelig utbegrenset dynamisk område,

(2) tilveiebringelse av en slik sensor som er

forenelig med konvensjonell elektronikk og fiberoptiske anordninger,

(3) tilveiebringelse av et system som enkel i

konstruksjon og ikke krever kompliserte elektroniske tilbakekoblingssystemer eller andre styre-anordninger som er vanlig anvendt ved andre interferometertyper, og (4) tilveiebringelse av svært nøyaktige resultater som er direkte brukbare ved digitale anordninger.

I tillegg til å overvinne disse problemene, er anordninger av typen beskrevet her svært billige å frembringe sammenlignet med andre avfølingsanordninger på markedet for tiden og foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således store økonomiske innsparinger i forbindelse med bruken ved konvensjonelle anvendelser. På grunn av dens enkelhet og økede dynamiske område såvel som dens mininale romkrav, kan anordningen og fremgangsmåten beskrevet her finne anvendelse innenfor mange områder og en utbredt bruk og kan lett bli inkorporert ved mange forskjellige utførelsestyper.

Selvom foreliggende oppfinnelse har blitt beskrevet med henvisning til et Sagnac-interferometer, skal det bemerkes at detekteringssystemet ifølge foreliggende oppfinnelse likeledes kan anvendes for alle andre interferometertyper, slik som Mach-Zehnder-interferometere, Michelson-interferometere, og Fabray-Perot-interferometere. Alle de ovenfor nevnte interferometrene er velkjente og frembringer et interferometerutgangssignal innbefattende to interfererende lysbølger hvor faseforskjellen mellom lysbølgene bestemmer intensiteten for utgangssignalet. Oppfinnelsen kan anvendes for fiberoptisk interferometertyper beskrevet i US-patent-søknad nr. 426.890.

Det skal bemerkes at oppfinnelsen er blitt beskrevet i forbindelse med fiberoptisk interferometer, men den kan også anvendes lett ved interferometere som anvender massive optiske komponenter, slik som stålspaltere og/eller speil. Fagmannen på området vil forstå at dersom de optiske fibrene ikke er anvendt for å føre de interfererende bølgene, kan modulasjon av bølgene bli tilveiebragt ved andre innretninger, slik som speil eller elektro-optiske anordninger.

Mens den foretrukne utførelsesformen ble beskrevet i forbindelse med rotasjonsavføling, kan oppfinnelsen lett anvendes ved enhver interferometeranvendelse, som frembring er en faseforskjell mellom to lysbølger. Foreliggende oppfinnelse kan detektere slike faseforskjeller uten hensyn til spesiell størrelse eller fenomen som frembringer faseforskjellen. Oppfinnelsen er egnet for bruk ved en hver type interferometer, uten hensyn til konstruksjonstrekk ved interferometere, komponentene anvendt for å konstruere slike interferometere eller størrelsen som frembringer den detekterte faseforskjellen mellom to interfererende bølger til interferometere.

Oppfinnelsen kan bli utført ved andre spesifikke former uten å avvike fra dens ramme.

Claims (8)

1. Interferometer innbefattende en sløyfe (14) av optisk fiber, en lyskilde (10), en kobler (34) for innføring av lys fra kilden (10) inn i sløyfen (14) i form av seg motsatt utbredende lysbølger, og en detektor (30) for å måle det optiske utgangssignalet fra sløyfen (14), hvor faseforskjellen mellom lysbølgene og den målte utgangen til detektoren (30) er avhengig av påvirkningen av ytre omgivelsesforhold til sløyfen (14), hvilke forhold skal bli målt, karakterisert ved en første krets (156,300) for amplitudemodulering av utgangssignalet til detektoren (30) for å frembringe et første signal som har valgte harmoniske som inneholder både sinus- og kosinus-komponenter til utgangssignalet, og en andre krets (166,168,174,304,308) som reagerer på det første signalet, for å tilveiebringe et andre signal som er representativ for forskyvningen i faseforskjellen.

2 . Interferometer ifølge krav 1, karakterisert ved en fasemodulator (38) for modulering av de seg motsatt utbredende lysbølger ved en første frekvens og at første kresten (156,300) anmplitudemodulerer utgangssignalet ved den første frekvensen slik at det første signalet innbefatter harmoniske til første frekvensen.

3 . Interferometer ifølge krav 2, karakterisert ved at den første kretsen innbefatter en bryter (156) for vekselvis anbringelse av utgangssignalet til detektoren (30) ved en av de to utgangene (158,160) ved den første frekvensen for å tilveiebringe amplitudemodulerte signaler på bryterutgangene (158,160) som er 180° ut av fase med hverandre.

4. Interferometer ifølge krav 3, karakterisert ved den andre kretsen er karakterisert ved et par filtere (166,168) forbundet med de to bryterutgangene (158,160) for å velge komponenter for amplitudemodulerte signaler ved en harmonisk til den første frekvensen.

5 . Interferometer ifølge krav 4, karakterisert ved den andre kretsen er karakterisert ved en måler (174) for å måle faseforskjellen mellom utgangene til paret med filtere (166,168).

6. Interferometer ifølge krav 2, karakterisert ved at den andre kretsen er karakterisert ved et filter (304) for valg av komponent av det første signalet som er ved en harmonisk til den første frekvensen.

7. Interferometer ifølge krav 6, karakterisert ved den andre kretsen er karakterisert ved en krets (308) for å sammenligne utgangen til filteret (304) med et referansesignal (310) for å frembringe et signal som korresponderer med faseforskjellen mellom seg motsatt utbredende lysbølger.

8 . Interferometer ifølge krav 7, karakterisert ved at sammenligningskretsen er en fasemåler (308).