DE4000800A1

DE4000800A1 - Vorrichtung und verfahren zur verarbeitung von faseroptikrotationsfuehlersignalen

Info

Publication number: DE4000800A1
Application number: DE4000800A
Authority: DE
Inventors: George A Pavlath
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1989-02-03
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1990-08-09
Anticipated expiration: 2010-01-13
Also published as: IT9067083A1; JP2526143B2; GB2227834A; GB2227834B; FR2642843A1; GB8927540D0; DE4000800C2; CA2003945C; CA2003945A1; IT1239879B; FR2642843B1; JPH02234015A; IT9067083A0; US5020912A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Rotationsfühler und insbe sondere Faseroptikrotationsfühler. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verarbeitung der von einem optischen Rotationsfühler abgegebenen Signale.

Speziell betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Ver fahren zur Verminderung von Fehlern, die im Ausgang eines Faseroptikrotationsfühlers mit geschlossener Schleife auf treten und durch Schwingungen des Rückkopplungssignals in der Servoschleife verursacht sind.

Ein faseroptisches Ringinterferometer umfaßt typischerweise eine Schleife aus faseroptischem Material, der gegenläufige Lichtwellen führt. Nach dem Durchlaufen der Schleife werden die gegenläufigen Wellen kombiniert, so daß sie konstruktiv oder destruktiv interferieren und und ein optisches Ausgangs signal bilden. Die Intensität des optischen Ausgangssignals variiert als Funktion der Interferenz, die von der relativen Phasenlage der gegenläufigen Wellen abhängt.

Faseroptikringinterferometer haben sich insbesondere bei der Rotationsmessung als brauchbar erwiesen. Eine Rotation der Schleife erzeugt nach dem wohlbekannten Sagnac-Effekt eine relative Phasendifferenz. Der Betrag der Phasendifferenz ist eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Schleife. Das durch die Interferenz der gegenläufigen Wellen erzeugte optische Ausgangssignal verändert sich in seiner Intensität als Funktion der Rotationsrate der Schleife.

Die Rotationsmessung bzw. Rotationsfühlung wird dadurch er reicht, daß das optische Ausgangssignal detektiert und ver arbeitet wird, um die Rotationsrate zu bestimmen. Damit ein Rotationsfühler für Trägheitsnavigationsanwendungen geeignet ist, muß er einen sehr weiten Dynamikbereich besitzen. Der Rotationsfühler muß in der Lage sein, niedrige Rotationsraten von 0,01° pro Stunde und hohe Rotationsraten von 1000° pro Sekunde zu ermitteln. Das Verhältnis der oberen und der unte ren zu messenden Grenze beträgt ungefähr 10⁹.

Ein Rotationsfühler mit geschlossener Schleife liefert ein die Sagnac-Phasenverschiebung anzeigendes Signal an eine Vorrichtung zur Einstellung der Phase oder der Frequenz der gegenläufigen Wellen, um die rotationsinduzierte Phasendif ferenz zwischen ihnen auf Null zu bringen. Der Betrag, um den die Wellen entweder in der Frequenz oder in der Phase verstellt werden müssen, um die Sagnac-Phasenverschiebung auf Null zu bringen, zeigt die Rotationsrate der Meßschleife an.

Faseroptische Rotationsfühler mit geschlossener Schleife, welche Phasenmodulatoren zur Schließung der Servoschleife verwenden, sind attraktiv, da die Bauteile, wie integrierte optische Phasenmodulatoren ohne weiteres verfügbar sind. Derartige Phasenmodulatoren liefern den gewünschten Betrag der Phasenmodulation zur Messung von Rotationsraten in dem erforderlichen Dynamikbereich. Unglücklicherweise verursachen Imperfektionen in den bekannten Phasenmodulatoren eine Ampli tudenmodulation und eine kohärente Rayleigh-Streuung, welche bewirken, daß die Servoschleife bei bestimmten Rotationsraten instabil wird. Insbesondere wird das System bei einer Rota tionsrate von Null instabil. Andere Rotationsraten, bei denen eine Instabilität auftritt, hängen von den Modulations/Demo dulationsverfahren ab, die bei der Verarbeitung des Ausgangs des faseroptischen Rotationsfühlers verwendet werden. Wenn das Rückkopplungssignal in der Servoschleife schwingt, er gibt sich kein brauchbares Ausgangssignal aus dem faserop tischen Rotationsfühler.

Die US-PS 42 99 490 beschreibt einen faseroptischen Rota tionsfühler mit Phasennullung, bei dem ein Frequenzschieber in einer Rückkopplungsschleife verwendet wird. Der Frequenz schieber ist an einem Ende der Fühlerspule angeordnet, so daß beide gegenläufige Wellen in ihrer Frequenz verschoben werden. Die Frequenzverschiebung der gegenläufigen Wellen erzeugt eine nichtreziproke Phasenverschiebung, die derart eingestellt wird, daß eine durch Rotation der Meßspule in duzierte Phasenverschiebung versetzt wird. Das zur Nullung der rotationsinduzierten Phasenverschiebung erforderliche Signal wird dann verarbeitet, um die Rotationsrate zu be stimmen.

Die US-PS 43 72 685 beschreibt einen faseroptischen Rota tionsfühler, der den Faraday-Effekt ausnutzt, um die Phase der gegenläufigen Wellen in der Meßspule zu modulieren, um die rotationsinduzierte Phasenverschiebung auf Null zu brin gen.

Die US-PS 47 17 256 betrifft einen faseroptischen Rotations fühler, der eine Phasenmodulierung der gegenläufigen Wellen in der Fühlspule bzw. Meßspule aufweist. Ein Oszillator treibt einen Phasenmodulator und liefert auch sinusförmige Referenz- und Zeitsignale an Signalverarbeitungsschaltungen, um eine synchrone Integration und Extraktion der Ratenphasen information aus einem modulierten Signal zu liefern, welches das Interferenzmuster der gegenläufigen Wellen angibt. Das Produkt des modulierten Signals und der Referenzsinuswelle wird über eine gerade Anzahl von vollständigen Referenz zyklen aufintegriert. Gemäß der Patentschrift ist dieses integrierte Signal direkt proportional dem Produkt des Sinus der Eingangswinkelgeschwindigkeit im Inertialraum und der Bessel-Funktion erster Ordnung, welche die optische Phasenmodulation beschreibt. Das integrierte Signal wird an eine Abtast- und Speicherschaltung geliefert, in welcher die Abtastperiode der Integrationsperiode entspricht. Der Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung wird an eine ab geglichene Treiberschaltung geführt, um ein Ratenausgangs signal zu liefern, das direkt proportional der Eingangs winkelgeschwindigkeit ist.

Die US-PS 47 35 506 beschreibt einen faseroptischen Ro tationsfühler, der sowohl einen faseroptischen Frequenz verschieber als auch einen faseroptischen Phasenmodulator zur Modulierung der gegenläufigen Wellen umfaßt.

Eine weitere Quelle der Instabilität in der Servoschleife ist das elektrische Übersprechen zwischen dem Phasenmodu latortreibersignal und den Fotodetektorschaltungen, die zur Konvertierung der Sagnac-Phasenverschiebung in elek trische Signale verwendet werden.

Durch die Erfindung werden eine Signalverarbeitungsvor richtung und Verfahren geschaffen, mit denen Servoschleifen instabilitäten in faseroptischen Rotationsfühlern mit ge schlossener Schleife beseitigt werden. Ein Faseroptik-Ro tationsfühlsystem gemäß der Erfindung, das ein die Phasen differenz von zwei gegenläufigen Wellen in einer faser optischen Meßspule zur Messung der Rotationsrate der Meß spule anzeigendes Signal erzeugt, umfaßt Einrichtungen zur Modulierung der gegenläufigen Wellen mit einem Referenzsig nal und Einrichtungen zur Demodulierung des die Phasendif ferenz der zwei gegenläufigen Wellen mit dem Referenzsignal anzeigenden elektrischen Signals. Die Erfindung umfaßt fer ner Einrichtungen zur Bildung einer Rückkopplungsschaltung zur Leitung eines Rückkopplungssignals aus der Demodulier einrichtung zur Modulatoreinrichtung. Die Rückkopplungs schaltung umfaßt vorzugsweise Generatoreinrichtungen zum Treiben der Modulatoreinrichtungen, um die Phasendifferenz zwischen den gegenläufigen Wellen auf Null zu bringen, fer ner Einrichtungen zur Einstellung des Rückkopplungssignals, um eine Instabilität in ihm zu verhindern, und Einrichtungen zur Verarbeitung des Signalausgangs aus der Generatorein richtung zur Bestimmung der Rotationsrate der Fühl- bzw. Meßschleife.

Die Einrichtung zur Modulierung der gegenläufigen Wellen kann einen Phasenmodulator umfassen, der mit der faserop tischen Meßspule verbunden ist, sowie Einrichtungen zur An legung des Referenzsignals an den Phasenmodulator. Der Pha senmodulator hat eine effektive Bandbreite, die groß ist verglichen mit dem Reziprokwert der Transitzeit der gegen läufigen Wellen in der Meßschleife.

Die Einrichtung zur Modulierung der gegenläufigen Wellen kann einen faseroptischen Frequenzschieber umfassen, der mit der faseroptischen Meßspule verbunden ist, sowie Ein richtungen zum Anlegen des Referenzsignals an den Frequenz schieber.

Die Erfindung kann ferner eine Summierschaltung umfassen, deren erster Eingang mit einem Referenzsignalgenerator verbunden ist, um von diesem das Referenzsignal zu empfan gen, während ihr zweiter Eingang mit der Generatoreinrich tung verbunden ist und ein Ausgang mit dem Phasenmodulator verbunden ist, so daß der Phasenmodulator durch ein Signal getrieben wird, das aus der Summe des Referenzsignals und des Ausgangs der Generatoreinrichtung besteht. Die Genera toreinrichtung erzeugt vorzugsweise einen Rampensignal- Ausgang. Die Einrichtung zur Einstellung des Rückkopplungs signals zur Verhinderung einer Instabilität in ihm umfaßt vorzugsweise Einrichtungen zum Anlegen eines periodischen Signals mit einem Mittelwert von Null an den Eingang der Generatoreinrichtung. Die Einrichtung zur Einstellung des Rückkopplungssignals zur Verhinderung einer Instabilität in ihm kann Einrichtungen zum Anlegen eines pseudozufälli gen Signals mit einem Mittelwert von Null an den Eingang der Generatoreinrichtung umfassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verarbeitung von Sig nalen, welche die Phasendifferenz von zwei gegenläufigen Wellen in einer faseroptischen Meßspule angeben, die in einem faseroptischen Rotationsfühlersystem zur Bestimmung der Rotationsrate der Meßspule enthalten ist, umfaßt die folgenden Verfahrensschritte: Modulieren der gegenläufi gen Wellen mit einem Referenzsignal, Demodulieren des elektrischen Signals, das die Phasendifferenz von zwei gegenläufigen Wellen mit dem Referenzsignal angibt und Formen einer Rückkopplungsschaltung zur Führung eines Rückkopplungssignals von der Demodulatoreinrichtung zur Modulatoreinrichtung. Der Verfahrensschritt der Formung der Rückkopplungsschaltung umfaßt den Schritt des Treibens der Modulatoreinrichtung mit einer Generatoreinrichtung, um die Phasendifferenz zwischen den gegenläufigen Wellen auf Null zu bringen, ferner das Einstellen des Rückkopp lungssignals zur Verhinderung einer Instabilität in die sem und Verarbeiten von Signalen, die am Ausgang der Ge neratoreinrichtung abgegeben werden, um die Rotationsrate der Meßschleife bzw. Fühlschleife zu bestimmen.

Der Verfahrensschritt der Modulierung der gegenläufigen Wellen umfaßt das Verbinden eines Phasenmodulators mit der faseroptischen Meßspule und das Anlegen des Referenz signals an den Phasenmodulator. Das erfindungsgemäße Ver fahren umfaßt ferner die Verfahrensschritte der Verbindung einer Summierschaltung, die einen ersten Eingang besitzt, mit einem Referenzsignalgenerator zum Empfang des Referenz signals von diesem, sowie einen zweiten Eingang, der mit der Generatoreinrichtung verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Phasenmodulator verbunden ist, so daß der Pha senmodulator durch ein Signal getrieben wird, das aus der Summe des Referenzsignals und dem Ausgang der Generatorein richtung besteht.

Der Verfahrensschritt der Einstellung des Rückkopplungs signals zur Verhinderung einer Instabilität in diesem um faßt vorzugsweise den Schritt der Anlegung eines perio dischen Signals mit einem Mittelwert von Null an den Ein gang der Generatoreinrichtung. Das Verfahren kann auch den Schritt umfassen, daß ein pseudozufälliges Signal mit einem Mittelwert von Null an den Eingang der Genera toreinrichtung angelegt wird.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines faseroptischen Rotations fühlers, bei dem Phasenmodulation zur Bildung einer Betriebsweise mit geschlossener Schleife angewendet wird;

Fig. 2 eine Rechteckwellen-Modulationsspannung, die zur Verhinderung einer Instabilität der Servo schleife angelegt werden kann;

Fig. 3 einen faseroptischen Koppler, der in dem faser optischen Rotationsfühler der Fig. 1 enthalten sein kann;

Fig. 4-6 einen integrierten optischen Phasenmodulator, der in dem Faseroptikrotationsfühler der Fig. 1 enthalten sein kann;

Fig. 7 einen Typ eines faseroptischen Polarisators, der in dem Faseroptikrotationsfühler der Fig. 1 enthalten sein kann;

Fig. 8 einen zweiten Typ eines faseroptischen Pola risators, der in dem faseroptischen Rotations fühler der Fig. 1 enthalten sein kann;

Fig. 9 eine Bragg-Zelle, die dazu verwendet werden kann, die Frequenz des Lichts bei der Er findung zu verschieben;

Fig. 10 und 11 ein Serrodyne-Frequenzverschiebungsver fahren, das bei der erfindungsgemäßen Vor richtung angewendet werden kann;

Fig. 12 eine Vorrichtung zur Verwirklichung des Serrodyne-Frequenzverschiebungsverfahrens;

Fig. 13 und 14 eine Darstellung der Auswirkung eines Fre quenzschiebers auf eine optische Welle; und

Fig. 15 und 16 eine zweite Frequenzschieberstruktur, die bei der Erfindung angewendet werden kann.

Die Fig. 1 zeigt eine Art eines faseroptischen Rotations fühlers 20, welcher die Grundsätze der vorliegenden Erfin dung verwirklicht. Gemäß der Fig. 1 umfaßt der Faseroptik rotationsfühler 20 eine Quelle 22 kohärenten Lichtes, welche einen Lichtsignaleingang an eine optische Faser 24 liefert. Die optische Faser 24 ist vorzugsweise derart gestaltet, daß sie einen Einzelmodus von elektromagnetischer Energie führt. Der Lichteingang zur optischen Faser 24 pflanzt sich zu einem optischen Koppler 26 fort, der vorzugsweise ein opti scher Dämpfungsfeldkoppler ist, wie er im einzelnen nach folgend mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 erläutert wird. Der optische Koppler 26 teilt das auf ihn einfallende Licht zwischen der optischen Faser 24 und der optischen Faser 28 auf.

Licht, welches in der optischen Faser 24 verbleibt, nachdem es durch den optischen Koppler 26 hindurchgegangen ist, pflanzt sich dann zu einem Polarisator 30 hin fort. Der Polarisator 30 ist vorzugsweise ein faseroptischer Pola risator, wie er im einzelnen mit Bezug auf die Fig. 4 bis 6 beschrieben wird.

Nach dem Austritt aus dem Polarisator 30 trifft der Signal eingang auf einen zweiten faseroptischen Koppler 32, der im wesentlichen identisch mit dem optischen Koppler 26 ausgebildet sein kann. Der Koppler 32 teilt den Lichtein gang von der Quelle 22 zwischen der optischen Faser 24 und einer optischen Faser 36 auf, die vorzugsweise ebenfalls eine optische Einzelmodusfaser ist.

In der optischen Faser 24 ist eine Sagnac-Meßspule bzw. -Fühlspule 34 geformt. Ein Phasenmodulator 38 ist zwischen den optischen Fasern 36 und 24 angeordnet, so daß Licht in der optischen Faser 24 die Meßspule 34 durchläuft, bevor es den Phasenmodulator 38 erreicht. Wie in der Fig. 1 dar gestellt ist, bildet Licht, welches in der optischen Faser 24 bleibt, die Uhrzeigersinn-Welle in der Meßspule 34 und Licht, das der Koppler 32 in die optische Faser 36 ablenkt, bildet die Gegenuhrzeigersinn-Welle in der Meßspule 34. Nach dem Durchlaufen des Phasenmodulators 38 läuft die Uhrzeiger sinnwelle durch die optische Faser 36, bevor sie den Koppler 32 erreicht. Die Gegenuhrzeigersinnwelle durchläuft die op tische Faser 36, den Phasenmodulator 38, die Meßspule 34 und einen Teil der optischen Faser 24, bevor sie die optische Faser 36 wieder erreicht.

Beim Durchlaufen der Meßspule 34 erwerben die Uhrzeigersinn welle und die Gegenuhrzeigersinnwelle eine Phasendifferenz, die von der Rotationsrate der Meßspule 34 um ihre Fühlachse abhängt. Der Koppler 32 koppelt einen Teil der Uhrzeiger sinnwelle von der optischen Faser 36 zurück in die optische Faser 24. Der in der optischen Faser 24 verbleibende Teil der Gegenuhrzeigersinnwelle kombiniert sich mit der kreuz gekoppelten Uhrzeigersinnwelle zur Bildung eines Interfe renzmusters. Dieses Interferenzmuster enthält die Informa tion, welche verarbeitet wird, um die Rotationsrate der Meßspule 34 zu bestimmen.

Die kombinierten Wellen laufen dann zurück durch die op tische Faser 24 zum Polarisator 30, welcher sicherstellt, daß das zu verarbeitende optische Signal zur Bestimmung der Rotationsrate die gleiche Polarisation besitzt, wie das Licht, das als Eingang in die Meßspule 34 eingeleitet worden ist. Diese Polarisierungen sollten identisch sein, um Vorspannungsfehler und Skalenfaktorfluktuationen auf ein Minimum zu bringen.

Der Ausgang des Polarisators 30 erreicht dann den optischen Koppler 26, der einen Teil des Signals in die optische Faser 28 einkoppelt. Das Signal trifft dann auf einen Fotodetektor 40 auf, der das optische Interferenzmuster in ein elektri sches Signal umwandelt. Der Ausgang des Fotodetektors 40 wird in einen Demodulator 42 eingespeist, der das Fotode tektorsignal mit einem Referenzsignal demoduliert, das aus einem Modulationsreferenzgenerator 44 empfangen worden ist.

Der Demodulator bildet ein Ausgangssignal für einen Ver stärker 46. Das Bezugszeichen A bezeichnet den Eingang des Verstärkers 46 und das Bezugszeichen B den Ausgang des Verstärkers 46.

Der Ausgang des Verstärkers 46 wird als Eingangssignal an einen Rampengenerator 48 gelegt, welcher Signale er zeugt, die an einen Zähler 50 zur Bestimmung der Rotations rate geführt werden. Der Ausgang des Rampengenerators 48 wird überdies als Eingang an eine Summierschaltung 52 ge legt, welche die Rampenspannung aus dem Rampengenerator 48 mit dem Signalausgang aus dem Modulationsreferenzgene rator 44 aufsummiert. Das Summensignal aus der Summier schaltung 52 ist die Treiberspannung für den Phasenmodula tor 38.

Das erfindungsgemäße Signalverarbeitungsverfahren umfaßt den Schritt, daß ein periodisches Signal mit dem Mittel wert Null entweder an den Eingangsanschluß A oder den Aus gangsanschluß B 46 angelegt wird. Ein Periodiksignalgene rator 54, der Ausgänge besitzt, welche mit einem Gatter des Zählers 50 und entweder dem Punkt A oder dem Punkt B verbunden sind, liefert das periodische Signal. Die Ampli tude des periodischen Signals ist ausreichend, damit be wirkt wird, daß die Spannung in der Servoschleife außer halb des Bereichs liegt, in dem eine Instabilität auftritt. Die Amplitude des periodischen Signals hängt davon ab, ob es in die Schleife vor oder nach dem Verstärker 46 einge speist wird. Der faseroptische Rotationsfühler 20 kann einen Hochpaßfilter 56 aufweisen, der zwischen dem Perio diksignalgenerator 54 und den Punkten A oder B der Rück kopplungsschleife angeschlossen ist, um zusätzlich sicher zustellen, daß ein Signal mit dem Mittelwert Null vorliegt.

Der Periodiksignalgenerator 54 kann auch ein Synchroni sationssignal beim Abschluß jeder Periode des periodischen Signals mit dem Mittelwert Null erzeugen. Das periodische Signal kann entweder deterministisch oder pseudozufällig sein. Das Synchronisationssignal steuert das Gatter des Zählers 50, der die Impulse zählt, welche von dem faser optischen Rotationsfühler 20 am Ausgang abgegeben werden, und zwar um sicherzustellen, daß die durch den Periodik signalgenerator 54 zusätzlich verursachten Impulse exakt ausgemittelt sind und daß nur die durch die Rotation des Faseroptikrotationsfühlers 20 verursachten Impulse wirksam gezählt werden.

Die Erfindung arbeitet zufriedenstellend, wenn der Demo dulator 42 ein quadratischer Modulator mit dem Mittelwert Null ist und das periodische Signal mit dem Mittelwert Null in die Servoschleife entweder am Punkt A oder am Punkt B der Fig. 1 eingespeist wird. Es sei angenommen, daß die Meßspule 34 mit einer kleinen Rotationsrate Ω rotiert, das idealerweise in C _r Nettozählungen pro Sekunde an den Ausgängen des Rampengenerators 48 resultieren würde. Es sei ferner angenommen, daß die Rotationsrate Ω klein genug ist, daß das Servoschleifensignal schwingt und daß die Nettoausgangszählung pro Sekunde gleich Null ist. Wie in der Fig. 2 dargestellt, wird eine Rechteckwellenspannung, die zwischen V _s und -V _s während der Zeit T variiert, am Punkt B in die Servoschleife eingespeist. Die Amplitude und die Periode der Rechteckwelle brauchen keine fest stehenden Größen sein, sie können vielmehr anpassend als Funktionen der Rotationsrate verändert werden, um die Lei stung des Faseroptikrotationsfühlers 20 dadurch zu opti mieren, daß über einen weiteren Dynamikbereich Instabili täten der Servoschleife beseitigt werden.

Wenn die Spannung V _s groß genug ist, daß der Servoschleifen strom gut außerhalb des Instabilitätsbereichs liegt, dann beträgt die Nettozahl von Zählungen pro Sekunde C _r während der ersten Hälfte der Rechteckwelle (d.h., während der er sten T/2-Zeitperiode)

wobei die Zählrate aufgrund der Spannung V _s ist. Für die zweite Hälfte der Rechteckwelle beträgt die Netto zählung pro Sekunde C ₂

wobei die Zählrate aufgrund der Spannung V _s ist. Es ist dem Fachmann auf dem Gebiet von Faseroptikrotationsfühlern und der Servosteuerungstheorie bekannt, daß folgende Beziehung gilt:

Das Einsetzen der Gleichung (3) in die Gleichung (2) führt zu

Die Nettozählungen pro Sekunde C über die Periode der Recht eckwelle hinweg ist der Mittelwert von C 1 und C 2 und beim Einsetzen in die Gleichungen (1) und (4) ergibt sich:

Der Ausgang des Faseroptikrotationsfühlers 20 gibt also korrekt die Rotationsrate der Meßspule 34 an, und zwar sogar bei Vorliegen von Servoschleifeninstabilitäten.

Ein Faseroptik-Lichtkoppler, der zur Verwendung bei Ein zelmodusfaser-Implementierungen der Erfindung geeignet ist, ist in Electronics Letter, Band 18, Nr. 18, Seiten 260-261 vom 28. März 1980, sowie in US-PS 44 93 518 beschrieben.

Die beiden optischen Koppler 26 und 32 können im wesent lichen identisch aufgebaut sein; die folgende Beschreibung des Optikkopplers 26 gilt daher für alle optischen Koppler in dem optischen Dualfaser-Gyroskopsystem 20, wenn die optischen Fasern 24, 28 und 34 Einzelmodusfasern sind.

Für Multimodusfaser-Implementierungen des faseroptischen Rotationsfühlers 20 sind geeignete Multimoduskoppler (nicht dargestellt) im Fachgebiet wohl bekannt. Ein Typ eines Mul timoduskopplers, der zum Aufbau des Fühlers in Multimodus anwendungen geeignet ist, ist in US-PS 47 38 511 beschrieben.

Die Grenze zwischen dem Kern und der Umhüllung einer opti schen Faser ist eine dielektrische Grenzfläche, an der be stimmte, wohlbekannte Grenzbedingungen der Feldkomponenten erfüllt sein müssen. Beispielsweise muß die parallel zur Grenzfläche verlaufende Komponente des elektrischen Feldes kontinuierlich sein. Eine optische Einzelmodusfaser leitet elektromagnetische Energie, deren elektrische Feldkompo nente senkrecht zur Kern-Umhüllungs-Grenzfläche verläuft. Da der Faserkern einen größeren Brechungsindex hat als die Umhüllung und Licht auf die Grenzfläche in Winkeln auftrifft, die kleiner oder gleich dem kritischen Winkel sind, bleibt im wesentlichen das gesamte elektrische Feld durch interne Reflexion an der Grenzfläche im Kern. Damit sowohl die Kontinuitäts- als auch die Innenreflexions bedingungen erfüllt werden, muß die radiale elektrische Feldkomponente in der Umhüllung eine rasch abfallende Exponentialfunktion sein. Ein exponentiell abfallendes elektrisches Feld wird gewöhnlich als Dämpfungsfeld be zeichnet.

Wie in der Fig. 3 dargestelt, umfaßt der Koppler 26 die optischen Fasern 24 und 28 der Fig. 1, die auf einem Paar von Substraten 50 bzw. 52 montiert sind. Die Faser 24 ist in einer gekrümmten Nut 54 montiert, die in einer optisch ebenen Fläche 58 des Substrats 50 geformt ist. Gleicher maßen ist die Faser 28 in einer gekrümmten Nut 56 montiert, die in einer optisch ebenen Fläche 60 des Substrats 52 ge formt ist. Das Substrat 50 und die darin montierte Faser 24 sind eine Kopplerhälfte 62 und das Substrat 52 und die darin montierte Faser 28 stellen eine Kopplerhälfte 64 dar.

Die Tiefen der Nuten 54 und 56 variieren von einem Minimum in der Mitte der Substrate 50 bzw. 52 bis zu einem Maximum an den Rändern der Substrate 50 und 52. Die Variation der Nuttiefe gestattet es, daß die optischen Fasern 24 und 28 bei der Montage in den Nuten 54 bzw. 56 allmählich zu den Mitten hin konvergieren und zu den Rändern der Substrate 50 bzw. 52 hin divergieren. Die Nuten 54 und 56 können einen rechteckigen Querschnitt besitzen; es können jedoch auch andere Querschnittsgestaltungen, beispielsweise U- oder V-förmige bei der Bildung des Kopplers 26 verwendet werden.

Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, sind in den Mitten der Sub strate 50 und 52 die Tiefen der Nuten 54 und 56 geringer als die Durchmesser der Fasern 24 und 28. Faseroptisches Material ist von jeder der Fasern 24 und 28 durch ein ge eignetes Verfahren, wie beispielsweise Schleifen, zur Bil dung ebener Oberflächen 61 und 63 in den Fasern 24 bzw. 28 entfernt, wobei diese Oberflächen mit den gegenüberstehenden Flächen 58 und 60 der Substrate 50 und 52 koplanar sind. Die ovalen Flächen sind in einander zugewandter Beziehung nebeneinander angeordnet, um einen Wechselwirkungsbereich 66 zu bilden, in dem das Dämpfungsfeld, des von den Fasern 24 und 28 geleiteten Lichtes jeweils mit dem der anderen Faser in Wechselwirkung tritt.

Zwischen den Fasern 24 und 28 wird Licht durch Dämpfungs feldkopplung im Wechselwirkungsbereich 66 übertragen. Die optische Faser 24 umfaßt einen zentralen Kern 68 und eine umgebende Umhüllung 70. Die Faser 28 besitzt einen Kern 72 und eine Umhüllung 74, die im wesentlichen identisch mit dem Kern 68 bzw. der Umhüllung 70 sind. Der Kern 68 besitzt einen Brechungsindex, der größer ist als der der Umhüllung 70 und der Durchmesser des Kerns 68 ist derart bemessen, daß Licht, das sich im Kern 68 fortpflanzt, in tern an der Kernumhüllungsgrenzfläche reflektiert. Der Hauptteil der in der optischen Faser 24 geführten optischen Energie ist auf ihren Kern 68 eingegrenzt. Eine Lösung der Wellengleichungen für die Faser 68 und die Anwendung der wohlbekannten Grenzbedingungen zeigen jedoch, daß die Energie verteilung zwar primär auf den Kern 68 trifft, jedoch einen Teil aufweist, der sich in die Umhüllung hineinerstreckt und exponentiell mit zunehmendem Radius vom Mittelpunkt der Faser abfällt. Der exponentiell abfallende Teil der Energie verteilung innerhalb der Faser 68 wird allgemein das Däm pfungsfeld genannt. Wenn das Dämpfungsfeld der ursprünglich von der Faser 24 fortgepflanzten optischen Energie sich eine ausreichende Strecke in die Faser 28 hineinerstreckt, koppelt Energie von der Faser 24 auf die Faser 28 über.

Das Dämpfungsfeld erstreckt sich eine kurze Strecke in die Umhüllung hinein und nimmt in seiner Stärke rasch mit dem Abstand von der Außenseite des Faserkerns ab. Es sollte da her ausreichend faseroptisches Material entfernt werden, damit eine Überlappung zwischen den Dämpfungsfeldern von Wellen möglich ist, die sich durch die beiden Fasern 24 und 28 fortpflanzen. Wenn zu wenig Material entfernt wird, lie gen die Kerne nicht ausreichend nahe aneinander, damit den Dämpfungsfeldern die erwünschte Wechselwirkung der geführ ten Wellen möglich ist; es ergibt sich dann eine ungenügende Kopplung.

Wie in den Fig. 4 bis 6 gezeigt ist, umfaßt der Phasenmodu lator 38 ein Paar von Elektroden 100 und 102, die auf einem Litiumniobat-Substrat 104 geformt sind. Ein optischer Wel lenleiter 106 wird in dem Substrat 104 dadurch geformt, daß ein Streifen Titan (nicht gezeigt) darauf abgeschieden wird und dann das Titan aufgeheizt wird, um es in das Substrat hineinzutreiben. Die Elektroden 100 und 102 können an ent gegengesetzten Seiten des Wellenleiters 106, wie in den Fig. 5 bis 7 gezeigt, liegen, oder eine der Elektroden kann direkt auf dem Wellenleiter 106 geformt sein, während die andere Elektrode seitlich davon versetzt ist.

Wie in der Fig. 6 gezeigt ist, verläuft das elektrische Feld primär horizontal im Wellenleiter 106. Der Wellenleiter 106 besitzt einen Brechungsindex n=n ₀+n ₁ (E), wobei n ₀ eine konstante Komponente des Brechungsindex ist und n₁(E) eine Funktion des angelegten elektrischen Feldes E. Da das elek trische Feld im Wellenleiter 106 gesehen in der Fig. 6 im wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft, beeinflußt nur die Horizontalkomponente des Feldes den Brechungsindex. Änderungen des Brechungsindex des Wellenleiters 106 bewir ken, daß sich seine wirksame optische Länge verändert. Eine Kontrolle bzw. Steuerung des elektrischen Feldes bietet da her eine Handhabe zur Steuerung der Zeit, die das Licht be nötigt, um durch den Wellenleiter 106 zu wandern. Diese Ver änderung der Transitzeit kann als Veränderung der Phase der Welle betrachtet werden. Da der Phasenmodulator 38 die Phase von Signalen moduliert, die entlang der Kristallhauptachse asymmetrisch in dem Wellenleiter 106 polarisiert sind, kön nen nur Wellen in den Phasenmodulator 38 eintreten, die ent lang der Hauptachse des Wellenleiters 106 polarisiert sind.

Bei der Beschreibung der Wellen, die sich in einer optischen Faser fortpflanzen, ist es angebracht, sich auf die Richtung der elektrischen und magnetischen Felder relativ zur Fort pflanzungsrichtung der Welle zu beziehen. Die Richtung des elektrischen Feldvektors in einer elektromagnetischen Welle ist die Polarisation der Welle. In vielen Faseroptikrotations fühlsystemen ist es wünschenswert, Licht eines bekannten Polarisationszustands an ausgewählten Punkten zu haben, da der Ausgang einiger Komponenten polarisationsabhängig ist. Das Vorliegen eines bekannten Polarisationseingangs an solche Komponenten minimiert daher Fehler. In einem polarisierten Faseroptikrotationsfühlersystem werden Drift fehler aufgrund von Änderungen der Polarisation durch die Qualität des Polarisators bestimmt.

Der in der Fig. 1 gezeigte Polarisator 30 kann im wesent lichen identisch demjenigen Polarisator sein, der in US-PS 43 86 822 beschrieben ist. Ein weiterer Polarisator, der für die Erfindung verwendbar ist, ist in US-PS 47 25 113 beschrieben.

Die US-PS 47 29 622 beschreibt einen faseroptischen Pola risator mit Fehlersignalrückkopplung in eine Polarisator steuerung; dieser Polarisator kann für die vorliegende Er findung verwendet werden. Das System wird kurz nachstehend beschrieben.

Gemäß der Fig. 7 kann der Polarisator einen Halbkoppler 160 einschließen, welcher ein Substrat 162 umfaßt, das vorzugsweise aus einem Quarzblock geformt ist, in dem eine gekrümmte Nut 164 vorgesehen ist. Ein Stück der opti schen Faser 24 ist in der Nut 164 befestigt. Ein Teil des Substrats 162 und die optische Faser werden zur Bildung koplanarer Oberflächen 165 und 170 auf dem Substrat 162 bzw. der optischen Faser 24 geschliffen und poliert. Der Schleif- und Poliervorgang entfernt einen Teil der Umhül lung von der optischen Faser 24, so daß ein Wechselwirkungs bereich 166 gebildet wird. Ein doppelt brechender Kristall 168 mit einer optisch ebenen Oberfläche 167 ist an der Fläche 170 des Substrats 160 montiert. Im Wechselwirkungs bereich 166 tritt das Dämpfungsfeld des sich in der Faser 24 fortpflanzenden Lichts in Wechselwirkung mit dem doppelt brechenden Kristall 168.

Wenn die Faser 24 eine Einzelmodusfaser ist, dann sind die einzigen sich fortpflanzenden Moden diejenigen, in denen die Richtungen des elektrischen und magnetischen Feldes ungefähr senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Welle durch die Faser 24 sind. Ein Polarisationsvektor verläuft senkrecht zur Oberfläche 165 und der andere Polarisations vektor liegt in der Ebene der Oberfläche 165.

Der Kristall 168 ist derart angeordnet, daß für Licht, das senkrecht zur Kristall-Faser-Grenzfläche polarisiert ist, der Brechungsindex des Kristalls 168 kleiner ist als der Brechungsindex der Faser 168. Licht, das sich innerhalb der optischen Faser 24 mit einer Polarisation senkrecht zur Kristall-Faser-Zwischenfläche fortpflanzt, bleibt da her innerhalb der optischen Faser 24, da an der Kristall- Faser-Zwischenfläche Totalreflexionen auftreten. Der Bre chungsindex des Kristalls 168 für Polarisationen parallel zur Kristall-Faser-Zwischenfläche ist derart gewählt, daß er größer ist als der Brechungsindex der optischen Faser 24, so daß Licht, das parallel zur Kristall-Faser-Zwischen fläche polarisiert ist, sich aus der optischen Faser 24 in den doppelt brechenden Kristall 168 hinein auskoppelt.

Wenn gemäß der Fig. 7 Licht von links einfällt, wandert die abgestrahlte Energie der Parallelpolarisationskompo nente der Welle durch den Kristall 168. Ein Teil der ab gestrahlten Energie trifft auf einen Fotodetektor 180 auf, der in Abhängigkeit von der einfallenden optischen Intensität am Ausgang einen elektrischen Strom abgibt. Eine elektro nische Steuerschaltung 182 verarbeitet den Fotodetektor ausgang und bildet Steuersignale für ein Faseroptik-Pola risationssteuerungssystem 190, welches den Polarisations eingang zum Polarisator 30 zur Minimierung des Steuersig nals einstellt. Der optische Durchsatz des Polarisators 30 hat daher im wesentlichen eine einzige vorbestimmte Polarisation mit konstanter Intensität.

Das Polarisationssteuersystem 54 umfaßt vorzugsweise eine Vielzahl von Faserquetschern 192 bis 194, die mit der Steuer schaltung 182 verbunden sind. Die Faserquetscher 192 bis 194 sind vorzugsweise identisch aufgebaut. Geeignete Faser quetscher sind in US-PS 47 53 507 beschrieben. Jeder der Faserquetscher 192 bis 194 kann ein piezoelektrisches Be tätigungselement (nicht gezeigt) umfassen, das auf Span nungen aus der Steuerspannung 182 anspricht, um die Kom pressionskraft auf die Faser 244 von einer Vorlast aus zu verändern. Die Faserquetscher 192 und 194 sind vorzugsweise ausgerichtet, so daß die von ihnen erzeugten Spannungen pa rallel zueinander und senkrecht zur Faser 24 ausgerichtet sind. Der Faserquetscher 193 ist zwischen den Faserquet schern 192 und 194 angeordnet. Der Quetscher 193 legt eine Kraft an, die senkrecht zur Faser 24 verläuft, und das be deutet, in einem Winkel von 45° zu den Kräften, die durch die Faserquetscher 192 und 194 erzeugt werden.

Die optische Faser 24 ist ein doppelt brechendes Medium, was bedeutet, daß der Brechungsindex polarisationsabhängig ist. Der Betrag der Doppelbrechung wird hier zur Angabe des Unterschiedes zwischen den beiden Brechungsindizes eines Mediums, welches eine Lichtwelle leitet, benutzt. Die Steue rung des Maßes der Doppelbrechung gestattet die Steuerung der Polarisation eines Lichtsignalausgangs von einem Stück faseroptischen Materials. Das Anlegen einer Druckkraft auf ein Stück optischer Faser 24 entlang einer Querachse der Faser verändert die Brechungsindizes mittels des fotoelastischen Effektes, so daß sich eine druckindu zierte Doppelbrechung ergibt.

Allgemein sind drei Faserquetscher erforderlich, um eine beliebige Polarisation in eine vorbestimmte Polarisation umzuwandeln. Wenn keine nennenswerte Doppelbrechung in dem Stück Faser 24 zwischen benachbarten Faserquetschern 192 bis 194 vorliegt, dann sind nur zwei Faserquetscher erforderlich, um die Polarisation des Lichteingangs an einen Polarisator 30 zu steuern.

Der Polarisator 30 kann einen Ausgang liefern, der eine vorbestimmte Polarisation in den gegenläufigen Wellen in der Faser 24 hat. Wenn Licht mit gemischter Polarisation auf den Polarisator 30 von rechts auftrifft, dann wird die unerwünschte Polarisation von der Faser 24 abgestrahlt, während die erwünschte Polarisation darin verbleibt. Ein zweiter Fotodetektor 200 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität der abgestrahlten Polarisation angibt. Eine zweite Steuerschaltung 202 verarbeitet den Ausgang des Fotodetektors 200 und liefert Steuersignale an eine Vielzahl von Faserquetschern 204 bis 206, die im wesent lichen identisch mit den vorstehend beschriebenen Faser quetschern 192 bis 194 sind. Der Polarisator 30 erzeugt Fehlersignale aus zwei gegenläufigen Wellen im gleichen Bereich der Faser 24, so daß alle optischen Signale, die aus dem Polarisator 30 austreten, die gleiche Polarisation und die gleiche Intensität besitzen.

Die Fig. 8 zeigt eine weitere Art von Polarisator, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann, und die eine dielektrische Pufferschicht 210 umfaßt, die benach bart zur Kopplerhälfte 160 anstelle des Kristalls 168 an geordnet ist. Eine dünne metallische Schicht 212 ist über der Pufferschicht 210 angeordnet. Die unerwünschte Pola risation koppelt aus der Faser heraus und in die Metall schicht 212 hinein.

Anstelle des Phasenmodulators 38 kann ein optischer Fre quenzschieber in dem Faseroptikrotationsfühler 20 vorge sehen sein, um die gegenläufigen Wellen zu modulieren. US-PS 47 29 620 beschreibt einen faseroptischen Frequenz schieber, der im Rahmen der Erfindung angewendet werden kann. Die akustooptische Frequenzschiebervorrichtung, die von "Risk et al. in Single-sideband frequency shifting in birefringent optical fiber", SPIE, Vol. 478 Fiber Optic and Laser Sensors II, 1984, pages 91-97, beschrieben ist, kann ebenfalls im Rahmen der Erfindung angewendet werden. Eine optische Frequenzverschiebung unter Verwendung einer Bragg-Zelle kann ebenfalls zur Modulierung der gegenläufi gen Wellen verwendet werden.

Die Fig. 13 zeigt zirkularpolarisiertes Licht, das auf eine Halbwellenplatte 260 auftrifft, welche mit einer Win kelfrequenz f rotiert. Der Lichteingang besitzt eine Win kelfrequenz f₀. Die Eingangswelle wandert in der positiven z-Richtung und hat gleich große Polarisationsvektoren ent lang der x- und y-Achsen. Die Polarisationsvektoren be finden sich mit 90° außer Phase. Der Polarisationsvektor scheint daher mit einer Winkelgeschwindigkeit f ₀ um die z-Achse im Uhrzeigersinn zu rotieren, und zwar gesehen in Fortpflanzungsrichtung. Die Halbwellenplatte 260 rotiert in der gleichen Richtung wie der Polarisationsvektor, so daß die Ausgangswelle von der Eingangsfrequenz f ₀ auf die Fre quenz f ₀+2f verschoben wird.

Die Fig. 14 zeigt graphisch mögliche Frequenzausgänge aus dem Frequenzschieber. Wenn die Eingangsfrequenz f ₀ ist, dann erzeugt eine Rotation der Halbwellenplatte mit einer Frequenz f in Richtung des Eingangsstrahls ein Aus gangssignal mit f ₀+2f. Eine Rotation der Halbwellen platte 260 mit der Frequenz f in einer Richtung entgegen der Polarisation der Eingangswelle erzeugt eine Ausgangs welle mit einer Frequenz von f ₀-2f. Eine Steuerung der Rotationsfrequenz f ermöglicht es, daß die Ausgangsfre quenz der Viertelwellenplatte einen Bereich von f ₀ ± 2f _max aufweist, wobei f _max die maximale Rotationsfrequenz der Halbwellenplatte 260 ist.

Gemäß der Fig. 9 kann ein Frequenzschieber 270 mit einer Bragg-Zelle 272 versehen sein. Ein geeignetes Frequenz verschiebungsverfahren kann auch einen Serrodyne-Frequenz schieber umfassen, wie er in den Fig. 10 bis 12 gezeigt ist, oder einen akustooptischen Frequenzschieber, wie in den Fig. 15 bis 16 gezeigt.

Gemäß der Fig. 9 umfaßt die Bragg-Zelle 272 einen Glasblock 274, der von einem akustischen Wandler 276 getrieben ist, welcher akustische Wellen in den Glasblock 274 einspeist. Das Anlegen von Modulationssignalen der Frequenz ω _m an den akustischen Wandler 276 steuert die Frequenz der aku stischen Wellen in dem Glasblock 126. Die akustischen Wel lenfronten in dem Glasblock 274 wirken als sich bewegen des Brechungsgitter, das einen ersten Teil 278 des ein fallenden optischen Strahls überträgt und einen zweiten Abschnitt 280 reflektiert. Wenn das optische Signal die Frequenz ω₀ besitzt, dann hat der von der Bragg-Zelle 272 reflektierte Teil 280 des Strahls die Frequenz ω₀ +ω _m; der übertragene Teil des Strahls besitzt die Ori ginalfrequenz l₀. In einer typischen Bragg-Zelle werden ungefähr 60% bis 70% der einfallenden optischen Energie reflektiert und in der Frequenz verschoben.

Die Bragg-Zelle bewirkt eine optische Frequenzverschiebung durch Durchleiten eines optischen Signals durch einen elektrooptischen Kristall, der eine dreifache Achse be sitzt und durch Anlegen eines rotierenden elektrischen Feldes an den Kristall. Zur Frequenzverschiebung ist der optische Strahl vorzugsweise zirkular polarisiert und entlang der dreifachen Achse des Kristalls ausgerichtet. Wenn kein Feld angelegt ist, zeigt der Kristall keine Dop pelbrechung und der austretende Strahl bleibt unbeeinflußt. Wenn das angelegte Feld die richtige Halbwellenamplitude besitzt und in einer Ebene senkrecht zur dreifachen Achse rotiert, dann arbeitet der Kristall als rotierende Halb wellenplatte. Der austretende Strahl ist in seiner optischen Frequenz verschoben und sein Polarisierungssinn ist umge dreht. Die Frequenzverschiebung ist gleich dem zweifachen der Rotationsrate des angelegten Feldes. Da ein gleichför mig rotierendes angelegtes Feld im Idealfall zu einer ein zigen neuen Frequenz im Ausgangsstrahl führt, werden Fre quenzschieber mit einem rotierenden Feld halbwegs als Ein zelseitenband-Trägerunterdrückungsmodulatoren bezeichnet (single-side-band-suppressed-carrier modulator SSBSC).

Wie in der Fig. 9 gezeigt, empfängt die Bragg-Zelle 272 ein Eingangssignal von einem Verstärker 281, der das Modulationssignal verstärkt. Der Ausgang des Verstärkers 281 steht unter der Kontrolle eines Paars von Oszillato ren 282 und 284, welche elektrische Signale mit der Fre quenz ω ₁ und ω ₂ erzeugen. Die Ausgangssignale von den Oszillatoren 282 und 284 werden in einen Schalter 286 ein gespeist, der selektiv eines der Signale der Frequenz ω ₁ oder ω ₂ an den Verstärker 281 leitet.

Gemäß den Fig. 10 und 11 umfaßt die Serrodyne-Technik der Frequenzverschiebung einen linearen optischen Phasen schieber, der mit einem Rampensignal getrieben ist. Die ses Rampensignal erzeugt eine sich zeitlich linear ver ändernde Phasenverschiebung, die im Grunde genommen eine Frequenzverschiebung für die Dauer der Rampe darstellt. Die erzeugte optische Frequenz wird durch die zeitliche Veränderungsrate der Rampe und den Skalenfaktor des Pha senschiebers bestimmt. Die Fig. 10 zeigt graphisch eine Rampenspannung, die linear mit der Zeit und mit einer Rate von K v/s zunimmt.

Die Fig. 11 zeigt graphisch die Phase eines optischen Signalausgangs aus einem Modulator, der durch die Rampen spannung der Fig. 10 getrieben ist. Die Zeitrate der Ver änderung der Phase ist die Frequenzverschiebung. Wie in der Fig. 11 gezeigt, ist daher die Frequenzverschiebung d R (t)/dt=KC, wobei C der Modulatorskalenfaktor ist. Ein beispielsweises Verfahren zur Verwirklichung des Serrodyne-Frequenzschiebeverfahrens wird nachstehend mit Bezug auf die Fig. 12 beschrieben.

Ein Beispiel eines Serrodyne-Frequenzschiebersystems 319 ist in der Fig. 12 gezeigt. Optische Signale aus dem Laser 22 der Fig. 1 werden einem elektrooptisch aktiven Material 320 am Eingang zugeführt, welches Litiumniobat sein kann. Das Anlegen einer Spannung aus einer Spannungsquelle 322 an das elektrooptisch aktive Material 320 verändert die Phase von sich darin fortpflanzenden optischen Signalen. Der Betrag der Phasenveränderung kann dadurch kontrolliert werden, daß die Spannung V aus der Spannungsquelle 322 ge steuert wird, welche an das elektrooptisch aktive Material 320 angelegt ist.

Eine weitere Art von Frequenzschieber 350, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann, ist in den Fig. 15 und 16 dargestellt. Der Frequenzschieber 350 umfaßt ein Stück optischer Faser 351, das zwischen einem Block 352 aus einem Material wie Aluminium und einem Block 354 aus einem Material wie geschmolzener Quarz gehalten ist. Die optische Faser 351 ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie einen Einzelmodus elektromagnetischer Energie im optischen Frequenzbereich fortpflanzt. Der Quarzblock 354 ist vorzugsweise derart geformt, daß er eine keilförmige Gestaltung besitzt, so daß eine erste Oberfläche 358 des Blocks im Kontakt mit der optischen Faser 351 steht. Eine zweite Oberfläche 360 des Blocks 358 ist in einem Winkel zur Längsachse der Faser 351 ausgerichtet. Der Aluminium block 352 kann irgendeine gewünschte Gestalt haben; der Einfachheit halber ist er mit einem rechteckigen Querschnitt dargestellt. Eine metallische Schicht 362 aus Cr-Au bei spielsweise ist auf der Oberfläche geformt und ein Wandler 364 aus PZT beispielsweise ist auf der metallischen Schicht montiert. Der PZT-Wandler kann eine metallische Schicht aus Cr-Au besitzen, die auf einer Oberfläche geformt ist, welche von der Oberfläche des Quarzblockes abgewandt ist. Der Wandler kann durch einen geeigneten Oszillator getrie ben sein, um eine akustische Welle in die Faser einzubringen.

Die Faser, die eine Einzelmodusfaser ist, unterhält zwei orthogonale Polarisationen des Einzel-Fortpflanzungsmodus. Es gibt zwei Polarisationen, weil die Faser doppeltbrechend ist, also unterschiedliche Brechungsindizes für unterschied liche Richtungen des elektrischen Feldes in der Faser hat. Die beiden Polarisationen sind normalerweise ungekoppelt, so daß kein Energietransfer von einer Polarisation zur an deren vorliegt. Ein räumlich periodisches Muster mechani scher Spannungen, das an die Faser angelegt wird, indu ziert eine Kopplung zwischen den beiden Polarisationen und führt zu einem Energietransfer zwischen ihnen. Der Energie transfer ist kumulativ nur dann, wenn die räumliche Periode des Spannungsmusters gleich der Schwebungslänge bzw. Über lagerungslänge der Faser ist. Die Schwebungslänge der opti schen Faser beträgt L _B=λ/Δ n, wobei Δ n die Differenz der Brechungsindizes für die beiden Polarisationen ist und λ die optische Wellenlänge. Ein Spannungsmuster ist für die Kopplung der beiden Polarisationen dann am wirk samsten, wenn die Spannung mit 45° zu den Hauptachsen der Doppelbrechung gerichtet ist.

Der Wandler bildet ein sich bewegendes Spannungsmuster in der Faser, und zwar durch die wandernde akustische Welle. Wenn das Spannungsmuster entlang der Faser wandert, wird Licht, das von einer Polarisation zur anderen gekoppelt wird, in der Frequenz verschoben, und zwar um einen Betrag, der gleich der Frequenz des sich bewegenden Spannungsmusters ist, und zwar wegen der Bewegung des Kopplungsbereichs.

Der Einfachheit halber wird eine der Polarisationen als "langsam" bezeichnet und die andere Polarisation als "schnell". Die Geschwindigkeit einer Lichtwelle in einem dielektrischen Medium entspricht der Lichtgeschwindigkeit im freien Raum dividiert durch den Brechungsindex des Dielek trikums oder v=c/n. Es ist daher zu sehen, daß in einem doppelbrechenden Medium die Polarisation, für die der Brechungsindex größer ist, die langsame Welle ist, während die Polarisation, für die der Brechungsindex kleiner ist, die schnelle Welle ist.

In der Fig. 15 stellen die Linien 366 eine ebene akustische Wellenfront mit der Wellenlänge λ _a dar, die auf die Faser auftrifft. Eine Phasenanpassung tritt dann auf, wenn die Komponente der Schwebungslänge L _B in Richtung der Fort pflanzung der Akustikwelle gleich der akustischen Wellen länge λ wird. Aus der Fig. 17 ist daher zu sehen, daß gilt L _B sin R=λ _a. Unter Verwendung einer wohlbekannten Beziehung zwischen der Wellengeschwindigkeit, der Frequenz und der Wellenlänge zur Eliminierung der akustischen Wellenlänge aus der vorstehenden Gleichung ergibt sich die akustische Frequenz als

wobei v die akustische Wellengeschwindigkeit in der Faser ist.

Claims

1. Faseroptisches Rotationsfühlersystem, welches ein Signal erzeugt, das die Phasendifferenz zwischen zwei gegenläu figen Wellen in einer faseroptischen Meßspule zur Messung der Rotationsrate der Meßspule anzeigt, gekenn zeichnet durch Einrichtungen zur Modulierung der gegenläufigen Wellen mit einem Referenzsignal, ferner Einrichtungen zur Demodulierung des elektrischen Signals, das die Phasendifferenz der beiden gegenläufigen Wellen mit dem Referenzsignal angibt, Einrichtungen zur Bildung einer Rückkopplungsschaltung zur Führung eines Rückkopp lungssignals aus der Demodulationseinrichtung zur Modu liereinrichtung, wobei die Rückkopplungsschaltung umfaßt: Eine Generatoreinrichtung zum Treiben der Modulierein richtung, um die Phasendifferenz zwischen den gegenläufi gen Wellen auf Null zu bringen, und Einrichtungen zur Einstellung des Rückkopplungssignals, um eine Instabi lität in ihm zu verhindern, und Einrichtungen zur Ver arbeitung von Ausgangssignalen aus der Generatoreinrich tung zur Bestimmung der Rotationsrate der Meßschleife.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung zur Modulierung der gegen läufigen Wellen einen Phasenmodulator umfaßt, der mit der Faseroptik-Meßspule verbunden ist, sowie Einrich tungen zum Anlegen des Referenzsignals an den Phasenmodu lator.

3. System nach Anspruch 2, ferner gekennzeich net durch eine Summierschaltung, die mit einem ersten Eingang mit einem Referenzsignalgenerator verbunden ist, um das Referenzsignal von diesem zu empfangen, sowie mit einem zweiten Eingang mit der Generatoreinrichtung verbunden ist und mit einem Ausgang mit dem Phasenmodu lator, so daß der Phasenmodulator durch ein Signal ge trieben ist, das aus der Summe des Referenzsignals und des Ausgangs der Generatoreinrichtung besteht.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung des Rückkopplungssignals zur Verhinderung einer Insta bilität in diesen Einrichtungen umfaßt, um ein perio disches Signal mit einem Mittelwert von Null an den Eingang der Generatoreinrichtung anzulegen.

5. System nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zur Einstellung des Rückkopplungssignals zur Verhinderung einer Instabilität in diesem eine Einrichtung umfaßt, um ein pseudozufälliges Signal mit einem Mittelwert von Null an den Eingang der Generatoreinrichtung anzulegen.

6. Verfahren zur Verarbeitung von Signalen, welche die Phasendifferenz zwischen zwei gegenläufigen Wellen in einer faseroptischen Meßspule anzeigen, die in einem faseroptischen Rotationsfühlersystem enthalten ist, um die Rotationsrate der Meßspule zu bestimmen, gekennzeichnet durch die folgenden Ver fahrensschritte: Modulieren der gegenläufigen Wellen mit einem Referenzsignal; Demodulieren des elektrischen Signals, das die Phasendifferenz der beiden gegenläu figen Wellen anzeigt mit dem Differenzsignal; Bilden einer Rückkopplungsschaltung zur Rückführung eines Rückkopplungssignals von der Demoduliereinrichtung zur Moduliereinrichtung mit den folgenden Verfahrens schritten: Treiben der Moduliereinrichtung mit Generator einrichtungen, um die Phasendifferenz zwischen den gegen läufigen Wellen auf Null zu bringen; und Einstellen des Rückkopplungssignals zur Verhinderung von Instabilität in diesem; und Verarbeiten von Ausgangssignalen aus der Generatoreinrichtung zur Bestimmung der Rotationsrate der Meßschleife.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt der Mo dulierung der gegenläufigen Wellen die Schritte umfaßt, daß ein Phasenmodulator mit der faseroptischen Meß spule verbunden wird und daß das Referenzsignal an den Phasenmodulator angelegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner gekenn zeichnet durch die folgenden Verfahrens schritte: Verbinden eines ersten Eingangs einer Summierschaltung mit einem Referenzsignalgenerator zum Empfang des Referenzsignals von diesem; Ver bindung eines zweiten Eingangs der Summierschaltung mit der Generatoreinrichtung; und Verbinden eines Ausgangs der Summierschaltung mit dem Phasenmodulator, so daß der Phasenmodulator durch ein Signal getrieben wird, das aus der Summe des Referenzsignals und des Ausgangs der Generatoreinrichtung besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt der Einstellung des Rückkopplungssignals zur Verhinderung von Instabilität in diesem den Verfahrensschritt um faßt, daß ein periodisches Signal mit einem Mittelwert von Null an den Eingang der Generatoreinrichtung an gelegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt der Einstellung des Rückkopplungssignals zur Verhinderung von Instabilität in diesem den Verfahrensschritt um faßt, daß ein pseudozufälliges Signal mit einem Mit telwert von Null an den Eingang der Generatoreinrich tung angelegt wird.