DE3942819A1 - Faserspule fuer einen faserkreisel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Faserspule für einen Faserkreisel mit einem 3×3-Koppler gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Durch die US-PS 44 79 715 ist ein solcher Faserkreisel bekanntgeworden, welcher die Drehrate aus den Signalen der Photodioden ableitet und bei seinem Signalauswerteverfahren sich die Lichtintensität der Lichtquelle herauskürzt und deren Fluktuation daher keinen Einfluß mehr auf das Meß­ ergebnis hat.

Die Anmelderin hat in ihrer nicht vorveröffentlichten Anmeldung P 39 12 005.8 ein Signalauswerteverfahren für einen solchen Faserkreisel beschrieben, das einen Kontrast des Interferenzsignals voraussetzt, der nicht Null ist oder sehr kleine Werte um Null annimmt. Ein Maß für die­ sen Kontrast ist das Produkt aus k×B das aus den angegebenen Glei­ chungen (3) und (4) abgeleitet wird. Wird aber dieses Produkt k×B gleich Null, dann kann die Drehrate aus diesen Gleichungen nicht mehr ermittelt werden. Ist k×B=0, dann nimmt der Bruch vor dem Faktor cot c die unbestimmte Form O/O an. Nimmt das Produkt nur Werte um Null an, so erzeugen kleine Fehler in der Bestimmung der Fotoströme P₁, P₂ und P₃ relativ große Fehler im berechneten Drehsignal Ω. Des­ halb muß das Produkt immer größer als ein gewisser Mindestwert sein. Es ist also erforderlich, daß bei der Fertigung des Kreisels ein bestimmter k-Wert, der ein Maß des Kontrastes des Interferenzsignals des 3×3-Kopp­ lers darstellt, eingehalten wird und umgebungsbedingte Abweichungen von diesem eingestellten Kontrastwert zumindest eingeschränkt werden müssen. Dies wiederum erfordert einen zusätzlichen Aufwand entweder durch Ver­ wendung von Spezialfasern oder spezielle Einschränkungen der geometri­ schen Spulenauslegung.

Weiterhin ist es aus der DE-OS 30 49 033.6 bekannt, Störungen einer Fa­ serspule durch einen Depolarisator in der Spule zu verringern, jedoch ein Depolarisator in der Spule allein und ohne zusätzliche Maßnahmen stabilisiert den Skalenfaktor nicht in dem Maße, daß eine fehlerlose Drehratenmessung möglich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Faserspule der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen verschwindenden Kon­ trast verhindert und es erlaubt, eine möglichst wirtschaftliche Faser­ konzeption zu verwenden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 oder 2 aufgezeigten Maßnahmen aufgezeigt. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele erläutert, wobei diese Erläuterungen durch die Figuren der Zeichnung ergänzt wer­ den. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild einer Faserspule mit depolarisierendem Bauteil 11 aus zwei doppelbrechenden Glasfasern 11a, 11b;

Fig. 1a ein Schemabild eines depolarisierenden Bauteils 11 am Spulenan­ fang einer nicht doppelbrechenden Glasfaserspule 10;

Fig. 1b ein Schemabild der Orientierung der Hauptachsen 111a und 111b der Faserstücke 11a und 11b am Spleißpunkt S;

Fig. 2 eine Poincare-Kugel 100 mit den Orten der Spulen-Eigenzustände in Form von Punkten K_p auf dem Äquator bei Fasern mit hoher Doppelbrechung;

Fig. 3 eine Poincare-Kugel 100 mit den Orten der Spulen-Eigenzustände in Form Großkreisen K_g durch die Pole bei Fasern mit hoher Doppelbrechung;

Fig. 4 eine Poincare-Kugel 100 mit den Orten des Spulen-Eigenzustandes K_n bei Fasern die nicht doppelbrechend sind;

Fig. 5 eine Poincare-Kugel 100 mit dem Verlauf des Eigenzustandes des vorgeschlagenen Bauteils 11;

Fig. 6 ein Schemabild des Signalauswerteverfahrens nach dem Stand der Technik gemäß Anmeldung P 39 12 005.8.

Der Skalenfaktor eines Faserkreisels hängt von den Polarisationseigenzu­ ständen der Glasfaserspule 10 bzw. der Kombination von 10 und 11 ab. Diese haben folgende physikalische Bedeutung: Wenn der Polarisationszustand des Lichts

das man in die Faser einstrahlt, mit einem Eigenpolarisationszustand Φ_i der Spule übereinstimmt, so hat das am Ende austretende Licht den gleichen Polarisationszustand

Die Phase hat sich jedoch für beide Feldkomponenten E_x und E_y um den Faktor e^{j ϕ}i geändert. Das Koordinatensystem des Spulenausgangs hat hierbei in bezug auf die Ausbreitungsrichtung z die gleiche Orientierung wie am Eingang. Dies ist in der Fig. 1 schematisch dargestellt.

Jede Monomodefaser hat für jede Wellenlänge genau zwei zueinander ortho­ gonale Polarisationseigenzustände. Der Index "i" von Φ_i ist demgemäß 1 oder 2. Diese Eigenzustände bzw. deren Verläufe über der Wellenlänge kann man in bekannter Weise (siehe hierzu R. Ulrich und A. Simon, Applied Optics, Vol. 18, S. 2231 bis 2251, 1979) anschaulich auf der Poincare- Kugel mit Hilfe der Stokesparameter S₁, S₂ und S₃ darstellen.

Jedem Punkt auf der Oberfläche der Poincare-Kugel entspricht genau ein Polarisationszustand. Alle linearen Zustände befinden sich z. B. auf dem Äquator der Kugel, die beiden zirkularen bilden die Pole der Kugel. Or­ thogonale Zustände befinden sich an diametral gegenüberliegenden Punkten der Kugeloberfläche.

Mit dem Quadrat des Stockesparameters S₂ von Φ₁ oder Φ₂ ent­ hält man für eine Wellenlänge ϕ den Kontrast

k(λ) = 1-S²₂ (1-cos (ϕ₁-ϕ₂)),

wobei im allgemeinen S₂ und ϕ₁-ϕ₂ wellenlängenabhängig sind. Der Kontrast k(λ) liegt immer zwischen -1 und +1, da |S₂| 1 und |cos (ϕ₁-ϕ₂)| 1 ist. In der Rechnung ist bereits berücksich­ tigt, daß der Kreisel mit unpolarisierter Strahlung betrieben wird. Er­ folgt die Betreibung des Kreisels mit einer breitbandigen Lichtquelle, so ergibt sich der Gesamtkontrast k durch Summation bzw. Integration von k(λ) über die gesamte Bandbreite der Lichtquelle:

k = ∫ I₀(λ) k(λ) dλ/∫ I₀(λ) dλ

I₀(λ) ist die Intensität der Lichtquelle bei der Wellenlänge λ. Der Gesamtkontrast k wird vom Verlauf der Orte der Eigenpolarisationszu­ stände auf der Poincare-Kugel in Abhängigkeit von der Wellenlänge be­ stimmt.

Bei Fasern mit hoher Doppelbrechung sind die Orte der Eigenzustände der Spulen entweder Großkreise K_g durch die Pole (Fig. 3) oder Punkte K (Fig. 2) auf dem Äquator der Poincare-Kugel, deren Form durch Koppelzen­ tren, die in diesem Fasertyp normalerweise sehr klein sind, etwas ver­ schmiert sein können, wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist. Die Orte der Eigenzustände sind bei dieser Faser sehr stabil in bezug auf Umge­ bungsänderungen. Je nach Lage der Orte, liegt k zwischen 0 und 1 und ei­ ne gezielte Ausrichtung der Spule - so daß sich ein hoher k-Wert ergibt - ist unumgänglich.

Bei Faserspulen gebräuchlicher Dimensionierung aus normalen, nicht dop­ pelbrechenden Fasern überdeckt der Ort eines Eigenzustandes auch bei Verwendung einer relativ breitbandigen Lichtquelle nur einen sehr klei­ nen Bereich auf der Poincare-Kugel. Ein Beispiel ist in der Fig. 4 skiz­ ziert. Die Daten für dieses Beispiel sind: Bandbreite der Lichtquelle = 35 mm, die Spulenlänge beträgt 100 m und der Spulenradius ist 4 cm. Der zugehörige k-Parameter liegt je nach Lage des Ortes der Eigenzustände zwischen -1 und +1. Auch bei diesem Fasertyp kann durch Ausrichtung der Spule der Kontrast k auf einen großen Wert eingestellt werden. Da dieser Fasertyp jedoch sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse reagiert, muß diese Spule 10 durch besondere konstruktive Maßnahmen gegen diese Einflüsse abgeschirmt werden.

Hier wird nun zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagen, ein Fa­ serbauteil 11 zu konzipieren, das den Verlauf der Ortskurven der Eigen­ polarisationszustände der Spule 10 auf der Poincare-Kugel so gestaltet, daß sich unabhängig von der Ausrichtung der Spule ein Kontrast k ein­ stellt, der umweltbedingt nur leicht um 0.5 schwankt, beispielsweise zwischen 0.4 und 0.6.

Ein einfaches, diesen Zweck erfüllendes Bauteil 11 besteht aus zwei Stücken doppelbrechender Faser, die am Spleißpunkt S so zusammenge­ spleißt sind, daß die Hauptachsen dieser Fasern einen Winkel von 45° miteinander einschließen (Fig. 1a und 1b). Der Verlauf eines Eigenzu­ standes K_e einer Spule, die aus diesem Bauteil besteht, ist in Fig. 5 dargestellt.

Der Skalenfaktor einer solchen Spule berechnet sich für q_i «1 zu:

Die Funktionen f_i hängen von der Lage der Faserspule 10 ab, sind aber immer betragsmäßig kleiner als 1. Die Funktionen q_i hängen wie folgt von den Faser- und den Lichtquelleneigenschaften ab.

q₁ = 1/2π · L_B/L₁ · λ₀/Δλ
q₂ = 1/2π · L_B/L₂ · λ₀/Δλ
q₃ = 1/2π · L_B/(L₁-L₂) · λ₀/Δλ
q₄ = 1/2π · L_B/(L₁ + L₂) · λ₀/Δλ

Hierbei sind: L₁ und L₂ die Faserlängen, L_B die Beatlänge, λ₀ die Mittenwellenlänge und Δ λ die Bandbreite der Lichtquelle.

Durch eine geeignete Wahl der Beatlänge und der Faserlängen kann man er­ reichen, daß alle q_i «1.0 sind, und damit liegt der Skalenfaktor un­ abhängig von der Justierung dieser Spule 10 bei 0.5. Spleißt man dieses Bauteil 11, das im Vergleich mit einer gebräuchlichen Faserspule 10 kurz sein kann, an den Anfang 10a oder an das Ende 10b einer Spule 10 aus nicht doppelbrechender Faser, so ist die ursprüngliche Ortskurve durch die zusätzliche Faser auf der Poincare-Kugel verschoben und verformt, der Kontrast k weicht jedoch weiterhin nur in geringem Maße von 0.5 ab.

Das gilt auch dann, wenn sich die Umweltbedingungen der Spule 10 ändern. Auf die bisher erforderlichen aufwendigen und über das normale Maß hin­ ausgehenden Schutzmaßnahmen gegen diese Umwelteinflüsse kann nunmehr deshalb verzichtet werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Bauteils 11 haben ein Längenverhält­ nis L₁ : L₂ oder L₂ : L₁ in der Größenordnung zwischen 1 : 2 und 1 : 10. Auf entsprechende Weise wirken auch ähnliche Bauteile, die mehr als zwei Stück doppelbrechende Fasern und verdrehte Hauptachsen enthal­ ten. Wird der Winkel von 45° nur näherungsweise erreicht, so vergrößert sich der Schwankungsbereich der Kontrastes k. Weiterhin ist jedoch ein minimaler Kontrast k < 0 sichergestellt.

Das vorgeschriebene Bauteil 11 hat die Eigenschaft, daß es Licht der Bandbreite der im Faserkreisel verwendeten Quelle unabhängig von deren Polarisationszustand depolarisiert. Deshalb wird das Bauteil auch als Depolarisator bezeichnet. Nun ist die Sachlage aber so, daß die von der Anmelderin in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung P 39 12 005.8 be­ schriebene Signalauswertung auch bei einer Faserspule, die in vorbe­ schriebener Weise einen Depolarisator enthält, den Betrieb des Faser­ kreisels mit unpolarisiertem Licht voraussetzt. Die Wirkung des be­ schriebenen Bauteils beruht gerade bei der verwendeten unpolarisierten Strahlung auf der Gestaltung der Orte der Eigenzustände der Spule 10 auf der Poincare-Kugel 100.

Nun ist anzuführen, daß ein Depolarisator in der Spule 10 allein, ohne zusätzliche Maßnahmen, den Skalenfaktor jedoch nicht so stark stabili­ siert, daß eine fehlerlose Drehratenmessung möglich ist. Erst die gegen­ über dem bisherigen Stand der Technik aufgezeigte Kombination von Depo­ larisator "und" der bereits erwähnten Signalauswertung ermöglicht eine genaue Drehratenmessung. Die hier vorgeschlagenen Maßnahmen zusammen mit dem in der Anmeldung P 39 12 005.8 vorgeschlagenen Signalauswerteverfah­ ren verhindern Auswirkungen der Kontrastschwankungen auf das Drehraten­ signal des Kreisels.

Claims (2)

1. Faserspule für einen Faserkreisel mit einem 3×3-Koppler, wobei die Lichtquelle Licht in den Anschluß 2 des Kopplers einspeist, die Fa­ serspule selbst an den Anschlüssen 4 und 6 und die Fotodioden an die restlichen Anschlüsse 1, 3, und 5 angeschlossen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Faserspule (10) ein depolarisierendes Bauteil (11) enthält, das aus mindestens zwei Stücken (11a, 11b...) von aneinanderge­ spleißten doppelbrechenden Glasfasern besteht, deren Hauptachsen einen Winkel von nahezu 45° einschließen, wobei der Verlauf der Ortskurven der Eigenpolarisationszustände der mit dem Bauteil (11) kombinierten Faser­ spule (10) auf einer Poincare-Kugel (100) so dargestellt werden, daß sich unabhängig von der Ausrichtung der Faserspule (10) ein Kontrast (k) einstellt, der um 0,5 schwankt.

2. Faserspule für einen Faserkreisel mit einem 3×3-Koppler, wobei die Lichtquelle Licht in den Anschluß 2 des Kopplers einspeist, die Fa­ serspule selbst an den Anschlüssen 4 und 6 und die Fotodioden an die restlichen Anschlüsse 1, 3, und 5 angeschlossen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Faserspule (10) aus nicht doppelbrechender Glasfaser besteht und mit einem depolarisierendem Bauteil (11) - vorzugsweise am Spulenanfang (10a) oder am Spulenende (10b) - verspleißt ist, das aus zwei oder mehr doppelbrechenden Glasfaserstücken (11a, 11b) gebildet wird, deren Hauptachsen nahezu einen Winkel von 45° einschließen und die Längen aufweisen, die die Depolarisation sicherstellen.