DE3837380A1

DE3837380A1 - Ring laser gyroscope angular rate sensor

Info

Publication number: DE3837380A1
Application number: DE3837380A
Authority: DE
Inventors: Thomas J Hutchings; Edward Kanegsberg; Sheridan W Hammons; Daryl C Stjern
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1988-11-03
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2008-11-04
Also published as: GB2301932A; GB2301932B; DE3837380C2; GB8825189D0

Abstract

Phase errors that occur when a dithered ring laser gyroscope enters its deadband are measured, and a correction is applied to the output of the ring laser gyroscope to compensate for these phase errors. The counterpropagating beams in a ring laser gyroscope are heterodyned to produce a pair of quadrature heterodyne signals A,B that indicate the angular output of the laser ring laser gyroscope. The phase angle error between one of the heterodyne signals and either the sum I 1 + I 2 or difference I 1 - I 2 of the separate beam intensities is determined. The phase angle error signal is used to produce a control signal for adjusting the output of the ring laser gyroscope to correct for errors introduced at or near turnarounds in the dither cycle.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Rotationsfühler und ins besondere Sagnac-Ringrotationsfühler. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Ringlasergyroskop-Winkelratenfühler Noch spezieller betrifft die Erfindung Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrigierung des Phasenwinkelfehlers, der bei einem Ringlasergyroskop auftritt, das zur Vermeidung der Verkopplung mit einer Zitterbewegung beaufschlagt wird.The invention relates generally to rotary sensors and ins special Sagnac ring rotation sensors. In particular concerns the invention a ring laser gyroscope angle rate sensor More particularly, the invention relates to methods and one Device for correcting the phase angle error, the occurs with a ring laser gyroscope to avoid this the coupling is subjected to a trembling movement.

Ein Ringlasergyroskop nutzt den Sagnac-Effekt zur Fest stellung einer Rotation. Gegenläufige Lichtstrahlen in einer geschlossenen Schleife besitzen Laufzeiten, die sich direkt proportional zur Rotationsrate der Schleife um eine Achse senkrecht zur Ebene der Schleife unterscheiden. Das Ringlasergyroskop verwendet die Resonanzeigenschaften eines geschlossenen Hohlraums, um die Sagnac-Phasendifferenz zwi schen den gegenläufigen Strahlen in eine Frequenzdifferenz umzusetzen. In einem aktiven Ringlasergyroskop wird der durch den geschlossenen optischen Pfad definierte Hohlraum ein Oszillator und Ausgangsstrahlen aus den beiden Rich tungen interferieren, so daß sich eine Schwebungsfrequenz ergibt, die ein Maß der Rotationsrate ist. Die hohen opti schen Frequenzen von etwa 10¹⁵ Hz für Licht, das in einem Ringlasergyroskop verwendet wird, bewirkt, daß kleinste Phasenveränderungen zu Schwebungsfrequenzen werden, die ohne weiteres gemessen werden können.A ring laser gyroscope uses the Sagnac effect for the fest position of a rotation. Opposing rays of light in a closed loop have terms that vary directly proportional to the rotation rate of the loop by one Distinguish the axis perpendicular to the plane of the loop. The Ring laser gyroscope uses the resonance properties of a closed cavity to the Sagnac phase difference between the opposite rays into a frequency difference to implement. In an active ring laser gyroscope, the cavity defined by the closed optical path an oscillator and output beams from the two rich tions interfere so that there is a beat frequency which is a measure of the rate of rotation. The high opti frequencies of about 10¹⁵ Hz for light that in one Ring laser gyroscope used causes smallest Phase changes to beat frequencies are the can be measured easily.

Wenn die Rotationsrate eines Ringlasergyroskops innerhalb eines bestimmten Bereichs erfolgt, verschwindet die Frequenz differenz zwischen den Strahlen. Diese Erscheinung wird Frequenzverkopplung bzw. Frequenzverriegelung oder Moden verkopplung bzw. Modenverriegelung genannt und stellt eine Hauptschwierigkeit bei dem Ringlasergyroskop dar, da sie bei geringen Rotationsraten eine falsche Anzeige hervor ruft, nämlich daß die Vorrichtung nicht rotiert. Der Be reich der Rotationsraten, in dem eine Verkopplung auftritt, ist das tote Band des Ringlasergyroskops.If the rotation rate of a ring laser gyroscope within a frequency, the frequency disappears difference between the rays. This phenomenon will Frequency coupling or frequency locking or modes coupling or mode locking called and provides a The main difficulty with the ring laser gyroscope is that it incorrect display at low rotation rates calls, namely that the device does not rotate. The Be range of rotation rates at which coupling occurs is the dead band of the ring laser gyroscope.

Man nimmt an, daß die Verkopplung sich durch Verkopplung von Licht zwischen den Strahlen einstellt. Die Verkopplung ergibt sich primär aus der Rückstreuung von den Spiegeln, welche die Strahlen in dem geschlossenen Pfad einschließen. Die Rückstreuung bewirkt, daß jeder Strahl in jeder Rich tung eine kleine Komponente aufweist, welche die Frequenz des Strahls besitzt, der sich in der anderen Richtung fort pflanzt. Der Verkopplungseffekt in einem Ringlasergyroskop ist vergleichbar der Kopplung, die seit langem bei her kömmlichen elektronischen Oszillatoren beobachtet wurde und verstanden wird.It is believed that the coupling is through coupling of light between the rays. The coupling results primarily from the backscatter from the mirrors, which enclose the rays in the closed path. The backscatter causes every beam in every direction device has a small component, which is the frequency of the ray that continues in the other direction plants. The coupling effect in a ring laser gyroscope is comparable to the coupling that has been around for a long time conventional electronic oscillators was observed and is understood.

Jede Unmöglichkeit, niedrige Rotationsraten zu messen, vermindert die Einsatzmöglichkeit eines Ringlasergyroskops in einem Navigationssystem. Es wurde bereits ein erheb liches Maß an Forschung und Entwicklungsarbeit aufgewandt, um die Auswirkungen der Verriegelung bzw. Verkoppelung zu vermindern oder zu beseitigen, und um die leistungs fähige Anwendung von Ringlasergyroskopen in derartigen Systemen zu fördern. Any impossibility of measuring low rotation rates reduces the possibility of using a ring laser gyroscope in a navigation system. It has already been raised level of research and development work, about the effects of locking or coupling reduce or eliminate, and to reduce the performance capable application of ring laser gyroscopes in such Systems.

Es gibt verschiedene bekannte Ansätze zur Lösung der Prob leme der Verkopplung. Verschiedene Vorspannungstechniken wurden verwendet, um das tote Band zu vermeiden, so daß die Verkopplung kein Problem mehr beim Betrieb des Ring lasergyroskops wäre. Vorspannungstechniken können in mechanische und optische Verfahren und in feststehende und mit Zitterbewegung versehene Vorspannungstechniken unterteilt werden.There are several known approaches to solving the prob leme of coupling. Different prestressing techniques were used to avoid the dead tape so that the coupling is no longer a problem when operating the ring would be laser gyroscope. Preload techniques can be used in mechanical and optical processes and in fixed and trembling bias techniques be divided.

Bei einem Ansatz wird das Ringlasergyroskop um seine Sen sorachse mechanisch in Schwingungen versetzt, so daß die Vorrichtung das tote Band fortwährend überstreicht. Diese mechanische Schwingung des Ringlasergyroskops wird norma lerweise "Zittern" genannt. Ein typisches Ringlasergyros kop läßt man mit etwa 400 Hz zittern, und zwar mit einer Winkelauslenkung von ein paar Bogenminuten.In one approach, the ring laser gyroscope is around its sen mechanically vibrated so that the Device continuously scans the dead band. This mechanical vibration of the ring laser gyroscope becomes norma called "trembling". A typical ring laser gyros Kop is made to tremble at about 400 Hz, with one Angular deflection of a few minutes of arc.

Die Amplitude der Zitterbewegung muß sorgfältig gesteuert und überwacht werden, um die Auswirkungen der Verkopplung auf ein Minimum zu bringen. Da die Winkelgeschwindigkeit und die Auslenkung der Zitterschwingung relativ zu einer Tragstruktur fortwährend überwacht werden können, können sie aus dem Ausgangssignal des Ringlasergyroskops heraus genommen werden. Es wurde jedoch gefunden, daß eine kon stante Zitteramplitude zur Beseitigung aller Auswirkungen der Verkopplung nicht ausreicht.The amplitude of the tremor movement must be carefully controlled and be monitored to see the effects of coupling to bring it to a minimum. Because the angular velocity and the deflection of the tremor relative to one Support structure can be monitored continuously it from the output signal of the ring laser gyroscope be taken. However, it was found that a con constant tremor amplitude to eliminate all effects the coupling is not sufficient.

Ein Ansatz zur Verminderung des Verkopplungsfehlers be steht darin, ein zufälliges Signal auf die Amplitude des Zittertreiberverstärkers aufzuprägen. Eine zufällige Vor spanntechnik wird in US-PS 3 467 472 beschrieben. Es wurden jedoch ziemlich schwerwiegende Nachteile bei diesem Zu fallsvorspannungsverfahren gefunden. Der Phasenfehler wird nicht beseitigt und bleibt eine ziemlich große Fehlerquelle, obgleich er durch das in diesem Patent beschriebene Ver fahren auf eine Zufallsbasis gestellt wird.An approach to reducing the coupling error be is a random signal on the amplitude of the Imprint dither driver amplifier. A random pre Clamping technology is described in U.S. Patent 3,467,472. There were however, quite serious disadvantages with this to case preload procedure found. The phase error will not eliminated and remains a pretty big source of error, although by the ver described in this patent driving on a random basis.

Das Spiegelzittern ist ein weiteres Verfahren, das bei Be mühungen untersucht wurde, die Auswirkungen der Verkopplung zu vermindern. Einer oder mehrere der Spiegel, welche den optischen Pfad definieren, kann mit einer sehr kleinen Amplitude in Schwingungen versetzt werden. Der Doppler effekt bewirkt einen Unterschied zwischen der Frequenz des rückgestreuten Lichtes und des vorwärts reflektierten Lichts. Ein Transversalzittern aller vier Spiegel eines rechteckigen Ringlasergyroskops verschiebt nur die Frequenz des rückgestreuten Strahls. Das Transversalspiegelzittern ist jedoch schwierig zu verwirklichen, da ein großer Energie betrag erforderlich ist, um Spiegel zu bewegen, die auf dem Körper des Ringlasergyroskops montiert sind. Ein Longi tudinalspiegelzittern ist leichter zu verwirklichen, doch es verschiebt die Frequenzen sowohl des nach vorne als rückwärts gestreuten Lichtes. Die Analyse von Signalen in einem Longitudinalspiegelzitter-Ringlasergyroskop ist daher kompliziert.Mirror trembling is another method used by Be effort has been explored the effects of coupling to diminish. One or more of the mirrors, which the can define optical path with a very small Amplitude are vibrated. The Doppler effect makes a difference between the frequencies of the backscattered light and the forward reflected Light. A transverse tremor of all four mirrors one rectangular ring laser gyroscope only shifts the frequency of the backscattered beam. The transversal mirror tremor however, is difficult to achieve because of a great deal of energy amount is required to move mirrors that are on the body of the ring laser gyroscope. A longi tudinal mirror tremors are easier to achieve, but it shifts the frequencies of both the forward and light scattered backwards. The analysis of signals in a longitudinal mirror dither ring laser gyroscope therefore complicated.

US-PS 3 373 650 (Killpatrick) beschreibt ein Zittersystem, bei dem eine veränderliche Vorspannung der Frequenz bei wenigstens einem der gegenläufigen Strahlen angewendet wird. Killpatrick beschreibt eine Faraday-Zelle und zwei Viertel wellenplatten in dem Pfad der gegenläufigen Lichtstrahlen. US Pat. No. 3,373,650 (Killpatrick) describes a trembling system, with a variable bias of the frequency at least one of the opposite rays is applied. Killpatrick describes a Faraday cell and two quarters wave plates in the path of opposite light rays.

Die Faraday-Zelle umfaßt eine Spule, die durch einen os zillierenden Strom erregt wird, um ein oszillierendes Mag netfeld zu erzeugen, das mit den gegenläufigen Strahlen zusammenwirkt. Die variierende Vorspannung bewirkt eine variable Frequenzdifferenz zwischen den gegenläufigen Strahlen. Diese Frequenzdifferenz ist gewöhnlich größer als die Frequenzdifferenz, die bei der Verkopplungsschwelle auftritt. Die Polarität der Frequenzdifferenz wird periodisch gewechselt, so daß das Zeitintegral der Frequenzdifferenz über das Zeitintervall zwischen Vorzeichenumkehrungen im wesentlichen gleich Null ist.The Faraday cell comprises a coil that is connected by an os oscillating current is excited to an oscillating mag to generate the net field with the opposite rays cooperates. The varying preload causes one variable frequency difference between the opposing ones Rays. This frequency difference is usually larger than the frequency difference at the coupling threshold occurs. The polarity of the frequency difference becomes periodic changed so that the time integral of the frequency difference over the time interval between sign reversals in is essentially zero.

Wenn das Vorzeichen der Frequenzdifferenz umgekehrt wird, neigen die beiden Strahlen zur Verkopplung, da an einem bestimmten Punkt die Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen gleich Null ist. Da der Ausgangswinkel des Ringlasergyroskops gewöhnlich von der Frequenzdifferenz abgeleitet wird, die sich verkoppelt, um eine Rotationsrate von Null anzuzeigen, sogar wenn die tatsächliche Rotationsrate nicht gleich Null ist, akkumuliert sich ein Fehler im Ausgangswinkel. Die Zeitspannen, in denen die beiden Strahlen verkoppelt sind, sind gewöhnlich sehr kurz, so daß der sich ergebende Aus gangswinkelfehler für einen einzelnen Vorzeichenwechsel sehr klein ist. Nichts desto weniger ist der Fehler, der sich aus der Verkopplung während des Vorzeichenwechsels der Frequenzdifferenz ergibt, kumulativ und kann mit der Zeit beträchtlich werden, insbesondere bei Präzisionsna vigationssystemen. Dieser Fehler ist gewöhnlich der Haupt anteil der zufälligen Wanderung oder zufälligen Drift. If the sign of the frequency difference is reversed, the two beams tend to couple, because they are on one certain point the frequency difference between the beams is zero. Because the starting angle of the ring laser gyroscope is usually derived from the frequency difference that couples to indicate zero rotation rate, even if the actual rotation rate is not zero is, an error in the starting angle accumulates. The Periods in which the two beams are coupled, are usually very short, so the resulting out Path angle error for a single change of sign is very small. Nevertheless, the mistake is that arising from the coupling during the change of sign the frequency difference results, cumulative and can with the Time can be considerable, especially with precision precision navigation systems. This mistake is usually the main one proportion of random hike or random drift.

US-PS 4 529 311 (Morgan et al) betrifft ein Ringlaser gyroskopsystem, bei dem die Phasenbeziehung zwischen einem Paar von Strahlen berücksichtigt wird. Diese Phase kann in einer Rückkopplungsschleife zur Fehlerkontrolle verwendet werden oder dazu, einen Satz von Fehlerparametern zur Feh lerkorrektur zu erzeugen. Morgan et al betrachten die Pha senversetzung und den Kopplungswirkungsgrad der beiden Strahlen als unabhängig von der Zeit und der Temperatur. Die Phasenversetzung und der Strahlkopplungswirkungsgrad sind jedoch zeit- und temperaturabhängig, wodurch die Ge nauigkeit der Fehlerkorrektur gemäß Morgan et al begrenzt ist.U.S. Patent 4,529,311 (Morgan et al) relates to a ring laser gyroscope system in which the phase relationship between a Pair of rays is considered. This phase can be in a feedback loop used for error control or to set a set of error parameters for the error generate correction. Morgan et al consider the Pha displacement and the coupling efficiency of the two Rays as independent of time and temperature. The phase shift and beam coupling efficiency are time and temperature dependent, which means that the Ge limited accuracy of error correction according to Morgan et al is.

US-PS 4 248 534 (Elbert) betrifft die Beseitigung von Fehlern, die beim Zittern von Ringlasergyroskopen ein treten. Elbert beschreibt die Verwendung eines Regressions algorithmus zur Minimierung der Verkopplung. Für eine kurze Zeit an beiden Seiten der Nullgeschwindigkeit wird eine Spur der Rotationsrate in einem Computerspeicher gespei chert. Wenn sich eine Verkopplung ergibt, ist diese Spur eine Parabel. Abweichungen von der Parabel zeigen die Ver kopplungsrate an.U.S. Patent 4,248,534 (Elbert) relates to the disposal of Errors caused by tremors from ring laser gyroscopes to step. Elbert describes the use of a regression algorithm to minimize coupling. For a short Time on both sides of zero speed becomes one Trace of the rate of rotation stored in a computer memory chert. If there is a coupling, this is the track a parabola. Deviations from the parabola show the ver coupling rate.

US-PS 4 473 297 (Simpson et al) betrifft die Verwendung von Phasendifferenzen zwischen alternierenden Komponenten in den gegenläufigen Strahlen zur Minimierung der Ver kopplung in einem Ringlasergyroskop. Signale, welche die Phasendifferenzen in den getrennten Strahlen anzeigen werden einer Spiegeltreiberschaltung eingegeben, welche zwei Hohlraumlängensteuerspiegel zur Steuerung der Phasen differenz anzeigt. Simpson et al beschreiben, daß die be vorzugte Phasendifferenz zwischen den Strahlen für eine minimale Verkopplung 180° beträgt.U.S. Patent 4,473,297 (Simpson et al) relates to use of phase differences between alternating components in the opposite rays to minimize Ver coupling in a ring laser gyroscope. Signals which the Show phase differences in the separated beams are input to a mirror driver circuit which two cavity length control mirrors to control the phases shows difference. Simpson et al describe that the be preferred phase difference between the beams for a minimum coupling is 180 °.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Messung des Phasenwinkels geschaffen, welcher bei jedem Zitternulldurchgang in einem mit Zitterbewegung versehenen Ringlasergyroskop auftritt, sowie zur Kompen sierung des Phasenfehlers in dem Signalausgang aus dem Ringlasergyroskop.The invention provides a method and a device created for measuring the phase angle, which with every tremor zero crossing in one with trembling motion provided ring laser gyroscope occurs, as well as for Compen sation of the phase error in the signal output from the Ring laser gyroscope.

Ein Ringlasergyroskop gemäß der Erfindung besitzt einen Rahmen mit einem Hohlraum darin zur Führung eines ersten Lichtstrahls mit einer Intensität I₁ im Uhrzeigersinn um den Hohlraum herum, und einen zweiten Lichtstrahl mit einer Intensität I₂ entgegen dem Uhrzeigersinn um den Hohlraum herum. Das Ringlasergyroskop umfaßt Einrichtungen zum Zittern des Rahmens in einem Zitterzyklus mit einer Vibrationsfrequenz ω und einer Vibrationsamplitude d. Die Erfindung umfaßt Einrichtungen zum überlagern (hetero dyning) der Strahlen, um ein Paar von Quadratur-Heterodyn signalen zu erzeugen, welche eine Funktion des Sinus und des Kosinus des Winkelausgangs des Ringlasergyroskops sind. Phasenmeßeinrichtungen bestimmen ein Signal, das den Pha senwinkel zwischen einem der Heterodynsignale und einem Signal angeben, das aus einem I₁ + I₂ bezeichnenden Sum mensignal und einem I₁ - I₂ bezeichnenden Intensitäts differenzsignal gewählt wird. Die Erfindung umfaßt Ein richtungen zur Kombinierung der selektierten Heterodyn signale und des Phasenwinkelsignals, um ein Phasenfehler signal zu bestimmen; sowie Einrichtungen zur Verarbeitung des Phasenfehlersignals zur Erzeugung eines Kontrollsignals zur Einstellung des Ausgangs des Ringlasergyroskops, um Fehler zu korrigieren, die bei Umläufen des Zitterzyklus eingeführt werden. Die Phasenmeßeinrichtung kann Demodula toreinrichtungen umfassen, um entweder das Intensitätssum men- oder das Intensitäts-Differenz-Signal zu verarbeiten, um Signale zu erzeugen, welche den Betrag und die Phase der Signalintensitätssumme oder der Intensitätsdifferenz relativ zu einem ausgewählten der Heterodynsignale anzeigen.A ring laser gyroscope according to the invention has one Frame with a cavity in it for guiding a first one Light beam with an intensity I₁ clockwise around the cavity, and using a second beam of light an intensity I₂ counterclockwise around the Cavity around. The ring laser gyroscope includes facilities for trembling the frame in a tremor cycle with one Vibration frequency ω and a vibration amplitude d. The invention includes devices for superimposing (hetero dyning) the rays to a pair of quadrature heterodyne generate signals which are a function of the sine and of the cosine of the angular output of the ring laser gyroscope. Phase measuring devices determine a signal that the Pha angle between one of the heterodyne signals and one Specify the signal from a sum indicative of I₁ + I₂ mensignal and an I₁ - I₂ designating intensity difference signal is selected. The invention includes a directions for combining the selected heterodyne signals and the phase angle signal to a phase error signal to determine; as well as processing facilities the phase error signal to generate a control signal to adjust the output of the ring laser gyroscope to Correct errors that occur during cycles of the dither cycle be introduced. The phase measuring device can Demodula include gate devices to either the intensity sum to process the signal or the intensity difference signal, to generate signals representing the amount and phase the signal intensity sum or the intensity difference display relative to a selected one of the heterodyne signals.

Das erfindungsgemäße Ringlasergyroskop kann überdies Ein richtungen zur Detektierung der Umläufe in dem Zitter zyklus umfassen, sowie Einrichtungen zur Einstellung des Ausgangs des Ringlasergyroskops nur während Umläufen bzw. Umkehrungen in dem Zitterzyklus. Die Erfindung kann ferner Einrichtungen umfassen, um die Zeitdauer jedes Umlaufs bzw. jeder Umkehrung in dem Zitterzyklus zu messen. Die Einrichtungen zur Bestimmung der für jede Umkehrung er forderlichen Zeit können Einrichtungen zur Messung von Nulldurchgängen in dem Ausgang der Überlagerungseinrichtung umfassen.The ring laser gyroscope according to the invention can also be a directions for detecting the circulation in the jitter cycle include, as well as facilities for setting the Output of the ring laser gyroscope only during rotations or Reversals in the dither cycle. The invention can also Means include the duration of each round or to measure each inversion in the dither cycle. The Means for determining the for each inversion Time required can be used for measuring devices Zero crossings in the output of the superposition device include.

Die Einrichtungen zur Verarbeitung des Phasenfehlersignals zur Erzeugung eines Steuersignals können Einrichtungen zur Bestimmung des Produkts des Sinus des Phasenfehler winkels und des Betrags des Verkopplungskoeffizienten um fassen. Die Verarbeitungsschaltung kann auch Einrichtungen aufweisen, um die Zeit zu messen, die für jede Umkehr in dem Zitterzyklus erforderlich ist, sowie Einrichtungen zur Integration des Produkts des Sinus des Phasenfehlerwinkels und des Betrags eines Verkopplungskoeffizienten in der Umkehrungs- bzw. Umlaufzeit.The devices for processing the phase error signal Devices can be used to generate a control signal to determine the product of the sine of the phase error angle and the amount of the coupling coefficient grasp. The processing circuit can also be facilities to measure the time taken for each reversal in the tremor cycle is required, as well as facilities for Integration of the product of the sine of the phase error angle and the amount of a coupling coefficient in the Reversal or round trip time.

Ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Korrektur von Fehlern, die bei Umläufen auftreten in einer mit Zitterbewegung ver sehenen Ringlasergyroskop mit einem Rahmen und einem Hohl raum darin zur Führung eines ersten Lichtstrahls mit einer Intensität I₁ im Uhrzeigersinn um den Hohlraum herum und eines zweiten Lichtstrahls mit einer Intensität I₂ in ei ner Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn um den Hohlraum herum, umfaßt die folgenden Schritte: Überlagerung des ersten und zweiten Strahls zur Erzeugung eines Paars von Quadratur-Heterodynsignalen, welche Funktionen des Sinus und des Kosinus des Winkelausgangs des Ringlasergyroskops sind. Das Verfahren umfaßt ferner folgende Schritte: Bestimmung eines Phasensignals, das den Phasenwinkel zwi schen einem Signal angibt, das aus den Heterodynsignalen und einem Signal ausgewählt ist, welches aus einem I₁ + I₂ angebenden Intensitätssummensignal und einem I₁ - I₂ an gebenden Intensitätsdifferenzsignal ausgewählt ist, und Kombinieren des gewählten Heterodynsignals und des Phasen signals zur Bestimmung eines Phasenfehlersignals. Das Ver fahren umfaßt auch den Schritt, das Phasenfehlersignal zu verarbeiten, um ein Steuersignal zur Einstellung des Aus gangs des Ringlasergyroskops zu erzeugen, um Fehler zu korrigieren, die bei Umläufen bzw. Umkehrungen in dem Zitterzyklus eingeführt wurden. Der Phasenmeßschritt in dem Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt vorzugsweise den Schritt, eines der Signale I₁ + I₂ oder I₁ - I₂ zu demodulieren, um Signale zu erzeugen, welche den Betrag und die Phase des Signals I₁ + I₂ oder I₁ - I₂ relativ zu einem ausgewählten der Heterodynsignale angeben.A method according to the invention for correcting errors, which occur in circulation in a ver with trembling movement seen ring laser gyroscope with a frame and a hollow space in it for guiding a first light beam with a Intensity I₁ clockwise around the cavity and a second light beam with an intensity I₂ in egg counterclockwise around the cavity around, includes the following steps: overlaying the first and second beams to generate a pair of Quadrature heterodyne signals, what functions of the sinus and the cosine of the angular output of the ring laser gyroscope are. The method also includes the following steps: Determination of a phase signal, the phase angle between indicates a signal that consists of the heterodyne signals and a signal is selected which consists of an I₁ + I₂ indicating intensity sum signal and an I₁ - I₂ giving intensity difference signal is selected, and Combine the selected heterodyne signal and the phase signals for determining a phase error signal. The Ver driving also includes the step of closing the phase error signal process a control signal to set the off of the ring laser gyroscope to generate errors correct that for rotations or reversals in the Dither cycle were introduced. The phase measurement step in the method according to the invention preferably comprises the step of one of the signals I₁ + I₂ or I₁ - I₂ demodulate to generate signals representing the amount and the phase of the signal I₁ + I₂ or I₁ - I₂ relative to specify a selected one of the heterodyne signals.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die Schritte umfassen, Umläufe in dem Zitterzyklus zu detektieren und den Ausgang des Ringlasergyroskops nur während der Um läufe in dem Zitterzyklus einzustellen. Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, eine Zeitdauer jedes Umlaufs in dem Zitterzyklus zu bestimmen.The method according to the invention can also carry out the steps include detecting round trips in the dither cycle and the output of the ring laser gyroscope only during the order runs in the dither cycle. The procedure can further comprising the step of a period of each round to determine in the dither cycle.

Der Verfahrens schritt der Verarbeitung des Phasenfehler signals zur Erzeugung eines Steuersignals umfaßt vorzugs weise die folgenden Schritte: Bestimmung des Sinus des Phasenfehlerwinkels; Bestimmung des Betrags eines Ver kopplungskoeffizienten; Bestimmung des Produkts des Sinus des Phasenfehlerwinkels und des Betrags eines Ver riegelungskoeffizienten; Messung der Zeitspanne, die für jeden Umlauf bzw. Umkehrung in dem Zitterzyklus erforder lich ist; und Integrieren des Produkts des Sinus des Phasenfehlerwinkels und des Betrags eines Verkopplungs koeffizienten über die Zeit, die für jeden Umlauf bzw. jede Umkehrung in dem Zitterzyklus benötigt wird. Der Schritt der Bestimmung der Zeit, die für jeden Umlauf benötigt wird, kann den Schritt umfassen, die Nulldurch gänge in dem Ausgang der Überlagerungseinrichtung zu messen.The process step was to process the phase error Signals for generating a control signal preferably comprises do the following: Determine the sine of the Phase error angle; Determining the amount of a ver coupling coefficients; Determination of the product of the Sine of the phase error angle and the amount of a ver locking coefficients; Measurement of the time span for requires any round trip in the dither cycle is; and integrating the product of the sine of Phase error angle and the amount of a coupling coefficients over the time required for each round or every reversal in the dither cycle is needed. Of the Step of determining the time required for each round needed may include the step that goes through zero would be in the exit of the superposition device measure up.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezug nahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt: The invention will now be described, for example, with reference take explained in more detail on the drawing; it shows:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ringlaser gyroskops, das auf einer Tragstruktur montiert ist; Figure 1 is a perspective view of a ring laser gyroscope which is mounted on a support structure.

Fig. 2 eine Draufsicht des Ringlasergyroskops der Fig. 1; FIG. 2 is a top view of the ring laser gyroscope of FIG. 1;

Fig. 3 eine Teilquerschnittsansicht entlang der Linie 3-3 der Fig. 1, wobei ein piezoelektrischer Treiber dargestellt ist, der auf einer Zitter feder montiert ist; Fig. 3 is a partial cross-sectional view taken along line 3-3 of Fig. 1, showing a piezoelectric driver mounted on a quiver spring;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Ausgangsschwe bungsfrequenz eines Ringlasergyroskops als Funktion der Rotationsrate; Fig. 4 is a graphical representation of the output oscillation frequency of a ring laser gyroscope as a function of the rotation rate;

Fig. 5 vorwärts reflektiertes und rückgestreutes Licht von einem Spiegel derjenigen Art, der in dem Ringlasergyroskop der Fig. 1 verwendet werden kann; Figure 5 shows forward reflected and backscattered light from a mirror of the type which can be used in the ring laser gyroscope of Figure 1;

Fig. 6A und 6B die Ausgangswellenform des Ringlasergyroskops der Fig. 1 für Rotationsraten die weit von der Verkopplungsschwelle entfernt sind und für Rotationsraten, die nahe der Verkopp lungsschwelle liegen; . Figs. 6A and 6B, the output waveform of the ring laser gyroscope of Figure 1 which are far away from the Verkopplungsschwelle for rotation rates and rotation rates, the development of the near-threshold Verkopp lie;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Laser-Ring lasergyroskops und der zugeordneten Schaltungs anordnung zur Bestimmung des Phasenfehlers; Fig. 7 is a schematic representation of a laser ring laser gyroscope and the associated circuit arrangement for determining the phase error;

Fig. 8 ein detaillierteres Blockdiagramm der Schaltung der Fig. 7; und Fig. 8 is a more detailed block diagram of the circuit of Fig. 7; and

Fig. 9 ein Blockdiagramm der Phasenfehlerkorrekturschaltung. Fig. 9 is a block diagram of the phase error correction circuit.

Es wird zuerst eine kurze Beschreibung einer beispielhaften Struktur für ein grundlegendes Ringlasergyroskops gegeben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Die Er findung ist in ihrer Anwendbarkeit nicht auf das hier be schriebene Ringlasergyroskop beschränkt. Gemäß den Fig. 1 und 2 ist ein Ringlasergyroskop 10 auf einem Träger 12 mon tiert. Das Ringlasergyroskop 10 ist ein Beispiel vieler der artiger Vorrichtungen, bei denen die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann; das beispielsweise Ringlasergyros kop 10 begrenzt also die Erfindung keineswegs auf die spe zielle Ausführungsform der Fig. 1 und 2, wie hierin be schrieben.A brief description of an exemplary structure for a basic ring laser gyroscope is provided first to facilitate understanding of the invention. The applicability of the invention is not limited to the ring laser gyroscope described here. Referring to FIGS. 1 and 2, a ring laser gyroscope is advantage mon on a support 12 10. The ring laser gyroscope 10 is an example of many of the like devices in which the present invention can be practiced; the ring laser gyros cop 10 , for example, thus in no way limits the invention to the special embodiment of FIGS . 1 and 2, as described herein.

Das Ringlasergyroskop 10 ist mit einem Biegemechanismus 14 gehaltert, der in einem Mittelloch 30 in einem Rahmen 20 montiert ist. Die Biegevorrichtung 14 umfaßt eine Viel zahl von Federn 16 bis 18, die zwischen dem Rahmen 20 und dem Träger 12 angeordnet sind. Die dargestellte Ausführungs form umfaßt drei Federn, jedoch kann die Erfindung mit einer beliebigen Anzahl von Federn ausgeführt werden. Gemäß den Fig. 2 und 3 können die Federn 16 bis 18 als dünne Recht ecke geformt sein, jedoch ist die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendbarkeit nicht auf Federn mit derartigen Gestal ten begrenzt. The ring laser gyroscope 10 is held with a bending mechanism 14 which is mounted in a center hole 30 in a frame 20 . The bending device 14 comprises a plurality of springs 16 to 18 , which are arranged between the frame 20 and the carrier 12 . The embodiment shown comprises three springs, but the invention can be carried out with any number of springs. Referring to FIGS. 2 and 3, the springs 16 to 18 can be as thin rectangles formed, but the present invention is not in its applicability to springs having such ten Gestal limited.

Gemäß den Fig. 2 und 3 sind piezoelektrische Scheiben 16a, 16b, 17a, 17b, 18a und 18b jeweils auf den Federn 16 bis 18 montiert. Die piezoelektrischen Scheiben besitzen all gemein rechteckige Gestalten und sind an gegenüberliegen den Seiten der entsprechenden Federn montiert. Die piezo elektrischen Scheiben sind derart gepolt, daß das Anlegen einer Treiberspannung an Elektroden auf ihren entgegenge setzten Seiten bewirkt, daß sich die piezoelektrischen Scheiben selektiv ausdehnen und zusammenziehen. Die piezo elektrischen Scheiben auf jeder Feder können entgegenge setzte Polaritäten haben, so daß das Anlegen des gleichen Treibersignals gewirkt, daß eine Scheibe expandiert, wäh rend die andere Scheibe kontrahiert. Die Federn 16, 17 und 18 deformieren sich daher, so daß der Rahmen 20 mit einer kleinen Amplitude um den Träger 12 schwingt.Referring to FIGS. 2 and 3, piezoelectric discs 16 a, 16 b, 17 a, 17 b, 18 a and 18 b respectively on the springs 16 to 18 is mounted. The piezoelectric disks generally have rectangular shapes and are mounted on opposite sides of the corresponding springs. The piezoelectric disks are polarized such that the application of a drive voltage to electrodes on their opposite sides causes the piezoelectric disks to selectively expand and contract. The piezoelectric disks on each spring can have opposite polarities, so that the application of the same drive signal works that one disk expands while the other disk contracts. The springs 16 , 17 and 18 therefore deform so that the frame 20 swings around the carrier 12 with a small amplitude.

Gemäß der Fig. 2 erstreckt sich ein Hohlraum 31, der in dem Rahmen 20 geformt ist, zwischen einer Vielzahl von Spiegeln 32 bis 35, welche Licht um einen geschlossenen Pfad innerhalb des Hohlraums 30 herumführen. Ein Ver stärkermedium 38, das typischerweise aus einer Mischung aus Helium und Neongasen besteht, liegt in einem Bereich 40 des Hohlraums 31 zwischen einem Paar von Anoden 42a und 42b. Das Anlegen einer Erregungsspannung an die Anoden 42a und 42b und eine Kathode 44 bewirkt Energieniveau- Übergänge in der Gasmischung zur Erzeugung gegenläufiger koherenter Lichtstrahlen in dem Hohlraum 31.According to FIG. 2, a cavity 31 which is formed in the frame 20 extends between a plurality of mirrors 32 to 35, which light is lead around a closed path inside the cavity 30. A Ver amplifier medium 38 , which typically consists of a mixture of helium and neon gases, lies in an area 40 of the cavity 31 between a pair of anodes 42 a and 42 b. The application of an excitation voltage to the anodes 42 a and 42 b and a cathode 44 causes energy level transitions in the gas mixture to produce opposing coherent light beams in the cavity 31 .

Die beiden gegenläufigen Strahlen unterliegen beim Zirku lieren um den Hohlraum 31 herum durch aufeinanderfolgende Reflexion an den Spiegeln 32 bis 35 Phasenverschiebungen, wenn der Rahmen 20 um seine Längsachse rotiert. Der Unter schied in der Phase der beiden gegenläufigen Strahlen ist eine Anzeige der Rotationsrate des Ringlasergyroskops 10 um seine Sensorachse.The two opposing beams are subject to 32 to 35 phase shifts when circulating around the cavity 31 by successive reflection at the mirrors when the frame 20 rotates about its longitudinal axis. The difference in the phase of the two opposing beams is an indication of the rotation rate of the ring laser gyroscope 10 about its sensor axis.

Gemäß den Fig. 2 und 7 ist einer der Spiegel, beispiels weise der Spiegel 32 teildurchlässig, so daß ein Teil jedes Strahls in ein Prisma 48 eintritt, das an der Rück seite des Spiegels 32 montiert ist. Das Prisma 48 ist derart geformt, daß es die gegenläufigen Strahlen kom biniert oder überlagert, so daß sie miteinander inter ferieren, bevor sie auf das Paar von Photodetektoren 50A und 50B auftreffen. Die kombinierten Strahlen erzeugen Interferenzbänder bzw. -säume, welche sich über die Detek toren 50A und 50B hinwegbewegen. Die Ausgänge der Detek toren 50A und 50B werden gewöhnlich Heterodyn- oder "het"-Signale genannt. Die Signalausgänge aus den Detek toren 50A und 50B werden in dieser Beschreibung manchmal als Heterodynsignale A bzw. B bezeichnet.Referring to FIGS. 2 and 7, one of the mirrors, example, the mirror 32 is partially transmissive, so that a portion of each beam enters a prism 48, which is on the rear side of the mirror 32 mounted. The prism 48 is shaped such that it combines or overlaps the opposing beams so that they interfere with each other before striking the pair of 50 A and 50 B photodetectors. The combined beams produce interference bands or fringes which move over the detectors 50 A and 50 B. The outputs of the detectors 50 A and 50 B are commonly called heterodyne or "het" signals. The signal outputs from the detectors 50 A and 50 B are sometimes referred to as heterodyne signals A and B in this description.

Die Frequenzdifferenz oder die Schwebungsfrequenz der beiden Strahlen wird als Bewegung der Interferenzbänder über die Detektoren 50A und 50B gesehen. Dementsprechend identifiziert die Bewegungsrichtung der Bänder die Rich tung der Rotation. Jeder volle Zyklus des Interferenz musters entspricht zwei π Radien der Phase der Schwe bungsfrequenz und entspricht daher einem feststehenden Win kelrotationsinkrement. Jedes Auftreten eines vollen Zyklus des Interferenzmusters erzeugt ein Signal, das ein Hetero dynzählwerk genannt wird. Für ein Ringlasergyroskop mit 28 cm Pfadlänge beträgt der Skalenfaktor etwa 1,8 Bogen sekunden Rotation pro Heterodynzählwert. Die beiden Detek toren 50A und 50B sind um ein Viertel eines Interferenz bandes voneinander weg, damit sie die Richtung der Rotation bestimmen können.The frequency difference or the beat frequency of the two beams is seen as the movement of the interference bands over the detectors 50 A and 50 B. Accordingly, the direction of movement of the belts identifies the direction of rotation. Each full cycle of the interference pattern corresponds to two π radii of the phase of the beat frequency and therefore corresponds to a fixed angle rotation increment. Each occurrence of a full cycle of the interference pattern produces a signal called a heterodyne counter. For a ring laser gyroscope with a path length of 28 cm, the scale factor is approximately 1.8 arcseconds of rotation per heterodyne count. The two detectors 50 A and 50 B are a quarter of an interference band away from each other so that they can determine the direction of rotation.

Die Frequenz des Schwebungssignals, das produziert wird, wenn die beiden Frequenzen sich an den Detektoren 50A und 50B überlagern, ist direkt proportional zur Rotations rate des Ringlasergyroskops 10 um seine Längsachse. Wenn die Rotationsrate eines einfachen, nicht vorgespannten Ringlasergyroskops 10 auf die Verkopplungsschwellenrate Ω_L vermindert wird, werden gemäß der Fig. 4 die gegen läufigen Strahlen bei der gleichen Frequenz verriegelt bzw. miteinander verkoppelt. Die Frequenzen der gegenläu figen Strahlen sind für den gleichen Bereich von Rotations raten ±Ω_L gleich, welcher das Verkopplungs-Totband gemäß der Fig. 4 ist. Der Signalausgang aus dem Ringlasergyroskop 10 wird in der Nähe des toten Bandes nichtlinear, so daß sich eine Abweichung von dem Ausgang eines idealen Ring lasergyroskops ergibt.The frequency of the beat signal, which is produced when the two frequencies overlap at the detectors 50 A and 50 B, is directly proportional to the rotation rate of the ring laser gyroscope 10 about its longitudinal axis. If the rotation rate of a simple, non-prestressed ring laser gyroscope 10 is reduced to the coupling threshold rate Ω _L , according to FIG. 4 the beams that are in motion are locked or coupled to one another at the same frequency. The frequencies of the opposing rays are the same for the same range of rotation rates ± Ω _L , which is the coupling dead band according to FIG. 4. The signal output from the ring laser gyroscope 10 becomes nonlinear in the vicinity of the dead band, so that there is a deviation from the output of an ideal ring laser gyroscope.

Gemäß der Fig. 5 nimmt man an, daß die Verkopplung bzw. Verriegelung primär durch eine Strahlung verursacht wird, die von den Spiegeln 32 bis 35 rückgestreut wird. Da die gegenläufigen Strahlen auf jeden der Spiegel 32 bis 35 in einem Einfallswinkel von 45° auftreffen, ergäbe sich keine rückgestreute Strahlung bei idealen, perfekt ebenen Spiegeln. Obgleich die Spiegel 32 bis 35 eine sehr hohe Qualität aufweisen, bewirken jedoch Oberflächenimperfektionen einige Reflexion jedes Strahls in allen Richtungen. Der Haupt teil jedes Strahls wird von dem Spiegel 32 beispielsweise vorwärts reflektiert, und zwar entsprechend den Reflexions gesetzen. Licht von einem Strahl, das in einen Akzeptanz- Raumwinkel rückgestreut wird, koppelt sich mit dem entgegen gesetzt gerichteten Strahl. Der Akzeptanz-Raumwinkel hängt von der Wellenlänge des Lichts und dem Durchmesser des Hohl raums 31 ab. Für ein typisches quadratisches Ringlasergyros kop mit einem Einfallswinkel von 45° wird etwa ein million stes Teil der gesamten Spiegelreflexion von irgendeinem der Spiegel 32 bis 35 in den Akzeptanzwinkel des gegenläu figen Strahls rückgestreut.According to FIG. 5, it is assumed that the coupling or locking is primarily caused by radiation which is scattered back by the mirrors 32 to 35 . Since the opposing rays hit each of the mirrors 32 to 35 at an angle of incidence of 45 °, there would be no backscattered radiation with ideal, perfectly flat mirrors. Although the mirrors 32 to 35 have a very high quality, surface imperfections, however, cause some reflection of each beam in all directions. The main part of each beam is reflected forward by the mirror 32, for example, and set according to the reflection. Light from a beam that is scattered back into an acceptance solid angle couples with the opposite beam. The acceptance solid angle depends on the wavelength of the light and the diameter of the cavity 31 . For a typical square ring laser gyroscope with an angle of incidence of 45 °, approximately one millionth part of the total mirror reflection from any of the mirrors 32 to 35 is backscattered into the acceptance angle of the opposite beam.

Gemäß der Fig. 6A ist der Ausgang des Detektors 50 als Funktion der Zeit sinusförmig, wenn die Rotationsrate weit von der Verkopplungsschwelle entfernt ist. Wenn gemäß der Fig. 6B die Rotationsrate nahe der Verkopplungsschwelle liegt, wird der Ausgang des Detektors 50 von der erwünsch ten sinusförmigen Wellenform weg verformt. Bei einem typi schen Ringlasergyroskop mit einer Hohlraumlänge von 49 cm beträgt die Verkopplungsschwelle etwa 100°/h. Zur Erzielung zufriedenstellender Ergebnisse aus dem Ringlasergyroskop 10 ist es also erforderlich, nicht nur eine Verkopplung zu ver meiden, sondern auch Rotationsraten in der Nähe des toten Bandes. Dies ist ebenfalls in der Fig. 4 gezeigt, in der die Ausgangsschwebungsfrequenzen für Raten in der Nähe der Verkopplungsschwelle von der idealen linearen Beziehung ab weichen.According to FIG. 6A, the output of the detector 50 as a function of time is sinusoidal when the rotation rate is far from the Verkopplungsschwelle. If, according to is Fig. 6B, the rotation rate near the Verkopplungsschwelle, the output of detector 50 is deformed away from the erwünsch th sinusoidal waveform. In a typical ring laser gyroscope with a cavity length of 49 cm, the coupling threshold is approximately 100 ° / h. To achieve satisfactory results from the ring laser gyroscope 10 , it is therefore necessary not only to avoid coupling, but also rotation rates in the vicinity of the dead band. This is also shown in Figure 4, in which the output beat frequencies for rates near the coupling threshold deviate from the ideal linear relationship.

Die Fig. 7 zeigt den Rahmen 20 und ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Bestimmung der Rotationsrate und der Phasen fehlerkorrektur. Der Spiegel 35 überträgt einen Teil jedes Strahls an Photodioden 72 und 74. Die Photodioden 72 und 74 bilden Signale I₁ und I₂ mit Beträgen entsprechend den Inten sitäten des Strahls im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhr zeigersinn. Eine Verarbeitungsschaltung 82 empfängt die He terodynsignale aus den Photodioden 50A und 50B und die Strahl intensitätssignale von den Dioden 72 und 74 und verarbeitet diese Signale zur Bestimmung der Phasenfehlerkorrektur. FIG. 7 shows the frame 20 and a block diagram of a circuit for determining the rotation rate and the phase error correction. The mirror 35 transmits a portion of each beam to photodiodes 72 and 74 . The photodiodes 72 and 74 form signals I₁ and I₂ with amounts corresponding to the intensities of the beam clockwise or counterclockwise. A processing circuit 82 receives the heterodyne signals from the photodiodes 50 A and 50 B and the beam intensity signals from the diodes 72 and 74 and processes these signals to determine the phase error correction.

Das Laser-Ringlasergyroskop 10 ist einer Schwingung oder einer Zitterbewegung ausgesetzt, um die Rotationsrate die meiste Zeit gut über dem toten Band zu halten. Für gegen wärtige Zwecke ist es wichtig, anzumerken, daß zweimal in jedem Zitterzyklus das Ringlasergyroskop 10 durch das tote Band hindurchtritt. Diese zyklische Wiederkehr der Verkopp lung bzw. Verriegelung bei Umkehrpunkten in der Zitterbewe gung wird als "Phasenfehler" bezeichnet. Obgleich der Pha senfehler klein ist, da er nur für eine sehr kurze Zeit spanne anhält, kann das kumulative Ergebnis über eine aus gedehnte Zeitspanne einen beträchtlichen Fehler ausmachen.The laser ring laser gyroscope 10 is subjected to vibration or trembling to keep the rotation rate well above the dead band most of the time. For current purposes, it is important to note that the ring laser gyroscope 10 passes through the dead band twice in each dither cycle. This cyclical return of the coupling or locking at reversal points in the trembling movement is referred to as a "phase error". Although the phase error is small because it only lasts for a very short period of time, the cumulative result can make a considerable error over an extended period of time.

Sogar wenn das Ringlasergyroskop 10 einer Zitterbewegung unterzogen wird, sind also die Restwirkungen der Verkopp lung zwischen den gegenläufigen Strahlen nicht vernach lässigbar. Es ist theoretisch möglich, den verbleibenden Zitterfehler dadurch zu korrigieren, daß eine Korrektur auf der Basis der Differenz der Phasen der beiden Strahlen bei einer Umkehr berechnet wird. Diese Korrektur wird mit den Ausgangszählwerten des Gyroskops aufsummiert. Da die Phasendifferenz zwischen den Strahlen durch optische Inter ferenz am Heterodyndetektor bestimmt wird, werden die beiden Heterodyndetektorausgänge die Basis zur Ermittlung von Um kehrungen. Eine Schwierigkeit bei der Verwendung einer Umkehr- Phasendifferenz ϕ_H, die aus den Heterodynsignalen ermittelt wird, besteht darin, daß die Phasendifferenz von der Kopp lungsphase um eine Phasenversetzung ε versetzt ist, welche eine Funktion der optischen Positionierung der Heterodyn detektoren 50A und 50B ist.Even if the ring laser gyroscope 10 is subjected to a tremor movement, the residual effects of the coupling between the opposing beams are not negligible. It is theoretically possible to correct the remaining jitter by calculating a correction based on the difference in the phases of the two beams upon reversal. This correction is summed up with the output count values of the gyroscope. Since the phase difference between the beams is determined by optical interference at the heterodyne detector, the two heterodyne detector outputs become the basis for determining reversals. A difficulty in using a reverse phase difference ϕ _H , which is determined from the heterodyne signals, is that the phase difference is offset from the coupling phase by a phase shift ε, which is a function of the optical positioning of the heterodyne detectors 50 A and 50 B. is.

Die Fig. 8 ist ein detailliertes Funktionsblockdiagramm der Verarbeitungsschaltung der Fig. 7. Die beiden sinusförmigen Signale ϕ_A und ϕ_B aus den Heterodyndetektoren 72 und 74 werden einer Verhältnisschaltung 84 eingegeben, welche ein Signal entsprechend dem Tangens des Phasenwinkels zwischen den Signalen ϕ_A und ϕ_B bildet. Eine Schaltung 86 verarbeitet das Tangenssignal zur Erzeugung eines Arkustangenssignals, welches den Ringlasergyroskopwinkel angibt. Der Phasenwinkel ε zwischen dem Uhrzeigersinn-Strahlintensitätssignal I₁ und ϕ_A wird bestimmt durch eine Phasenmeßschaltung 92 und kombiniert mit dem Arkustangenssignal in einer Summier schaltung 88. Der Ausgang der Summierschaltung 88 ist der Rotationswinkel plus der Phasenversetzung ε und wird in eine Abtast- und Speicherschaltung 90 eingeleitet. Fig. 8 is a detailed functional block diagram of the processing circuit of Fig. 7. The two sinusoidal signals ϕ _A and ϕ _B from the heterodyne detectors 72 and 74 are input to a ratio circuit 84 which generates a signal corresponding to the tangent of the phase angle between the signals ϕ _A and ϕ _B forms. A circuit 86 processes the tangent signal to generate an arctangent signal which indicates the ring laser gyroscope angle. The phase angle ε between the clockwise beam intensity signal I₁ and ϕ _A is determined by a phase measuring circuit 92 and combined with the arctangent signal in a summing circuit 88th The output of the summing circuit 88 is the angle of rotation plus the phase shift ε and is introduced into a sampling and storage circuit 90 .

Die Korrektur des Gyroskopausgangs erfolgt nur bei Umkehrun gen der Rotationsbewegungen. Es ist daher erforderlich, die Abtast- und Speicherschaltung 90 bei jeder Umkehrung für eine kurze Zeitspanne zu betätigen und sie dann während des Restes des Zyklus deaktiviert zu lassen. Zur Steuerung der Abtast- und Speicherschaltung 90 werden die Quadratursignale ϕ_A und ϕ_B in einem Paar von Differentiatoren 94 bzw. 96 differen ziert. Die Ausgänge der Differentiatoren 94 und 96 sind bei jeder Umkehrung gleich Null und werden einem Paar von Invertern 98 bzw. 100 eingegeben. Bei der Umkehr bilden die Inverter 98 und 100 koinzitente hohe logische Signale und liefern diese an ein UND-Gatter 102. Das UND-Gatter 102 wird dadurch bei jeder Umkehr durchlässig um ein Signal zu liefern, welches die Abtast- und Speicherschaltung 90 aktiviert. Die Ausgänge der Inverter 98 und 100 sind nur bei Umkehrungen beide auf einem logisch hohen Wert; des halb bleiben das UND-Gatter 102 und die Abtast- und Spei cherschaltung 90 während des Restes des Zitterzyklus de aktiviert.The gyroscope output is only corrected when the rotational movements are reversed. It is therefore necessary to operate the sampling and storage circuit 90 for a short period of time on each inversion and then to leave it deactivated for the rest of the cycle. To control the sampling and storage circuit 90 , the quadrature signals ϕ _A and ϕ _{B are} differentiated in a pair of differentiators 94 and 96, respectively. The outputs of differentiators 94 and 96 are zero on each inversion and are input to a pair of inverters 98 and 100, respectively. When inverted, inverters 98 and 100 form coincident high logic signals and deliver them to an AND gate 102 . The AND gate 102 thereby becomes transparent on each inversion to provide a signal that activates the sample and store circuit 90 . The outputs of inverters 98 and 100 are both at a logic high only when reversed; therefore, AND gate 102 and sample and store circuit 90 remain de-activated for the remainder of the dither cycle.

Die Werte des Rotationswinkels plus die Phasenversetzung, die bei jeder Zitterumkehrung abgetastet werden, werden in einen Mikroprozessor 104 eingegeben, in dem ein Wert für einen Korrekturterm für jeden der abgetasteten Werte be rechnet wird. Die Lösungen können zur Korrektur der Ring lasergyroskopausgangsdaten gespeichert werden. Wahlweise hierzu kann anstelle der direkten Berechnung der Phasen fehlerlösungen die Schaltung eine "Nachschlage"-Tabelle haben, welche die Lösungen enthält.The values of the angle of rotation plus the phase shift, which are sampled with each jitter reversal, are input to a microprocessor 104 , in which a value for a correction term is calculated for each of the sampled values. The solutions can be saved to correct the ring laser gyroscope output data. Alternatively, instead of directly calculating the phase error solutions, the circuit can have a "lookup" table that contains the solutions.

Der Betrag der Korrektur muß bezüglich des Betrages des Kopplungskoeffizienten B_L zwischen den beiden Strahlen in geeigneter Weise bemessen sein. Unter Verwendung der Verarbeitungseinheit 70 der Fig. 7 und 8 wird angenommen, daß die Phasenversetzung ε und die Umkehrzeit Konstanten für ein vorgegebenes Ringlasergyroskop sind. In der tat sächlichen Praxis sind jedoch sowohl die Phasenversetzung ε als auch der Kopplungskoeffizient B_L Funktionen der Zeit und der Temperatur. Eine genauere Bestimmung des Phasenfehlers erfordert daher eine Messung der Phasen versetzung und des Kopplungskoeffizienten bei jeder Umkehr, wie nachstehend beschrieben. The amount of the correction must be appropriately dimensioned with respect to the amount of the coupling coefficient B _L between the two beams. Using the processing unit 70 of FIGS. 7 and 8, it is assumed that the phase shift ε and the reversal time are constants for a given ring laser gyroscope. In actual practice, however, both the phase shift ε and the coupling coefficient B _{L are} functions of time and temperature. A more accurate determination of the phase error therefore requires a measurement of the phase offset and the coupling coefficient with each reversal, as described below.

Relationships between beam intensities and coupling caused by phase shifts

Das hier beschriebene Phasenfehlerkorrekturverfahren kann da durch verstanden werden, daß man die Zeitentwicklung der Phase zwischen den beiden gegenläufigen Laserstrahlen analysiert, während das Ringlasergyroskop 10 in Zitterbewegung versetzt wird. Der Ausgang des Ringlasergyroskops 10 kann geschrieben werden alsThe phase error correction method described here can be understood by analyzing the time evolution of the phase between the two opposing laser beams while the ring laser gyroscope 10 is set in trembling motion. The output of the ring laser gyroscope 10 can be written as

wobei Ω der Rotationswinkel ist; Ψ die Phasendifferenz zwischen den gegenläufigen Strahlen; K der Ringlaser gyroskopskalenfaktor; B_L der Verkoppelungskoeffizient und ε die Phasenversetzung, die durch die Positionierung der Heterodyndetektoren bestimmt ist. Wenn man die Gleichung (1) über einen Zitterzyklus integriert, ergibt sichwhere Ω is the angle of rotation; Ψ the phase difference between the opposing beams; K the ring laser gyroscopic scale factor; B _L the coupling coefficient and ε the phase shift, which is determined by the positioning of the heterodyne detectors. If one integrates equation (1) over a dither cycle, the result is

Ψ = KΩT + B_L[sin(Ψ₀₁ + ε) + sin(Ψ₀₂ + ε)]τ (2)Ψ = KΩT + B _L [sin (Ψ₀₁ + ε) + sin (Ψ₀₂ + ε)] τ (2)

wobei T die Zitterperiode ist, Ψ₀₁ und Ψ₀₂ die Phasen an den beiden Umkehrungen in dem Zyklus und τ die Umkehrzeit. Der Term B_L[sin(Ψ₀₁ + ε) + sin(Ψ₀₂ + ε)]τ ist der Fehlerterm, der beurteilt werden muß, um die Fehler zu korrigieren, die durch die Verkopplung bei jeder Umkehr eingeführt werden. Die Va riablen, die gemessen werden müssen, um den Ausgang des Ringlasergyroskops zu korrigieren, sind die Phasen Ψ₀₁ und Ψ₀₂, die Umkehrzeit τ, der Verkopplungskoeffizient B_L und die Phasenversetzung ε.where T is the dither period, Ψ₀₁ and Ψ₀₂ the phases at the two reversals in the cycle and τ the reversal time. The term B _L [sin (Ψ₀₁ + ε) + sin (Ψ₀₂ + ε)] τ is the error term that must be assessed to correct the errors introduced by the coupling with each inversion. The variables that must be measured to correct the output of the ring laser gyroscope are the phases Ψ₀₁ and Ψ₀₂, the reversal time τ, the coupling coefficient B _L and the phase shift ε.

Typischerweise befindet sich nahezu über den gesamten Zitterzyklus hinweg das Lasergyroskop 10 außerhalb des Verkopplungsbandes. Wie bereits angemerkt worden ist, durchläuft jedoch das Lasergyroskop das Verkopplungsband, wenn die Netto-Rotationsrate nahe Null ist. Die Netto- Rotationsrate ist das Zittern plus die externe Rotations rate. Bei sehr kleinen externen Rotationsraten tritt das Verkoppeln bei den Zitterumkehrungen auf. Um eine aus reichende Korrektur zu erzielen, wird gemäß der Erfindung die wahre Intertialrotationsratenumkehrung detektiert, und zwar anstelle nur der Zitterumkehrung.Typically, the laser gyroscope 10 is located outside the coupling band over almost the entire dither cycle. As has already been noted, however, the laser gyroscope traverses the link band when the net rate of rotation is near zero. The net rotation rate is the tremor plus the external rotation rate. At very small external rotation rates, coupling occurs with the jitter reversals. In order to achieve a sufficient correction, the true axial rotation rate reversal is detected according to the invention, instead of just the jitter reversal.

Bei niedrigen Winkelrotationsraten, bei denen die wahren Intertialrotationsratenumkehrungen in der Nähe der Umkeh rungen der Zitterzyklen auftreten, kann der Ratenfehler ausgedrückt werden alsAt low angular rotation rates where the real ones Intertial rotation rate reversals near the reverse If the dither cycles occur, the rate error can occur be expressed as

wobei
Ψ = Veränderungsrate des Phasenwinkels Ψ;
L = Pfadlänge um das Lasergyroskop herum;
D = Amplitude der dielektrischen Variationsstreu verluste;
H = Amplitude der Höhenvariationsstreuverluste;
P_D = Asymmetriephase der dielektrischen Verluste;
P_H =Asymmetriephase der Höhenvariationsverluste; und
c = Lichtgeschwindigkeit im freien Raum.in which
Ψ = rate of change of phase angle Ψ;
L = path length around the laser gyroscope;
D = amplitude of the dielectric variation loss;
H = amplitude of the height variation scatter losses;
P _D = asymmetry phase of dielectric losses;
P _H = asymmetry phase of the height variation losses; and
c = speed of light in free space.

Die Frequenz ω_g istThe frequency is ω _g

wobei a die Kleinsignalverstärkung ist und β und Θ die Sättigungs- und Kreuzsättigungsterme.where a is the small signal gain and β and Θ the Saturation and cross-saturation terms.

Die zeitveränderlichen Teile der Strahlintensitäten sindThe time-varying parts of the beam intensities are

I_cw = I₁cos(Ψ+t₂+P_D)+i₁sin(Ψ+t₁+P_H) (5)I _cw = I₁cos (Ψ + t₂ + P _D ) + i₁sin (Ψ + t₁ + P _H ) (5)

I_ccw = I₁cos(Ψ+t₂+P_D)-i₁sin(Ψ+t₁ + P_H) (6)I _ccw = I₁cos (Ψ + t₂ + P _D ) -i₁sin (Ψ + t₁ + P _H ) (6)

wobeiin which

Eine Auswertung der Gleichungen (5) und (6) für Werte von ω in der Nähe von Null ergibtAn evaluation of equations (5) and (6) for values of gives ω near zero

undand

Das Arbeiten mit der Summe und der Differenz der zeitvariablen Intensitäten in der Nähe von Nullraten ergibtWorking with the sum and the difference of the time variable Intensities close to zero rates results

Die vorstehenden Ausdrücke können dadurch vereinfacht wer den, daß man M(0) und m(0) derart definiert, daßThe above expressions can thereby be simplified that one defines M (0) and m (0) in such a way that

undand

Der Ratenfehler der Gleichung (3) beträgt dannThe rate error of equation (3) is then

Es seien nun ϕ_D und ϕ_H die Phasen der Summen- und Differenz modulationen, so daßLet ϕ _D and ϕ _{H be} the phases of the sum and difference modulations, so that

undand

Die Phasendifferenzen werden zuThe phase differences become too

Der Phasenfehler bei der Umkehr des Zitterzyklus kann aus gedrückt werden alsThe phase error in reversing the dither cycle can be off be pressed as

δψ = δψτ (24)δψ = δψτ (24)

wobeiin which

τ = [π/(Kα_O)]^1/2 (25)τ = [π / (Kα _O )] ^1/2 (25)

wobei α_O die Winkelbeschleunigung bei der Umkehr ist.where α _{O is} the angular acceleration when reversing.

Für ein Körperzittern bei niedrigen Eingangs raten der Winkelbeschleunigung bei der Umkehr kann man angeben:For a body tremor at low input rates Angular acceleration when reversing can be specified:

wobei ω_d die maximale Zitterwinkelrate ist, ω die Zitterwinkelfrequenz und T bereits vorstehend definiert worden ist.where ω _{d is} the maximum dither angle rate, ω the dither angle frequency and T has already been defined above.

Der Phasenfehler bei der Umkehr kann ausgedrückt werden alsThe phase error in the reversal can be expressed as

Die Variablen ϕ_D und ϕ_H, die Phasen der Summen- und Differenzmodulationen sind nicht leicht meßbare System beobachtungswerte. ϕ_A und ϕ_B, welche die Phasen der optischen Heterodyn A und Heterodyn B-Signale sind, sind jedoch meßbar als die relativen Phasen zwischen ϕ_A (oder ϕ_B) und ϕ_D (oder ϕ_H). Die beiden Heterodynsignale sind gekennzeichnet durch die GleichungenThe variables ϕ _D and ϕ _H , the phases of the sum and difference modulations are not easily measurable system observation values. However, ϕ _A and ϕ _B , which are the phases of the optical heterodyne A and heterodyne B signals, are measurable as the relative phases between ϕ _A (or ϕ _B ) and ϕ _D (or ϕ _H ). The two heterodyne signals are characterized by the equations

S_A = a_Asinϕ_A (28);S _A = a _A sinϕ _A (28);

S_B = a_Asinϕ_B (29);S _B = a _A sinϕ _B (29);

undand

Wenn δ klein ist, dann gilt in erster OrdnungIf δ is small, then the first order applies

Der Quadrant kann durch die Vorzeichen von S_A und S_B be stimmt werden. Die Amplituden der beiden Heterodynsignale zum Zeitpunkt der Umkehrung werden daher gemessen, um die Heterodynphase bei der Umkehr zu bestimmen.The quadrant can be determined by the signs of S _A and S _B. The amplitudes of the two heterodyne signals at the time of the reversal are therefore measured to determine the heterodyne phase during the reversal.

Die Fig. 8 ist ein funktionelles Blockdiagramm einer Schaltung zur Verwirklichung der Phasenfehlerkorrektur. Es wird ange nommen, daß der Phasenfehler dominiert wird durch dielektrische Streuung und daß deshalb nur der erste Term der Gleichung (27) betrachtet werden muß. Fig. 8 is a functional block diagram of a circuit to implement the phase error correction. It is assumed that the phase error is dominated by dielectric scattering and that therefore only the first term of equation (27) needs to be considered.

Ein Signal I_cw, das die Intensität des Uhrzeigersinn-Strahles angibt, wird in einen Kondensator 101 eingespeist, der die Gleichstromkomponente aus dem Signal ausfiltert. In ähnlicher Weise wird ein Signal I_ccw, das die Intensität des Gegenuhr zeigersinn-Strahles angibt, in einen Kondensator 103 einge speist, um die Gleichstromkomponente herauszufiltern. Die gefilterten Intensitätssignale werden einer Summierungsschal tung 105 eingegeben und ein Intensitätssummensignal I₁ + I₂ wird sowohl an einen phasenrichtigen Demodulator 106 und einen Quadraturphasendemodulator 108 eingegeben. Die Schal tung 105 kann derart gestaltet sein, daß sie am Ausgang ein Intensitätsdifferenzsignal I₂ - I₁ anstelle des Intensitäts summensignals abgibt.A signal I _cw , which indicates the intensity of the clockwise beam, is fed into a capacitor 101 , which filters out the DC component from the signal. In a similar manner, a signal I _ccw , which indicates the intensity of the counterclockwise beam, is fed into a capacitor 103 in order to filter out the DC component. The filtered intensity signals are input to a summation circuit 105 and an intensity sum signal I 1 + I 2 is input to both an in-phase demodulator 106 and a quadrature phase demodulator 108 . The scarf device 105 can be designed such that it outputs an intensity difference signal I₂ - I₁ instead of the intensity sum signal at the output.

Das Signal het A aus dem Heterodyndetektor 50A wird in den phasenrichtigen Demodulator 106 eingespeist und ein Signal het B aus dem Heterodyndetektor 50B wird in den Quadraturphasendemodulator 108 eingeleitet. Der Ausgang des phasenrichtigen Demodulators 106 und des Quadratur phasendemodulators 108 wird jeweils in einen Analog/Digital- Konverter 110 bzw. einen zweiten Analog/Digital-Konverter 112 eingegeben. Die Ausgänge der Analog/Digital-Konverter 110 und 112 werden einer Schaltung 114 zugeführt, die ein Ausgangssignal erzeugt, das die Phasendifferenz zwischen dem Intensitätssummensignal I₁ + I₂ und dem Signal het A angibt.The signal het A from the heterodyne detector 50 A is fed into the in-phase demodulator 106 and a signal het B from the heterodyne detector 50 B is introduced into the quadrature phase demodulator 108 . The output of the in-phase demodulator 106 and the quadrature phase demodulator 108 is input into an analog / digital converter 110 and a second analog / digital converter 112 , respectively. The outputs of the analog / digital converters 110 and 112 are fed to a circuit 114 which generates an output signal which indicates the phase difference between the intensity sum signal I 1 + I 2 and the signal het A.

Die Ausgänge der Analog/Digital-Konverter 110 und 112 werden auch einer Schaltung 116 zugeführt, die ein Ausgangs signal abgibt, das den Betrag der Summe der Uhrzeigersinn- und Gegenuhrzeigersinn-Strahlen angibt. Dieses Betragssignal wird dann in einen Multiplikator 118 eingespeist.The outputs of the analog / digital converters 110 and 112 are also fed to a circuit 116 which emits an output signal which indicates the amount of the sum of the clockwise and counterclockwise beams. This magnitude signal is then fed into a multiplier 118 .

Die het A und het B-Signale werden auch einer Umkehrdetektor schaltung 120 eingegeben, welche die het A und het B-Signale verarbeitet, um die Zeiten zu bestimmen, an denen die Um kehrungen der Zitterbewegung auftreten. Das Quadrat des het A-Signals und des Ausgangs des Umkehrdetektors werden einer Zähl- und Logikschaltung 122 zugeführt. Die Logik schaltung 122 detektiert ansteigende Flanken im Quadrat des het A-Signals und erzeugt ein Triggersignal bei den Umkehrungen. Der Triggersignalausgang aus der Zähl- und Logikschaltung 122 wird einer Rechnungsschaltung 124 zuge führt, welche die Phase ϕ_A von het A bei jeder Umkehr berechnet. Der Ausgang der Berechnungsschaltung 124 wird dann einer Summierschaltung 126 eingegeben, die auch einen Eingang von der Summierschaltung 114 empfängt. Ein Eingang der Summierschaltung 126 ist daher die Differenz ϕ_D-ϕ_A zwischen der Phase des Intensitätssummensignals und het A. Der andere Eingang an die Summierschaltung 126 ist die Phase ϕ_A von het A. Der Ausgang der Summierschaltung 126 ist daher ein Signal, das den Phasenwinkel ϕ_D angibt.The het A and het B signals are also input to a reverse detector circuit 120 which processes the het A and het B signals to determine the times at which the reversal of the tremor occurs. The square of the het A signal and the output of the reversal detector are fed to a counting and logic circuit 122 . The logic circuit 122 detects rising edges squared the het A signal and generates a trigger signal on the reversals. The trigger signal output from the counting and logic circuit 122 is supplied to an arithmetic circuit 124 which calculates the phase ϕ _A of het A with each reversal. The output of the calculation circuit 124 is then input to a summing circuit 126 , which also receives an input from the summing circuit 114 . One input of the summing circuit 126 is therefore the difference ϕ _D -ϕ _A between the phase of the intensity sum signal and het A. The other input to the summing circuit 126 is the phase ϕ _A of het A. The output of the summing circuit 126 is therefore a signal which indicates the phase angle ϕ _D.

Der Ausgang der Summierschaltung 126 wird an den Eingang einer Schaltung 128 geführt, welche den Wert des Sinus des Winkels ϕ_D bestimmt. Die Schaltung 128 kann entweder Ein richtungen zur Berechnung des Sinus des Winkels ϕ_D ent halten oder sie kann eine "Nachschlagetabelle" umfassen, die vorzugsweise ein digitaler Festwertspeicher ist. Der Ausgang der Schaltung 128 wird an den Eingang des Multi plikators an 118 geführt, der ein Signal erzeugt, das das Produkt des Betragssignals aus der Schaltung 116 und des Sinus ϕ_D angibt. Der Ausgang der Multiplikatorschaltung 118 wird dann an einen Integrator 130 geführt, der ein Signal erzeugt, welches die Phasenwinkelkorrektur angibt.The output of the summing circuit 126 is fed to the input of a circuit 128 which determines the value of the sine of the angle ϕ _D. The circuit 128 can either contain a device for calculating the sine of the angle ϕ _D or it can comprise a "look-up table", which is preferably a digital read-only memory. The output of the circuit 128 is fed to the input of the multiplier at 118 , which generates a signal which indicates the product of the magnitude signal from the circuit 116 and the sine ϕ _D. The output of multiplier circuit 118 is then passed to an integrator 130 which generates a signal indicative of the phase angle correction.

Die Zähl- und Logikschaltung 122 kann auch ein Signal erzeu gen, welches die Dauer τ der Umkehr angibt. Die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der het A oder het B- Signale können an den Eingang einer Berechnungsschaltung 131 geführt werden, welche die Winkelbeschleunigung bestimmt, und aus der Gleichung (25) kann die Umkehrdauer berechnet werden.The counting and logic circuit 122 can also generate a signal which indicates the duration τ of the reversal. The time between successive zero crossings of the het A or het B signals can be fed to the input of a calculation circuit 131 which determines the angular acceleration, and the reversal duration can be calculated from equation (25).

Die Funktionen der Summierschaltung 116, der Berechnungs schaltung 114, der Summierschaltung 126, der Berechnungs schaltung 124, der Multiplizierschaltung 118, der Berech nungsschaltung 131 und des Integrators 130 sind vorzugs weise als ein digitaler Mikroprozessor verwirklicht.The functions of the summing circuit 116 , the calculation circuit 114 , the summing circuit 126 , the calculation circuit 124 , the multiplier circuit 118 , the calculation circuit 131 and the integrator 130 are preferably implemented as a digital microprocessor.

Der Mikroprozessor tastet jeden demodulierten Ausgang ab und berechnet den Winkel zwischen dem het A-Signal und der Intensitätssummenmodulation. Das Quadrat des het A- Signals tritt in die Logik- und Zählschaltung 122 ein, welche ansteigende Flanken in dem quadratierten het A- Signal detektiert. Die Schaltung 122 ist derart gestal tet, daß sie die Zeitintervalle zwischen den ansteigenden Flanken des het A-Signals zählt und den Zählwert in den Speicher einspeist, wenn das Zeitintervall mit einer Umkehr zusammentrifft. Der Umkehrdetektor 120 ist auch mit einem Interrupt-Eingang des Mikroprozessors verbunden, um die Verarbeitung der gezählten Umkehrzeiten auszulösen.The microprocessor samples each demodulated output and calculates the angle between the het A signal and the intensity sum modulation. The square of the het A signal enters the logic and counting circuit 122 which detects rising edges in the squared het A signal. The circuit 122 is designed such that it counts the time intervals between the rising edges of the het A signal and feeds the count value into the memory when the time interval coincides with a reversal. The reversal detector 120 is also connected to an interrupt input of the microprocessor to trigger the processing of the counted reversal times.

Wenn die Rotationsraten niedrig sind, kann das Umkehr detektorsignal aus dem magnetischen Abtastsignal abge leitet werden. Bei höheren Raten treffen die Zitterum kehrungen und die Inertialumkehrungen nicht zusammen. In diesem Fall ist ein Detektierungsschema erforderlich, das auf den het Signalen selbst basiert. If the rotation rates are low, the reverse can happen detector signal from the magnetic scanning signal be directed. At higher rates, the tremors hit Conversions and inertial reversals do not go together. In this case, a detection scheme is required which is based on the het signals themselves.

Die Software verarbeitet die Zählwerte und berechnet die het A-Phase bei einer Umkehr. Unter Verwendung der ge zählten Zeitintervalle und der Phase der Intensitätsmodula tion, wird die Phase des Verkopplungs-Terms berechnet. Der Sinus dieses Winkels wird mit einem Skalenfaktor multipli ziert, der aus einer Messung von M(0) abgeleitet wird, wel cher Wert ebenfalls aus den Ausgängen der Demodulatoren 106 und 108 erhalten wird und auch mit der Dauer der Umkehr mul tipliziert wird, die durch die Software aus den Zeiten zwi schen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen des het-Signals bestimmt wird. Das Resultat ist ein Maß des Fehlers für diesen Umkehrvorgang. Dieser Fehler wird integriert, um die Nettowinkelkorrektur aufgrund des Phasenfehlers bei Zitterumkehren zu ergeben.The software processes the count values and calculates the het A phase in the event of a reversal. Using the counted time intervals and the phase of the intensity modulation, the phase of the coupling term is calculated. The sine of this angle is multiplied by a scale factor derived from a measurement of M (0), which value is also obtained from the outputs of demodulators 106 and 108 and is also multiplied by the duration of the reversal that is by the software is determined from the times between successive zero crossings of the het signal. The result is a measure of the error for this reversal. This error is integrated to give the net angle correction due to the phase error in reverse jitter.

Alle erforderlichen Signale zur Berechnung der Phasenfehler kompensation gemäß der Erfindung sind bei den gegenwärtigen Ringlasergyroskopkonstruktionen verfügbar. Aufgrund des Er fordernisses der Berechnung bei jeder Zitterumkehr (800/s) ist eine Mikroprozessor-Verarbeitung wünschenswert.All necessary signals for the calculation of the phase errors Compensation according to the invention are in the present Ring laser gyroscope designs available. Because of the Er requirements of the calculation with each jitter reversal (800 / s) microprocessor processing is desirable.

Gemäß der Erfindung wird die zufällige Auswanderung verur sacht durch Körperzittern praktisch beseitigt und es wird ein Betrieb des Ringlasergyroskops 10 in der Nähe seiner Quantenrauschgrenze ermöglicht. Durch die Erfindung werden daher beträchtliche Vorteile gegenüber früheren Ringlaser gyroskopgestaltungen erzielt. Kleine Ringlasergyroskope für Mittel- und Hochgenauigkeitsanwendungen können unter Verwendung der Erfindung im Zittermodus betrieben werden. Frühere kleine Ringlasergyroskope mit einer optischen Pfad länge von 8 bis 12 cm konnten nicht mit einer Zitterbewegung betrieben werden, da hierdurch zu große Fehler eingeführt wurden. According to the invention, the random emigration caused by body tremors is practically eliminated and it is possible to operate the ring laser gyroscope 10 in the vicinity of its quantum noise limit. The invention therefore considerable advantages over previous ring laser gyroscopic designs are achieved. Small ring laser gyroscopes for medium and high accuracy applications can be operated in dither mode using the invention. Earlier small ring laser gyroscopes with an optical path length of 8 to 12 cm could not be operated with a tremor, as this would lead to errors that were too large.

Die Zitteramplitude und -frequenz können ohne nachteilige Einwirkungen auf die Systemleistung vermindert werden.The tremor amplitude and frequency can be without adverse effects Impacts on system performance can be reduced.

Die vorliegende Erfindung gestattet auch eine erhöhte Aus beute bei der Produktion von Ringlasergyroskopen. Derzeit wird ein Ringlasergyroskop zuerst zusammengebaut und dann geprüft. Wenn es nicht innerhalb der Spezifikationen ar beitet, muß es entweder auseinandergebaut und neu aufgebaut oder aber als Ausschuß betrachtet werden. Gemäß der Erfindung werden Phasenwinkelfehler im Ausgang irgendeines Ringlaser gyroskops mit Körperzitterbewegung bestimmt und derartige Fehler korrigiert.The present invention also allows an increased out loot in the production of ring laser gyroscopes. Currently a ring laser gyroscope is first assembled and then checked. If it ar not within the specifications processed, it must either be disassembled and rebuilt or be viewed as a committee. According to the invention become phase angle errors in the output of any ring laser Determined gyroscopes with tremors and such Mistake corrected.

Claims

1. Ring laser gyroscope with a frame and a cavity therein for guiding a first light beam with an intensity I₁ clockwise around the cavity and a second light beam with an intensity I₂ in a counterclockwise direction around the cavity, the ring laser gyroscope with a dither cycle is subject to a tremor movement, with a vibration frequency and a vibration amplitude, characterized by

a device for superimposing the first and second beams to generate a pair of quadrature heterodyne signals which are functions of the angular output of the laser ring laser gyroscope;
- A phase measuring device for determining a phase signal which indicates the phase angle between a signal which is selected from the heterodyne signals and a signal from an intensity sum signal I₁ + I₂ and an I₁ - I₂ indicating intensity difference signal;
- A device for combining the selected heterodyne signal and the phase signal for determining a phase error signal; and
- A device for processing the phase error signal to generate a control signal for a setting of the output of the ring laser gyroscope to correct errors that have been introduced with reversals in the rotational movement of the ring laser gyroscope.

2. Ring laser gyroscope according to claim 1, further comprising

- A device for detecting inertial reversals of the rotational movement of the frame; and
- A device for adjusting the output of the ring laser gyroscope only during the inertial reversals.

3. Ring laser gyroscope according to claim 2, further comprising a device for determining the duration of each Reverse in the tremor cycle.

4. Ring laser gyroscope according to claim 1, wherein the phase measuring device comprises:

a device for extracting a part of the clockwise or counterclockwise rotating beam from the cavity;
a device for forming electrical signals which indicate the intensities of the beams clockwise or counterclockwise;
- A device for generating an intensity sum signal or an intensity difference signal, each indicating the sum or difference of intensities of the beams clockwise or counterclockwise sense; and
a demodulator device for processing a signal selected from the intensity sum and intensity difference signals to generate a signal indicating the phase of the selected signal with respect to the heterodyne signals.

5. A ring laser gyroscope according to claim 1, wherein the device for processing the phase error signal to generate a control signal for adjusting the output of the ring laser gyroscope for correcting errors introduced during reversals in the dither cycle comprises:

- A device for determining the sine of the phase error angle;
a device for determining the amount of a coupling coefficient;
a device for determining the product of the sine of the phase error angle and the amount of the coupling coefficient;
a device for measuring the time required for each reversal in the dither cycle; and
a device for integrating the product of the sine of the phase error angle and the amount of a coupling coefficient over time, which is required for each reversal in the dither cycle.

6. A method for correcting errors caused by the coupling of a ring operated with a trembling laser gyroscope, which has a frame with a cavity therein for guiding a first light beam with an intensity I 1, which moves clockwise around the cavity, and one second light beam with an intensity I₂, which moves counterclockwise around the cavity, comprising the process steps:

- trembling of the ring laser gyroscope with a tremor cycle at a vibration frequency ω and a vibration amplitude d;
Superimposing the first and second beams to generate a pair of quadrature heterodyne signals, which are functions of the angular output of the laser ring laser gyroscope;
- Determination of a phase signal which indicates the phase angle between a signal which is selected from the heterodyne signals and a signal which is selected from an I₁ + I₂ indicating intensity sum signal and an I₁ - I₂ indicating intensity difference signal;
- Combining the selected heterodyne signal and the phase signal to determine a phase error signal; and
- Processing the phase error signal to generate a control signal to adjust the output of the ring laser gyroscope to correct errors introduced when reversing the rotational movement of the ring laser gyroscope.

7. The method of claim 6, further comprising a pre direction for detecting reversals in the cit tercycle and a device for adjusting the Output of the ring laser gyroscope only during the order turns in the dither cycle.

8. The method of claim 7, further comprising the step of determine a duration of each reversal in the dither cycle.

9. The method of claim 8, wherein the phasemeasuring device comprises the following steps:

Extracting a part of the clockwise and counterclockwise beam from the cavity;
- Forms of electrical signals which indicate the intensities of the clockwise and counterclockwise rotating rays;
Adding the electrical signals indicating the intensities of the clockwise and counterclockwise beams;
- generating an intensity sum signal indicating I₁ + I₂;
Generating a signal f _D which indicates the phase of the intensity sum signal in combination with a selected one of the heterodyne signals; and
- Processing the signal ϕ _D and the phase of the selected heterodyne signal to calculate the phase of the signals ϕ _S and ϕ _D.

10. The method of claim 6, wherein the step of processing the phase error signal to generate a control signal to adjust the output of the ring laser gyroscope comprises the steps of:

- determining the sine of the phase error angle;
- determining the amount of a coupling coefficient;
- determining the product of the sine of the phase error angle and the amount of the coupling coefficient;
Measuring the time required for each reversal in the dither cycle; and
- Integrate the product of the sine of the phase error angle and the amount of the coupling coefficient over the period of time required for each reversal in the dither cycle.