JP2769924B2 - 光ファイバ回転センサ - Google Patents
光ファイバ回転センサInfo
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- JP2769924B2 JP2769924B2 JP3511727A JP51172791A JP2769924B2 JP 2769924 B2 JP2769924 B2 JP 2769924B2 JP 3511727 A JP3511727 A JP 3511727A JP 51172791 A JP51172791 A JP 51172791A JP 2769924 B2 JP2769924 B2 JP 2769924B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は光ファイバ回転センサに関するものであり、
更に詳しくいえば光ファイバジャイロスコープにおける
変調器周波数制御に関するものである。
更に詳しくいえば光ファイバジャイロスコープにおける
変調器周波数制御に関するものである。
発明の背景 干渉計信号解析は信号波長、波の速度、距離および方
向を、２つの信号の間の干渉現象を用いて決定すること
を含む。特定の応用は光ファイバジャイロスコープ（FO
G）における光信号解析を含むことがある。
向を、２つの信号の間の干渉現象を用いて決定すること
を含む。特定の応用は光ファイバジャイロスコープ（FO
G）における光信号解析を含むことがある。
FOGは光源たとえばレーザダイオードを含む。その光
源はコヒーレントな光またはほぼコヒーレントな光を供
給する。その光は光ファイバ導波路のコイル内を逆向き
に伝わるほぼ等しい２つの波に分割される。それらの波
は、検出器により見られた光の強さがそれらの相対的な
位相に依存するように、コイルにおいて干渉計的に再び
組合わされる。
源はコヒーレントな光またはほぼコヒーレントな光を供
給する。その光は光ファイバ導波路のコイル内を逆向き
に伝わるほぼ等しい２つの波に分割される。それらの波
は、検出器により見られた光の強さがそれらの相対的な
位相に依存するように、コイルにおいて干渉計的に再び
組合わされる。
垂直軸を中心としてコイルが回転すると、波はコイル
を伝わるのに異なる時間を要する。この非可逆現象、サ
ニャック効果として知られている、は検出器における波
の間の相対的な位相を変化（推移）させ、したがって検
出器における光の強さを変化させる。たとえば、コイル
の一端に適当な位相変調を加えると制御できる最初の位
相差に応じて、光の強さ信号の変化の大きさと向き、た
とえば増加または減少、は軸を中心とするコイルに加え
られる回転の速度と向きにそれぞれ依存する。
を伝わるのに異なる時間を要する。この非可逆現象、サ
ニャック効果として知られている、は検出器における波
の間の相対的な位相を変化（推移）させ、したがって検
出器における光の強さを変化させる。たとえば、コイル
の一端に適当な位相変調を加えると制御できる最初の位
相差に応じて、光の強さ信号の変化の大きさと向き、た
とえば増加または減少、は軸を中心とするコイルに加え
られる回転の速度と向きにそれぞれ依存する。
検出器信号の強さは余弦関数であるから、小さい回転
速度には比較的感じない。FOG感度を高くし、FOG回転の
向きを変化させるために、比較的高い周波数において、
たとえば正弦波または方形波、光位相変調（位相振動）
を誘起することが知られている。また、比較的高い周波
数（典型的にはループ固有周波数）において変調周波数
を制御すると、測定帯域幅が、過大なノイズにさらされ
るより低い周波数から測定帯域幅を推移させる。コイル
の一端における位相変調器が、コイルの固有周波数に対
応する周波数で励振される。検出器信号の強さは、逆向
きに伝わる波の間の変調および回転によりひき起こされ
る位相差の関数である。
速度には比較的感じない。FOG感度を高くし、FOG回転の
向きを変化させるために、比較的高い周波数において、
たとえば正弦波または方形波、光位相変調（位相振動）
を誘起することが知られている。また、比較的高い周波
数（典型的にはループ固有周波数）において変調周波数
を制御すると、測定帯域幅が、過大なノイズにさらされ
るより低い周波数から測定帯域幅を推移させる。コイル
の一端における位相変調器が、コイルの固有周波数に対
応する周波数で励振される。検出器信号の強さは、逆向
きに伝わる波の間の変調および回転によりひき起こされ
る位相差の関数である。
しかし、固有周波数は、コイル光導波路の長さおよび
屈折率を含めたコイルの物理的特性に依存する。それら
の特性は環境、たとえば、温度、により変化することが
あり、それにより固有周波数を変化させる。コイルの固
有周波数から変調周波数が変化すると、測定される回転
速度信号に誤差が生じ、そのためにFOGを高い確度の用
途に使用することが不適当になることがある。
屈折率を含めたコイルの物理的特性に依存する。それら
の特性は環境、たとえば、温度、により変化することが
あり、それにより固有周波数を変化させる。コイルの固
有周波数から変調周波数が変化すると、測定される回転
速度信号に誤差が生じ、そのためにFOGを高い確度の用
途に使用することが不適当になることがある。
発明の開示 本発明の目的は、回転速度測定における誤差を小さく
するように、周波数がコイルの固有周波数により制御さ
れるような位相変調器を有する光ファイバ回転センサを
得ることである。
するように、周波数がコイルの固有周波数により制御さ
れるような位相変調器を有する光ファイバ回転センサを
得ることである。
本発明によれば、ループ内を逆向きに伝わる一対の光
波を有する光ファイバ回転センサが、ループの固有周波
数の信号により駆動される変調器を含み、ループを出た
時に波は組合わされて光の強さ信号になる。その光の強
さ信号は検出され、検出された信号は、回転速度成分と
直角（90度）の位相関係にある成分を含み、直角成分の
大きさはループの固有周波数から変調器駆動周波数の偏
移に比例し、直角成分を零の大きさまで駆動することに
より、固有周波数における変調器駆動信号の周波数を制
御するために、直角成分の大きさが帰還で用いられ、そ
れによりループの固有周波数からの変調器駆動信号の周
波数のどのような偏移も補償する。
波を有する光ファイバ回転センサが、ループの固有周波
数の信号により駆動される変調器を含み、ループを出た
時に波は組合わされて光の強さ信号になる。その光の強
さ信号は検出され、検出された信号は、回転速度成分と
直角（90度）の位相関係にある成分を含み、直角成分の
大きさはループの固有周波数から変調器駆動周波数の偏
移に比例し、直角成分を零の大きさまで駆動することに
より、固有周波数における変調器駆動信号の周波数を制
御するために、直角成分の大きさが帰還で用いられ、そ
れによりループの固有周波数からの変調器駆動信号の周
波数のどのような偏移も補償する。
本発明はループの固有周波数における変調周波数のサ
ーボ制御を行うために有用である。こうすることによ
り、FOGは環境の広い変化にわたって回転速度をより正
確に指示できる。その動作により、位相変調器における
スプリアス光の強さ変調と、光ファイバコイルにおける
光学的後方散乱とに関連する潜在的な誤差も減少させら
れる。
ーボ制御を行うために有用である。こうすることによ
り、FOGは環境の広い変化にわたって回転速度をより正
確に指示できる。その動作により、位相変調器における
スプリアス光の強さ変調と、光ファイバコイルにおける
光学的後方散乱とに関連する潜在的な誤差も減少させら
れる。
本発明の以上の目的およびその他の目的、ならびに諸
利点は、添附図面に示されているように、それの実施例
についての下記の詳細な説明から一層明らかになるであ
ろう。
利点は、添附図面に示されているように、それの実施例
についての下記の詳細な説明から一層明らかになるであ
ろう。
図面の簡単な説明 図１は本発明の装置のない光ファイバ回転センサの略
図である。
図である。
図２は、図１のセンサにおける光出力信号の強さの、
回転により誘起された位相差の関数としてのグラフであ
る。
回転により誘起された位相差の関数としてのグラフであ
る。
図３は、図１のセンサにおける一対の逆向きに伝わる
波の間の位相差対時間のグラフである。
波の間の位相差対時間のグラフである。
図４は、図１のセンサが休止している時のそのセンサ
における光出力信号の強さに対する位相変調の作用を示
すグラフである。
における光出力信号の強さに対する位相変調の作用を示
すグラフである。
図５は、図１のセンサが回転している時のそのセンサ
の光出力信号の強さに対する位相変調の作用を示すグラ
フである。
の光出力信号の強さに対する位相変調の作用を示すグラ
フである。
図６は本発明の装置が組込まれている図１のセンサの
略図である。
略図である。
本発明を実施するための最良のモード 図１は、ある長さの第１の光ファイバ13へ結合されて
いる光源12、たとえばレーザダイオードまたはスーパー
ルミネッセントダイオードを有する光ファイバ回転セン
サ、典型的には光ファイバジャイロスコープ（FOG）10
を示す。光ファイバ13は単一モード、高複屈折率光ファ
イバが好ましいが、非複屈折率光ファイバも使用でき
る。光源12からの光は、第１の光ファイバ13に入射する
光の量を最大にするために、その光ファイバの端部へ光
学的に結合される。
いる光源12、たとえばレーザダイオードまたはスーパー
ルミネッセントダイオードを有する光ファイバ回転セン
サ、典型的には光ファイバジャイロスコープ（FOG）10
を示す。光ファイバ13は単一モード、高複屈折率光ファ
イバが好ましいが、非複屈折率光ファイバも使用でき
る。光源12からの光は、第１の光ファイバ13に入射する
光の量を最大にするために、その光ファイバの端部へ光
学的に結合される。
第１の光ファイバ13は、集積化された光学（IO）装置
16へ向けるためのビーム分割器（方向性光結合器）15を
通る。結合器15は既知の融解伸長法または既知の機械的
研磨法を用いて製造できる。
16へ向けるためのビーム分割器（方向性光結合器）15を
通る。結合器15は既知の融解伸長法または既知の機械的
研磨法を用いて製造できる。
第１のファイバ13は第１のポートから結合器15に入
り、第２のポート21を通って出て、光を第２の光ファイ
バ22へ結合する。その第２の光ファイバは第３のポート
で結合器に入り、第４のポート24を通って出る。第２の
光ファイバ22は第４のポート24において非反射終端部2
6、たとえば光吸収終端器または電力モニタ装置、へ結
合できる。第１のポート20へ入る光は２つの波に分割さ
れる。それらの波の強さはほぼ等しくできる。１つの波
は第２のファイバ22を伝わって、第４のポート24を通っ
て出る。他の波は第１のファイバを伝わり、第２のポー
ト21を通って出る。
り、第２のポート21を通って出て、光を第２の光ファイ
バ22へ結合する。その第２の光ファイバは第３のポート
で結合器に入り、第４のポート24を通って出る。第２の
光ファイバ22は第４のポート24において非反射終端部2
6、たとえば光吸収終端器または電力モニタ装置、へ結
合できる。第１のポート20へ入る光は２つの波に分割さ
れる。それらの波の強さはほぼ等しくできる。１つの波
は第２のファイバ22を伝わって、第４のポート24を通っ
て出る。他の波は第１のファイバを伝わり、第２のポー
ト21を通って出る。
第２のポート21を出る光は、たとえば、共同所有され
ているカートニイ他へ付与された米国特許第4,871,226
号に従って、IO装置16の第１のポート30へ光学的に結合
される。
ているカートニイ他へ付与された米国特許第4,871,226
号に従って、IO装置16の第１のポート30へ光学的に結合
される。
参考のためにそれの開示をここに含める。IO装置16は
Ｙ形光導波路31を有する。光は２つのほぼ等しい波へ分
割されて、第２のポート33と第３のポート34で装置16を
出る。
Ｙ形光導波路31を有する。光は２つのほぼ等しい波へ分
割されて、第２のポート33と第３のポート34で装置16を
出る。
第３の光ファイバ45がサニャック検出ループ46に巻か
れる。ファイバ45は単一モードファイバを典型的に含む
が、希望によっては多重モードファイバとすることもで
きる。ファイバ45は、第１のポート30を参照して先に説
明したのと類似のやり方で、IO装置の第２のポート33と
第３のポート34へ光学的に結合される。第２のポート33
と第３のポート34を通ってIO装置を出た２つの波はルー
プ46内を逆向きに伝わる。ループ46は、たとえば円筒形
巻枠に、複数回巻いた光ファイバとすることができる。
れる。ファイバ45は単一モードファイバを典型的に含む
が、希望によっては多重モードファイバとすることもで
きる。ファイバ45は、第１のポート30を参照して先に説
明したのと類似のやり方で、IO装置の第２のポート33と
第３のポート34へ光学的に結合される。第２のポート33
と第３のポート34を通ってIO装置を出た２つの波はルー
プ46内を逆向きに伝わる。ループ46は、たとえば円筒形
巻枠に、複数回巻いた光ファイバとすることができる。
ループ46を通った後で、波は第２のポート33と第３の
ポート34を介してIO装置16に再び入り、導波路31により
再び組合わされる。再び組合わされた波は第１のポート
30を通ってIO装置16を出て、第１のファイバ13内を結合
器の第２のポート21まで伝わる。それから光は２つの波
へ分割される。それら２つの波の強さはほぼ等しくでき
る。１つの波は第１のファイバ13内を伝わり、第１のポ
ート20を通って出て、光源12を通り、または光源12によ
り吸収される。他の波は第２のファイバ22内を伝わり、
第３のポート23を通って光検出器52、たとえば光ダイオ
ードへ出る。この光検出器は第３のポート23における光
信号の強さに比例する電気信号を供給する。この光信号
はFOGの光出力信号を表す。
ポート34を介してIO装置16に再び入り、導波路31により
再び組合わされる。再び組合わされた波は第１のポート
30を通ってIO装置16を出て、第１のファイバ13内を結合
器の第２のポート21まで伝わる。それから光は２つの波
へ分割される。それら２つの波の強さはほぼ等しくでき
る。１つの波は第１のファイバ13内を伝わり、第１のポ
ート20を通って出て、光源12を通り、または光源12によ
り吸収される。他の波は第２のファイバ22内を伝わり、
第３のポート23を通って光検出器52、たとえば光ダイオ
ードへ出る。この光検出器は第３のポート23における光
信号の強さに比例する電気信号を供給する。この光信号
はFOGの光出力信号を表す。
結合器15とIO装置16の間で第１のファイバ13に偏光器
55を形成することが好ましい。この偏光器は単一偏光フ
ィルタとして作用して、１つの偏光モードの光を通し、
直交偏光モードの光が伝わることを阻止する。
55を形成することが好ましい。この偏光器は単一偏光フ
ィルタとして作用して、１つの偏光モードの光を通し、
直交偏光モードの光が伝わることを阻止する。
IO装置16は、第２のポート33の近くで導波路31の分岐
61に既知技術を用いて形成された一対の電極58を含む位
相変調器57を有する。変調器57は既知のAC信号発生器63
から線62を介して供給された変調周波数の信号によりド
ライブされる。
61に既知技術を用いて形成された一対の電極58を含む位
相変調器57を有する。変調器57は既知のAC信号発生器63
から線62を介して供給された変調周波数の信号によりド
ライブされる。
線62における発生器の出力は基準信号として既知のロ
ックイン増幅器67へも供給される。増幅器67は光検出器
52から線68を介して電気信号も受ける。基準信号は増幅
器67が線68における変調周波数の光検出器信号を同期検
出することを可能にする。更に詳しくいえば、増幅器は
線22における光出力信号の強さの変化の第１の調波成分
を検出し、変調周波数の他の全ての調波を阻止する。と
くに、増幅器は第１の調波成分の同相部分、すなわち、
線62上の基準信号と同相の部分を検出する。光出力信号
のこの同相の第１の調波成分は、FOG10の回転速度に、
ある動作範囲で、比例する。増幅器67は、第１の調波成
分に比例する信号を線69に出力して、回転速度を直接指
示する。
ックイン増幅器67へも供給される。増幅器67は光検出器
52から線68を介して電気信号も受ける。基準信号は増幅
器67が線68における変調周波数の光検出器信号を同期検
出することを可能にする。更に詳しくいえば、増幅器は
線22における光出力信号の強さの変化の第１の調波成分
を検出し、変調周波数の他の全ての調波を阻止する。と
くに、増幅器は第１の調波成分の同相部分、すなわち、
線62上の基準信号と同相の部分を検出する。光出力信号
のこの同相の第１の調波成分は、FOG10の回転速度に、
ある動作範囲で、比例する。増幅器67は、第１の調波成
分に比例する信号を線69に出力して、回転速度を直接指
示する。
FOGが零変調周波数で動作させられる、すなわち、信
号発生器63が動作しないとすると、線62における光出力
信号の強さＩ0は下の式１で与えられるように逆向きに
伝わる波の間のサニャック位相差ΦRの余弦関数であ
る。
号発生器63が動作しないとすると、線62における光出力
信号の強さＩ0は下の式１で与えられるように逆向きに
伝わる波の間のサニャック位相差ΦRの余弦関数であ
る。
Ｉ0＝Ｉ1＋Ｉ2＋２（Ｉ1Ｉ2）1/2COS（ΦR） （式１） ここに、、Ｉ1とＩ2は逆向きに伝わる波の個々の強さで
ある。
ある。
図２は式１の関係のカーブ70である。これからわかる
ように、位相差が零の時にＩ0は最大である。また、回
転によりひき起こされる波の間の位相差は、Ｉ0を垂直
軸を中心として対称的に変化させる。光出力信号の強さ
は位相差の小さい変化に比較的感じない。
ように、位相差が零の時にＩ0は最大である。また、回
転によりひき起こされる波の間の位相差は、Ｉ0を垂直
軸を中心として対称的に変化させる。光出力信号の強さ
は位相差の小さい変化に比較的感じない。
図３には、互いに位相が180°異なって変調されてい
る逆向きに伝わる波が正弦波状カーブ75,76により示さ
れている。そのような180°位相差を与える変調周波数
を使用することが望ましい。その理由は、そうすると、
変調器により光出力信号中にひき起こされる振幅変調を
なくし、逆向きに伝わる波の間の位相差を最大にするか
らである。
る逆向きに伝わる波が正弦波状カーブ75,76により示さ
れている。そのような180°位相差を与える変調周波数
を使用することが望ましい。その理由は、そうすると、
変調器により光出力信号中にひき起こされる振幅変調を
なくし、逆向きに伝わる波の間の位相差を最大にするか
らである。
逆向きに伝わる波の間の180°位相関係を生ずるため
に、変調周波数は ｆe＝1/（２γ）＝c/（2nL） （式２） により与えられるループ固有周波数ｆe、のある奇数整
数倍にセットされる。ここに、γはループを伝わる時
間、ｃは真空中の光速;nはループの光ファイバの屈折
率、Ｌはループの光ファイバの長さである。
に、変調周波数は ｆe＝1/（２γ）＝c/（2nL） （式２） により与えられるループ固有周波数ｆe、のある奇数整
数倍にセットされる。ここに、γはループを伝わる時
間、ｃは真空中の光速;nはループの光ファイバの屈折
率、Ｌはループの光ファイバの長さである。
変調周波数がｆeであると、変調された波75,76の間の
位相差Φ1が正弦カーブ78により図３に示されている。
カーブ78は、逆向きに伝わる波を表すカーブを差し引
く、すなわち、カーブ75−カーブ76により得られる。
位相差Φ1が正弦カーブ78により図３に示されている。
カーブ78は、逆向きに伝わる波を表すカーブを差し引
く、すなわち、カーブ75−カーブ76により得られる。
波の変調によりひき起こされる位相差Φ1は回転によ
りひき起こされるサニャック位相差ΦRとは区別できな
い。したがって、線22における光出力信号の強さは式３
により与えられる波の間の全位相差ΦTの関数である。
りひき起こされるサニャック位相差ΦRとは区別できな
い。したがって、線22における光出力信号の強さは式３
により与えられる波の間の全位相差ΦTの関数である。
Ｉ0＝Ｉ1＋Ｉ2＋２（Ｉ1Ｉ2）1/2COS（ΦT） （式３） ここに、ΦT＝ΦR＋Φ1 （式４） である。
図４には光出力信号の強さ、Ｉ0に対する変調器によ
りひき起こされる位相差Φ1の影響が示されている。余
弦カーブ79は式３の関係を示す。波の間の相対的な位相
角が零であると、組合わされた波の強さは最大である。
波の間の相対的な位相が非零であると、位相差ΦTの大
きさに応じたより低い強さを有する。相対的な位相差が
プラス180°またはマイナス180°になるまで、強さはΦ
Tの増加に伴って減少を続ける。その点において逆向き
に伝わる２つの波は破壊的に妨害して、強さは零であ
る。
りひき起こされる位相差Φ1の影響が示されている。余
弦カーブ79は式３の関係を示す。波の間の相対的な位相
角が零であると、組合わされた波の強さは最大である。
波の間の相対的な位相が非零であると、位相差ΦTの大
きさに応じたより低い強さを有する。相対的な位相差が
プラス180°またはマイナス180°になるまで、強さはΦ
Tの増加に伴って減少を続ける。その点において逆向き
に伝わる２つの波は破壊的に妨害して、強さは零であ
る。
FOGの回転がないと、式３における全位相差ΦTの唯一
の成分は、カーブ78により示されているように、変調器
によりひき起こされる位相差ΦTである。変調によりひ
き起こされる位相差カーブ78は検出器における光出力信
号の強さをカーブ88に示すように変化させる。カーブ88
はカーブ78上の点をカーブ79上へ移動させることにより
得られる。カーブ78は逆向きに伝わる波の間の瞬時位相
差を表し、カーブ88は、その特定の位相差に対する光出
力信号の結果としての強さを表す。カーブ79を介するカ
ーブ78の変換はカーブ79の垂直軸を中心として対称であ
るから、検出器52により測定される光の強さは、カーブ
88により示されているように、変調周波数の第２調波に
等しい周波数で周期的に変化する。
の成分は、カーブ78により示されているように、変調器
によりひき起こされる位相差ΦTである。変調によりひ
き起こされる位相差カーブ78は検出器における光出力信
号の強さをカーブ88に示すように変化させる。カーブ88
はカーブ78上の点をカーブ79上へ移動させることにより
得られる。カーブ78は逆向きに伝わる波の間の瞬時位相
差を表し、カーブ88は、その特定の位相差に対する光出
力信号の結果としての強さを表す。カーブ79を介するカ
ーブ78の変換はカーブ79の垂直軸を中心として対称であ
るから、検出器52により測定される光の強さは、カーブ
88により示されているように、変調周波数の第２調波に
等しい周波数で周期的に変化する。
ここで説明するように、線22上の光出力信号の第１調
波の同相部分だけを検出するために増幅器67は同期させ
られる。しかし、検出器の出力信号は変調周波数の第２
調波にあるから（カーブ88）、増幅器67からの線69上の
出力信号は零であって、零回転を示す。
波の同相部分だけを検出するために増幅器67は同期させ
られる。しかし、検出器の出力信号は変調周波数の第２
調波にあるから（カーブ88）、増幅器67からの線69上の
出力信号は零であって、零回転を示す。
ループ46が回転させられると、逆向きに伝わる波の位
相はサニャック効果ごとに推移させられる。サニャック
移相により一定のループ回転速度に対して位相差ΦRは
一定にされ、全体のカーブ78の位相が、図５に示すよう
に、図４に示す零回転位置からΦRに等しい量だけ推移
させられる。このために光出力信号は点84と85の間でカ
ーブ79に沿って非対称的に変化させられ、そのためにカ
ーブ90で示すような光出力信号を生ずる。
相はサニャック効果ごとに推移させられる。サニャック
移相により一定のループ回転速度に対して位相差ΦRは
一定にされ、全体のカーブ78の位相が、図５に示すよう
に、図４に示す零回転位置からΦRに等しい量だけ推移
させられる。このために光出力信号は点84と85の間でカ
ーブ79に沿って非対称的に変化させられ、そのためにカ
ーブ90で示すような光出力信号を生ずる。
正弦波状カーブ92により仮想線で示されているよう
に、光出力信号90は第１の調波成分を有する。カーブ92
は線62上の基準信号および位相変調カーブ78と同相であ
って、それのRMS値は回転によりひき起こされるサニャ
ック位相差ΦRの正弦に比例する。増幅器67は変調器57
の基本周波数を有する同相信号を同期検出するから、線
69における増幅器の出力はカーブ92のRMS値に比例す
る。先に述べたように、この信号を用いてFOG回転速度
を指示できる。
に、光出力信号90は第１の調波成分を有する。カーブ92
は線62上の基準信号および位相変調カーブ78と同相であ
って、それのRMS値は回転によりひき起こされるサニャ
ック位相差ΦRの正弦に比例する。増幅器67は変調器57
の基本周波数を有する同相信号を同期検出するから、線
69における増幅器の出力はカーブ92のRMS値に比例す
る。先に述べたように、この信号を用いてFOG回転速度
を指示できる。
図５はループの１つの向きの回転に対する光出力信号
を示す。しかし、ループが等しい速度で逆向きに回転さ
せられるとすると、カーブ90が図５におけるそれの位相
から180°推移させられることを除き、光出力信号は図
５に示すものに類似する。増幅器67は、第１の調波カー
ブ92の位相を発生器63からの基準信号の位相と比較する
ことにより、光出力信号のその180°位相差を検出し
て、ループの回転が時計回りか、逆時計回りかを判定す
る。回転の向きに応じて、増幅器は正の信号または負の
信号を出力として供給できる。回転の向きとは無関係
に、信号の大きさはループの等しい回転速度に対して同
じである。
を示す。しかし、ループが等しい速度で逆向きに回転さ
せられるとすると、カーブ90が図５におけるそれの位相
から180°推移させられることを除き、光出力信号は図
５に示すものに類似する。増幅器67は、第１の調波カー
ブ92の位相を発生器63からの基準信号の位相と比較する
ことにより、光出力信号のその180°位相差を検出し
て、ループの回転が時計回りか、逆時計回りかを判定す
る。回転の向きに応じて、増幅器は正の信号または負の
信号を出力として供給できる。回転の向きとは無関係
に、信号の大きさはループの等しい回転速度に対して同
じである。
図１〜５を参照して先に説明した回転速度検出装置
は、増幅器67の出力が回転速度に対してほぼ直線的に変
化するようなループのある回転速度範囲内で有効であ
る。希望によっては、既知の帰還技術、たとえば、セロ
ダイン位相変調を含む技術を用いることにより、サニャ
ック位相推移を零にするために、FOGの有効範囲を拡張
できる。
は、増幅器67の出力が回転速度に対してほぼ直線的に変
化するようなループのある回転速度範囲内で有効であ
る。希望によっては、既知の帰還技術、たとえば、セロ
ダイン位相変調を含む技術を用いることにより、サニャ
ック位相推移を零にするために、FOGの有効範囲を拡張
できる。
範囲拡張技術を用いるか否かにはかかわらず、変調周
波数がループの固有周波数に等しくない時、またはそれ
の奇整数倍の時は、回転測定確度が低くなることがあ
る。その理由は、光の後方散乱によりひき起こされる誤
差のようなある誤差が、変調周波数が固有周波数に等し
い時だけ打ち消し、FOG装置が不完全であるために、後
で述べるように、同相増幅器67が、固有周波数からの推
移に関連する角度（90度位相外れ）信号に誤って応答す
ることがあるかも知れないためである。
波数がループの固有周波数に等しくない時、またはそれ
の奇整数倍の時は、回転測定確度が低くなることがあ
る。その理由は、光の後方散乱によりひき起こされる誤
差のようなある誤差が、変調周波数が固有周波数に等し
い時だけ打ち消し、FOG装置が不完全であるために、後
で述べるように、同相増幅器67が、固有周波数からの推
移に関連する角度（90度位相外れ）信号に誤って応答す
ることがあるかも知れないためである。
典型的には、変調器57は、意図する位相変調はもちろ
ん、それを通る波を誤って強さ変調することがある。変
調周波数がループ固有周波数に等しいとすると、ループ
46を出る逆向きに伝わる波で見られる結果としての強さ
変調は逆位相であって、互いに打ち消し合う。
ん、それを通る波を誤って強さ変調することがある。変
調周波数がループ固有周波数に等しいとすると、ループ
46を出る逆向きに伝わる波で見られる結果としての強さ
変調は逆位相であって、互いに打ち消し合う。
しかし、変調周波数が固有周波数から僅かに異なるも
のとすると、その打ち消しは不完全であって、固有周波
数からの偏移に比例し、かつ線62上の位相基準信号、お
よび図４に示すカーブ100により示されているように、
回転によりひき起こされたカーブ92とほぼ直角である強
さ変調成分を見る。線68上の結果としての直角信号は、
たとえば、増幅器の位相回路がドリフトしたり、誤調整
されたとすると、同相増幅器67の出力に誤って寄与する
ことがある。
のとすると、その打ち消しは不完全であって、固有周波
数からの偏移に比例し、かつ線62上の位相基準信号、お
よび図４に示すカーブ100により示されているように、
回転によりひき起こされたカーブ92とほぼ直角である強
さ変調成分を見る。線68上の結果としての直角信号は、
たとえば、増幅器の位相回路がドリフトしたり、誤調整
されたとすると、同相増幅器67の出力に誤って寄与する
ことがある。
ある場合には、スプリアス強さ変調の大きさ、したが
って直角信号の大きさを増大させるために変調器57を変
更すことが実際に望ましいことがある。その理由は、た
とえば、前記後方散乱誤差を減少するためには、固有周
波数からの偏移を検出して、零にするために本発明は、
この信号の存在に依存するからである。周波数偏移が零
にされると、誤って導入されたか、意図的に導入された
かを問わず、直角成分は自動的に零にされ、それによっ
てその直角成分が増幅器67の出力に悪影響を及ぼすこと
を阻止する。
って直角信号の大きさを増大させるために変調器57を変
更すことが実際に望ましいことがある。その理由は、た
とえば、前記後方散乱誤差を減少するためには、固有周
波数からの偏移を検出して、零にするために本発明は、
この信号の存在に依存するからである。周波数偏移が零
にされると、誤って導入されたか、意図的に導入された
かを問わず、直角成分は自動的に零にされ、それによっ
てその直角成分が増幅器67の出力に悪影響を及ぼすこと
を阻止する。
IO装置における電極58の長さを短くすることにより変
調器57を典型的に変更できる。
調器57を典型的に変更できる。
それから、スプリアス強さ変調の大きさ、したがって
直角信号の大きさを大きくするように、発生器63からの
線62上の電圧信号の大きさが増大させられる。上昇した
電圧は、変調器により生じさせられた波の結果として位
相変調に対して限界的な影響を及ぼす。
直角信号の大きさを大きくするように、発生器63からの
線62上の電圧信号の大きさが増大させられる。上昇した
電圧は、変調器により生じさせられた波の結果として位
相変調に対して限界的な影響を及ぼす。
別の例では、図１は、導波路31の分岐61におけるIO装
置上に形成されている一対の電極104を含む別の強さ変
調器102を示す。この変調器102は増幅器106から線105に
与えられる信号により駆動される。その増幅器は線62上
の発生器信号を適正に電圧増幅する。同様のやり方で、
強さ変調の作用はスプリアス強さ変調の大きさを増し、
したがって直角信号を大きくすることである。
置上に形成されている一対の電極104を含む別の強さ変
調器102を示す。この変調器102は増幅器106から線105に
与えられる信号により駆動される。その増幅器は線62上
の発生器信号を適正に電圧増幅する。同様のやり方で、
強さ変調の作用はスプリアス強さ変調の大きさを増し、
したがって直角信号を大きくすることである。
図６には、本発明の変調周波数制御装置が組込まれて
いる図１のFOG10を示す。図２〜５に示すカーブは図６
のFOGの動作を示すのにいぜんとして有効である。検出
器52からの線68上の電気信号は第２の（直角）増幅器11
1へ加えられる。その増幅器は第１のロックイン増幅器
と同様にできる。図１と同様にして、発生器は線62上の
同期基準信号を直角増幅器111へ供給して、直角増幅器
が線68における、基準信号周波数、たとえばループ固有
周波数、の直角成分を同期検波することを可能にする。
基準信号は第１のロックイン増幅器67が、同じ周波数の
検出器信号の同相成分（すなわち、希望の回転速度情
報）を検出することも可能にする。
いる図１のFOG10を示す。図２〜５に示すカーブは図６
のFOGの動作を示すのにいぜんとして有効である。検出
器52からの線68上の電気信号は第２の（直角）増幅器11
1へ加えられる。その増幅器は第１のロックイン増幅器
と同様にできる。図１と同様にして、発生器は線62上の
同期基準信号を直角増幅器111へ供給して、直角増幅器
が線68における、基準信号周波数、たとえばループ固有
周波数、の直角成分を同期検波することを可能にする。
基準信号は第１のロックイン増幅器67が、同じ周波数の
検出器信号の同相成分（すなわち、希望の回転速度情
報）を検出することも可能にする。
直角増幅器は線116を介して信号を発生器63へ供給す
る。その信号は直角出力信号の大きさと符号を示す。発
生器はその信号に応答して、位相変調器への線62上の変
調信号の周波数を固有周波数に等しいように調整する。
このようにして、発生器は周知の電圧制御発振器（VC
O）として用いられる。逆向きに伝わる波の結果として
の変調は直角出力信号（カーブ100）の強さを零に等し
くして、線62上の変調信号の周波数がループ固有周波数
の現在の値に等しいことを示すことにより、環境の変化
によるループ固有周波数のダイナミック変化を補償す
る。
る。その信号は直角出力信号の大きさと符号を示す。発
生器はその信号に応答して、位相変調器への線62上の変
調信号の周波数を固有周波数に等しいように調整する。
このようにして、発生器は周知の電圧制御発振器（VC
O）として用いられる。逆向きに伝わる波の結果として
の変調は直角出力信号（カーブ100）の強さを零に等し
くして、線62上の変調信号の周波数がループ固有周波数
の現在の値に等しいことを示すことにより、環境の変化
によるループ固有周波数のダイナミック変化を補償す
る。
本発明の装置が組込まれたFOGは、環境の広い変化に
わたって、既知の従来装置よりも、回転速度を一層正確
に示す。その動作は、位相変調器におけるスプリアス光
学的強さ変調と、ファイバコイル中の光の後方散乱とに
関連する潜在的な誤差も小さくする。
わたって、既知の従来装置よりも、回転速度を一層正確
に示す。その動作は、位相変調器におけるスプリアス光
学的強さ変調と、ファイバコイル中の光の後方散乱とに
関連する潜在的な誤差も小さくする。
先に説明したように、本発明の装置は光ファイバジャ
イロスコープで実現される。しかし、希望によっては、
ここでの教示に従って当業者には明らかであるやり方で
他の種類の干渉計で本発明を実現できることを理解すべ
きである。
イロスコープで実現される。しかし、希望によっては、
ここでの教示に従って当業者には明らかであるやり方で
他の種類の干渉計で本発明を実現できることを理解すべ
きである。
説明したように、Ｙ形導波路31と、それの上に形成さ
れた位相変調器57とを有するものとしてIO装置16を説明
する。しかし、希望によっては結合器15と偏光器55をそ
の上に形成することもできる。そのように形成すること
により光ファイバ13,22の一部が無くされる。また、光
源12と検出器52をIO装置16に直接に接触して配置するこ
とにより、第１のファイバ13と第２のファイバ22を全く
なくすことができる。更に、結合器15はファイバ13,22
が貫通しているものとして示されている。しかし、その
代わりに結合器15をファイバの端面がそれのポート20,2
1,22,23においてインターフェイスするようなものとす
ることができる。
れた位相変調器57とを有するものとしてIO装置16を説明
する。しかし、希望によっては結合器15と偏光器55をそ
の上に形成することもできる。そのように形成すること
により光ファイバ13,22の一部が無くされる。また、光
源12と検出器52をIO装置16に直接に接触して配置するこ
とにより、第１のファイバ13と第２のファイバ22を全く
なくすことができる。更に、結合器15はファイバ13,22
が貫通しているものとして示されている。しかし、その
代わりに結合器15をファイバの端面がそれのポート20,2
1,22,23においてインターフェイスするようなものとす
ることができる。
上記変化の全ては関連がない。本発明に対しては、ル
ープ内を逆向きに伝わる一対の光波を有する光ファイバ
回転センサが、ループの固有周波数の信号により駆動さ
れる変調器を含み、ループを出た光は組合わされて光の
強さ信号となり、回転速度成分と典型的に直角（90度）
位相関係にある成分を含み、直角成分の大きさはループ
固有周波数からの変調器駆動周波数の任意の偏移に比例
し、直角成分の大きさを零へ駆動することにより固有周
波数である変調器駆動信号の周波数を制御するために、
直角成分の大きさが帰還のようにして用いられ、それに
よりループ固有周波数からの変調器駆動信号の周波数の
任意の偏移を補償する。
ープ内を逆向きに伝わる一対の光波を有する光ファイバ
回転センサが、ループの固有周波数の信号により駆動さ
れる変調器を含み、ループを出た光は組合わされて光の
強さ信号となり、回転速度成分と典型的に直角（90度）
位相関係にある成分を含み、直角成分の大きさはループ
固有周波数からの変調器駆動周波数の任意の偏移に比例
し、直角成分の大きさを零へ駆動することにより固有周
波数である変調器駆動信号の周波数を制御するために、
直角成分の大きさが帰還のようにして用いられ、それに
よりループ固有周波数からの変調器駆動信号の周波数の
任意の偏移を補償する。
本発明をそれのある実施例について説明したが、本発
明の要旨および範囲から逸脱することなしに、種々の変
更、削除および付加を行えることを当業者は理解できる
はずである。
明の要旨および範囲から逸脱することなしに、種々の変
更、削除および付加を行えることを当業者は理解できる
はずである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−189413（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−305363（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−74410（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−9214（ＪＰ，Ａ) 欧州公開245118（ＥＰ，Ａ１) 独国特許出願公開明細書3436249（Ｄ Ｅ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01C 19/72
Claims (1)
- 【請求項１】光導波路ループ（46）であって、前記ルー
プを光波が通過するのに要するループ通過時間が前記ル
ープの環境条件で変化する、光導波路ループ（46）と；
前記ループ（46）内で相互に逆向きに伝わる一対の光波
を供給する手段（12,31）と；周波数制御入力（116）を
有していて、変調信号を発生する信号発生手段（63）
と；前記変調信号に応答して前記光波を変調する位相変
調手段（57）と；前記光波を光出力信号に結合させる手
段（31）と； 前記光出力信号を検出するための手段（52,67）とを備
えて成る光ファイバ回転センサにおいて： 前記出力信号の直角成分を同期的に検出して、大きさと
符号とを有する直角信号を供給し、更に前記直角信号の
大きさと符号とを周波数調整信号に変換する直角検出手
段（111,106）を設け、前記直角信号は、前記ループ通
過時間の逆数の２分の１に等しいループ固有周波数また
は前記ループ固有周波数の奇数倍の信号からの、前記変
調信号の周波数の偏移量を示すものであり、更に前記周
波数調整信号を前記周波数制御入力（116）に供給し
て、前記直角信号の大きさが零に減少して、前記変調信
号の周波数がほゞ前記ループ固有周波数または前記ルー
プ固有周波数の奇数倍に等しくなるように、前記変調信
号の周波数が調整されることを特徴とした光ファイバ回
転センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US533,196 | 1990-06-04 | ||
| US07/533,196 US5090809A (en) | 1990-06-04 | 1990-06-04 | Modulation frequency control in a fiber optic rotation sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05507560A JPH05507560A (ja) | 1993-10-28 |
| JP2769924B2 true JP2769924B2 (ja) | 1998-06-25 |
Family
ID=24124906
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3511727A Expired - Lifetime JP2769924B2 (ja) | 1990-06-04 | 1991-05-24 | 光ファイバ回転センサ |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5090809A (ja) |
| EP (1) | EP0532679B1 (ja) |
| JP (1) | JP2769924B2 (ja) |
| CA (1) | CA2084502C (ja) |
| DE (1) | DE69103147T2 (ja) |
| WO (1) | WO1991019167A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101262174B1 (ko) * | 2011-05-19 | 2013-05-15 | 광주과학기술원 | 단일 솔레노이드로 구성된 자기 구동수단을 이용한 2차원 스캔이 가능한 광섬유 프로브 |
Families Citing this family (41)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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