JPH0310882B2 - - Google Patents
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- JPH0310882B2 JPH0310882B2 JP59244641A JP24464184A JPH0310882B2 JP H0310882 B2 JPH0310882 B2 JP H0310882B2 JP 59244641 A JP59244641 A JP 59244641A JP 24464184 A JP24464184 A JP 24464184A JP H0310882 B2 JPH0310882 B2 JP H0310882B2
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- Gyroscopes (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、光フアイバジヤイロに関するもので
あり、更に詳述するならば、位相変調方式光フア
イバジヤイロに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to an optical fiber gyro, and more specifically, to a phase modulation type optical fiber gyro.
従来の技術
現在、航空機、飛しよう体、自動車、ロボツト
などのナビゲーシヨンや姿勢制御のための角速度
センサとしてジヤイロが使用されるている。この
ジヤイロを使用すれば、角速度だけでなく、それ
を積分することにより方位などのデータも得るこ
とができる。BACKGROUND OF THE INVENTION Currently, gyros are used as angular velocity sensors for navigation and attitude control of aircraft, flying objects, automobiles, robots, and the like. By using this gyro, you can obtain not only angular velocity but also data such as direction by integrating it.
そのようなジヤイロの中で、光フアイバジヤイ
ロは、可動部が全くなく且つ小型化が可能であ
り、更に、最小検出可能角速度（感度）、ドリフ
ト、可測範囲（ダイナミツクレンジ）、スケール
フアクタの安定性の点において、従来のジヤイロ
に比較して優れているために、近年注目され開発
されている。 Among such gyroscopes, fiber optic gyroscopes have no moving parts and can be miniaturized.Furthermore, they have low detectable angular velocity (sensitivity), drift, measurable range (dynamic range), and scale factor. It has attracted attention and development in recent years because it is superior in terms of stability compared to conventional gyroscopes.
そのような光フアイバジヤイロの例は、例え
ば、ギヤロレンジ テー．ジー．、ブカロ ジエ
ー．エー．他『光フアイバセンサ技術』アイ イ
ー イー イー ジヤーナル オブ カンタム
エレクトロニクス（Giallorenzi T.G.、Bucaro
J.A.et al“Optical Fiber Sensor Technology”、
IEEE J.of Quantum Electronics）QE−18、No.
４、pp626−662（1982）やクラシヨウ及びアイ．
ピー．ギレス『光フアイバ ジヤイロスコープ』
ジヤーナル オブ フイジクス エレクトロニク
ス サイエンス インストルメント（Culshaw
and I.P.Giles“Fiber Optic Gyroscopes”J.
Phys.E：Sci Instrum.）16pp5−15、（1983）」
や、坪川、大塚「光フアイバジヤイロスコープ」
レーザ研究、11、No.12、pp889−902（1983）など
に詳しく示されている。 Examples of such fiber optic tires include, for example, gear range gear. G. , Bukalo J. A. Other "Optical Fiber Sensor Technology" IEE Journal of Quantum
Electronics (Giallorenzi TG, Bucaro
JAet al “Optical Fiber Sensor Technology”,
IEEE J. of Quantum Electronics) QE−18 , No.
4, pp626-662 (1982) and Kurashio and I.
P. Gilles “Optical Fiber Gyroscope”
Journal of Physics Electronics Science Instruments (Culshaw)
and IPGiles “Fiber Optic Gyroscopes”J.
Phys.E:Sci Instrum.) 16 pp5−15, (1983)”
Ya, Tsubokawa, Otsuka "Optical fiber gyroscope"
It is explained in detail in Laser Research, 11 , No. 12, pp. 889-902 (1983).
光フアイバジヤイロには、位相バイアス方式、
位相変調方式、周波数変調方式などがあるが、そ
の中で、最小検出可能角速度などの点で最も優れ
ているものが、位相変調方式光フアイバジヤイロ
である。 Optical fiber gyro uses phase bias method,
There are phase modulation methods, frequency modulation methods, etc., but among them, the phase modulation method optical fiber iron is the most superior in terms of minimum detectable angular velocity.
そこで、第３図を参照して、その位相変調方式
光フアイバジヤイロの原理を説明する。 Therefore, with reference to FIG. 3, the principle of the phase modulation type optical fiber coil will be explained.
発光素子１０からのレーザ光は、ビームスプリ
ツタ１２により２つに分けられ、結合レンズ１４
及び１６を介して、光フアイバ１８の両端に結合
される。その光フアイバ１８は、センサコイル２
０を構成するように巻回された部分と、周波数fn
すなわち角周波数ωn（＝2πfn）で駆動されるピエ
ゾ素子のような位相変調素子２２に巻き付けられ
た部分２４とに分けられている。そして、光フア
イバの両端から結合された光は、それぞれ、光フ
アイバのセンサコイル２０内を右回りと左回りに
伝搬し、反対側の端部より出射し、ビームスプリ
ツタ１２により合成されて受光素子２６に入射す
る。 The laser beam from the light emitting element 10 is split into two by a beam splitter 12, and the laser beam is split into two by a beam splitter 12, and then passed through a coupling lens 14.
and 16 to both ends of optical fiber 18. The optical fiber 18 is connected to the sensor coil 2
0 and the frequency f n
That is, it is divided into a portion 24 wound around a phase modulation element 22 such as a piezo element driven at an angular frequency ω n (=2πf n ). The light coupled from both ends of the optical fiber propagates clockwise and counterclockwise within the sensor coil 20 of the optical fiber, exits from the opposite end, is combined by the beam splitter 12, and is received. incident on element 26.
レーザ光がセンサコイル２０を伝搬するとき、
そのセンサコイル２０が回転を受けていると、右
回り光と左回り光とに、いわゆるサニヤツク効果
により、位相差Δθができ、その位相差はセンサ
コイル２０の受けている回転角速度に比例してい
る。一方、光フアイバは、位相変調素子２２に巻
き付けられた部分において、位相変調素子２２の
伸縮に応じて光フアイバ長さが変化し、周波数
fn、すなわち角周波数ωn（＝2πfn）で位相変調さ
れる。 When the laser light propagates through the sensor coil 20,
When the sensor coil 20 is rotated, a phase difference Δθ is created between the clockwise light and the counterclockwise light due to the so-called sannyac effect, and the phase difference is proportional to the rotational angular velocity that the sensor coil 20 is undergoing. There is. On the other hand, in the part where the optical fiber is wound around the phase modulation element 22, the length of the optical fiber changes according to the expansion and contraction of the phase modulation element 22, and the frequency
The phase is modulated at f n , that is, the angular frequency ω n (=2πf n ).
以上のような位相変調方式光フアイバジヤイロ
において、今、位相変調がないとすると、光フア
イバ１８を左回りに伝搬した光の振幅e1及び光フ
アイバ１８を右回りに伝搬した光の振幅e2は次の
ように表される。 In the above-described phase modulation type optical fiber iron, if there is no phase modulation, the amplitude e 1 of the light propagated counterclockwise in the optical fiber 18 and the amplitude e 2 of the light propagated clockwise in the optical fiber 18 are as follows. It is expressed as follows.
e1＝E1sin（ωt＋Δθ／２）
e2＝E2sin（ωt−Δθ／２）
但し、
E1、E2：左回り光及び右回り光の振幅
ω：光の角周波数
ｔ：時間
Δθ：サニヤツク効果による位相差
Δθ＝4πLa／cλΩ
Ｌ：センサコイルのフアイド長
ａ：センサコイルの直径
ｃ：真空中の光速度
λ：光の波長
Ω：回転角速度
これに対して、位相変調素子２２を駆動する
と、光フアイバ１８を左回りに伝搬した光の振幅
e1及び光フアイバ１８を右回りに伝搬した光の振
幅e2は次のように表される。 e 1 = E 1 sin (ωt + Δθ/2) e 2 = E 2 sin (ωt − Δθ/2) However, E 1 , E 2 : Amplitude of counterclockwise light and clockwise light ω: Angular frequency of light t: Time Δθ: Phase difference due to sannyac effect Δθ=4πLa/cλΩ L: Fade length of sensor coil a: Diameter of sensor coil c: Speed of light in vacuum λ: Wavelength of light Ω: Rotation angular velocity On the other hand, phase modulation element 22 When driven, the amplitude of the light propagating counterclockwise through the optical fiber 18 increases.
e 1 and the amplitude e 2 of the light propagated clockwise through the optical fiber 18 is expressed as follows.
e1＝E1sin｛ωt＋Δθ／２＋bsin（ωnｔ＋φ／
２）｝
e2＝E2sin｛ωt−Δθ／２＋bsin（ωnｔ−φ／
２）｝
但し、
φ＝nLωn／ｃ＝2nπfnＬ／ｃ
ｂ：変調度
以上のような２つの光を重ね合せて受光素子２
６で受光すると、その受光素子２６の出力Ｓ
（Δθ、ｔ）は、次のように表される。 e 1 =E 1 sin{ωt+Δθ/2+bsin(ω n t+φ/
2)} e 2 = E 2 sin {ωt−Δθ/2+bsin(ω n t−φ/
2)} However, φ=nLω n /c=2nπf n L/c b: Modulation degree The above two lights are superimposed and sent to the light receiving element 2.
6, the output S of the light receiving element 26
(Δθ, t) is expressed as follows.
Ｓ（Δθ、ｔ）＝｜E1sin｛ωt＋Δθ／２＋bsin（ωn
ｔ＋φ／２）｝
＋E2sin｛ωt−Δθ／２＋bsin（ωnｔ−φ／２）｝
｜2＝１／２（E1 2＋E2 2）＋（2ωt以上の成分）
−E1E2J0（2bsinφ／２）cosΔθ−E1E22∞
〓n=1
（−１）nJ2o（2bsinφ／２）cos2nωnｔ・cosΔθ
＋E1E22∞
〓
〓n=0
（−１）nJ2o+1（2bsinφ／２）cos（2n＋１）ωnｔ
・sinΔθ＝DC成分
＋2E1E2J1（2bsinφ／２）cosωnｔ・sinΔθ−2E1E2
J2（2bsinφ／２）cos2ωnｔ・cosΔθ
＋高次成分 ………(1)
但し、Ｊはベツセル関数
となる。従つて、位相変調素子２２の変調周波数
fnで同期検波すると、その検波で得れる出力V0
は
V0＝CsinΔθ
＝Csin（4πLaΩ／cλ） ………(2)
但し、Ｃ：定数
となる。すなわち、位相変調方式光フアイバジヤ
イロにおいては、位相変調素子の変調周波数fn成
分の振幅から回転角速度に比例する量Δθを検出
することができる。S(Δθ, t)=|E 1 sin{ωt+Δθ/2+bsin(ω n
t+φ/2)} +E 2 sin{ωt−Δθ/2+bsin(ω n t−φ/2)}
｜ 2 = 1/2 (E 1 2 + E 2 2 ) + (component over 2ωt) −E 1 E 2 J 0 (2bsinφ/2) cosΔθ−E 1 E 2 2 ∞ 〓 n=1 (−1) n J 2o (2bsinφ/2)cos2nω n t・cosΔθ +E 1 E 2 2 ∞ 〓 〓 n=0 (−1) n J 2o+1 (2bsinφ/2)cos(2n+1)ω n t
・sinΔθ=DC component +2E 1 E 2 J 1 (2bsinφ/2)cosω n t・sinΔθ−2E 1 E 2
J 2 (2bsinφ/2) cos2ω n t・cosΔθ + higher-order components (1) However, J is a Betzel function. Therefore, the modulation frequency of the phase modulation element 22
When synchronous detection is performed with f n , the output obtained by that detection is V 0
is V 0 =CsinΔθ =Csin(4πLaΩ/cλ) (2) where C: is a constant. That is, in the phase modulation type optical fiber iron, the amount Δθ proportional to the rotational angular velocity can be detected from the amplitude of the modulation frequency f n component of the phase modulation element.
発明が解決しようとする問題点
以上のような位相変調方式光フアイバジヤイロ
にあつては、位相変調素子２２には、ピエゾ半導
体やLiNbO3などの強誘電体結晶を使用した素子
が使用されている。これら圧電振動材料は、通常
に受ける温度の変化程度で、特性が変化しやす
い。具体的に例示するならば、圧電振動素子は、
同一電圧が印加されたときの振動の大きさに温度
依存性を有し、その結果、光フアイバを伝搬する
光に対する変調度に温度依存性ができる。そのた
め、上記した式(2)における定数Ｃが実際には定数
と成らず変化するため、光フアイバジヤイロのス
ケールフアクタがその位相変調素子の温度特性に
より制限されてしまう問題があつた。Problems to be Solved by the Invention In the phase modulation type optical fiber iron as described above, the phase modulation element 22 is an element using a piezo semiconductor or a ferroelectric crystal such as LiNbO 3 . The characteristics of these piezoelectric vibrating materials tend to change due to changes in temperature that they are normally exposed to. To give a specific example, the piezoelectric vibrating element is
The magnitude of vibration when the same voltage is applied has a temperature dependence, and as a result, the degree of modulation of light propagating through the optical fiber has a temperature dependence. Therefore, since the constant C in the above equation (2) is not actually a constant but changes, there is a problem in that the scale factor of the optical fiber coil is limited by the temperature characteristics of the phase modulation element.
そこで、本発明は、上記した問題を解決して、
経時的安定性及び耐環境性に優れた位相変調方式
光フアイバジヤイロを提供せんとするものであ
る。 Therefore, the present invention solves the above problems and
It is an object of the present invention to provide a phase modulation type optical fiber gyroscope having excellent stability over time and environmental resistance.
問題点を解決するための手段
以上の目的の下に、本発明は種々研究し、その
過程において、上記した式(1)のベツセル関数に注
目した。上述したように位相変調方式光フアイバ
ジヤイロでは、受光素子から出力される信号成分
の内のsinΔθの項（上記式(1)の右辺第２項）すな
わち周波数fnの成分の大きさを検出する。その項
に含まれる第１次ベツセル関数は、第２図に示す
ような変化を示し、ｘが約1.8の時最大になる。Means for Solving the Problems With the above objectives in mind, the present invention conducted various studies, and in the process, focused on the Betzel function of the above-mentioned formula (1). As described above, in the phase modulation type optical fiber iron, the magnitude of the sin Δθ term (the second term on the right side of the above equation (1)), that is, the frequency f n component of the signal components output from the light receiving element is detected. The first-order Betzel function included in that term exhibits changes as shown in Figure 2, and reaches a maximum when x is approximately 1.8.
そこで、受光素子の出力を位相変調素子の変調
周波数fnで同期検波する際、最大振幅の出力を得
るには、J1（2bsinφ／２）が最大となる付近、す
なわち、
2bsinφ／２≒1.8
となるように、位相変調素子の動作点を設定す
る。そのように動作点を設定する１つの手段とし
ては、位相変調素子を駆動する変調電力を制御し
て変調の深さｂを調節することがあり、また、
2bsinφ／２≒1.8を満足する変調度ｂを維持する
ように帰還制御するればよい。 Therefore, when synchronously detecting the output of the light receiving element using the modulation frequency f n of the phase modulation element, in order to obtain the maximum amplitude output, the detection must be performed near the maximum value of J 1 (2bsinφ/2), that is, 2bsinφ/2≒1.8 The operating point of the phase modulation element is set so that One way to set the operating point in this way is to adjust the modulation depth b by controlling the modulation power that drives the phase modulation element;
Feedback control may be performed to maintain the modulation degree b satisfying 2bsinφ/2≈1.8.
しかし、第１次ベツセル関数J1（ｘ）はｘが1.8
付近で最大になる一方、ｘが1.8付近で変化して
もJ1（ｘ）の変化は僅かである。そのため、ωn
（＝2πfn）成分の出力レベルをモニタしてJ1
（2bsinφ／２）が最大となるように位相変調素子
の変調度を帰還制御しても、感度よく変調度の制
御を行うことができず、精度よくJ1（2bsinφ／２）
を最大に維持することは困難である。 However, the first Betzel function J 1 (x) has x of 1.8
On the other hand, even if x changes around 1.8, the change in J 1 (x) is slight. Therefore, ω n
(=2πf n ) by monitoring the output level of the component and
Even if the modulation degree of the phase modulation element is feedback-controlled so that (2bsinφ/2) is maximized, the modulation degree cannot be controlled with good sensitivity, and J 1 (2bsinφ/2) is accurately controlled.
is difficult to maintain at maximum.
そこで、ほかの次数のベツセル関数を検討する
と、第２次ベツセル関数J2は、J1が最大値付近
で、J1の半分の大きさを有し、且つ、その傾きが
ほぼ45゜ある。すなわち、J1が最大値付近で、J2
の値は、十分なレベルを有し、且つｘが変化する
とそれに応じて大きく変化する。 Therefore, when considering Betzel functions of other orders, the second-order Betzel function J 2 has a magnitude that is half that of J 1 when J 1 is near the maximum value, and its slope is approximately 45°. That is, when J 1 is near the maximum value, J 2
The value of has a sufficient level and changes significantly as x changes.
なお、上記式(1)において、この第２次ベツセル
関数J2を含む右辺第３項はcosΔθをも含んでい
る。一般に、光フアイバジヤイロは、Δθ≒０付
近で使用されるので、cosΔθ≒１であり、その右
辺第３項は、実際に検出している角速度の影響は
ほとんどない。 Note that in the above equation (1), the third term on the right side that includes this second-order Betzel function J 2 also includes cosΔθ. Generally, an optical fiber gyro is used at around Δθ≈0, so cosΔθ≈1, and the third term on the right side has almost no effect on the angular velocity that is actually detected.
従つて、第２次ベツセル関数J2を含む2ωn（＝
2.2πfn）成分の出力レベルをモニタすることによ
り、高感度に、J1最大化のための動作点のズレを
検出することができる。 Therefore, 2ω n (=
By monitoring the output level of the 2.2πf n ) component, a shift in the operating point for maximizing J 1 can be detected with high sensitivity.
本発明は以上述べた知見に基づいてなされたも
のである。すなわち、本発明によるならば、セン
サコイルを構成する部分と位相変調素子が設けら
れた部分とを有する光フアイバと、前記光フアイ
バの両端に可干渉性光を供給する光源と、前記光
フアイバの両端から該光フアイバを伝搬した光を
受ける受光素子とを少なくとも具備してなる位相
変調方式光フアイバジヤイロにおいて、前記位相
変調素子を周波数fnで駆動する位相変調素子駆動
回路と、前記受光素子の出力を受けて周波数2fn
の成分を抽出して該周波数2fnの成分が一定レベ
ルとなるように前記位相変調素子駆動回路による
位相変調度を制御する変調度制御回路とを設けた
ことを特徴とする位相変調方式光フアイバジヤイ
ロが提供される。 The present invention has been made based on the above-mentioned findings. That is, according to the present invention, an optical fiber having a part constituting a sensor coil and a part provided with a phase modulation element, a light source that supplies coherent light to both ends of the optical fiber, and a part of the optical fiber are provided. A phase modulating optical fiber coil comprising at least a light receiving element that receives light propagated through the optical fiber from both ends, a phase modulating element driving circuit that drives the phase modulating element at a frequency f n , and an output of the light receiving element. frequency 2f n
and a modulation degree control circuit for extracting the component of frequency 2f n and controlling the phase modulation degree by the phase modulation element drive circuit so that the component of the frequency 2f n is at a constant level. is provided.
作 用
以上のような位相変調方式光フアイバジヤイロ
においては、受光素子の出力を受けて周波数2fn
の成分を抽出している変調度制御回路が、該周波
数2fnの成分すなわち上記した式(1)の2ωnの項の
成分が一定レベルとなるように、位相変調素子を
周波数fnで駆動する位相変調素子駆動回路による
変調度ｂを制御する。それ故、上記一定レベルを
2bsinφ／２≒1.8のときの上記式(1)の右辺第３項
の値に対応する値に設定することにより、
2bsinφ／２の1.8を中心とする僅かな変化に対し
ても感度よく帰還制御することができる。Function In the above-mentioned phase modulation type optical fiber coil, the frequency 2f n
The modulation degree control circuit that extracts the component drives the phase modulation element at the frequency f n so that the component of the frequency 2f n , that is, the component of the 2ω n term in equation (1) above, is at a constant level . The degree of modulation b by the phase modulation element drive circuit is controlled. Therefore, the above certain level
By setting the value corresponding to the value of the third term on the right side of the above equation (1) when 2bsinφ/2≒1.8,
Feedback control can be performed with high sensitivity even to slight changes centered around 1.8 of 2bsinφ/2.
従つて、位相変調素子による変調特性が温度に
より変化しても、十分追従して変調度を一定に維
持することができ、位相変調素子の温度依存性に
よる影響を実質的に除去することができる。それ
故、経時的安定性及び耐環境性に優れた位相変調
方式光フアイバジヤイロが実現できる。 Therefore, even if the modulation characteristics of the phase modulation element change due to temperature, the degree of modulation can be sufficiently followed and maintained constant, and the influence of the temperature dependence of the phase modulation element can be substantially eliminated. . Therefore, it is possible to realize a phase modulation type optical fiber iron with excellent stability over time and environmental resistance.
実施例
以下添付図面を参照して本発明による位相変調
方式光フアイバジヤイロの実施例を説明する。Embodiments Hereinafter, embodiments of the phase modulation type optical fiber coil according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
第１図は、本発明による位相変調方式光フアイ
バジヤイロの１つの実施例の構成を示した図であ
る。この位相変調方式光フアイバジヤイロは、光
フアイバジヤイロの基本的条件を備えた最小構成
を成している。なお、この最小構成については、
イゼキール エス．及びアーデイテイ エイチ．
ジエー．『光フアイバ回転センサ』スプリンガー
−フエアラーク ベルリン（Ezekil S.and
Arditty H.J.：“FiberOptic Rotation
Sensors”、Springer−Verlag Berlin.）1982に詳
しい説明がある。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of one embodiment of a phase modulation type optical fiber coil according to the present invention. This phase modulation type optical fiber coil has a minimum configuration that meets the basic requirements of an optical fiber coil. Regarding this minimum configuration,
Izekiel S. and ADT H.
J.A. "Optical fiber rotation sensor" Springer-Verlag Berlin (Ezekil S.and
Arditty HJ: “Fiber Optic Rotation
A detailed explanation can be found in "Sensors", Springer-Verlag Berlin.) 1982.
図示の位相変調方式光フアイバジヤイロにおい
ては、半導体レーザなどの発光素子３０のような
光源が設けられ、レーザ駆動電源３２のような電
源により駆動されて、可干渉性光ビームを発生す
る。その発光素子３０が発生する光ビームは、レ
ンズ３４を介して、ハーフミラー３６のようなビ
ームスプリツタに送られる。そのハーフミラー３
６を透過した光ビームは、レンズ３８を介して、
モードフイルタを構成するシングルモード光フア
イバ４０の一端にに結合される。 In the illustrated phase modulation type optical fiber iron, a light source such as a light emitting element 30 such as a semiconductor laser is provided, and is driven by a power source such as a laser driving power source 32 to generate a coherent light beam. The light beam generated by the light emitting element 30 is sent through a lens 34 to a beam splitter such as a half mirror 36. That half mirror 3
The light beam transmitted through 6 passes through lens 38,
It is coupled to one end of a single mode optical fiber 40 constituting a mode filter.
シングルモード光フアイバ４０の他端から出力
された光ビームは、レンズ４２を介して、ハーフ
ミラー４４のようなビームスプリツタに送られ
る。そして、それらハーフミラー４４で２つに分
けられた光ビームは、それぞれレンズ４６及び４
８を介して、光フアイバ５０の両端に結合され
る。 The light beam output from the other end of single mode optical fiber 40 is directed through lens 42 to a beam splitter, such as a half mirror 44. The light beams divided into two by these half mirrors 44 are split into two by lenses 46 and 4, respectively.
8 to both ends of the optical fiber 50.
光フアイバ５０は、光フアイバセンサを構成す
るように、多数回コイル状に巻かれてセンサコイ
ル５２と、周波数fnで駆動されるピエゾ半導体素
子またはLNO素子（LiNbO3を材料とした素子）
のような位相変調素子５４に巻き付けられた部分
５６とからなつている。 The optical fiber 50 is wound into a coil many times to form an optical fiber sensor, and includes a sensor coil 52 and a piezo semiconductor element or an LNO element (an element made of LiNbO 3 ) driven at a frequency f n .
It consists of a portion 56 wound around a phase modulation element 54 such as .
光フアイバ５０を右回りと左回りとに伝搬した
光ビームは、光フアイバ５０の両端からそれぞれ
レンズ４６及び４８を介して出力されて、ハーフ
ミラー４４により合成され、更に、レンズ４２を
介してシングルモード光フアイバ４０の他端に結
合される。 The light beams propagated clockwise and counterclockwise through the optical fiber 50 are output from both ends of the optical fiber 50 via lenses 46 and 48, respectively, are combined by a half mirror 44, and are further combined into a single beam via a lens 42. The mode optical fiber 40 is coupled to the other end.
そして、そのシングルモード光フアイバ４０に
結合された光ビームは、ハーフミラー３６で反射
されて、レンズ５８を介して、受光素子６０に入
射する。 The light beam coupled to the single mode optical fiber 40 is reflected by the half mirror 36 and enters the light receiving element 60 via the lens 58.
その受光素子６０の電気出力は、プリアンプ６
２を介して、２つの同期検波器６４Ａ及び６４Ｂ
の入力に接続されている。それら同期検波器６４
Ａ及び６４Ｂは、発振器６６から周波数fn及び
2fnがそれぞれ供給されている。一方、上記した
位相変調素子５４は、発振器６６から周波数fnを
受ける位相変調素子駆動回路６８により周波数fn
で駆動される。 The electrical output of the light receiving element 60 is the preamplifier 6
2, two synchronous detectors 64A and 64B
is connected to the input of Those synchronous detectors 64
A and 64B are the frequencies f n and
2f n are supplied respectively. On the other hand, the phase modulation element 54 described above is operated at a frequency f n by a phase modulation element drive circuit 68 that receives a frequency f n from an oscillator 66 .
is driven by.
従つて、同期検波器６４Ａは、受光素子６０の
出力を周波数fnで同期検波し、周波数fnの成分を
含む信号をローパスフイルタ７０Ａに出力し、そ
のローパスフイルタ７０Ａは、周波数fnの成分の
電圧信号を出力する。一方、同期検波器６４Ｂ
は、受光素子６０の出力を周波数2fnで同期検波
し、周波数2fnの成分を含む信号をローパスフイ
ルタ７０Ｂに出力する。そのローパスフイルタ７
０Ｂの出力は、コンパレータ７２の一方の入力に
接続されている。そのコンパレータ７０Ｂの他方
の入力には、基準電圧源７４に接続されている。
かくして、コンパレータ７２は、両入力の差を位
相変調素子駆動回路６８に出力する。 Therefore, the synchronous detector 64A synchronously detects the output of the light receiving element 60 at the frequency f n and outputs a signal containing the frequency f n component to the low pass filter 70A, which detects the frequency f n component. Outputs a voltage signal. On the other hand, the synchronous detector 64B
synchronously detects the output of the light receiving element 60 at a frequency of 2f n and outputs a signal containing a component of the frequency 2f n to a low-pass filter 70B. The low pass filter 7
The output of 0B is connected to one input of comparator 72. The other input of the comparator 70B is connected to a reference voltage source 74.
Thus, the comparator 72 outputs the difference between both inputs to the phase modulation element drive circuit 68.
以上のように構成される位相変調方式光フアイ
バジヤイロは、次のように動作する。 The phase modulation type optical fiber coil configured as described above operates as follows.
電源３２により駆動される発光素子３０からの
光ビームは、レンズ３４を介して、ハーフミラー
３６に送られ、そのハーフミラー３６を透過した
光ビームは、レンズ３８を介して、シングルモー
ド光フアイバ４０の一端に結合されて、単一のモ
ードのレーザ光のみが、それらシングルモード光
フアイバ４０の他端から出力され、レンズ４２を
介して、ハーフミラー４４に送られる。そして、
それらハーフミラー４４で２つに分けられた光ビ
ームは、それぞれレンズ４６及び４８を介して、
光フアイバ５０の両端に結合される。 A light beam from a light emitting element 30 driven by a power source 32 is sent to a half mirror 36 via a lens 34, and the light beam transmitted through the half mirror 36 is sent to a single mode optical fiber 40 via a lens 38. Only a single mode of laser light is output from the other end of the single mode optical fibers 40 and sent to the half mirror 44 via the lens 42 . and,
The light beams divided into two by the half mirror 44 pass through lenses 46 and 48, respectively.
It is coupled to both ends of optical fiber 50.
光フアイバ５０に入力された光ビームは、回転
を受けているセンサコイル５２の部分で位相差が
でき、また、位相変調素子駆動回路６８によつて
周波数fnの交流で駆動される位相変調素子５４に
巻き付けられた部分５６において位相変調され
る。 The light beam input to the optical fiber 50 has a phase difference at the part of the sensor coil 52 undergoing rotation, and a phase modulation element driven by an alternating current of frequency f n by a phase modulation element drive circuit 68. Phase modulation is performed in a portion 56 wrapped around 54.
そのように光フアイバ５０において位相差がで
き且つ位相変調された右回り光ビームと左回り光
ビームは、光フアイバ５０の両端からそれぞれレ
ンズ４６及び４８を介して出力されて、ハーフミ
ラー４４により合成され、更に、レンズ４２を介
してシングルモード光フアイバ４０の他端に結合
される。そして、そのシングルモード光フアイバ
４０に結合された光ビームは、ハーフミラー３６
によつてレンズ５８を介して受光素子６０に入射
する。 The clockwise light beam and the counterclockwise light beam, which have a phase difference and are phase-modulated in the optical fiber 50, are output from both ends of the optical fiber 50 through lenses 46 and 48, respectively, and are combined by a half mirror 44. and is further coupled to the other end of the single mode optical fiber 40 via a lens 42. The light beam coupled to the single mode optical fiber 40 is transmitted to the half mirror 36
The light enters the light receiving element 60 through the lens 58.
受光素子６０の電気出力は、プリアンプ６２を
介して、発振器６６から位相変調素子５４の駆動
周波数fnを参照周波数として受けている同期検波
器６４Ａに入力される。その同期検波器６４Ａ
は、入力信号を周波数fnで同期検波して、周波数
fnの成分を含む信号をローパスフイルタ７０Ａに
出力し、そのローパスフイルタ７０Ａは、周波数
fnの成分すなわち上記した式(1)のfnを含む右辺第
２項の電圧信号を出力する。すなわち、センサコ
イル５２において発生した位相差Δθを示す電圧
信号が出力される。 The electrical output of the light receiving element 60 is input via a preamplifier 62 to a synchronous detector 64A which receives the drive frequency f n of the phase modulating element 54 as a reference frequency from an oscillator 66. The synchronous detector 64A
performs synchronous detection of the input signal at frequency f n and calculates the frequency
A signal containing a component of f n is output to a low-pass filter 70A, and the low-pass filter 70A
The voltage signal of the second term on the right side including the f n component, that is, f n in the above equation (1) is output. That is, a voltage signal indicating the phase difference Δθ generated in the sensor coil 52 is output.
一方、同期検波器６４Ｂは、周波数2fnを参照
周波数として受けているので、受光素子６０の出
力の内の周波数2fnの成分の電圧、すなわち、上
記した式(1)の右辺第３項の電圧信号をコンパレー
タ７０に出力する。このコンパレータ７０の他方
の入力に接続されている基準電圧源７４は、
2bsinφ／２≒1.8となるときの式(1)の右辺第３項
の値に対応する電圧に設定されているので、その
基準電圧より小さいときには、位相変調素子駆動
回路６８による駆動電圧を増大させて位相変調素
子による変調度を高めさせ、反対に、基準電圧よ
り大きいときには、位相変調素子駆動回路６８に
よる駆動電圧を減少させて位相変調素子による変
調度を低下させる。上述したように、上記した式
(1)のJ2の項の値は、十分なレベルを有し、且つ
2bsinφ／２が変化するとそれに応じて大きく変
化するので、感度よく上記変調度の帰還制御が行
われる。かくして、J1（2bsinφ／２）が最大すな
わち約1.8に維持されるように位相変調素子の変
調度を帰還制御される。 On the other hand, since the synchronous detector 64B receives the frequency 2f n as a reference frequency, the voltage of the frequency 2f n component of the output of the light receiving element 60, that is, the third term on the right side of the above equation (1). A voltage signal is output to the comparator 70. A reference voltage source 74 connected to the other input of this comparator 70 is
Since the voltage is set to correspond to the value of the third term on the right side of equation (1) when 2bsinφ/2≒1.8, when it is smaller than the reference voltage, the drive voltage by the phase modulation element drive circuit 68 is increased. On the contrary, when the voltage is higher than the reference voltage, the driving voltage by the phase modulating element drive circuit 68 is decreased to lower the modulating degree by the phase modulating element. As mentioned above, the above formula
The value of the term J2 in (1) has a sufficient level and
When 2bsinφ/2 changes, it changes significantly accordingly, so the feedback control of the modulation degree is performed with good sensitivity. In this way, the modulation degree of the phase modulation element is feedback-controlled so that J 1 (2bsinφ/2) is maintained at the maximum, that is, approximately 1.8.
以上の説明からわかるように、同期検波器６４
Ｂ、ローパスフイルタ７０Ｂ、コンパレータ７
２、基準電圧源７４及び発振器６６の周波数2fn
を発振する部分は、位相変調素子駆動回路６８に
対する変調度制御回路を構成しているが、その変
調度制御回路は、上記した構成に限らず、周波数
2fnの成分を検出してそれが一定のレベルにある
ように制御できるものであれば、どのような構成
のものでもよい。 As can be seen from the above explanation, the synchronous detector 64
B, low pass filter 70B, comparator 7
2. Frequency 2f n of reference voltage source 74 and oscillator 66
The part that oscillates constitutes a modulation degree control circuit for the phase modulation element drive circuit 68, but the modulation degree control circuit is not limited to the above-mentioned configuration.
Any configuration may be used as long as it can detect the 2f n component and control it so that it is at a constant level.
また、上記した本発明による位相変調方式光フ
アイバジヤイロは、位相変調素子として温度依存
性の大きなピエゾ半導体やLiNbO3などの強誘電
体結晶を使用した圧電振動素子を使用した場合に
効果があるが、電源電圧の変動などにより変調度
が変動する場合にも、その変調度を一定に維持す
る効果もある。 Further, the above-described phase modulation type optical fiber iron according to the present invention is effective when a piezoelectric vibrating element using a piezo semiconductor or a ferroelectric crystal such as LiNbO 3 with large temperature dependence is used as the phase modulation element. This also has the effect of maintaining the modulation degree constant even when the modulation degree changes due to fluctuations in the power supply voltage or the like.
発明の効果
以上の説明から明らかなように、本発明による
位相変調方式光フアイバジヤイロは、位相変調素
子を構成する材料の温度特性による動作点のゆら
ぎを高い応答性をもつて防止でき、動作点のゆら
ぎから生じる光フアイバのスケールフアクタの変
動を効果的に抑制することができる。従つて、位
相変調方式光フアイバジヤイロ固有の特徴である
高いスケールフアクタを実現できる。Effects of the Invention As is clear from the above explanation, the phase modulation type optical fiber iron according to the present invention can prevent fluctuations in the operating point due to the temperature characteristics of the material constituting the phase modulation element with high responsiveness, and Fluctuations in the scale factor of the optical fiber caused by fluctuations can be effectively suppressed. Therefore, it is possible to achieve a high scale factor, which is a unique feature of phase modulation type optical fiber coils.
第１図は、本発明による位相変調方式光フアイ
バジヤイロの１つの実施例の構成を示すブロツク
図である。第２図は、ベツセル関数の変化を示す
グラフである。第３図は、位相変調方式光フアイ
バジヤイロの基本構成を示す概略図である。
〔主な参照番号〕、１０……発光素子、１２…
…ビームスプリツタ、１４，１６……結合レン
ズ、１８……光フアイバ、２０……センサコイ
ル、２２……位相変調素子、２４……光フアイバ
の位相変調部、２６……受光素子、３０……発光
素子、３２……駆動電源、３６……ハーフミラ
ー、４０……シングルモード光フアイバ、５０…
…光フアイバ、５２……センサコイル、５４……
位相変調素子、５６……光フアイバの位相変調
部、６０……受光素子、６４Ａ，６４Ｂ……同期
検波器、６６……発振器、６８……位相変調素子
駆動回路、７０Ａ，７０Ｂ……ローパスフイル
タ、７２……コンパレータ、７４……基準電圧
源。
FIG. 1 is a block diagram showing the structure of one embodiment of a phase modulation type optical fiber coil according to the present invention. FIG. 2 is a graph showing changes in the Betzel function. FIG. 3 is a schematic diagram showing the basic configuration of a phase modulation type optical fiber coil. [Main reference numbers], 10... Light emitting element, 12...
... Beam splitter, 14, 16 ... Coupling lens, 18 ... Optical fiber, 20 ... Sensor coil, 22 ... Phase modulation element, 24 ... Phase modulation section of optical fiber, 26 ... Light receiving element, 30 ... ...Light emitting element, 32... Drive power source, 36... Half mirror, 40... Single mode optical fiber, 50...
...Optical fiber, 52...Sensor coil, 54...
Phase modulation element, 56... Optical fiber phase modulation section, 60... Light receiving element, 64A, 64B... Synchronous detector, 66... Oscillator, 68... Phase modulation element drive circuit, 70A, 70B... Low pass filter , 72... comparator, 74... reference voltage source.
Claims (1)
が設けられた部分とを有する光フアイバと、前記
光フアイバの両端に可干渉性光を供給する光源
と、前記光フアイバの両端から該光フアイバを伝
搬した光を受ける受光素子とを少なくとも具備し
てなる位相変調方式光フアイバジヤイロにおい
て、前記位相変調素子を周波数fnで駆動する位相
変調素子駆動回路と、前記受光素子の出力を受け
て周波数2fnの成分を抽出して該周波数2fnの成分
が一定レベルとなるように前記位相変調素子駆動
回路による位相変調度を制御する変調度制御回路
とを設けたことを特徴とする位相変調方式光フア
イバジヤイロ。 ２ 前記変調度制御回路は、前記受光素子の出力
を受ける同期検波器と、周波数fnを前記位相変調
素子駆動回路に供給し周波数2fnを前記同期検波
器に供給する発振器と、前記同期検波器の出力を
受けて基準電圧と比較して前記位相変調素子駆動
回路を制御する比較器とを具備していることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の位相変調方
式光フアイバジヤイロ。 ３ 前記位相変調素子は、ピエゾ半導体素子また
はLNO素子であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項または第２項記載の位相変調方式光フ
アイバジヤイロ。[Scope of Claims] 1. An optical fiber having a portion constituting a sensor coil and a portion provided with a phase modulation element, a light source that supplies coherent light to both ends of the optical fiber, and both ends of the optical fiber. A phase modulation type optical fiber coil comprising at least a light receiving element that receives light propagated through the optical fiber, a phase modulation element drive circuit that drives the phase modulation element at a frequency f n , and a phase modulation element drive circuit that drives the phase modulation element at a frequency f n; and a modulation degree control circuit for controlling the phase modulation degree by the phase modulation element drive circuit so that the frequency 2f n component is kept at a constant level. Phase modulation optical fiber gyro. 2 The modulation degree control circuit includes a synchronous detector that receives the output of the light receiving element, an oscillator that supplies frequency f n to the phase modulation element drive circuit and frequency 2f n to the synchronous detector, and the synchronous detector. 2. The phase modulation type optical fiber iron according to claim 1, further comprising a comparator which receives the output of the comparator and compares it with a reference voltage to control the phase modulation element drive circuit. 3. The phase modulation optical fiber coil according to claim 1 or 2, wherein the phase modulation element is a piezo semiconductor element or an LNO element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59244641A JPS61124817A (en) | 1984-11-21 | 1984-11-21 | Optical fiber gyrocompass according to phase modulation system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59244641A JPS61124817A (en) | 1984-11-21 | 1984-11-21 | Optical fiber gyrocompass according to phase modulation system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61124817A JPS61124817A (en) | 1986-06-12 |
| JPH0310882B2 true JPH0310882B2 (en) | 1991-02-14 |
Family
ID=17121769
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59244641A Granted JPS61124817A (en) | 1984-11-21 | 1984-11-21 | Optical fiber gyrocompass according to phase modulation system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61124817A (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3446663A1 (en) * | 1984-12-21 | 1986-07-10 | Standard Elektrik Lorenz Ag, 7000 Stuttgart | DEVICE FOR MEASURING THE SPEED |
| JPH0231167A (en) * | 1988-07-20 | 1990-02-01 | Japan Aviation Electron Ind Ltd | Light interference angular velocity meter |
| US5048961A (en) * | 1989-03-08 | 1991-09-17 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Phase modulated fiber-optic gyroscope for measuring the angular velocity of a moving object |
| JPH06307875A (en) * | 1993-02-24 | 1994-11-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Method for detecting signal and method for detecting fluctuation of phase modulation degree |
-
1984
- 1984-11-21 JP JP59244641A patent/JPS61124817A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61124817A (en) | 1986-06-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |