JPH0350964B2 - - Google Patents
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- JPH0350964B2 JPH0350964B2 JP24892683A JP24892683A JPH0350964B2 JP H0350964 B2 JPH0350964 B2 JP H0350964B2 JP 24892683 A JP24892683 A JP 24892683A JP 24892683 A JP24892683 A JP 24892683A JP H0350964 B2 JPH0350964 B2 JP H0350964B2
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- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 12
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- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
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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】
(ア) 技術分野
この発明は、航空機、自動車、船舶など、運動
体の回転角速度を測定する光フアイバジヤイロに
関する。
体の回転角速度を測定する光フアイバジヤイロに
関する。
特に、光フアイバジヤイロの出力が、同一角速
度の入力に対しても変化する、いわゆるスケール
フアクタの変動を抑制することを目的とする。
度の入力に対しても変化する、いわゆるスケール
フアクタの変動を抑制することを目的とする。
(イ) 光フアイバジヤイロの原理
光フアイバジヤイロは、コイル状に多数回シン
グルモード光フアイバを巻回した光フアイバルー
プに、右廻り(CW)と、左廻り(CCW)に光
を通す時、光フアイバループが角速度Ωで回転す
ると、右廻り光、左廻り光に位相差Δθが生じ、
Δθを測定することによつてΩを検出するもので
ある。
グルモード光フアイバを巻回した光フアイバルー
プに、右廻り(CW)と、左廻り(CCW)に光
を通す時、光フアイバループが角速度Ωで回転す
ると、右廻り光、左廻り光に位相差Δθが生じ、
Δθを測定することによつてΩを検出するもので
ある。
光源は、He−Neレーザ、半導体レーザ、スー
パールミネツセントダイオードなどである。この
一定波長の光をビームスプリツタで2本に分け、
光フアイバループの両端から入射させる。ループ
の中を通過した右廻り、左廻り光は、ビームスプ
リツタで合一されて、受光素子に入射する。位相
差Δθを受光素子の検出強度によつて知り、 Δθ=4πLAΩ/Cλ (1) から、Ωを求める。cは光速、λは光の波長、L
は光フアイバループの長さ、aは光フアイバルー
プの半径である。これをSagnac効果という。
パールミネツセントダイオードなどである。この
一定波長の光をビームスプリツタで2本に分け、
光フアイバループの両端から入射させる。ループ
の中を通過した右廻り、左廻り光は、ビームスプ
リツタで合一されて、受光素子に入射する。位相
差Δθを受光素子の検出強度によつて知り、 Δθ=4πLAΩ/Cλ (1) から、Ωを求める。cは光速、λは光の波長、L
は光フアイバループの長さ、aは光フアイバルー
プの半径である。これをSagnac効果という。
Δθの検出機構には多様なものがあり、様々な
ものが提案されている。
ものが提案されている。
最も簡単に、左廻り光、右廻り光の和を、受光
素子で二乗検波すると出力Iは、 I∝{1+cos(Δθ)} (2) という形になる。
素子で二乗検波すると出力Iは、 I∝{1+cos(Δθ)} (2) という形になる。
これはcosの中にΔθがあるので、Δθが0に近
い時の感度が悪い、という欠点がある。
い時の感度が悪い、という欠点がある。
そこで、左廻り、右廻り光のいずれかの位相を
90゜ずらして、二乗検波する、という機構が提案
されている。この場合、出力Iは、 I∝{1+sin(Δθ)} (3) の形になるから、Δθが0に近い時の感度が良い。
90゜ずらして、二乗検波する、という機構が提案
されている。この場合、出力Iは、 I∝{1+sin(Δθ)} (3) の形になるから、Δθが0に近い時の感度が良い。
しかし、いずれか一方の光を分離するために
は、光路を分離するための新たなビームスプリツ
タが3つ必要になる。また、分離された光路の長
さを常に等しくしておかなければならない。
は、光路を分離するための新たなビームスプリツ
タが3つ必要になる。また、分離された光路の長
さを常に等しくしておかなければならない。
静的な検出機構には、このような難点がある。
(ウ) 従来技術とその問題点
そこで、動的な機構によつて、Δθを検出しよ
うとする光フアイバジヤイロも多く提案されてい
る。そのひとつに、光フアイバループの一方の端
に、位相変調器を設け、変調信号の大きさを測定
することにより位相差Δθを求める光フアイバジ
ヤイロがある。仮に、位相変調方式と呼ぶ。
うとする光フアイバジヤイロも多く提案されてい
る。そのひとつに、光フアイバループの一方の端
に、位相変調器を設け、変調信号の大きさを測定
することにより位相差Δθを求める光フアイバジ
ヤイロがある。仮に、位相変調方式と呼ぶ。
位相変調器を、右廻り光、左廻り光について、
非対称な位置に設けると、同時に光源を出た光
が、右廻り、左廻りに分けられて光フアイバルー
プ、変調器を通過するが、変調の時刻が異なるの
で、受光素子で出力を二乗検波した時、変調信号
が出力に現われる。変調信号の振幅にΔθが含ま
れるから、変調信号の大きさを知つてΔθを求め
ることができる。
非対称な位置に設けると、同時に光源を出た光
が、右廻り、左廻りに分けられて光フアイバルー
プ、変調器を通過するが、変調の時刻が異なるの
で、受光素子で出力を二乗検波した時、変調信号
が出力に現われる。変調信号の振幅にΔθが含ま
れるから、変調信号の大きさを知つてΔθを求め
ることができる。
例えば、位相変調器を左廻り光の入射端の近傍
に設けたとする。
に設けたとする。
光フアイバループの長さがL、フアイバコアの
屈折率をn、光速をcとすると、光がフアイバル
ープを通過するに要する時間τは τ=nL/c (4) である。
屈折率をn、光速をcとすると、光がフアイバル
ープを通過するに要する時間τは τ=nL/c (4) である。
変調信号が、角周波数ωnの正弦波であるとす
る。同時に光源を出た光が、右廻り光、左廻り光
に分かれ、それぞれ位相変調を受ける時の、変調
信号の位相差φは、 φ=ωnτ =nLωn/c =2πfnnL/c (5) となる。
る。同時に光源を出た光が、右廻り光、左廻り光
に分かれ、それぞれ位相変調を受ける時の、変調
信号の位相差φは、 φ=ωnτ =nLωn/c =2πfnnL/c (5) となる。
Sagnac効果により、右廻り光、左廻り光は、±
Δθ/2の位相差を持つが、位相変調器によつて、
位相がさらに変調される。位相変調器の振幅をb
とすると、右廻り光、左廻り光の電界の強さEr、
Elは、 Er=E1sin{ωt+Δθ/2+b sin(ωnt+φ)}(6
) El=E2sin{ωt−Δθ/2+b sin(ωnt)} (7) となる。位相変調器の位相差φがあるので、Δθ
を、変調信号の振幅に関係づけることができる。
Δθ/2の位相差を持つが、位相変調器によつて、
位相がさらに変調される。位相変調器の振幅をb
とすると、右廻り光、左廻り光の電界の強さEr、
Elは、 Er=E1sin{ωt+Δθ/2+b sin(ωnt+φ)}(6
) El=E2sin{ωt−Δθ/2+b sin(ωnt)} (7) となる。位相変調器の位相差φがあるので、Δθ
を、変調信号の振幅に関係づけることができる。
ビームスプリツタで、右廻り光、左廻り光はひ
とつになり受光素子によつて二乗検波されるの
で、受光素子の出力S(Δθ、t)はErとElの和を
二乗したものに比例する。
とつになり受光素子によつて二乗検波されるの
で、受光素子の出力S(Δθ、t)はErとElの和を
二乗したものに比例する。
S(Δθ、t)={Er+El}2 (8)
これを計算すると、
S(Δθ、t)=E1E2cos{Δθ+2b sin(φ/2)c
os(ωnt+φ/2)}+D.C.+{2ω以上}(9) となる。D.C.は直流成分を意味する。{2ω以上}
は、光の角振動数の2倍の振動数の項という意味
であり、これは検出器にはかからないので0であ
る。D.C.を省略して、S(Δθ、t)をベツセル函
数を使つて級数展開する。
os(ωnt+φ/2)}+D.C.+{2ω以上}(9) となる。D.C.は直流成分を意味する。{2ω以上}
は、光の角振動数の2倍の振動数の項という意味
であり、これは検出器にはかからないので0であ
る。D.C.を省略して、S(Δθ、t)をベツセル函
数を使つて級数展開する。
S(Δθ、t)=E1E2〔cosΔθcos{2b sinφ/2cos
(ωnt+φ/2)}−sinΔθsin{2b sinφ/2cos(
ωnt+ω/2)}(10) ベツセル函数の母函数展開から、 である。t=ei〓と置いて、 eix sin〓=∞ 〓n=-∞ Jn(x)eni〓 (12) である。(12)の実数部、虚数部の展開から、(10)の
cos、sinの部分の級数展開をうる。S(Δθ、t)
を、これらの部分に分けて、 S(Δθ、t)=(Sc cosΔθ+Ss sinΔθ)E1E2
(13) と書くと、θ→θ+π/2の変換をした後、 J-o(x)=(−)nJn(x) (14) (ただし、nは正の整数)という性質を使つて、 ξ=2b sinφ/2 (15) と書くことにすると、 Sc=J0(ξ)+2∞ 〓n=0 (−)nJ2o(ξ) cos2nωnt (16) Ss=2∞ 〓n=0 (−)nJ2o+1(ξ) cos(2n+1)ωnt (17) となる。これは、変調信号ωnの基本波と、高調
波信号の級数和である。
(ωnt+φ/2)}−sinΔθsin{2b sinφ/2cos(
ωnt+ω/2)}(10) ベツセル函数の母函数展開から、 である。t=ei〓と置いて、 eix sin〓=∞ 〓n=-∞ Jn(x)eni〓 (12) である。(12)の実数部、虚数部の展開から、(10)の
cos、sinの部分の級数展開をうる。S(Δθ、t)
を、これらの部分に分けて、 S(Δθ、t)=(Sc cosΔθ+Ss sinΔθ)E1E2
(13) と書くと、θ→θ+π/2の変換をした後、 J-o(x)=(−)nJn(x) (14) (ただし、nは正の整数)という性質を使つて、 ξ=2b sinφ/2 (15) と書くことにすると、 Sc=J0(ξ)+2∞ 〓n=0 (−)nJ2o(ξ) cos2nωnt (16) Ss=2∞ 〓n=0 (−)nJ2o+1(ξ) cos(2n+1)ωnt (17) となる。これは、変調信号ωnの基本波と、高調
波信号の級数和である。
適当なフイルタを使えば、基本波ωn又は任意
の次数の高調波の信号を取り出すことができる。
どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθの大き
さを知ることができる。
の次数の高調波の信号を取り出すことができる。
どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθの大き
さを知ることができる。
その場合、その次数のベツセル函数Jn(ξ)の
値が大きくなるよう、変調器の振幅b、変調角周
波数ωn、ループ通過時間τを設定すべきである。
値が大きくなるよう、変調器の振幅b、変調角周
波数ωn、ループ通過時間τを設定すべきである。
最も高感度が期待できるのは、(17)式の1次
の項(n=0)である。これは、基本波成分であ
る。基本波成分をP(Δθ、t)とすると、 P(Δθ、t)=2E1E2J1(ξ)cosωnt sinΔθ
(18) である。sinΔθに比例した出力がえられる。基本
波成分の振幅を求めて、Δθを知ることができる。
の項(n=0)である。これは、基本波成分であ
る。基本波成分をP(Δθ、t)とすると、 P(Δθ、t)=2E1E2J1(ξ)cosωnt sinΔθ
(18) である。sinΔθに比例した出力がえられる。基本
波成分の振幅を求めて、Δθを知ることができる。
J1(ξ)を最大にすると感度が良くなるので、
ξ=1.8に設定する。このとき、直流分J0(ξ)は
ほぼ0である。
ξ=1.8に設定する。このとき、直流分J0(ξ)は
ほぼ0である。
以上が位相変調方式の光フアイバジヤイロの基
本構成である。
本構成である。
(18)式を見て分るように、右廻り光、左廻り
光の振幅E1,E2が、受光素子出力の基本波成分
Pの振幅の中に含まれる。また、J1(ξ)という
係数もある。
光の振幅E1,E2が、受光素子出力の基本波成分
Pの振幅の中に含まれる。また、J1(ξ)という
係数もある。
このような出力から、Δθを正確に求めること
ができるためには、E1、E2、J1(ξ)の値が安定
していなければならない。
ができるためには、E1、E2、J1(ξ)の値が安定
していなければならない。
ところが、これらの値は変動する。
特に、光の振幅E1,E2は変動しやすい。
E1,E2は光源の出力の変動、光路差を除去す
るために挿入する偏光子を通過する光量の変動、
光学系の位置ずれなどによつて簡単に変化してし
まう。
るために挿入する偏光子を通過する光量の変動、
光学系の位置ずれなどによつて簡単に変化してし
まう。
たとえ、フアイバに入射するときの偏波方向を
定めておいても、フアイバ中を伝搬する内に温
度、圧力、歪等の影響で偏波状態が変動し、出射
光の偏波は一定でない。
定めておいても、フアイバ中を伝搬する内に温
度、圧力、歪等の影響で偏波状態が変動し、出射
光の偏波は一定でない。
この結果、受光素子に達する光の振幅E1,E2
が変動する事になる。
が変動する事になる。
振幅E1,E2をモニタすればよいわけである。
この目的のため、右廻り光、左廻り光の光路にそ
れぞれ、ビームスプリツタを入れて、モニタ用に
それぞれの光を取出してパワーを測定し、E1,
E2を知るようにした光フアイバジヤイロも提案
されている。
この目的のため、右廻り光、左廻り光の光路にそ
れぞれ、ビームスプリツタを入れて、モニタ用に
それぞれの光を取出してパワーを測定し、E1,
E2を知るようにした光フアイバジヤイロも提案
されている。
しかし、このような構成では、部品点数が増
え、受光素子に到達する光量が減少し、S/N比
の低下を招く、という欠点があつた。
え、受光素子に到達する光量が減少し、S/N比
の低下を招く、という欠点があつた。
(エ) 発明の構成
第1図によつて本発明の構成を説明する。
発光素子1は光を発生するもので、気体レー
ザ、半導体レーザ、スーパールミネツセントダイ
オードなどを用いることができる。
ザ、半導体レーザ、スーパールミネツセントダイ
オードなどを用いることができる。
ビームスプリツタ2は、発光素子1から出射さ
れた光を透過光と反射光に分ける。
れた光を透過光と反射光に分ける。
レンズ3,4は、分けられた光を、シングルモ
ード光フアイバループ5の両端へ入射させる。光
フアイバループ5は、シングルモード光フアイバ
をコイル状に多数回巻回したものである。
ード光フアイバループ5の両端へ入射させる。光
フアイバループ5は、シングルモード光フアイバ
をコイル状に多数回巻回したものである。
光フアイバループ5の端点A,Bの内、いずれ
か一方の近傍に位相変調器6を設ける。
か一方の近傍に位相変調器6を設ける。
位相変調器は、光フアイバ中を通過する光の位
相を周期的に変化させるものである。たとえば、
円柱形の圧電素子に光フアイバを巻きつけ、素子
の端面間に変調電圧を印加するようにしたもので
構成できる。変調電圧を加えると、圧電素子の直
径が変化するから、これに巻きつけた光フアイバ
が伸縮する。これによつて光路長が変化するか
ら、位相が変化する。
相を周期的に変化させるものである。たとえば、
円柱形の圧電素子に光フアイバを巻きつけ、素子
の端面間に変調電圧を印加するようにしたもので
構成できる。変調電圧を加えると、圧電素子の直
径が変化するから、これに巻きつけた光フアイバ
が伸縮する。これによつて光路長が変化するか
ら、位相が変化する。
位相変調器の変調角振動数をωn、変調の振幅
をbとする。
をbとする。
ビームスプリツタ2で、2本の光線に分けられ
た光は、右廻り光(CW)、左廻り光(CCW)と
して、光フアイバループ5の中を伝搬する。この
例では、右廻り光は先に位相変調を受け、左廻り
光は後で位相変調を受ける。
た光は、右廻り光(CW)、左廻り光(CCW)と
して、光フアイバループ5の中を伝搬する。この
例では、右廻り光は先に位相変調を受け、左廻り
光は後で位相変調を受ける。
右廻り光(CW)、左廻り光(CCW)は、光フ
アイバの端点A,Bを出たのち、レンズ4,3を
通り、ビームスプリツタ2で合一して、受光素子
7に入射する。
アイバの端点A,Bを出たのち、レンズ4,3を
通り、ビームスプリツタ2で合一して、受光素子
7に入射する。
受光素子7は光強度に比例した電気信号を発生
する。この内変調角振動数ωnの成分のみを検波
回路8で検波し、振幅を求める。
する。この内変調角振動数ωnの成分のみを検波
回路8で検波し、振幅を求める。
以上の構成は、従来の位相変調方式の光フアイ
バジヤイロと同一である。
バジヤイロと同一である。
本発明に於ては、さらに、受光素子7の出力に
含まれる直流成分の大きさを検出する直流成分検
出回路10を設ける。これは増幅回路と、積分回
路などを組合わせることによつて構成できる。
含まれる直流成分の大きさを検出する直流成分検
出回路10を設ける。これは増幅回路と、積分回
路などを組合わせることによつて構成できる。
除算回路9は、検波回路8のωn成分の出力の
大きさを、直流成分検出回路10の直流成分の大
きさによつて除算する。
大きさを、直流成分検出回路10の直流成分の大
きさによつて除算する。
除算回路の出力はsinΔθに比例するから、ここ
から、位相差Δθを求めることができる。
から、位相差Δθを求めることができる。
(オ) 作用
受光素子の出力の内、変調基本波ωn成分の振
幅は、(18)式から、 2E1E2J1(ξ)sinΔθ (19) である。直流成分は、 1/2(E1 2+E2 2)+E1E2J0(ξ) (20) である。但し、J1(ξ)を最大にするため、ξ=
1.8に設定することが多い。このときJ0(ξ)0
であるから、直流成分(20)からJ0(ξ)の項が
落ちる。
幅は、(18)式から、 2E1E2J1(ξ)sinΔθ (19) である。直流成分は、 1/2(E1 2+E2 2)+E1E2J0(ξ) (20) である。但し、J1(ξ)を最大にするため、ξ=
1.8に設定することが多い。このときJ0(ξ)0
であるから、直流成分(20)からJ0(ξ)の項が
落ちる。
E1,E2はビームスプリツタ2で分割され、レ
ンズ、光フアイバループ、ビームスプリツタ、偏
光子などを通過して受光素子7に入射する。右廻
り光、左廻り光の振幅である。
ンズ、光フアイバループ、ビームスプリツタ、偏
光子などを通過して受光素子7に入射する。右廻
り光、左廻り光の振幅である。
それぞれの光は、同一の光路を通るから、E1
とE2は比例する。比例定数をkとする。
とE2は比例する。比例定数をkとする。
E2=kE1 (21)
とすると、ωn成分を直流成分で除した値は、
4k/k2+1J1(ξ)sinΔθ (22)
となる。これは、光の振幅E1,E2をもはや含ま
ない。光量変動によるスケールフアクタの変動を
全く除去することができる。ξ1.8とするので
J1(ξ)が最大になり感度が最も高くなる。
ない。光量変動によるスケールフアクタの変動を
全く除去することができる。ξ1.8とするので
J1(ξ)が最大になり感度が最も高くなる。
第1図は本発明の光フアイバジヤイロの光学系
構成図。 1……発光素子、2……ビームスプリツタ、
3,4……レンズ、5……光フアイバループ、6
……位相変調器、7……受光素子、8……検波回
路、9……除算回路、10……直流成分検出回
路。
構成図。 1……発光素子、2……ビームスプリツタ、
3,4……レンズ、5……光フアイバループ、6
……位相変調器、7……受光素子、8……検波回
路、9……除算回路、10……直流成分検出回
路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 発光素子1と、発光素子1の出射光を2本の
光線に分割するビームプリツタ2と、シングルモ
ード光フアイバを多数回コイル状に巻回した光フ
アイバループ5と、光フアイバループ5の端点
A,Bのいずれかの近傍に設けられた位相変調器
6と、ビームスプリツタ2で分けられた2本の光
線を、光フアイバループ5の端点A,Bに入射さ
せるレンズ3,4と、光フアイバループ5及び位
相変調器6を右廻り、及び左廻りに通過した後ビ
ームスプリツタ2で合一した光の強度を検出する
ための受光素子7と、受光素子7の出力の内、変
調周波数成分を検出する検波回路8と、直流成分
を検出する直流成分検出回路10と、変調周波数
成分の大きさを、直流成分の大きさで除算する除
算回路9とより構成され、位相変調器の変調角周
波数をωn、振幅をb、光が光フアイバを通過す
るのに要する時間をτとする時、 2b sin(ωnτ/2)1.8 であつて、除算回路9の出力によつて右廻り光左
廻り光の位相差を求めこれから回転角速度を求め
るようにすることを特徴とする光フアイバジヤイ
ロ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24892683A JPS60135816A (ja) | 1983-12-26 | 1983-12-26 | 光フアイバジヤイロ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24892683A JPS60135816A (ja) | 1983-12-26 | 1983-12-26 | 光フアイバジヤイロ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS60135816A JPS60135816A (ja) | 1985-07-19 |
JPH0350964B2 true JPH0350964B2 (ja) | 1991-08-05 |
Family
ID=17185470
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24892683A Granted JPS60135816A (ja) | 1983-12-26 | 1983-12-26 | 光フアイバジヤイロ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS60135816A (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4755051A (en) * | 1985-10-07 | 1988-07-05 | Mcdonnell Douglas Corporation | Vibrating optical fiber accelerometer and gyroscope |
US4743116A (en) * | 1985-10-07 | 1988-05-10 | Eric Udd | Microbending optical fiber accelerometer and gyroscope |
JPS62239017A (ja) * | 1986-04-11 | 1987-10-19 | Agency Of Ind Science & Technol | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
EP0386739B1 (en) * | 1989-03-08 | 1994-06-08 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Phase modulated fiber-optic gyroscope |
JPH06307875A (ja) * | 1993-02-24 | 1994-11-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 信号検出方法及び位相変調度変動の検出方法 |
-
1983
- 1983-12-26 JP JP24892683A patent/JPS60135816A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS60135816A (ja) | 1985-07-19 |
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