JPH0680405B2 - 光フアイバジヤイロ - Google Patents
光フアイバジヤイロInfo
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- JPH0680405B2 JPH0680405B2 JP60248317A JP24831785A JPH0680405B2 JP H0680405 B2 JPH0680405 B2 JP H0680405B2 JP 60248317 A JP60248317 A JP 60248317A JP 24831785 A JP24831785 A JP 24831785A JP H0680405 B2 JPH0680405 B2 JP H0680405B2
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- Japan
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- optical fiber
- light
- output
- phase
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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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- Gyroscopes (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光ファイバループ内を互いに逆方向に伝播
する光の位相差を検出してたとえば回転体の回転角速度
を検出する光ファイバジャイロに関する。
する光の位相差を検出してたとえば回転体の回転角速度
を検出する光ファイバジャイロに関する。
光ファイバジャイロは、たとえば回転体の回転角速度を
検出する方式のひとつであり、回転体に固定された光フ
ァイバループを互いに逆方向に伝播する光のサニャック
（Sagnac）の位相差を検出する。この光ファイバループ
を用いた光ファイバジャイロは、光源の出力端から干渉
光の検出側までの光の伝播路をすべて光ファイバで構成
することも可能であり、精度が高く寿命も長い。
検出する方式のひとつであり、回転体に固定された光フ
ァイバループを互いに逆方向に伝播する光のサニャック
（Sagnac）の位相差を検出する。この光ファイバループ
を用いた光ファイバジャイロは、光源の出力端から干渉
光の検出側までの光の伝播路をすべて光ファイバで構成
することも可能であり、精度が高く寿命も長い。
この光ファイバジャイロには、たとえば第２図のように
構成された位相変調方式のものがある。すなわち、光源
（たとえばレーザダイオード）12の出力光は光ファイバ
101に導入されたのち、光方向性結合器（カプラ）131に
供給される。
構成された位相変調方式のものがある。すなわち、光源
（たとえばレーザダイオード）12の出力光は光ファイバ
101に導入されたのち、光方向性結合器（カプラ）131に
供給される。
光方向性結合器131は、たとえば２本の光ファイバのコ
アを接近させて接合したものであり、光ファイバ101か
ら光方向性結合器131に入射した光は、エバネセント波
の作用によって光ファイバ102に透過するものと光ファ
イバ103に結合するものとに分離される。
アを接近させて接合したものであり、光ファイバ101か
ら光方向性結合器131に入射した光は、エバネセント波
の作用によって光ファイバ102に透過するものと光ファ
イバ103に結合するものとに分離される。
光ファイバ102に透過した光は、さらに光方向性結合器1
32によって光ファイバループ14を互いに逆方向に伝播す
る二つの光に分けられる。この光ファイバループ14を伝
播する両光には光位相変調器15により位相変調がかけら
れる。
32によって光ファイバループ14を互いに逆方向に伝播す
る二つの光に分けられる。この光ファイバループ14を伝
播する両光には光位相変調器15により位相変調がかけら
れる。
一方発振器19は位相変調周波数0を出力し増幅器21で
増幅された後、位相変調器15を駆動する。
増幅された後、位相変調器15を駆動する。
光ファイバループを伝播した二つの光は、光方向性結合
器132により光ファイバ102側へ進む光と光ファイバ104
に進む光に分けられるが、光方向性結合器132からの光
は光ファイバループ14を互いに逆方向に伝播した二つの
光の干渉光となる。光ファイバ103,104の端部は無反射
終端である。
器132により光ファイバ102側へ進む光と光ファイバ104
に進む光に分けられるが、光方向性結合器132からの光
は光ファイバループ14を互いに逆方向に伝播した二つの
光の干渉光となる。光ファイバ103,104の端部は無反射
終端である。
光ファイバ102からの干渉光は光方向性結合器131により
光ファイバ105に結合され、光検出器16で電気信号に変
換される。位相変調器15で位相変調がかけられるため光
検出器16からは第４図に示すような出力電気信号が得ら
れ増幅器17で増幅された後、同期検波器18に導かれる。
光ファイバ105に結合され、光検出器16で電気信号に変
換される。位相変調器15で位相変調がかけられるため光
検出器16からは第４図に示すような出力電気信号が得ら
れ増幅器17で増幅された後、同期検波器18に導かれる。
同期検波器18には、位相変調器15の変調周波数0を発
生する発振器19の出力も導かれ、周波数0の成分を抽
出する。この同期検波出力は低域フィルタ20に供給され
る。
生する発振器19の出力も導かれ、周波数0の成分を抽
出する。この同期検波出力は低域フィルタ20に供給され
る。
この低域フィルタ20の出力は、DC成分であり、第１次の
ベッセル関数J1とsinΔφ（Δφ：サニャックの位相
差）の積J1・sinΔφに比例する。ベッセル関数は位相
変調量の関数であり、位相変調量を第１次のベッセル関
数値が大きく変化しない安定な点に設定すれば、このフ
ィルタ出力のJ1・sinΔφは、Δφの正弦関数となって
第３図に示されるように、出力とΔφの直線的関係部分
ｌを利用して出力からΔφを一意的に決めることができ
る。
ベッセル関数J1とsinΔφ（Δφ：サニャックの位相
差）の積J1・sinΔφに比例する。ベッセル関数は位相
変調量の関数であり、位相変調量を第１次のベッセル関
数値が大きく変化しない安定な点に設定すれば、このフ
ィルタ出力のJ1・sinΔφは、Δφの正弦関数となって
第３図に示されるように、出力とΔφの直線的関係部分
ｌを利用して出力からΔφを一意的に決めることができ
る。
しかしながら、これは、sinΔφの直線部分を利用する
ため、測定可能なΔφとしては小さな値でかつ狭い範囲
でしかなく、ダイナミックレンジが狭い。
ため、測定可能なΔφとしては小さな値でかつ狭い範囲
でしかなく、ダイナミックレンジが狭い。
これを改善するために、ELECTRONICSLETTERS10th Novem
ber 1983Vol.19No.23 P.997に記載された方法がある。
ber 1983Vol.19No.23 P.997に記載された方法がある。
すなわち位相変調方式の出力信号には、変調周波数0
とその高調波成分（２0,30,40，…）がそれぞれ
サニャックの位相差Δφ（検出レートに比例）を係数に
含んで、次のように現われる。
とその高調波成分（２0,30,40，…）がそれぞれ
サニャックの位相差Δφ（検出レートに比例）を係数に
含んで、次のように現われる。
但し、Jnはｎ次のベッセル関数 φmは変調量 この出力のうち、変調周波数の１次成分S1、２次成分S2
を同期検波し、比をとると、 の関係があるため、サニャックの位相差Δφは となる。したがって、出力信号に含まれる変調周波数の
１次成分S1、及び２次成分S2から、サニャックの位相差
（レート）を検出できる。
を同期検波し、比をとると、 の関係があるため、サニャックの位相差Δφは となる。したがって、出力信号に含まれる変調周波数の
１次成分S1、及び２次成分S2から、サニャックの位相差
（レート）を検出できる。
このとき、J2（φm）／J1（φm）、すなわちφmをコン
スタントにするため（J2、J1を変調量φmの変動にかか
わらず一定にしたい）、４次成分S4も検出し、 が一定値となるよう変調量φmをコントロール（一定値
に保つ）して、精度を向上する。
スタントにするため（J2、J1を変調量φmの変動にかか
わらず一定にしたい）、４次成分S4も検出し、 が一定値となるよう変調量φmをコントロール（一定値
に保つ）して、精度を向上する。
この方法では二つの変調周波数成分の比S1／S2を用いる
ことで、光量変動を除去し、tan-1の計算でダイナミッ
クレンジを広げている。
ことで、光量変動を除去し、tan-1の計算でダイナミッ
クレンジを広げている。
しかし、この方法では第５図に示すように、ベッセル関
数のJ1またはJ2成分の感度が良好な変調量φmを選定す
ると、変調量φmの変動に対してJ1（φm）／J2（φm）
の変動が大きくなる。すなわち、感度をよくするために
は、できるだけ大きな出力振幅を得る必要があるが、そ
のために、第５図に示すように、J1（またはJ2）を最大
にする変調量φm1（またはφm2）にするとJ2の微係数，
J2（またはJ1′）が大きくなる。したがって、変調量φ
mが変動した場合J2（またはJ1）が大きく変動すること
になり、その結果J1（φm）／J2（φm）の変動が大きく
なる。
数のJ1またはJ2成分の感度が良好な変調量φmを選定す
ると、変調量φmの変動に対してJ1（φm）／J2（φm）
の変動が大きくなる。すなわち、感度をよくするために
は、できるだけ大きな出力振幅を得る必要があるが、そ
のために、第５図に示すように、J1（またはJ2）を最大
にする変調量φm1（またはφm2）にするとJ2の微係数，
J2（またはJ1′）が大きくなる。したがって、変調量φ
mが変動した場合J2（またはJ1）が大きく変動すること
になり、その結果J1（φm）／J2（φm）の変動が大きく
なる。
また、変調量φm1（またはφm2）のところでは４次のベ
ッセル関数J4成分が小さく、変調量φmを一定にコント
ロールしにくいため、J2（φm）／J1（φm）が安定せず
検出精度が低下する欠点を有する。
ッセル関数J4成分が小さく、変調量φmを一定にコント
ロールしにくいため、J2（φm）／J1（φm）が安定せず
検出精度が低下する欠点を有する。
この発明は、上記従来の欠点を除去するためになされた
もので、より安定したスケールファクタが得られ、高性
能ジャイロを構成できる光ファイバジャイロを提供する
ことを目的とする。
もので、より安定したスケールファクタが得られ、高性
能ジャイロを構成できる光ファイバジャイロを提供する
ことを目的とする。
この発明の光ファイバジャイロは、位相変調周波数信号
を出力する発振手段と、光を位相変調する変調手段と、
光ファイバループを互いに逆方向に伝播した光の干渉光
を検出する光検出手段と、この光検出手段の出力から位
相変調周波数の（ｎ−１）倍、ｎ倍、（ｎ＋１）倍（ｎ
は１以上の整数）の周波数成分を抽出する抽出手段と、
この抽出手段の出力信号からサニャックの位相差を求め
る導出手段と、を設けたものである。
を出力する発振手段と、光を位相変調する変調手段と、
光ファイバループを互いに逆方向に伝播した光の干渉光
を検出する光検出手段と、この光検出手段の出力から位
相変調周波数の（ｎ−１）倍、ｎ倍、（ｎ＋１）倍（ｎ
は１以上の整数）の周波数成分を抽出する抽出手段と、
この抽出手段の出力信号からサニャックの位相差を求め
る導出手段と、を設けたものである。
この発明は、光ファイバループを伝播する光の変調量φ
mを（ｎ−１）次と（ｎ＋１）次のベッセル関数が等し
くなるすなわちJn-1（φm）＝Jn+1（φm）を満足する変
調量の近くに設定し、光検出手段の干渉出力から位相変
調周波数の（ｎ−１）倍,n倍、（ｎ＋１）倍，（ｎは１
以上の整数）の周波数成分Sn-1，Sn，Sn+1を抽出する。
そして、この周波数成分Sn-1，Sn，Sn+1からサニャック
の位相差 を演算回路で求めるように作用する。
mを（ｎ−１）次と（ｎ＋１）次のベッセル関数が等し
くなるすなわちJn-1（φm）＝Jn+1（φm）を満足する変
調量の近くに設定し、光検出手段の干渉出力から位相変
調周波数の（ｎ−１）倍,n倍、（ｎ＋１）倍，（ｎは１
以上の整数）の周波数成分Sn-1，Sn，Sn+1を抽出する。
そして、この周波数成分Sn-1，Sn，Sn+1からサニャック
の位相差 を演算回路で求めるように作用する。
以下、この発明の光ファイバジャイロの実施例について
図面に基づき説明する。第１図はその一実施例の構成を
示すブロック図である。この第１図において、重複を避
けるために、第２図と同一部分には同一符号を付してそ
の説明を省略し、第２図とは異なる部分を主体に説明す
る。
図面に基づき説明する。第１図はその一実施例の構成を
示すブロック図である。この第１図において、重複を避
けるために、第２図と同一部分には同一符号を付してそ
の説明を省略し、第２図とは異なる部分を主体に説明す
る。
この第１図を第２図と比較しても明らかなように、第１
図では、光源12、光ファイバ101〜105、光ファイバルー
プ14、位相変調器15、発振器19（増幅器を含んでもよ
い）、光検出器16（増幅器を含んでもよい）光方向性結
合器131,132は第２図と同様であり、以下に述べる点が
第２図とは異なり、この発明の特徴をなす部分である。
図では、光源12、光ファイバ101〜105、光ファイバルー
プ14、位相変調器15、発振器19（増幅器を含んでもよ
い）、光検出器16（増幅器を含んでもよい）光方向性結
合器131,132は第２図と同様であり、以下に述べる点が
第２図とは異なり、この発明の特徴をなす部分である。
すなわち、光検出器16の出力は同期検波器30に送出され
る。同期検波器30には発振器19の位相変調周波数出力も
供給される。
る。同期検波器30には発振器19の位相変調周波数出力も
供給される。
同期検波器30の出力は演算回路40に送出される。演算回
路40は同期検波器30の出力からサニャックの位相差Δφ
を導出し、また、位相変調量が一定になるよう発振器19
も制御する。
路40は同期検波器30の出力からサニャックの位相差Δφ
を導出し、また、位相変調量が一定になるよう発振器19
も制御する。
次に、この発明の動作について説明する。第２図の場合
と同様に発振器19の出力を位相変調器15に送り、光ファ
イバループ14を互いに逆方向に伝播する光に位相変調を
かける。
と同様に発振器19の出力を位相変調器15に送り、光ファ
イバループ14を互いに逆方向に伝播する光に位相変調を
かける。
このとき、位相変調周波数信号の振幅（変調量φm）
は、ベッセル関数Jn-1（φm）＝Jn+1（φm）を満足する
近くに設定される。この位相変調を受けた光は光方向性
結合器132により、光ファイバ102へ進む光と光ファイバ
104へ進む光に分けられるが、光方向性結合器132からの
光は光ファイバループ14を互いに逆方向に伝播した二つ
の光の干渉光となる。
は、ベッセル関数Jn-1（φm）＝Jn+1（φm）を満足する
近くに設定される。この位相変調を受けた光は光方向性
結合器132により、光ファイバ102へ進む光と光ファイバ
104へ進む光に分けられるが、光方向性結合器132からの
光は光ファイバループ14を互いに逆方向に伝播した二つ
の光の干渉光となる。
光ファイバ102からの干渉光は光方向性結合器131により
光ファイバ105に結合されたのち光検出器16で検出さ
れ、出力電気信号となって同期検波器30に送られる。
光ファイバ105に結合されたのち光検出器16で検出さ
れ、出力電気信号となって同期検波器30に送られる。
この同期検波器30は光検出器16の出力を発振器19の位相
変調波出力の整数倍の周波数で同期検波し、周波数が位
相変調周波数の整数倍の信号成分Sn-1，Sn，Sn+1を抽出
する。この信号成分Sn-1，Sn，Sn+1（ｎ１）は演算回
路40に供給され、サニャックの位相差Δφが により求められる。
変調波出力の整数倍の周波数で同期検波し、周波数が位
相変調周波数の整数倍の信号成分Sn-1，Sn，Sn+1を抽出
する。この信号成分Sn-1，Sn，Sn+1（ｎ１）は演算回
路40に供給され、サニャックの位相差Δφが により求められる。
このときの係数 は、位相変調周波数の（ｎ−１）倍の成分Sn-1と（ｎ＋
１）倍の成分Sn+1がSn-1＝Sn+1となるように変調量φm
をコントロールして一定に保つかまたはSn-1，Sn+1の値
から変調量φmを求め を設定することによって決めることができる。
１）倍の成分Sn+1がSn-1＝Sn+1となるように変調量φm
をコントロールして一定に保つかまたはSn-1，Sn+1の値
から変調量φmを求め を設定することによって決めることができる。
このようにしてサニャックの位相差Δφを求める利点
は、ベッセル関数Jn-1＝Jn+1では微係数Jn′＝０となり
（ベッセル関数の性算）、また、Jn-1＋Jn+1を用いるこ
とで微係数Jn′-1または微係数Ｊ′n+1＞微係数（Jn-1
＋Jn+1）′となるため係数 の変調量φmによる変動が小さいこと、およびJn-1，
Jn，Jn+1成分が比較的同程度の感度にあるため、検出性
度が良好となる点にあり、従来の欠点を補うことが可能
である。
は、ベッセル関数Jn-1＝Jn+1では微係数Jn′＝０となり
（ベッセル関数の性算）、また、Jn-1＋Jn+1を用いるこ
とで微係数Jn′-1または微係数Ｊ′n+1＞微係数（Jn-1
＋Jn+1）′となるため係数 の変調量φmによる変動が小さいこと、およびJn-1，
Jn，Jn+1成分が比較的同程度の感度にあるため、検出性
度が良好となる点にあり、従来の欠点を補うことが可能
である。
次に、この発明の具体的な一例として変調周波数の２
次、３次、４次の高調波成分を利用する場合を説明す
る。この場合は、第５図に示すように変調量φmをJ
2（φm）＝J4（φm）、すなわちJ3（φm）が極大となる
値φm3（約4.2rad）に設定する。これは、２次周波数変
調成分S2＝cosΔφ・J2（φm）と４次周波数変調成分S4
＝cosΔφ・J4（φm）を同期検波器30により検波し、演
算回路40で例えばS2とS4の差を検出しその差が零になる
ようすなわちS2＝S4（J2（φm）＝J4（φm））となるよ
うに発振器19の出力振幅（変調量φm）をコントロール
することにより行われる。（ここで、Δφはサニャック
の位相差のため、Δφ≒±90°でなければ、変調周波数
成分S2、S4は検出可能である）。さらに、同期検波器30
により３次変調周波数成分S3＝sinΔφ・J3（φm）を検
波し、演算回路40で（５）式 の演算を行うことによりサニャックの位相差Δφを求め
ることができる。
次、３次、４次の高調波成分を利用する場合を説明す
る。この場合は、第５図に示すように変調量φmをJ
2（φm）＝J4（φm）、すなわちJ3（φm）が極大となる
値φm3（約4.2rad）に設定する。これは、２次周波数変
調成分S2＝cosΔφ・J2（φm）と４次周波数変調成分S4
＝cosΔφ・J4（φm）を同期検波器30により検波し、演
算回路40で例えばS2とS4の差を検出しその差が零になる
ようすなわちS2＝S4（J2（φm）＝J4（φm））となるよ
うに発振器19の出力振幅（変調量φm）をコントロール
することにより行われる。（ここで、Δφはサニャック
の位相差のため、Δφ≒±90°でなければ、変調周波数
成分S2、S4は検出可能である）。さらに、同期検波器30
により３次変調周波数成分S3＝sinΔφ・J3（φm）を検
波し、演算回路40で（５）式 の演算を行うことによりサニャックの位相差Δφを求め
ることができる。
この場合、第５図のベッセル関数曲線から分るように、
この変調量φm3では微係数Ｊ′3＝０（J3が極大）であ
り、微係数（J2＋J4）′も変調量φmの変化に対して比
較的フラットなため安定したスケールファクタ が得られる。なお、これと同様に変調周波数成分S1，
S2，S3の使用によるΔφの検出および変調周波数成分
S0，S1，S2の使用によるΔφ検出も可能である。
この変調量φm3では微係数Ｊ′3＝０（J3が極大）であ
り、微係数（J2＋J4）′も変調量φmの変化に対して比
較的フラットなため安定したスケールファクタ が得られる。なお、これと同様に変調周波数成分S1，
S2，S3の使用によるΔφの検出および変調周波数成分
S0，S1，S2の使用によるΔφ検出も可能である。
但し、前者の場合にはΔφ≒０（微小レート）での変調
周波数成分S1，S2検出の工夫が必要であり、また、後者
では変調周波数成分S0検出のための回路が必要となる。
周波数成分S1，S2検出の工夫が必要であり、また、後者
では変調周波数成分S0検出のための回路が必要となる。
いずれの場合にも、従来の変調周波数成分S1，S2だけを
使用し、S1／S2からサニャックの位相差Δφを求める方
式に比べ、この発明の方がより安定したスケールファク
タが得られ、高性能ジャイロの構成が可能である。
使用し、S1／S2からサニャックの位相差Δφを求める方
式に比べ、この発明の方がより安定したスケールファク
タが得られ、高性能ジャイロの構成が可能である。
以上のように、この発明の光ファイバジャイロによれ
ば、安定したスケールファクタが得られ、高性能ジャイ
ロを構成できる利点を有する。
ば、安定したスケールファクタが得られ、高性能ジャイ
ロを構成できる利点を有する。
第１図はこの発明の光ファイバジャイロの一実施例の構
成を示すブロック図、第２図は従来の光ファイバジャイ
ロのブロック図、第３図は従来の光ファイバジャイロの
出力特性図、第４図は位相変調方式の光ファイバジャイ
ロにおける位相変調波と光検出器出力の関係を示す図、
第５図は従来およびこの発明の光ファイバジャイロを説
明するためのベッセル関数曲線を示す図である。 12…光源、14…光ファイバループ、15…位相変調器、16
…光検出器、19…発振器、30…同期検波器、40…演算回
路、101〜105…光ファイバ、131,132…光方向性結合
器。
成を示すブロック図、第２図は従来の光ファイバジャイ
ロのブロック図、第３図は従来の光ファイバジャイロの
出力特性図、第４図は位相変調方式の光ファイバジャイ
ロにおける位相変調波と光検出器出力の関係を示す図、
第５図は従来およびこの発明の光ファイバジャイロを説
明するためのベッセル関数曲線を示す図である。 12…光源、14…光ファイバループ、15…位相変調器、16
…光検出器、19…発振器、30…同期検波器、40…演算回
路、101〜105…光ファイバ、131,132…光方向性結合
器。
Claims (1)
- 【請求項１】光を出力する光源と、この光源からの光を
分配する分配手段と、この分配手段の出力光が互いに逆
方向まわりに導かれる光ファイバループと、外部から位
相変調周波数信号が供給されこの光ファイバループの互
いに逆方向まわりの光に位相変調をかける変調手段と、
前記光ファイバループの出力の干渉光を検出する検出手
段と、この検出手段の出力信号が供給され前記変調手段
の位相変調周波数の（ｎ−１）倍の周波数成分Sn-1,n倍
の周波数成分Sn，（ｎ＋１）倍の周波数成分Sn+1（ｎは
１以上の整数）を抽出する抽出手段と、この抽出手段の
出力信号が供給され （ｋは係数）を求めて前記光ファイバループの互いに逆
方向まわりの光の位相差を導出する導出手段と、前記位
相変調周波数の（ｎ−１）倍及び（ｎ＋１）倍の周波数
成分Sn-1及びSn+1に含まれるベッセル関数成分がほぼ等
しくなる値に振幅が設定された発振信号を前記位相変調
周波数信号として前記変調手段に供給する発振手段とを
具備する光ファイバジャイロ。
Priority Applications (2)
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| JP60248317A JPH0680405B2 (ja) | 1985-11-06 | 1985-11-06 | 光フアイバジヤイロ |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60248317A JPH0680405B2 (ja) | 1985-11-06 | 1985-11-06 | 光フアイバジヤイロ |
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| JPS62108110A JPS62108110A (ja) | 1987-05-19 |
| JPH0680405B2 true JPH0680405B2 (ja) | 1994-10-12 |
Family
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Family Applications (1)
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| JP60248317A Expired - Lifetime JPH0680405B2 (ja) | 1985-11-06 | 1985-11-06 | 光フアイバジヤイロ |
Country Status (2)
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