(57)【要約】【課題】共振器光学ジャイロスコープ内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させるシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】この方法は、強度変調された光ビームを取り出すステップと、取り出した光ビームの一部分を光検出器の方へ誘導するステップと、光ビームの振幅変動に比例する信号を光検出器から出力するステップと、この信号を増幅させるステップと、この信号を強度変調器に制御入力として提供するステップとを含む。強度変調により引き起こされる誤差は、フィードバックループの利得に比例する量だけ低減される。【選択図】図２
2010210616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度変調により引き起こされる測定誤差を低減させるように構成された残留強度変調サーボループ（２４）を備える、ジャイロスコープ性能を改善する装置（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記残留変調サーボループ（２４）が、
強度変調器（２６）と、
タップカプラ（２８）と、
光検出器（３０）とを備え、
前記強度変調器（２６）の入力が、レーザ源（２０）の出力と連通するように結合され、前記タップカプラ（２８）の入力が、前記強度変調器（２６）の出力と連通するように結合され、前記光検出器（３０）の入力が、前記タップカプラ（２８）の出力と連通するように結合され、前記光検出器（３０）の出力が、前記強度変調器（２６）の制御ポートと連通するように結合され、
前記強度変調器（２６）が、前記光検出器（３０）からのフィードバック信号に応答して、前記レーザ源（２０）から受け取った光ビームの振幅変動を低減させる装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置であって、サーボ電子構成要素（３２）をさらに備え、前記サーボ電子構成要素（３２）の入力が、前記光検出器（３０）の前記出力と連通するように結合され、前記サーボ電子構成要素（３２）の出力が、前記強度変調器（２６）の前記制御ポートと連通するように結合され、前記サーボ電子構成要素（３２）が、前記光検出器（３０）からの前記フィードバック信号を増幅させてから、前記信号を前記強度変調器（２６）の制御ポートへ送出する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、２００９年３月６日出願の仮出願第６１／１５８，０１８号の利益を主張する。同出願を参照により本明細書中に組み込む。
【背景技術】
【０００２】
共振器光学ジャイロスコープは、共振空胴を含む回転速度感知デバイスである。共振空胴は、反対方向に伝播する光波を支持する（普遍性を失うことなく、以下、それぞれ時計回り（ＣＷ）および反時計回り（ＣＣＷ）方向と呼ぶ）。共振器の垂直軸の周りの回転速度がゼロ以外であるとき、ＣＷ光波とＣＣＷ光波に対する効果的な往復光路の長さは異なり、これらの光波間に共振周波数差を招く。この共振周波数差を測定することによって、回転速度を求めることができる。
【０００３】
共振器光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、共振器内で光ファイバを使用する特別な種類の共振器ジャイロスコープである。光ファイバは、感知ループの寸法をあまり増大させることなく、ジャイロの信号対雑音（Ｓ／Ｎ）感度を高める。共振周波数差を測定するには、通常、単色光波が正弦波位相／周波数変調されて、ＣＷおよびＣＣＷ方向でＲＦＯＧ共振器内に結合される。共振器内を循環する光の一部分が共振器から外へ結合されて、光検出器で電子信号に変換される。これらの電気信号は、対応する変調周波数で復調されて、入力光周波数をＣＷおよびＣＣＷ空胴の共鳴周波数に対してサーボ制御するために使用される。
【０００４】
ＲＦＯＧに対して光波を位相／周波数変調するには多くの方法がある。１つの共通の手法は、レーザの後にニオブ酸リチウム位相変調器を使用することである。別の手法は、半導体レーザの注入電流を変調することである。後者の方法が使用される場合、注入電流の変調は、レーザ光周波数だけでなく、光強度も変調する。その結果得られる強度変調は、レーザ周波数変調と同じ周波数のものである。
【０００５】
位相変調に位相変調器が使用される場合、変調器導波管とそのピグテールファイバの間の不完全なファイバ接続または偏光軸の不整合のため、光路に沿ってＲＦＯＧの位相変調器の前後に、偏光交差結合点が生じる可能性がある。光学パワーの大部分は、意図した通り、偏光状態を変調器の通過軸と整合させた光路内で伝播する。しかし、少量の交差結合された光学パワーは、偏光状態が変調器の経路のアクセスに直交する光路内で伝播する。位相変調器後の交差結合点では、変調器の２つの直交する偏光軸に沿って伝播する光波間の干渉により、位相変調周波数で強度変調が生じる。
【０００６】
強度変調により、共鳴中心周波数の光検出器出力信号がゼロ以外になる。共鳴周波数の光検出器出力がゼロ以外になると、サーボは、誤差を除去するようにレーザ周波数を共鳴周波数から動かす。ＣＷとＣＣＷ両方のレーザ周波数が共鳴から同じ量だけ同じ方向（正相または負位相）に動かされた場合、回転感知誤差は取り消すことができる。しかし、両方のビームの強度変調が同じ大きさでかつ同じ方向のものである可能性は低い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】仮出願第６１／１５８，０１８号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は一般に、共振器光学ジャイロスコープ内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させるシステムおよび方法に関する。この方法は、（１）ジャイロスコープ共振器の上流に位置決めされた強度変調器を通るように光ビームを誘導するステップと、（２）強度変調器から受け取った光ビームの少なくとも一部分を光検出器の方へ再誘導するステップと、（３）変調周波数の再誘導された光ビームの振幅に比例する信号を光検出器から出力するステップと、（４）出力された光検出器信号を増幅させるステップと、（５）出力された信号を強度変調器に制御入力として提供するステップとを含む。この方法は、変調周波数での強度変調を、フィードバックループの利得にほぼ比例する量だけ低減させる。このシステムは、強度変調器、タップカプラ、光検出器、およびサーボを含む。前述の構成要素は、導入される順に直列ループの形で接続され、したがって、強度変調器からの光ビームをタップカプラが受け取り、強度変調器は、その制御信号をサーボの出力から受け取る。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態について、以下の図面を参照して以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による残留強度変調（ＲＩＭ）制御ループを含む共振器光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）のブロック図である。
【図２】ＲＦＯＧ内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させる方法の流れ図である。
【図３】残留強度変調サーボの電気回路図である。
【図４】残留強度変調サーボの第２の実施形態の電気回路図である。
【図５】開ループ構成の場合の各ノードの例示的な信号をともに示す、ＲＩＭ制御ループのブロック図である。
【図６】閉ループ構成の場合の各ノードの例示的な信号をともに示す、ＲＩＭ制御ループのブロック図である。
【図７】ＲＩＭ制御ループの開ループ構成の応答のボーデ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
強度変調誤差による回転感知バイアスの補償は、残留強度変調（ＲＩＭ）サーボループを共振器光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）の２つの時計回りおよび反時計回りのレーザ源のそれぞれの中に組み込むことによって実現される。図１は、２つのレーザ源、時計回り（ＣＷ）レーザ源１２および反時計回り（ＣＣＷ）レーザ源１４を含むＲＦＯＧ１０を示す。２つの源１２、１４のそれぞれの出力は、共振器１５の入力に結合される。共振器１５の出力は、時計回り復調構成要素１６および反時計回り復調構成要素２１に結合され、これらの復調構成要素は、時計回りレーザ源１２および反時計回りレーザ源１４にフィードバック信号を提供する。
【００１２】
時計回りレーザ源１２は、レーザ２０、レーザ駆動装置２２、および残留強度変調（ＲＩＭ）制御ループ２４を含む。ＲＩＭ制御ループ２４は、強度変調器２６、タップカプラ２８、サーボループ光検出器３０、およびＲＩＭサーボ電子構成要素３２を含む。時計回り復調構成要素１６は、復調光検出器１７、復調器１８、および復調処理装置１９を含む。
【００１３】
時計回りレーザ源１２の構成要素は、直列分岐の形で、レーザ駆動装置２２からレーザ２０、強度変調器２６、タップカプラ２８、共振器１５の通りに接続される。ＲＩＭ制御ループ２４の構成要素は、直列ループの形で、強度変調器２６からタップカプラ２８、サーボループ光検出器３０、ＲＩＭサーボ電子構成要素３２へ、そして再び強度変調器２６の通りに接続される。時計回り復調構成要素１６の構成要素は、直列分岐の形で、復調光検出器１７から復調器１８、復調処理装置１９の通りに接続される。復調処理装置１９の出力は、再びレーザ駆動装置２２へ接続される。ＣＣＷレーザ源１４は、ＣＷレーザ源１２内に含まれる構成要素に相補的な構成で接続される相補的な１組の構成要素を含む。ＣＣＷ復調器構成要素２１はまた、ＣＷ復調構成要素１６内に含まれる構成要素に相補的な構成で接続される相補的な１組の構成要素を含む。
【００１４】
動作の際には、レーザ駆動装置２２は、所与の周波数で光ビームを出力するようにレーザ２０を駆動する。レーザ２０からの光は、強度変調器２６およびタップカプラ２８を通過してから、共振器１５によって受け取られる。共振器１５は、ＣＷレーザ源１２およびＣＣＷレーザ源１４からの光を同時に受け取り、２つの源１２、１４からの光ビームは、共振器１５の周りを反対方向に進む。復調構成要素１６、２１はそれぞれ、共振器１５から光ビームを受け取り、共鳴周波数とレーザ周波数の差を示す信号を検出することによって、各レーザ周波数をそれぞれ対応する共鳴周波数で維持する。
【００１５】
各復調構成要素１６、２１はまたレーザ駆動装置２２に出力し、レーザ駆動装置２２は、復調された光検出器出力信号をゼロに等しく維持するように周波数を連続して調整することによって、レーザ２０を連続して共鳴周波数にする。これにより、各光ビームを共鳴周波数で維持する。
【００１６】
回転速度の尺度は、ＣＷとＣＣＷの共鳴周波数間の周波数差の尺度である。レーザ周波数は共鳴周波数に制御されるので、レーザ周波数間の差は、回転速度の尺度である。レーザ周波数間の差を測定するために、タップカプラ３３によって、レーザ直後の各ビームからわずかな光が取り出される。両方のビームから取り出された光は、ビーム結合器３４で結合される。ビーム結合器３４は２つの出力を有し、これらの出力はそれぞれ、光検出器３５に進む。ＣＷとＣＣＷのレーザビームは、２つの光検出器３５で干渉して、うなり信号を生成する。うなり信号は、２つのレーザビーム間の周波数差に等しい周波数を有する強度変動である。光検出器３５の出力は、周波数差処理装置３６へ進み、周波数差処理装置３６は、うなり信号の周波数、したがって２つのレーザ間の周波数差を測定する。周波数差の符号を求めるには、２つの検出器が必要である。
【００１７】
ＲＩＭサーボループ２４は、実際の共鳴周波数と復調出力信号がゼロに等しくなる周波数との間のオフセット（強度変調バイアス誤差）を補償する。強度変調器２６は、変調周波数前後の周波数で発生する強度変動を制御することによって、この差を補正する。強度変調器２６は、ＲＩＭサーボ電子構成要素３２からその制御ポートで受け取った負のフィードバック信号によって制御される。タップカプラ２８は、わずかな光、通常ビーム全体の５％〜１０％を取り出して、その光をサーボループ光検出器３０へ再誘導する。サーボループ光検出器３０は、光信号内の強度変調の振幅に比例する電圧信号を出力する。ＲＩＭサーボ電子構成要素３２は、サーボループ光検出器３０からの電圧信号を増幅させて、この信号を強度変調器の制御ポートに供給する。強度変調の低減は、変調周波数でのＲＩＭサーボ電子構成要素３２の開ループ利得に比例する。
【００１８】
図２は、共振器光ファイバ・ジャイロスコープ１０内の強度変調により引き起こされる回転速度の測定誤差を低減させる例示的な方法３８を示す。まず、ブロック４０で、光ビームがレーザ２０から強度変調器２６を通るように誘導される。次に、ブロック４２で、強度変調器２６から受け取った光ビームの少なくとも一部分が、タップカプラ２８を使用してサーボループ光検出器３０の方へ再誘導される。次に、ブロック４４で、サーボループ光検出器３０は、変調周波数の再誘導された光ビームの振幅に比例する電圧信号を出力する。次に、ブロック４６で、出力された光検出器信号は、ＲＩＭサーボ電子構成要素３２で増幅される。最後に、ブロック４８で、増幅された信号は、強度変調器２６の制御ポートに提供される。このフィードバックを用いて、強度変調器２６は、強度変調による変調周波数の振幅変動を、フィードバックループの利得にほぼ比例する量だけ低減させる。
【００１９】
図３は、ＲＩＭサーボ電子構成要素３２−１の第１の実施形態を示す。ＲＩＭサーボ電子構成要素３２−１は、動作増幅器５０、入力抵抗５２、第１のフィードバック抵抗５４および第２のフィードバック抵抗５６、入力コンデンサ５８、ならびにフィードバックコンデンサ６０を含む。
【００２０】
ＲＩＭサーボ電子構成要素３２−１は、動作増幅器の積分回路を形成する。動作増幅器５０のプラス入力は接地に接続され、またその出力は、ＲＩＭサーボ信号出力として、強度変調器２６の入力制御ポートに接続される。動作増幅器５０のマイナス入力は、入力抵抗５２および入力コンデンサ５８の直列接続を通して、ＲＩＭサーボ制御入力に接続される。動作増幅器５０のマイナス入力および出力はまた、第１のフィードバック抵抗５４およびフィードバックコンデンサ６０を直列で有する第１の分岐と、第２のフィードバック抵抗５６を有する第２の分岐との並列回路接続を含むフィードバックループを通して接続される。ＲＩＭサーボ電子構成要素３２−１は、その入力として、サーボループ光検出器３０から受け取った信号を有し、またその出力は、強度変調器２６の入力制御ポートへ供給される。
【００２１】
図４は、ＲＩＭサーボ電子構成要素３２−２の第２の実施形態を示す。ＲＩＭサーボ電子構成要素３２−２には、直列に接続された３つの段の第１の実施形態３２−１が含まれる。唯一の違いは、入力コンデンサ５８が第１の段６４の入力で一度だけ現れ、その後の第２の段６６および第３の段６８の入力では現れないことである。
【００２２】
図５は、ＲＩＭ制御ループ２４が開ループ構成である場合の様々なノードでの代表的な信号振幅を示す。ＲＩＭ制御ループ２４の信号の中には、強度変調器入力信号７０、強度変調器出力信号７２、およびＲＩＭサーボ出力信号７４がある。ＲＩＭ制御ループ２４は、ＲＩＭサーボ電子構成要素３２と強度変調器２６の制御入力の間のスイッチ７８によって、開ループ構成と閉ループ構成の間を切り換える。ＲＩＭ制御ループ２４が開ループ構成である場合、強度変調器出力信号７２の振幅は強度変調器入力信号７０と変わらず、ＲＩＭサーボ出力信号７４の振幅は大きい。この結果は、変調周波数前後の周波数で発生する強度変動が制御されていないことを示す。
【００２３】
図６は、制御ループ２４が閉ループ構成である場合（スイッチ７８が閉じた状態）のＲＩＭ制御ループ２４のノードでの代表的な信号振幅を示す。その結果、強度変調器出力信号７２の振幅は、強度変調器入力信号７０と比較して小さくなり、ＲＩＭサーボ出力信号７４の振幅は、図４の開ループ構成の場合ほど大きくない。この結果は、変調周波数前後の周波数で発生する強度変動がＲＩＭ制御ループ２４によって制御されていることを示す。
【００２４】
図７は、ＲＩＭサーボ電子構成要素３２の開ループ利得に対して起こりうる応答のボーデ線図 ８０を示す。第１のＲＩＭサーボ電子構成要素３２−１などの１次ループの場合、利得８２−１は、１次応答８４によって表すように、速度２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅの周波数で減衰する。変調周波数８６の実際の利得８２−１は、開ループ構成での減衰の速度および単位利得クロスオーバ周波数８８によって求められる。したがって、単位利得クロスオーバ周波数８８を増大させることによって、全体的な利得８２−１、および強度変調の対応する低減も増大させることができる。しかし、実際には、単位利得クロスオーバ周波数８８をどれだけ高く上げられるかは限られており、これにより強度変調の最大の低減も限られる。
【００２５】
変調周波数８６での追加の利得は、ＲＩＭサーボ電子構成要素３２を２次または３次増幅器にすることによって、単位利得クロスオーバ周波数８８を増大させることなく実現することができる。２次ループの場合、増大させた利得８２−２は、２次応答９０で表すように、速度４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅの周波数で減衰する。図３の第２のＲＩＭサーボ電子構成要素３２−２などの３次ループの場合、増大させた利得８２−３は、３次応答９２で表すように、速度６０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅの周波数で減衰する。
【００２６】
変調周波数での強度変調は、およそフィードバックループの利得分だけ低減される。したがって、フィードバックループは、変調周波数または変調周波数付近の最大利得を有するように設計される。非常に高い利得を実現するには、フィードバックループの帯域幅を、変調周波数よりはるかに高くしなければならない。ＲＦＯＧ変調周波数は通常、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲内である。したがって、１００ｋＨｚで６０ｄＢのフィードバックループ利得が望ましい場合、フィードバックループの単位利得周波数は、１次ループに対して少なくとも１００ＭＨｚ、また２次ループに対して概ね１０ＭＨｚにする必要がある。これらの高い周波数は、強度変調が単位利得周波数より大きな帯域幅、したがって非常に高い帯域幅を有する必要があることを意味する。単位利得周波数より大きな帯域幅を有する２つの例示的な強度変調器は、ニオブ酸リチウム変調器および電子吸収変調器である。
【００２７】
本発明の一実施形態について、上記の通り例示して説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、一実施形態の開示に限定されるものではない。その代わりに、本発明は、以下の特許請求の範囲を参照することによって完全に決定されるべきである。
【００２８】
独占的所有権または特権が主張される本発明の実施形態を以下に規定する。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ＲＦＯＧ、共振器光ファイバ・ジャイロスコープ
１２  時計回り（ＣＷ）レーザ源
１４  反時計回り（ＣＣＷ）レーザ源
１５  共振器
１６  時計回り復調構成要素
１７  復調光検出器
１８  復調器
１９  復調処理装置
２０  レーザ
２１  反時計回り復調構成要素
２２  レーザ駆動装置
２４  残留強度変調（ＲＩＭ）制御ループ、ＲＩＭサーボループ
２６  強度変調器
２８  タップカプラ
３０  サーボループ光検出器
３２  ＲＩＭサーボ電子構成要素
３２−１  ＲＩＭサーボ電子構成要素
３２−２  ＲＩＭサーボ電子構成要素
３３  タップカプラ
３４  ビーム結合器
３５  光検出器
３６  周波数差処理装置
３８  方法
５０  動作増幅器
５２  入力抵抗
５４  第１のフィードバック抵抗
５６  第２のフィードバック抵抗
５８  入力コンデンサ
６０  フィードバックコンデンサ
６４  第１の段
６６  第２の段
６８  第３の段
７０  強度変調器入力信号
７２  強度変調器出力信号
７４  ＲＩＭサーボ出力信号
７８  スイッチ
８０  ボーデ線図
８２−１  利得
８２−２  増大させた利得
８２−３  増大させた利得
８４  １次応答
８６  変調周波数
８８  単位利得クロスオーバ周波数
９０  ２次応答
９２  ３次応答
【図１】
2010210616.tif 000003
【図２】
2010210616.tif 000004
【図３】
2010210616.tif 000005
【図４】
2010210616.tif 000006
【図５】
2010210616.tif 000007
【図６】
2010210616.tif 000008
【図７】
2010210616.tif 000009
【外国語明細書】
2010210616000001.pdf