(57)【要約】      （修正有）【課題】共振器光ファイバジャイロにおける２次高調波歪を除去することにより、回転速度誤差を低減する。【解決手段】共振器光ファイバジャイロにおける第二次高調波歪みを抑制するための装置及び方法は、変調された信号に従って、光ファイバ共振器を通って進む、複数の対向伝搬レーザビームのうちの少なくとも１つを発生するレーザを変調駆動することを含む。変調された信号は、２つの項を有する多項式によって表されることができ、２つの項のそれぞれは、係数及び定数によって好適に乗算される。変調振幅調節器は、振幅係数によって変調信号を増幅することにより適切にレーザを駆動する。定数の比率の平方根を表す振幅係数が好適に選択されると、ＲＦＯＧにおける全高調波歪みが最小化される。【選択図】図２
2010281819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器光ファイバジャイロスコープにおいて第二次高調波歪みを抑制するための装置（１０）であって、
光ファイバ共振器を通って進む、複数の対向伝搬レーザビームのうちの少なくとも１つを駆動するためのレーザドライバ（１５）であって、前記駆動は変調された信号に合致して生じる、レーザドライバ（１５）と、
前記変調信号を発生する変調発振器（２７）と、
最終的な振幅が、
ａ１＝√（ｋ２／２ｋ４）
となり、前記光ファイバ共振器が、
ｙ｜ω＝−ｋ２ａ１ａ２ｓｉｎ（ωｔ）＋２ｋ４ａ１３ａ２ｓｉｎ（ωｔ）
に従って信号を出力するように、前記変調信号を増幅するための変調振幅調節器（３６）であって、前記レーザドライバと前記変調発振器との間の信号経路に置かれる、変調振幅調節器（３６）と、
を備える、装置。
【請求項２】
装置（１０）であって、
前記レーザドライバ（１５）は、前記光ファイバ共振器内の時計回りに伝搬するレーザビーム（１２ｃｗ）及び反時計回りに伝搬するレーザビーム（１２ｃｃｗ）のそれぞれのための少なくとも１つのレーザドライバを備え、
前記変調発振器は、前記光ファイバ共振器内の時計回りに伝搬するレーザビーム及び反時計回りに伝搬するレーザビームのそれぞれのための少なくとも１つの変調発振器を備え、
前記変調振幅調節器は、前記光ファイバ共振器内の時計回りに伝搬するレーザビーム及び反時計回りに伝搬するレーザビームのそれぞれのための少なくとも１つの変調振幅調節器を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光ファイバ共振器を通って、時計回り又は反時計回りのいずれかの方向に伝搬する追加的なレーザビームのための、追加的なレーザドライバ、追加的な変調発振器、及び追加的な振幅調節器のそれぞれの少なくとも１つをさらに備える、請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には電子式ジャイロスコープに関し、より詳細には、電子式ジャイロスコープを実施するための計器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロは、回転軸を中心とする回転速度又は角速度の変化を測定するために使用されてきた。基本的な従来の光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）は、光源と、ビーム発生装置と、このビーム発生装置に結合されて、或る領域を取り巻く光ファイバのコイルとを備える。ビーム発生装置は光ビームをコイル中に送出し、この光ビームは、光ファイバのコアに沿って時計回り（ＣＷ）方向及び反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝搬する。多くのＦＯＧは、ファイバの固体ガラスコアに沿って光を伝えるガラスベースの光ファイバを利用する。２つの対向伝搬（例えばＣＷ及びＣＣＷ）ビームは、回転する閉光路を回って伝搬している間に異なる路長となり、この２つの路長の差は、取り囲まれた領域に直交する回転速度に比例する。
【０００３】
共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）では、対向伝搬光ビームは望ましくは単色（例えば単一周波数）であり、複数の巻数の光ファイバコイルを通り、コイルを通過した光の方向を変えてコイル中に再び戻す（すなわち光を循環させる）ファイバカプラ等の装置を用いたコイルを複数回通過して循環する。ビーム発生装置は、共振コイルの共振周波数を観測できるように、対向伝搬光ビームのそれぞれの周波数を変調又はシフトする。コイルを通るＣＷ及びＣＣＷの経路それぞれでの共振周波数は強め合う干渉条件に基づいており、そのため、それぞれ異なる回数コイルを横断したすべての光波が、コイル内のどの点でも強め合う干渉をするようになる。この強め合う干渉のために、往復の共振器光路長が整数個の波長に等しいときの波長を有する光波は「共振する」と呼ばれる。コイルの軸を中心とする回転により、時計回りの伝搬と反時計回りの伝搬ではそれぞれ異なる光路長が生じ、それによって共振器のそれぞれの共振周波数間でシフトが生じ、この周波数差は、回転による閉光路の共振周波数シフトと一致するようにＣＷビームとＣＣＷビームの周波数の差を調節することによって測定できるようなものであり、回転速度を示す。
【０００４】
共振器に入るＣＷレーザ入力光及びＣＷ光検出器は、共振器のＣＷ出力を検出する。ＣＷ光検出器の後方の電子機器が、ＣＷレーザ周波数を制御して、共振器の共振周波数にする。ｆ１のレーザ周波数を変調することによって共振周波数を検出し、その後、光検出器の出力をｆ１に復調する。共振周波数では、ｆ１の光検出器の信号がゼロ振幅を通過する。ＣＷ積分器は、レーザドライバを介してレーザ周波数を制御し、復調器の出力がゼロになるまで、レーザ周波数を調節することによって、共振周波数にする。ｆ１での変調は、加算器によってＣＷ積分器の出力と電子的に合算される。同様の方法で、ＣＣＷレーザは制御され、ＣＣＷ共振周波数になる。ただし、変調周波数ｆ２は、誤差を除去するためにｆ１と異なっているのが一般的である。該誤差は、共振器の１つの伝搬方向からの光が誤って他の方向に結合することによって生じる。
【０００５】
回転速度は、ＣＷ共振周波数とＣＣＷ共振周波数との差に比例する。変調発振器の出力の振幅は、共振周波数からのレーザ周波数偏差に対する共振器の出力の感度を最大にするように設定されるのが一般的である。ほとんどの回転検知誤差は、変調振幅が最大感度又はその近傍に設定されたときに最小化される。しかしながら、共振周波数の第二次高調波で最も多く見られる高調波歪みに関連する回転検知誤差は、さらに高い感度で単純に増幅され、ＲＦＯＧの性能をほとんど向上させない。
【０００６】
第二次高調波の存在による干渉効果の一例が、図１において明白である。位相の関数としての変調のプロット３において、純正弦基本波（a pure sine fundamental）５が、純正弦基本波の第二次高調波７に加えられ、Ｘ軸に対して明らかに非対称な新しい合成波９が生じている。この非対称は、第１半周期の間、振幅のより低い正偏位として現れ、第２半周期の間、振幅のより高い負偏位として現れる。この明らかな非対称は、測定された共振器の中心周波数をシフトすることによって、ＲＦＯＧの精度を下げる。時計回りの共振周波数と反時計回りの共振周波数との間の差が、ＲＦＯＧにおける回転加速度の測定であるため、第二次高調波の存在が、ＲＦＯＧの性能を低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本技術で必要とされているものは、回転誤差を発生する第二次高調波による干渉効果を除去又は最小化するように構成されるＲＦＯＧである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
共振器光ファイバジャイロにおける第二次高調波歪みを抑制するための装置及び方法は、変調された信号に従って、光ファイバ共振器を通って進む、複数の対向伝搬レーザビームのうちの少なくとも１つを発生するレーザを駆動することを含む。変調された信号は、２つの項を有する多項式によって表されることができ、２つの項のそれぞれは、係数及び定数によって好適に乗算される。変調振幅調節器は、レーザを駆動するために使用されるように、振幅係数によって変調信号を増幅する。定数の比率の平方根を表す振幅係数が好適に選択されると、ＲＦＯＧにおける全高調波歪みが最小化される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例及代替的な実施例を、以下の図面を参照しながら詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第二次高調波によって生じる高調波歪みの影響を示すグラフである。
【図２】第二次高調波歪みを最小化するための変調振幅調節器を利用したＲＦＯＧの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の本発明の詳細な説明は、実際は例示に過ぎず、本発明又は本出願、及び本発明の使用方法を限定しない。さらに、前述の本発明の背景技術又は以下の本発明の詳細な説明の中に提示される、いかなる理論によっても拘束される意図はない。
【００１２】
ここで、図を参照すると、図２は、本発明の例示的な実施形態に従う共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）１０の概略図である。ＲＦＯＧ１０は、それぞれ時計回り及び反時計回りの光源としてそれぞれ割り当てられた、１対のレーザ、１２ｃｗ及び１２ｃｃｗのそれぞれを備えている。１２ｃｗ及び１２ｃｃｗは、ビームがそれぞれ発生する方向を示すためにこのように割り当てられ、光ファイバリング共振器１８に入り、該光ファイバリング共振器１８内を進む。各光ビームは、レーザ１２ｃｗ及び１２ｃｃｗから放射し、それぞれが周波数を有し、１対のレーザドライバ１５ｃｗ及び１５ｃｃｗのそれぞれにおいて発生する信号に合致する周波数で変調される。
【００１３】
光リング共振器１８は、１つ又は複数の入出力導波管に結合する閉ループの、導波管を備える。ほとんどの場合、共振器１８は、螺旋状に巻かれ、さらに、一周して管を形成する単一の光ファイバストランドである。
【００１４】
第１及び第２の端部を有する。適切な周波数の光が、入力導波管によってループに結合されると、強め合う干渉に起因し、往復を複数繰り返して強度を増す。次に、光は検出器によってピックアップされることができる。ループ内では、一部の導波管しか共振しないため、共振器もまたフィルタとして機能する。
【００１５】
このように、光ビームはそれぞれ、反対側の端部に入り、それぞれの方向（時計回り及び反時計回り）において共振器を周回する。第１の端部及び第２の端部のそれぞれでは、光検出器２１ｃｗ、２１ｃｃｗが、前述の２方向のそれぞれにおいて共振器１８から出てくる光波を検出する。
【００１６】
前述の通り、レーザ１２ｃｗ及び１２ｃｃｗはそれぞれ、１対のレーザドライバ１５ｃｗ及び１５ｃｃｗのそれぞれで発生する信号に合致する周波数で変調される、光ビームを発生する。そして、レーザドライバは、レーザビームの周波数変調をするための変調正弦波を発生する信号を受信する。それぞれの方向について、変調発振器２７ｃｗ、２７ｃｃｗに従って信号が正弦波的に周波数変調され、それぞれの光検出器２１ｃｗ及び２１ｃｃｗでの出力は、変調正弦波の同一周波数で、復調器２４ｃｗ、２４ｃｃｗにおいて同様に復調されなければならない。このように、光検出器２１ｃｗ、２１ｃｃｗに結合された復調器２４ｃｗ、２４ｃｃｗは、復調器２４ｃｗ、２４ｃｃｗにおいて光検出器２１ｃｗ、２１ｃｃｗの出力を復調し、ＣＷビーム及びＣＣＷビームの光出力によって示される共振中心を測定する。
【００１７】
変調された信号は、レーザ周波数と共振中心との周波数差にほぼ比例する。平均レーザ周波数が共振中心上にあるとき、変調された信号はゼロである。積分器３０ｃｗ、３０ｃｃｗは信号を構成し、入力信号の時間積分である出力信号を、リアルタイムで提供する。多くの他の用途の中、積分器は今日、雑音によって破損したデジタル信号から情報を抽出するための基礎を形成する。
【００１８】
２つの（又は、場合によっては３つの）レーザのこの技法を使用する１つの利点は、ＣＷビーム周波数を、ＣＣＷビーム周波数が調節されるのとは異なる、共振器の共振に調節させることが容易であることである。光リング共振器の共振周波数は、整数個の波長が共振器の光路長に適合するたびに毎回定期的に出現するため、ＣＷビーム周波数及びＣＣＷビーム周波数を、例えば、ＣＷ経路及びＣＣＷ経路それぞれに適合するｎ波長及び（ｎ＋１）波長の周波数に合わせることができる。ここで、ｎは、共振器の光路の往復において横断された光の波長の、整数の個数を表している。これは、１つのビームから別のビームへの光の後方散乱に起因して生じ得る回転速度誤差を軽減する。しかしながら、異なるビームを形成する異なる個数の波長を使用することは、リング共振器の光路長を回転速度の測定に導入することとなる。後方散乱から生じる誤差は、第３のレーザビームに組み込むことによって、軽減され得る（例えば、ｎ−１波長が共振器のＣＣＷ光路長に適合する場合の周波数でのＣＣＷの方向で）。
【００１９】
２つ又は３つのレーザの構成のいずれにおいても、回転検知誤差は高調波歪みに起因して生じ得る。高調波歪みは、入力信号波形と一致しない単一の波形における高調波出力によって特徴付けられる非線形歪みである。高調波歪みは、本システムの中のいくつかの構成要素において引き起こされ得るが、一般的には、信号の変調で生じる。
【００２０】
回転検知誤差は、変調の高調波歪みに関連する場合が多く、第二次高調波によるものが最も致命的である。本発明者らは、指定の変調振幅を使用する場合、第二次高調波の引き起こす高調波歪みの影響が顕著に低減、又は除去され得ることを指摘した。本発明の装置は、それゆえ、種々の回転検知誤差の幾分かの増加を認めることによって、好適に増幅された変調正弦波を、変調振幅調節器３６ｃｗ、３６ｃｃｗにおいて信号に入れ、高調波変調歪みに起因する誤差を最小化することができる。
【００２１】
変調発振器２７ｃｗ、２７ｃｃｗによって出力された信号の正又は負の増幅は、変調振幅調節器３６ｃｗ、３６ｃｃｗで生じ、構成に先立って導出される一定の増幅係数に従う。
【００２２】
変調の性質を理解するために、多項式を用いた共振関数を使用して変調プロセスをモデル化する。完全に対称な共振関数を仮定すると、問題となっている歪みは、選択された多項式の偶数次数でしか引き起こされない。それゆえ、多項式は、その二次導関数が当該多項式の符号を変更するように、共振関数に近似する負符号を有する４次多項式になるように選択されなければならない。この条件を満たす関数は、以下である。
【００２３】
ｙ＝ｋ２ｘ２−ｋ４ｘ４                                              （式１ａ）
上記多項式は、少なくとも１つの正弦曲線に基づいているため、上記関数はそのように表される。結果の関数は、係数ａ１及びａ２を用いた、基本周波数での変調信号及び高調波歪みに起因する第二次高調波成分を表す。係数ａ１は基本周波数での変調信号の相対振幅を表し、係数ａ２は第二次高調波成分を表す。
【００２４】
ｘ＝ａ１ｓｉｎ（ωｔ）＋ａ２ｃｏｓ（２ωｔ）                      （式１ｂ）
変調をモデル化するために多項式を使用し、周波数及び第二次高調波での、結果の波長について解くと、以下となる。
【００２５】
ｙ｜ω＝−ｋ２ａ１ａ２ｓｉｎ（ωｔ）＋２ｋ４ａ１３ａ２ｓｉｎ（ωｔ）                                                                                    （式２）
式２に表されるこの多項式は、（正弦波変調と仮定すると）、基本周波数での共振器の出力信号における歪みをモデル化している。この式を検証すると、変調は共振関数に関して中心に設定されるため、この歪み信号は、存在するバイアスエラーの歪み信号であることが判明する。変調の振幅が以下のように選択される場合、バイアスエラーはゼロになる。
【００２６】
ａ１＝√（ｋ２／２ｋ４）                                              （式３）
この事実を利用した回路設計には、増幅係数が一定であり、第二次高調波の変調振幅から独立しているという事実が役立つ。したがって、固定振幅での簡易な増幅が、第二次高調波歪みを適切に抑制する。
【００２７】
次に、図２に戻ると、変調発振器２７ｃｗ、２７ｃｃｗの出力は、その後、積分器３０ｃｗ、３０ｃｃｗの出力に好適な加算をするための加算器３３ｃｗ、３３ｃｃｗに変調信号の振幅が提供されるような係数によって、変調振幅調節器３６ｃｗ、３６ｃｃｗにおいて増幅される。積分器３０ｃｗ、３０ｃｃｗは、信号が前述したように変調されるように、復調器２４ｃｗ、２４ｃｃｗの出力を積分する。加算器３６ｃｗ、３６ｃｃｗにおいて増幅された変調信号を加算する手段によって、第二次高調波歪みは、フィードバックループ内でゼロレベルに近づく。
【００２８】
上述のように、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。例えば、第３の回路における高調波を抑制するために、本装置自身の変調振幅調節器に、第２の時計回り又は反時計回りの回路を追加することができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されるものではない。むしろ、本発明は、専ら以下の特許請求の範囲を参照することによって画定されるべきである。
【図１】
2010281819.tif 000003
【図２】
2010281819.tif 000004
【外国語明細書】
2010281819000001.pdf