(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を所定の二方向に伝搬、通過させる導波路と光ファイバループとを有し、角速度入力の変化に対応して該二方向の光に位相差を生ぜしめると共に該二方向の光の導波路の一方の導波路に正弦波変調をかけて得た正弦波位相変調信号を光電変換処理して電気信号を得ると共に該電気信号のフィードバック回路に設けた鋸歯状波発生回路から前記光の導波路の他方の導波路に鋸歯状波位相変調をかけることにより前記角速度入力に対応しかつ前記鋸歯状波の位相変調周波数に比例した角速度出力信号を得る光ファイバジャイロにおいて、
前記フィードバック回路に逆正弦関数計算回路手段を設け、クローズドループの周波数帯域を越える角振動入力があった場合にも前記角速度出力信号の逆正弦関数値を求めて直線化された角速度出力を得るようにしたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項２】
前記フィードバック回路には前記光源、前記光の導波路、前記ファイバループを包含した光学系のスケールファクタを補正するスケールファクタ補正回路を前記の逆正弦関数計算回路の前段に設けて、該光学系のスケールファクタの変動を補正するようにした構成を具備する請求項１に記載の光ファイバジャイロ。
【請求項３】
所定の模擬角速度発生回路と、該模擬角速度発生回路から印加した所定の模擬角速度値に対応した上記光学系のスケールファクタを測定するスケールファクタ測定回路を別に設け、切換手段を介して該模擬角速度発生回路とスケールファクタ測定回路とを該光学系に接続し、所定の模擬角速度入力を介して前記光学系のスケールファクタを測定し得るようにした構成を更に具備した請求項２に記載の光ファイバジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバジャイロに関し、特に、高周波数の角振動入力に対するドリフトの改善手段を備えた光ファイバジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバジャイロの一般的な構成は、周知であり、図４に示すように光源１から出た光を光ファイバを介して光カプラ２、偏光子（ポーライザ）３、更に光導波路変調器４などを経由することにより２つの進路に分け、ファイバループ５の中を時計回り方向（ＣＷ方向）と反時計回り方向（ＣＣＷ方向）との両方向に光を伝搬させる。そして、このような光伝搬状態下で、光ファイバループ５に、該光ファイバループ５のループ中心の周りに角速度を印加すると、ＣＷ，ＣＣＷ光間に所謂、サニヤック（Ｓａｇｎａｃ）効果と呼称される、入力角速度に比例した位相差が発生する。光ファイバジャイロは、このようなＣＷ方向およびＣＣＷ方向の光の干渉光の強度が位相差に応じて変化することを利用して入力角速度に対する干渉光強度の変化を光カプラ２で結合された検出系のファイバを介して受光器６により光学的出力として得た出力を光電変換により電気出力に変換して検出出力を得るようにした構成を有している。
【０００３】
ここで、上記ＣＷ光とＣＣＷ光との位相差をφs とすると、干渉光の強度Ｐは次の式で表される。
Ｐ＝Ｋp （１＋ＣＯＳφs ）                        （１）
ここで、Ｋp は定数である。
このような、干渉光の強度出力Ｐは、入力角速度の変化に対応した出力変化においてはｃｏｓｉｎｅ系の出力曲線を呈するためにゼロ入力角速度を境界とした正負の入力角速度付近では、極めて検出感度が緩慢になる欠点がある。このために、干渉光の強度Ｐの検出系で正弦波位相変調をかける電気的処理を施すことも従来から行われている。すなわち、図４で示す正弦波発生回路７により光導波路変調器４の電極４ａ，４ｂを介して光に正弦波変調をかけるものである。
【０００４】
いま、角周波数ωm の正弦波で位相変調をかけると、上記（１）式の干渉光の強度Ｐは、次のようになる。
【０００５】
【数１】
0003717259.tif 000002
【０００６】
上述のように、干渉光は、受光器６によって電気信号に変換されるが、その受光器６の角速度検出値ないし出力値を示す電気的な出力Ｖp は次の式で与えられる。
【０００７】
【数２】
0003717259.tif 000003
【０００８】
なお、Ａは定数、Ｊｉ（η）はｉ次のベッセル関数である。
光ファイバジャイロでは、受光器６からの出力Ｖp を復調器８により角周波数ωm で復調することにより、式（７）の右辺第２項の係数部２ＡＪ1(η)sinφs が取り出されて角速度出力になる。
すなわち、位相差φs は角速度入力に比例するから出力Ｖp の角速度成分は、角速度入力の正弦関数になるのである。
【０００９】
このような正弦関数による復調器８からの出力は角速度入力のゼロ値を挟んだ−９０°〜＋９０°の範囲では入力角速度に対して一義的に出力値を検出できるが、−１０°〜＋１０°程度の狭い範囲ではほぼ直線的に変化し、それ以上の範囲を逸脱した領域では、もはや直線性が失われる結果となる。
つまり、入力角速度に関し、広い入力レンジを持つセンサとして利用するときには、直線性が悪く、理想的な測定系を得られないと言う不具合がある。
【００１０】
このような正弦波位相変調方式による欠点を解消するために、従来の技術による光ファイバジャイロにおいては、図４に更に図示するように、制御回路９、鋸歯状波発生回路１０を有したクローズドループ回路を経てＣＷ光とＣＣＷ光との位相差φs を充分に低減させるようなフィードバック処理をかけ、受光器６の出力Ｖp を狭い範囲に押さえることにより該出力Ｖp を示す正弦波曲線の零値付近の直線領域で近似できる範囲を使用する方式がとられていた。例えば、図４に示すセロダイン方式の構成では、図５に示す鋸歯状波による変調をかけ、サニアック位相差との間に生ずる位相誤差がゼロになるようにフィードバック制御することによってクローズドループを構成し、該変調用の鋸歯状波信号を直接、光ファイバジャイロの出力ＦOGとして取り出す構成をとっている。すなわち、具体的には、光導波路型変調器４では、導波路内で光を二方向に分け、一方は電極４ａ，４ｂを介して正弦波による位相変調をかけ、もう一方は電極４ｃ，４ｄを介して鋸歯状波発生回路１０からの鋸歯状波電気信号により鋸歯状波位相変調をかける。この場合に例えば、ＣＷ方向の光は光ファイバループ５に入る前に鋸歯状波の位相変調を受け、ＣＣＷ方向の光は光ファイバループ５を回った後にτ時間遅れて鋸歯状波の位相変調を受ける。
【００１１】
従って、干渉光の位相変動分を復調器８により復調させたデモジュレート出力ＶD は、（７）式の右辺第２項から、
ＶD ＝２ＡＪ1(η）ｓｉｎ（φs −Ψ（ｔ）＋Ψ（ｔ−τ））    （８）
となる。ここで、フィードバックゲインを十分に大きくとると、入力角速度の周波数が低いときには、（８）式のＶD ＝０となり、次の式が成立する。
【００１２】
0003717259.tif 000004
ここで、ｆstは、鋸歯状波の位相変調周波数を示す。故に、セロダイン方式では、鋸歯状波の位相変調周波数を計測、検出することにより、入力角速度（Ω）を検出できるのである。
【００１３】
この場合の図４に示した光ファイバジャイロの等価回路は、図６のように示され、光源１からカップラ２、ポーラライザ３、光導波路型変調器４、光ファイバループ５、受光器６に至る光学系１１が干渉系回路１１ａとスケールファクタ回路１１ｂとを等価的に有し、正弦波発生回路７、復調器８および制御回路９を含む制御系１２、鋸歯状波発生回路１０等を具備した回路となる。なお、実用的には、鋸歯状波発生回路１０の出力として計測、検出される光ファイバジャイロの出力ＦOGは外部積分器１３により積分処理されて角度変位量を検出して所要の用途に適用される。
【００１４】
なお、このような図６に示す等価回路を有した光ファイバジャイロ系の周波数特性は、図７のように表される。この周波数特性の図から理解できるように、入力角速度Ωが特定周波数領域内、本例では１０（ rad／秒）以下の周波数帯域内にあるときは、ひいては光ファイバジャイロの出力ＦOGのゲインは０ｄＢ付近にあり、受光器出力Ｖp の振巾は小さい範囲に抑えられる。
【００１５】
しかし、例えば、光ファイバジャイロを高速の飛行機やロケット等の振動の大きい機体やその他の振動を伴う場所で使用する場合には、振動に伴う角振動要素が光ファイバコイル５のループ中心周りに角度振動として作用し、光ファイバジャイロに対する角速度入力として印加される。そして、この角振動入力に図７で示すクローズドループの所定帯域１０(rad／秒）より高い周波数成分が含まれていると、その成分はフィードバックをかけたとき、減衰しないので受光器６からの出力Ｖp に高い振幅の出力が出てくる。この出力は既述のように、入力に対して直線性を有した領域を逸脱して正弦関数領域にあるため、入力角速度には比例しない検出値になる。
【００１６】
高精度の光ファイバジャイロは、通常、航空機やロケット等の運動の姿勢を計測する角度センサとして用いられるが、光ファイバジャイロは機体の角速度を計測値として出力するから、その値を外部積分器１３で積分することにより、機体の角度が求められ、この角度から機体の姿勢制御等を遂行することができる。
この場合、光ファイバジャイロの入力角速度Ωは、比較的ゆっくりとした機体の運動成分と機体の振動に基づいた平均値が零の高い周波数成分の角振動成分に分けられる。
【００１７】
理想的なセンサでは、角速度出力を積分することにより、角振動成分は零になって、機体の角度を正確に求めることができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、従来の光ファイバジャイロでは、高い周波数成分の角振動が入ったとき、振動成分が正負対称であれば計測値を出力系の積分器で積分した結果は零になり、故に、角度誤差として現れない。他方、角振動成分が正負非対称であれば、非直線性のため積分値は零にならない。このため機体の角度変化の計測に誤差を生じる。例えば、図８のような平均値が零の入力角速度に対しても光ファイバジャイロの光学系の出力の平均値は零にならないため、光ファイバジャイロ出力の平均値も零にならない。この結果、光ファイバジャイロが出力した計測値を積分すると、高周波成分の積分値が姿勢角誤差となってしまうと言う問題が発生する。
【００１９】
依って、本発明の目的は、従来の技術による光ファイバジャイロにおける上述した高周波成分の非対称角振動入力に対して計測される角速度出力値の誤差発生の問題を解消させることができるような改良手段を備えた光ファイバジャイロを提供せんとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバジャイロでは、機体の空間内運動成分の様な周波数の低い角速度に対しては、従来の技術によるクローズドループ方式によりジャイロ光学系における受光器の出力を狭い範囲に抑え、高周波数の角振動入力に対しては、光学系受光器の出力をＣＰＵ等の演算手段を用いた演算により逆正弦関数を求めることにより、該高周波角振動入力特性を直線化して計測精度を向上させたものである。
【００２１】
すなわち、本発明は、光源からの光を所定の二方向に伝搬、通過させる導波路と光ファイバループとを有し、角速度入力の変化に対応して該二方向の光に位相差を生ぜしめると共に該二方向の光の導波路の一方の導波路に正弦波変調をかけて得た正弦波位相変調信号を光電変換処理して電気信号を得ると共に該電気信号のフィードバック回路に設けた鋸歯状波発生回路から前記光の導波路の他方の導波路に鋸歯状波位相変調をかけることにより前記角速度入力に対応しかつ前記鋸歯状波の位相変調周波数に比例した角速度出力信号を得る光ファイバジャイロにおいて、
前記フィードバック回路に逆正弦関数計算回路手段を設け、クローズドループの周波数帯域を越える角振動入力があった場合にも前記角速度出力信号の逆正弦関数値を求めて直線化された角速度出力を得るようにしたことを特徴とする光ファイバジャイロが提供される。
【００２２】
好ましくは、上記フィードバック回路には前記光源、前記光の導波路、前記ファイバループを包含した光学系のスケールファクタを補正するスケールファクタ補正回路を上記の逆正弦関数計算回路の前段に設けて、該光学系のスケールファクタの変動を補正する。
更に、所定の模擬角速度発生回路と、該模擬角速度発生回路から印加した所定の模擬角速度値に対応した上記光学系のスケールファクタを測定するスケールファクタ測定回路を設け、切換手段を介して該模擬角速度発生回路とスケールファクタ測定回路とを該光学系に接続し得るように構成することが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
さて、図１は、本発明の一実施形態に係る光ファイバジャイロの全体的な構成を図示している。
すなわち、本実施形態は、セロダイン方式のクローズドループ光ファイバジャイロに本発明の技術思想を適用したものである。従って、図４に示した従来のセロダイン方式を採用した光ファイバジャイロと対比して同じまたは同様な要素類に就いては同一の参照番号で図示してある。
【００２４】
この構成を図１に示した従来の技術に係るセロダイン方式のクローズドループ光ファイバジャイロに対比したとき、本発明は、光学スケールファクタ補正回路１５と逆正弦関数計算回路１６とを復調器８と制御回路９との間に介挿した構成を有する点が明確に異なることは明らかである。
この図１の構成を有する光ファイバジャイロの等価回路は、図２に示す構成を有している。
【００２５】
図２から明らかなように、受光器６の出力Ｖp に同受光器６のスケールファクタを補正する係数を光学系スケールファクタ補正回路１５により掛け、更に逆正弦関数計算回路１６によって逆正弦関数を計算し、制御回路９に入力させる。光学系の正弦関数と上記に計算した逆正弦関数とを合成すると入力に対して直線的に変化する検出出力を得ることができる。
【００２６】
本実施形態による光ファイバジャイロにおいては、入力角速度が小さい時は、受光器６からの出力Ｖp は小さいから図４に図示した従来の光ファイバジャイロと同様に動作して正弦波関数の近似直線領域から入力角速度に比例した角速度出力値を得る。他方、入力角速度の振幅は大きいが周波数が周波数帯域に比べて低い時も図４と同様に動作する。然し、入力周波数が周波数帯域に比べて高いときには、周波数特性からも明らかなように、フィードバック信号は小さくなるから光学系の振幅は大きくなる。従って、受光器６からの出力Ｖp は大きくなる。この場合、図４の系では、出力は入力角速度に比例しなくなるのに対して、本発明の系では、出力Ｖp は逆正弦関数計算処理を受けることにより近似直線化されて入力角速度に比例する出力値を呈する。すなわち、高周波数の角振動入力に対しても入力値に比例した出力として計測することができるのである。
【００２７】
図３は、本発明の別の実施形態に係る光ファイバジャイロの等価回路を示している。
同図３に示す別の実施形態による光ファイバジャイロは、一般的に光学系１１のスケールファクタが、光源１の光度変化や光ファイバジャイロの使用条件等に影響される周囲温度或いは経年的な影響等を受けて変化することを考慮して改善した実施形態である。本実施形態では、模擬角速度発生回路１７、スケールファクタ測定回路１８、スイッチング回路から成る切換え手段１９を追加的に設け、光学系１１に予め該模擬角速度発生回路１７からのダミー入力を切換え手段１９の切り換え作用により暫時的に入力した場合のスケールファクタをスケールファクタ測定回路１８によって測定し、測定結果のスケールファクタ値を設定することにより、都度、スケールファクタを補正を遂行し得るようにしたものであり、これによって逆正弦関数の計算を逆正弦関数計算回路１６により計算する場合の計算精度を改善した構成を有するものである。
【００２８】
すなわち、本実施形態によれば、光ファイバジャイロの光学系のスケールファクタを定期的にまたは必要時に補正することにより測定される角速度入力に対応した角速度出力のドリフト誤差を補正することが可能となるのである。
【００２９】
【発明の効果】
上述した実施形態の説明を介して明らかなように、本発明による光ファイバジャイロによれば、これを通常航空機やロケット等の運動する機体の姿勢を計測する角度センサとして用いるとき、光ファイバジャイロは機体の角速度を出力するから、図１に示したように、その出力を積分器に接続することにより、姿勢角度を求めることができる。
【００３０】
この場合、光ファイバジャイロの入力角速度は、比較的ゆっくりとした機体の運動成分と高い周波数成分の角振動成分に分けられる。比較的、ゆっくりとした機体の運動成分に対しては、従来の技術の系も本発明の系も同様に角速度入力に対して正弦波関数の出力の直線領域を用いて角速度入力を測定するように動作する。
【００３１】
この場合の光ファイバジャイロの精度は、ループゲインを大きくすると、受光器出力の係数２ＡＪ1(η）に依存しない。
他方、高い周波数成分の角振動が入ったとき、従来の技術による光ファイバジャイロでは、その成分が正負対称であれば、積分された結果、零になり、角度誤差として現れない。然し角振動が正負非対称であれば、非直線性のため、積分値は零にならないため、機体の角度変化の計測に誤差を生じるが、本発明の光ファイバジャイロでは、同光ファイバジャイロの計測出力は入力角度に比例するから角速度出力を積分することにより、角振動成分は零になり、機体の角速度変化を正確に求めることができると言う効果を奏するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による光ファイバジャイロの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した光ファイバジャイロの等価回路を示すブロックである。
【図３】本発明の他の実施形態による光ファイバジャイロの構成を示すブロック図である。
【図４】従来技術によるクローズドループ方式の光ファイバジャイロの構成を示すブロックである。
【図５】図４に示す従来技術による光ファイバジャイロにおいて、セロダイン方式で用いる鋸歯状波の波形図である。
【図６】従来の技術によるクローズドループ光ファイバジャイロの等価回路を示すブロック図である。
【図７】クローズドループ光ファイバジャイロの周波数特性を示すグラフ図である。
【図８】光ファイバジャイロに対する入力角速度の一例による波形図である。
【符号の説明】
１…光源
２…光カプラ
４…光導波路型変調器
５…光ファイバループ
６…受光器
７…正弦波発生回路
８…復調器
９…制御回路
１０…鋸歯状波発生回路
１１…光学系
１２…制御回路部
１３…積分器
１５…光学系スケールファクタ補正回路
１６…逆正弦関数計算回路
１７…模擬角速度発生回路
１８…スケールファクタ測定回路
１９…切換え手段
【図１】
0003717259.tif 000005
【図２】
0003717259.tif 000006
【図３】
0003717259.tif 000007
【図４】
0003717259.tif 000008
【図５】
0003717259.tif 000009
【図６】
0003717259.tif 000010
【図７】
0003717259.tif 000011
【図８】
0003717259.tif 000012