(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉ループ光路を巡って互いに逆方向に進んで行く一対のレーザービームを確定する複数のミラーを含み、前記複数のミラーのうち少なくとも第１のミラーが、前記第１のミラーの位置を制御するミラー変換器に結合しているリングレーザーと；
前記レーザービームの少なくとも一方に応答して、前記レーザービームの前記一方の強さをあらかじめ選択された状態に維持するために前記第１のミラーの位置を制御する変換器制御信号を供給する光路長制御回路と；
前記リングレーザーの温度を表わすデータを提供する温度感知手段240と；
前記第１のミラーの位置を表わすデータと、前記リングレーザーの前記温度と、リングレーザージャイロ温度の関数としての前記第１のミラーの所望の相対位置の特性を示すデータとについて、前記第１のミラーの位置を前記リングレーザージャイロ温度における前記特性データに近似させて前記光路長制御回路に影響を及ぼすように演算するコンピュータ手段220とを具備するリングレーザージャイロ光路長位置制御装置。
【請求項２】
少なくとも部分的にリングレーザージィロを形成するレーザーブロック15の少なくとも１つのミラーの位置を制御するリングレーザージャイロ光路長制御装置において、
閉ループ光路を巡って互いに逆方向に進んで行く一対のレーザービームを確定する複数にミラーを含み、前記複数のミラーのうち少なくとも第１のミラーは、前記第１のミラーの位置を制御するミラー変換器に結合しているリングレーザーと；
前記レーザービームの少なくとも一方に応答して、前記レーザービームの前記一方の強さをあらかじめ選択された状態に維持するために前記第１のミラーの位置を制御する変換器制御信号を供給する光路長制御回路と；
前記第１のミラーの位置を表わすデータを生成する手段と；
前記リングレーザーの温度を表わすデータを提供する温度感知手段と；
前記リングレーザーの温度の関数として前記ミラー位置の特性を表わすデータを記憶する手段と；
前記第１のミラーの位置を表わす前記データと、前記リングレーザーの前記温度を表わす前記データと、リングレーザージャイロ温度の関数として前記第１のミラー位置の特性を表わす前記データとについて、前記第１のミラーの位置を前記リングレーザー温度における前記特性データに近似させて前記光路長制御回路に影響を及ぼすように演算するコンピュータ手段とを具備するリングレーザージャイロ光路制御装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、一般に、リングレーザージャイロに関し、さらに特定すれば、リングレーザージャイロの改良された光路長制御装置に関する。
発明の背景
リングレーザージャイロは現在では良く知られており、Killpatrickへ発行された米国特許第3,373,650号及びPodgorskiへ発行された米国特許第3,390,606号の中に図示され且つ説明されているものに類似している。そのようなリングレーザージャイロでは、リングレーザーは、従来は空洞の長さを光の波長の整数倍の長さに制御するために使用されていた可動ミラーを有していた。そのようにすることによって、リングレーザーのビームを最大の強さで動作できる。以前は、アナログ制御回路の無作為始動のために、ミラー変換器の権限を利用し尽くさずに広い温度範囲にわたって動作位置を維持するのは困難であるといえるであろう。すなわち、ミラーの位置を変換器の設計動作限界の中で、一般にはレーザービーム光の数波長分の範囲内で制御することしかできないであろう。
一般に、リングレーザージャイロの場合、適正なジャイロ動作を得るためには、リングレーザージャイロの光路長を光の波長の整数倍に一定に保持しなければならない。ところが、レーザージャイロは動作中に出力性能の重大な劣化を伴わずにモードホップ、すなわち、波長の整数倍分の光路長の変化を生じることがある。
しかしながら、たとえば、一辺、すなわち、１つの脚の長さが2.0インチである閉ループ光路長をもつ種類のレーザージャイロにおいては、レーザージャイロの変換器ミラーが１つのモードから別のモードへシフトするときに、レーザービームは消滅（動作を停止）してしまう場合もある。リングレーザージャイロの中で動作しているレーザービームが消滅してしまうと、その結果、データの損失が起こり、ナビゲーションの誤りを引き起こすので、そのような消滅があってはならないのは言うまでもない。従って、リングレーザービームはパワーアップ時に１つの「モード」を捕捉し、動作中を通してその同じモード（すなわち、光路長）を維持していることが望ましい。
従来、リングレーザージャイロスコープにある可動ミラーは、ジャイロ空洞の光路長をレーザー光の波長の整数倍に安定させるように動作するアナログ光路長制御ループにより位置決めされていた。最初にジャイロレーザー空洞を波長の「ｎ」倍に等しい長さに設定した後、動作中を通して、制御ループは任意に選択された長さではあるが、その厳密な空洞長さを維持しなければならない。その後に続く温度変化はリングレーザージャイロのレーザーブロック材料を膨張又は収縮させ、制御ループはリングレーザージャイロの閉ループ光路に直接に影響を及ぼすそのような材料の変化に対抗するためにミラーを位置決めしようとする。
場合によっては、リングレーザージャイロのメーカーは、広い温度範囲にわたって一定の光路長を維持できるジャイロを製造することが困難であると考えている。特定すれば、その歩留まりはメーカー側の希望ほどには高くないといえるであろう。
しかしながら、広い温度範囲にわたり一定の光路長を維持することができるジャイロの歩留まりを増加させるためにいくつかの方法が使用されている。それらの方法の中には、（１）広範囲にわたる移動を可能にするために変換器ミラーの権限の範囲を拡張する方法や、（２）ジャイロブロックの材料変化を最小にし、それにより、要求される補正を最小限に抑えるために、ジャイロブロックを熱安定化する方法などがある。ところが、それらの技法にはコストがかかり、また、その他にも重量や大きさの点で望ましくない影響を生じる。
発明の概要
本発明においては、A/D変換器を利用して、ジャイロミラーの相対位置並びにジャイロ本体の温度をデジタルプロセッサへ送る。そこで、プロセッサはジャイロミラーに関わる最適の初期位置を計算し且つアナログ制御ループをその位置へ誘導する。その結果として、制御ループは始動期間中に最小限のミラー変換器権限しか使用せず、最大量の権限をその後に続く温度補正のために残しておくのである。
本発明では、レーザージャイロのパワーアップ時のジャイロ光路制御（plc）の理想の動作ポイントを計算するために、コンピュータを採用する。計算に際しては、現在PLC位置、現在ジャイロ温度及びその特定のジャイロの温度に対する応答のモデルという３つの入力を使用する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に従った光路長制御システムの概略ブロック線図である。
図２は、光路長制御変換器に関わる温度特性を示す。
図3a及び図3bは、室温から上昇した温度への温度変化に際しての、単一の直線光路部分を進んで行くレーザービームに対する光路制御変換器の動作を示す。
図4a及び図4bは、上昇した温度から室温への温度変化に際しての、単一の直線光路部分を進んで行くレーザービームに対する光路制御変換器の動作を示す。
図5a及び図5bは、図4a及び図4bに示すのと同じ状況において、本発明がどのように明確な利点を提供するかを示す特性図である。高温でのパワーアップ時（図5a）に、ミラーはジャイロ本体の収縮を予測して行程極限位置へ「プリセット」される。ジャイロ本体が低温端に達し、１波長分だけ収縮するときまでには、ミラーは、追加の本体収縮を補償するためになお有用である全行程波長の中間位置に存在する。したがって、ミラーは、ジャイロ本体が曲線の低温端に至る（図5b）までは、その運動の限界に到達しない。
発明の詳細な説明
最適PLC位置はジャイロの室温パワーアップに基づいている。工場にあるとき、ジャイロは室温で始動され、その後は高温と低温との間で循環動作する。温度遷移中に取り出されたデータを使用して、レーザージャイロのミラー位置と温度との関係を表わす特性を得る。図２は、レーザービームの波長に関してジャイロのPLCミラー位置と温度との関係を表わす典型的なグラフである。本発明の目的は、PLC制御を平行ではあるが、位置がずれているいずれかの曲線へジャンプさせるのではなく、パワーサイクルごとにこの同じ曲線に強制的に追従させることである。
図３及び図４は、一本脚ジャイロ、さらに特定すればレーザーの室温パワーアップと、高温パワーアップの双方を従来の技術においてどのように処理していたかを示す（本発明は三本脚ジャイロに関するものではあるが、例示の便宜上、単純な一本脚ジャイロを図示した）。図3aは、従来の技術ではジャイロのミラーをパワーアップ時に常にその行程の中心に位置決めすることを示している。レーザーブロック、すなわち、ジャイロの本体（たとえば、温度係数の小さいガラス又はガラスセラミックのブロック）が温度に従って膨張又は収縮するにつれて、ミラー相互間の絶対距離を一定に維持するために、PLCはミラーを本体に対して移動させる。図3bは、図3aに示した温度と比較して「上昇した」温度への遷移を示している。この例が図２の温度曲線に従っており且つミラーを１波長分だけ出し入れ移動できると仮定すれば、この例は室温でパワーアップし、いずれの温度極値に至るまで適正に動作できるであろうということがわかる。
図4a〜ｂは、従来の技術の欠点を示す。この例のジャイロを高温（図4a）でパワーアップすべき場合、ジャイロのミラーは室温（図4b）で運動の限界に到達し、曲線の低温端に至る前にミラーのストッパに突き当たることになるであろう。
本発明においては、図２に示すようなジャイロの実際のPLC曲線を記憶させ、ジャイロの実際の始動温度に従ってPLC曲線に一致するようにPLCをプリセットする。ジャイロごとに工場での試験によって規定した独自の曲線を記憶させるので、個々のジャイロに広い範囲にわたって異なる応答をもたせることができるが、本発明の利点を余すところなく利用することは依然として可能である。
プリセットそれ自体は、測定した電荷の量をコンピュータからPLC積分器に導入することにより実行される。デジタル信号をジャイロからのフィードバック信号へと加算し、復調器と同期させる。このように、デジタル／アナログ（D/A）変換器は不要になり、実現形態は単純なままに保持される。
図１は、本発明に従った一実施例のブロック線図である。ブロック線図の破線のブロック10の中に示されているのは、Podgorskiへ発行された米国特許第4,152,071号の中に特定して示され且つ説明されているようなリングレーザージャイロに関わるリングレーザーと光路長制御回路である。破線のブロック10は、リングレーザーミラー14m及び16mの位置にそれぞれ影響を及ぼす光路長制御アクチュエータ14及び16を含むリングレーザージャイロ12を含む。リングレーザージャイロ12は、閉ループ光路を描いて進み、逆方向に伝搬して行くレーザービームの一方の強さを表わすリングレーザーブロック15の出力光を供給する部分透過ミラー18mを含む。
光検出器20は増幅器22に出力信号を供給し、その増幅器22は互いに逆方向に伝搬して行くレーザービームの一方5a又は5bの強さを表わす電気信号出力23を供給する。出力信号23は加算手段40を介して復調器30に入力として供給される。復調器30の出力は今度は積分器45によって積分され、その積分器45の出力は高電圧増幅器50により増幅される。高電圧増幅器50の出力はアクチュエータ14に供給されると共に、反転増幅器52を介してアクチュエータ16に供給される。
破線のブロック10の中の光路長制御回路は、出力が復調器30に対する一方の入力であると共に、加算手段62に対する一方の入力である発振器60をさらに含み、加算手段62は発振器60の出力と、積分器45の出力とを加算する。発振器60は、当該技術ではよく知られているように、レーザービームの一方5a又は5bの強さを最大強さに維持する閉ループサーボ制御を実行するためにディザ信号を供給することが良くわかる。
図１には、アナログ／デジタル変換器210と、コンピュータ220と、ジャイロ温度履歴データブロック230とを含む付加的な素子も示されている。積分器45の出力はA/D変換器210によってデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はコンピュータ220に対する１つのデータ入力を形成する。
図１の回路には、出力端子がA/D変換器210に電気的に接続しているジャイロ温度センサ240も含まれており、A/D変換器210はコンピュータ220に第２の入力を供給する。
ミラー14m及び16mを含むアクチュエータ14及び16をPodgorskiへ発行された米国特許第3,581,227号の中に示され且つ説明されているような技法に類似している多様な技法によって構成できるであろうということに注意すべきである。
次に、コンピュータ220の動作を説明する。コンピュータ220はジャイロ温度履歴データブロック230からルックアップテーブル情報を受信する。温度履歴データは図２に示すのとほぼ同じ特性を示す。すなわち、ミラー14m及び16mの所望の光路長制御位置はほぼ図２に示す通りなのである。たとえば、温度Txのとき、光路長制御位置をその中性位置から＋λ（１波長）離間した位置にすべきであると考えられる。同様に、−40゜Fに近いときには、光路長位置を中性位置から−λ離間させるべきである。
コンピュータ220は、実際の光路長制御位置と所望の光路長制御位置との差を確定して、その差を提供するために、センサのジャイロ温度を表わす情報と、実際の光路長制御位置を表わす情報とに応答する。コンピュータ220は、信号発生手段280のスイッチング手段282及び284それぞれに対する入力である出力信号Ａ及びＢを供給する。信号発生手段280は、スイッチング手段282に一方の入力として供給されると共に、反転増幅器285を介してスイッチング手段284に供給される発振信号281を含む。双方のスイッチング手段284及び282の第２の出力端子は加算手段40に第２の入力として電気的に接続している。
信号発生手段280との組み合わせによるコンピュータ手段220の機能は、測定された量の電荷を光路長制御積分器に導入することによって光路長制御装置の「プリセット」状態を規定しようというものである。積分器にこのプリセット入力を供給する方法の１つによれば、ミラー14m及び16mの総じて±１λの光路長制御位置変化を発生させるために、同相又は位相ずれのいずれかである50ミリ秒の発振信号を復調器30の入力端子に印加する。
たとえば、温度が１λの光路長制御を要望するTxであり且つ実際の光路長位置は２λである状況について考える。コンピュータ手段220は実際の光路長位置と、ジャイロ温度Txに関わる実際の光路長位置との差が１λであることを確定し、ミラーの位置を１λの有効光路長変化分だけ進ませるために、出力信号を50ミリ秒の期間にわたり信号線Ａ又はＢに選択的に供給する。
これに対して、差が−１λである状況で全く逆のことが起こるのであれば、−１λの光路長位置変化を発生させるように適正なプリセットを積分器45に供給するために、信号線Ａ及びＢのうち他方のものが50ミリ秒の期間にわたり動作されることになるであろう。
ミラー14m及び16mの光路長位置が、たとえば、0.5λの範囲内に入るまで、このプロセスは定期的に、たとえば、１秒に１回ずつ繰り返されるであろう。0.5λの範囲内に入った時点で、積分器45にはプリセット電荷は印加されなくなり、光路長制御は従来の技術では良く知られている方式で進行するであろう。
図5a−ｂは、図4a−ｂに示したのと同じ状況の中で本発明が明確な利点をいかにしてもたらすかを図式的に示す。高温でのパワーアップの時点（図5a）で、ミラーはレーザーブロック、すなわち、ジャイロ本体の収縮を見越して、その行程の末端位置へと「プリセット」される。ジャイロ本体が低温端に到達し（図5b）、１波長分収縮する時点までに、ミラーはそれ以上の本体収縮を補償するためにまだ利用できる１波長の行程を伴ってその中央位置をとっている、
言うまでもなく、信号発生手段280をコンピュータ手段220に組み込んでも良く、本発明をさらに良く理解させるために、この手段を図示した。さらに特定すれば、コンピュータ手段は積分器45に関わる所望のプリセットを実現するために規定の長さの時間にわたって発振信号の変化を発生させることになるであろう。
本発明の好ましい一実施例のみをここでは開示したが、その実施例を添付の請求の範囲の中で定義するような本発明の真の趣旨から逸脱せずに変更、変形しても良いことは当業者には認識されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図３Ｂ】
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【図５Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図５Ａ】
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