(57)【要約】【課題】位相変調器のスケールファクタが変動しても角速度出力が影響を受けないようにする。【解決手段】信号発生器１０９は周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、その矩形波信号の一方の極性の振幅に摂動を与えた位相変調信号と、摂動に応じた第２の参照信号を生成する。受光器１０８から出力される光ファイバコイル１０７両回り光の干渉光の光強度信号は同期復調器１１０，１１５に入力される。同期復調器１１０は光強度信号を第１の参照信号で同期復調し、その出力は積分器１１１で積分されてランプ生成器１１２に入力され、位相ランプ波形が生成される。同期復調器１１５は光強度信号を第２の参照信号で同期復調し、その出力は積分器１１６で積分される。位相ランプ波形を増幅して位相変調器１０５に出力する増幅器１１３及び位相変調信号を増幅して位相変調器１０６に出力する増幅器１１４の利得は積分器１１６の出力によって調整される。【選択図】図１
2014048227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロであって、
光源と、
光ファイバコイルと、
前記光源からの光を分岐し、前記光ファイバコイルの両端に入射させると共に前記光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、
前記光分岐結合器と前記光ファイバコイルの一端との間に設けられた第１の位相変調器と、
前記光分岐結合器と前記光ファイバコイルの他端との間に設けられた第２の位相変調器と、
前記光源と前記光分岐結合器との間に設けられて前記光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、
前記光カプラより得られる干渉光の光強度を検出して光強度信号を出力する受光器と、
前記光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、前記矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、前記摂動に応じた第２の参照信号とを生成する信号発生器と、
前記光強度信号を前記第１の参照信号で同期復調する第１の同期復調器と、
前記第１の同期復調器の出力を積分する第１の積分器と、
前記第１の積分器の出力から位相ランプ波形を生成するランプ生成器と、
前記位相ランプ波形を増幅して前記第１の位相変調器に出力する第１の増幅器と、
前記位相変調信号を増幅して前記第２の位相変調器の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形とする位相変調信号を前記第２の位相変調器に出力する第２の増幅器と、
前記光強度信号を前記第２の参照信号で同期復調する第２の同期復調器と、
前記第２の同期復調器の出力を積分する第２の積分器とを備え、
前記第２の積分器の出力によって前記第１及び第２の増幅器の利得がそれぞれ調整されることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項２】
サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロであって、
光源と、
光ファイバコイルと、
前記光源からの光を分岐し、前記光ファイバコイルの両端に入射させると共に前記光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、
前記光分岐結合器と前記光ファイバコイルの一端との間に設けられた第１の位相変調器と、
前記光分岐結合器と前記光ファイバコイルの他端との間に設けられた第２の位相変調器と、
前記光源と前記光分岐結合器との間に設けられて前記光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、
前記光カプラより得られる干渉光の光強度を検出して光強度信号を出力する受光器と、
前記光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、前記矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、前記摂動に応じた第２の参照信号とを生成する信号発生器と、
前記光強度信号を前記第１の参照信号で同期復調する第１の同期復調器と、
前記第１の同期復調器の出力を積分する第１の積分器と、
前記第１の積分器の出力から位相ランプ波形を生成して前記第１の位相変調器に出力するランプ生成器と、
前記位相変調信号を増幅して前記第２の位相変調器の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形とする位相変調信号を前記第２の位相変調器に出力する増幅器と、
前記光強度信号を前記第２の参照信号で同期復調する第２の同期復調器と、
前記第２の同期復調器の出力を積分する第２の積分器と、
前記第１の積分器の出力を前記第２の積分器の出力で除算して角速度出力を得る除算器とを備え、
前記第２の積分器の出力によって前記増幅器の利得が調整されることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項３】
サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロであって、
光源と、
光ファイバコイルと、
前記光源からの光を分岐し、前記光ファイバコイルの両端に入射させると共に前記光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、
前記光分岐結合器と前記光ファイバコイルの一端との間に設けられた位相変調器と、
前記光源と前記光分岐結合器との間に設けられて前記光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、
前記光カプラより得られる干渉光の光強度を検出して光強度信号を出力する受光器と、
前記光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、前記矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、前記摂動に応じた第２の参照信号とを生成する信号発生器と、
前記光強度信号を前記第１の参照信号で同期復調する第１の同期復調器と、
前記第１の同期復調器の出力を積分する第１の積分器と、
前記第１の積分器の出力から位相ランプ波形を生成するランプ生成器と、
前記位相変調信号と前記位相ランプ波形を加算する加算器と、
前記加算器の出力を増幅して前記位相変調器の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形に前記位相ランプ波形が加算されたものとする位相変調信号を前記位相変調器に出力する増幅器と、
前記光強度信号を前記第２の参照信号で同期復調する第２の同期復調器と、
前記第２の同期復調器の出力を積分する第２の積分器とを備え、
前記第２の積分器の出力によって前記増幅器の利得が調整されることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項４】
サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロであって、
光源と、
光ファイバコイルと、
前記光源からの光を分岐し、前記光ファイバコイルの両端に入射させると共に前記光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、
前記光分岐結合器と前記光ファイバコイルの一端との間に設けられた位相変調器と、
前記光源と前記光分岐結合器との間に設けられて前記光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、
前記光カプラより得られる干渉光の光強度を検出して光強度信号を出力する受光器と、
前記光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、前記矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、前記摂動に応じた第２の参照信号とを生成する信号発生器と、
前記光強度信号を前記第１の参照信号で同期復調する第１の同期復調器と、
前記第１の同期復調器の出力を積分する第１の積分器と、
前記第１の積分器の出力から位相ランプ波形を生成するランプ生成器と、
前記位相変調信号を増幅して前記位相変調器の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形とする位相変調信号を出力する増幅器と、
前記増幅器の出力と前記位相ランプ波形を加算して前記位相変調器に出力する加算器と、
前記光強度信号を前記第２の参照信号で同期復調する第２の同期復調器と、
前記第２の同期復調器の出力を積分する第２の積分器と、
前記第１の積分器の出力を前記第２の積分器の出力で除算して角速度出力を得る除算器とを備え、
前記第２の積分器の出力によって前記増幅器の利得が調整されることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項５】
請求項１乃至４記載のいずれかの光ファイバジャイロにおいて、
前記±π／４の矩形波の前記摂動は、前記振幅δが０＜δ＜π／４とされ、摂動なしと正の摂動＋δと負の摂動−δとからなることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項６】
請求項１乃至４記載のいずれかの光ファイバジャイロにおいて、
前記±π／４の矩形波の前記摂動は、前記振幅δがδ＝πとされ、摂動なしと正の摂動＋δとからなることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項７】
サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロにおける光の位相変調器のスケールファクタの変動量を測定する方法であって、
前記光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、前記位相変調器の位相変調量を周波数１／２τ、振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた波形とし、
前記光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光が結合干渉した干渉光の光強度信号を前記摂動に応じて同期復調することを特徴とする位相変調器のスケールファクタ変動量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光ファイバジャイロに関し、特にサニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１４はこの種の光ファイバジャイロの従来例として特許文献１に記載されている構成を示したものであり、図中、１は光源を示し、２は光カプラを示す。また、３は光分岐結合器４及び位相変調器５，６が集積化された光学素子（光ＩＣ）を示す。
【０００３】
光源１から出射した光は光カプラ２を経て光分岐結合器４に入射し、光分岐結合器４で分岐されて光ファイバコイル７の両端に入射する。光ファイバコイル７の両端に入射した時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）の光（ＣＷ光，ＣＣＷ光）は光ファイバコイル７を周回前、もしくは周回後に第１の位相変調器５により位相変調され、光分岐結合器４に回帰し、光分岐結合器４で結合されて干渉する。
【０００４】
この干渉光は光カプラ２で分岐され、一部は受光器８に入射して光電変換される。受光器８の出力信号はＡ／Ｄ変換器９でＡ／Ｄ変換されて同期検波回路１１に入力される。位相変調器５に入力される位相変調信号を発生する位相変調駆動回路２２と同期検波回路１１はタイミング信号発生回路１６のタイミング信号により同期して動作する。
【０００５】
同期検波回路１１で検波された信号は光ファイバコイル７の両回り光（ＣＷ光，ＣＣＷ光）間の位相差に対応した信号であり、積分器１２に入力されて累積加算される。積分器１２の出力はフィードバック信号発生部１３に入力される。フィードバック信号発生部１３は積分器１４と、２πリセット信号を積分器１４に出力するレベル比較部１５とによって構成されている。
【０００６】
フィードバック信号発生部１３は積分器１２の出力に比例した繰り返し周期を有するランプ波形のフィードバック信号を生成して出力し、出力されたフィードバック信号はＤ／Ａ変換器２１でＤ／Ａ変換されて第２の位相変調器６に入力される。フィードバック信号は同期検波回路１１の出力をゼロにする負帰還とされている。積分器１２の出力は入力角速度に対応した信号であって、この例では積分器１２の出力が角速度出力生成部１７に入力され、角速度出力生成部１７でスケーリングされることによって角速度出力が得られるものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−９２３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記のような構成において、位相変調器５，６のスケールファクタが個体差や温度などの影響で変動すると、角速度出力がその影響を受け、角速度出力に誤差が生じるといった問題がある。以下、この点について順を追って説明する。
【０００９】
光ファイバコイル７中の光伝播時間をτとする。タイミング信号発生回路１６は周波数１／２τの矩形波を発生する。光ファイバコイル７のコイル平面と直交する軸回りに、角速度Ωの回転が存在すると、サニャック効果により光ファイバコイル７内のＣＷ光とＣＣＷ光の伝播時間に違いが生ずる。サニャック効果によるＣＷ光とＣＣＷ光の位相差ΦＳは係数ｋＳを用いて下式のように書ける。
【００１０】
ΦＳ＝ｋＳΩ          （１）
光源１の光の振幅をＥ、角周波数をωとすると、ＣＷ光及びＣＣＷ光の振幅ＥＣＷ，ＥＣＣＷは、
ＥＣＷ＝Ｅｅｘｐ｛ｊω（ｔ−τ）＋ｆ（ｔ）＋ｇ（ｔ−τ）＋（ΦＳ／２）｝（２）
ＥＣＣＷ＝Ｅｅｘｐ｛ｊω（ｔ−τ）＋ｆ（ｔ−τ）＋ｇ（ｔ）−（ΦＳ／２）｝（３）
となり、ＣＷ光とＣＣＷ光が干渉した場合の光強度Ｉ（ｔ）は、
Ｉ（ｔ）＝（ＥＣＷ＋ＥＣＣＷ）（ＥＣＷ＋ＥＣＣＷ）＊
＝２Ｅ２｛１＋ｃｏｓθ（ｔ）｝    （４）
となる。＊は共役の複素数を表す。ここで、
θ（ｔ）＝ΦＳ＋ｆ（ｔ）−ｆ（ｔ−τ）−ｇ（ｔ）＋ｇ（ｔ−τ）    （５）
【００１１】
ｆ（ｔ）は位相変調器６の位相変調量であり、積分器１２の出力に比例した傾きを有するランプ波形である。位相ランプ波形の傾きをαとすると、式（５）は下記の式（６）に変形することができる。
【００１２】
θ（ｔ）＝ｋＳΩ＋αｔ−α×（ｔ−τ）−ｇ（ｔ）＋ｇ（ｔ−τ）
＝ｋＳΩ＋ατ−ｇ（ｔ）＋ｇ（ｔ−τ）    （６）
ｇ（ｔ）は位相変調器５の位相変調量であり、振幅±π／４の矩形波である。ｇ（ｔ）＝＋π／４の期間を期間ａ、ｇ（ｔ）＝−π／４の期間を期間ｂとする。期間ａと期間ｂの光強度Ｉ（ｔ）をそれぞれＩａ，Ｉｂとすると、Ｉａ，Ｉｂは式（４），（６）より下記のように書ける。
Ｉａ＝２Ｅ２（１＋ｃｏｓθａ）      （７）
θａ＝ｋＳΩ＋ατ−（π／２）      （８）
Ｉｂ＝２Ｅ２（１＋ｃｏｓθｂ）      （９）
θｂ＝ｋＳΩ＋ατ＋（π／２）      （１０）
【００１３】
光強度Ｉ（ｔ）をｇ（ｔ）と同じ周期の矩形波で同期復調（同期検波）した時の同期検波回路１１の出力の平均Ｉｄｅｍは下記となる。
Ｉｄｅｍ＝｛ｓｉｇｎ（ｇａ）×Ｉａ＋ｓｉｇｎ（ｇｂ）×Ｉｂ｝／２
＝Ｅ２（ｃｏｓθａ−ｃｏｓθｂ）
＝２Ｅ２ｓｉｎ（ｋＳΩ＋ατ）      （１１）
但し、ｓｉｇｎ（ｇａ），ｓｉｇｎ（ｇｂ）はそれぞれ期間ａ，ｂの同期復調信号を表し、ｓｉｇｎ（ｇａ）＝＋１，ｓｉｇｎ（ｇｂ）＝−１である。
【００１４】
Ｉｄｅｍ＝０の時は、下記の式（１２）を満たすので、位相ランプ波形の傾きαから角速度Ωを計算することができる。
Ω＝−（ατ／ｋＳ）      （１２）
【００１５】
図１４に示した光ファイバジャイロでは積分器１２の入力にＩｄｅｍをフィードバックさせることにより、Ｉｄｅｍ＝０の状態を保つことで、角速度に追従する。Ｉｄｅｍ＝０の状態を保っている時は、式（１２）が成立する。
【００１６】
上述したように、角速度Ωは位相ランプ波形の傾きαから求められるので、位相変調器５，６のスケールファクタが変動することによって、αが変動すると、角速度出力に誤差が生じることになる。
【００１７】
この発明の目的はこの問題に鑑み、位相変調器のスケールファクタの変動の影響を除去し、位相変調器のスケールファクタの変動によって角速度出力に誤差が生じることのないようにした光ファイバジャイロを提供することにあり、さらに動作中の位相変調器のスケールファクタの変動量を測定する測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１の発明によれば、サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロは、光源と、光ファイバコイルと、光源からの光を分岐し、光ファイバコイルの両端に入射させると共に光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、光分岐結合器と光ファイバコイルの一端との間に設けられた第１の位相変調器と、光分岐結合器と光ファイバコイルの他端との間に設けられた第２の位相変調器と、光源と光分岐結合器との間に設けられて光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、光カプラより得られる干渉光の光強度を検出して光強度信号を出力する受光器と、光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、前記矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、前記摂動に応じた第２の参照信号とを生成する信号発生器と、光強度信号を第１の参照信号で同期復調する第１の同期復調器と、第１の同期復調器の出力を積分する第１の積分器と、第１の積分器の出力から位相ランプ波形を生成するランプ生成器と、位相ランプ波形を増幅して第１の位相変調器に出力する第１の増幅器と、位相変調信号を増幅して第２の位相変調器の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形とする位相変調信号を第２の位相変調器に出力する第２の増幅器と、光強度信号を第２の参照信号で同期復調する第２の同期復調器と、第２の同期復調器の出力を積分する第２の積分器とを備え、第２の積分器の出力によって第１及び第２の増幅器の利得がそれぞれ調整されるものとされる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロは、光源と、光ファイバコイルと、光源からの光を分岐し、光ファイバコイルの両端に入射させると共に光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、光分岐結合器と光ファイバコイルの一端との間に設けられた第１の位相変調器と、光分岐結合器と光ファイバコイルの他端との間に設けられた第２の位相変調器と、光源と光分岐結合器との間に設けられて光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、光カプラより得られる干渉光の光強度を検出して光強度信号を出力する受光器と、光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、前記矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、前記摂動に応じた第２の参照信号とを生成する信号発生器と、光強度信号を第１の参照信号で同期復調する第１の同期復調器と、第１の同期復調器の出力を積分する第１の積分器と、第１の積分器の出力から位相ランプ波形を生成して第１の位相変調器に出力するランプ生成器と、位相変調信号を増幅して第２の位相変調器の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形とする位相変調信号を第２の位相変調器に出力する増幅器と、光強度信号を第２の参照信号で同期復調する第２の同期復調器と、第２の同期復調器の出力を積分する第２の積分器と、第１の積分器の出力を第２の積分器の出力で除算して角速度出力を得る除算器とを備え、第２の積分器の出力によって増幅器の利得が調整されるものとされる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロは、光源と、光ファイバコイルと、光源からの光を分岐し、光ファイバコイルの両端に入射させると共に光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、光分岐結合器と光ファイバコイルの一端との間に設けられた位相変調器と、光源と光分岐結合器との間に設けられて光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、光カプラより得られる干渉光の光強度を検出して光強度信号を出力する受光器と、光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、前記矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、前記摂動に応じた第２の参照信号とを生成する信号発生器と、光強度信号を第１の参照信号で同期復調する第１の同期復調器と、第１の同期復調器の出力を積分する第１の積分器と、第１の積分器の出力から位相ランプ波形を生成するランプ生成器と、位相変調信号と位相ランプ波形を加算する加算器と、加算器の出力を増幅して位相変調器の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形に位相ランプ波形が加算されたものとする位相変調信号を位相変調器に出力する増幅器と、光強度信号を第２の参照信号で同期復調する第２の同期復調器と、第２の同期復調器の出力を積分する第２の積分器とを備え、第２の積分器の出力によって増幅器の利得が調整されるものとされる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロは、光源と、光ファイバコイルと、光源からの光を分岐し、光ファイバコイルの両端に入射させると共に光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、光分岐結合器と光ファイバコイルの一端との間に設けられた位相変調器と、光源と光分岐結合器との間に設けられて光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、光カプラより得られる干渉光の光強度を検出して光強度信号を出力する受光器と、光ファイバコイル中の光の伝播時間をτとした時、周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、前記矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、前記摂動に応じた第２の参照信号とを生成する信号発生器と、光強度信号を第１の参照信号で同期復調する第１の同期復調器と、第１の同期復調器の出力を積分する第１の積分器と、第１の積分器の出力から位相ランプ波形を生成するランプ生成器と、位相変調信号を増幅して位相変調器の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形とする位相変調信号を出力する増幅器と、増幅器の出力と位相ランプ波形を加算して位相変調器に出力する加算器と、光強度信号を第２の参照信号で同期復調する第２の同期復調器と、第２の同期復調器の出力を積分する第２の積分器と、第１の積分器の出力を第２の積分器の出力で除算して角速度出力を得る除算器とを備え、第２の積分器の出力によって増幅器の利得が調整されるものとされる。
【００２２】
請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、±π／４の矩形波の前記摂動は、振幅δが０＜δ＜π／４とされ、摂動なしと正の摂動＋δと負の摂動−δとからなる。
【００２３】
請求項６の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、±π／４の矩形波の前記摂動は、振幅δがδ＝πとされ、摂動なしと正の摂動＋δとからなる。
【００２４】
請求項７の発明によれば、サニャック効果による光の位相差をゼロとするようにフィードバック制御を行う光ファイバジャイロにおける光の位相変調器のスケールファクタの変動量は、光ファイバコイル中の光の伝搬時間をτとした時、位相変調器の位相変調量を周波数１／２τ、振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた波形とし、光ファイバコイルを伝播して回帰した両回り光が結合干渉した干渉光の光強度信号を前記摂動に応じて同期復調することによって測定する。
【発明の効果】
【００２５】
この発明による光ファイバジャイロによれば、位相変調器のスケールファクタの変動の影響を除去することができ、よって位相変調器のスケールファクタの変動によって角速度出力に誤差が生じることはなく、その点で優れた検出精度を有する光ファイバジャイロを得ることができる。
【００２６】
また、この発明による位相変調器のスケールファクタ変動量測定方法によれば、動作中の位相変調器のスケールファクタの変動量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明による光ファイバジャイロの実施例１の構成を示すブロック図。
【図２】図１における位相変調器１０６の位相変調量ｇ（ｔ）の波形の第１の例を示す図。
【図３】図２に示した位相変調量の場合の、光強度と位相の関係を示す図。
【図４】図２に示した位相変調量の場合の同期復調の参照信号（第２の参照信号）の波形例を示す図。
【図５】図１における位相変調器１０６の位相変調量ｇ（ｔ）の波形の第２の例を示す図。
【図６】図５に示した位相変調量の場合の、光強度と位相の関係を示す図。
【図７】図５に示した位相変調量の場合の同期復調の参照信号（第２の参照信号）の波形例を示す図。
【図８】図１における位相変調器１０６の位相変調量ｇ（ｔ）の波形の第３の例を示す図。
【図９】図８に示した位相変調量の場合の、光強度と位相の関係を示す図。
【図１０】図８に示した位相変調量の場合の同期復調の参照信号（第２の参照信号）の波形例を示す図。
【図１１】この発明による光ファイバジャイロの実施例２の構成を示すブロック図。
【図１２】この発明による光ファイバジャイロの実施例３の構成を示すブロック図。
【図１３】この発明による光ファイバジャイロの実施例４の構成を示すブロック図。
【図１４】光ファイバジャイロの従来構成例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１はこの発明による光ファイバジャイロの実施例１の構成を示したものである。この例では光ファイバジャイロは光源１０１と光カプラ１０２と光分岐結合器１０４及び位相変調器１０５，１０６が集積化された光学素子（光ＩＣ）１０３と光ファイバコイル１０７と受光器１０８と信号発生器１０９と第１及び第２の同期復調器１１０，１１５と第１及び第２の積分器１１１，１１６とランプ生成器１１２と第１及び第２の増幅器１１３，１１４とによって構成されている。なお、増幅器１１３，１１４はそれぞれ可変利得増幅器とされている。
【００３０】
光源１０１、光カプラ１０２、光学素子１０３、光ファイバコイル１０７及び受光器１０８は図１４に示した従来の光ファイバジャイロの光源１、光カプラ２、光学素子３、光ファイバコイル７及び受光器８とそれぞれ対応する。また、同期復調器１１０、積分器１１１及びランプ生成器１１２は図１４に示した従来の光ファイバジャイロの同期検波回路１１、積分器１２及びフィードバック信号発生部１３とそれぞれ対応する。光源１０１、第１及び第２の位相変調器１０５，１０６、光ファイバコイル１０７、受光器１０８、同期復調器１１０、積分器１１１、ランプ生成器１１２、増幅器１１３，１１４、信号発生器１０９はセロダイン方式の光ファイバジャイロを形成している。光ファイバコイル１０７中の光伝播時間をτとする。
【００３１】
信号発生器１０９は周波数１／２τの矩形波信号よりなる第１の参照信号と、その矩形波信号の一方の極性の振幅にのみ摂動を与えた位相変調信号と、その摂動に応じた同期復調用の第２の参照信号を生成する。第１の参照信号はサニャック位相用同期復調参照信号として同期復調器１１０に出力され、位相変調信号は増幅器１１４に出力される。また、第２の参照信号はスケールファクタ用同期復調参照信号として同期復調器１１５に出力される。
【００３２】
増幅器１１４は信号発生器１０９から入力される位相変調信号を増幅して位相変調器１０６の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性の振幅にのみ振幅δの摂動が与えられた波形とする位相変調信号を位相変調器１０６に出力する。
【００３３】
受光器１０８から出力される干渉光の光強度信号は同期復調器１１０と１１５にそれぞれ入力される。同期復調器１１０は光強度信号を第１の参照信号で同期復調する。同期復調器１１０の出力は積分器１１１に入力されて積分される。積分器１１１の出力はランプ生成器１１２に入力され、ランプ生成器１１２は積分器１１１の出力から位相ランプ波形を生成する。位相ランプ波形は増幅器１１３で増幅されて位相変調器１０５に入力される。
【００３４】
一方、同期復調器１１５は光強度信号を第２の参照信号で同期復調する。これにより、位相変調器１０６の位相変動量の理想値π／４に対する誤差を得ることができる。同期復調器１１５の出力、即ち誤差は積分器１１６で積分される。積分器１１６の出力は増幅器１１３，１１４の利得調整端子にそれぞれ接続されているので、増幅器１１３，１１４の利得はそれぞれ調整され、フィードバックによって誤差は時間の経過と共に０となる。
【００３５】
このように、この例では位相変調器１０５，１０６のスケールファクタが理想値から変動した場合でも、増幅器１１３，１１４の利得が変化し、全体としては一定の位相変調量を保つ。よって、位相変調器１０５，１０６のスケールファクタの変動は角速度出力の誤差とならない。なお、位相変調器１０５，１０６は同じ光学素子（光ＩＣ）１０３内にあり、特性はほぼ同じと見なすことができる。
【００３６】
以下、位相変調器１０６の位相変調量に与える摂動を具体的に説明する。
【００３７】
＜摂動例１＞
スケールファクタの変動による位相変調器１０６の位相変調量ｇ（ｔ）の理想値π／４からの変化をΔとする。即ち、実際の位相変調量は、ｇ（ｔ）＝±（π／４＋Δ）で表される。摂動は位相変調量ｇ（ｔ）の一方の極性にのみ与え、位相変調量を摂動なし、正の摂動＋δ、負の摂動−δの順に変化させる。なお、摂動を与える位相の極性は正でも負でもよく、摂動を与える順番は任意である。
【００３８】
摂動の振幅δを、０＜δ＜π／４とし、周期６τで摂動を与えた位相変調量ｇ（ｔ）の例を図２に示す。また、サニャック位相差がランプ波によって生成された位相差でキャンセルされている場合の光強度と位相ｇ（ｔ）−ｇ（ｔ−τ）の関係を図３に示す。
【００３９】
期間ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの光強度Ｉ（ｔ）をＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉｆとする。摂動がない期間（期間ａ）とその次の期間（期間ｂ）の光強度をＩ０、摂動が−δの期間（期間ｂ）と次の期間（期間ｃ）の光強度をＩ−、摂動が＋δの期間（期間ｄ）と次の期間（期間ｅ）の光強度をＩ＋とすると、Ｉ０＝Ｉａ＝Ｉｂ，Ｉ−＝Ｉｃ＝Ｉｄ，Ｉ＋＝Ｉｅ＝Ｉｆである。Ｉ０，Ｉ−、Ｉ＋は下記のように表される。
【００４０】
【数１】
2014048227.tif 000003
【００４１】
ここで、δＩ−，δＩ＋を下記の式（１６），（１７）のように定義する。
δＩ−＝Ｉ−−Ｉ０                              （１６）
δＩ＋＝Ｉ０−Ｉ＋                              （１７）
δＩ−とδＩ＋の差ｙを計算する。
【００４２】
【数２】
2014048227.tif 000004
【００４３】
光源１０１の光の振幅Ｅと摂動の振幅δは一定なので、４Ｅ２（１−ｃｏｓδ）は定数となり、ｙからΔを求めることができる。特に、Δ≒０の時、ｙ∝Δである。
【００４４】
ｙの計算は期間ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの光強度Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，ＩｆをＩ＋，Ｉ−に対して×１倍、Ｉ０に対して×−２倍となる参照信号で同期復調し、その同期復調信号を積分することで行うことができる。即ち、積分器１１６の出力がｙであり、Δに比例した出力となる。同期復調に用いる参照信号の波形例を図４に示す。なお、必ずしも６個の光強度を全て同期復調する必要はなく、図４（２）の例２のように、Ｉａ，Ｉｂのいずれか１個、Ｉｃ，Ｉｄのいずれか１個、Ｉｅ，Ｉｆのいずれか１個のデータを同期復調すればよい。
【００４５】
＜摂動例２＞
摂動の振幅δを、０＜δ＜π／４とし、周期８τで摂動を与えた位相変調量ｇ（ｔ）の例を図５に示す。また、サニャック位相差がランプ波によって生成された位相差でキャンセルされている場合の光強度と位相ｇ（ｔ）−ｇ（ｔ−τ）の関係を図６に示す。この場合の同期復調に用いる参照信号の波形例を図７に示す。なお、必ずしも８個の光強度を全て同期復調する必要はなく、図７（２）の例２のように、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｅ，Ｉｆのいずれか１個、Ｉｃ，Ｉｄのいずれか１個、Ｉｇ，Ｉｈのいずれか１個のデータを同期復調すればよい。
【００４６】
＜摂動例３＞
摂動の振幅δを、δ＝πとし、周期４τで摂動を与えた位相変調量ｇ（ｔ）の例を図８に示す。この例では位相変調量ｇ（ｔ）の一方の極性のみ、位相変調量を摂動なし、正の摂動＋δに変化させている。サニャック位相差がランプ波によって生成された位相差でキャンセルされている場合の光強度と位相ｇ（ｔ）−ｇ（ｔ−τ）の関係を図９に示す。
【００４７】
期間ａ，ｂ，ｃ，ｄの光強度Ｉ（ｔ）をＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄとする。摂動がない期間（期間ａ）とその次の期間（期間ｂ）の光強度をＩ０、摂動が＋δの期間（期間ｃ）と次の期間（期間ｄ）の光強度をＩ＋とすると、Ｉ０＝Ｉａ＝Ｉｂ，Ｉ＋＝Ｉｃ＝Ｉｄである。
【００４８】
Ｉ０，Ｉ＋は下記のように表される。
【００４９】
【数３】
2014048227.tif 000005
【００５０】
Ｉ０とＩ＋の差ｙを計算する。
【００５１】
【数４】
2014048227.tif 000006
【００５２】
光源１０１の光の振幅Ｅが一定なので、２Ｅ２は定数である。よって、ｙからΔを求めることができる。特にΔ≒０の時、ｙ∝−Δである。
【００５３】
ｙの計算は期間ａ，ｂ，ｃ，ｄの光強度Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄの同期復調で行うことができる。同期復調に用いる参照信号の波形例を図１０に示す。なお、必ずしも４個の光強度を全て同期復調する必要はなく、Ｉａ，Ｉｂのいずれか１個、Ｉｃ，Ｉｄのいずれか１個のデータを同期復調すればよい。
【００５４】
以上、摂動の具体例について説明したが、摂動例１や２のように、摂動の振幅δを、０＜δ＜π／４とすれば、位相変調量のダイナミックレンジは±（（π／４）＋δ）でよいので、位相変調器１０６に加える電圧は小さくて済み、よって低電圧化を図ることができる。
【００５５】
一方、摂動例３のように、摂動の振幅δを、δ≒πとすれば、スケールファクタの測定周期を４τまで小さくすることができ、よって高速応答に適したものとなる。
【００５６】
上述したように、この例では位相変調量ｇ（ｔ）の一方の極性にのみ摂動を与えるものとなっており、これにより同期復調器１１５における同期復調の参照信号（第２の参照信号）を生成しやすく、同期復調結果を解釈しやすいものとなっている。
【００５７】
以下、この点について説明する。
説明は連続系ではなく離散系とする。そのため、関数はｆ（ｔ），ｇ（ｔ）という表現ではなく、時刻ｔ＝ｋτ〜（ｋ＋１）τ（ｋは整数）でｆ［ｋ］，ｇ［ｋ］のように表記することとする。
【００５８】
摂動を与えない場合の位相変調信号をｇ０［ｋ］とする。即ち、
ｇ０［２×ｊ］＝π／４
ｇ０［２×ｊ−１］＝−π／４      但し、ｊは整数
式（５）を離散系で書き直すと、  
θ［ｋ］＝ΦＳ＋ｆ［ｋ］−ｆ［ｋ−１］−ｇ［ｋ］＋ｇ［ｋ−１］
【００５９】
ここで、摂動の値をΔｇ［ｋ］とすると、サニャック位相差はフィードバックされる位相変調信号でキャンセルされるので、ΦＳ＋ｆ［ｋ］−ｆ［ｋ−１］＝０となるので、θ［ｋ］は、
θ［ｋ］＝（ｇ０［ｋ−１］＋Δｇ［ｋ−１］）−（ｇ０［ｋ］＋Δｇ［ｋ］）
ｋを偶数、奇数の場合で分けて計算すると、
・ｋが偶数の場合
θ［２×ｊ］＝（ｇ０［２×ｊ−１］＋Δｇ［２×ｊ−１］）−（ｇ０［２×ｊ］＋Δｇ［２×ｊ］）
＝−π／２＋Δｇ［２×ｊ−１］−Δｇ［２×ｊ］
・ｋが奇数の場合
θ［２×ｊ−１］＝（ｇ０［２×ｊ−２］＋Δｇ［２×ｊ−２］）−（ｇ０［２×ｊ−１］＋Δｇ［２×ｊ−１］）
＝π／２＋Δｇ［２×ｊ−２］−Δｇ［２×ｊ−１］
【００６０】
位相変調信号の両方の極性に摂動を与える場合は、
Δｇ［２×ｊ］≠０
Δｇ［２×ｊ−１］≠０
である。よって、θ［ｋ］はΔｇ［ｋ］とΔｇ［ｋ−１］によるので、摂動の量と位相変化量が時間的に１対１の関係とならない。
【００６１】
それに対し、位相変調信号の一方の極性にのみ摂動を与える場合は、
Δｇ［２×ｊ］＝０
Δｇ［２×ｊ−１］≠０
である。よって、
θ［２×ｊ］＝−π／２＋Δｇ［２×ｊ−１］
θ［２×ｊ−１］＝π／２−Δｇ［２×ｊ−１］
となり、摂動の量と位相変化量が時間的に１対１の関係となるので、同期復調の参照信号を生成しやすいものとなる。
【実施例２】
【００６２】
図１１はこの発明による光ファイバジャイロの実施例２の構成を示したものであり、図１と対応する部分には同一符号を付してある。
【００６３】
この例では同期復調器１１０及び積分器１１１を含む角速度検出ラインのフィードバックループ内で、位相変調器１０５，１０６のスケールファクタの変動に対する補正を行わず、フィードバックループの外で補正を行うものとなっており、実施例１の構成に対し、増幅器１１３が削除され、除算器１２１が追加された構成となっている。
【００６４】
除算器１２１は積分器１１１の出力を積分器１１６の出力で除算し、この例ではこの除算器１２１の出力が角速度出力となる。なお、ランプ生成器１１２で生成された位相ランプ波形は直接、位相変調器１０５に入力される。
【００６５】
以下、この実施例２の構成においても、角速度出力が位相変調器１０５，１０６のスケールファクタの変動の影響を受けないことについて説明する。
【００６６】
スケールファクタがノミナル値である場合の、ある角速度に対する角速度検出ライン内の積分器１１１の出力をｓ１とし、同期復調器１１５及び積分器１１６を含む誤差検出ライン内の積分器１１６の出力をｓ２とすると、除算器１２１の出力はｓ１／ｓ２となる。
【００６７】
ここで、位相変調器１０５，１０６のスケールファクタがノミナル値のβ倍に変化した場合について考える。
【００６８】
角速度検出ライン内の積分器１１１の出力はｓ１／βとなり、誤差検出ライン内の積分器１１６の出力はｓ２／βとなる。よって、除算器１２１の出力は（ｓ１／β）／（ｓ２／β）＝ｓ１／ｓ２となり、βの影響を受けず、スケールファクタがノミナル値である場合と同じ結果を得ることができる。
【実施例３】
【００６９】
図１２はこの発明による光ファイバジャイロの実施例３の構成を示したものであり、図１と対応する部分には同一符号を付してある。
【００７０】
この例では光学素子１０３’は光分岐結合器１０４と位相変調器１０５とが集積化されたものとされ、即ち位相変調器を１個にしたものとなっている。
【００７１】
実施例１では２個の位相変調器１０５，１０６にそれぞれ増幅器１１３，１１４で増幅された信号が入力されていたが、この例ではこれら信号を加算して位相変調器１０５に入力する。即ち、実施例１では光信号で加算していたものを実施例３では電気信号で加算するものとなっている。
【００７２】
信号発生器１０９から出力される位相変調信号と、ランプ生成器１１２から出力される位相ランプ波形とは加算器１３１で加算され、加算器１３１の出力は増幅器１１３に入力される。増幅器１１３の利得は積分器１１６の出力によって調整され、増幅器１１３はこの例では加算器１３１の出力を増幅して位相変調器１０５の位相変調量を振幅±π／４の矩形波の一方の極性にのみ振幅δの摂動が与えられた波形に位相ランプ波形が加算されたものとする位相変調信号を位相変調器１０５に出力するものとなっている。
【実施例４】
【００７３】
図１３はこの発明による光ファイバジャイロの実施例４の構成を示したものである。この例では実施例２の構成を実施例３と同様、位相変調器を１個として実現したものとなっている。
【００７４】
増幅器１１４から出力される位相変調信号と、ランプ生成器１１２から出力される位相ランプ波形は加算器１３１で加算される。この例ではこの加算器１３１の出力が位相変調器１０５に入力されるものとなっている。除算器１２１は実施例２と同様、積分器１１１の出力を積分器１１６の出力で除算し、この除算器１２１により角速度出力が得られるものとなっている。
【符号の説明】
【００７５】
１  光源                                    ２  光カプラ
３  光学素子                                ４  光分岐結合器
５，６  位相変調器                          ７  光ファイバコイル
８  受光器                                  ９  Ａ／Ｄ変換器
１１  同期検波回路                          １２  積分器
１３  フィードバック信号発生部              １４  積分器
１５  レベル比較部                          １６  タイミング信号発生回路
１７  角速度出力生成部                      ２１  Ｄ／Ａ変換器
２２  位相変調駆動回路                      １０１  光源
１０２  光カプラ                            １０３，１０３’  光学素子
１０４  光分岐結合器                        １０５，１０６  位相変調器
１０７  光ファイバコイル                    １０８  受光器
１０９  信号発生器                          １１０  同期復調器
１１１  積分器                              １１２  ランプ生成器
１１３，１１４  増幅器                      １１５  同期復調器
１１６  積分器                              １２１  除算器
１３１  加算器
【図１】
2014048227.tif 000007
【図２】
2014048227.tif 000008
【図３】
2014048227.tif 000009
【図４】
2014048227.tif 000010
【図５】
2014048227.tif 000011
【図６】
2014048227.tif 000012
【図７】
2014048227.tif 000013
【図８】
2014048227.tif 000014
【図９】
2014048227.tif 000015
【図１０】
2014048227.tif 000016
【図１１】
2014048227.tif 000017
【図１２】
2014048227.tif 000018
【図１３】
2014048227.tif 000019
【図１４】
2014048227.tif 000020