(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ経路長およびレーザ強度を有するレーザと、少なくとも１つの経路長制御鏡（13、15）とを有するレーザ・ジャイロ装置（10）であって、
（ａ）  同期復調切替制御信号（116）、鏡ディザ信号（118）、掃引信号（112）を与える、経路長制御用のマイクロプロセッサ手段（100）と、（ｂ）レーザ強度を監視しレーザ強度モニタ信号（20）を与える監視手段（56）と、
（ｃ）  レーザ強度モニタ信号（20）および掃引信号（112）を増幅し、経路長制御駆動信号を与える増幅手段（50）と、
（ｄ）  同期復調切替制御信号（116）に応答して経路長制御駆動信号を同期復調し、同期駆動信号を与える手段（52）と、
（ｅ）  同期駆動信号を積分して経路長制御信号を与え、同期復調切替制御信号（116）および掃引信号（112）が、経路長制御信号に応答してマイクロプロセッサ手段（100）によって生成される手段（54）と、
（ｆ）  経路長制御信号に応答して少なくとも１つの経路長制御鏡（13、15）のそれぞれを位置決めする鏡位置決め手段（1202、1204）とを備えることを特徴とするレーザ・ジャイロ装置。
【請求項２】
レーザ経路長およびレーザ強度を有するレーザと、少なくとも１つの経路長制御鏡（13、15）とを有するレーザ・ジャイロ装置であって、
（ａ）  切替信号（116）、非切替信号（114）、掃引信号（112）、鏡ディザ信号（118）を与えるマイクロプロセッサ手段（100）と、
（ｂ）  レーザ強度を監視しレーザ強度モニタ信号（20）を与える手段（56）と、
（ｃ）  レーザ強度モニタ信号（20）および掃引信号（112）を増幅し経路長制御駆動信号を与える増幅手段（50）と、
（ｄ）  切替信号（116）および非切替信号（114）に応答して経路長制御駆動信号を同期復調して、スイープアップ駆動信号およびスイープダウン駆動信号を与える手段（52）と、
（ｅ）  スイープアップ駆動信号およびスイープダウン駆動信号を積分して経路長制御信号を提供し、切替信号（116）、非切替信号（114）、掃引信号（112）が、経路長制御信号に応答してマイクロプロセッサ手段によって生成される手段と、
（ｆ）  経路長制御信号に応答する各経路長制御鏡用の鏡位置決め手段（1202、1204）とを備えることを特徴とするレーザ・ジャイロ装置。
【請求項３】
経路長制御モニタを有するレーザ・ジャイロ用のスマート・モード獲得方法であって、
（ａ）  レーザ・ジャイロを始動するステップ（70）と、
（ｂ）  レーザ・ジャイロ温度を測定するステップ（72）と、
（ｃ）  レーザ・ジャイロ温度の関数としての所定の数式に従って経路長制御モニタ上の予想される電圧を算出するステップ（74）と、
（ｄ）  レーザ・ジャイロ経路長を、予想される電圧へ掃引するステップ（76）と、
（ｅ）  実際の経路長制御モニタ電圧を測定するステップ（78）と、
（ｆ）  予想される電圧に達したときに所望のモードを得るステップ（84）とを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
レーザ・ジャイロ経路長制御装置をその動作範囲にわたって掃引する方法であって、
（ａ）  PLCモニタ電圧を測定するステップ（206）と、
（ｂ）  PLCモニタ電圧を所望のPLC電圧と比較し（208）、PLCモニタ電圧が低すぎる場合にはPLCモニタ電圧を正の方向に調整し（212）、PLCモニタ電圧が高すぎる場合にはPLCモニタ電圧を負の方向に調整する（210）ステップと、
（ｃ）  PLCモニタ電圧が所望のPLC電圧位置に達するのを待つステップ（214）と、
（ｄ）  所望のモードを得るステップ（218）とを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
レーザ・ジャイロに関するモード当たり電圧を算出する方法において、
（ａ）  一次経路長制御電圧を測定するステップ（220）と、
（ｂ）  所定のターゲット数式V0＋K1（１＋K2T）＋V1T＋V2T2＋V3T3に従って次のターゲット・モードを算出するステップ（222）と、
（ｃ）  新たに計算されたPLC経路長制御電圧へ掃引するステップ（224）と、
（ｄ）  厳密な新しい経路長制御電圧を測定するステップ（226）と、
（ｅ）  正の方向のモード当たり電圧をVP+1−VPとして算出するステップ（228）と、
（ｆ）  次のターゲット・モードを数式VPLCNEW＝V0−K1（１＋K2T）＋V1T＋V2T2＋V3T3として算出するステップ（230）と、
（ｇ）  VPLCNEWへ掃引するステップ（232）と、
（ｈ）  VPM−をVP−VP-1として算出するステップ（234）と、
（ｉ）  モード当たり負電圧の絶対値にモード当たり正電圧の絶対値を加え、２（１＋K2×Ｔ）で除した値として、新しい定数K1を算出するステップ（236）と、
（ｊ）  新しいK1をメモリに記憶するステップ（238）とを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
レーザ・ジャイロに関するモード当たり電圧を算出する方法において、
（ａ）  一次経路長制御電圧を測定するステップ（220）と、
（ｂ）  所定の数式に従って次のターゲット・モードを算出するステップ（222）と、
（ｃ）  新たに計算されたPLC経路長制御電圧へ掃引するステップ（224）と、
（ｄ）  厳密な新しい経路長制御電圧を測定するステップ（226）と、
（ｅ）  モード当たり電圧をVP+1−VPとして算出するステップ（228）と、
（ｆ）  新しい定数K1をモード当たり電圧の絶対値として算出するステップ（236）と、
（ｇ）  新しい定数K1をメモリに記憶するステップ（238）とを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
活動電流制御を有し、経路長制御電圧を有する、レーザ・ジャイロ用の経路長制御装置によってレーザ・モードを増減させるモード・ホッピング方法であって、
（ａ）  経路長制御電圧を測定するステップ（242）と、
（ｂ）  所望の電圧に達するのに経路長制御電圧を増大させる必要があるか、それとも低減させる必要があるかを判定するステップ（244）と、
（ｃ）  所望のモードが現モードである場合にプロセスを終了するステップ（254）と、
（ｄ）  活動電流制御を所定の量だけ増大させるステップ（246、248）と、
（ｅ）  １モードだけホップダウンする必要がある場合に所望の電圧へスイープダウンするステップ（250）と、
（ｆ）  １モードだけホップアップする必要がある場合に所望の電圧へスイープアップするステップ（252）と、
（ｇ）  所望のモードを得るステップと、
（ｈ）  活動電流制御を所望の量だけ低減させるステップ（256）とを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、レーザ光線の経路を制御する方法および装置に関し、詳細には、マイクロプロセッサ・ベースのマイクロコントローラを使用して特定のレーザ・モードを得て、かつ、あるモードから他のモードへ移り、あるいはホップし、同時にジャイロの性能を連続的に維持する、レーザ・ジャイロのレーザ経路長を制御する方法および装置に関する。
発明の背景
電気機械システムは、多くの場合に温度に依存する動的動作を有する。また、このようなシステムの動的動作はしばしば、時間の経過と共に変化する。レーザ角速度センサとして知られる１種の電気機械システムは、やはり温度および使用期間に依存するシステム・ダイナミクスを示す。経路長制御装置として知られるレーザ角速度センサの１つの構成要素もこのような変化の影響を受ける。
レーザ角速度センサは、レーザ・ジャイロと呼ばれることもあり、当技術分野では良く知られている。引用によって本明細書に編入した米国特許第4597667号の「発明の背景」に詳しい説明が記載されている。第１図はレーザ・ジャイロを概略的に示すものである。簡単に言うと、そのようなセンサは、複数のガス含有トンネル（図示せず）を有するジャイロ・ブロック５内に支持されたリング・レーザ・ジャイロ200を含む。トンネルの交差点に、閉ループ光路11、16を形成する鏡13、15、18があり、この光路内を、互いに逆方向へ伝搬するレーザ光線が移動する。レーザ角速度センサの実際の実施形態には、経路長制御（PLC）装置が含まれる。経路長制御装置の目的は、互いに逆方向へ伝搬するレーザ光線用の一定の経路長（通常レーザ波長の倍数）を維持することである。一定の経路長を維持することによって、レーザ・ジャイロからの擬回転誤差が回避される。経路長制御機能は通常、少なくとも１つの鏡が、鏡の並進移動を制御する圧電トランスデューサに取り付けられる構成によってもたらされる。このトランスデューサは、トランスデューサ駆動増幅器を介して与えられる駆動信号に応答してレーザ光線経路長を与える。第１図に示した例では、鏡13、15は経路長制御鏡である。鏡13、15は、経路長制御信号に応答して、線12、14で表された経路に沿って移動する。
一定の経路長を維持する１つの技法は、一方または両方のレーザ光線の強度を検出し、一方または両方の光線の強度が最大になるようにリング・レーザの経路長を制御することである。米国特許第4152071号は、1979年５月１日に発行され本発明の出願人に譲渡されたものであり、前述の制御機構および回路を例示している。リング・レーザの経路長を制御する経路長トランスデューサはよく知られており、具体的には、1971年５月25日に発行され、やはり本発明の出願人に譲渡された米国特許第3581227号、1983年５月17日に発行された米国特許第4383763号、1981年５月12日に発行された米国特許第4267478号に記載されている。これらの特許はすべて、引用によって本明細書に編入されている。
前述の特許では、ビーム強度は、前述の特許に例示されたように直接検出され、あるいは、1982年３月23日に発行され、やはり引用によって本明細書に編入された米国特許第4320974号で例示されたような複光束信号と呼ばれるものから導くこともできる。
従来技術の経路長制御システムでは、経路長制御装置は、レージング・ガスのスペクトル線によって示される、レージング多角形経路長、すなわちリング・レーザ経路長が所望のモードまたは周波数の整数波長となる鏡位置を見つける。
本明細書では、モードは、レーザ光線の１つの波長と同意義として定義される。ヘリウムネオン・レーザの場合、１つのモードは、0.6328ミクロンに等しく、これは24.91マイクロインチに等しい。適当な設計を用いた場合、経路長制御によって、レーザ光線が通過する経路長は強制的に、レーザ光線を最大出力のものにする値になる。
経路長制御機能は、レーザ・ジャイロ始動のそれぞれの異なるフェーズ間で異なるものとすることができる。最初、レーザを始動する際、経路長制御装置は、レーザ出力、ジャイロ・ディザ、バイアス制御など、レーザ・ジャイロの他の活動パラメータに関する良好な動的応答をもたらす有用なモードにレーザを導くのを助けるために使用される。始動後、経路長制御機構は、前述の温度および老化の影響を補償するのを助ける。
従来技術の設計では、始動時経路長制御は、ピックオフ電圧の所定の設定値の助けを得て、電圧掃引を使用することによって行われた。所望の設定値は、レーザ・ジャイロの構成時に指定された。従来技術のレーザ・ジャイロは、２つの共通の影響、すなわち温度の変動と老化のためのシステム応答の変動に対する調整を行うことが困難であった。したがって、本発明の目的は、特定のレーザ・モードを得て、モード当たり電圧を算出し、レーザ・モードを変更することができる動的補償機構を提供することである。
発明の概要
本発明は、ディジタル制御装置の使いやすさおよび融通性を利用する、レーザ・ジャイロのスマート・モード獲得及びモード・ホッピング経路長制御装置を提供する。ディジタル制御装置は、パルス幅変調信号、モード獲得用のディジタル信号、レーザを所定のモードに維持するフィードバック・ループを閉じるために使用される同期位相復調器用のディジタル信号を提供する。ディジタル制御装置は、モード獲得、モード・ホッピングなど、経路長制御の改善を実施することができる。ディジタル制御装置を使用して、モード間を回転し、ジャイロ・システムのモード当たり電圧を求めることができる。
本発明の一目的は、ディジタル制御装置を使用してレーザ・モードを得る改良されたレーザ・ジャイロを提供することである。
本発明の他の目的は、ディジタル制御装置を使用してモード・ホップを行う改良されたレーザ・ジャイロを提供することである。
本発明の他の目的は、レーザ・ジャイロのモード当たり電圧を算出する方法を提供することである。
本発明の他の目的は、モード・ホッピング中に妨害されない優れたジャイロ出力性能を提供することである。
本発明の他の目的、特徴、利点は、当業者には、「好ましい実施の形態の詳細な説明」、「請求の範囲」、図面を通じてから明らかになろう。「好ましい実施の形態の詳細な説明」、「請求の範囲」、図面では、同じ符号は同じ要素を指す。
【図面の簡単な説明】
本発明を例示するために、添付の図面を参照して好ましい実施形態について説明する。
第１図は、レーザ・ジャイロの一実施形態の概略ブロック図である。
第２図は、本発明の新規の特徴を使用するレーザ・ジャイロの一実施形態のブロック図である。
第３図は、ピーク・レーザ・モード（ピークLIM  OUT）対温度範囲を変動させる出力電圧のプロットである。
第４図は、特定のモードおよびモード・ホップを得る本発明の装置のハイレベル概略回路図である。
第5A図は、特定のモードおよびモード・ホップを得る本発明の装置の詳細な概略回路図である。
第5B図は、特定のモードおよびモード・ホップを得る本発明の装置の詳細な概略回路図である。
第６図は、本発明のスマート一次モード獲得方法のプロセス・フロー図である。
第７図は、本発明の掃引方法のプロセス・フロー図である。
第８図は、モード当たり電圧を算出する本発明の方法を示す図である。
第９図は、本発明のモード・ホッピング方法を示す図である。
第10図は、モード・ホッピング中のLIM信号を示すPLCモニタ電圧モード図である。
第11A図は、スイープアップ・スイープダウン・ビットのレーザ・モードに対する影響を示す図である。
第11B図は、スイープアップ・スイープダウン・ビットのレーザ・モードに対する影響を示す図である。
第12図は、モニタ制御ループによってモジュラ・ジャイロを監視する方法を示す図である。
第13図は、レーザ・ジャイロ始動時にモードを得る一方法のプロセス・フロー図である。
第14図は、ジャイロがレーザ・ジャイロの動作時にあるモードで範囲外になるかどうかを予想する一方法に関するプロセス・フロー図である。
第15図は、本発明の一実施形態でのモードの移行に関するプロセス・フロー図である。
好ましい実施の形態の詳細な説明
次に、第２図を参照すると、この図は、本発明の新規の特徴を使用するモジュラ・レーザ・ジャイロの一実施形態のブロック図を示している。本発明を実施形態を介して説明する。この開示の利益を有する当業者なら、本明細書の例が本発明の原則を例示するためのものであり、制限するためのものではないことが理解されよう。
レーザ・ジャイロ10は、制御装置100と、レーザ・ジャイロ・ブロック５と、活動電流制御機構300と、PLC装置600と、フォトダイオード読取りシステム700と、ディジタル論理機構800とを含む。本発明のモジュラ・レーザ・ジャイロ装置は、一実施形態では、制御装置100として働くマイクロコントローラと共に実施される。本発明の経路長制御システム600は、一次レーザ性能信号として働くレーザ強度モニタLIM信号20を備える閉ループ・システムを形成する。LIM信号20は、経路長制御モニタPLCMON信号32、LIM信号20、アナログ・ディジタル変換器110を介してマイクロコントローラ100に接続された単光束信号SBS36を供給するPLC装置600に接続される。PLC装置600については下記で第４図および第５図に関して詳しく説明する。ディジタル論理装置800は、掃引信号112、切替信号116、非切替信号114、ディザ信号118、非ディザ信号119を経路長制御装置600に与える。マイクロコントローラ100は、ディジタル論理装置800を通じて経路長トランスデューサを制御する。
マイクロコントローラ100は、Ａ＋信号22およびＡ−信号24を通じてＡ鏡13PLCトランスデューサ29Aを制御し、Ｂ＋信号26およびＢ−信号28を通じてＢ鏡15PLCトランスデューサ29Bを制御する。信号［（Ａ＋）−（Ａ−）］はトランスデューサＡに対する微分信号である。［（Ａ＋）−（Ａ−）］が正である場合、ジャイロの周りの経路長が増加する。［（Ａ＋）−（Ａ−）］が負である場合、ジャイロの周りの経路長が減少する。これはトランスデューサＢにも当てはまる。
A/D変換器110は、制御装置100と一体化することができ、10ビットA/D変換器であれば有利である。この制御装置は、マイクロプロセッサ120を有利に含むこともできる。本発明の動作について下記でさらに詳しく論じる。
本発明の一実施形態では、マイクロコントローラ100はIntel80C196KCマイクロコントローラを備える。マイクロコントローラ100は、この実施形態では様々な制御機能用に使用される３つのパルス幅変換器を含む。第１のパルス幅復調器PWM0  37は、経路長制御装置600を制御するために使用される。
マイクロコントローラ100の初期設定および制御にはいくつかのソフトウェア・モジュールが使用される。ソフトウェア・モジュールは、マイクロコントローラ100内に含まれるマイクロプロセッサ120によって実行される。第12図には、モニタ制御ループ、すなわちディジタル・モジュラ・ジャイロ10用の主プロセス実行ループが示されている。モニタ制御ループ390はまず、ディザ・ストリッパ・アルゴリズム302の実行を示している。温度およびバイアス・ドリフトに関する回転慣性航法データの補償は、次のステップ304で行われる。モニタ制御ループ390は306で、システム用の入出力セットアップを実行する。モニタは次いで308で、バイアス・ドリフト改善およびランダム・ドリフト改善ステップを実行する。プロセスは、ステップ309で背景A/D変換をスケジューリングする。プロセスは次いで、310へ流れ、外部システムからモジュラ・ジャイロに与えられたコマンドが処理される。
プロセスは、ステップ312で組み込み試験機能を実行し、プロセス314でレーザ・モード限界を検査する。プロセス314については第９図に関してさらに詳しく説明する。プロセスは、ステップ315でジャイロ寿命検査を実行する。モニタ制御ループ390は次いで、モジュラ・ジャイロ10が遮断されるまでこの１組のプロセスを反復する。
レーザ・ジャイロ200の動作モードは温度に依存する。ジャイロ・モードの温度変動を第３図に示す。第３図は、温度に依存する際の経路長制御モニタ電圧PLCMON32の動作を示す。LIMのローカル・ピークまたは最大値は、モードとして定義され、PLCモニタ電圧に関するパラメータとしてプロットされ、かつ温度の関数としてプロットされる。温度は、右へ増加する温度を示す横軸482上に示されている。PLCモニタ電圧32は、グラフの上方へ増加するPLCモニタ出力電圧を示す縦軸480上に示されている。
第３図は、本発明のレーザ・ジャイロ10の一実施形態の７つのモードを、それぞれ、490ないし496として番号付けされた、モードＧないしＡとして示す。
第３図は、レーザ・ジャイロの２つの動作点497および498も示す。第３図から、レーザ・ジャイロの温度が変化すると、各モードの動作点も変化することが分かる。線491および493は、T1からT2への温度の増加の影響を示すために与えられている。線491および493は、レーザ・ジャイロ用のいくつかの動作モードを提示するいくつかのモード曲線とそれぞれ、T1およびT2で交差している。点497および498は、モード電圧480に対する温度の変化の影響を示すために与えられている。レーザ・ジャイロ10は、動作点498にある、一次モードとしても知られるモードＤで動作するものと仮定する。
T1で動作する間の経路長制御モニタ電圧PLCMON32は、第３図では、軸480上のV1として示されている。レーザ・ジャイロの温度がT1からT2に変化すると、PLCMON32電圧はV1からV2に変化し、ジャイロの動作点は、V2のPLCMON32電圧に対応する動作点498に変化する。PLCMON32電圧がその最小電圧479から最大電圧478までスイングする際、どの温度でもすべてのモードが利用できるというわけではない。したがって、温度が変化した際にモードをホップする必要が生じる。
次に、レージング・モードを得てレージング・モードをホップする本発明の装置を示す第４図を参照する。本発明のこの装置は、レーザ・ジャイロ200の鏡Ａおよび鏡Ｂ用の経路長トランスデューサを制御する。レーザ・ブロックは、温度信号を送る温度センサ33を含め、いくつかのセンサを有する。温度信号は、オンボードA/D変換器110に温度信号31を与える温度センサ増幅器58によって増幅される。温度信号31は、第３図の曲線に従うモード獲得機能およびモード・ホッピング機能を実行するためにマイクロプロセッサによって使用される。
レーザ・ジャイロ200は、DC増幅器68に接続されたフォトダイオード56から捕捉される電力検出信号57も有する。フォトダイオード56は、レーザ強度モニタ（LIM）信号20を与える。レーザ・ジャイロ200トランスデューサ鏡ＡおよびＢは、経路長制御を行うための基本手段を構成している。レーザ経路が経路長制御トランスデューサによって調整されるので、レーザ強度モニタ信号20は変動することができる。本発明は、レーザ強度モニタ信号を、レーザ強度モニタ信号20、経路長制御モニタ信号32、単光束信号36を含め有用な１組の信号として処理するうえで助けとなるいくつかの構成要素を提供する。AC増幅器50は、レーザ強度モニタ20のAC構成要素を監視する。AC増幅器50の出力は、経路長制御モニタ信号PLCMON32を生成する積分器54に信号を与える同期復調器52へ送られる。AC増幅器50の出力は、単光束信号36を提供するピーク検出器66にもAC結合される。AC増幅器50は、切替信号116に同期する掃引信号112からの入力も有する。同期復調器52は、レーザ強度モニタから経路長制御モニタへの閉ループ経路を使用して経路長を調整する方法も与える。
マイクロコントローラ100は、線61上で積分器62およびインバータ60にバイアス・ドリフト改善信号を与える。
第４図のハイレベル回路図は、経路長を制御する本発明の方法を示す。同期復調器は、経路長制御トランスデューサが連続的にレーザ・モードのピークを見つけるように経路長鏡を制御する方法を与える。本発明のレーザ・ジャイロの様々なレーザ・モードは第３図にさらに詳しく示されている。
第5A図および第5B図には、いくつかのレーザ・モード間を移動するために使用される本発明の一例で使用される経路長制御装置の一実施形態が示されている。第5A図および第5B図の経路長制御装置は、ディジタル論理機構800と、掃引線112と、第１の切替線114と、第２の切替線116と、第１のディザ線118と、第２のディザ線119と、第１の積分増幅器122と、第２の積分増幅器124と、同期位相復調器スイッチ126と、増幅器128と、増幅器130とを備える。第１組の駆動トランジスタ136、138と、第２組の駆動トランジスタ131、132も含まれる。
掃引線112は、レーザ・ジャイロ200の始動時に3Khz信号を供給する。掃引線112は、SWEEPとして指定された信号を搬送する。２つの切替線114、116もスイッチ126に3Khz信号を供給し、第１の切替線114は第２の切替線116から位相が180゜だけずれる。一例では、切替線はそれぞれ、SWITCH（SW）およびNOTSWITCH（NSW）として指定される。同様に、ディザ線118、119はそれぞれ、DITHER（Ｄ）およびNOTDITHER（ND）として指定される。ディザ線もディジタル論理機構110から3Khz信号を供給し、3Khz信号は位相が互いに180゜だけずれる。
動作時には、ディジタル論理機構は、制御線111上の制御装置100からの始動コマンドに応答して掃引線112をオンにする。同時に、ディジタル論理機構は、SWEEP信号が印加されている間、DITHER線118およびNOTDITHER線119をオフにする。ジャイロが所望のレーザ・モードへ掃引されると、SWEEP信号が除去され、DITHER線118およびNOTDITHER線119がイネーブルされる。
掃引線3Khz信号は、SWITCH信号116およびNOTSWITCH信号114にも関係している。掃引線3Khz信号は、モードを上方へ掃引すべきか、それとも下方へ掃引すべきかに応じて、一方の切替信号の位相に一致する。3Khz  SWEEP信号は、AC結合キャパシタ170を通じて第１の増幅器128の反転入力に接続される。この信号は次いで、スイッチ126を通じて第２の積分増幅器124の反転入力または非反転入力へルーチングされる。動作時には、SWEEP信号の位相が切替信号116の位相に一致する場合、増幅器128の出力は積分増幅器124の非反転入力へルーチングされる。SWEEP信号の位相がNSW信号線またはNOTSWITCH信号線114の位相に一致する場合、SWEEP信号は積分増幅器124の反転入力へルーチングされる。本開示の利益を有する当業者なら、このような関係を様々な組合せで処理してほぼ類似の結果をもたらすことができることが認識されよう。
SWEEP信号は、信号線176での積分器の出力がモジュラ・ジャイロを所定のモードへ掃引できるほど高い電圧をもたらすのに十分な時間にわたってオンのままにまる。信号線176は、PLCモニタ信号として指定されており、A/D入力102でマイクロプロセッサ制御装置100によって監視される。
制御線111は、ディジタル論理装置110に制御信号を与え、経路長制御装置の動作モードを掃引モードから動作モード切り替える。所望のモードを得るために使用される方法を下記でさらに詳しく説明する。
制御装置100には、A/D入力104でレーザ強度モニタ信号（「LIM」）も供給される。レーザ強度モニタ信号は、ジャイロ・ブロック５中の光電検出器160から捕捉される。この信号は、トランスインピーダンス増幅器150によって増幅され、制御装置へ送られる。LIM信号104は、キャパシタ172によってAC結合され、反転入力を通じて第１の増幅器128にフィードバックされる。3Khzディザリング信号が増幅器128の非反転入力に渡されるように、キャパシタ172と抵抗器174とを備えるRC回路が高域フィルタとして構成されることに留意されたい。したがって、通常レーザ・ジャイロの始動時にはオンである掃引モードでは、DITHER線118およびNOTDITHER線119がオフになると、LIM信号成分はキャパシタ172によって、増幅器128の非反転入力上に現れることを妨げられる。
制御装置100は、パルス幅変調信号PWM0を連続的に第１の積分増幅器122に出力する。このPWM0信号は積分増幅器122によって、互いに逆の極性を有するトランジスタ駆動装置132および138に印加される微分駆動信号に変換される。駆動信号の第１の成分はトランジスタ138に印加される。駆動信号の第２の成分182は、増幅器130を通じてトランジスタ132に印加され、ジャイロ・ブロック中の第２のトランスデューサを駆動する。第２の積分増幅器124からのPLC信号はトランジスタ131および136を駆動し、かつ経路長制御信号と共に対として動作して、第１図に示したジャイロ・ブロック中の２つの鏡13および15に接続されたジャイロ中の２組（ＡおよびＢ）のトランスデューサを異なるように駆動する。第5A図で、トランスデューサ駆動装置は、それぞれのキャパシタンスによって要素1202および1204として示されている。実際、よく知られているように、これらは通常、圧電素子である。圧電トランスデューサ素子1202および1204は、最大負電圧（−280V）に接続された中央タップを有する。このように、ピエゾ素子が、ヒステリシス効果を低減させる逆電圧極性を経験することはない。
本発明の一実施形態では、トランジスタ140および142と抵抗構成要素190、192、194、196とを備える一定電流源が、トランスデューサ微分駆動トランジスタ対（131、132）および（136、138）の各脚に電流約0.4maを与えるように構成される。
部分トランジスタ対は、SWEEP信号、またはピークLIM信号を探すAC誘導ディザ信号に基づいて、トランスデューサのDC位置を徐々に所望の位置へ駆動する。PWMOパルス幅変調信号は、鏡をBDIとRDIとで異なるように移動するためだけに使用される。同期位相復調器は、増幅されたLIM信号129の位相に基づいて、引き続きピークLIM信号を探す。
本発明の構成について説明したので、本発明の動作の理論について論じる。
第5A図および第5B図は、経路長制御最適モード獲得及びモード・ホッピングに関する詳細な回路図を示す。モード獲得及びモード・ホッピング時には、積分増幅器122の出力が中央値の2.5Vになるように、バイアス・ドリフト改善BDIパルス幅変調信号は50％に設定される。積分増幅器122の出力は、やはり2.5Vに設定された増幅器130を介して反転される。説明を容易にするために、BDI信号と否定BDI信号、すなわちNBDIを共に、モード獲得時にもモード・ホッピング時にも中央値の2.5Vとすることができるが、これは必要ではない。
PLCは、ディジタル論理機構110を使用して、鏡に対するディザ・ドライブを生成する。モード獲得およびモード・ホッピング時には、掃引信号112がイネーブルされ、非ディザ119およびディザ118はディスエーブルされる。切替信号116および非切替信号114は常に3Khzの速度でイネーブルされる。これらの信号はディジタル論理レベルである。ディザ118は、非ディザ119の補数であり、切替116は非切替114の補数である。掃引112の位相が切替116の位相に一致する場合、経路長制御装置信号176は上方へ掃引される。掃引112の位相が切替116の位相から180゜だけずれている場合、経路長制御装置信号176は下方へ掃引される。
ディザ信号および非ディザ信号は、90゜だけ移相された小さな信号を、鏡13にのみ結合されたトランスデューサＡにAC結合することによって、鏡位置の小さな変位を導入する。これによって、第5A図および第5B図の回路をローカル最大値にロックすることができる。このスマート・モード獲得によって、回路はローカル最大LIM信号20に近くなり、回路のディザ部分は厳密なピークにロックされる。ディザ信号および非ディザ信号によって、パワー検出器160からのパワー信号の小さな変調がもたらされる。この小さな変調は、LIM信号104のDC成分の上方にAC成分として現れ、キャパシタ172にAC結合される。次いで、この信号はレジスタ174を通過して増幅器128の総和分岐点に至る。増幅器はこの信号を利得150K/5.36Kだけ増幅する。この信号129は次いで、同期位相復調器126に送られる。
同期位相復調器126は、信号129の位相が切替信号116の位相に一致する場合には線176上でスイープアップ信号を与え、信号129の位相が切替信号116の位相からずれている場合には線176上でスイープダウン信号を与える。
PLC部分増幅器対は、トランジスタ131、132、136、138を備える。本発明の一実施形態では、この４つのトランジスタはモトローラ社（Motorola）のPNPトランジスタ（部品番号MMBT6520）である。本発明の一実施形態では、トランジスタの最大コレクタ電圧は350Vであり、280Vに定格軽減されている。NPNではなくPNPを使用することの１つの利点は、PNPが、モジュラ・ジャイロの電力消費量を低減させる低電流および低温において高いベータ・パラメータを有することである。この例の他の利点は、一定電流源トランジスタ140および142が低電圧「オフ・ザ・シェルフ」表面取り付けPNPであることである。トランジスタ140および142中の電流はそれぞれ、２つの電流源抵抗器190および194によってセットアップされる。トランジスタ140および142のベースの電圧は、回路網抵抗器192、トランジスタ141、抵抗器196によってセットアップされる。トランジスタ141は、ベース・エミッタ降下がすべての３つのトランジスタ140、141、142で行われるように温度補償のために追加される。本発明は、トランジスタ140、141、142を使用してレーザ・ジャイロの動作温度範囲にわたって比較的一定の電流源を維持する。本発明は、10V基準電圧193も使用する。従来技術は、トランスデューサの電圧をPLCモニタ電圧176の非線形関数とする電流源として固定抵抗器を使用するにすぎなかった。したがって、本発明では、モード当たり電圧の計算をPLC電圧範囲とは独立に行うことができる。
積分増幅器124は、極・零補償技法を使用して、１メガオーム抵抗器によって形成された極とトランジスタ136および131のベース・コレクタ・キャパシタンスを一致させる。これによって、閉ループ・システムの閉ループ周波数応答の幅が広がる。
増幅器128の出力にピーク検出器171が追加され、増幅器128の出力は、A/D変換器110へ送られる前にフィルタされ、SBS信号169が与えられる。
第６図は、一次レーザ動作モードを得る方法の概略ブロック図を示す。この方法は、マイクロコントローラ100で実施され、マイクロプロセッサ120のプログラム・メモリに記憶される。一次モードを見つけるこの方法は、どの初期モードでジャイロを操作すべきかを判定するうえで、ジャイロ始動時に有用である。第３図は、ジャイロを操作することができるいくつかのモードがあることを示しており、一次モード獲得方法の目的は、温度範囲全体にわたって動作するうえで最良のモードを定義することである。
第６図に示したプロセスは、ステップ70でジャイロを始動することによって開始する。プロセスは次いでステップ72で、ブロック温度を測定する。次いで、マイクロプロセッサ120はステップ74で、２次方程式VPLC＝V0＋V1T＋V2T2＋V3T3（Ｔは、ブロックの測定温度である）に使用される定数V0、V1、V2、V3に等しい数式VPLCに従ってPLCモニタから予想される電圧を算出する。初期V0パラメータ、初期V1パラメータ、初期V2パラメータ、初期V3、パラメータは、レーザ・ジャイロ200が工場で製作されたときに行われたジャイロの測定から与えられる。V0、V1、V2、V3、K1、K2として知られる、本発明の方法で使用される定数は、第４図にE2PROM64として示したE2PROMに記憶される。プロセスは次いで、ステップ76に移り、PLC電圧が掃引される。PLC電圧を掃引する方法について下記で第７図に関して説明する。次に、プロセスはLIMピーク77にロックされる。プロセスは次いで、ステップ78に移り、PLCモニタの電圧が測定される。プロセスは次いで、ステップ80に進み、数式V0＝VPLCMON−V1T−V2T2−V3T3から新しいV0が算出される。この場合、VPLCMONは、測定されたモニタ電圧である。新しいV0は、PLCモニタの次の掃引で使用できるように、ステップ82でE2PROMに記憶される。プロセスは次いで、ステップ84に移り、ジャイロに関するモード当たり電圧が再較正される。モード当たり電圧を算出するプロセスについて第８図で詳しく説明する。
次に、第７図を参照すると、この図は、経路長制御トランスデューサをいくつかのモードにわたって掃引してモード最大値を探す本発明の方法の流れ図を示す。この掃引方法はたとえば、第６図の方法のステップ76で使用される。第７図のプロセスは、ステップ202でパルス幅変調器を50％にしてバイアス・ドリフト改善信号をオフにすることによって開始する。モード獲得およびモード・ホッピング時にBDIを50％PWMに維持することは必ずしも必要ではないが、そうすることによって電圧／モードの計算がより正確になる。プロセスは次いで、ステップ204に進み、鏡ディザが遮断される。これによって、自動最大値シーキング閉ループ装置が第７図の方法を妨害するのが防止される。プロセスは次いで、ステップ206に進み、マイクロコントローラ100上のA/D変換器によってPLCモニタ電圧が測定される。プロセスは次いで、ステップ208に移り、PLCモニタの電圧が所望のPLC電圧と比較される。ステップ209で、所望のPLC電圧が入力される。システムから測定されたPLCモニタ電圧が所望のPLC電圧よりも高い場合、プロセスはステップ210に進み、PLC電圧をスイープダウンする。測定された電圧が所望のPLC電圧よりも低い場合、プロセスはステップ212に進み、PLC電圧がスイープアップされる。経路長制御装置のスイープダウンおよびスイープアップは、第5A図および第5B図の回路を使用して行われ、それに応じて経路長制御装置が調整される。プロセスは次いで、ステップ214へ流れ、PLC電圧が指定のPLC位置に達するのを待ち、次いでVPLCMON電圧が、要求されたVPLCに等しくなる。そうでない場合、ステップ212とステップ210の両方のケースで、プロセスは連続的に、測定された電圧を所望の電圧に対して評価する。プロセスは、経路長制御位置が、指示された経路長制御位置VPLCに達するのを待った後、ステップ216に戻り、そこで、鏡ディザがオンになり、ローカル最大LIM信号20にロックされる。プロセスは次いで、ステップ218へ流れ、BDI方法がイネーブルされる。
第８図は、レーザ・ジャイロのモード当たり電圧を算出するために使用される本発明の方法の流れ図を示す。プロセスは、まずステップ220で経路長制御モニタ電圧を測定することによって開始する。プロセスは次いで、ステップ222へ流れ、ターゲット・モードがVPLCNEW＝V0＋K1（１＋K2T）＋V1T＋V2T2＋V3T3として算出される。プロセスは次いで、ステップ224に進み、レーザ・ジャイロがVPLCNEW電圧へ掃引される。プロセスは、ステップ226に進む。この方法で基準とされる電圧は下記のように定義される。VPは、第６図の方法を使用して見つけた一次モードでの経路長制御装置の電圧である。VP+1は、一次モードよりも高いあるモードでの経路長制御モニタの電圧である。VP-1は、一次モードよりも低いあるモードでの経路長制御モニタの電圧である。プロセスはステップ222で、次のターゲット・モードをVP+1として算出する。ステップ226で、厳密なVP+1電圧が測定される。正の方向および負の方向に関するモータ当たり電圧が測定される。モータ当たりの正の電圧をVPM+と呼び、モード当たりの負の電圧をVPM-と呼ぶ。プロセスは次いで、ステップ228へ流れ、正の方向のモード当たり電圧が一次モードVPの電圧と一次モードVP+1よりも１つ上のモードの電圧との差として算出される。プロセスは次いで、ステップ230へ流れ、負の方向での新しい電圧のVPLCNEW電圧がV0−K1（１＋K2T）＋V1T＋V2T2＋V3T3として算出される。第８図のプロセスは次いで、プロセス・ステップ232へ流れ、PLCトランスデューサが第７図の方法に従ってVPLCNEWへ掃引される。プロセスは次いで、プロセス・ステップ234へ流れ、負の方向でのモード当たりの新しい電圧が、経路長制御モニタの一次電圧と新しい電圧VP-1との間の差として算出される。プロセス・ステップ236で、新しいK1定数が、モード当たりの負の電圧の絶対値にモード当たりの正の電圧の絶対値を加え、量１＋K2Tの２倍の値で除した値として算出される。プロセスは次いで、ステップ238へ流れ、新しいK1がE2PROM64に記憶される。
次に、第９図を参照すると、レーザ・ジャイロ・モード図の第３図に示したように、レーザ・ジャイロを複数のモードにわたってモード・ホップさせる本発明の方法の流れ図が示されている。第９図は、第３図のレーザ・ジャイロ・モード図の様々なモードＦ、Ｅ、Ｄ、Ｃ、Ｂに関するレーザ強度モニタ信号20のプロットが示された第10図を参照しながら読むべきである。モード・ホッピングの第１のステップはプロセス・ステップ242であり、経路長制御モニタの電圧が測定される。本発明のモード・ホッピング方法を実行するレーザ・ジャイロは、経路長制御電圧のスイング用の限界として使用される、第３図に478および479として示した最大経路長制御モニタ電圧および最小経路長制御モニタ電圧を有する。モード・ホッピング・プロセスは、引き続き決定ブロック244を処理し、本発明の方法を使用するレーザ・ジャイロがモードをホップダウンしたいか、それともホップアップしたいかに応じて、いくつかの異なるプロセス・ステップに分岐する。
当業者には、モード当たり正電圧を使用することも、あるいはモード当たり負電圧を使用することもできることが確認されよう。
第９図のプロセスは、ステップ254へ流れ、モード・ホッピングは、必要とされない場合は終了する。下記の議論では、VPMは、あるいモードでのPLCモニタ電圧の順次に隣接するLIM最大値間の差として定義され、したがって単位はボルトである。この例では、VPM≒1Vである。本発明の一実施形態では、測定された経路長制御電圧が最大電圧からVPM値を減じた値よりも低く、あるいは、経路長制御モニタの電圧がVPM値よりも高い場合、レーザ・ジャイロは、モードをホップする必要はない。この２つの条件はどちらも、レーザ・ジャイロが現在、快適なモードで動作しているのでモード・ホップを行う必要がないことを示す。快適なモードとは、ジャイロの動作限界の制限内の電圧スイングをもたらすモードである。これによって、バイアス・ドリフト改善や鏡ディザなどの動作は、適当なモード範囲を維持することができる。適当なモード範囲とは、鏡がディザされ、あるいはバイアス・ドリフト改善サイクルが実行されているときに、最大PLCモニタ電圧または最小PLCモニタ電圧を超えないモード範囲である。
最大／最小PLCモニタ電圧は、レーザ・ジャイロの各実施形態とは異なる特定の駆動電子機器によって得られる。
次に、モードをホップダウンするケースを分析するために決定ブロック244に戻る。モードのホップダウンが行われるのは、経路長制御電圧が最大電圧からVPM値を減じた値よりも大きいときである。これは、BDIのためにモードをスイングできる「上方の余裕」がないことを意味する。第９図のプロセスは次いで、ステップ246へ流れ、活動電流制御電流が増大される。活動電流制御の増大は、第10図では、レーザ強度モニタ信号266がプロット268からプロット270に増大することとして示されている。高エネルギーLIM曲線270は、モード・ホッピングに使用される高電流を表す。高電流は、モードを掃引する際に、レーザ強度モニタの出力が、たとえ曲線270の谷であっても、少なくとも通常のモードの動作電流最大値と同程度になるようにするために必要である。この高い電流によって、誤カウントをもたらす低信号レベルのためのレーザ信号の低下によるレーザからの慣性航法カウントの喪失が防止される。活動電流制御の増大は、特定のジャイロに対して特徴付けられた所定量だけ行われる。
プロセスは次いで250へ流れ、経路長制御電圧が現電圧からVPM値を減じた値へ掃引される。レーザ・ジャイロに関するモード当たり電圧値は、第８図を参照して算出される。プロセスは次いで、ステップ256へ流れ、活動電流制御電流が、曲線270で表したレベルから、曲線268で表したレベル、すなわち通常の動作電流レベルに低下する。
ジャイロの寿命は、モード・ホッピングの後に電流を低下させることによって延長することができる。
次に、プロセス・ステップ244に戻ると、ホップアップが、経路長制御電圧がVPM値よりも低いことによって示されている。この状態は、経路長制御装置電子機器に関する「下方の余裕」がないことを示す。プロセスは次いで、ステップ248へ流れ、活動電流制御が再び、ステップ246に従って増大され、レーザ慣性航法カウントの喪失が防止される。プロセスは次いで、プロセス・ステップ252へ流れ、経路長制御装置電圧が、VPLCMONにVPM値を加えた値として算出された新しい電圧へ掃引される。掃引モードを第７図に示す。プロセス・ステップ250または252のどちらの場合でも、プロセスは256へ流れ、活動電流制御電流が低下される。プロセスは次いで258へ流れ、新しい経路長制御電圧が測定され、プロセスは260へ流れ、新しいモードの新しい位置に関する新しいモード当たり電圧が算出される。プロセスは次いで、262へ流れ、モード・ホッピングが首尾良く行われ、制御がモニタ制御ループに返される。
当業者には、レーザ・ジャイロ・システムが、電流動作モードをレーザ・ジャイロの動作範囲外にする傾向がある極端な温度を受ける環境に対してモード・ホッピングが有用であることが理解されよう。
次に、第11A図を参照すると、経路長制御レジスタ602の例が示されている。レーザ・ジャイロ・ディジタル経路長制御装置の一実施形態では、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ100は、ディジタル・レジスタ602を介して経路長制御装置とのインタフェースをとる。経路長制御レジスタ602は、モードを増大または低減させるようにレーザ・ジャイロ200のレーザ経路長の変化方向を制御する。
第11B図は、レーザ・ジャイロ200の５つのモードで可能な状態遷移の例を示す。本発明の一実施形態では、経路長制御レジスタ602は、スイープアップ部604とスイープダウン部606に分割される。レーザ経路長の変化方向がモードを増大させるものである場合、経路長制御レジスタ602の「スイープアップ」部604が活動状態になる。レーザ経路長の変化方向がモードを低減させるものである場合、経路長制御レジスタ602の「スイープダウン」部606が活動状態になる。本発明の一実施形態では、経路長制御レジスタ602はゲート・アレイ・レジスタであり、「スイープアップ」部604および「スイープダウン」部606は単一ビットを備える。
本発明の一実施形態では、レーザ・ジャイロ200の各モードを掃引するために経路長制御モニタ信号がゲート・アレイ・レジスタと共に使用される。ある方法では、ゲート・アレイ・レジスタの「スイープダウン」部606が活動化され、経路長が、下向きにより小さな番号のモードの方へ変化する。モード掃引は、経路長制御モニタからの電圧準位が、所定のモード番号を示す所定の準位に達したときに終了する。代替実施形態では、経路長制御モニタが最小値および最大値に対して検知される。ある最大値から１つ下、あるいは１つ上の最大値への周期的な変化の発生がモードとして定義される。そのような実施形態では、モードの数およびモードに対応する電圧値を記録し後の動作用に使用することができる。
次に第13図を参照すると、この図は開始モードを得る方法を示している。始動時に、レーザ・ジャイロは動作モードを見つけなければならない。十分な動作範囲を与えるモードを選択することが重要である。この方法は、ステップ702でモードをスイープアップまたはスイープダウンすることによりモードを得ることによって開始する。ステップ704で、モード位置が判定される。モード位置が所望のモードである場合、プロセスはステップ706で停止する。所望のモードまたは他の近いモードが見つからない場合、ステップS708で失敗が報告される。
次に第14図を参照すると、この図は、選択された動作モードが広い温度範囲にわたってジャイロの動作に妥当なものとなるかどうかを予想する方法を示している。プロセスはステップ710で開始し、マイクロプロセッサが、現モードのモード曲線に基づいて、ジャイロがその動作温度範囲にわたって範囲外になるかどうかを予想する。ジャイロが現モードで範囲外にならない場合、プロセスはステップ714で停止する。ジャイロがあるモード中に範囲外になった場合、プロセスは、ステップ712でより妥当なモードが見つかった場合はジャイロをそのモードへ移す。より妥当なモードが見つからない場合、ジャイロは動作中にモードをホップする必要がある。本発明の一代替実施形態では、ステップ716でモード・ホップ・フラグをセットすることができる。他の代替実施形態では、ジャイロは、範囲外になったかどうかを連続的に監視することができる。モードが変更された場合、プロセスはステップ718へ流れ、モード当たり電圧を再計算する。
次に第15図を参照すると、この図は、モードを変更すべきかどうかを判定するための制御点を監視する一方法を示している。プロセスはステップ720で開始し、経路長制御電圧などの制御点を監視する。ステップ722で制御点を超えた場合、経路長制御電圧が範囲外になり、プロセスはステップ724へ流れ、モードを変更する。ステップ722で制御点を超えない場合、プロセスはステップ726で停止し、あるいはステップ720で制御点を監視する。プロセスはステップ724で、モードを上方へ移すべきか、それとも下方へ移すべきかを判定する。モードを下方へ移すべきである場合、プロセスはステップ730へ流れる。そうでない場合、プロセスはステップ728へ流れ、モードを１モードだけ移す。プロセスは次いで、ステップ720に戻り制御点を監視する。
当業者には、ジャイロの動作モードが変更されると、ジャイロ寸法が変化することが認識されよう。この結果、ジャイロ出力のカウント当たりのアーク秒を補償するために使用されるスケール・ファクタを変更する必要がある。一例を挙げると、経路長が約１波長だけ変化すると、スケール・ファクタが4ppmだけ変化し、スケール・ファクタの変化は、マイクロプロセッサで補償することができる。
本明細書では、特許法を遵守し、新規の原則を適用し必要に応じてそのような特殊な構成要素を構成し使用するために必要な情報を当業者に与えるために、本発明をかなり詳しく説明した。しかし、本発明を異なる装置と共に実施することができ、かつ本発明自体の範囲から逸脱せずに、装置の細部と動作手順の両方に関して様々な修正を加えることができることが理解されよう。
【図１１Ａ】
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【図１】
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【図１１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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