(57)【要約】光ファイバコイル内を反対方向に伝搬する電磁波を有する光ファイバジャイロスコープは、コイルまわりの回転を検出する。この種の光ファイバジャイロスコープはバイアス変調を使用して、ジャイロスコープ干渉図形の速度検出部分にバイアスをかける。バイアス変調として鋸歯状波を使用することにより、方形波や正弦波で変調されるシステムより有利な、様々な利点を有するシステムが得られる。例えば、ドライブは検出信号と明らかに異なるので、クロスカップリングに感応しにくい。さらに、鋸歯状波を閉ループ方式で使用すると、速度に比例する周波数出力が得られるとともに、閉ループジャイロスコープで見られる不感帯の原因を低減または除去するという利点が得られる。
2005517943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジャイロスコープに電磁放射を供給するための光源と、
第１の端及び第２の端を有し、軸のまわりの回転を検出するための検出コイルと、
上記光源に接続される入力を有するとともに、検出信号出力を有する光源検出結合器と、
上記検出コイルの上記第１及び第２の端に接続され、上記光源検出結合器から受光した光を分波し、上記光を時計回り及び反時計回りの方向で上記検出コイルに伝送し、上記検出コイルから受光した光を上記光源検出結合器に送り返すための検出コイル結合器と、
上記検出コイル結合器及び上記検出コイルに接続され、受信信号に基づいて通過する電磁波に位相差を導入するための位相変調器と、
上記位相変調器に接続され、上記位相変調器の上記受信信号として、位相シフトが２πまたはその整数倍に等しくない鋸歯状波出力を発生するための位相変調ドライバと、
上記光源検出結合器の上記検出信号出力に接続される検出信号入力、
上記位相変調ドライバのバイアス変調信号出力に接続されるバイアス変調信号入力、及び、
上記検出コイルの回転に関する回転出力信号を与えるための復調器システム出力を有する、位相検出器とを備え、
上記位相検出器は上記検出信号入力及び上記バイアス変調信号入力からの入力に基づいた復調関数を使用して上記回転出力信号を発生する、
ジャイロスコープ。
【請求項２】
さらに、上記光源検出結合器から受光した光信号を電気信号に変換し、上記電気信号を上記位相検出器の上記検出信号入力に供給する光検出システムを有する、請求項１記載のジャイロスコープ。
【請求項３】
さらに、
上記光源と上記光源検出結合器間に接続される第１の導波路と、
上記光検出器と上記光源検出結合器間に接続される第２の導波路と、
上記光源検出結合器に接続される第３の導波路と、
上記光源検出結合器と上記検出コイル用結合器間に接続される第４の導波路と、
上記検出コイル用結合器と上記位相変調器間に接続される第５の導波路と、
のうち少なくとも１つを有する、る請求項１記載のジャイロスコープ。
【請求項４】
上記第１から第５の導波路の少なくとも１つは光ファイバケーブルである、請求項３記載のジャイロスコープ。
【請求項５】
上記鋸歯状波は当該ジャイロスコープの固有周波数に等しい周波数を有する、請求項１記載のジャイロスコープ。
【請求項６】
さらに、
当該ジャイロスコープの回転により誘導された位相差と大きさが等しく符号が反対の位相差を誘導する閉ループジャイロスコープ操作用フィードバック機構を有する、請求項１記載のジャイロスコープ。
【請求項７】
上記フィードバック機構は、上記検出コイル近くの光路部内に、反対方向に伝搬する電磁波に使用される付加的フィードバック位相変調器を有する、請求項６記載のジャイロスコープ。
【請求項８】
ジャイロスコープに電磁放射を供給するための光源と、
第１の端及び第２の端を有し、軸まわりの回転を検出するための検出コイルと、
上記光源に導波管を介して接続される入力を有するとともに、検出信号出力を有し、さらに非反射成端配置に接続される光源検出結合器と、
上記検出コイルの上記第１及び第２の端に接続され、上記光源検出結合器から受光した光を分波し、上記光を時計回り及び反時計回りの方向で上記検出コイルに伝送し、上記検出コイルから受光した光を上記光源検出結合器に送り返すための検出コイル結合器であって、さらに非反射成端配置に接続される検出コイル結合器と、
一側において導波管を介して上記検出コイル結合器に接続され、別の側において導波管を介して上記光源検出結合器に接続される偏光子と、
上記検出コイル結合器及び上記検出コイルに接続され、受信信号に基づいて、通過する電磁波に位相差を導入するための位相変調器と、
上記位相変調器に接続され、上記位相変調器の上記受信信号として、位相シフトが２πまたはその整数倍に等しくない鋸歯状波出力を発生するための位相変調ドライバと、
上記光源検出結合器の上記検出信号出力に接続される検出信号入力、
上記位相変調ドライバのバイアス変調信号出力に接続されるバイアス変調信号入力、及び、
上記検出コイルの回転に関する回転出力信号を与えるための復調器システム出力を有する位相検出器と、を備え、
上記位相検出器は上記検出信号入力及び上記バイアス変調信号入力からの入力に基づいた復調関数を使用して上記回転出力信号を発生し、
さらに、上記光源検出結合器から導波路を介して受光した光信号を電気信号に変換し、上記電気信号を上記位相検出器の上記検出信号入力に供給する光検出システムと、
を備えるジャイロスコープ。
【請求項９】
光源から電磁放射を発生するステップと、
検出コイル結合器で上記発生電磁放射を分波するステップと、
上記分波された電磁放射の一部を時計回り方向に検出コイルの時計回り脚に供給するステップと、
上記分波された電磁放射の別の部分を反対時計回り方向に検出コイルの反時計回り脚に供給するステップと、
上記検出コイルの時計回り脚または反時計回り脚において、変調信号に基づいて、位相シフトが２πまたはその整数倍に等しくない鋸歯波形を使用して、上記電磁放射を変調するステップと、
上記供給され分波された電磁放射が上記検出コイルを通過した後、上記検出コイル結合器で上記電磁放射を受光するステップと、
上記受光された電磁放射を表す検出信号を位相検出器に供給するステップと、
上記変調信号を使用して上記検出信号を復調することにより、上記検出コイルの回転速度に基づいた出力信号を発生するステップと、
上記出力信号を使用して上記回転速度の表示を提供するステップと、
を含むジャイロスコープ操作方法。
【請求項１０】
さらに、上記検出コイルを通過した電磁放射を受光し、その信号を電気エネルギーに変換する光検出システムを使用して、上記検出信号をするステップを含む、請求項９記載のジャイロスコープ操作方法。
【請求項１１】
さらに、閉ループ動作におけるフィードバック機構を使用し、ジャイロスコープの回転により誘導された位相差と大きさが等しく符号が反対の位相差を導くステップを含む、請求項９記載のジャイロスコープ操作方法。
【請求項１２】
上記検出コイル近くに、上記検出コイルの脚のひとつに付加的フィードバック位相変調器を設けるステップをさらに含む、請求項１１記載のジャイロスコープ操作方法。
【請求項１３】
上記回転速度に基づいた出力信号を発生するステップはループ通過時間または固有周波数を決定するステップを含む、請求項９記載のジャイロスコープ操作方法。
【請求項１４】
ジャイロスコープに電磁放射を供給するための光源と、
第１の端及び第２の端を有し、軸まわりの回転を検出するための検出コイルと、
上記光源に接続される入力を有するとともに、検出信号出力を有する光源検出結合器と、
上記検出コイルの上記第１及び第２の端に接続され、上記光源検出結合器から受光した光を分波し、上記光を時計回り及び反時計回りの両方向に上記検出コイルに伝送し、上記検出コイルから受光した光を上記光源検出結合器に送り返すための検出コイル結合器と、
上記検出コイル結合器及び上記検出コイルに接続され、受信信号に基づいて通過する電磁波に位相差を導入するための位相変調器と、
上記位相変調器に接続され、上記位相変調器の上記受信信号として、位相シフトが２πまたはその整数倍に等しくない周期的波形出力を発生するための位相変調ドライバと、
上記光源検出結合器の上記検出信号出力に接続される検出信号入力、
上記位相変調ドライバのバイアス変調信号出力に接続されるバイアス変調信号入力、及び、
上記検出コイルの回転に関する回転出力信号を与えるための復調器システム出力を有する位相検出器と、を備え、
上記位相検出器は上記検出信号入力及び上記バイアス変調信号入力からの入力に基づいた復調関数を使用して上記回転出力信号を発生し、上記復調器システム出力は上記バイアス変調信号と等しくなく、クロスカップリングの可能性を低減する、
ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバジャイロスコープに関し、特にファイバコイルで鋸歯変調信号を使用して閉ループ及び開ループ構成の双方で光ファイバジャイロスコープを動作するジャイロスコープ操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロスコープは、代表的に、回転するコマを使用する機械式装置であった。旧来の機械式ジャイロスコープにおいて、スピンニングホイールは、ジャイロスコープを支持する骨組が動いても、その向きを保とうとする。ジャイロスコープ軸に対する骨組の運動を測定することにより、骨組の運動を決定可能である。骨組を船舶、航空機、自動車などの車両に強固に設けることにより、車両の運動が決定可能になる。
【０００３】
機械式ジャイロスコープは長年に亘り使用されてきたが、可動部品の使用なしに物体の運動や回転を測定可能にする要望があった。このような運動測定装置の１つは光を使用して運動を決定する。この種の装置は光ファイバジャイロスコープと呼ばれる。
【０００４】
光ファイバジャイロスコープは、ジャイロスコープ支持構造の回転を検出可能である。この種のジャイロスコープは小型化でき、機械的衝撃や温度変化、その他の異常環境に耐え得るように構成できる。光ファイバジャイロスコープは、可動部品がないことから保守は殆ど不要であるとともにコスト面で有利性がある。また、他の種類のジャイロスコープでは検出が困難な、低回転速度を感知可能である。以下、光ファイバジャイロスコープの動作について詳細に説明する。
【０００５】
図１aに示されるように、従来の光ファイバジャイロスコープは、検出すべき回転軸まわりに、コア１０に巻かれた光ファイバコイルを有する。代表的に長さが５０メートルから２０００メートル程度ある光ファイバは閉じた光路の一部となり、この閉じた光路内に電磁波（光波）が導かれ、対の電磁波に分けられて光ファイバコイルのところを時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）の方向に伝搬し、最終的に光検出器に衝突する。コアまたは光ファイバコイル１０の検出軸まわりの回転Ωにより、１つの電磁波について、ある回転方向では有効光路長が増大し、逆の回転方向では有効光路長が減少する。回転方向が逆になると逆の結果になる。電磁波間の光路長の差に基づいて各回転方向で、電磁波間に位相シフトが発生する。これはサニャック効果として知られている。
【０００６】
この種のジャイロスコープは干渉式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）と呼ばれる。光ファイバのコイル化が好ましい理由は、回転に起因する位相差のシフト量が、光ファイバコイルのところを反対方向に進む両電磁波がとる全光路長に依存するからである。したがって、光ファイバがコイル化された結果として、小さなスペースを占める長い光ファイバにより大きな位相差が得られる。
【０００７】
光検出器（１３、１４）に入射する出力光強度（したがって、反対方向に伝搬する電磁波が光ファイバコイルを通過した後、フォトダイオードに入射したときに、光検出器システムのフォトダイオード（PD）から発生する出力電流）は、立上がったコサイン関数に従う。換言すると、出力電流は、図２に示されるように、両電磁波間の位相差（φ）のコサインに依存する。コサイン関数は偶関数であることから、出力関数は、ゼロまわりで対称になるため、位相差シフトの方向（正負）に関する情報は得られない。さらに、ゼロ位相近くでコサイン関数の変化率は非常に小さくなる。このため、この種の出力信号は、低回転速度に対する感度が著しく低下する。
【０００８】
以上の特性に配慮し、光ファイバコイルの片側またはその近くの光路上に光位相変調器またはバイアス変調器を設置することにより、反対方向に伝搬する両電磁波間の位相差を変調することができる。回転の高感度検出を実現するために、サニャック干渉計は、代表的に、干渉ループ内で反対方向に伝搬する両光線間の位相差を正弦波または方形波変調することにより、周波数fbのバイアスがかけられる。この結果、反対方向に伝搬する両波の一方は、変調器を通過してからファイバコイルに入るのに対し、他方の波はファイバコイルを逆方向に通過して、ループ通過時間に等しい時間後にファイバコイルから出て変調器を通る。
【０００９】
さらに、復調システムの一部として、位相検出器（ＰＳＤ）または、これに代え、デジタル復調器を設けることができ、これにより光検出器出力信号を表す信号を取得する。デジタル復調器と位相検出器は共に、変調信号発生器またはその同期微分により、いわゆる「固有」周波数（Eigen周波数ともいわれる）で動作可能であり、これにより、変調器による振幅変調は低減または除去される。
【００１０】
「固有」周波数は、反対方向に伝搬する両電磁波間に１８０度の位相差を与える変調である。この結果、フォトダイオード信号から変調器による振幅変調が除去される。「固有」周波数の値は光ファイバの長さと等価屈折率から決定される。
【００１１】
図３ａ、３ｂ、４は、既知の立上がったコサイン関数に対する変調及び復調の効果を示したものである。図３ａ、３ｂにおいて、ジャイロ光波間の位相差Δφは、サイン波バイアス変調により、それぞれ、Ω＝０とΩ≠０の場合について、変調されている。ここにΩは検出軸まわりの回転速度であり、Ω＝０は検出軸まわりに回転がない状態を表す。立上がったコサイン関数の右側に、光検出器から得られる変調強度出力対時間波形が示される。図３ａ、３ｂに示されるように、Ω＝０の場合、位相変調は立上がったコサイン関数の中心に対して対称に与えられるが、Ω≠０の場合、位相変調は非対称に与えられる。前者の場合、点ＡとＢの出力は等しくなり、光検出器出力はｆｂの偶数次高調波のみとなる。後者の場合、点ＡとＢの出力は相異なり、ｆｂに回転速度を表す、有意の光検出器信号コンテントが発生する。このｆｂの信号コンテントは位相復号器（ＰＳＤ）により回復され、回転速度Ωに比例する。また、この信号は逆方向の回転に対して符号が変わる。
【００１２】
図４ａ、４ｂは、それぞれ、Ω＝０とΩ≠０の場合について、既知の方形波変調を示したものである。実用上、方形波変調で発生する位相変調も方形波になる。方形波位相差変調では立上がったコサイン関数上の点Ａから点Ｂへのスイッチング値Δφにより遷移が発生する。これらの遷移は、変調光検出器電流対時間の縦線で示され、理想的な光検出器の場合、光検出器に入射する光強度に比例する。前と同様に、回転がない場合、点ＡとＢの出力は等しくなるのに対して、回転があるとＡの半周期とＢの半周期で出力は異なる。図５ａ、５ｂ、５ｃに示される方形波復調処理において、バイアス変調周波数ｆｂに同期する信号成分は、このバイアス変調に同期した、平均値がゼロの方形波復調基準波形により掛け合わせることにより、光検出器信号から復元される。得られた復調出力の平均値またはＤＣ成分は回転速度に比例する。
【００１３】
上述した全てのケースにおいて、ＰＳＤ出力はゼロの位相シフトで大きな変化率を有する奇関数であり、ゼロの位相シフトの両側で符号が変わる。したがって、ＰＳＤ信号は、コイルまわりで発生している回転の方向を与えることができるとともに、ゼロ回転速度近くで、回転速度関数として変化率が大きな信号値を与えることができ、すなわち、検出器は、ゼロ近くでの位相シフトに対する感度が高く、出力信号は低回転速度に対して高感度になる。もちろん、誤差が十分に小さい場合にこれが可能である。さらに、この出力信号は比較的低回転速度でほぼリニアである。このＰＳＤ出力信号の特徴は、光位相変調がないときの光検出器出力電流特性を大幅に改善するものである。
【００１４】
以下、図１の従来の光ファイバジャイロスコープについて詳細に説明する。
【００１５】
従来システムの光学部は、後述するように、特別に導入される非相反の位相差シフトを除き、システムが相反的になるように、すなわち、反対方向に伝搬する電磁波のそれぞれについてほぼ同一の光路となるように、光路に沿って複数の機能構成を備えている。上述したように、光ファイバは、回転を検知すべき軸のまわりにシングルモード光ファイバを巻き付けることにより、コアまたはスプールのまわりにコイル１０を形成する。シングルモード光ファイバを使用することで電磁波または光波の経路が一意的に定まるとともに、このような導波の位相面が一意的に定まる。これは、相反性を保持するのを主に目的とする。
【００１６】
コイル１０を反対方向に伝搬する電磁波は図１ａの電磁波源または光源１１から供給される。この光源は広帯域光源であり、代表的に、半導体超発光ダイオードや希土類添加ファイバ光源であり、代表的に近赤外スペクトル部分において、代表的に８３０ｎｍ〜１５５０ｎｍの範囲で電磁波を発生する。光源１１が発生する光は、レイリー散乱及びフレネル散乱により、コイル１０の散乱場所で電磁波間に発生する位相シフトの誤差を低減するのに、短いヒーレンスな長さであることが必要である。また、広帯域光源は悪い偏波状態において光の伝搬により発生する誤差を低減するのに役立つ。
【００１７】
図１ａにおいて、光源１１と光ファイバコイル１０間に示される光路構成は、コイル１０を構成する光ファイバの両端からの延長部であり、各光学的結合素子により全光路を複数の光路部分に分ける。光ファイバの一部は、最適な発光位置で光源１１に対面し、その位置から延在して第１の光方向結合器（光源検出結合器）１２に至る。光源検出結合器１２は、「光ビーム結合器」または「合波／分波結合器」と呼ばれることもある。
【００１８】
光源検出結合器１２には、図１ａに示すように結合器の、各端に２ポートの、４ポート間に延在する光透過媒体が設けられる。ポートの１つには、光源１１に対して配置され、そこから延在する光ファイバが結合する。光源検出結合器１２の検出用ポートには別の光ファイバが結合し、この光ファイバが、光検出システム１４に電気的に接続されたフォトダイオード１３に対して配置される。
【００１９】
フォトダイオード１３は、それに対して配置される光ファイバ端部から入射された電磁波を検知し、信号成分セレクタ３５に応答して光電流を発生するように構成される。この光電流は、上述したように、ほぼコヒーレントな２つの光波が入射する場合、立上がったコサイン関数に従う、すなわち、対の実質的にコヒーレントな光波間の位相差のコサインに依存する光電流出力になる。この光検出器は、動作によりインピーダンスが非常に小さくなって、衝撃放射の線形関数である光電流を発生し、代表的にはＰＩＮ型フォトダイオードで構成される。
【００２０】
光源検出結合器１２の他端（検出端の反対側）にある１つのポートには別の光ファイバを持ち、この光ファイバは偏光子１５に結合する。結合器１２の同じ側の他端にあるもう１つのポートには無反射成端配置１６を構成するための光ファイバの別の部分が結合する。光方向性光源検出結合器１２では、電磁波または光が任意の１つのポートに入力された場合、その光のほぼ半分が入力ポートを有する端とは反対端にある結合器１２の２ポートのそれぞれに現れる。一方、入射した光ポートと結合器１２の同一端にあるポートには、電磁波または光は伝搬されない。
【００２１】
偏光子１５を使用する理由は、シングル空間モード光ファイバであっても光が２つの偏光モードでファイバを伝搬できるからである。したがって、１つの偏光の光を伝播する目的で偏光子１５を設け、同一偏光をもつ時計回り（ＣＷ）光波と反時計回り（ＣＣＷ）光波を検出ループ１０に導き、同じ偏波の検出ループに係るＣＷとＣＣＷの光波のみを検出器で干渉させる。しかしながら、偏光子１５は阻止しようとする１つの偏光状態にある光を完全には阻止できない。このため、反対方向に進む２つの電磁波間に若干の非相反性が発生するとともに、両波間に小さな非相反性を有する位相シフト差が発生し、これが偏光子１５の設置されている環境条件に依存して変化する。この点に関して、使用する光ファイバの高複屈折または使用する光源の広帯域が、上述したように、発生する位相差を減少するのに役立つ。
【００２２】
偏光子１５は、いずれかの端に１つのポートを有し、両端間に配置され且つ両端内に含まれる電磁波透過媒体が収められている。光方向性光源検出結合器１２が接続されるポートの反対端にあるポートには別の光ファイバ部分が、別の光方向性結合器（検出コイル用結合器）１７へ拡張する。検出コイル用結合器１７は光源検出結合器１２と同じ波透過特性を有する。
【００２３】
偏光子１５に結合されるポートと同じ端にある検出コイル用結合器１７のポートは、別の光ファイバ部分を用いた非反射成端配置１８に結合される。検出コイル用結合器１７の他端にあるポートの１つには、コイル１０の一端から延在する光路部分の別の光学部品が結合される。検出コイル用結合器１７の他ポートには光ファイバコイル１０の残りの端が直接結合する。コイル１０と検出コイル用結合器１７間において、この直接結合する側と反対のコイル側に、光位相変調器１９が設けられる。光変調器１９は、図１ａに反対端として示されるように、内部に収められた透過媒体の両端に、２つのポートを有する。コイル１０からの光ファイバ１０が変調器１９の１つのポートに対して配置される。検出コイル用結合器１７から延在する光ファイバが変調器１９の他のポートに対して配置される。
【００２４】
光変調器１９は電気信号を受けて透過媒体の屈折率または物理長を変化させて光路長を変化させることにより、光変調器を通過する電磁波に位相差を導く。変調器１９に電気信号を供給するバイアス位相変調信号ドライバ／発生器２０は、変調周波数ｆｂの正弦波電圧出力信号（変調周波数ｆｂと等価な角周波数をωｇで表し、変調の振幅をＣ１で表すと、Ｃ１sin(ωｂｔ)と等価である）を発生するか、あるいは変調周波数ｆｂの方形波変調信号を発生する。
【００２５】
以上で、図１ａのシステムにおいて、光源１１から発生した電磁波または光波を導く光路に沿って設けられた、光学部の説明を終える。光源１１から出力された電磁波は光ファイバ部を通って光方向性光源検出結合器１２に結合する。光源１１から結合器１２に入力された電磁波の一部は、反対端の１ポートに結合された非反射成端配置１６で失われるが、残りは偏光子１５を通って光方向性検出コイル用結合器１７に伝えられる。
【００２６】
検出コイル結合器１７は、ビームスプリッテイング装置として機能し、偏光子１５から結合器のポートに入力された電磁波はほぼ半分に分波され、ひとつの部分を結合器の反対端の２ポートからそれぞれ通す。検出コイル用結合器１７の反対端の１ポートから出力された電磁波は、光ファイバコイル１０、変調器１９を通って結合器１７に戻る。この戻り電磁波の一部は結合器１７の他のポートに接続された非反射成端配置１８で失われるが、残りは検出コイル用結合器１７の他ポートを通って偏光子１５、光源検出結合器１２に伝えられ、ここから一部の電磁波がフォトダイオード１３に伝えられる。偏光子１５からコイル１０に入った他方の部分は、検出コイル結合器１７のコイル１０端の他ポートから出て、変調器１９を通って、検出コイル用結合器１７に再入力し、その後は、一部が他方の部分と同じ光路を経て、最終的にフォトダイオード１３に入射される。
【００２７】
上述したように、フォトダイオード１３は入射された２つの電磁波または光波の強度に比例する出力電流ｉを発生し、これはダイオードに入射された２つの波間の位相差のコサインに従う。正弦波バイアス変調の場合、このフォトダイオード信号は次式で与えられる。
【００２８】
ｉ＝Ｉ０／２η［１＋ｃｏｓ（φＲ＋φｂｃｏｓωｂｔ）］                          （１）
ここにＩ０は反時計方向の電磁波間に位相差がないときのフォトダイオード１３の光強度、ηは検出器応答率係数である。このようになる理由は、フォトダイオード１３に入射される２つの実質的コヒーレントな波の合成光強度に電流が依存し、強度は２つの波間に強めあうまたは弱めあう干渉が発生するかによりＩ０のピーク値からより低い値へと変わる。この波の干渉はコイル１０の軸まわりの回転に応じて変化し、回転により波間に位相差シフトφＲが発生する。さらに、振幅値φｂを有し、ｃｏｓ（ωｂｔ）で変化する、変調器１９によりフォトダイオード出力電流に導入されている追加の可変位相シフトがある。
【００２９】
方形波変調の場合、フォトダイオード電流は次式で表される。
【００３０】
ｉ＝１／２ηＩ０［１＋ｃｏｓ（φＲ＋φｂ）］                                （２）
ここに、位相差変調の振幅は次のようになる。
【００３１】
｜φｂ｜、（ｎＴ≦ｔ＜（ｎ＋１／２）Ｔに対し）
−｜φｂ｜、（（ｎ＋１／２）Ｔ≦ｔ＜（ｎ＋１）Ｔに対し）
ここに、ｎ＝０、１、２、３・・・であり、Ｔはバイアス変調周期である。
【００３２】
光位相変調器１９は上述した種類であり、位相検出器（ＰＳＤ）またはデジタル復調器２３とともに、全検出システムの一部として使用され、上述したコサイン関数に従う光検出システム１４の出力信号から、コイル１０の軸まわりの回転r速度及び回転方向に関する信号関数を導出する。
【００３３】
このようにして、フォトダイオード１３を含む光検出システム１４の出力信号は、電圧に変換され、増幅器２１に供給されて増幅された後、ＰＳＤ／デジタル復調器２３に送られる。光検出システム１４、増幅器２１、及びＰＳＤ／デジタル復調器２３は信号成分セレクタ３５を構成する。ＰＳＤ／デジタル復調器２３は位相復調システムの一部として機能するもので、周知の装置である。この種のＰＳＤ／デジタル復調器２３はフォトダイオード１３出力信号の基本周波数ｆｂの振幅、または、バイアス変調信号ドライバ２０の基本周波数及び奇数次高調波を抽出し、フォトダイオード１３に入射された電磁波の相対位相表示を提供する。この情報がＰＳＤ／デジタル復調器２３から与えられる。
【００３４】
バイアス変調信号ドライバ２０は、光路の光を上記周波数ｆｂで変調する際に、光検出システム１４の再合成電磁波に高調波成分を発生させる。
【００３５】
動作において、回転に起因する、光路のコイル１０を反対方向に伝搬する２つの電磁波間の位相差の変化は、光変調器１９による位相差変化に比べて比較的低速に変化する。回転による位相差またはサニャック効果は２つの電磁波間の位相差をシフトするだけである。光検出システム１４の出力信号の変調周波数成分の振幅は、この位相差の大きさが次の因子で変更されて設定されると考えられる。（ａ）光位相変調器１９及びドライバ２０による位相変調の振幅値、及び（ｂ）システムの各種利得を表す定数である。したがって、この信号成分について、ドライバ２０及び変調器１９による正弦波変調の周期的影響は、ＰＳＤ／デジタル復調器２３を含むシステムの復調により除去されると期待され、振幅のスケーリング因子のみに依存する復調器システム（検出器）出力信号を得ることができる。この出力信号は、他のシステムで使用される回転インジケータ２６、あるいはある形式の計測装置に与えられる。
【００３６】
上記において、変調器１９により導入される変調は正弦波または方形波であるとして説明された。しかしながら、この方式は、電気的クロスカップリングおよびジャイロが低速のときに発生する不感帯への磁化率に依存する干渉式光ファイバジャイロスコープにおいて、最良の構成を提供するものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
本発明の目的は、上記ジャイロスコープにおいて光信号の鋸歯変調のために、鋸歯状波発生器及び支援ハードウェア及びソフトウェアを提供するとともに、この鋸歯状波発生器及び変調を利用する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明の実施形態は、開ループと閉ループ構成の双方で鋸歯状波バイアス変調信号を利用可能である。鋸歯状波変調信号の使用には、上記変調方式より有利な幾つかの利点がある。第１に、鋸歯状波変調信号の使用により、電気的なクロスカップリングの影響が低減される。方形波変調の場合、バイアス変調と同一の関数を用いて復調が行われるため、バイアス信号とジャイロ出力間の結合は誤差になる。鋸歯状波変調でも、変調信号と復調信号が異なる限りにおいて、方形波復調を使用でき、この新方式によりクロスカップリング誤差が低減される。結果として、クロスカップリング変調信号は復調信号自体を含まないため、クロスカップリング誤差の可能性は低減される。
【００３９】
好ましい実施形態として、本発明は鋸歯波形を利用するが、クロスカップリングの潜在性が低減されるように、バイアス変調と復調が同一でないシステムを使用することも本発明の範囲内であると考えられる。他の方式は、同時に出願された、ハネウェル参照番号Ｈ１７−２５１７２で特定される特許出願に記載され、この特許出願をリファレンスとして本件に組み込む。
【００４０】
別の利点はジャイロが低速で動作しているときに実現される。すなわち、鋸歯状波の使用により、不感帯の影響を受けにくい。不感帯は、ジャイロスコープが閉ループで動作しているときにゼロ速度付近で速度を検出不能になる現象である。これには様々な可能性が考えられるが、最も可能性の高いのはフィードバック電圧による誤差である。この誤差が原因になる場合、フィードバック電圧が発生する誤差によりフィードバックをその電圧にロックする速度が完全に打ち消される。鋸歯状波変調は、閉ループ構成に使用される場合、一定の電圧範囲で動作するため、電圧による誤差の影響を受けない。閉ループ動作において、鋸歯状波変調の周波数を変化させるとフィードバックループが閉鎖されるため、他の閉ループ方式で見られるような、電圧に依存する誤差によるフィードバックのロックアップは発生しない。鋸歯状波変調の使用によりループの遅延時間を決定できる。ジャイロが速度を検出していないとき、この変調方式は、変調周波数とジャイロ固有周波数間の差に正比例する信号を発生する。出力信号がないときの変調周波数は、固有周波数またはループ通過時間の逆数を直接的に表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、開ループ構成における鋸歯状波変調の動作について説明する。図１ａに示されるものと同様であるが、図１ｂに示される本発明の変調に基づいて、反時計回りに伝搬する電磁波エネルギーは、時計回りの電磁波エネルギーが位相変調器１９を通過するより前に位相変調器１９を通過する。すなわち、両干渉波は同じ位相変調φｍ（ｔ）を搬送するが、時間がずれている。この遅延は変調器と分波器を接続する長路と短路間の群通過時間差（Δτｇ）に等しい。したがって、バイアス変調の位相差は次のようになる。
【００４２】
Δφｍ(t)＝φｍ(t)−φｍ(t−Δτｇ)
鋸歯状波を使用するバイアス変調の式は次式で与えられる。
【００４３】
φｍ(t)＝２Ａ＊ｆｐ＊ｔ−２Ａ＊ｉｎｔ（ｆｐ＊ｔ）
ここに、ｉｎｔ（）関数はオペランドの整数部に戻り、Ａは差変調の所望の振幅である。
【００４４】
反対回りの電磁波は異なる時刻で変調器を通過し、値φｍ(ｔ−τＬ)に戻り、これは次式で与えられる。
【００４５】
φｍ(t−τＬ)＝２Ａ＊ｆｐ＊(t−τＬ）−２Ａ＊ｉｎｔ(ｆｐ＊(ｔ−τＬ）)
ジャイロスコープ固有周波数ｆｐ＝１／（２τＬ）における、反対回りの伝搬波間の位相差Δφｍは次のようになる。
【００４６】
２ＡｆｐτＬ−２Ａ（ｉｎｔ（ｆｐｔ）−ｉｎｔ（ｆｐ（ｔ−τＬ））
これは、
Ａ−２Ａ（ｉｎｔ（ｆｐｔ）−ｉｎｔ（ｆｐｔ−０．５））
に等しい。
【００４７】
ｔが（ｎ／ｆｐ）と（（ｎ＋０．５）／ｆｐ）間（ただし、ｎは正整数である）にあるとき、位相差Δφｍは−Ａに等しい。ｔが（（ｎ＋０．５）／ｆｐ）と（（ｎ＋１）／ｆｐ）間にあるとき、位相差ΔφｍはＡに等しくなる。すなわち、位相変調の差は周期的に、−ＡとＡに切り替わる。換言すると、位相変調の差は周期２τＬを有する方形波変調の場合と同様になる。したがって、ジャイロスコープにおける光波の変調位相は方形波変調を使用した場合と同様になる。
【００４８】
ジャイロスコープ出力信号が速度に感応しなくなるので、回避する一定の位相変調深さがある。これらの動作深さＡはπの整数倍である。したがって、２π、４πなど、πの偶数倍の位相振幅での鋸歯状波変調は回避することが望ましい。
【００４９】
図６は本発明の一実施形態から発生する鋸歯状波のグラフを示したものである。波６０１は反時計回りのループが位相変調器１９を通過するときの鋸歯状波である。波６０３は時計回りのループが位相変調器１９を通過するときの鋸歯状波である。
【００５０】
図６は波６０１と６０２の位相がずれていることを示している。２つの波間の位相差が図７に示される。図から分かるように、この位相差は上記式に示される方形波に近い。バイアスの深さは鋸歯状波の振幅を変えることで変えられる。
【００５１】
したがって、鋸歯状波バイアス変調は方形波変調の全ての利点（これは従来から知られており、上述した利点）を有するとともに、方形波より有利な幾つかの利点（既述）を有する。
【００５２】
閉ループ構成
上記具体例は本発明の実施形態に関する開ループ動作である（図８と９）。しかしながら、光ファイバジャイロスコープは閉ループ構成（図１０と１１）で動作するように構成することも可能である。光ファイバジャイロスコープの閉ループ動作は開ループ動作に見られる幾つかの問題を解決する。開ループ構成は、π／２ラジアンあたりの位相シフトおよびゼロ速度あたりでバイアスされるときに感度が最大になる。そして、ゼロから回転速度が離れると、出力は次第に線形性を失う。測定対象が回転速度とともに回転の累積角度であることから、ジャイロスコープの感度は、全動作範囲に亘り等しく感知することが望ましい。さらに、開ループ光ジャイロスコープ出力は正弦波であるが、リニア出力はより高精度になり望ましい。
【００５３】
閉ループシステムの利点として、その出力が周波数カウンタと容易にインタフェースをとれる周波数であることが挙げられる。また、ドライブが検出信号と相当異なるため、クロスカップリングの感度が低減される。最後に、閉ループシステムでは全てのバイアス変調／ループ閉サイクルで同じ範囲のＤＡＣを使用するので、報告された不感帯の原因から免れる。
【００５４】
一般に、閉ループ構成のジャイロスコープは、回転によりジャイロスコープに含まれるサニャック位相に対して、大きさが等しく符号が反対の位相の使用を含み、全体の位相差がゼロになるようにする。これは、例えば、コイル近くの光路部分内に、反対方向に伝搬する両電磁波に適用される位相変調器を付加することにより、あるいは技術的に知られた他の機構により実現される。
【００５５】
付加されるこの位相変調器は光検出システムからのフィードバックループで動作し、光ファイバコイル軸まわりの回転による反対方向に伝搬する電磁波間位相シフト差を打ち消すのに十分である正味の差分位相変化が位相変調器による周波数シフトによってもたらされるように十分な負フィードバックを与える。したがって、システムの動作は最高感度になるゼロ光位相シフトのまわりに集中し、応答が線形として維持される。閉ループ構成において、測定対象はシステムに導入されるフィードバック信号（ΔφＦＢ）であり、これによりシステムの全体の位相はゼロにする。
【００５６】
上記鋸歯状波変調はこのような閉ループ構成にも使用可能である。閉ループ構成の目的は速度に誘導されたサニャック位相シフトを打ち消し、誘導された位相シフトに比例する信号を出力することである。他のジャイロスコープは伝統的に周波数シフトに比例する周波数を出力し、出力信号の実現が容易であり、ユーザ側では周波数カウンタを設けるだけでよい。閉ループ方式において鋸歯状波変調を実現するには、誘導された位相シフトが速度に誘導された位相シフトの逆になるように変調周波数を変える。したがって、鋸歯波形の周波数は、実質的にシステム固有周波数に等しくなるが、コイルにおける速度誘導の位相シフトをオフセットするように変えられる。
【００５７】
バイアス周波数ｆｂは固有周波数から、フィードバック変調Δφｍ（ｔ）を用いて次にように変えられる。
【００５８】
Δφｍ(t)＝2AｆτＬ−2A(int(ｆ*t)−int(ｆ(t−τＬ))
＝2A（ｆｐ−δｆ)τＬ−2A(int(ｆt)−int(ｆ(t−τＬ))
＝A−2Aδｆ(1/ｆｐ)−2A(int(ｆt)−int(ｆ(t−τＬ))
＝−A−2Aδｆ(1/ｆｐ)(n/f)<t<(n/f)+τＬ
＝A−2Aδｆ(1/ｆｐ)(n/f)+τＬ<t<(n+1)/f
上記式は以下と等価である。
【００５９】
Δφｍ(t)＝cos(−A(1+(δｆ/ｆｐ))
＝cos(A(1−(δｆ/ｆｐ))
＝cos(A(1+(δｆ/ｆｐ))−cos(A(1−(δｆ/ｆｐ))
＝cos(A)*cos(A(δｆ/ｆｐ))−sin(A)*sin(δｆ/ｆｐ)−
［cos(A)*cos(A(δｆ/ｆｐ))＋sin(A)*sin(δｆ/ｆｐ)］
＝2sin(A)*sin(δｆ/ｆｐ)
したがって、A＝π／２の場合、
Δφｍ(t)＝2sin(δｆ/ｆｐ)
になる。ここに、δｆは固有周波数ｆｐからの偏差である。
【００６０】
本発明の上記説明において、光源検出結合器１２から受光した光信号は、位相検出器２３で比較される前に電気信号に変換されるとした。しかしながら、受光した光信号自体とバイアス変調信号を表す光信号を直接比較する構成も本発明において可能である。要は、鋸歯状波変調を検出器で利用することによって、検出コイル１０の回転の表示が得られることである。
【００６１】
上記において、本発明は機能ブロック要素及び各種処理ステップについて説明された。このような機能ブロックは、特別のの機能を実行する任意の数のハードウェアまたはソフトウェア要素により実現可能である。例えば、本発明は様々な集積回路や光学素子、例えば、記憶素子、処理素子、論理素子、ルックアップテーブルなどを使用して、１以上のマイクロプロセッサなどの制御装置の制御下で、様々な機能を実現することができる。同様に、本発明のソフトウェア要素は、任意のプログラミングまたはスクリプト言語、例えば、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｂａ、アセンブラなどにより実現することができ、様々なアルゴリズムをデータ構造、オブジェクト、プロセス、ルーチン、その他のプログラミング要素の組合せを用いて実施可能である。さらに、本発明は、エレクトロニクス構成、光学構成、信号処理、データ処理などについて、任意の数の従来技術を使用することができる。
【００６２】
図に示され、説明された特定の実施形態は本発明の具体例であり、本発明の範囲を限定するものではない。説明の便宜上、従来のエレクトロニクス、光学要素、ソフトウェア、システムにおけるその他の機能要素（及びシステムの個々の動作要素の部品）について、詳細な説明はなされていない。また、図面に示される接続線は、各種要素間の例示的な機能関係、または物理的または論理的結合関係を表すものである。実際のセンサ装置には、多数の代替的または追加的機能関係、物理的または論理的結合関係があってよい。さらに、いずれの項目または要素についても、本件において「本質的」、または「重要」であるとする格別の記載のない限り、本発明を実施する上で本質的でない。
【００６３】
特許請求の範囲において対応する構造、材料、作動及び均等物は、格別に記載される他の記載要素と組み合わされて、諸機能を奏するための構造、材料、作動を含むものである。さらに、方法の請求項に記載されるステップは任意の順序で実行可能である。本発明の範囲は、上記具体例ではなく、特許請求の範囲及び均等物によって定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１ａ】従来の基本的な干渉式光ファイバジャイロスコープを示すブロック図である。
【図１ｂ】本発明の要素を示す、干渉式光ファイバジャイロスコープの実施形態のブロック図である。
【図２】光ファイバジャイロスコープの検出コイルを反対方向に伝搬する光波の位相差に対する検出光強度または光検出器出力電流を示すグラフである。
【図３ａ】従来の正弦波変調信号に基づいた、ゼロ回転速度に対する光波間位相差及びジャイロスコープ出力を示すグラフである。
【図３ｂ】従来の正弦波変調信号に基づいた、非ゼロ回転速度に対する光波間位相差及びジャイロスコープ出力を示すグラフである。
【図４ａ】従来の方形波変調信号に基づいた、ゼロ回転速度に対する光波間位相差及びジャイロスコープ出力を示すグラフである。
【図４ｂ】従来の正弦波変調信号に基づいた、非ゼロ回転速度に対する光波間位相差及びジャイロスコープ出力を示すグラフである。
【図４ｃ】本発明の鋸歯状波変調信号に基づいた、ゼロ回転速度に対する光波間位相差及びジャイロスコープ出力を示すグラフである。
【図４ｄ】本発明の鋸歯状波変調信号に基づいた、非ゼロ回転速度に対する光波間位相差及びジャイロスコープ出力を示すグラフである。
【図５ａ】方形波変調処理を示すグラフである。
【図５ｂ】方形波変調処理を示すグラフである。
【図５ｃ】方形波変調処理を示すグラフである。
【図６】実施形態で発生する鋸歯状波を示すグラフである。
【図７】図６に示される波間の位相差を示すグラフである。
【図８】鋸歯状波バイアス変調に関し、発生する位相変調及び干渉図形とともに、実施形態で発生する鋸歯状波の詳細を示すグラフである。
【図９】鋸歯状波バイアス変調に関し、発生する位相変調及び干渉図形とともに、実施形態で発生する鋸歯状波の詳細を示すグラフである。
【図１０】鋸歯状波閉ループに関し、発生する位相変調及び干渉図形とともに、実施形態で発生する鋸歯状波の詳細を示すグラフである。
【図１１】鋸歯状波閉ループに関し、発生する位相変調及び干渉図形とともに、実施形態で発生する鋸歯状波の詳細を示すグラフである。
【図１ａ】
2005517943.tif 000003
【図１ｂ】
2005517943.tif 000004
【図１ｃ】
2005517943.tif 000005
【図２】
2005517943.tif 000006
【図３ａ】
2005517943.tif 000007
【図３ｂ】
2005517943.tif 000008
【図４ａ】
2005517943.tif 000009
【図４ｂ】
2005517943.tif 000010
【図４ｃ】
2005517943.tif 000011
【図４ｄ】
2005517943.tif 000012
【図５ａ】
2005517943.tif 000013
【図５ｂ】
2005517943.tif 000014
【図５ｃ】
2005517943.tif 000015
【図６】
2005517943.tif 000016
【図７】
2005517943.tif 000017
【図８】
2005517943.tif 000018
【図９】
2005517943.tif 000019
【図１０】
2005517943.tif 000020
【図１１】
2005517943.tif 000021
【国際調査報告】
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2005517943.tif 000023
2005517943.tif 000024