(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数を有する第１の入力光を生成するように構成された第１の光源（１２）と、
第２の周波数を有する第２の入力光を生成するように構成された第２の光源（１４）と、
前記第１および第２の光源に結合され、第１および第２の逆伝播方向を有し、中空コアを有する光ファイバコイルを備え、前記第１および第２の入力光に基づく光を前記中空コアを通じて前記第１および第２の逆伝播方向に循環させるように構成された共振器（２５）と、
前記共振器に結合され、前記第１および第２の逆伝播方向のそれぞれについて共振周波数を検出するように構成された共振検出回路と、
前記共振検出回路および前記第１および第２の光源に結合され、前記第１の周波数を前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数に同調し、前記第２の周波数を前記第２の逆伝播方向の前記共振周波数に同調するように構成され、前記第１および第２の逆伝播方向の前記共振周波数の差が共振器ジャイロの回転速度に比例する、コントローラ（３５、３６）と、を備え、
前記第１の入力光は第１の変調周波数を有し、前記第２の入力光は第２の変調周波数を有し、
第１の単位利得周波数を有し、前記第１の光源および前記共振器に基づいた第１の追跡ループ（３２）と、
第２の単位利得周波数を有し、前記第２の光源に基づいた第２の追跡ループ（３０）と、をさらに備え、
前記第１の変調周波数は前記第１の単位利得周波数よりも少なくとも４倍大きく、前記第２変調周波数は前記第２の単位利得周波数よりも少なくとも４倍大きい、
共振器ジャイロ。
【請求項２】
前記共振器は、
前記第１の入力光の一部に基づく第１の循環光を前記中空コアを通じて前記第１の逆伝播方向に循環させ、
前記第２の入力光の一部に基づく第２の循環光を前記中空コアを通じて前記第２の逆伝播方向に循環させるようにさらに構成され、
前記共振検出回路は、
前記第１の循環光からの光をサンプリングするように構成された第１の光検出器（１８）と、
前記第２の循環光からの光をサンプリングするように構成された第２の光検出器（１６）と、
前記第１の光検出器に結合され、前記第１の逆伝播方向の共振中心を検出するように構成された第１の共振検出回路と、
前記第２の光検出器に結合され、前記第２の逆伝播方向の共振中心を検出するように構成された第２の共振検出回路とを備え、
前記コントローラは、
前記第１の共振検出回路に結合された入力を有し、前記第１の光源に結合された出力を有する第１サーボ（３６）と、
前記第２の共振検出回路に結合された入力を有し、前記第２の光源に結合された出力を有する第２サーボ（３５）とを備える、
請求項１に記載の共振器ジャイロ。
【請求項３】
前記コントローラは、
前記第１の逆伝播方向に伝播する前記共振器内の第１の循環光を、前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数の第１の共振中心にロックし、
前記第２の逆伝播方向に伝播する前記共振器内の第２の循環光を、前記第２の逆伝播方向の前記共振周波数の第２の共振中心にロックするようにさらに構成され、前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数は、共振器ジャイロのゼロ回転速度で前記第２の逆伝播方向の前記共振周波数から離れた少なくとも１つの縦モードである、請求項１に記載の共振器ジャイロ。
【請求項４】
前記コントローラは、
前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数よりも低い少なくとも１つの縦モードと、前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数よりも高い少なくとも１つの縦モードとの間で前記第２の逆伝播方向の前記共振周波数を切り換えるようにさらに構成される、請求項１に記載の共振器ジャイロ。
【請求項５】
第３周波数を有する第３の入力光を生成するように構成された第３の光源（８４）をさらに備え、
前記共振器は、前記第３の入力光に基づく第３の循環光を前記第２の逆伝播方向に循環させるようにさらに構成され、
前記コントローラは第３の光源に結合され、
前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数よりも低い少なくとも１つの縦モードである前記第２の逆伝播方向の第１の共振周波数に前記第２の周波数を同調し、
前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数よりも高い少なくとも１つの縦モードである前記第２の逆伝播方向の第２の共振周波数に前記第３周波数を同調するようにさらに構成され、周波数差が共振器ジャイロの回転速度に比例する、請求項１に記載の共振器ジャイロ。
【請求項６】
第１の入力光ビームを共振器ジャイロの第１の縦方向共振モード上にある時計回り共振周波数にロックするステップ（２０５）と、前記共振器ジャイロは中空コアを有する光ファイバコイルを含み、
第２の入力光ビームを、前記第１の縦方向共振モードから離れた第２の縦方向共振モード上にある、共振器ジャイロの第１の反時計回り共振周波数にロックするステップ（２１０）、
前記共振器ジャイロのループ単位利得周波数の少なくとも４倍大きい周波数で前記第１および第２の入力光ビームを変調するステップと、
前記第１の入力光ビームと第２の入力光ビームの間の、前記回転速度に比例する周波数差を決定するステップ（２１５）と
を含む、共振器ジャイロの回転速度を決定する方法。
【請求項７】
第１の縦方向共振モードよりも低い１つの縦方向共振モードと、第１の縦方向共振モードよりも高い１つの縦方向共振モードの間で前記第２の縦方向共振モードを切り換えるステップと、
前記第２の縦方向共振モードが前記第１の縦方向共振モードよりも低い１つの縦方向共振モードであるとき、前記時計回り共振周波数と前記第１の反時計回り共振周波数の間の第１の周波数偏移を決定するステップと、
前記第２の縦方向共振モードが前記第１の縦方向共振モードよりも高い１つの縦方向共振モードであるとき、前記時計回り共振周波数と前記第１の反時計回り共振周波数の間の第２の周波数偏移を決定するステップと、
前記第２の周波数偏移から前記第１の周波数偏移を引いて、前記周波数差の２倍に比例する出力を生成するステップと、
をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
第３の入力光ビームを共振器ジャイロの第２反時計回り共振周波数にロックするステップと、前記第２反時計回り共振周波数は、前記第１の縦方向共振モードよりも高い少なくとも１つの縦方向共振モードであり、前記第１の反時計回り共振周波数は、第１の縦方向共振モードよりも低い少なくとも１つの縦方向共振モードであり、
前記時計回り共振周波数と前記第１の反時計回り共振周波数の間の第１の周波数偏移を決定するステップと、
前記時計回り共振周波数と前記第２反時計回り共振周波数の間の第２の周波数偏移を決定するステップと、
前記第２の周波数偏移から前記第１の周波数偏移を引いて、前記共振器ジャイロの回転による周波数差の２倍に比例する出力を生成するステップと、
をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にジャイロシステムに関し、より詳細には、共振器ジャイロで２つ以上の光源を使用する共振追跡と、共振器ジャイロ内の２つ以上の光源を制御する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロは、回転軸の周りの回転速度（回転率）または角速度の変化を測定するのに使用されている。基本的な従来型光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）は、光源と、ビーム発生装置と、エリアを取り囲む、ビーム発生装置に結合された光ファイバのコイルとを含む。ビーム発生装置は、光ビームをコイルに伝送し、光ビームは、光ファイバのコアに沿って時計回り（ＣＷ）方向および反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝播する。多くのＦＯＧは、ファイバの固体ガラスコアに沿って光を伝達するガラスベースの光ファイバを使用する。この２つの逆伝播（例えばＣＷとＣＣＷ）ビームは、回転閉光路長の周りを伝播する間の経路長が異なり、この２つの経路長の差は、取り囲まれたエリアに垂直である回転速度に比例する。
【０００３】
共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）では、望ましくは、各逆伝播光ビームは単色（例えば、単一周波数）であり、光ファイバコイルの複数のターンを循環し、ファイバカップラなどの、コイルを通過した光を再びコイルに戻す（すなわち光を循環させる）装置を使用して、コイルを複数回通過する。ビーム発生装置は、共振コイルの共振周波数を観測できるように、各逆伝播光ビームの周波数を変調および／またはシフトする。コイルを通るＣＷ経路およびＣＣＷ経路のそれぞれについての共振周波数は、コイルを異なる回数だけ通過したすべての光波がコイル内の任意の地点で強め合う干渉を行うような、強め合う干渉条件に基づく。この強め合う干渉の結果として、ラウンドトリップ共振器経路長が波長の整数倍に等しいとき、波長λを有する光波が「共振中」であると呼ばれる。コイルの軸回転により、時計回りの伝播と反時計回りの伝播に対して異なる波長が生み出され、したがって共振器のそれぞれの共振周波数間のシフトが生み出され、回転による閉光路長の共振周波数偏移と整合するようにＣＷビームおよびＣＣＷビーム周波数を同調させることによって測定することができるような周波数差は、回転速度を示す。
【０００４】
各逆伝播光ビームの周波数を変調およびシフトするために、周波数シフタおよび位相変調器がビーム発生装置（例えばレーザ光源）と共に使用されており、それによって共振コイルの共振周波数を観測することができる。周波数シフタおよび位相変調器は、共振器ジャイロの小規模応用例に対しては特に、経済的に実現するのが難しいことがある。さらに、こうした装置の周波数シフティングおよび変調不完全性が、ジャイロ性能を望ましいレベル未満に制限する可能性がある。あるいは、周波数シフタおよび位相変調器を使用せずに、性能の向上の可能性を伴って、逆伝播光ビームを導入するため、および共振検出のために２つの可同調レーザが使用されることがある。しかし、共振検出のために２つ以上の可同調レーザを使用するとき、そのようなレーザ間の相対的周波数雑音が、一般に、共振器ジャイロで測定される回転速度の精度を低下させる角度酔歩（ＡＲＷ）に対する最大の寄与である。
【０００５】
ＲＦＯＧでは、光ファイバのガラス材料が、ＣＷおよびＣＣＷ経路の共振周波数をシフトさせる可能性があり、したがって誤った回転の表示が生成され、または回転速度の測定が不正確となる。反射ミラーを使用して逆伝播光ビームをコイル内で複数回循環させることができるが、これは通常、ミラーからコイルへの遷移時に生成される損失により、信号対雑音比を低下させる。非線形カー効果、誘導ブリュアン散乱、偏光誤差、およびレイリー後方散乱誤差により、回転速度の測定精度を低下させる追加の異常が生成される可能性がある。これらの誤差機構はまた、環境の影響を受けやすく、例えば望ましくない温度感度を引き起こす。
【０００６】
非線形カー効果は、ＲＦＯＧ内部の高単色光出力が光ファイバ内のガラスの屈折率を変化させるときに生じる。ＣＷおよびＣＣＷビームの強度の不整合は、観測される周波数偏移に関する数度／１時間のオーダーの偏りを誘発する可能性がある。誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）は、ファイバ共振器での高フィネスに関連する高強度がガラス繊維でレイジングまたは誘導放射を引き起こすときに生じ、これが一般に、共振周波数の測定における大きな不安定性を促進する。偏光誘導誤差は、ある光ファイバから隣接する光ファイバに、または同一のファイバ内で、光を偶然に第２の偏光モードに結合させるファイバカップラから生じる可能性がある。第２の偏光モードは、回転を測定するのに使用される偏光モードの共振線形中の非対称性を生み出すように共振する可能性がある。第２の偏光モードの周波数がＣＷビームとＣＣＷビームについて同一であったとしても、振幅が異なる可能性があり、したがって、回転の効果以上の、ＣＷおよびＣＣＷビームの共振周波数の異なる観測を引き起こす。ＣＷおよびＣＣＷビームの各共振周波数についての共振中心の決定は回転速度測定に直接影響を及ぼすので、偏光誘導誤差はＲＦＯＧの精度を極度に制限する。レイリー後方散乱誤差は共振器ジャイロのドリフトレートの原因となる可能性がある。ファイバのガラス壁またはファイバとの界面からの後方散乱光は循環光ビームと干渉する可能性があり、著しいドリフトレート誤差を引き起こす可能性がある。適切なファイバを選択することにより、光後方散乱誤差を除く共振器ジャイロのドリフトレートの最大の原因をなくすことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、高性能応用例のために光後方散乱誤差を最小限に抑える共振器ジャイロを提供することが望ましい。さらに、共振器ジャイロ内の光後方散乱誤差および周波数雑音を最小限に抑える共振器ジャイロの回転速度を決定する方法を提供することが望ましい。さらに、添付の図面およびこの発明の背景と共に行われる、続く発明の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から、本発明のその他の望ましい機能および特徴が明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
共振器ジャイロ内の光源を安定化させる方法およびシステムが提供される。例示的実施形態では、共振器ジャイロは、第１の周波数を有する第１の入力光を生成するように構成された第１の光源と、第２の周波数を有する第２の入力光を生成するように構成された第２の光源と、第１および第２の光源に結合された共振器と、共振器に結合された共振検出回路と、共振検出回路および第１および第２の光源に結合されたコントローラとを備える。共振器は、第１および第２の逆伝播方向を有し、中空コアを有する光ファイバコイルを備える。共振器は、第１および第２の入力光に基づく光を中空コアを通じて第１および第２の逆伝播方向に循環させるように構成される。共振検出回路は、第１および第２の逆伝播方向のそれぞれについて共振周波数を検出するように構成される。コントローラは、第１の周波数を第１の逆伝播方向の共振周波数に同調し、第２の周波数を第２の逆伝播方向の共振周波数に同調するように構成される。第１および第２の逆伝播方向の共振周波数間の差は、共振器ジャイロの回転速度に比例する。
【０００９】
別の例示的実施形態では、共振器ジャイロは、第１の周波数を有する第１の入力光を生成するように構成された第１の光源と、第２の周波数を有する第２の入力光を生成するように構成された第２の光源と、第３周波数を有する第３の入力光を生成するように構成された第３の光源と、第１、第２、および第３の光源に結合された共振器と、共振器に結合された追跡回路と、追跡回路および第１、第２、および第３の光源に結合されたコントローラとを備える。共振器は、第１および第２の逆伝播方向を有し、第１の入力光に基づく第１の循環光を第１の逆伝播方向に循環させ、第２の入力光に基づく第２の循環光を第２の逆伝播方向に循環させ、第３の入力光に基づく第３の循環光を第２の逆伝播方向に循環させるように構成される。追跡回路は、第１の逆伝播方向の第１の共振周波数（ｆ１）、第２の逆伝播方向の第２の共振周波数（ｆ２）、および第２の逆伝播方向の第３の共振周波数（ｆ３）を検出するように構成される。第２の共振周波数（ｆ２）は、第１の共振周波数（ｆ１）よりも低い１つの縦モードであり、第３の共振周波数（ｆ３）は、第１の共振周波数（ｆ１）よりも高い１つの縦モードである。コントローラは、第１の周波数を第１の共振周波数（ｆ１）に同調し、第２の周波数を第２の共振周波数（ｆ２）に同調し、第３周波数を第３の共振周波数（ｆ３）に同調するように構成される。差（ｆ３−ｆ１）−（ｆ１−ｆ２）＝２Δｆであり、Δｆは、共振器ジャイロの回転速度に比例する周波数差である。
【００１０】
別の例示的実施形態では、第１の入力光ビームを共振器ジャイロの時計回り共振周波数にロックするステップと、第２の入力光ビームを共振器ジャイロの第１の反時計回り共振周波数にロックするステップと、回転速度に比例する、第１の入力光ビームと第２の入力光ビームの周波数差を決定するステップとを含む、共振器ジャイロの回転速度を決定する方法が提供される。時計回り共振周波数は、第１の縦方向共振モード上にあり、第１の反時計回り共振周波数は、第１の縦方向共振モードから離れた第２の縦方向共振モード上にある。
【００１１】
以下の図面と共に本発明を以下で説明する。図面では、同様の番号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の発明の詳細な説明は、例示的な性質のものに過ぎず、本発明または本発明の応用例および用途を限定するものではない。さらに、前述の発明の背景または以下の発明の詳細な説明で提示されるどんな理論にも制約されるものではない。
【００１３】
ここで図面を参照すると、図１は、本発明の例示的実施形態による共振器ジャイロ１０のブロック図である。共振器ジャイロ１０は、光ビームをそれぞれ合成する可同調光源１２、１４（例えばチューナブルレーザ）と、光ビームを逆伝播方向に循環させ、可同調光源１２、１４からの光ビームの一部を共振器２５に導入する再循環器４０を有する共振器２５と、共振器２５内を循環する光をサンプリングする光検出器１６、１８と、光検出器１８、１６にそれぞれ結合され、共振器２５の各逆伝播方向についての共振ディップの中心を検出する共振検出器３４、３８と、共振検出器３４、３８にそれぞれ結合された入力を有し、可同調光源１２、１４にそれぞれ結合された出力を有するサーボ３６、３５とを備える。したがって、共振器ジャイロ１０のこれらの構成要素は、各逆伝播方向（例えばＣＷおよびＣＣＷ）についての共振追跡ループ３０、３２を形成する。
【００１４】
第１の可同調レーザ１２（例えばＣＣＷレーザ）で生成された光ビームは、周波数ｆ０に同調され、第２の可同調レーザ１４（例えばＣＷレーザ）で生成された光ビームは周波数ｆ０＋Δｆに同調される。２つのレーザ周波数間の相対的周波数ドリフトおよびジッタは、周波数偏移、すなわち回転速度の測定値の精度および安定性を最小限に抑え、またはそれらに影響を及ぼさないレベルにまで実質上最小限に抑えられることが好ましい。このことは、共振追跡ループ３０、３２についての単位利得周波数よりもかなり高い変調周波数を選択することによって実施することができ、好ましくは、変調周波数は、共振追跡ループ３０、３２についての単位利得周波数の少なくとも約４倍である。さらに、このことは、サーボ３６、３５を使用してうなり周波数を回転速度に比例する可同調安定オフセットにロックするレーザ周波数安定化技法によって実施することができる。可同調レーザ１２、１４は共に、それぞれの周波数で光ビームを正弦波周波数変調する。さらに、共振器ジャイロ１０は、可同調レーザ１２、１４からの光ビームの伝播を共振器２５に向け、共振器２５からの光を光検出器１６、１８に向ける追加のミラー２０、２２およびビームスプリッタ２６、２８を含むことができる。
【００１５】
共振器２５は、再循環器４０と、再循環器４０に結合された第１および第２端部を有する中空コア光ファイバコイル２４とを備える。再循環器４０は、被変調光ビーム（例えばＣＷおよびＣＣＷ入力光ビーム）を光ファイバコイル２４の中空コアに導入し、光ファイバコイル２４を通じて被変調光ビームの一部を循環させる。再循環器４０は、光ファイバコイル２４の一端から出る光をファイバコイル２４の他端に再導入し、したがって光にファイバコイル２４中を何回も伝播させる。
【００１６】
可同調レーザ１２、１４から被変調光ビームを受けた後、共振器１４は、２つの被変調光ビームの一部を逆伝播方向（例えばＣＷおよびＣＣＷ方向）に向ける。サニャック効果の適用により、光ジャイロ１０は、光ジャイロ１０の軸の周りの回転速度を感知する。光検出器１８、１６は、循環光ビームを表す光信号を電気信号に変換し、共振検出器３４および３８は、ＣＷおよびＣＣＷ循環光ビームについての共振線形の共振中心を検出し、検出した共振中心間の周波数偏移に基づいて、共振器２５の各逆伝播方向に関連する共振周波数を決定する。周波数偏移は、光ジャイロ１０の回転速度を決定するのに使用される。例えば、第１の光ビーム（例えばＣＷビーム）は、非シフトレーザ周波数ｆ０を有し、共振器２５に導入される。回転感知のために、ＣＷビームの周波数ｆ０は、（例えばレーザ１２の周波数を同調することによって）ＣＷ方向の共振器２５の共振周波数に同調される。第２の光ビーム（例えばＣＣＷビーム）は、ＣＣＷビーム周波数をＣＣＷ方向の共振器２５の共振周波数に対する共振中心と位置合せするために周波数ｆ０＋Δｆに同調される。
【００１７】
ＣＷ方向またはＣＣＷ方向の共振中心周波数を測定するために、標準同期検出技法が使用される。各入力光ビームが正弦波位相変調され、したがってそれぞれ周波数ｆｍおよびｆｎで周波数変調され、光検出器１８、１６で測定されたときに、共振線形にわたって各入力ビーム周波数がディザリングされる。例えば、光検出器１８、１６に結合された追加の回路が、それぞれ周波数ｆｍおよびｆｎの光検出器１８、１６の出力を復調し、ＣＷおよびＣＣＷビームの光出力で示される共振中心を測定することができる。共振線形の線中心、すなわち共振中心では、光センサ１６は、それぞれ基本周波数ｆｍおよびｆｎで最小出力を検出する。入力ビーム周波数（例えばｆ０＋Δｆまたはｆ０）が共振外れであるとき、それぞれ周波数ｆｍおよびｆｎの誤差信号が、光検出器で感知され、それぞれのビーム周波数を共振器２５のそれぞれの共振周波数に同調するのに使用される。ＣＷビームの周波数が、レーザ１２の周波数ｆ０を変更することによって同調され、ＣＣＷビームの周波数が、第２のレーザ１４の周波数偏移Δｆを変更するフィードバックループを介して調節され、その結果、ｆ０＋Δｆが、共振器２５のＣＣＷ共振周波数に整合する。
【００１８】
ｆ０＋ΔｆがＣＣＷ方向の共振器１４の共振周波数から離れて同調されるとき、ＣＣＷビームからのエネルギーは光センサ１６で最大強度を生成しない。ｆ０＋ΔｆがＣＣＷ方向の共振器１４の共振周波数に同調されるとき、ＣＣＷビームは最小出力すなわち共振ディップを有し、それによって共振中心を示す。ＣＷ光ビームについて同様に、ＣＷビームがＣＷ方向の共振器２５の共振周波数に同調されるとき、ＣＷビームのエネルギーが光ファイバコイル２４に進入する。
【００１９】
回転がない場合、共振器２５内部のＣＷおよびＣＣＷビームのそれぞれＣＷおよびＣＣＷ方向のラウンドトリップ経路長はほぼ等しい。したがって、Δｆは第２のレーザ１４によってゼロに同調される。回転がある場合、ラウンドトリップ経路長は、ＣＷ方向とＣＣＷ方向の間で異なり、回転速度に比例するその２方向間の共振周波数差が生成される。ＣＷ共振を追跡するように周波数ｆ０を同調し、ＣＣＷ共振中心を追跡するように周波数Δｆを同調することにより、回転速度が求められる。
【００２０】
ＣＷおよびＣＣＷビームは中空コア、バンドギャップ、極めて低い曲げ損失を有する光ファイバを通じて伝播し、好ましくは、コイル２４は、本発明の一利点であるコンパクトなジャイロを達成するために、かなり小さい面積の周りに多数のターンを有する。例えば、コイル２４は、１センチメートルの直径の周りに約２０〜４０ターンの光ファイバを有することができる。中空コア光ファイバは通常、プラスチック・アウタ・ジャケットおよび中空インナコアを有するガラスベースのものである。中空コア光ファイバでは、再循環器４０から注入される光は、大部分はコアに沿って自由空間（例えば空気または真空）を横切り、光の光エネルギーの約数パーセント以下だけが中空コアを取り囲むファイバのガラス壁内に束縛される。光エネルギーの大部分が光ファイバの中空コアに沿って自由空間を横切るので、再循環器４０と中空コア光ファイバの間の遷移は、ほぼ完璧な屈折率整合を有し、再循環器４０について低損失かつ魅力的な偏光特性を有する高反射率レーザミラーを使用することができる。中空コアファイバは、従来のファイバのコア内のガラス媒体の特性に一般的に関連する回転測定値誤差を著しく減衰し、または全くなくすのに適している。
【００２１】
ＣＷ共振追跡ループ３０は、ＣＷレーザ１２を共振器２５のＣＷ共振周波数にロックし、ＣＣＷ共振追跡ループ３２は、ＣＣＷレーザ１４を共振器２５のＣＣＷ共振周波数にロックする。各共振検出器３４、３８の出力は、共振器２５の共振周波数からのレーザ周波数偏差を示す誤差信号である。サーボ３６、３５は、誤差信号、すなわち周波数偏差をゼロに維持するようにレーザ１２、１４を同調する。
【００２２】
多くのタイプのレーザの周波数雑音は、大部分は、周波数と共に一定のスペクトル雑音密度を有する白色雑音からなる。制御される周波数雑音スペクトル密度Ｓ＊ｆは、以下のようにループ利得Ｇ２の２乗にほぼ反比例する。
【００２３】
Ｓ＊ｆ＝Ｓｆ／Ｇ２                                        （１）
上式で、ループ利得は振幅（例えば電圧利得）によるものであり、Ｓｆは、自走中のレーザの非制御周波数雑音スペクトル密度である。Ｓｆは、以下の式によってローレンツ型レーザ線形の半値全幅（ＦＷＨＭ）周波数Δνに関係付けることができる。
【００２４】
Ｓｆ＝Δν／π                                          （２）
式１と式２を組み合わせることにより、以下が得られる。
【００２５】
Ｓ＊ｆ＝Δν／（πＧ２）                                  （３）
ループ利得は周波数の関数である。サーボ３５、３６用の単一の積分器またはアキュムレータを含むループなどの１次ループでは、周波数の減少に対してループ利得が約２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ増加し、対応する周波数雑音が周波数の減少と共に減少する。ループ利得が十分に高く、制御される周波数雑音が小さいレベルにまで低減されており、したがってその周波数帯ではＡＲＷに寄与しない、低周波数の周波数帯を選択することができる。共振追跡ループ３０、３２に関する可能な設計基準は、低周波数雑音の周波数帯を、共振器ジャイロ５０を使用する特定の応用例にとって望ましい周波数帯に整合させることである。ほとんどのナビゲーション応用例にとって望ましい周波数帯は比較的低い（例えば約１Ｈｚ未満）。こうした応用例では、制御される周波数雑音が小さくなるように、ループ利得が十分高くなるべきである。
【００２６】
共振追跡ループ３０、３２の単位利得周波数を、特定の応用例についての周波数帯中の最大周波数での所望のループ利得から導出することができる。自走線幅約５０ｋＨｚを有するレーザでは、高性能応用例に関して低ＡＲＷを得るために、単位利得周波数は約５００ｋＨｚから約５ＭＨｚであるべきである。ループ利得のより大きな増大の結果、共振追跡ループが不安定となる可能性がある。ループ利得が１を横切るときにわずか約２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅのロールオフを有する共振追跡ループを有することにより、一般に安定な共振追跡ループが得られる。積分器以外のループ内のどんな極も単位利得周波数よりも高い周波数であるべきである。共振追跡ループ３０、３２は、光検出器１６、１８などの限定された帯域幅を有する構成要素を含むので、２次極がループ内に存在する。したがって、共振追跡ループ３０、３２の電子構成要素の帯域幅制限が、安定ループでどれほどのループ利得を得ることができるかを制限する。共振追跡ループ３０、３２の構成要素に関する信号帯域幅は、共振追跡ループ３０、３２の単位利得周波数よりも高いことが好ましい。高性能のために、構成要素の帯域幅はかなり高い（例えば約２０ＭＨｚ超）。
【００２７】
安定ループでは、入力光ビームの、共振追跡に使用される変調周波数は単位利得周波数よりかなり高い。共振追跡変調は通常、共振線形をプローブするために正弦波位相変調または正弦波周波数変調である。共振線形にわたる変調の結果得られる光検出器信号は、レーザ周波数と共振器の共振周波数との間の周波数偏差を示す正弦波成分を有する。この正弦波成分が共振検出器３４、３５によって復調され、それぞれサーボ３６、３５に誤差信号が提供される。復調器は、変調／復調周波数未満の周波数を有するフィードバックループに極を導入する。したがって、低周波数雑音を有する高利得ループでは、変調／復調周波数は、共振追跡ループ３０、３２の単位利得周波数よりもかなり高くなるべきである（例えば、設計に応じて２ＭＨｚまたは２０ＭＨｚ超）。高性能のために、変調／復調周波数は共振追跡ループ３０、３２の単位利得周波数の約４倍よりも高いことが好ましい。
【００２８】
図２は、本発明の別の例示的実施形態による共振器ジャイロ５０の部分的略図である。共振器ジャイロ５０は、多周波数レーザ源（ＭＦＬＳ）アセンブリ５２と、ＭＦＬＳアセンブリ５２の出力に結合された中空コア共振器（ＨＣＲ）アセンブリ５４と、ＨＣＲアセンブリ５４の出力に結合された入力、ＭＦＬＳアセンブリ５２の入力に結合された第１の出力、および共振器ジャイロ５０のジャイロデータを供給する第２の出力を有する共振追跡電子（ＲＴＥ）システム５６とを備える。ＲＴＥシステム５６を介するＨＣＲアセンブリ５４からＭＦＬＳアセンブリ５２へのフィードバックループを使用して、アセンブリ５２内の１つまたは複数のスレーブレーザと、ＭＦＬＳアセンブリ５２内のマスタレーザは、共振器内のそれぞれの伝播方向に対応する共振周波数に対してロックされる被変調光ビームを生成するように同調可能である。
【００２９】
１つのスレーブレーザを使用する例示的一実施形態では、マスタレーザは、共振器のＣＷ方向の共振周波数に同調されるＣＷビームを生成し、スレーブレーザは、共振器のＣＣＷ方向の共振周波数に同調されるＣＣＷビームを生成する。ＣＣＷ方向の共振周波数は、ＣＷ方向の共振周波数とは異なる縦方向共振モード上にある（例えば、ＣＷ方向の共振周波数から離れた少なくとも１つの縦方向共振モードである共振周波数）。隣接するモード間の周波数間隔は、重ならないスペクトル範囲（ＦＳＲ）と呼ばれる。ＣＣＷ方向とＣＷ方向の共振周波数間の差は、うなり周波数を生成する。光後方散乱誤差をなくすために、離れた少なくとも１つの縦方向共振モードである周波数に同調された２つのレーザが使用される。（例えば測定の一部であるＦＳＲによる）大きな偏りおよび関連する偏り不安定性を除くために、ＣＣＷビームが、ＣＷ方向の共振周波数よりも低い少なくとも１つの縦方向共振モードであるＣＣＷ共振周波数と、ＣＷ方向の共振周波数よりも高い少なくとも１つの縦方向共振モードであるＣＣＷ共振周波数との間で切り換えられる。ＣＣＷ方向の共振周波数がＣＷ方向の共振周波数よりも高い１つの縦方向共振モードであるときに生じるうなり周波数から、ＣＣＷ方向の共振周波数がＣＷ方向の共振周波数よりも低い１つの縦方向共振モードであるときに生じるうなり周波数を引くことにより、周波数差Δｆの約２倍である出力値が生成される。
【００３０】
２つのスレーブレーザを使用する別の例示的実施形態では、第１のスレーブレーザが、ＣＷ方向の共振周波数よりも低い少なくとも１つの縦方向共振モードである共振器のＣＣＷ方向の共振周波数に同調されるＣＣＷビームを生成し、第２のスレーブレーザが、ＣＷ方向の共振周波数よりも高い少なくとも１つの縦方向共振モードである共振器のＣＣＷ方向の共振周波数に同調されるＣＣＷビームを生成する。第２のスレーブレーザからのＣＷビームとＣＣＷビームの間で生じるうなり周波数から、第１のスレーブレーザからのＣＷビームとＣＣＷビームの間で生じるうなり周波数を引くことにより、周波数差Δｆの約２倍である出力値が生成される。共振器ジャイロ５０の２レーザ構成および３レーザ構成を説明したが、追加のレーザを共振器ジャイロ５０と共に組み込むことができる。
【００３１】
ＭＦＬＳアセンブリ５２は、ＭＦＬＳ５８と、被変調光ビームをＨＣＲアセンブリ５４に送り、被変調光ビームの光フィードバックをＭＦＬＳに供給する、ＭＦＬＳ５８の出力に結合されたＭＦＬＳ光学系サブアセンブリ６０とを備える。ＭＦＬＳ５８は、限定はしないが、ＲＴＥシステム５６からの制御信号に応答して被変調光ビームを生成するマスタレーザおよび１つまたは複数のスレーブレーザを含む。ＨＣＲアセンブリ５４は、ＭＦＬＳ光学系サブアセンブリ６０に結合された入力を有する共振器結合光学系６２（例えば、図１に示す再循環器４０および光検出器１６、１８）と、共振器結合光学系６２の第１の出力に結合された共振器６４とを備える。共振器６４は、図１に示す中空コアファイバコイル２４を含み、被変調光ビームの一部を逆伝播方向に循環させる。共振器結合光学系６２は、第２の出力を介して共振器光出力の電気信号（例えば、ＣＷおよびＣＣＷ循環ビームの強度測定値）をＲＴＥシステム５６に供給する。ＲＴＥシステム５６は、共振器結合光学系６２の第２の出力に結合された入力を有する共振追跡回路６６を備え、ＭＦＬＳ５８の入力に結合された出力を有し、ＲＴＥシステム５６は、共振器結合光学系６２から受け取った信号およびＭＦＬＳ５８に送る信号を処理するために、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器およびデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）などの追加の構成要素を備えることができる。ＲＴＥシステム５６は、マスタレーザおよびスレーブレーザに対するレーザ周波数制御信号を生成し、スレーブレーザのうちの少なくとも１つで生成された光ビームに対して一定のオフセットを印加する。一定のオフセットは、対応する光ビームの、光検出器１８、１６で検出されるある共振中心と別の共振中心の間の縦方向共振モードに基づくことが好ましい。
【００３２】
図３は、共振器ジャイロ５０を理解するのに有用な、時計回り強度波形６８および反時計回り強度波形７０である。図２および３を参照すると、例示的実施形態では、ＣＷビームが共振器６４のＣＷ方向の共振周波数に同調されるとき、異なる縦方向共振モードで生じる共振ディップ７２、７４を有するＣＷ強度波形６８が観測される。同様に、ＣＣＷビームが共振器６４のＣＣＷ方向の共振周波数に同調されるとき、異なる縦方向共振モードで生じる共振ディップ７６、７８を有するＣＣＷ強度波形７０が観測される。共振ディップ７２、７４、７６、７８の中心は、異なる縦方向共振モードの共振周波数を示す。
【００３３】
マスタレーザをＣＷ共振周波数ｆｃｗに同調し、第１のスレーブレーザを、共振器ジャイロ５０のゼロ回転速度でのＣＷ共振周波数ｆｃｗよりも低い１つの縦モードである第１のＣＣＷ共振周波数ｆｃｃｗ，１に同調し、第２のスレーブレーザを、共振器ジャイロ５０のゼロ回転速度でのＣＷ共振周波数ｆｃｗよりも高い１つの縦モードである第２のＣＣＷ共振周波数ｆｃｃｗ，２に同調することにより、第１のうなり周波数Δｆ１がマスタレーザと第１のスレーブレーザの間で生成され、第２のうなり周波数Δｆ２がマスタレーザと第２のスレーブレーザの間で生成される。これらのうなり周波数は、以下のように、共振器ジャイロ５０の回転による周波数偏移（ΔｆΩ）およびＦＳＲを共に含む。
【００３４】
Δｆ１＝ｆｃｗ−ｆｃｃｗ，１＝ｆＦＳＲ−ΔｆΩ，
Δｆ２＝ｆｃｗ−ｆｃｃｗ，２＝ｆＦＳＲ＋ΔｆΩ
２つのうなり周波数の差を取ることにより、
Δｆ２−Δｆ１＝２ΔｆΩ
ＦＳＲや関連する偏りおよび偏り不安定性なしに回転測定値が得られる。
【００３５】
２つのレーザ例示的実施形態では、ＣＷビームが共振周波数ｆｃｗの共振ディップにロックされる。ＣＣＷビームが、共振器ジャイロ５０のゼロ回転速度でのＣＷ共振から離れた１つの縦モードである（例えば、共振器リング内に合致する１つ少ない波周期を有する）共振周波数ｆｃｃｗ，１の共振ディップにロックされる。隣接するモード間の周波数間隔ｆＦＳＲは、重ならないスペクトル範囲と呼ばれる。ＣＷビームとＣＣＷビームの間の周波数差は、共振器ジャイロ５０の主要な測定値出力である。ＦＳＲを測定値の一部として有することにより、大きな偏りが導入される。ＦＳＲは光経路長に依存し、光経路長は熱膨張のために温度に依存する可能性があるので、生じる偏りは温度変動のために不安定となる可能性がある。
【００３６】
ＦＳＲの効果は、ＣＷ共振ビームとＣＣＷ共振ビームの間の相対的向きを切り換えることによって除去される。例えば、ＣＣＷビームの周波数が、ＣＷ共振よりも低い１つの縦モードである（例えばｆｃｃｗ，１）共振ディップから、ＣＷ共振よりも高い１つの縦モードである（例えばｆｃｃｗ，２）共振ディップに周期的に切り換えられる。ＣＷビームは共振周波数ｆｃｗの共振ディップ上に維持される。ＣＷ共振よりも低い１つの縦モードである共振ディップでスレーブレーザを動作させるとき、うなり周波数Δｆ１（すなわちｆｃｗ−ｆｃｃｗ，１＝ｆＦＳＲ−ΔｆΩ）が生成され、ＣＷ共振よりも高い１つの縦モードである共振ディップでスレーブレーザを動作させるとき、うなり周波数Δｆ２（すなわちｆｃｗ−ｆｃｃｗ，２＝ｆＦＳＲ＋ΔｆΩ）が生成される。ＦＳＲは、うなり周波数を引くことによって測定値から除去することができる。うなり周波数を合計することにより、ＦＳＲを得ることができ、様々な縦方向共振モードのＣＣＷ共振からの周波数切換えを実現するのに使用することができる。
【００３７】
図４は、図２に示す多周波数レーザ源アセンブリ５２の略図である。ＭＦＬＳ光学系サブアセンブリ６０は、マスタレーザ８０と、第１および第２のスレーブレーザ８２、８４と、光カップラ８８、９０、９２、９４、９６、９８、１００と、レーザ８０、８２、および８４のそれぞれの出力に結合され、光カップラ８８、９０、９２、９４、９６、９８、１００の間にある光ファイバ８６とを備える。光ファイバ８６は偏光維持単一モードファイバであることが好ましい。マスタレーザ８０は、共振器６４のＣＷ入力に導入されるＣＷビームを生成し、スレーブレーザ８２、８４は、共振器６４のＣＣＷ入力に導入されるＣＣＷビームを生成する。各ＣＣＷビームの一部は、共振器６４のＣＷ入力に導入される前にカップラ１００によって結合される。光カップラの一部は、マスタレーザ８０からの光をスレーブレーザ８２、８４の一方からの光と結合し、スレーブレーザ８２、８４をマスタレーザ８０と位相ロックするためのフィードバックを供給する。例えば、マスタレーザ８０で生成されたＣＷビームの一部が、光カップラ８８、９０、９２、および９４を介して、第１のスレーブレーザ８２で生成されたＣＣＷビームの一部と混合され、マスタレーザ８０で生成されたＣＷビームの一部が、光カップラ８８、９２、９６、および９８を介して、第２のスレーブレーザ８４で生成されたＣＣＷビームの一部と混合される。
【００３８】
この混合光がＭＦＬＳ５８に供給される。ＭＦＬＳ５８は、レーザ８０、８２、および８４について、それぞれ駆動回路１０２、１０４、および１０６を備える。マスタ駆動回路１０２は、ＲＴＥシステム５６からマスタレーザ制御信号を受け取るように構成された入力を有し、マスタレーザ８０に結合された出力を有するレーザ電流駆動１０８を備える。第１のスレーブ駆動回路１０４は、光カップラ９４に結合された入力を有する光検出器１１０と、ＲＴＥシステム５６から第１のスレーブ制御信号を受け取るように構成された直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）１１２を有する局部発振器と、ＤＤＳ１１２に結合された第１の入力および光検出器１１０に結合された第２の入力を有するミキサ１１４と、ミキサ１１４の出力に結合された積分器１１６と、積分器１１６に結合された入力および第１のスレーブレーザ８２に結合された出力を有するレーザ電流駆動１１８とを備える。第２のスレーブ駆動回路１０６は、光カップラ９８に結合された入力を有する光検出器１２０と、ＲＴＥシステム５６から第１のスレーブ制御信号を受け取るように構成されたＤＤＳ１２２を有する局部発振器と、ＤＤＳ１２２に結合された第１の入力および光検出器１２０に結合された第２の入力を有するミキサ１２４と、ミキサ１２４の出力に結合された積分器１２６と、積分器１２６に結合された入力を有し、第２のスレーブレーザ８４に結合された出力を有するレーザ電流駆動１２８とを備える。スレーブレーザ８２、８４からの光の一部は、それぞれ光検出器１１０、１２０でマスタレーザ８０からの光の一部と混合され、うなり周波数を有する信号が生成される。
【００３９】
マスタレーザ８０とスレーブレーザ８２、８４の間のうなり周波数は、それぞれミキサ１１４、１２４によってＤＤＳｓ１１２、１２２からの局部発振器信号と混合され、注入電流を介してスレーブレーザ周波数を制御する積分器１１６、１２６が駆動される。局部発振器信号は、ＲＴＥシステム５６からのスレーブ制御信号に応答してＤＤＳｓ１１２、１２２で変更可能である。
【００４０】
図５は、例示的実施形態による図２に示すＲＴＥシステム５６の略図である。共振追跡回路６６は、図４に示すマスタレーザ８０ならびにスレーブレーザ８２および８４などの３つのレーザ用のマスタ追跡副回路１３０およびスレーブ追跡副回路１３２を備える。共振追跡回路６６に加えて、ＲＴＥシステム５６は、マスタ追跡回路１３０の入力に結合された第１Ａ／Ｄ変換器１３４と、スレーブ追跡回路１３２に結合された第２Ａ／Ｄ変換器１３６と、マスタ追跡回路１３０の出力に結合されたＤＡＣ１４６とをさらに備える。例示的実施形態では、共振追跡回路６６は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはその他の同様のプログラマブルデバイスである。
【００４１】
Ａ／Ｄ変換器１３４は、共振器結合光学系６２から（例えば、共振器６４のＣＷ方向の共振周波数を示すＣＷ光検出器から）受け取ったＣＷ光検出器信号をデジタル化する。マスタ追跡副回路１３０は、Ａ／Ｄ変換器１３４に結合され、共振器６４のＣＷ方向のデジタル化信号を受け取るように構成された復調器１３８と、復調器１３８に結合されたアキュムレータ１４０と、波発生器１４２と、波発生器１４２に結合された第１の入力およびアキュムレータ１４０に結合された第２の入力を有する加算器１４４とを備える。復調器１３８は、マスタレーザ８０で生成された光ビームの変調周波数に対応する所定の復調周波数でＣＷ方向のデジタル化信号を復調する。復調器１３８の出力はアキュムレータ１４０で蓄積され、この蓄積された値は、ＣＷ共振追跡ループ３０に対するサーボに関する制御値として働く。波発生器１４２は、所定の周波数を有する正弦波を生成する。マスタレーザ８０をＣＷ共振周波数にロックするための制御値であるアキュムレータ１４０の出力は、正弦波と共に加算器１４４で合計される。加算器１４４は、共振器６４のＣＷ方向の共振周波数に基づいて、共振ディップにわたって変調される正弦波部分を有する信号を生成し、共振器出力で共振中心を示すａｃ信号を供給する。ＤＡＣ１４６は、マスタレーザ８０を同調および変調するために、加算器１４４からの組合せ信号をアナログ信号に変換する。
【００４２】
Ａ／Ｄ変換器１３６は、共振器結合光学系６２から（例えば、共振器６４のＣＣＷ方向の共振周波数を示すＣＣＷ光検出器から）受け取ったＣＣＷ光検出器信号をデジタル化する。スレーブ追跡副回路１３６は、Ａ／Ｄ変換器１３６に結合され、共振器６４のＣＣＷ方向のデジタル化信号を受け取るように構成された第１および第２の復調器１４８、１５０と、復調器１４８、１５０にそれぞれ結合されたアキュムレータ１５２、１５４と、第１のアキュムレータ１５２に結合された第１の加算器１５６と、第２のアキュムレータ１５４に結合された第２の加算器１５８と、所定の周波数を有する正弦波を生成するように構成された波発生器１６０、１６２と、第１の波発生器１６０に結合された第１の入力を有し、第１の加算器１５６の出力に結合された第２の入力を有する第３の加算器１６４と、第２の波発生器１６２に結合された第１の入力を有し、第２の加算器１５８の出力に結合された第２の入力を有する第４の加算器１６６と、第１の加算器１５６の出力に結合された第１の入力を有し、第２の加算器１５８の出力に結合された第２の入力を有する減算器１６８と、減算器１６８の出力に結合されたインターフェース論理１７０とを備える。Ａ／Ｄ変換器１３６の出力は、復調器１４８、１５０により、それぞれ第１および第２のスレーブレーザ８２、８４の変調周波数に対応する所定の復調周波数で復調され、それぞれアキュムレータ１５２、１５４で蓄積される。第１および第２の加算器１５６、１５８は、（例えば少なくとも１つの縦方向共振モードに対応する）一定のオフセットを累積信号のそれぞれに与える。ＣＷ共振周波数よりも低い少なくとも１つの縦方向共振モードであるＣＣＷ共振周波数に第１のスレーブレーザ８２をロックする制御信号として働く第１の加算器１５６の出力が、第１の波発生器１６０からの正弦波と共に第１の加算器１５６で合計される。ＣＷ共振周波数よりも高い少なくとも１つの縦方向共振モードであるＣＣＷ共振周波数に第２のスレーブレーザ８４をロックする制御信号として働く第２の加算器１５８の出力が、第２の波発生器１６２からの正弦波と共に第２の加算器１５８で合計される。第３の加算器１６４は、ＣＷ共振周波数よりも低い少なくとも１つの縦方向共振モードである共振器６４のＣＣＷ方向の共振周波数（例えば第１のＣＣＷ共振周波数）に基づいて、共振ディップにわたって変調される正弦波部分を有する信号を生成し、共振器出力で第１のＣＣＷ共振周波数の共振中心を示すａｃ信号を供給する。第４の加算器１６６は、ＣＷ共振周波数よりも高い少なくとも１つの縦方向共振モードである共振器６４のＣＣＷ方向の共振周波数（例えば第２のＣＣＷ共振周波数）に基づいて、共振ディップにわたって変調される正弦波部分を有する信号を生成し、共振器出力で第２のＣＣＷ共振周波数の共振中心を示すａｃ信号を供給する。第３および第４の加算器１６４、１６６は、ＣＣＷ方向のそれぞれの共振周波数（例えば、ＣＷ方向の共振周波数よりも低い少なくとも１つの縦方向共振モード、およびＣＷ方向の共振周波数よりも高い少なくとも１つの縦方向共振モード）に基づいて、スレーブレーザ８２、８４のそれぞれについての周波数信号を生成する。減算器１６８で、第１および第２の加算器１５６、１５８の出力の差が取られ、共振器６４の回転速度による周波数差の２倍に対応する信号が生成される。
【００４３】
図６は、別の例示的実施形態による図２に示すＲＴＥシステム５６の略図である。共振追跡回路６６は、２つのレーザのための追跡副回路１３０および１８０と、マスタレーザ８０用のマスタ追跡副回路１３０と、スレーブレーザ８２用のスレーブ追跡副回路１８０とを備える。この例示的実施形態では、スレーブ追跡副回路１８０は、ＣＷ共振周波数よりも低い１つの縦モード上のＣＣＷ共振周波数（例えば第１のＣＣＷ共振周波数）と、ＣＷ共振周波数よりも高い１つの縦モード上のＣＣＷ共振周波数（例えば第２のＣＣＷ共振周波数）との間で切り換えるように構成される。
【００４４】
ＣＣＷ共振器信号はＡ／Ｄ変換器１３６でデジタル化される。スレーブ追跡副回路１８０は、第１のスレーブレーザ８２用の共振追跡構成要素（例えば、図５に示す復調器１４８、アキュムレータ１５２、加算器１５６、波発生器１６０、および加算器１６４）を備える。さらに、スレーブ追跡副回路１８０は、加算器１５６の出力に結合された入力を有するマルチプレクサ１８４と、マルチプレクサ１８４の出力に結合されたレジスタ１８５、１８７と、第１のレジスタ１８５に結合された第１の入力および第２のレジスタ１８７に結合された第２の入力を有する減算器１８６と、第１のレジスタ１８５に結合された第１の入力および第２のレジスタ１８７に結合された第２の入力を有する加算器１８８と、減算器１８６の出力に結合されたインターフェース論理１７０と、加算器１５６の出力に結合された第１の入力および加算器１８８の出力に結合された第２の入力を有する加算器１８１と、加算器１５６の出力に結合された第１の入力および加算器１８８の出力に結合された第２の入力を有する減算器１８２と、加算器１８１の出力に結合された第１の入力、減算器１８２の出力に結合された第２の入力、および加算器１５６の第２の入力に結合された出力を有するマルチプレクサ１８３と備える。
【００４５】
Ａ／Ｄ変換器１３６の出力は復調器１４８で復調され、次いでアキュムレータ１５２で累積され、累積信号は、（例えばスレーブレーザ８２またはＣＣＷレーザに基づく）ＣＣＷ共振追跡ループについてのサーボで使用される。次いで、アキュムレータ１５２の出力が、ＣＷ共振に対してＣＣＷレーザがどの共振にロックされるかを決定する値と共に加算器１５６で合計される。次いで、ＣＣＷレーザ８２をＣＣＷ共振（例えば第１または第２のＣＣＷ共振周波数）にロックする制御信号である加算器１５６の出力が、正弦波発生器１６０からの正弦波と共に加算器１６４で合計される。ＣＣＷ共振ディップにわたって変調するのに正弦波が使用され、共振中心を示す正弦波信号が共振器出力で供給される。加算器１６４の出力は、ＣＣＷレーザ８２の周波数を同調するのに使用される。
【００４６】
ＣＷレーザ８０とＣＣＷレーザ８２の間、したがってＣＷ共振とＣＣＷ共振の間の周波数差を表すデジタル値である加算器１５６の出力が、スイッチング周波数ｆｓｗで切り換えられるマルチプレクサ１８４に送られる。このスイッチング周波数ｆｓｗは、ＣＣＷ光ビームが２つの共振周波数の間で切り換えられる周波数でもある。ｆｓｗのスイッチング信号の状態に応じて、マルチプレクサ１８４の出力が第１のレジスタ１８５（Ａ）または第２のレジスタ１８７（Ｂ）に送られる。レジスタＡ１８５は、ＣＷ共振周波数と第１のＣＣＷ共振周波数の間の周波数差を表す値を保持し、レジスタＢ１８７は、第２のＣＣＷ共振周波数とＣＷ共振周波数の間の周波数差を表す値を保持する。次いで、減算器１８６でこれらの２つのレジスタ１８５、１８７の出力の差が取られ、共振器６４の回転による周波数差の２倍を表す出力値が生成される。この出力値は共振器ジャイロの出力であり、ＦＳＲを除外する。２つのレジスタ１８５および１８７の出力はまた、加算器１８８で合計され、ＦＳＲの２倍を表す出力値が生成される。次いで、加算器１８８の出力が加算器１８１および減算器１８２に送られる。加算器１８１では、ＦＳＲが加算器１５６からの制御信号と共に合計される。加算器１８１の出力は、電流ロックＣＣＷ共振周波数とＦＳＲの２倍との和を表す。減算器１８２では、加算器１５６からの制御信号からＦＳＲ値が引かれる。減算器１８２の出力は、電流ロックＣＣＷ共振周波数からＦＳＲの２倍を引いた差を表す。
【００４７】
加算器１８１および減算器１８２の出力は、周波数ｆｓｗで切り替わるマルチプレクサ１８３によって単一チャネルとして時分割多重化される。マルチプレクサ１８３の出力値は、加算器１５６でアキュムレータ１５２の出力に加えられる。実際には、マルチプレクサ１８３出力を減算器１８２の出力から加算器１８１の出力に切り換えることにより、ＣＣＷレーザ８２は、第１のＣＣＷ共振周波数に対応する共振ディップから、第２のＣＣＷ共振周波数に対応する共振ディップに切り替わる。スイッチング周波数ｆｓｗに関連する半周期の後、マルチプレクサ１８３出力を加算器１８１の出力から減算器１８２の出力に切り換えることにより、ＣＣＷレーザ８２は、第１のＣＣＷ共振周波数に対応する共振ディップに戻る。
【００４８】
ＣＣＷレーザ周波数が有限のスルーレートを有するので、ある共振周波数から別の共振周波数への切換えは、有限の時間にわたって行われる。遷移時間の間、誤りのある信号がＣＣＷ光検出器およびＡ／Ｄ変換器１３６で生じる可能性がある。誤りのある信号の効果は、破壊したＡ／Ｄサンプルを復調器１４８で処理する前にゲーティングアウトすることによって除去することができる。ゲーティングはいくつかの方式で行うことができる。１つの方法は、Ａ／Ｄ変換器１３６をサンプリングし、ゲート期間中に変換を行うことを差し控えさせることである。ゲート期間は、切換えによる誤差が受け入れられるレベルに低下するように選択することができる。
【００４９】
ＣＣＷレーザ８２が切り替わるスイッチング周波数ｆｓｗは、遷移誤差を除去することに関連するゲート期間がスイッチング周波数ｆｓｗでの完全な測定サイクルと比較して重大ではないように選択することができる。回転測定値からＦＳＲを十分に除去するために、スイッチング周波数は、ＦＳＲの周波数内容よりも高くなるように選ぶことが好ましい。ＦＳＲの変動は大部分は熱駆動であるので、共振器６４について比較的高い熱時定数を実現するために、ＦＳＲはゆっくりと変化すべきである。
【００５０】
高性能ファイバ共振器ジャイロは、大まかには１０ｄｅｇ／ｈｒ／Ｈｚの回転速度感度を有することができる。残留ＦＳＲ周波数誤差による０．０１ｄｅｇ／ｈｒ未満の偏りを得るために、残留ＦＳＲ周波数誤差は０．００１Ｈｚであるべきである。高性能ファイバ共振器では、ＦＳＲは大まかには１００ＭＨｚであるべきである。残留ＦＳＲ誤差を受け入れられるレベルに維持し、いくらかの温度安定性を共振器ジャイロに与えるようにスイッチング周波数を選択することができる。しかし、最大スイッチング周波数は、レーザ周波数同調のスルーレートによって決定される。
【００５１】
図７は、本発明の例示的実施形態による共振器ジャイロ内の光源を安定化させる方法の流れ図である。この方法はステップ２００で始まる。共振器ジャイロの第１の逆伝播方向（例えばＣＷ）に循環する第１の光ビームが、第１の逆伝播方向の共振周波数（例えば第１の共振周波数）に同調される。第１の共振周波数は第１の縦方向共振モードを有する。第１の光ビームの同調は、第１の光源を第１の共振周波数で駆動することによって実施することができる。共振器ジャイロの第２の逆伝播方向（例えばＣＣＷ）で循環する第２の光ビームが、第１の縦方向共振モードから離れた少なくとも１つの縦方向共振モード（例えば第２の縦方向共振モード）に対応する周波数（例えば第２の共振周波数）に同調される。第２の光ビームの同調は、第２の光源を第２の共振周波数で駆動することによって実施することができる。さらに、第１および第２の入力光ビームのそれぞれを、共振器ジャイロのループ単位利得周波数よりもかなり高い（例えば少なくとも４倍高い）周波数で変調することができる。ステップ２０５では、第１の入力光ビームが第１の共振周波数にロックされる。ステップ２１０では、第２の入力光ビームが第２の共振周波数にロックされる。ステップ２１５では、第１の入力光ビームと第２の入力光ビームの周波数の周波数差が求められ、周波数差は共振器ジャイロの回転速度に比例する。さらに、例示的一実施形態では、第２の縦方向共振モードが、第１の縦方向共振モードよりも低い１つの縦方向共振モードと、第１の縦方向共振モードよりも高い１つの縦方向共振モードとの間で切り換えられる。第２の縦方向共振モードが第１の縦方向共振モードよりも低い少なくとも１つの縦方向共振モードであるとき、第１の周波数偏移が第１の共振周波数と第２の共振周波数の間で求められ、第２の縦方向共振モードが第１の縦方向共振モードよりも高い少なくとも１つの縦方向共振モードであるとき、第２の周波数偏移が第１の共振周波数と第２の共振周波数の間で求められる。第２の周波数偏移から第１の周波数偏移を引いて、周波数差の２倍に比例する出力が生成される。別の例示的実施形態では、第２の入力光ビームが、第１の縦方向共振モードよりも低い少なくとも１つの縦方向共振モードを有する第２の共振周波数にロックされ、（例えば第３の光源から生成された）第３の入力光ビームが、第１の縦方向共振モードよりも高い少なくとも１つの縦方向共振モードを有する第２の共振周波数にロックされる。第１の周波数偏移が、第１の縦方向共振モードよりも低い少なくとも１つの縦方向共振モードを有する、第１の共振周波数と第２の共振周波数の間で求められ、第２の周波数偏移が、第１の縦方向共振モードよりも高い少なくとも１つの縦方向共振モードを有する第１の共振周波数と第２の共振周波数の間で求められる。第２の周波数偏移から第１の周波数偏移を引いて、共振器ジャイロの回転による周波数差の２倍に比例する出力が生成される。
【００５２】
共振器ジャイロ１０および５０は、例えば、限定はしないが、航空機、ランドビークル、潜水艦、衛星、水上艦船のナビゲーションなどの慣性誘導を必要とする応用例を含む様々な応用例に適している。さらに、共振器ジャイロ１０および５０に対して想定されるサイズが比較的小さいことにより、限定はしないが、例えば、小型ロボット、個々の兵士の履物、小規模衛星を含む非常に小型のプラットフォーム上での実際的な使用が可能となる。
【００５３】
少なくとも１つの例示的実施形態を上記の発明の詳細な説明で提示したが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。例示的実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用可能性、または構成をどんな形でも限定するものではないことも理解されたい。むしろ、上記の詳細な説明は、本発明の例示的実施形態を実装するのに好都合なロードマップを当業者に与えるものとなる。添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態で述べた要素の機能および構成に様々な変更を行えることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の例示的実施形態による共振器ジャイロのブロック図である。
【図２】本発明の別の例示的実施形態による共振器ジャイロの部分的略図である。
【図３】共振追跡システムを理解するのに有用な、時計回り強度波形および反時計回り強度波形である。
【図４】図２に示す多周波数レーザ源アセンブリの略図である。
【図５】例示的実施形態による図２に示す共振追跡電子システムの略図である。
【図６】別の例示的実施形態による図２に示す共振追跡電子システムの略図である。
【図７】本発明の例示的実施形態による共振器ジャイロ内の光源を安定化させる方法の流れ図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  共振器ジャイロ（ＲＦＯＧ）
１２、１４  可同調光源
１６、１８  光検出器
２０、２２  ミラー
２４  中空コア光ファイバコイル
２５  共振器
２６、２８  ビームスプリッタ
３０、３２  共振追跡ループ
３４、３８  共振検出器
３５、３６  サーボ
４０  再循環器
５０  共振器ジャイロ
５２  多周波数レーザ源（ＭＦＬＳ）アセンブリ
５４  中空コア共振器（ＨＣＲ）アセンブリ
５６  共振追跡電子（ＲＴＥ）システム
６０  ＭＦＬＳ光学系サブアセンブリ
６２  共振器結合光学系
６４  共振器
６６  共振追跡回路
８０  マスタレーザ
８２、８４  スレーブレーザ
８８、９０、９２、９４、９６、９８、１００  光カップラ
１０２、１０４、１０６  駆動回路
１０８  レーザ電流駆動
１１０、１２０  光検出器
１１２、１２２  直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）
１１８、１２８  レーザ電流駆動
１３０  マスタ追跡副回路
１３２、１８０  スレーブ追跡副回路
１３４、１３６  Ａ／Ｄ変換器
１４２、１６０、１６２  波発生器
１８３、１８４  マルチプレクサ
１８５、１８７  レジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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