(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの光波を生成するように構成された少なくとも１つのレーザ（５０）と、
光ファイバループを有し、前記少なくとも１つのレーザによって生成される前記光波が、前記光ファイバループにおいて時計回り（ｃｗ）および反時計回り（ｃｃｗ）の方向に移動することが可能になるように構成された共振器（６８）と、
前記共振器内への導入前に、前記光波の強度変調を行うように構成された少なくとも２つの強度変調器（７２、７４）と、
前記共振器においてｃｗおよびｃｃｗに回転する前記光波の成分を検出するように構成された２つの光検出器（６０、６２）と、
前記光検出器と信号連通しており、前記強度変調に基づいて後方散乱による強度信号を阻止するように、および前記検出された成分に基づいて回転速度を決定するように構成されたプロセッサ（９４）とを含む共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）であって、
前記共振器は、変調不完全性によるエラーを低減するように構成されたキャビティ長変調器をさらに備え、
前記少なくとも１つのレーザは、１つだけのレーザと、前記レーザによって生成される光波を、２つの光波に分割するように構成されたビームスプリッタとを備え、
前記少なくとも２つの強度変調器は２つの強度変調器を備え、その一方は、前記分割光波の一方を変調するためのものであり、他方は、前記分割光波の他方を変調するためのものであり、
前記光波について前記強度変調の周波数は不等であり、調和関係になく、前記強度変調器は、それぞれの光波を一意の符号により符号化する、ＲＦＯＧ。
【請求項２】
少なくとも２つの光波を生成するように構成された少なくとも１つのレーザ（５０）と、
光ファイバループを有し、前記少なくとも１つのレーザによって生成される前記光波が、前記光ファイバループにおいて時計回り（ｃｗ）および反時計回り（ｃｃｗ）の方向に移動することが可能になるように構成された共振器（６８）と、
前記共振器内への導入前に、前記光波の強度変調を行うように構成された少なくとも２つの強度変調器（７２、７４）と、
前記共振器においてｃｗおよびｃｃｗに回転する前記光波の成分を検出するように構成された２つの光検出器（６０、６２）と、
前記光検出器と信号連通しており、前記強度変調に基づいて後方散乱による強度信号を阻止するように、および前記検出された成分に基づいて回転速度を決定するように構成されたプロセッサ（９４）とを含む共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）であって、
前記共振器は、変調不完全性によるエラーを低減するように構成されたキャビティ長変調器をさらに備え、
前記少なくとも１つのレーザは、
光波を生成するように構成されたマスタレーザと、
光波を生成するように構成されたスレーブレーザと、
前記マスタレーザによって生成された前記光波に、前記スレーブレーザによって生成された前記光波の位相をロックするように構成された位相ロックループとを備え、
前記光波について前記強度変調の周波数は不等であり、調和関係になく、前記強度変調器は、一意の符号によりそれぞれの光波を符号化する、ＲＦＯＧ。
【請求項３】
少なくとも２つの光波を生成するように構成された少なくとも１つのレーザ（５０）と、
光ファイバループを有し、前記少なくとも１つのレーザによって生成される前記光波が、前記光ファイバループにおいて時計回り（ｃｗ）および反時計回り（ｃｃｗ）の方向に移動することが可能になるように構成された共振器（６８）と、
前記共振器内への導入前に、前記光波の強度変調を行うように構成された少なくとも２つの強度変調器（７２、７４）と、
前記共振器においてｃｗおよびｃｃｗに回転する前記光波の成分を検出するように構成された２つの光検出器（６０、６２）と、
前記光検出器と信号連通しており、前記強度変調に基づいて後方散乱による強度信号を阻止するように、および前記検出された成分に基づいて回転速度を決定するように構成されたプロセッサ（９４）とを含む共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）であって、
前記共振器は、変調不完全性によるエラーを低減するように構成されたキャビティ長変調器をさらに備え、
前記少なくとも１つのレーザは３つのレーザを備え、前記少なくとも２つの強度変調器は、前記３つのレーザのそれぞれ１つとそれぞれが関連している３つの強度変調器を備え、前記強度変調器のうちの２つの出力は、前記共振器内で前記ｃｗまたはｃｃｗの方向の一方に選択的に供給され、前記共振器は、変調不完全性によるエラーを低減するように構成されたキャビティ長変調器をさらに備え、前記光波について前記強度変調の周波数は不等であり、調和関係になく、前記強度変調器は、それぞれの光波を一意の符号により符号化する、ＲＦＯＧ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦＯＧ変調エラー補正に関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）は、光ファイバ共振器の時計回りと反時計回りの共振周波数間で周波数の差を検出することによって、回転を感知する。ファイバ共振器の共振周波数は、狭い帯域の１つまたは複数のレーザによりプローブされる。共振器は、光周波数を光強度に変換する。例えば、図１に示されている反射共振器の場合、光検出器によって検出される光強度は、光周波数が共振周波数から離れたときに最大になるであろう。しかし、光強度は、光周波数が共振周波数に近づいたときに共振周波数で急激に最小に下がる。したがって、共振周波数を検出するための１つの方法は、検出器における最小電力を検出することである。しかし、この方法は、回転感知を行う上で十分な正確さに欠け、したがって、別のさらに正確な方法が必要とされる。
【０００３】
共振周波数の非常に正確な測定は、光の周波数変調もしくは位相変調を用いることによって、または共振器のキャビティ長変調を用いることによって行われることが可能である。図１は、キャビティ長変調を用いる従来技術のＲＦＯＧを示している。図２は、変調により、いかに共振周波数の正確な測定をすることが可能であるかを示している。図２での区分（ａ）は、光の周波数が掃引される場合、光検出器で観測されるであろう共振ディップを示している。区分（ａ）はまた、３つの異なる公称光周波数で、正弦波周波数変調への共振器応答を示している。公称光周波数が共振ディップの中心の右方である場合には、強度信号は、変調周波数にあり、変調により同相である光検出器において存在することになる。公称光周波数が共振ディップの中心の左方である場合には、強度信号は、変調周波数にあるが、変調により１８０度位相がずれている光検出器において存在することになる。理想的な共振器と変調の場合では、公称光周波数が共振周波数である共振ディップの中心にあるとき、光検出器における強度信号は、変調周波数ではなく、変調周波数の偶数次高調波でのみ周波数成分を有するであろう。したがって、共振周波数を検出するのは、変調周波数で強度信号がゼロであるときである。
【０００４】
光検出器は、強度信号を電圧信号に変換する。電圧信号が復調器（位相検波器）を通過する場合、公称光周波数の関数として復調器の出力は、図２の区分（ｂ）に示されているもののように見えることになる。理想的な場合では、復調器の出力は、公称光周波数が正確に共振周波数にあるとき、ゼロを通過する。
【０００５】
図３−１および３−２は、図１に付随する共振追跡電子機器の例を示している。光検出器からのＣＷ信号は、周波数ｆｍで復調される。復調器の出力は、ＣＷ光波がリング共振器の共振周波数上にあるとき、ゼロを横断するエラー信号である。このエラー信号は、積分器によって積分される。積分器の出力は、共振器の共振周波数へのレーザ周波数を制御する。ＣＣＷ制御ループは、積分器の出力が電圧−周波数変換器に進む以外は類似しており、その変換器の出力は、Δｆにあり、回転速度に比例している。
【０００６】
図４は、レーザ光が、コイルを通じて逆伝播することになる２つのビームに分割される前の、そのレーザ光の共通位相変調によるＲＦＯＧを示している。使用可能である多数の種々の位相変調器がある。いくつかの例には、ＰＺＴトランスデューサの周囲に巻かれたファイバ、集積光学チップ、またはバルク電気光学変調器がある。
【０００７】
図５は、レーザ光が、コイルを通じて逆伝播することになる２つのビームに分割される前の、そのレーザ光の共通周波数変調によるＲＦＯＧを示している。レーザ周波数を変調するいくつかの一般的なやり方は、ダイオードレーザもしくはダーオードパンプレーザの注入電流を変調すること、またはＰＺＴもしくは何らかのタイプのＭＥＭＳデバイスによりレーザキャビティの長さを変調することである。
【０００８】
共振周波数を検出する際のエラー、したがって、回転感知の際のエラーを引き起こすことになる不完全性がジャイロにはある。回転感知エラーをもたらす可能性のある２つのタイプの変調器不完全性がある。１つのタイプは、変調器強度変調である。意図された変調がキャビティ長、光周波数または光位相であっても、理想的ではない変調器がまた、変調周波数で成分を有する可能性のある光強度の変調を生成することになる。望ましくない強度変調は、復調器によって検出され、非共振状態を示す信号として解釈されることになる。その場合、共振器追跡電子機器は、標準共振器強度信号が、望ましくない強度信号を正確に相殺するまで、レーザ周波数を共振周波数から遠ざけることになる。共振周波数からの偏位は、望ましくない強度信号が２つの逆伝播光波間で異なる場合、回転感知エラーをもたらす。しかし、望ましくない強度信号が同一に形成可能である場合には、回転感知エラーは生じないであろう。
【０００９】
回転感知エラーをもたらす可能性のあるもう１つの変調器不完全性は、変調ひずみである。変調ひずみは、変調器駆動電子機器または変調器で生じる可能性がある。理想的な変調は、単一の周波数での正弦波変調である。しかし、ひずみは、より高い調波の生成を変調にもたらす可能性がある。高調波変調でさえ、回転感知エラーにつながる可能性のある共振検出エラーをもたらすであろう。
【００１０】
変調器不完全性による回転感知エラーを低減または排除するための１つのやり方は、２つの逆伝播光波の共通変調を用いることである。これは、両方の逆伝播光波について同一の変調器を使用することによって行われる。図１、４および５は、共通変調を用いる様々なＲＦＯＧ構成を示している。同一の変調器を使用することによって、共振検出エラーは、時計回りと反時計回りの両方向について同一になる。回転測定は、検出された時計回りと反時計回りの共振周波数の差であるので、共通エラーが回転測定で相殺（コモンモード阻止）することになる。
【００１１】
共通変調に対する１つの欠点は、ジャイロシステムが、共振器内で光学的後方反射または後方散乱と関連する別の不完全性に敏感になることである。後方散乱光は、２つのタイプのエラーをもたらすことになる。一方のタイプのエラー（干渉タイプ）は、後方散乱波と、光検出器に達するＰ波との間の光学干渉と関連する。他方のタイプのエラー（強度タイプ）は、Ｐ波と全く同様の共振ディップ全体にわたる変調によって変調される後方散乱波の強度と関連する。
【００１２】
従来技術に見られる強度タイプエラーを排除するための方法は、逆伝播ビームが共振器に入る前に、その逆伝播ビームの独立位相変調を用いることである。この方法が、図６に示されている。それぞれのビームの位相変調の周波数は、互いに異なるように、および互いに調和関係にないように設定されている。このように、後方散乱光の強度信号は、Ｐ波の強度信号と同一の周波数になく、信号処理電子機器に用いられる同期復調器によって非常に高い程度に阻止可能である。逆伝播光波の独立変調を用いる欠点は、変調器不完全性がコモンモード阻止により、もはや相殺されないことである。
【００１３】
図７は、図６に付随する共振追跡電子機器の例を示している。光検出器からのＣＷ信号は、周波数ｆｍ，２で復調される。復調器の出力は、ＣＷ光波がリング共振器の共振周波数上にあるとき、ゼロを横断するエラー信号である。このエラー信号は、積分器によって積分される。積分器の出力は、共振器の共振周波数へのレーザ周波数を制御する。ＣＣＷ制御ループは、積分器の出力が電圧−周波数変換器に進む周波数ｆｍ，１で、光検出器からの信号が復調される以外は類似しており、その変換器の出力は、Δｆにあり、回転速度に比例している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
変調器不完全性および後方散乱による回転感知エラーを排除するＲＦＯＧ構成を有する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、強度タイプ後方散乱エラーの阻止を維持しながら、変調エラー補正を行うためのシステムおよび方法を提供する。このシステムの一例は、共通位相／周波数の変調を第１および第２のレーザビームに、第１の強度変調を第１の変調ビームに、および第２の強度変調を第２の変調ビームに与える。次いで、第１および第２のビームは、光学共振器を通じて送られる。次いで、光学共振器から出力された信号が分析される。
【００１６】
分析は、第１のビームの強度変調の周波数に基づいて第１のビームと関連する出力信号を復調することと、第２のビームの強度変調の周波数に基づいて第２のビームと関連する出力信号を復調することとを含む。次いで、復調された出力信号は、共通位相／周波数の変調の周波数に従って復調され、回転速度が、復調信号に基づいて決定される。
【００１７】
本発明の一態様では、強度変調の周波数は不等であり、調和関係になく、強度変調は、それぞれの光ビームを一意の符号により符号化する。
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態を、以下の図面を参照にして、詳細に後述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図８は、変調器不完全性および後方散乱による回転感知エラーを排除する本発明の実施形態を示している。ＲＦＯＧ４０が、光源５０、ビームスプリッタ５２〜５６、光検出器６０、６２、共振器６８、変調器７２、７４、７６および関連の変調用発振器８２、８４、８６、周波数シフタ９０、ならびにプロセッサ９４を含む。
【００１９】
共通キャビティ長変調器７６は、共振検出と、変調不完全性によるエラーを排除することとを行う。キャビティ長変調は、共振器ファイバで巻かれた圧電チューブ、または共振器ミラー上に配置された圧電素子によって行われることが可能である。２つの逆伝播ビームの独立強度変調（強度変調器７２、７４）は、それぞれの光波を一意の符号により符号化するために使用され、それにより後方散乱による望ましくない強度信号は、信号処理によって阻止されることが可能である。意図される強度変調の周波数は、異なって、かつ調和関係になく生成される。したがって、後方散乱による望ましくない強度信号の周波数は、Ｐ波の共振信号と同一ではなく、したがって、プロセッサ９４内に含まれる信号復調器によって阻止されることになる。意図される強度変調の周波数は、互いに異なって、かつ調和関係になく設定され、共通変調は、キャビティ長変調器７６によって行われる。意図される強度変調（変調器７２、７４）は、正弦波または方形波であり得る。強度変調器７２、７４の例は、マッハツェンダ干渉計、ＭＥＭＳベースの強度変調器、または偏光子がそれに続くポッケルスセルを含む集積光学強度変調器を含む。強度変調器７２、７４は、任意のタイプの共通変調により実装可能である。
【００２０】
図９−１および９−２は、図８に付随する共振追跡電子機器の例を示している。ＣＷおよびＣＣＷ信号の双方は、共通変調周波数ｆｍ，３で復調される。光検出器からのＣＷ信号は、周波数ｆｍ，２で変調される。復調器の出力は、ＣＷ光波がリング共振器の共振周波数上にあるとき、ゼロを横断するエラー信号である。このエラー信号は、積分器によって積分される。積分器の出力は、共振器の共振周波数へのレーザ周波数を制御する。ＣＣＷ制御ループは、積分器の出力が電圧−周波数変換器に進む周波数ｆｍ，１で、光検出器からの信号が復調される以外は類似しており、その変換器の出力は、Δｆにあり、回転速度に比例している。
【００２１】
後方散乱エラーの干渉タイプは、反時計回りの光波とは異なる共振周波数上に時計回りの光波をロックすることによって、低減または排除可能である。このように、後方散乱波とＰ波との間の干渉が、２つの波の周波数の差に等しい周波数でエラー信号を生成することになる。種々の共振縦モードに対応する種々の共振周波数上にロックすることによって、周波数の差は非常に高くなり、メガヘルツ−ギガヘルツの範囲になる。回転測定は、典型的には１００Ｈｚより低い周波数で行われるので、干渉タイプの後方散乱による高周波数エラーは、ジャイロ回転信号をローパスフィルタリングすることによって容易に阻止可能である。図１０は、２つのレーザを使用して種々の共振周波数上にロックする従来技術の教示である。この構成では、それぞれのレーザは、共振検出のために異なる周波数で変調され、したがって、変調不完全性に敏感であるという欠点を有する。
【００２２】
図１１−１および１１−２は、図１０に付随する共振追跡電子機器の例を示している。光検出器からのＣＷ信号は、周波数ｆｍ，２で復調される。復調器の出力は、ＣＷ光波がリング共振器の共振周波数上にあるとき、ゼロを横断するエラー信号である。このエラー信号は、積分器によって積分される。積分器の出力は、共振器の共振周波数へのレーザ２周波数を制御する。ＣＣＷ制御ループは、積分器の出力が共振器の共振周波数へのレーザ１周波数を制御する周波数ｆｍ，１で、光検出器からの信号が復調される以外は類似している。
【００２３】
図１２は、２つのレーザの使用（マスタレーザ１２０に位相ロックされるスレーブレーザ１２２）を示している。この方法は、干渉タイプエラーを阻止するように種々の共振モードで動作するための２つの独立周波数を供給することが可能である。スレーブレーザ１２２をマスタレーザ１２０に位相ロックすることによって、マスタレーザ１２０の周波数変調はまた、スレーブレーザ１２２上に現れることになる。これは、真の共通周波数変調ではないが、高帯域幅位相ロックループが用いられる場合、変調ひずみは、マスタレーザ１２０とスレーブレーザ１２２との間に主に見られることになる。したがって、変調ひずみおよび後方散乱エラーは、独立強度変調が用いられる場合、２つ以上のレーザ構成について低減または排除されることが可能である。この構成に対する１つの欠点は、２つのレーザの望ましくない強度変調がさらに、かなりまれな成分を有する場合もあることであり、その成分はコモンモード阻止によって排除されないであろう。
【００２４】
図１３−１および１３−２は、図１２に付随する共振追跡電子機器の例を示している。光検出器からのＣＷ信号は、周波数ｆｍで復調される。復調器の出力は、ＣＷ光波がリング共振器の共振周波数上にあるとき、ゼロを横断するエラー信号である。このエラー信号は、積分器によって積分される。積分器の出力は、共振器の共振周波数へのレーザ２周波数を制御する。ＣＣＷ制御ループは、積分器の出力が共振器の共振周波数へのレーザ１周波数を制御する以外は類似している。
【００２５】
図１４は、２つのレーザ構成１８０と共に用いられる本発明の例を示している。この構成の１つの欠点は、２つのレーザ１８２、１８４の望ましくない強度変調がさらに、かなりまれな成分を有する場合もあることであり、その成分はコモンモード阻止によって排除されないであろう。しかし、強度サーボループを用いることによる強度制御の使用など、望ましくない強度変調の効果を低減するための別のやり方が用いられることが可能である。
【００２６】
図１５−１および１５−２は、図１４のシステムについて共振追跡電子機器の例を示している。ＣＷおよびＣＣＷ信号の双方は、共通変調周波数ｆｍ，３で復調される。光検出器からのＣＷ信号は、周波数ｆｍ，２で復調される。復調器の出力は、ＣＷ光波がリング共振器の共振周波数上にあるとき、ゼロを横断するエラー信号である。このエラー信号は、積分器によって積分される。積分器の出力は、共振器のＣＷ共振周波数へのレーザ２周波数を制御する。ＣＣＷ制御ループは、積分器の出力が共振器のＣＣＷ共振周波数へのレーザ１周波数を制御する周波数ｆｍ，１で、光検出器からの信号が復調される以外は類似している。
【００２７】
図１６は、共通キャビティ長変調、独立強度変調、および２つのレーザ２２２、２２４の使用を用いるＲＦＯＧ構成２２０を示している。
図１７は、類似の構成２８０を示しているが、３つのレーザ２８２〜２８６を有している。これらの２つの構成の利点は、複数の回転感知エラーが低減または排除されることである。共通キャビティ長変調は、変調器不完全性によるエラーを排除し、独立強度変調は、後方散乱による強度タイプエラーを排除し、複数のレーザの使用は、後方散乱による干渉タイプエラーを排除するための手段を提供する。さらには、３つのレーザ構成２８０では、独立強度変調器２９０、２９２は、それぞれのレーザビームを一意の符号により符号化し、それにより、信号処理は、第２のレーザ２８４および第３のレーザ２８６と関連する信号を分離することが可能になり、双方のレーザは、光を、共振器内の同一の方向におよび同一の光検出器上に送る。
【００２８】
図１８−１および１８−２は、図１７に示されているシステムについて共振追跡電子機器の例を示している。光検出器からのＣＷ信号は、２つのチャネルに分割される。双方のチャネルは、共通変調周波数ｆｍ，４で復調される。次いで、レーザ２を制御するために使用されるチャネルは、ｆｍ，２で復調される。レーザ３を制御するために使用されるチャネルは、ｆｍ，３で復調される。ＣＣＷ信号は、ｆｍ，４で、次いでｆｍ，１で復調される。積分器の出力は、共振器のＣＣＷ共振周波数へのレーザ１周波数を制御する。
【００２９】
図１９は、上に示したシステムに含まれるプロセッサ（例えば、プロセッサ９４）によって実行されるプロセスの一例３００を示している。まず、ブロック３０４において、共通位相／周波数変調が第１および第２のレーザビームに与えられる。ブロック３０８において、第１の強度変調が第１の変調ビームに与えられる。ブロック３１０において、第２の強度変調が第２の変調ビームに与えられる。ブロック３１２において、第１および第２のビームが光学共振器を通じて送られる。ブロック３１６において、光学共振器から出力された信号が分析される（図２０を参照されたい）。
【００３０】
図２０は、図１９のブロック３１６において実行されるプロセスを示している。まず、ブロック３２４において、第１および第２のビームと関連する出力信号が、共通変調の周波数に従って復調される。次いで、ブロック３２６において、第１のビームと関連する信号が第１のビームの強度変調の周波数に基づいて復調される。ブロック３２８において、第２のビームと関連する出力信号が第２のビームの強度変調の周波数に基づいて復調される。ブロック３３２において、回転速度が、復調信号に基づいて決定される。復調の段階は、様々な順序で実行可能である。
【００３１】
プロセッサは、アナログおよび／またはデジタルのプロセッサであってよい。
独占的権利または特権が請求される本発明の実施形態を添付のように定義する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術の実施形態を示す図である。
【図２】従来技術の実施形態を示す図である。
【図３】図３−１は従来技術の実施形態を示す図である。図３−２は従来技術の実施形態を示す図である。
【図４】従来技術の実施形態を示す図である。
【図５】従来技術の実施形態を示す図である。
【図６】従来技術の実施形態を示す図である。
【図７】図７−１は従来技術の実施形態を示す図である。図７−２は従来技術の実施形態を示す図である。
【図８】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図９】図９−１は本発明の実施形態を示す概略図である。図９−２は本発明の実施形態を示す概略図である。
【図１０】従来技術の実施形態を示す図である。
【図１１】図１１−１は従来技術の実施形態を示す図である。図１１−２は従来技術の実施形態を示す図である。
【図１２】従来技術の実施形態を示す図である。
【図１３】図１３−１は従来技術の実施形態を示す図である。図１３−２は従来技術の実施形態を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図１５】図１５−１は本発明の実施形態を示す概略図である。図１５−２は本発明の実施形態を示す概略図である。
【図１６】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図１７】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図１８】図１８−１は本発明の実施形態を示す概略図である。図１８−２は本発明の実施形態を示す概略図である。
【図１９】本発明により行われるプロセスの一例を示す流れ図である。
【図２０】本発明により行われるプロセスの一例を示す流れ図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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