(57)【要約】光ファイバージャイロスコープ（１２）から出力される電気信号を増幅するように配置した可変利得増幅器（２０）の利得は実際の利得レベルとは無関係に安定した自動利得制御（ＡＧＣ）応答を提供するように制御される。摂動注入回路（１４）が摂動信号±ｄを光ファイバージャイロスコープ（１２）に接続した位相変調器（１６）に与える。摂動補償回路（２４）が摂動補償信号を可変利得増幅器（２０）から出力される信号に加えて可変利得増幅器（２０）から出力される増幅信号内の摂動の大きさを減じるとによって補償された信号を生成する。摂動補償回路（２８）に接続した利得エラー回路（２８）が摂動補償後に増幅信号内に残る摂動信号の大きさを表す利得エラー信号を生じる。フィードバックシステム（３２，３４）が利得制御信号を可変利得増幅器（２０）に与えて利得エラー信号の大きさを減じる。
2004516695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源（１２）から出力される信号を表わす電気信号を受けて増幅信号を提供するように配置した非線形可変利得増幅器（２０）の利得を制御する閉ループ利得制御回路であって、
摂動信号±ｄを提供するように配置した摂動注入回路（１４）と、
摂動注入回路と信号源（１２）との間に接続して信号源から出力される信号を位相変調する位相変調器（１６）と、
可変利得増幅器（２０）から出力される信号に摂動補償信号を加えるように配置され、可変利得増幅器（２０）から出力される増幅信号内の摂動の大きさを減じて補償された信号を提供する摂動補償回路（２４）と、
摂動補償回路（２４）に接続されて摂動補償後に増幅信号内に残る摂動の大きさを示す利得エラー信号を生じるように配置した利得エラー回路（２８）と、
利得エラー回路（２８）と可変利得増幅器（２０）の間に接続されて可変利得増幅器（２０）に利得制御信号を与えて利得エラー信号の大きさを減じるように配置したフィードバックシステム（３２，３４）と
を備える閉ループ利得制御回路。
【請求項２】
摂動補償回路は
可変利得増幅器から出力される増幅信号を受けるように接続したアナログデジタル変換器（２２）と、
アナログデジタル変換器（２２）から入力される第一信号と摂動を補償する第二信号入力±ｒｄを受けるように配置した加算接続部（２５）と
を含む請求項１の回路。
【請求項３】
利得エラー回路（２８）は加算接続部（２５）に接続されて補償信号を復調することにより利得エラー信号を生じるように配置した利得エラー復調器（５２）を含む請求項２の回路。
【請求項４】
利得エラー回路（２８）は更に
利得エラー復調器（５２）から出力される信号を受けるように接続した積分器（７６）と、
可変利得増幅器（２０）と積分器（７６）との間に接続したデジタルアナログ変換器（８２）と
を含む請求項３の回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は概ね光ファイバージャイロ方式における信号処理に関する。特に、本発明は光ファイバージャイロスコープの信号処理方式の自動利得制御（ＡＧＣ）回路に関する。更には、本発明は実際の利得水準とは無関係に安定した応答を達成するＡＧＣ回路に関する。
【０００２】
閉ループ光ファイバージャイロスコープは回転速度により誘導される微分位相差を捕捉するために高帯域幅、高性能の信号処理体系を必要とする。１９９９年３月１６日付で、マークおよびタザーツに付与され、本発明の承継人であるリットンシステムズインコーポレーテッドに譲渡された米国特許第５，８８３，７１６号に、制御ループの記載が含まれる。ループ利得に幅広い変化を受容しつつ所要の高度の性能を達成するには、積極的な利得制御体系が必要である。ループ利得変化は光源の経年と、運転温度範囲全般での光出力または損失の変化と、それに光検出器のような電子光学要素の感温性とによるものである。加えて、光信号は構成要素と製造上の許容誤差により機器ごとに大きな量で変化しうる。
【０００３】
自動利得制御ループは従って過去には全ループ利得を一定にとどまらせるように利用され、それは最大の帯域幅と高度のループ応答を得るに必須である。過去には、アナログ倍率器が光ファイバージャイロスコープの検出径路における利得ステージとして使用された。この装置は理想的な線形制御法（つまり、利得は印加制御電圧に正比例する）を提供したが、多数の望ましからざる特性を示した。それには帯域幅の制限、ノイズ、コスト、信号レベルの関数としての直線性が含まれる。
【０００４】
高性能で低ノイズの光ファイバージャイロスコープのためには、従って交番利得制御ブロックが考慮された。これは、ｄＢでの利得が印加制御電圧に比例する可変利得増幅器である。本質においてこれは、増幅器の利得がそれ以前の実施例におけるような一次関数に対比して印加制御電圧の指数関数であるように見せる。これら装置は、入手容易であり、よい低ノイズで、信号利得直線性の本質的な低落なしにより広範囲の利得調整を提供する。１０：１の利得範囲がかかる装置で容易に達成しうる。
【０００５】
このような可変利得増幅器を光ファイバージャイロスコープ回路に適応させようとする欲求は本発明が適用される新たな課題を持ち込んだ。非線形利得制御法のために、ＡＧＣ（自動利得制御）自体の時定数または応答時間は高度に可変であり、従って急速運転開始能力や急速に変化を観測する能力が制限される。
【０００６】
（発明の要約）
本発明は実際の利得レベルとは無関係に安定したＡＧＣ応答を提供することによって公知技術の欠陥を除去する。
【０００７】
光ファイバージャイロスコープからの光信号信号出力を表わす電気信号を増幅するように配置された可変利得増幅器の利得を制御するための本発明による閉ループ利得制御回路は、摂動信号（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ）±ｄを提供するように配置した摂動注入回路を備える。位相変調器が摂動注入回路と光ファイバージャイロとの間に接続される。位相変調器は摂動を光ファイバージャイロスコープに与えて摂動信号がジャイロ出力に重畳されるように配される。可変利得増幅器が光ファイバージャイロスコープからの光信号信号出力を表わす電気信号を受けて増幅信号を出力するように配される。摂動補償回路が可変利得増幅器からの出力信号に摂動補償信号を加えるように配される。摂動補償回路は可変利得増幅器からの増幅信号出力中の摂動の大きさを減じて補償信号を生じる。利得エラー回路が摂動補償回路に接続される。利得エラー回路は摂動補償後に増幅信号中に残る摂動信号の大きさを表わす利得エラー信号を生じる。システムプロセサが利得エラー回路と可変利得増幅器の間に接続される。システムプロセサは利得制御信号を可変利得増幅器に与えて利得エラー信号の大きさを減じる。
【０００８】
（発明の詳細な説明）
図１において、光ファイバー回転センサシステム１０は、周知のサニャック効果（ｓａｇｎａｃ ｅｆｆｅｃｔ）によって感知コイル面に直角の感知軸についての回転を検出する光ファイバー感知コイル（図示せず）を有する光ファイバージャイロスコープ１２を含む。光ファイバージャイロスコープ１２は感知コイル内の対抗伝播波間の干渉で決まる変動強度の光信号を生じる。干渉パターンは感知コイルのその感知軸の回転率を示す。
【０００９】
本発明は摂動信号を変調器１６に与える摂動注入回路１４を含む。変調摂動信号が変調器１６から光ファイバージャイロスコープ１２に入力される。変調摂動信号が、サニャック効果に従って光ファイバージャイロスコープ１２が生じる光信号に重畳される。
【００１０】
光ファイバージャイロスコープ１２からの信号出力は光検出器１８に入射され、光検出器１８は光ファイバージャイロスコープ１２からの光出力の強さを表わすアナログ電気信号を生じる。光検出器１８からの電気信号は次いで可変利得増幅器２０によって増幅される。増幅されたアナログ信号はアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器２２に入力され、そこで光ファイバージャイロスコープ１２の出力を更に処理する際に使用されるデジタル信号が生成される。
【００１１】
Ａ／Ｄ変換器２２からのデジタル信号出力は注入された摂動を補償する補償回路２４に入力される。補償回路２４の出力は速度復調処理回路２６と復調器２８に入力される。
【００１２】
速度復調処理回路２６は回転速度を決定する。回転速度を表わす信号が速度復調処理回路２６によって出力され、ジャイロ制御ループおよび変調制御回路３０に入力される。光ファイバ回転センサ１０は、位相をゼロにする周知の構成（Ｗｅｌｌ−ｋｎｏｗｎ ｐｈａｓｅ ｎｕｌｌｉｎｇ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に配置される。従ってジャイロ制御ループおよび変調制御回路３０は変調器１６に信号を与えて、サニャック効果で生じた感知コイル内の移相をゼロにする。
【００１３】
復調器２８は可変利得増幅器２０の利得中のエラーを検出する。利得エラーを示すデジタル信号が線形化および積分回路３２に入力され、回路３２は線形化積分利得エラー信号をデジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換器３４に与える。Ｄ／Ａ変換器３４は次いでアナログ利得エラー信号を可変利得増幅器２０の利得制御入力に与える。
【００１４】
ＡＧＣ機能が、既知の摂動±ｄをループに注入し、補償の極性に基づいた適宜の符号で結果的な補償信号を復調することによって達せられる。
【００１５】
本発明に用いられる可変利得増幅器２０はｄＢ利得が制御電圧に比例する可変利得素子を用いる。公知の設計は線形増幅器（図示しない）を用いた。可変利得増幅器２０が与える非線形特性は利得制御ループ内で有利に使用される。
【００１６】
図２は本発明によるＡＧＣ方式のブロック図の詳細である。光ファイバージャイロスコープ１２はサニャック移相と変調器１６が生じた移相の合計に応答する。加算接続部（ｓｕｍｍｉｎｇ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）４０が位相変調器１６からの信号入力と、角速度Ωで誘導された移相を表わす信号（ＳＳＦ）ΩであってＳＳＦが光ファイバージャイロスコープ１２にサニャックのスケールファクターを表わすものとを受ける。加算接続部４０は位相変調器１６から受けた信号をスケールファクターによって加算し、光ファイバージャイロスコープ１２に入力される信号を合計する。光ファイバージャイロスコープ１２はサニャック効果を用いて、感知コイル内の変調対抗伝播波間の位相差をФＭとする信号
2004516695.tif 000003
を生じる。光ファイバージャイロスコープ１２の光信号出力は光検出器１８により電気信号に変換される。光検出器１８はそれ自身の電流出力を入射される光力に関係させるスケールファクターＫｐｄを有する。代表的に光検出器はスケールファクターＫｐｄ＝０．９Ａ／Ｗを有する。
【００１７】
光検出器出力は次いでスケールファクターＫＴ１を有するトランスインピーダンス増幅器４２によって増幅される。このトランスインピーダンス増幅器Ｋ４２は光検出器１８と可変利得増幅器２０との間に接続され、光検出器１８の出力インピーダンスを可変利得増幅器２０の入力インピーダンスに調和させるように作用する。増幅された可変利得増幅器２０の電気信号出力は、望ましくは約０．６としたスケールファクターｋｆｉｌｔを有するフィルター回路４４に入力される。
【００１８】
フィルター回路４４の信号出力はＡ／Ｄ変換器２２に入力され、そこではアナログ電気信号が光ファイバージャイロスコープの出力を処理しかつ可変利得増幅器２０のＡＧＣを行うために使用されるデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器２２のデジタル信号出力はスケーリング回路４６に入力される。Ａ／Ｄ変換器２２およびスケーリング回路４６は共に望ましくは約６５５４ビット／ボルトとしたスケールファクターＫＡを有する。
【００１９】
スケーリング回路４６の出力は加算接続部２５に入力され、この接続部はまたデイザー補償（ｄｉｔｈｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）用に用いる入力信号±ｒｄを受ける。加算接続部２５が出力する信号は速度ループ制御回路５０とＡＧＣ復調器５２とに入力される。
【００２０】
速度ループ制御回路５０は信号で動作する１つまたはそれ以上の積分器を含み得る。１９９９年３月１６日付でマークおよびタザーツに交付され、本発明の承継人であるリットンシステムズインコーポレーテッドに譲渡された米国特許第５，８８３，７１６号は本発明における速度ループ制御回路として使用し得る速度ループ制御回路を開示する。速度ループ制御回路５０の出力は２８の利得を速度ループ制御回路５０の出力に加えるデジタル利得回路６４に入力される。デジタル利得回路６４の出力は加算接続部６６に入力され、デイザー信号±ｄによる変調が行われる。デイザーが回路に導入された後、加算接続部６６の出力がスケーリング回路７０に入力されるランプ信号出力を生じる加算回路６８に入力される。スケーリング回路７０はランプ信号に２−１６を乗算して出力信号を乗算器７２に与え、乗算器７２はまた位相変調器スケールファクターＰＭＳＦを示す信号を受ける。乗算器７２が出力する信号はＤ／Ａ変換器７６に入力され、デジタル信号入力が位相変調器１６に入力するに適したアナログ信号に変換される。
【００２１】
ＡＧＣ復調器５２へのデイザー補償信号入力は補償の極性に基づいた適宜の符号で復調される。復調信号は次いで積分器７８に入力され、積分器７８は出力をシステムプロセサ８０に与える。理想的には、光ファイバージャイロスコープ信号径路の前進利得が正しければ、補償±ｒｄは摂動によって生じた信号を正確にキャンセルし、復調値は零となる。しかし、利得が誤りであれば、残存信号が生き残り、非零復調値に帰着する。復調値の符号と大きさは利得が高いか低いか、どれほどの価値かを示す。システムプロセサ８０は利得制御信号を発生して利得を調整し、それに応じて残存信号を零にする。システムプロセサ８０からの利得制御信号は利得制御Ａ／Ｄ変換器８２に入力され、この変換器は次いでアナログ利得制御信号を可変利得増幅器２０の利得制御入力に与える。
【００２２】
下記の数学的分析は本発明が提供するＡＧＣ機能の動作方法の更なる詳細を説明する。増幅器２０についての利得特性は
2004516695.tif 000004
2004516695.tif 000005
で与えられ、αは定数、Ｖは増幅器２０の利得制御入力に加えられる電圧である。
【００２３】
ｄＢで表される利得は
2004516695.tif 000006
2004516695.tif 000007
で、ｇ０は標準化利得、２０αはｄＢ／ボルトにおける利得感度である。
【００２４】
あるいは、利得制御法はＤ／Ａ変換器３４を駆動するバイナリ制御語に関連するように書き換えることができ、変換器３４は制御電圧を発生する。従って利得は
2004516695.tif 000008
2004516695.tif 000009
で与えられ、βはＤ／Ａ変換器３４に書き込まれるデジタル制御語（例えば１／２５６  １／ｂｉｔ）、ｂはバイナリ制御語におけるビットの数（例えば０と２５５ビットの間）である。
【００２５】
利得はまた下記の表現
2004516695.tif 000010
2004516695.tif 000011
を用いて表現することもでき、２０βはｄＢ／ビットでの利得感度である。β／αはボルト／ビットでのＡＧＣ・ＤＡＣスケールファクタであることに留意すべきである。
【００２６】
図２において摂動±ｄの注入点からＡＧＣエラーが検出される復調器２８までのループ後は（復調後）
2004516695.tif 000012
2004516695.tif 000013
を生じる。
【００２７】
全ループ利得を満足する利得Ｇ０＝Ｇ（ｂ０）は下記の関係式
2004516695.tif 000014
2004516695.tif 000015
および
2004516695.tif 000016
2004516695.tif 000017
で定義され、ＧＬは所望の全ループ利得である。かくて下記の等式
2004516695.tif 000018
2004516695.tif 000019
および
2004516695.tif 000020
2004516695.tif 000021
が得られる。
【００２８】
量Ｇ（ｂ）は
2004516695.tif 000022
2004516695.tif 000023
で定義し、εは利得エラーとする。等式（１０）を等式（９）に用いれば、
2004516695.tif 000024
2004516695.tif 000025
の結果が得られる。
【００２９】
実際上はＡＧＣエラー信号は多数回のジャイロ経過時間で合計される。ジャイロ経過時間は光信号が感知コイルの全長に伝播するに要する時間間隔である。結果的な合計は
2004516695.tif 000026
2004516695.tif 000027
で表され、ΔＴは積分時間、τは経過時間である。相対的な利得エラーの評価は
2004516695.tif 000028
2004516695.tif 000029
で与えられる。
【００３０】
利得制御法は
2004516695.tif 000030
2004516695.tif 000031
で表され、Δｂは利得制御Ｄ／Ａ変換器３４内のエラーである。
【００３１】
等式（１４）の自然対数を取れば
2004516695.tif 000032
2004516695.tif 000033
が得られる。
【００３２】
Δｂについて等式（１５）を解けば
2004516695.tif 000034
2004516695.tif 000035
が得られる。等式（１６）はεについて微分され、
2004516695.tif 000036
2004516695.tif 000037
を生じる。この等式（１７）を用いて線形化更新等式
2004516695.tif 000038
2004516695.tif 000039
が形成され、再配置して
2004516695.tif 000040
2004516695.tif 000041
が生じるが、ｔＣはＡＧＣループ用の所望の時定数である。上記各等式の安定性を確実にするため、
2004516695.tif 000042
の値は利得範囲に従って制限されるべきである。１０から１までの範囲では、制限は
2004516695.tif 000043
である。
【００３３】
図３は増幅器２０の利得を制御するために用いうる信号処理のアルゴリズムを示す。始めに
2004516695.tif 000044
2004516695.tif 000045
であり、τはループ経過時間、
ΔＴは復調器積分時間、
ｓはループ制御器位相カウント、
ＧＬは一次ループ利益（速示制御には１．０、積分制御には０．２）、
ｄはデイザー摂動値である。
【００３４】
2004516695.tif 000046
2004516695.tif 000047
においてｔｃは所望のＡＧＣループ時定数、２０βはｄＢ／ビットでの可変利得増幅器感度である。
【００３５】
利得制御コマンドｂは値
2004516695.tif 000048
2004516695.tif 000049
に設定され、ここにｂｉｎｉｔはメモリから読み出される初期利得制御Ｄ／Ａ変換器３４コマンドである。積分間隔（つまりΔΤごと）で
2004516695.tif 000050
2004516695.tif 000051
であり、ΣＤは間隔ΔＴの間に積分された復調器出力である。評価された利得エラーεは〔−０．９，０．９〕に限定される。利得制御Ｄ／Ａ変換器３４に供給されるデジタル利得制御コマンドｂは
2004516695.tif 000052
2004516695.tif 000053
と書かれる。
【００３６】
このアルゴリズムで用いられる各パラメータの名目的な値は下記の表に示される。
2004516695.tif 000054
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による自動利得制御回路を含む光ファイバージャイロスコープシステムの簡略なブロック図、図２は図１の光ファイバージャイロスコープシステムの一次ループのブロック図、図３は本発明に含まれるアルゴリズムのブロック図である。
符号の説明
１０    光ファイバー回転センサシステム
１２    光ファイバージャイロスコープ
１６    変調器
１８    光検出器
２０    可変利得増幅器
２２    Ａ／Ｄ変換器
２４    補償回路
２６    速度復調処理回路
２８    復調器
３０    ジャイロ制御ループ・変調制御回路
３２    線形化・積分回路
３４    Ｄ／Ａ変換器
４０    加算接続部
４４    フィルター回路
４６    スケーリング回路
５０    速変ループ制御回路
５２    ＡＧＣ復調器
６４    デジタル利得回路
６６    加算接続部
６８    加算回路
７２    乗算器
７６    Ｄ／Ａ変換器
７８    積分器
８０    システムプロセサ
８２    利得制御Ａ／Ｄ変換器
【図１】
2004516695.tif 000055
【図２】
2004516695.tif 000056
【図３】
2004516695.tif 000057
【国際公開パンフレット】
2004516695.tif 000058
2004516695.tif 000059
2004516695.tif 000060
2004516695.tif 000061
2004516695.tif 000062
2004516695.tif 000063
2004516695.tif 000064
2004516695.tif 000065
2004516695.tif 000066
2004516695.tif 000067
2004516695.tif 000068
2004516695.tif 000069
2004516695.tif 000070
2004516695.tif 000071
2004516695.tif 000072
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004516695.tif 000073
2004516695.tif 000074
【国際調査報告】
2004516695.tif 000075
2004516695.tif 000076