(57)【要約】【課題】フィードバック変調器の周波数依存性に対する回転速度測定の感度を低減するためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】このシステムおよび方法は、最小バイアススイッチング技術を使用して、低周波数数および高周波数に関連する異なる移相による位相変調器（１１４）を有する閉ループ光ファイバジャイロスコープにおいて、低周波数２πリセットに関連する速度誤差を低減する。一般に、最小バイアススイッチング技術は、２πリセットの周波数を増すことによってフィードバック変調駆動の低周波数成分を低減する。結果として、このシステムおよび方法は、フィードバック変調器駆動の低周波数成分を低減して、低周波数２πリセットと共に発生する誤差を回避する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２πリセット有りの予測積分バイアス電圧を、２πリセット無しの予測積分バイアス電圧と比較するように適合され、その比較に応答して、２πリセット無しの前記予測積分バイアス電圧が２πリセット有りの前記予測積分バイアス電圧より大きいとき、２πリセットを前記光ファイバジャイロスコープに導入するように動作可能である、閉ループ光ファイバジャイロスコープのためのバイアススイッチング機構（１３０）。
【請求項２】
前記バイアススイッチング機構（１３０）は、２πリセット有りの将来のフィードバック電圧、および２πリセット無しの将来のフィードバック電圧を予測するように適合され、前記バイアススイッチング機構（１３０）は、前記２πリセット有りの前記予測積分バイアス電圧を２πリセット有りの前記予測された将来のフィードバック電圧から決定するようにさらに適合され、２πリセット無しの前記予測積分バイアス電圧を２πリセット無しの前記予測された将来のフィードバック電圧から決定するようにさらに適合されている、請求項１に記載のバイアススイッチング機構（１３０）。
【請求項３】
フィードバック電圧を受信し、フィードバック電圧に応答して、２πリセット有りの将来のフィードバック電圧、および２πリセット無しの将来のフィードバック電圧を予測するように適合されたフィードバック電圧予測器（７０２）と、
２πリセット有りの積分バイアス電圧を、少なくとも部分的には２πリセット有りの前記将来のフィードバック電圧に基づいて予測するように適合され、２πリセット無しの積分バイアス電圧を、少なくとも部分的には２πリセット無しの前記将来のフィードバック電圧に基づいて予測するようにさらに適合された積分器（７０４）と、
２πリセット有りの前記積分バイアス電圧を、２πリセット無しの前記積分バイアス電圧と比較するように適合された比較器（７０６）と、
２πリセット無しの前記予測積分バイアス電圧が２πリセット有りの前記予測積分バイアス電圧より大きいとき、２πリセットを前記光ファイバジャイロスコープに選択的に導入するように適合されたスイッチング機構（７０８）と、
を備える、通過時間を有する光路を含む光ファイバジャイロスコープのためのバイアススイッチング機構（７００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に光ファイバジャイロスコープに関し、より詳細には、閉ループ光ファイバジャイロスコープのフィードバック変調に関する。
【背景技術】
【０００２】
連邦政府より後援を受けた研究または開発に関する記載
本発明は、Ｂｏｅｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから授与された契約００９Ｚ９００４で政府支援により作成されたものである。政府は本発明における一定の権利を有する。
【０００３】
光ファイバジャイロスコープは、このようなジャイロスコープを支持する物体の回転を正確に検知するために使用される。光ファイバジャイロスコープは、かなり小型に作成することができ、相当な衝撃、温度変化、および他の極端な環境に耐えるように構成することができる。可動部がないので、光ファイバジャイロスコープはほぼ保守不要にすることができる。さらに、光ファイバジャイロスコープは、他の種類の光ジャイロスコープで問題になる可能性のある、非常に低い回転速度（回転率）に対する感度を高くすることができる。
【０００４】
通常の光ファイバジャイロスコープは、コア上で軸の周囲に巻き付けられたコイル状の光ファイバを含み、この周囲で回転が検知される。光ファイバは、閉じた光路を提供し、この中で電磁波が導入され、一対の波に分波され、これらの波は反対方向に伝播し、最終的に光検出器に衝突する。使用中に、コアの検知軸の周囲の回転は、ある回転方向の光路の長さを実質的に増し、他方の回転方向の光路の長さを減らす。結果として生じる光路の長さの差は、反対方向に伝播する波の間に移相をもたらす結果となる。この結果は一般に、サニャック効果と呼ばれる。光ファイバジャイロスコープでは、サニャック効果の結果生じる移相が、軸の周囲の回転を決定するために使用される。具体的には、反対方向に伝播する波は、再び結合されて光検出器上に衝突するときに干渉し、これが結合波の強度を測定する。光検出器の出力は干渉の量の尺度であり、対向伝播ビームにおける位相差を決定するために使用され、よって、軸の周囲の回転を決定するために使用される。
【０００５】
多数の光ファイバジャイロスコープでは、コイル状の光ファイバの一方の側または両側の光路に光位相変調器を配置することによって、移動する電磁波が変調される。この変調は、光ファイバにおいて入ってくる波および出ていく波に移相を導入することによって、方向の曖昧さを克服するために使用される。一例として、位相変調は、光位相変調器の電極に渡って変調信号を適用することによって達成される。通常、変調信号は、コイル中の光の通過時間の２倍に等しい周期による方形波である。変調信号は光検出器に、二乗余弦インターフェログラムにおける２つの異なるポイントで強度を測定させる。回転速度および方向を次いで、これらの２つの異なる測定ポイントにおける放射強度の差によって決定することができる。
【０００６】
いくつかの光ファイバジャイロスコープは、閉ループの方法で動作する。閉ループ動作では、バイアス変調に加えて、回転誘導移相に等しいおよび反対の追加の移相が導入される。具体的には、閉ループ動作では、サーボが、２つの異なる測定ポイントにおける放射強度の差をゼロに保つために必要とされるフィードバック位相を導入する。このような閉ループ動作では、次いで、測定された光検出器強度の差をゼロにするために必要とされるフィードバック移相を測定することによって、回転速度を決定することができる。閉ループ動作は多数の利ポイントを有する。例えば、開ループ動作と比較して、出力はより安定し、線形である。加えて、フィードバック位相を測定することによって速度が決定されるので、結果として生じる出力は、光検出器で測定された合計強度に依存せず、よって、温度、放熱または振動からの強度の変化に対する感受性がより少ない。
【０００７】
閉ループ光ファイバジャイロスコープの１つの問題ポイントは、強度差をゼロにするために必要とされる移相が光変調器の出力範囲を超えて増大する可能性があるポイントである。例えば、定速回転の状況では、強度差をゼロにするために必要とされる移相は継続増大ランプとなる。しかし、供給される可能性のある変調の量は、光変調器の回路および範囲によって制限される。この問題を回避するため、フィードバック変調が光変調器の駆動電圧制限に近づくとき、リセット電圧がフィードバック変調に対して加算または減算される。例えば、速度誤差を生じることなく、２πの位相変化に対応するリセット電圧をフィードバック変調電圧に対して加算または減算することができる。このフィードバック変調電圧の周期的な調整は一般に２πリセットと呼ばれる。
【０００８】
閉ループ光ファイバジャイロスコープへの重要な実現技術は、適用された電気信号を光移相に変換する光導波装置である。いくつかの材料は、電場を光移相に変換する能力を保有し、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）が一般的に使用される材料である。ニオブ酸リチウムまたは他の適切な材料において形成された導波路に渡って適用された電場は、導波路内の屈折率を変化させ、よって、光波の位相を、適用された場の方向に応じて前進または遅延させる。仮想の完全な変調器では、適用された電圧Ｖ（ｔ）から得られた位相変調φ（ｔ）は以下の通りである。
【０００９】
【数１】
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【００１０】
ただし、Ｖπは変調器の電気−光学利得である。
【００１１】
完全な変調器では、Ｖπは定数である。残念ながら、実際の変調器では、Ｖπはしばしば、温度、放熱および湿度など、多数の環境要因に依存する可能性がある。変化するＶπを計上するために、Ｖπは通常、様々な変調技術を使用して測定される。Ｖπの正確な知識は、フィードバックランプがリセットするたびに完全な２πステップを保証するために必要とされる。リセットが２πを超えるかまたは２πに達しない場合、速度誤差が生じる。
【００１２】
Ｖπ測定システムによって対処されない問題は、Ｖπがまた適用電圧の周波数にも依存する可能性があることである。このような周波数依存性のための機構は、ニオブ酸リチウムにおける捕獲電荷またはニオブ酸リチウム表面における吸水を含む。これらの機構は、湿度、温度、圧力、放熱および時間によって影響を受ける可能性がある。ラプラス領域で書かれた、変調器力学の単純な一次時不変モデルは、位相変調φ（ｓ）を適用電圧Ｖ（ｓ）に関係付ける。
【００１３】
【数２】
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【００１４】
ｄ＝１であるとき、伝達関数は恒等であり、変調器のステップ応答および周波数応答は共に完全である。ｄ≠１であるとき、初期ステップ応答はまだ良好であり、十分高い周波数性能に対応するが、ステップ入力のサイズのｄ倍の安定した状態値に対する、時定数ｔＣによる指数関数的減衰がある。この減衰は、変調器の低下された低周波数数性能に対応する。閉ループ光ファイバジャイロスコープが２πリセットコマンドを駆動電圧制限で発するとき、初期変調器応答は良好である。変調器のステップ応答の減衰による、後続の変化する位相変調は、回転誘導サニャック移相と区別できない移相をもたらす結果となる。回転は、誘導移相をゼロにするために必要とされるフィードバック電圧に基づくので、Ｖπの周波数依存性は、いくつかの応用例では著しくなる可能性のある速度誤差を導入する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
よって、必要とされるものは、フィードバック変調器の周波数依存性に対する速度測定の感度を低減するためのシステムおよび方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、フィードバック変調器の周波数依存性に対する回転速度測定の感度を低減するためのシステムおよび方法を提供する。具体的には、このシステムおよび方法は、最小バイアススイッチング技術を使用して、低周波数数および高周波数に関連する異なる移相による位相変調器を有する閉ループ光ファイバジャイロスコープにおいて、低周波数２πリセットに関連する速度誤差を低減する。一般に、最小バイアススイッチング技術は、２πリセットの周波数を増すことによってフィードバック変調駆動の低周波数成分を低減する。結果として、このシステムおよび方法は、フィードバック変調器駆動の低周波数成分を低減して、低周波数２πリセットと共に発生する誤差を回避する。
【００１７】
動作においては、最小バイアススイッチング技術は、変調器バイアスと呼ばれる変調器駆動の積分電圧を２πリセットが低減すると予測される場合、このようなリセットを実行する。具体的には、最小バイアス技術は、２πリセットの有無の両方について、積分変調器バイアスを予測する。次いで、最小バイアス技術は、積分変調器バイアスが最もゼロに近くなる結果となるオプションを選択する。よって、リセットが積分バイアス電圧の大きさを低減するようになる場合、リセットが実行される。そうではなく、リセットがその大きさを増す場合は、実行されない。
【００１８】
積分バイアス電圧を予測し、２πリセットを選択的に実行した結果、２πリセットは、積分バイアス電圧をゼロに近づけるように駆動するように選択された高周波数で実行される。フィードバック変調の低周波数数内容を低減することによって、このシステムおよび方法は、低周波数数および高周波数で異なる応答を有する位相変調器に関連する誤差に対する感度を低減する。
【００１９】
本発明の好ましい例示的実施形態は以下で添付の図面と共に説明され、図面では、類似の指示は類似の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施形態は、フィードバック変調器の周波数依存性に対する回転速度測定の感度を低減するためのシステムおよび方法を提供する。具体的には、このシステムおよび方法は、最小バイアススイッチング技術を使用して、低周波数数および高周波数に関連する異なる移相による位相変調器を有する閉ループ光ファイバジャイロスコープにおいて、低周波数２πリセットに関連する変化率誤差を低減する。一般に、最小バイアススイッチング技術は、２πリセットの周波数を増すことによってフィードバック変調駆動の低周波数成分を低減する。結果として、このシステムおよび方法は、フィードバック変調器駆動の低周波数成分を低減して、低周波数２πリセットと共に発生する誤差を回避する。
【００２１】
動作においては、最小バイアススイッチング技術は、変調器バイアスと呼ばれる変調器駆動の積分電圧を２πリセットが低減すると予測される場合、このようなリセットを実行する。具体的には、最小バイアス技術は、２πリセットの有無の両方について、積分変調器バイアスを予測する。次いで、最小バイアス技術は、積分変調器バイアスが最もゼロに近くなる結果となるオプションを選択する。よって、リセットが積分バイアス電圧の大きさを低減するようになる場合、リセットが実行される。そうではなく、リセットがその大きさを増す場合は、実行されない。積分バイアス電圧を予測し、２πリセットを選択的に実行した結果、２πリセットは、積分バイアス電圧をゼロに近づけるように駆動するように選択された高周波数で実行される。フィードバック変調の低周波数数内容を低減することによって、このシステムおよび方法は、低周波数数および高周波数で異なる応答を有する位相変調器に関連する誤差に対する感度を低減する。
【００２２】
ここで図１を見ると、例示的干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）１００が概略的に例示される。ＩＦＯＧ１００は、光源１０２、光結合器１０４、集積光チップ１０６、光ファイバコイル１０８、検出器１１０、ループ閉鎖電子機器１１２および位相変調器１１４を含む。加えて、ＩＦＯＧ１００はバイアススイッチング機構１３０を含み、この機構は、２πリセットが変調器駆動の積分電圧を低減すると予測されるときにこのようなリセットを実行し、それにより、低周波数２πリセットと共に発生する可能性のある誤差を回避する。ＩＦＯＧ１００は、クロックシステムを内部に実装することができるＩＦＯＧのタイプの例示的なものにすぎず、他の適切な実装は他の組み合わせの要素を含むことができることに留意されたい。
【００２３】
光ファイバコイル１０８は通常、コアの周囲および軸の周囲に巻き付けられ、この周囲で回転が検知される。光ファイバコイル１０８は通常長く、約５０ｍから２０００ｍの間である。光ファイバコイルは閉じた光路を提供し、この中で電磁波が分波され、反対方向に伝播し、最終的に検出器１１０上に衝突する。検知軸の周囲のある方向への回転は、ある方向の光路の長さを実質的に増し、他方向の光路の長さを減らす。光路の長さの差は波の間に移相を導入し、これはサニャック効果として知られる結果である。
【００２４】
光ファイバコイル１０８内の光ファイバのコイリングは望ましく、これは、回転による移相の量が、反対方向に移動する２つの波によって横断されたコイルを通じた光路全体の長さに依存するからである。したがって、コイル動作の結果として比較的少容量を占める長い光ファイバにおいて、大きい位相差を得ることができる。
【００２５】
光源１０２は、ＩＦＯＧ１００を通じて伝播する光を供給する。光源１０２を、光ファイバシステム１００を通じて電磁波を伝播するためのいかなる適切な光源にすることもできる。例えば、光源１０２は、半導体スーパールミネッセントダイオードを含む励起レーザーを含むことができる。代替として、光源は、希土類添加ファイバ光源を含むことができる。一般に、光源は、選択された波長の安定した出力を比較的高い効率で供給することが望ましい。
【００２６】
光源１０２は光結合器１０４に、通常は光ファイバを含む、適切な光路を使用して接続される。光結合器１０４は、時にはファイバ結合器、光ビーム結合器または波コンバイナーおよび分波器と呼ばれ、４つのポートＡ、Ｂ、ＣおよびＤの間に伸びる光伝送媒体を有する。ポートＡは光源１０２に接続され、ポートＢは検出器１１０に接続され、ポートＣは集積光チップ１０６に結合される。
【００２７】
一般に、光結合器１０４が電磁波をそのポートのいずれかで受信するとき、光結合器１０４は、送信された光の約半分が入力ポートの反対側の２つの各ポートに現れるように、波を送信する。同時に、入力ポートと同じ側にあるポートには実質的に電磁波が送信されない。例えば、ポートＡで受信された光はポートＣおよびＤへ送信されるようになるが、実質的にポートＢには送信されない。同様に、ポートＣで受信された光はポートＡおよびＢへ送信されるようになるが、ポートＤには送信されない、などとなる。
【００２８】
したがって、動作中に、光源１０２は光を光結合器１０４のポートＡに送信する。光結合器１０４は送信された光を分波し、この光をポートＣおよびＤに供給する。ポートＣに送信された光はさらに集積光チップ１０６へ、光ファイバまたは他の適切な機構を介して送信される。
【００２９】
ＩＦＯＧ１００は光結合器１０４の使用を例示するが、本発明の他の実施形態は光結合器１０４の代わりに異なる機器を使用することができることに留意されたい。例えば、ある光ファイバジャイロスコープの実施態様では、サーキュレータが光結合器の代わりに使用されるようになる。
【００３０】
集積光チップ１０６は、Ｙ接合１２０ならびに導波路１２２および１２４を含む。加えて、集積光チップ１０６は、導波路１２２および１２４と一体化された光位相変調器電極１２６を含む。ここでもまた、ＩＦＯＧ１００は集積光チップを使用するが、本発明の他の実施形態は他の機器を使用することができることに留意されたい。例えば、分離したＹ接合または結合器を、分離した変調器と共に使用することができる。
【００３１】
集積光チップ１０６の内部で、光はＹ接合１２０でさらに分波され、導波路１２２および１２４に供給される。導波路１２２に供給された光はファイバコイル１０８に送信され、ここでファイバコイル１０８の長さの周囲で時計回りに伝播する。この光は「ｃｗ波」と呼ばれ、ファイバコイル１０８中を伝播した後、集積光チップ１０６内の導波路１２４へ戻る。同様に、導波路１２４に供給された光波はファイバコイル１０８に送信され、ここでファイバコイル１０８の長さの周囲で反時計回りに伝播する。この光は「ｃｃｗ波」と呼ばれ、ファイバコイル１０８中を伝播した後、集積光チップ１０６内の導波路１２２へ戻る。
【００３２】
ファイバコイル１０８から送信され、それらの各導波路を通過した後、ｃｗ波およびｃｃｗ波はＹ接合１２０で結合され、光結合器１０４のポートＣへ伝播する。この結合波は次いで分波され、ポートＡおよびＢで出力される。ポートＢは検出器１１０に光結合され、ｃｗ波およびｃｃｗ波が検出器１１０で受信されるようになる。検出器１１０は通常、適切な光ダイオードおよび適切な増幅器など、光検出器を含む。言うまでもなく、他の適切な検出器を使用することができる。結合波が検出器１１０に到着するとき、検出器１１０は、光検出器１１０に衝突する２つの波の強度に比例した出力信号を供給する。
【００３３】
検出器１１０の出力はループ閉鎖電子機器１１２に渡される。一般に、ループ閉鎖電子機器１１２は信号を検出器１１０から受信し、干渉計の２つの測定値についての強度の差をゼロに保つために必要とされるフィードバック移相により、集積光チップ１０６を駆動する。したがって、回転速度測定値をフィードバック位相から計算し、出力１１６として引き渡すことができる。
【００３４】
２つの対向伝播波が検出器１１０に衝突するとき、検出器１１０からの出力は２つの波の間の位相差の余弦に従う。ここで図２を見ると、グラフ２００は、検出器に衝突する２つの例示的波の間の位相差の余弦を例示する。グラフ２００に例示されたパターンは一般に干渉計パターンと呼ばれる。余弦は偶関数であるため、このような出力関数は、移相の相対方向についての指示を与えない。このため、２つの対向伝播波の間の位相差は通常、変調され、このプロセスは一般にバイアス変調と呼ばれる。
【００３５】
位相変調器１１４は、集積光チップ１０６に入ってくる波および出ていく波に移相を適用することによって、位相バイアス変調を導入する。この変調は、導波路１２２および１２４の周囲の電極１２６に渡って変調電圧を適用することによって達成される。電圧の適用は、有効な光路の長さを長くまたは短くし、それにより、適用された電圧に比例した光移相を導入する。通常、位相変調器１１４はコイル中の光の通過時間に等しい半分の周期で方形を適用する。バイアス変調は干渉計内の検出ポイントをシフトさせ、検出器１１０がもはや干渉計の最上部で強度を測定せず、２つのオフセットポイントで測定するようにする。回転速度は検出器１１０で測定され、次いで２つのオフセットポイントにおける放射強度の差に比例する。ここで図３および図４を見ると、グラフ３００および４００は、干渉計パターンにおけるバイアス変調を例示する。具体的には、グラフ３００は、方形波バイアス変調信号３０１がどのように検出器に、オフセットポイント３０２および３０４における放射強度の差を測定させるかを例示する。よって、回転速度はこのとき、ポイント３０２および３０４における放射強度の差に比例する。グラフ３００では、回転なし（Ω＝０）であり、ポイント３０２および３０４における放射強度の差はゼロである。グラフ４００では、回転があり（Ω≠０）、よって、ポイント４０２および４０４の間の放射強度の差はゼロではない。
【００３６】
上述のように、閉ループ動作では、ループ閉鎖電子機器１１２は集積光チップ１０６をフィードバック位相により駆動して、２つのオフセット測定ポイントにおける放射強度の差をゼロに保つ。よって、回転速度測定値をフィードバック位相から計算し、出力１１６として引き渡すことができる。ここで図５を見ると、グラフ５００は、回転誘導移相に等しいおよび反対のフィードバック移相φＦＢがどのように導入されて、ポイント５０２および５０４における強度の差がゼロに駆動されるかを例示する。したがって、回転速度測定値をフィードバック移相φＦＢから計算することができる。具体的には、ループ閉鎖電子機器は、測定されたフィードバック移相φＦＢを積分し、回転角に比例した値を得ることができる。次いで、累積された位相に倍率を掛けることによって、回転角を計算することができる。
【００３７】
閉ループ動作は、開ループ動作に勝る多数の利ポイントを有する。例えば、二乗余弦干渉計上の同じ場所へバイアスすることによって、出力は非常に線形で安定する。加えて、出力１１６が位相の測定値から導出されるので、出力は検出器の測定値の合計強度に依存せず、温度、放熱、振動および電子利得の変化に応答して変わる可能性がある。
【００３８】
閉ループ光ファイバジャイロスコープの１つの問題ポイントは、強度差をゼロにするために必要とされる移相がＩＯＣ１０６の出力範囲を超えて増大する可能性があるポイントである。例えば、定速回転の状況では、強度差をゼロにするために必要とされる移相は継続増大ランプとなる。しかし、供給される可能性のある変調の量は、ループ閉鎖電子機器１１２およびＩＯＣ１０６の範囲によって制限される。この問題を回避するため、フィードバック変調が駆動電圧制限に近づくとき、リセット電圧がフィードバック変調に対して加算または減算される。例えば、速度誤差を生じることなく、２πの位相変化に対応するリセット電圧をフィードバック変調電圧に対して加算または減算することができる。このフィードバック変調電圧の周期的な調整は一般に２πリセットと呼ばれる。
【００３９】
ここで図６を見ると、グラフ６００は例示的フィードバック電圧を例示し、グラフ６５０は光ファイバジャイロスコープにおける例示的測定回転速度を例示する。具体的には、グラフ６００は、通常の光ファイバジャイロスコープにおける実際のフィードバック変調電圧を実線で例示し、理想のフィードバック変調電圧をポイント線で共に例示する。同様に、グラフ６５０は、実際のフィードバック電圧から取られた測定回転速度を実線で例示し、回転速度の理想の測定値をポイント線で共に例示する。図６の例では、光ファイバジャイロスコープは定回転速度を受けている。定回転速度には、フィードバック変調電圧の増大ランプが反映される。例えば、時間Ｔ１で、フィードバック変調電圧は、受けている回転速度により増大中である。上述のように、継続的な回転速度は最終的に変調電圧に、ループ閉鎖電子機器１１２およびＩＯＣ１０６の範囲を超えさせるようになる。よって、時間Ｔ２で２πリセットが実行される。この例では、２πリセットは、２πの位相変化に対応する電圧をフィードバック変調電圧から減算することに対応する。フィードバック変調電圧は次いで、時間Ｔ３における次の２πリセットまで、再度増大し続ける。
【００４０】
上述のように、２πリセットの導入の１つの潜在的な問題はＶπの周波数依存の性質であり、Ｖπは、ＩＯＣ１０６内の変調器の電気−光学利得である。具体的には、回転は、誘導された移相をゼロにするために必要とされるフィードバック電圧に基づいているので、Ｖπの周波数依存性は、いくつかの適用例では大きくなる可能性のある速度誤差を導入する。グラフ６００では、Ｖπの周波数依存の性質は、実際のフィードバック電圧が歪められる結果をもたらす。具体的には、理想の鋸歯パターンに従うのではなく、実際のフィードバック電圧は、Ｖπの周波数依存の性質によって２πで下方に曲げられる。
【００４１】
フィードバック電圧の歪みは、結果として測定回転速度における誤差を生じる。具体的には、閉ループ光ファイバジャイロスコープでは、測定回転速度はフィードバック電圧の傾きに等しい。よって、フィードバック電圧の歪みは測定回転速度における誤差を引き起こす。これをグラフ６５０に例示する。ここでもまた、理想の例では、定回転速度は、測定されたフィードバック電圧における理想の鋸歯パターン、および、速度の一定の測定を引き起こすようになる。グラフ６５０では、これは、約１０．０の理想の定回転速度によって例示される。しかし、フィードバック電圧の歪みは回転速度における誤差を引き起こす。グラフ６５０に例示するように、これらの誤差はそれら自体を、あるときはより低い測定回転速度として、他のときはより高い速度として明示する。
【００４２】
ＩＦＯＧ１００では、バイアススイッチング機構１３０は、フィードバック変調器の周波数依存性に対する回転速度測定の感度を低減するための機構を提供する。具体的には、バイアススイッチング機構１３０は、低周波数２πリセットに関連する変化率誤差を低減する。一般に、バイアススイッチング機構１３０は、２πリセットの周波数を増すことによってフィードバック変調駆動の低周波数成分を低減する。よって、バイアススイッチング機構１３０は、ＩＯＣ１０６駆動の低周波数成分を低減して、低周波数２πリセットと共に発生する誤差を回避する。
【００４３】
ここで図７を見ると、バイアススイッチング機構の具体的な実施形態が例示される。バイアススイッチング機構７００は、フィードバック電圧予測器７０２、フィードバック電圧積分器７０４、積分フィードバック電圧比較器７０６およびスイッチング機構７０８を含む。バイアススイッチング機構７００は、ジャイロスコープ１００など、閉ループ光ファイバジャイロスコープで使用することができる機構のタイプの例示的なものである。動作では、バイアススイッチング機構７００はフィードバック電圧をループ閉鎖電子機器から受信し、２πリセットが変調器バイアスの積分電圧を低減すると予測される場合にこのようなリセットを導入する。具体的には、フィードバック電圧予測器７０２は現在のフィードバック電圧を受信し、２πリセットの有無の両方について、将来のフィードバック電圧を予測する。予測された将来のフィードバック電圧は次いで、フィードバック電圧積分器７０４に渡される。フィードバック電圧積分器７０４は、将来のフィードバック電圧を積分し、過去のバイアス電圧と合計して、２πリセットの有無の両方について、積分変調器バイアスを決定する。積分フィードバック電圧比較器７０６は、２πリセットの有無の両方について、積分変調器バイアスを比較する。次いで、スイッチング機構７０８は、積分変調器バイアスがゼロに最も近くなる結果となるオプションを選択する。具体的には、スイッチング機構７０８は、２πリセットが積分バイアス電圧の大きさを低減するようになる場合、２πリセットを導入する。そうではなく、２πリセットがその大きさを増す場合、２πリセットは実行されない。ジャイロスコープの動作中に、バイアススイッチング機構７００は繰り返し、フィードバック電圧を受信し、２πリセットが変調器バイアスの積分電圧を低減するか否かを評価し、積分変調器バイアスが最小になるような方法で、２πリセットを選択的に導入する。
【００４４】
ここで図８を参照すると、グラフ８００は、バイアススイッチング機構がどのように、２πリセットの有る場合と無い場合の両方について積分変調器バイアスを予測することができるかの一実施例を例示する。例示の実施例では、フィードバック電圧は増加するランプであり、時間Ｔ１でゼロと交わる。過去の変調器バイアスは過去のフィードバック電圧の合計として定義され、所定のレベルのバイアスはゼロレベルとして定義され、そのレベルより下のバイアスは負として積分される。
【００４５】
例示の実施例では、時間Ｔ３で、バイアススイッチング機構は２πリセットの有無の両方について積分変調器バイアスを予測する。具体的には、バイアススイッチング機構は、時間Ｔ４で発生するであろう積分変調器バイアスを予測する。これは、ループ閉鎖電子機器によって生成されたフィードバック電圧の現在の変化の速度を決定するステップ、および、今後の変化の速度を推定するステップを含む。変化の速度（変化率）は、以前の周期におけるフィードバック電圧を検査し、これを現在のフィードバック電圧と比較することによって、計算することができる。例えば、時間Ｔ２における以前のフィードバック電圧Ｖ１、時間Ｔ３における現在のフィードバック電圧Ｖ２、およびＴ２とＴ３の間の時間差を決定することによって、Ｔ２とＴ３の間のフィードバック電圧の変化の平均速度が計算される。その変化の速度、または、フィードバック電圧の傾きは次いで、２πリセット無しの時間Ｔ４におけるフィードバック電圧Ｖ３を予測するために使用される。さらに、Ｖπをその値から減算することによって、これはまた２πリセット有りのフィードバック電圧Ｖ５を予測するためにも使用される。予測されたフィードバック電圧Ｖ３およびＶ５を次いで、２πリセットの有無の両方について将来の変調器バイアスを予測するために使用することができる。
【００４６】
一実施例として、２πリセット無しの将来の積分変調器バイアスは、ポイントＶ２とＶ３の間のフィードバック電圧の下の面積を決定することによって予測される。これは、長方形８２０の面積および三角形８２２の面積を決定することによって計算することができる。長方形８２０の面積は、以下のように定義される。
【００４７】
Ｖ２（Ｔ４−Ｔ３）  （１）
一方、三角形８２２の面積は、以下のように定義される。
【００４８】
（Ｖ３―Ｖ２）（Ｔ４−Ｔ３）／２
予測された将来の積分変調器バイアス計算が計算されると、これが過去の変調バイアスに加算されて、２πリセット無しの全体の積分変調器バイアスが予測される。
【００４９】
次いで、同じ計算を使用して、２πリセット有りの全体の積分変調器バイアスを予測することができる。具体的には、２πリセット無しの予測された全体の積分変調器バイアスを取り、２Ｖπ（Ｔ４−Ｔ３）を減算すると、２πリセット有りの全体の積分変調器バイアスの予測が得られる。全体の積分変調器バイアスの予測を比較することによって、バイアススイッチング機構は、積分変調器バイアスがゼロに最も近くなる結果となるオプションを選択することができる。よって、リセットが積分変調器バイアスの大きさを低減するようになる場合、このリセットが実行される。そうではなく、リセットがその大きさを増す場合は、リセットは実行されない。
【００５０】
積分バイアス電圧を予測し、２πリセットを選択的に実行した結果、２πリセットは、積分バイアス電圧をゼロにより近く駆動するように選択されたより高い周波数で実行される。例えば、バイアス電圧が、π／５・Ｖπボルトである場合、最小バイアススイッチング技術はフィードバック電圧を、時間の９０％に渡ってπ／５・Ｖπにし、時間の１０％に渡って−９π／５・Ｖπにする。ゼロボルトの積分バイアス電圧ではスイッチングは発生せず、Ｖπのバイアス電圧では、最小バイアススイッチング技術はＶπと−Ｖπの間の５０−５０のデューテイサイクルでスイッチングするであろう。
【００５１】
上述のように、ＩＦＯＧの動作中に、バイアススイッチング機構は、２πリセットが変調器バイアスの積分電圧を低減するか否かを繰り返し評価し、積分変調器バイアスがゼロに最も近くなる結果となるオプションを選択する。この評価が発生する最大速度、すなわち、２πリセットをトリガすることができる速度は、速度信号を復調するために使用されたτの数によって決まる。より高速な評価速度は、フィードバック変調駆動信号の高周波数内容を増すために望ましい。
【００５２】
積分バイアスを計算する方法は通常、バイアス変調評価の速度によって決まるようになる。例えば、将来の所定の時間フレームについて通常の位相ランプの積分バイアスを予測するため、積分バイアス履歴が、以前の所定の時間フレームに加えて所定の時間フレームの現在バイアス値倍の間の、積分バイアスの変化に加算される。この値が、所定の時間フレームの２Ｖπ倍を通常の位相ランプ予測に対して加算または減算することによって得られた値と比較される。バイアス電圧が正である場合、負の２πリセットのみが考慮される必要があり、逆に負のバイアス電圧では、正の２πリセットのみが考慮される必要がある。
【００５３】
バイアススイッチング機構の１つの具体的な実施形態では、バイアススイッチング機構は、８ループ通過時間につき１回、２πリセットの可能性を評価し、ループ通過時間は一般にτと呼ばれる。この実施形態では、将来の通常の位相ランプ８τの積分バイアスを予測するため、積分バイアス履歴が、以前の８τおよび８の現在のバイアス倍の間の積分バイアスの変化に加算される。この値が、８の２Ｖπ倍を通常の位相ランプ予測に対して加算または減算することによって得られた値と比較される。ここでもまた、バイアス電圧が正である場合、負の２πリセットのみが考慮される必要があり、逆に負のバイアス電圧では、正の２πリセットのみが考慮される必要がある。最低集積バイアスを有する予測が、２πリセット有りの予測である場合、変調器駆動フィードバック電圧は追加の２Ｖπによって変更される。
【００５４】
ここで図９を見ると、グラフ９００は、バイアススイッチング機構１３０が、２πリセットの周波数を増すことによってフィードバック変調駆動の低周波数成分をどのように低減するかを例示する。ここでもまた、動作においては、バイアススイッチング機構１３０は、２πリセットが変調器バイアスの積分電圧を低減すると予測される場合にこのようなリセットを実行する。具体的には、バイアススイッチング機構１３０は、２πリセットの有無の両方について、積分変調器バイアスを予測する。次いで、バイアススイッチング機構１３０は、積分変調器バイアスが最もゼロに近くなる結果となるオプションを選択する。ジャイロスコープの動作中に、バイアススイッチング機構１３０はしたがって、２πリセットが変調器バイアスの積分電圧を低減するか否かを繰り返し評価し、積分変調器バイアスが最もゼロに近くなる結果となるオプションを選択する。グラフ８００では、電圧が駆動回路制限を超えないようにするために実行された２πリセットに加えて、複数の２πリセットをバイアススイッチング機構１３０がどのように実行するかを示すために、フィードバック電圧が例示される。グラフ９００は、バイアス変調のために実行されるようなものなど、フィードバック電圧における他の変調を例示しないことで簡素化されることに留意されたい。例示の実施例では、バイアススイッチング機構１３０は、２πリセットを繰り返し評価し、リセットを選択的に実行する。これは、時間Ｔ１からＴ１５の各々でリセットが発生する結果となる。次いで、時間Ｔ１６で、駆動回路制限を超えないようにするために選択された「通常」の２πリセットが発生する。時間Ｔ１６の後に続いて、積分変調器バイアスを低減するための複数の２πリセットが再度実行される。よって、バイアススイッチング機構１３０は、実行される２πリセットの数を大幅に増し、よってフィードバック変調の周波数を増す。
【００５５】
フィードバック電圧は回転速度により変化し、２πスイッチング周波数は駆動電圧により変化するので、最終結果は、最小バイアススイッチング機構１３０が、著しく低減された速度依存の低周波数成分を有するフィードバック電圧を生成することになる。結果として、低および高周波数応答の差による位相変調器に関連する回転速度誤差は著しく低減され、これは、リセットがもはや低周波数数で発生しないからである。
【００５６】
加えて、位相変調器の周波数応答はしばしば不安定であり、温度、放熱、湿度および圧力など、環境要因に依存する。結果として、位相変調器の不安定な低周波数数応答に対する感度を低減することによって、閉ループ光ファイバジャイロスコープの速度オフセット安定性が向上される。位相変調器の高周波数応答もまた不安定になる可能性があるが、これは問題を生じない。様々なＶπ測定技術が高周波Ｖπ値の変化を正確に追跡することができるからである。
【００５７】
ヒステリシスは通常、従来のフィードバック変調技術において、複数の２πリセットが変調電圧範囲の縁で発生しないようにするために必要とされる。最小バイアススイッチング技術ではヒステリシスはもはや必要なく、これは２πリセットがすべての電圧レベルで発生することができるからである。結果として、最小バイアススイッチング技術は、正および負の回転速度の間で対称な変調器電圧範囲を生じる。このバイアス変調における対称性は、正および負の回転速度の間の倍率の非対称性を低減する。
【００５８】
要約すると、最小バイアススイッチング技術は、閉ループフィードバック変調において高周波２πステッピングを導入して、低周波数数および高周波数における異なる応答による位相変調器に関連する誤差を低減する。従来の閉ループフィードバック解決策と比較すると、最小バイアススイッチング技術は、２πリセットに関連する速度依存誤差を低減し、速度オフセット安定性を増し、正および負の回転速度の間の倍率の対称性を向上させる。
【００５９】
本明細書で述べた実施形態および実施例は、本発明およびその特定の応用例を最良に説明するため、および、それにより当業者が本発明を作成および使用できるようにするために提示された。しかし、前述の説明および実施例は例示および例のためにのみ提示されたことは、当業者には理解されよう。前述の説明は網羅的であるように意図されず、または、開示された正確な形態に本発明を限定するように意図されない。多数の修正および変形形態は、上記の教示に照らして、以下の特許請求の範囲の精神から逸脱することなく、可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態による例示的光ファイバジャイロスコープの概略図である。
【図２】対向伝播波からの余弦干渉計パターンの例示的グラフ図である。
【図３】対向伝播波からの余弦干渉計パターンの例示的グラフ図である。
【図４】対向伝播波からの余弦干渉計パターンの例示的グラフ図である。
【図５】対向伝播波からの余弦干渉計パターンの例示的グラフ図である。
【図６】理想のおよび通常の位相変調器についての最小バイアススイッチングなしのフィードバック電圧および回転速度のグラフ図である。
【図７】本発明の一実施形態によるバイアススイッチング機構の概略図である。
【図８】本発明の一実施形態による累積変調バイアス電圧予測技術のグラフ図である。
【図９】本発明の一実施形態による最小バイアススイッチングによるフィードバック電圧のグラフ図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００  例示的干渉方式光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）
１０２  光源
１０４  光結合器
１０６  集積光チップ
１０８  光ファイバコイル
１１０  検出器
１１２  ループ閉鎖電子機器
１１４  位相変調器
１１６  出力
１２０  Ｙ接合
１２２  導波路
１２４  導波路
１２６  光位相変調器電極
１３０  バイアススイッチング機構
７００  バイアススイッチング機構
７０２  フィードバック電圧予測器
７０４  フィードバック電圧積分器
７０６  積分フィードバック電圧比較器
７０８  スイッチング機構
【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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【外国語明細書】
2007147629000001.pdf